多中继无线协作网络基于双块导频的信道估计

刘亚楠，王　丹，杨松领，李丹丹

(河南科技大学 信息工程学院，河南 洛阳 471023)



多中继无线协作网络基于双块导频的信道估计

刘亚楠，王丹，杨松领，李丹丹

(河南科技大学 信息工程学院，河南 洛阳 471023)

在频率选择性衰落信道下的AF多中继无线协作网络中，由于传统的信道估计方法只能估计级联信道的CSI，结合单载波频域均衡技术，提出了一种基于双块导频的分段式频域信道估计方法。双块导频分别由源节点和中继节点做短序列重复变换移位(ShortSequenceRepeatTransformationShift，SSRTS)处理得到，在目的节点结合最小二乘和加窗(LeastSquaresWindowing，LSW)算法估计出S-R-D信道和R-D信道的CSI，再计算得到S-R信道的CSI。仿真结果表明，该方法可以有效地估计分段信道，提高了信道估计精度，减少了信道训练时隙。

多中继；协作通信；单载波频域均衡；双块导频；信道估计

协作通信技术因其能够获得空间分集增益，增加网络覆围，提高系统数据传输性能等优点，已经成为无线通信领域最具发展前景的研究热点之一[1]。协作通信技术与OFDM技术的结合，能有效地提高系统性能，但OFDM系统中存在峰均比过高和对频偏敏感的缺点[2]。单载波频域均衡技术克服了OFDM技术的缺点，能在低复杂度下实现频域均衡、抗频率选择性衰落和消除符号间干扰(ISI)。

协作通信网络有单中继和多中继之分，中继协作方式有放大转发(Amplify-and-Forward，AF)方式和解码转发(Decode-and-Forward，DF)方式。DF方式需要中继将接收到的信号先解码再编码，最后转发编码后的信号到目的端，对中继节点的要求较高。AF方式只需要中继节点简单地把从源端接收到的信号放大后发送给目的节点，因其简单且易于实现而更加受到关注。基于信道状态信息(ChannelStateInformation，CSI)的中继选择和信号检测等都需要在训练阶段精确有效地估计信道。文献[3-4]给出了在MIMO系统中使用SC-FDE技术的信道估计方法，文献[4]的方法可以有效地避免天线间信号干扰和获得精确的信道估计。文献[5-7]针对平坦瑞利衰落信道下的AF协作通信系统提出了基于导频的LS和LMMSE信道估计方法。为了实现空间分集，文献[5-6]在多中继网络中引入了空时编码技术。文献[7]提出了一种分段信道的训练及估计方法，可以获得精确的信道估计，但会消耗大量的信道训练时间。在频率选择性衰落环境下，文献[8]提出了基于导频时分复用的信道估计方法，但训练时隙会随着中继个数的增加线性增加。文献[9]提出了基于导频频分复用的信道估计方法，但当中继个数增加时信道估计精度也会降低。

鉴于上述情况，本文在AF多中继无线协作网络中研究分段信道估计方法。由源节点和中继节点分别把通过短序列重复变换移位(SSRTS)处理的训练序列插入到第一块导频和第二块导频的位置，使得各中继节点可以同时向目的节点发送信号，避免了中继间导频在目的节点的干扰。在目的节点做频域上的LS估计，并通过加窗处理提高频域信道估计精度。仿真结果表明，本文提出的方法不仅能有效地获得分段信道的CSI，而且减少了训练时隙开销。

1　系统模型

图1　多中继无线协作网络模型

阶段1，源节点广播发送信号xs，中继节点Ri接收到的信号表示为

(1)

阶段2,中继节点Ri将接收到的信号放大转发到目的节点，目的节点接收到的信号表示为

(2)

放大系数采用固定增益方案，中继节点的发送功率为Pr，即

(3)

2　信道估计

2.1导频设计

本文采用双块状导频信道估计方案，如图2所示。在每个块前加上长度为P的循环前缀CP(Cyclic Prefix)可以消除块间干扰，令P≥L。在阶段1，源节点在第1块导频位置插入用于训练S-R-D级联链路的块1，第2个导频块为空。在阶段2，各个中继节点在第2块导频位置插入用于训练R-D链路的块2。为获得更好的信道估计性能，训练序列使用Chu序列[4]。

