多中繼無線協(xié)作網(wǎng)絡(luò)基于雙塊導(dǎo)頻的信道估計(jì)

劉亞楠，王　丹，楊松領(lǐng)，李丹丹

(河南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，河南 洛陽 471023)

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多中繼無線協(xié)作網(wǎng)絡(luò)基于雙塊導(dǎo)頻的信道估計(jì)

劉亞楠，王丹，楊松領(lǐng)，李丹丹

(河南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，河南 洛陽 471023)

在頻率選擇性衰落信道下的AF多中繼無線協(xié)作網(wǎng)絡(luò)中，由于傳統(tǒng)的信道估計(jì)方法只能估計(jì)級(jí)聯(lián)信道的CSI，結(jié)合單載波頻域均衡技術(shù)，提出了一種基于雙塊導(dǎo)頻的分段式頻域信道估計(jì)方法。雙塊導(dǎo)頻分別由源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)做短序列重復(fù)變換移位(ShortSequenceRepeatTransformationShift，SSRTS)處理得到，在目的節(jié)點(diǎn)結(jié)合最小二乘和加窗(LeastSquaresWindowing，LSW)算法估計(jì)出S-R-D信道和R-D信道的CSI，再計(jì)算得到S-R信道的CSI。仿真結(jié)果表明，該方法可以有效地估計(jì)分段信道，提高了信道估計(jì)精度，減少了信道訓(xùn)練時(shí)隙。

多中繼；協(xié)作通信；單載波頻域均衡；雙塊導(dǎo)頻；信道估計(jì)

協(xié)作通信技術(shù)因其能夠獲得空間分集增益，增加網(wǎng)絡(luò)覆圍，提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸性能等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為無線通信領(lǐng)域最具發(fā)展前景的研究熱點(diǎn)之一[1]。協(xié)作通信技術(shù)與OFDM技術(shù)的結(jié)合，能有效地提高系統(tǒng)性能，但OFDM系統(tǒng)中存在峰均比過高和對(duì)頻偏敏感的缺點(diǎn)[2]。單載波頻域均衡技術(shù)克服了OFDM技術(shù)的缺點(diǎn)，能在低復(fù)雜度下實(shí)現(xiàn)頻域均衡、抗頻率選擇性衰落和消除符號(hào)間干擾(ISI)。

協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)有單中繼和多中繼之分，中繼協(xié)作方式有放大轉(zhuǎn)發(fā)(Amplify-and-Forward，AF)方式和解碼轉(zhuǎn)發(fā)(Decode-and-Forward，DF)方式。DF方式需要中繼將接收到的信號(hào)先解碼再編碼，最后轉(zhuǎn)發(fā)編碼后的信號(hào)到目的端，對(duì)中繼節(jié)點(diǎn)的要求較高。AF方式只需要中繼節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)單地把從源端接收到的信號(hào)放大后發(fā)送給目的節(jié)點(diǎn)，因其簡(jiǎn)單且易于實(shí)現(xiàn)而更加受到關(guān)注。基于信道狀態(tài)信息(ChannelStateInformation，CSI)的中繼選擇和信號(hào)檢測(cè)等都需要在訓(xùn)練階段精確有效地估計(jì)信道。文獻(xiàn)[3-4]給出了在MIMO系統(tǒng)中使用SC-FDE技術(shù)的信道估計(jì)方法，文獻(xiàn)[4]的方法可以有效地避免天線間信號(hào)干擾和獲得精確的信道估計(jì)。文獻(xiàn)[5-7]針對(duì)平坦瑞利衰落信道下的AF協(xié)作通信系統(tǒng)提出了基于導(dǎo)頻的LS和LMMSE信道估計(jì)方法。為了實(shí)現(xiàn)空間分集，文獻(xiàn)[5-6]在多中繼網(wǎng)絡(luò)中引入了空時(shí)編碼技術(shù)。文獻(xiàn)[7]提出了一種分段信道的訓(xùn)練及估計(jì)方法，可以獲得精確的信道估計(jì)，但會(huì)消耗大量的信道訓(xùn)練時(shí)間。在頻率選擇性衰落環(huán)境下，文獻(xiàn)[8]提出了基于導(dǎo)頻時(shí)分復(fù)用的信道估計(jì)方法，但訓(xùn)練時(shí)隙會(huì)隨著中繼個(gè)數(shù)的增加線性增加。文獻(xiàn)[9]提出了基于導(dǎo)頻頻分復(fù)用的信道估計(jì)方法，但當(dāng)中繼個(gè)數(shù)增加時(shí)信道估計(jì)精度也會(huì)降低。

