莱斯衰落信道下协作通信的分集接收算法

莱斯衰落信道下协作通信的分集接收算法*

李东武裴昌幸

(西安电子科技大学 综合业务网理论及关键技术国家重点实验室， 陕西 西安 710071)

摘要：针对协作通信系统提出一种新型分集接收算法.首先在中继节点对发送信号做空时分组编码处理，当接收机接收到信号后进行快速傅里叶变换，再进行空时与频域的联合均衡运算，最后变换到时域硬判决，从而得到发送信号的估计结果.通过采用判决反馈与干扰抵消等联合处理方法，可获得中继的协作分集增益，降低了均衡过程的信噪比损失，提高了协作通信的传输质量.仿真结果表明，当信噪比为12dB时，所提接收算法可将传统算法的误码率数量级从10-2降低到10-3.

关键词：空时分组码；傅里叶变换；频域均衡；协作通信；分集增益

中图分类号：TN929

doi：10.3969/j.issn.1000-565X.2015.03.013

文章编号：1000-565X(2015)03-0090-08

收稿日期：2014-05-19

基金项目：* 国家自然科学基金资助项目 (61340035)；广州市科技计划项目(2014J4100246)

作者简介：周雄(1988-)，男，博士生，主要从事Femtocell研究. E-mail: zhouxiongbupt@gmail.com

空间分集接收技术能在不提高硬件成本的条件下，显著提高无线通信的传输速率与传输的可靠性，近年来在无线通信学术领域内受到了广泛的关注.早期的算法研究中，空间分集增益的获取需要通过发射机或者接收机安装多个天线，即通过构建多输入多输出(MIMO)系统来获得.但是，在实际收发信机中，尤其是小型的移动通信手持终端，由于常常受到功率、体积以及电磁干扰等限制，很难安装多天线[1-2].

协作通信[3]无需收、发端安装多个天线即可获取分集增益，起源于中继通信，由Sendonaris等[4]提出，其思想是通过多用户共享天线与其他网络资源构成一个虚拟多天线系统，然后通过分布式处理来获得空间分集增益.该技术一经提出，就受到全世界学者的广泛关注，各种不同的协作传输机制纷纷出现，传统端到端通信系统中的关键技术也逐步演进到协作通信系统.常见的中继协议有放大—转发、译码—转发、压缩—转发以及编码—转发等多种形式[5].

单载波频域均衡(SC-FDE)技术[6-7]具有非常好的抗频率选择性衰落的能力以及低的运算复杂度，而且单载波信号的峰均功率比很低，很适合高速的数据传输.在MIMO系统中Alamouti提出空时分组码(STBC)，能利用多个天线的发射分集增益来提高传输性能，接收机只需线性复杂度的处理即可实现最大似然译码，在安装两个发射天线、一个接收天线的MIMO系统中，STBC可以满速率实现发射分集[8].与STBC相结合的SC-FDE算法(STBC-SC-FDE)[9]可以兼具STBC的空间分集增益以及SC-FDE的低运算复杂度，在频率选择性衰落信道下可以取得良好的性能.在STBC-SC-FDE基础之上，文献[10]提出多用户联合空时检测算法，文献[11]提出时变的频率选择性衰落信道的信道估计，也有国内外其他专家学者研究自适应实现[12-13].Wang等[14]将STBC块传输技术应用于协作通信，提出了一种能够提供协作分集的传输系统.文献[15]在采用频分多址的协作通信系统中采用这种传输方案；文献[16]在协作基站中采用自适应频域均衡；Wu等[17]提出了利用STBC-SC-FDE实现多中继的波束成形技术；发射—接收机联合的频域均衡以及发射机功率分配的实现方式均在文献[18]中提出.此外，还有文献研究在判决—转发模式的多用户的协作中继系统中应用STBC-SC-FDE[19]传输体制，同时还有针对该系统的中继选择问题的探讨[20].

上述算法都是在空时合并后通过频域均衡器来消除频率选择性衰落，只能获得部分的分集增益，而后期提出的自适应处理也只能使得该算法便于实际应用，而无法改进其检测性能，因此，所有算法的检测性能相比文献[9]都没有明显的改进.文中利用STBC-SC-FDE的检测结果与信道冲激响应(CIR)重构各条路径的多径信号并从接收信号抵消，获得并保留接收信号中的视距(LOS)分量，将信道的频率选择性衰落转变为准平坦衰落，即消除了多径衰落的干扰，然后，对LOS分量进行STBC的空时合并后判决，可明显改善系统的整体性能.

1协作系统模型

文中研究了两个中继的协作通信系统.两中继系统作为一种协作通信的基本结构得到了广泛的研究[2]，系统模型如图1所示.