图2　双块导频设计方案

为了消除各中继节点转发的信号在目的节点的干扰，本文参照文献[4]中的MIMO-SCFDE系统中避免多天线间干扰的导频设计方案，使用短序列重复变换移位(SSRTS)导频设计方案。SSRTS的过程如下：

(4)

2.2信道估计算法

目的节点合并从各中继节点接收到的信号，块1受S-R-D级联信道的影响，块2受R-D信道的影响。本文使用的SSRTS导频设计方案可以消除用于训练S-R-D信道和R-D信道的导频符号在目的节点的干扰。目的节点利用块1估计N条S-R-D信道的CSI，利用块2估计N条R-D信道的CSI，最后计算出N条S-R信道的CSI，从而实现了分段信道估计。

本文参照文献[4]中使用单块导频消除多天线干扰的LSW信道估计方法，提出了可用于本系统的基于双块导频的SSRTS-LSW分段信道估计方法。信道估计过程如下：

1)使用LS算法估计N条S-R-D信道和N条R-D信道的频域信道衰落系数。

2)将LS信道估计值乘以N，恢复每条信道频域上为零的信道能量。

3)通过IFFT变换将频域信道估计值转换到时域并进行加窗处理，只保留T/N个有效的时域信道衰落系数。

4)通过FFT变换将时域信道估计值转换至频域。

第i条S-R-D信道位置t上的LS频域信道估计值为

(5)

第i条R-D信道位置t上的LS频域信道估计值为

(6)

经过步骤2)、3)、4)后得到第i条S-R-D信道和第i条R-D信道的估计值分别为

(7)

(8)

(9)

λi=N*F*W*F-1

(10)

式中：N为中继个数；F是T×T维的傅里叶变换矩阵；W是T×T维的矩形窗矩阵；W的前T/N位为1。

(11)

3　仿真与性能分析

3.1仿真条件

通过蒙特卡洛仿真模型验证本文的信道估计方法在多中继AF协作通信网络中的有效性。信道模型采用COST.207TU模型[9]。假设块长T为256，CP长度P为32，采样周期Ts=2×10-7s。依据空间发送分集的功率分配原则，令Ps=Pr=Pt/2，中继节点和目的节点的噪声均是服从均值为零，方差Ni=N0=1的复高斯随机变量，则信噪比SNR=Pt/N0=Pt。假设各中继节点理想同步，使用BPSK数据调制方式，采用信道估计均方误差(MSE)与误比特率(BER)作为评估系统性能的指标。

3.2仿真结果与分析

图3和图4是中继个数分别为2和4时使用不同信道估计方法估计S-R-D信道的MSE性能比较。可以看出，随着中继个数的增加，SSRTS-LSW方法和文献[8]、文献[9]估计方法的MSE都在增加。文献[8]中的导频时分复用LS估计方法和文献[9]中将LS算法、Spline插值结合的导频频分复用估计方法的MSE性能很接近。本文提出的SSRTS-LSW方法与这两种方法相比，具有更高的信道估计精度，与文献[8]相比，SSRTS-LSW方法可以减少大量信道训练时隙。文献[8]和文献[9]只能估计级联S-R-D信道，而本文的方法可以估计独立的S-R信道和R-D信道。图5和图6是中继个数分别为2和4时使用SSRTS-LSW方法估计独立的S-R信道和R-D信道的MSE性能比较，可以看出，本文提出的方法更适用于较高信噪比的情况。

图3　S-R-D信道在不同估计方法下的总体MSE性能比较

图4　S-R-D信道在不同估计方法下的平均MSE性能比较

图5　中继个数不同时总体MSE性能比较

图6　中继个数不同时平均MSE性能比较

图7　中继个数不同时使用ZF均衡的BER性能比较

图8　中继个数不同时使用MMSE均衡的BER性能比较

图7和图8比较了中继个数分别为2和4时不同估计方法下使用ZF均衡和MMSE均衡的BER性能。可以看出，与文献[8]和文献[9]相比，SSRTS-LSW方法的BER性能更好，且中继个数增加时，分集增益提高，BER性能越好。从图7和图8可以看出，MMSE均衡优于ZF均衡，因为MMSE均衡的均衡系数中加入了信噪比修正项。

4　总结

本文在多中继放大转发协作通信网络中提出了一种在目的节点估计S-R信道和R-D信道的方法。本文的方法利用由源节点和中继节点发送的经过SSRTS处理的双块导频，使得目的节点能区分并估计各条S-R-D信道和R-D信道，再计算得到S-R信道的CSI。理论分析和仿真结果表明，本文提出的方法可以获得较高的信道估计精度，且降低了训练时隙开销，具有较高的实用性。

[1]GEDIKB，UYSALM.Twochannelestimationmethodsforamplify-and-forwardrelaynetworks[C]//Proc.ElectricalandComputerEngineering.Canadian：IEEE，2008：615-618.

