空時編碼協(xié)作中的中繼選擇與功率分配聯(lián)合方案*

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(1.重慶郵電大學 通信工程學院，重慶 400065；2.電子科技大學 光互聯(lián)網(wǎng)及移動信息網(wǎng)絡研究中心，成都 610054)

1 引 言

協(xié)作分集是一種通過共享不同終端天線實現(xiàn)空間分集的技術，該技術可以有效抵抗多徑衰落并提高系統(tǒng)容量。協(xié)作分集技術可用于無線自組織網(wǎng)絡、無線局域網(wǎng)及無線傳感器網(wǎng)絡等多種場合，今后還會將這些網(wǎng)絡結合起來，形成一種全新的泛在智能網(wǎng)絡，引起移動通信領域的重大變革。文獻[1]給出了3種主要的協(xié)作方案：固定中繼(Fixed Relay)、選擇中繼(Selection Relay)和增量中繼(Increment Relay)，其中，固定中繼包括放大轉發(fā)(Amplify-and-Forward)和譯碼轉發(fā)(Decode-and-Forward)兩種方式。文獻[2,3]將空時編碼應用到經(jīng)歷高斯白噪聲信道和瑞利衰落信道的協(xié)作分集中。文獻[4]提出了一種通過信道編碼進行協(xié)作信令交互的協(xié)作方案，稱為編碼協(xié)作(Coded Cooperation)。文獻[5]在協(xié)作分集中將空時分組編碼(Space-time Block Coding)和卷積編碼結合，以同時獲得分集和編碼增益。但是，上述研究并沒有考慮對潛在中繼終端進行選擇以優(yōu)化性能的問題。文獻[6]提出了一種終端選擇方案(Opportunistic Relaying, OR)，根據(jù)中繼終端與源終端和目的終端的端到端信道狀況，在所有的潛在中繼終端中選擇一個最好的中繼終端進行協(xié)作通信。文獻[7]提出一種分布式STBC中繼選擇(local-k-best)方案，候選終端隨機選擇STBC編碼矩陣的一列，并利用CSMA MAC協(xié)議進行信息交互，從選擇相同列的終端中選出信道狀態(tài)最佳的k個終端作為中繼。由于候選終端隨機選取STBC編碼矩陣中的一列，此方案不能保證全分集階數(shù)。文獻[8]提出了一種基于信道容量增益的中繼節(jié)點選取策略，并在此基礎上提出了源節(jié)點和中繼節(jié)點最優(yōu)功率分配算法，能以較低的復雜度提高系統(tǒng)性能和功率效率，但是該算法需要有控制終端對功率分配進行集中式處理，運算量較大，難以實現(xiàn)。

針對上述問題，本文提出了一種中繼選擇與功率分配的聯(lián)合方案，稱為DD(Destination Decision)方案：目的終端根據(jù)協(xié)作終端的信道狀態(tài)信息進行中繼選擇和基于資源貢獻率的功率分配，并決定各中繼發(fā)送STBC編碼矩陣的哪一列，在此基礎上，選出的中繼終端進行空時編碼協(xié)作。通過理論分析和仿真驗證，同其它方案相比，本文提出的聯(lián)合方案在保證全分集階數(shù)和誤碼率性能(10-4)的同時，相對于傳統(tǒng)的All-Distributed Space-time Block Coding方案和現(xiàn)有的local-k-best方案分別有0.7 bit/(s·Hz-1)和0.1 bit/(s·Hz-1)的容量提升。

2 系統(tǒng)模型

本文將研究協(xié)作通信的兩跳網(wǎng)絡模型，如圖1所示。網(wǎng)絡中共有M個單天線終端，其中包括1個源終端、1個目的終端和M-2個潛在中繼終端，其中有N(N≤M-2)個終端能夠對源節(jié)點信息正確譯碼，這N個終端與源終端共同構成虛擬天線陣列(VAA)小區(qū)，從中選出K個終端作為中繼終端，源終端也可以作為接力合作終端。假設VAA小區(qū)內(nèi)各終端之間距離較小，從而源終端可以以較小功率與VAA小區(qū)內(nèi)各終端進行廣播通信。

圖1 系統(tǒng)模型Fig.1 System model

本文基于如下兩點假設：各終端完全同步和準靜態(tài)信道環(huán)境；各終端間信道為加性高斯白噪聲的平坦瑞利衰落信道。

在該系統(tǒng)中，源終端利用較小的功率向中繼終端廣播數(shù)據(jù)，中繼終端對接收信號進行譯碼后通過分布式空時編碼方案進行協(xié)作。假設空時編碼矩陣對各個終端是已知的，用S表示L(L≤K)列空時編碼矩陣，行下標表示時間，列下標表示不同的發(fā)射終端，中繼終端通過發(fā)送S中的不同列進行協(xié)作。目的終端處的接收信號Y可以表示為