图1　两中继协作通信系统模型 Fig.1　Cooperative communication system with two relays

系统由源节点(S)、两个中继节点(Ra和Rb)与目的节点D构成，此系统被称之为“钻石”型架构，其他协作通信网络架构都由此演变而来.由于衰落的影响，源节点与目的节点之间的直射路径不存在，但是源节点与中继节点、中继节点与目的节点之间的信道则可以存在直射路径.在瑞利平坦衰落条件下，从源节点S到中继节点Ra和Rb的信道衰落系数分别是hsa与hsb，而从中继节点Ra和Rb到目的节点D的信道衰落系数分别为had与hbd，所以，从源节点分别经历两个中继节点到达目的节点的等效信道衰落系数为：

(1)

式中β表示归一化功率系数.同理可知，当信道为莱斯多径衰落情况下，hsa与hsb、had与hbd分别为含有多个元素组成的CIR向量，分别记为hsa(n)与hsb(n)、had(n)与hbd(n)，此时等效的源节点到目的节点的CIR可通过下式的卷积运算得到：

(2)

若CIRhsa(n)的长度为Msa，had(n)的长度为Mad，则经过卷积运算后可得到等效CIRha(n)的长度为Ma=Msa+Mad-1，这就是说，协作通信在提供协作分集增益的同时，也会增加等效多径信道冲激响应的长度.

2协作通信系统中基于STBC-SC-FDE的分集传输2.1结合SC-FDE的STBC算法

(3)

(4)

式中，υ(j)表示第j个数据块时的噪声向量，H(j)i为第j个数据块时第i(i=1,2)个发射天线到接收天线的信道传输特性矩阵.对y(j)进行傅里叶变换(FFT)可得到

(5)

(6)

其中(·)*表示复共轭转置.式(6)两边同乘以Λ*可得到

(7)

(8)

式中，SNR表示接收信号的信噪比.将均衡器的输出变换到时域并判决，即可得到对发送信号的估计.该算法在式(7)所示的空时合并过程中会得到空间分集的增益，而经过均衡器的处理后会损失信噪比，实际上，STBC-SC-FDE算法只能获得部分的分集增益.

2.2新算法的干扰抵消策略

新算法的接收机如图2所示，对于经过中继转发到达接收节点的接收信号，首先通过频域空时的联合处理得到初始解，然后进行干扰抵消消除多径造成的影响，再进行第2次空时合并并判决输出.

图2　新算法的接收机框图 Fig.2　Block diagram of new reception algorithm

(9)

(10)

(11)

对比式(4)的带有多径干扰的接收信号y(j)与式(11)经过干扰抵消后的主径信号分量φ(j)，显然式(4)表明发射信号经过了频率选择性衰落信道，而式(11)表明发射信号经过了平坦衰落信道，因此新算法可将发射节点经中继转发到达目的节点的整体等效信道的频率选择性衰落转变为平坦衰落，此后对式(11)的主径分量采用STBC合并译码算法按下式处理：

(12)

(13)

(14)

对ξx1(k)和ξx2(k)分别解调判决，即可得到发送信号的最终解调结果.

2.3复杂度分析

文中所提算法是在传统空时频域均衡联合处理的基础上进一步完成，因此新算法的计算复杂度有所增加.原算法的计算量主要体现在接收信号的FFT、傅里叶反变换(IFFT)以及频域均衡，而新算法所增加的计算量则主要体现在信号重构、干扰抵消以及空时合并这3个环节，由于式(10)所示的干扰抵消只需要加减法运算，相比乘法可忽略不计，新算法与原算法的乘法运算量比较如表1所示.

新算法与原算法的总运算量比值为

表1算法计算量对比Table1Comparisonofcalculationamountofalgorithms

运算FFT与IFFT频域均衡信号重构干扰抵消空时合并总乘法运算量原算法NlgNN000NlgN+N新算法NlgNNN(L-1)0NNlgN+N(L+1)

(15)

2.4性能分析

式(13)给出的是新算法在假设理想的情况下得到的近似情况，该近似解可认为是新算法所能达到的理论性能下界，在此理想情况下，最终合并信号的信噪比为

(16)

其中，‖‖2表示二范数，对式(16)化简可得到

(17)

式中σ2为噪声的方差，而式(8)所表达的空时与频域均衡处理后，输出信号的信噪比[9-10]为

(18)

对比式(17)与式(18)不难看出，新算法在理论情况下可以取得明显高于空时联合均衡的信噪比输出，从而可以取得更加良好的检测性能.但是，该结论是在假设初始检测即STBC-SC-FDE检测算法无误差的情况下得到的，而实际检测过程中无法保证这个假设成立.因此新算法只能将信道的频率选择性衰落转化为准平坦衰落，此时仍然可以明显改善发射信号的符号间干扰现象，下一节在实际无线通信信道条件下仿真验证了该算法的性能.

