陳艷杰，曹 威，甘立記，張士杰

（1.商丘工學(xué)院信息與電子工程學(xué)院，河南 商丘 476000；2.安陽市萬金渠管理處，河南 安陽 455000；3.解放軍91292 部隊(duì)，河北 保定 074000）

0 引言

中繼協(xié)作技術(shù)是無線通信的關(guān)鍵技術(shù)，它利用虛擬天線陣列獲取分集增益，提高數(shù)據(jù)傳輸容量，擴(kuò)大傳輸距離，提升通信質(zhì)量。依據(jù)中繼對(duì)信號(hào)處理方式的不同，協(xié)作方案主要分為兩種，分別是放大轉(zhuǎn)發(fā)（amplify-and-forward，AF）和譯碼轉(zhuǎn)發(fā)（decode-and-forward，DF），本文采用AF 協(xié)作方案。與單中繼協(xié)作通信相比，多中繼可獲得更高階的分集增益。在AF 多中繼協(xié)作通信系統(tǒng)中，準(zhǔn)確的信道狀態(tài)信息（channel state information，CSI）是中繼選擇、資源分配、相干檢測(cè)和鏈路自適應(yīng)的關(guān)鍵。因此，該系統(tǒng)的信道估計(jì)問題受到了人們的廣泛關(guān)注。

文獻(xiàn)［6-7］分別在平坦衰落和頻率選擇性衰落信道下，研究了單中繼放大轉(zhuǎn)發(fā)級(jí)聯(lián)信道估計(jì)方法。在平坦衰落信道下，文獻(xiàn)［8-10］研究了多中繼協(xié)作系統(tǒng)估計(jì)問題，提出了最小二乘（LS）和線性最小均方誤差（LMMSE）信道估計(jì)算法，給出了最優(yōu)訓(xùn)練序列設(shè)計(jì)。以上文獻(xiàn)只能獲取級(jí)聯(lián)CSI，不能獲取每段鏈路的CSI。為了獲得系統(tǒng)分集，文獻(xiàn)［9-10］融入了預(yù)編碼思想。文獻(xiàn)［11-12］可獲取每段鏈路的CSI，但文獻(xiàn)［11］需要的訓(xùn)練時(shí)隙與中繼個(gè)數(shù)成正比，開銷太大。文獻(xiàn)［12］在文獻(xiàn)［11］的基礎(chǔ)上，對(duì)不同中繼的訓(xùn)練序列采用預(yù)編碼技術(shù)，使其正交化，允許R 可同時(shí)向D 發(fā)送訓(xùn)練序列，大大節(jié)約了訓(xùn)練時(shí)隙，但訓(xùn)練時(shí)隙開支仍然較大。

本文針對(duì)AF 多中繼協(xié)作通信系統(tǒng)分段估計(jì)中訓(xùn)練時(shí)隙開支大的問題，提出了結(jié)合預(yù)編碼技術(shù)和半盲估計(jì)技術(shù)的分段信道估計(jì)方案。利用R 處預(yù)編碼可使不同中繼正交化，利用S 處對(duì)數(shù)據(jù)預(yù)編碼，并疊加上訓(xùn)練序列，可進(jìn)一步減小訓(xùn)練時(shí)隙的開支，縮短系統(tǒng)的訓(xùn)練時(shí)間。

1 系統(tǒng)模型

圖1 協(xié)作通信系統(tǒng)傳輸模型

圖2 所示的是S 到R鏈路訓(xùn)練序列和數(shù)據(jù)的疊加過程及其傳輸過程，該過程主要包含以下步驟：源節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)序列進(jìn)行預(yù)編碼，以保證數(shù)據(jù)和訓(xùn)練序列正交；在預(yù)編碼后的數(shù)據(jù)塊上疊加相應(yīng)的訓(xùn)練序列；將疊加有訓(xùn)練序列的數(shù)據(jù)塊通過S 到R鏈路信道進(jìn)行發(fā)送；中繼節(jié)點(diǎn)根據(jù)數(shù)據(jù)和訓(xùn)練序列的正交性對(duì)兩者進(jìn)行區(qū)分。對(duì)于R到D 鏈路，為了目的節(jié)點(diǎn)對(duì)不同的中繼進(jìn)行區(qū)分，中繼首先對(duì)其區(qū)分出的訓(xùn)練序列進(jìn)行中繼預(yù)編碼，使不同中繼間的訓(xùn)練序列正交化，之后放大前傳至目的節(jié)點(diǎn)。目的節(jié)點(diǎn)根據(jù)所收到的來至不同中繼的信號(hào)，先將數(shù)據(jù)提取出來，然后再對(duì)不同的鏈路進(jìn)行信道估計(jì)。

圖2 訓(xùn)練序列疊加過程

其中，n為R處的噪聲，其分布為復(fù)高斯型，均值是0，方差用N表示。

2 預(yù)編碼和訓(xùn)練序列的設(shè)計(jì)