Y=SH+Z

(1)

式中，H=[h1,d,h2,d,…,hK,d]Τ表示K個中繼終端到目的終端的信道衰落系數(shù)向量，Z表示方差為σ0的加性高斯白噪聲。

3 中繼選擇與功率分配聯(lián)合方案

DD方案的工作過程如圖2和圖3所示。

圖2 協(xié)作請求示意圖Fig.2 Cooperation request schematic diagram

圖3 協(xié)作決策示意圖Fig.3 Cooperation decision schematic diagram

首先，源終端向VAA小區(qū)內(nèi)終端和目的終端發(fā)送R-RTS并啟動定時器，R-RTS的格式為在RTS中添加字段K，表示將要選出K個終端作為中繼終端進行STBC編碼協(xié)作，同時將RTS中的目的地址表示為一有序矢量[R1,R2,…,RN,D]，其中R1,R2,…,RN為VAA小區(qū)內(nèi)的終端，D為目的終端。VAA接力小區(qū)內(nèi)的終端和目的終端將從RTS中提取并保存K字段，但是不回復CTS。接著，VAA小區(qū)內(nèi)的終端將按照[R1,R2,…,RN]的順序依次向目的終端發(fā)送RTS。

然后，目的終端通過R-RTS和RTS計算與源終端和各個潛在中繼終端間的信道增益Hid，根據(jù)信道增益選出K個最佳的中繼，并計算其信道增益之和Hsum(用于功率分配)，然后目的終端將按照信道增益Hid由大到小的順序依次向選出的中繼發(fā)送CTS，CTS中加入col字段和Hsum字段，分別表示各個中繼發(fā)送的STBC編碼矩陣的列號和各中繼的信道增益之和。接收到目的終端CTS的終端通過CTS計算與目的終端間的信道增益Hdi，由于信道的互惠性，Hdi=Hid，并提取CTS中的col字段，將其內(nèi)容與之前接收到的R-RTS中的K字段進行比較，如果相同，則向源節(jié)點發(fā)送FLAG消息，通知源節(jié)點可以進行數(shù)據(jù)傳輸；如果源終端被選為中繼，且接收到的CTS中的col字段與K字段內(nèi)容相同，則直接開始數(shù)據(jù)傳輸，中繼終端準備進行STBC編碼協(xié)作，其余終端進入休眠狀態(tài)。在接下來的數(shù)據(jù)傳輸中，被選為中繼的終端將接收源終端信號，并通過發(fā)送STBC編碼矩陣中目的終端指定的列進行協(xié)作。數(shù)據(jù)傳輸成功，目的終端將向源終端發(fā)送ACK，如果源終端定時器超時仍未收到ACK，則增大功率發(fā)送R-RTS，重新進行協(xié)作請求。

結合上述中繼選擇，對中繼終端進行基于資源貢獻率的中繼功率分配方案，即，按照中繼的資源貢獻率分配其發(fā)送功率。所謂資源貢獻率[9]是指整個系統(tǒng)中共有N種資源，每種資源的單位收益為ri，i=1,2,…,N，第i種資源的貢獻率Ki為

(2)

假設總投入資產(chǎn)為R，則投入到第i種資源的資產(chǎn)Ri為

(3)

本文提出的功率分配方案將各個中繼終端看作各種資源，每種資源的單位收益為各中繼終端到目的終端的信道增益Hid，根據(jù)系統(tǒng)的信道特性和香農(nóng)公式，建立系統(tǒng)容量相關的效用函數(shù)：

(4)

式中,Pi為第i個中繼終端的發(fā)射功率,σ0為加性高斯白噪聲功率。其約束條件為：

(2)Pi≤Pmax，即各個中繼終端發(fā)射功率必須小于給定上限。

應用基于資源貢獻率的資源分配方案，則第i個中繼終端利用目的終端回復的CTS估計與目的終端間的信道增益Hdi，則第i個中繼終端的資源貢獻率為

(5)

總資產(chǎn)投入為中繼終端發(fā)射總功率P，則第i個中繼終端利用目的終端回復的CTS估計與目的終端間的信道增益Hdi并通過CTS中的Hsum字段內(nèi)容計算自己的發(fā)射功率Pi：

(6)