3仿真结果与分析

对文中算法的实际检测性能在两中继协作通信莱斯衰落信道下进行了Monte Carlo仿真试验，仿真中选择的莱斯衰落信道共有5条传输路径，各路径的延迟分别为0、1、3、5和9个符号周期，其中0延迟的路径为莱斯信道的主径分量，其余为多径分量；莱斯信道1中，各路径的归一化功率分别取0、-4、-6、-9和-10dB；莱斯信道2中，各路径的的归一化功率分别取0、-6、-9、-11和-15dB.两个莱斯衰落信道的参数如表2所示.信号采用QPSK调制，符号速率为1MB，数据块长度为1024b，CIR的长度为10个符号，因此采用10个符号长度的CP来消除数据块间干扰.

误码特性仿真结果如图3所示，仿真参数是采用表2中莱斯衰落信道1的参数.图中“空间频域联合处理”表示接收信号直接进行空时合并与频域均衡的联合信号处理后的检测结果，该处理方式存在背景噪声放大的问题，因此误码率比较高；同时，该算法又消除了符号间干扰，因此性能比“无处理”的直接判决方式性能明显更优.但是，由于所选择的协作中继传输信道条件比较恶劣，均衡过程带来比较大的信噪比劣化.“空间频域联合处理-干扰抵消”是文中新算法，从仿真得到的误码率曲线比较可以看到，信噪比低于5dB时新算法性能稍有不如原算法，这是因为干扰抵消基于初始解完成，而信噪比低时初始解的误码率比较高，因此干扰抵消过程反而带来了初始检测误差传播的影响.当信噪比高于5dB后，新算法可以取得比空间频域处理算法更优的性能，当信噪比为12dB时，新算法的误码率在10-3以下，相对于原算法的10-2，改进很明显.

表2莱斯衰落信道参数
Table 2Coefficients of the Ricean fading channels

莱斯衰落信道各路径延迟(符号周期)各路径衰减/dB10,1,3,5,90,-4,-6,-9,-1020,1,3,5,90,-6,-9,-11,-15

图3　莱斯衰落信道1的误码率特性曲线比较 Fig.3　Comparison of feature curves of bit error rate in Ricean fading channel 1

图4为新算法在莱斯衰落信道2的条件下的仿真结果，为比较新算法的检测性能，这里对文献[18]的算法同时进行了仿真对比.从图中可见，新算法仍然可以明显改善系统的检测性能，而文献[18]的算法性能虽然与传统的空时频域联合处理技术相比明显提高，但是仍然不如文中所提新算法.

图4　莱斯衰落信道2中的误码率特性曲线比较 Fig.4　Comparison of feature curves of bit error rate in Ricean fading channel 2

4结语

文中将空时频域联合均衡技术引入协作通信系统中，并且基于干扰抵消技术进行了改进，提出一种新型分集合并算法.该算法的目标是消除接收信号中的多径干扰，然后再进行空间合并，可有效提高系统的传输性能.新算法在提高检测性能的同时，也需付出额外的计算量开销，只是所增加的计算复杂度随着数据块的长度呈线性增加，并不会显著提高整体计算量.

参考文献：

[1]Laneman J N,Wornell G W. Distributed space-time-coded protocols for exploiting cooperative diversity in wireless networks [J].IEEE Transactions on Information Theory,2003,49(10):2415-2425.

[2]Laneman J N,Tse D N C,Wornell G W.Cooperative diversity in wireless networks:Efficient protocols and outage behavior [J].IEEE Transactions on Information Theory,2004,50(12):3062-3080.

[3]余永聪,冯穗力.协作网络中基于DTR协议的改进算法 [J].华南理工大学学报:自然科学版，2013,41(11):30-35.

Yu Yong-cong,Feng Sui-li.Improved algorithm based on DTR protocol in cooperative networks [J].Journal of South China University of Technology:Natural Science Edition,2013,41(11):30-35.

[4]Sendonaris A,Erkip E,Aazhang B.User cooperation diversity-part I:system description [J] IEEE Transactions on Communications,2003,51(11):1927-1938.

[5]Eghbali H,Muhaidat S,Al-Dhahir N.A novel receiver design for single-carrier frequency domain equalization in broadband wireless networks with amplify-and-forward relaying [J].IEEE Transactions on Wireless Communications,2011,10(3):721-727.

[6]Falconer D，Ariyavisitakul S L，Benyamin-Seeyar A，et al.Frequency domain equalization for single-carrier broadband wireless systems [J].IEEE Communications Magazine,2002,40(4):58-66.

[7]Zhu Yu,Ben Letaief Khaled.Single carrier frequency domain equalization with time domain noise prediction for wideband wireless communications [J].IEEE Transactions on Wireless Communications,2006,5(12):3548-3557.