鑒于上述情況，本文在AF多中繼無線協(xié)作網(wǎng)絡(luò)中研究分段信道估計(jì)方法。由源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)分別把通過短序列重復(fù)變換移位(SSRTS)處理的訓(xùn)練序列插入到第一塊導(dǎo)頻和第二塊導(dǎo)頻的位置，使得各中繼節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號(hào)，避免了中繼間導(dǎo)頻在目的節(jié)點(diǎn)的干擾。在目的節(jié)點(diǎn)做頻域上的LS估計(jì)，并通過加窗處理提高頻域信道估計(jì)精度。仿真結(jié)果表明，本文提出的方法不僅能有效地獲得分段信道的CSI，而且減少了訓(xùn)練時(shí)隙開銷。

1　系統(tǒng)模型

圖1　多中繼無線協(xié)作網(wǎng)絡(luò)模型

階段1，源節(jié)點(diǎn)廣播發(fā)送信號(hào)xs，中繼節(jié)點(diǎn)Ri接收到的信號(hào)表示為

(1)

階段2,中繼節(jié)點(diǎn)Ri將接收到的信號(hào)放大轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點(diǎn)，目的節(jié)點(diǎn)接收到的信號(hào)表示為

(2)

放大系數(shù)采用固定增益方案，中繼節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率為Pr，即

(3)

2　信道估計(jì)

2.1導(dǎo)頻設(shè)計(jì)

本文采用雙塊狀導(dǎo)頻信道估計(jì)方案，如圖2所示。在每個(gè)塊前加上長(zhǎng)度為P的循環(huán)前綴CP(Cyclic Prefix)可以消除塊間干擾，令P≥L。在階段1，源節(jié)點(diǎn)在第1塊導(dǎo)頻位置插入用于訓(xùn)練S-R-D級(jí)聯(lián)鏈路的塊1，第2個(gè)導(dǎo)頻塊為空。在階段2，各個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)在第2塊導(dǎo)頻位置插入用于訓(xùn)練R-D鏈路的塊2。為獲得更好的信道估計(jì)性能，訓(xùn)練序列使用Chu序列[4]。

圖2　雙塊導(dǎo)頻設(shè)計(jì)方案

為了消除各中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的信號(hào)在目的節(jié)點(diǎn)的干擾，本文參照文獻(xiàn)[4]中的MIMO-SCFDE系統(tǒng)中避免多天線間干擾的導(dǎo)頻設(shè)計(jì)方案，使用短序列重復(fù)變換移位(SSRTS)導(dǎo)頻設(shè)計(jì)方案。SSRTS的過程如下：

(4)

2.2信道估計(jì)算法

目的節(jié)點(diǎn)合并從各中繼節(jié)點(diǎn)接收到的信號(hào)，塊1受S-R-D級(jí)聯(lián)信道的影響，塊2受R-D信道的影響。本文使用的SSRTS導(dǎo)頻設(shè)計(jì)方案可以消除用于訓(xùn)練S-R-D信道和R-D信道的導(dǎo)頻符號(hào)在目的節(jié)點(diǎn)的干擾。目的節(jié)點(diǎn)利用塊1估計(jì)N條S-R-D信道的CSI，利用塊2估計(jì)N條R-D信道的CSI，最后計(jì)算出N條S-R信道的CSI，從而實(shí)現(xiàn)了分段信道估計(jì)。

本文參照文獻(xiàn)[4]中使用單塊導(dǎo)頻消除多天線干擾的LSW信道估計(jì)方法，提出了可用于本系統(tǒng)的基于雙塊導(dǎo)頻的SSRTS-LSW分段信道估計(jì)方法。信道估計(jì)過程如下：

1)使用LS算法估計(jì)N條S-R-D信道和N條R-D信道的頻域信道衰落系數(shù)。

2)將LS信道估計(jì)值乘以N，恢復(fù)每條信道頻域上為零的信道能量。

3)通過IFFT變換將頻域信道估計(jì)值轉(zhuǎn)換到時(shí)域并進(jìn)行加窗處理，只保留T/N個(gè)有效的時(shí)域信道衰落系數(shù)。

4)通過FFT變換將時(shí)域信道估計(jì)值轉(zhuǎn)換至頻域。

第i條S-R-D信道位置t上的LS頻域信道估計(jì)值為

(5)

第i條R-D信道位置t上的LS頻域信道估計(jì)值為

(6)

經(jīng)過步驟2)、3)、4)后得到第i條S-R-D信道和第i條R-D信道的估計(jì)值分別為

(7)

(8)

(9)

λi=N*F*W*F-1

(10)

式中：N為中繼個(gè)數(shù)；F是T×T維的傅里葉變換矩陣；W是T×T維的矩形窗矩陣；W的前T/N位為1。

(11)