3 提出的訓(xùn)練時(shí)隙節(jié)約型分段信道估計(jì)算法

4 仿真條件與結(jié)果分析

表1 給出了文獻(xiàn)［11］、文獻(xiàn)［12］與本文所提出信道估計(jì)方法所占用的訓(xùn)練時(shí)隙的對(duì)比。從表中數(shù)據(jù)可知，文獻(xiàn)［11］中的估計(jì)方法占用的訓(xùn)練時(shí)隙數(shù)為中繼個(gè)數(shù)的3 倍，原因在于該方法對(duì)每個(gè)中繼鏈接逐一進(jìn)行估計(jì)，每個(gè)中繼鏈路都需占用3 個(gè)訓(xùn)練時(shí)隙，對(duì)于M 個(gè)中繼的協(xié)作通信系統(tǒng)，就需3M 個(gè)訓(xùn)練時(shí)隙，可見這種方法的訓(xùn)練時(shí)隙開銷巨大，在實(shí)際應(yīng)用中很難實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)［12］借助中繼預(yù)編碼技術(shù)，使不同中繼的訓(xùn)練序列正交化，這樣中繼可以同時(shí)向目的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)信息，此時(shí)占用的訓(xùn)練時(shí)隙數(shù)為3，為固定值且不隨著中繼個(gè)數(shù)的變化而變化，能夠在一定程度上節(jié)約訓(xùn)練時(shí)隙，但占用時(shí)隙數(shù)依然較多。而本文所提出的估計(jì)算法，能夠進(jìn)一步壓縮訓(xùn)練時(shí)隙，只需占用1 個(gè)時(shí)隙即可，原因在于提出方法在中繼預(yù)編碼的基礎(chǔ)上，采用半盲估計(jì)算法，將訓(xùn)練序列疊加到數(shù)據(jù)塊上，來獲取S→R 鏈路的CSI，不需單獨(dú)占用額外的時(shí)隙，只是在獲取R→D鏈路的CSI 時(shí)占用一個(gè)訓(xùn)練時(shí)隙，該方法提高了數(shù)據(jù)傳輸效率，節(jié)約了訓(xùn)練時(shí)隙資源。

表1 占用時(shí)隙數(shù)對(duì)比

圖3 展示了多中繼協(xié)作通信系統(tǒng)的S→R 鏈路和R→D 鏈路的分段信道估計(jì)的平均MSE 性能，為了簡化起見，中繼個(gè)數(shù)設(shè)置為2。從圖中可以看出，相同條件下，R→D 鏈路估計(jì)的平均MSE 性能要比S→R 鏈路估計(jì)的平均MSE 性能好，大約有5 dB 的優(yōu)勢(shì)，原因在于S→R 鏈路估計(jì)是在R→D 鏈路估計(jì)的基礎(chǔ)上獲得的，R→D 鏈路估計(jì)誤差也將疊加到S→R 鏈路估計(jì)上，因此，S→R 鏈路估計(jì)的平均MSE 值比較大。從另外一個(gè)角度來看，該圖也展示了分段信道估計(jì)的平均MSE 性能隨Hadamard 矩陣階數(shù)N 的變化情況，對(duì)于R→D 鏈路估計(jì)的平均MSE 值大小不受Hadamard 矩陣階數(shù)N 大小的影響，原因在于對(duì)此段鏈路先進(jìn)行估計(jì)，并未用到疊加訓(xùn)練序列，當(dāng)Hadamard 矩陣階數(shù)N 變化時(shí)，其平均MSE 性能從式（10）可明顯的看出，與N 無關(guān)，即Hadamard 矩陣階數(shù)N 不影響R→D 鏈路估計(jì)的平均MSE 性能。而對(duì)于S→R 鏈路的估計(jì)則不同，其平均MSE 性能與Hadamard 矩陣階數(shù)N有關(guān)，原因在于估計(jì)過程中用到了疊加訓(xùn)練序列，此段鏈路的平均MSE 估計(jì)性能隨著疊加訓(xùn)練長度增加而變好。

圖3 分段估計(jì)平均MSE 性能比較（M=2）

圖4 給出了多中繼協(xié)作通信系統(tǒng)的BER 性能隨Hadamard 矩陣階數(shù)N 的變化情況，同樣將中繼個(gè)數(shù)設(shè)置為2，由圖可知，當(dāng)N 增加時(shí)，意味著數(shù)據(jù)塊長度N-M-1 增加時(shí)，BER 值隨之下降，性能得以提高。綜上所述，提出方法的BER 性能在數(shù)據(jù)塊比較長時(shí)優(yōu)勢(shì)更加明顯。

圖4 不同Hadamard 矩陣階數(shù)對(duì)BER 性能影響（M=2）

5 結(jié)論

本文提出了一種訓(xùn)練時(shí)隙節(jié)約型信道估計(jì)算法，該方法結(jié)合預(yù)編碼技術(shù)和半盲信道估計(jì)技術(shù)，充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì)，能夠在瑞利平坦衰落下的多中繼分段信道估計(jì)中起到很好的效果。該方法不僅對(duì)中繼進(jìn)行預(yù)編碼實(shí)現(xiàn)對(duì)不同中繼鏈路的區(qū)分，而且也對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)編碼，使其與訓(xùn)練序列正交，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)塊與訓(xùn)練序列進(jìn)行疊加，節(jié)約訓(xùn)練時(shí)隙資源。通過Monte Carlo 仿真，進(jìn)一步驗(yàn)證了所提方法在保證分段鏈路信道估計(jì)性能的前提下，最大限度地壓縮了訓(xùn)練時(shí)隙，是一種比較實(shí)用的信道估計(jì)方案，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。