[8]Alamouti S M.A simple transmit diversity technique for wireless communications [J].IEEE Journal on Select Areas in Communications,1998,16(8):1451-1458.

[9]Naofal Al-Dhahir.Single-carrier frequency-domain equaliza-tion for space-time block-coded transmissions over frequency-selective fading channels [J].IEEE Communications Letters,2001,5(7):304-306. Al-Dhahir.Single-carrier frequency-domain equaliza-tion for space-time block-coded transmissions over frequency-selective fading channels [J].IEEE Communications Letters,2001,5(7):304-306.

[10]Younis W M, Sayed A H, Al-Dhahir N.Efficient adaptive receivers for joint eualization and interference cancellation in multiuser space-time block-coded systems [J].IEEE Transactions on Signal Processing,2003,51(11):2849-2862.

[11]Morelli M,Sanguinetti L,Mengali U.Channel estimation for adaptive frequency-domain equalization [J].IEEE Transactions on Wireless Communications,2005,4(5):2508-2518.

[12]Coon J,Armour S,Beach M,et al.Adaptive frequency-domain equalization for single-carrier multiple-Input multiple-Output wireless transmissions [J].IEEE Transac-tions on Signal Processing,2005,53(8):3247-3256.

[13]Baek J S,Seo J S.Efficient design of block adaptive equalization and diversity combining for space time block coded single carrier systems [J].IEEE Transactions on Wireless Communications,2008,7(7):2603-2611.

[14]Wang Dong,Fu Sheng-li.Asynchronous cooperative communications with STBC coded single carrier block transmission [C]∥Proceedings of IEEE Global Telecommunications Conference.Washington DC:IEEE,2007:2987-2991.

[15]Fan Xian-xue,Wu Gang,Lin Wei,et al.A new two-user cooperative transmission scheme with low-complexity FDE in SC-FDMA systems [C]∥Proceedings of 5th International Conference on Wireless Communications Networking and Mobile Computing.Beijing:IEEE,2009:1-6.

[16]Ribeiro F C,Dinis R,Cercas F,et al.Analytical performance evaluation of base station cooperation systems using SC-FDE modulations with iterative receivers [C]∥Proceedings of International Workshop on Emerging Technologies for LTE-Advanced and Beyond-4G.Anaheim CA:IEEE,2012:637-641.

[17]Wu Pei-ran,Robert Schober.Cooperative beamforming for single-carrier frequency-domain equalization systems with multiple relays [J].IEEE Transactions on Wireless Communications,2012,11(6):2276-2286.

[18]Koichi Adachi,Kazuki Takeda,Sumei Sun,et al.Joint cooperative-transmit and receive FDE for single-carrier incremental relaying [J].IEEE Transactions on Vehicu-lar Technology,2013,62(1):1-13.

[19]Saed Daoud,Ali Ghrayeb.On the asymptotic performance of multiuser opportunistic DF cooperative systems over frequency selective fading channels using MMSE SC-FDE [C]∥Proceedings of 13th Canadian Workshop on Information Theory.Vancouver:IEEE,2013:143-147.

[20]Homa Eghbali,Sami Muhaidat,Seyed Amin Hejazi,et al.Relay selection strategies for single-carrier frequency-domain equalization multi-relay cooperative networks [J].IEEE Transactions on Wireless Communications,2013,12(5):2034-2045.

Diversity Reception Algorithm for Cooperative Communications in

Ricean Fading Channels

LiDong-wuPeiChang-xing

(State Key Laboratory of Integrated Services Networks, Xidian University, Xi’an 710071, Shaanxi, China)

Abstract:Proposed in this paper is a new diversity receiving algorithm for cooperative communication systems. Firstly, space-time block coding is carried out by relay nodes to acquire a transmission signal. Secondly, spatial and frequency domain equalization is executed to the received signal by means of fast Fourier transform (FFT) at the receiver. Then, the transmitted signal is estimated by hard decisions after inverse FFT operations. In this algorithm, a new scheme combining decision feedback and interference cancellation is adopted to acquire cooperative diversity gain of the relay and to reduce the signal-to-noise ratio (SNR) loss in the process of equalization. Thus, transmission quality of cooperative communications is improved. Simulated results show that the proposed algorithm decreases the magnitude of bit error rate from original 10-2 to 10-3 when SNR is 12dB.

Key words: space-time block code; Fourier transform; frequency domain equalization; cooperative communication; diversity gain

Foundation item: Supported by the National Natural Science Foundation of China(NSFC)(61340035)

†通信作者： 冯穗力(1955-)，男，教授，主要从事通信网络研究.E-mail: fengsl@scut.edu.cn