如果Pi>Pmax，則該中繼終端的發(fā)射功率為Pmax；如果Pi≤Pmax，則該中繼終端使用該功率值Pi將數(shù)據(jù)發(fā)送給目的終端。

4 性能分析

4.1 分集階數(shù)與誤碼率

分集由獨立信道數(shù)目決定，這些獨立的信道也被稱為分集階數(shù)，邏輯上分集階數(shù)(獨立衰落路徑數(shù)目)越高，抵抗衰落的效果越好。本文提出的方案是由目的終端進行中繼選擇并分配各個中繼終端發(fā)送空時編碼矩陣的不同列，因此，只要中繼終端個數(shù)K大于等于空時編碼矩陣的列數(shù)L，此方案就能保證全分集階數(shù)L。

此方案選擇VAA小區(qū)內(nèi)與目的終端之間信道狀態(tài)最佳的終端作為中繼終端，與通過終端間信息交互進行的隨機選擇中繼的方案相比較，在一定程度上降低了由于信道衰落造成的誤碼率。

4.2 系統(tǒng)容量

(7)

由公式(6)容易得出，在平均分配發(fā)射功率的條件下系統(tǒng)容量為

(8)

本文提出的DD方案選擇信道狀態(tài)最佳的K個終端作為中繼，即選擇|hi,d|最大的K個終端作為中繼，因此，系統(tǒng)容量不小于隨機的中繼選擇方案。同時，隨著中繼個數(shù)的增加，每個中繼的發(fā)射功率降低，VAA小區(qū)內(nèi)所有終端都參與協(xié)作的傳統(tǒng)方案并不能提高系統(tǒng)容量。當中繼增加到一定數(shù)量，DD方案的系統(tǒng)容量大于傳統(tǒng)方案的系統(tǒng)容量。

使用基于資源貢獻率的功率分配方案后，根據(jù)公式(5)，第i個中繼終端的發(fā)射功率Pi為

(9)

(10)

5 仿真驗證

仿真環(huán)境為具有10個單天線終端的協(xié)作通信網(wǎng)絡模型，包括1個源終端、8個中繼終端和1個目的終端，源終端也可以被選為中繼在第二跳進行空時編碼協(xié)作。源終端與VAA小區(qū)內(nèi)各候選中繼終端之間為加性高斯白噪聲(AWGN)信道，源終端簡單地將信息廣播出去，各候選中繼終端利用簡單的信道均衡對源終端的廣播信息進行譯碼。中繼終端對信號進行QPSK調(diào)制后采用Alamouti的4×4編碼方案。中繼終端與目的終端之間的信道為平坦瑞利衰落信道。由于采用分布式空時編碼，VAA小區(qū)內(nèi)終端對源終端不能完全正確譯碼。為了對比現(xiàn)有的local-k-best方案和傳統(tǒng)方案的性能，在對系統(tǒng)誤碼率仿真時，各終端采用相同的發(fā)射功率，在對系統(tǒng)容量進行仿真時，設定發(fā)射總功率相同。

各中繼方案的誤碼率性能如圖4所示，DD方案的誤碼率性能優(yōu)于local-k-best方案，與傳統(tǒng)ALL-DSTBC方案的誤碼率性能相近，但是ALL-DSTBC方案所有中繼終端都參與協(xié)作，而DD方案選出部分最佳中繼進行協(xié)作，因此，DD方案節(jié)省了大量能量。隨著信噪比(SNR)的增加，各方案誤碼率性能都逼近VAA小區(qū)內(nèi)廣播的平均誤碼性能(10-4)?；谫Y源貢獻率的功率分配方案對各中繼方案的系統(tǒng)容量的改進如圖5所示，容易看出，DD方案的系統(tǒng)容量相對于ALL-DSTBC方案和local-k-best方案分別提升了0.7 bit/(s·Hz-1)和0.1 bit/(s·Hz-1)。

圖4 各方案誤碼率性能比較Fig.4 BER performance comparison

圖5 各方案系統(tǒng)容量性能比較Fig.5 System capacity performance comparison

6 結 論

本文提出了一種應用于空時編碼協(xié)作中的中繼選擇與功率分配聯(lián)合方案。該方案由目的終端根據(jù)協(xié)作終端的信道狀態(tài)信息進行中繼選擇，并對選出的中繼終端進行基于資源貢獻率的功率分配，避免了候選終端通過信息交互進行中繼選擇造成的沖突。新方案在保證分集階數(shù)和誤碼率性能的同時，提高了系統(tǒng)容量。今后的工作將研究此方案在多跳協(xié)作通信中的應用。

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