3　仿真與性能分析

3.1仿真條件

通過蒙特卡洛仿真模型驗(yàn)證本文的信道估計(jì)方法在多中繼AF協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)中的有效性。信道模型采用COST.207TU模型[9]。假設(shè)塊長(zhǎng)T為256，CP長(zhǎng)度P為32，采樣周期Ts=2×10-7s。依據(jù)空間發(fā)送分集的功率分配原則，令Ps=Pr=Pt/2，中繼節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)的噪聲均是服從均值為零，方差Ni=N0=1的復(fù)高斯隨機(jī)變量，則信噪比SNR=Pt/N0=Pt。假設(shè)各中繼節(jié)點(diǎn)理想同步，使用BPSK數(shù)據(jù)調(diào)制方式，采用信道估計(jì)均方誤差(MSE)與誤比特率(BER)作為評(píng)估系統(tǒng)性能的指標(biāo)。

3.2仿真結(jié)果與分析

圖3和圖4是中繼個(gè)數(shù)分別為2和4時(shí)使用不同信道估計(jì)方法估計(jì)S-R-D信道的MSE性能比較。可以看出，隨著中繼個(gè)數(shù)的增加，SSRTS-LSW方法和文獻(xiàn)[8]、文獻(xiàn)[9]估計(jì)方法的MSE都在增加。文獻(xiàn)[8]中的導(dǎo)頻時(shí)分復(fù)用LS估計(jì)方法和文獻(xiàn)[9]中將LS算法、Spline插值結(jié)合的導(dǎo)頻頻分復(fù)用估計(jì)方法的MSE性能很接近。本文提出的SSRTS-LSW方法與這兩種方法相比，具有更高的信道估計(jì)精度，與文獻(xiàn)[8]相比，SSRTS-LSW方法可以減少大量信道訓(xùn)練時(shí)隙。文獻(xiàn)[8]和文獻(xiàn)[9]只能估計(jì)級(jí)聯(lián)S-R-D信道，而本文的方法可以估計(jì)獨(dú)立的S-R信道和R-D信道。圖5和圖6是中繼個(gè)數(shù)分別為2和4時(shí)使用SSRTS-LSW方法估計(jì)獨(dú)立的S-R信道和R-D信道的MSE性能比較，可以看出，本文提出的方法更適用于較高信噪比的情況。

圖3　S-R-D信道在不同估計(jì)方法下的總體MSE性能比較

圖4　S-R-D信道在不同估計(jì)方法下的平均MSE性能比較

圖5　中繼個(gè)數(shù)不同時(shí)總體MSE性能比較

圖6　中繼個(gè)數(shù)不同時(shí)平均MSE性能比較

圖7　中繼個(gè)數(shù)不同時(shí)使用ZF均衡的BER性能比較

圖8　中繼個(gè)數(shù)不同時(shí)使用MMSE均衡的BER性能比較

圖7和圖8比較了中繼個(gè)數(shù)分別為2和4時(shí)不同估計(jì)方法下使用ZF均衡和MMSE均衡的BER性能。可以看出，與文獻(xiàn)[8]和文獻(xiàn)[9]相比，SSRTS-LSW方法的BER性能更好，且中繼個(gè)數(shù)增加時(shí)，分集增益提高，BER性能越好。從圖7和圖8可以看出，MMSE均衡優(yōu)于ZF均衡，因?yàn)镸MSE均衡的均衡系數(shù)中加入了信噪比修正項(xiàng)。

4　總結(jié)

本文在多中繼放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)中提出了一種在目的節(jié)點(diǎn)估計(jì)S-R信道和R-D信道的方法。本文的方法利用由源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送的經(jīng)過SSRTS處理的雙塊導(dǎo)頻，使得目的節(jié)點(diǎn)能區(qū)分并估計(jì)各條S-R-D信道和R-D信道，再計(jì)算得到S-R信道的CSI。理論分析和仿真結(jié)果表明，本文提出的方法可以獲得較高的信道估計(jì)精度，且降低了訓(xùn)練時(shí)隙開銷，具有較高的實(shí)用性。

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劉亞楠(1989— )，女，碩士生，主研協(xié)作通信系統(tǒng)信道估計(jì)技術(shù)；

王丹(1979— )，女，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)橥ㄐ判盘?hào)處理、計(jì)算機(jī)檢測(cè)技術(shù)和多學(xué)科協(xié)同仿真與建模；

楊松領(lǐng)(1994— )，本科生，主研無線通信與信號(hào)處理；

李丹丹(1989— )，女，碩士生，主研協(xié)作通信系統(tǒng)中繼選擇技術(shù)。

責(zé)任編輯：許盈

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

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61101167)；河南科技大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目(09001409)；河南科技大學(xué)“青年學(xué)術(shù)技術(shù)帶頭人”項(xiàng)目(2014)；河南省科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(112102210431)；河南省基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計(jì)劃項(xiàng)目(142300410343)；大學(xué)生研究訓(xùn)練計(jì)劃(SRTP)項(xiàng)目(2015039)

2015-12-08

文獻(xiàn)引用格式：劉亞楠，王丹，楊松領(lǐng)，等. 多中繼無線協(xié)作網(wǎng)絡(luò)基于雙塊導(dǎo)頻的信道估計(jì)[J].電視技術(shù)，2016，40(7)：94-98.

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