[2]NGB，LAMCT，FALCONERD.Turbofrequencydomainequalizationforsingle-carrierbroadbandwirelesssystems[J] .IEEEtransactionsonwirelesscommunications，2007，6(2)：759-767.

[3]RENSB，GUOJQ，XIANGHG.APN-basedchannelestimationalgorithminMIMO-singlecarrierfrequency-domainequalizationsystem[C]//Proc.WirelessCommunications,NetworkingandMobileComputing：IEEE，2007：95-499.

[4]JIUNS，COONJ，PIECHOCKIRJ，etal.AchannelestimationalgorithmforMIMO-SCFDE[J].IEEEcommunicationsletters，2004，8(9)：555-557.

[5]GAOFF，CUIT，NALLANATHANA.Onchannelestimationandoptimaltrainingdesignforamplifyandforwardrelaynetworks[J].IEEEtransactionsonwirelesscommunications，2008，7(5)：1907-1916.

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[7]WUCY，WANGD，JINGYD.MSEandoutageprobabilitybasedtrainingpowerallocationsforrelaynetworks[J].IEEEtransactionsoncommunications，2014，62(7)：2260-2270.

[8]俞晓帆，赵春明.基于导频时分复用的多中继协同通信系统频域信道估计算法[J].高技术通讯，2011，21(2)：137-143.

[9]俞晓帆，赵春明.基于多中继导频频分复用的协同通信系统信道估计算法[J].信号处理，2010，26(4)：588-595.

刘亚楠(1989— )，女，硕士生，主研协作通信系统信道估计技术；

王丹(1979— )，女，博士，副教授，硕士生导师，主要研究方向为通信信号处理、计算机检测技术和多学科协同仿真与建模；

杨松领(1994— )，本科生，主研无线通信与信号处理；

李丹丹(1989— )，女，硕士生，主研协作通信系统中继选择技术。

责任编辑：许盈

Channelestimationmethodbasedondouble-blockpilots-assistedformulti-relaywirelesscooperativenetworks

LIUYanan，WANGDan，YANGSongling，LIDandan

(Information Engineering College, Henan University of Science and Technology, Henan Luoyang 471023, China)

ThetraditionalchannelestimationmethodscanonlyestimatetheChannelStateInformation(CSI)ofcascadechannelsforAmplify-and-Forward(AF)multi-relaywirelesscooperativenetworksoverfrequency-selectivefadingchannel.Adouble-blockpilots-assisteddisintegratedfrequencydomainchannelestimationmethodisproposedcombiningwiththeSingleCarrierFrequencyDomainEqualization(SC-FDE)technology.Thedouble-blockpilotsobtainedfrommakingaShortSequenceRepeatTransformationShift(SSRTS)processbothinthesourceandtherelaynodes,respectively.ThismethodestimatestheCSIoftheS-R-DandR-DchannelsthroughcombiningLeastSquaresandWindowing(LSW)algorithmsinthedestinationnode,andcalculatestheCSIofS-Rchannels.Thesimulationresultsshowthatthismethodcaneffectivelyestimatethechannelsofthetwosectionlink,withhighaccuracyandlesschannelestimationtime.

muti-relay;cooperativecommunication;singlecarrierfrequencydomainequalization;double-blockpilots;channelestimation

TN925

ADOI：10.16280/j.videoe.2016.07.021

国家自然科学基金项目(61101167)；河南科技大学博士科研启动基金项目(09001409)；河南科技大学“青年学术技术带头人”项目(2014)；河南省科技攻关计划项目(112102210431)；河南省基础与前沿技术研究计划项目(142300410343)；大学生研究训练计划(SRTP)项目(2015039)

2015-12-08

文献引用格式：刘亚楠，王丹，杨松领，等. 多中继无线协作网络基于双块导频的信道估计[J].电视技术，2016，40(7)：94-98.

LIUYN，WANGD，YANGSL，etal.Channelestimationmethodbasedondouble-blockpilots-assistedformulti-relaywirelesscooperativenetworks[J].Videoengineering，2016，40(7)：94-98.