甘立記，王 丹

(河南科技大學a.電氣工程學院；b.河南科技大學 信息工程學院，河南 洛陽 471023)

基于預編碼的AF多中繼協(xié)作通信信道估計方法

甘立記a，王 丹b

(河南科技大學a.電氣工程學院；b.河南科技大學 信息工程學院，河南 洛陽 471023)

針對瑞利平坦衰落信道下AF多中繼協(xié)作通信系統(tǒng)，提出了一種基于預編碼的分段式信道估計方法。該方法分兩個階段對S-R和R-D兩個鏈路的信道狀態(tài)信息進行估計，利用在中繼端進行預編碼，使中繼節(jié)點可同時向目的節(jié)點發(fā)送訓練序列。仿真結果表明，提出的方法可有效地估計出兩段鏈路的信道狀態(tài)信息，減小了訓練時隙的開支，縮短了信道估計時間。

信道估計；預編碼；多中繼；LMMSE

近年來，協(xié)作中繼技術作為無線通信領域的關鍵技術之一，獲得了廣泛的研究，它能有效獲取無線信道內在的空間分集，提高通信系統(tǒng)的信息容量，改善通信質量[1-3]。根據(jù)轉發(fā)方式的不同，協(xié)作方案主要分為放大轉發(fā)(Amplify-and-Forward，AF)，譯碼轉發(fā)(Decode-and-Forward，DF)等[4]，由于AF方案只需要中繼節(jié)點簡單地轉發(fā)經線性處理過的信號而不需要解碼，復雜度較低且易于實現(xiàn)，因此更加受到人們關注。

在中繼選擇、信號的相干檢測等方面，都需要獲得準確的信道狀態(tài)信息(Channel State Information，CSI)。信道估計的方法主要包括盲估計與非盲估計。非盲估計利用訓練序列或導頻進行信道估計，方法簡單，估計性能好，因此得到了廣泛研究。文獻[5]給出了一種平坦衰落信道下單中繼放大轉發(fā)的信道估計方法。文獻[6-9]針對平坦衰落信道下多中繼放大轉發(fā)協(xié)同通信系統(tǒng)提出了基于訓練序列的最小二乘(LS)和線性最小均方誤差(LMMSE)信道估計算法以及最優(yōu)訓練序列，為了獲得系統(tǒng)分集，文獻[7-8]引入了中繼預編碼。以上文獻都是針對源節(jié)點經中繼節(jié)點到目的節(jié)點的級聯(lián)信道進行估計的，不能估計出各節(jié)點之間的信道狀態(tài)信息。文獻[9]提出了一種分段估計的方法，但這種方法需要占用大量的訓練時隙，并且隨著中繼個數(shù)的增加，需要的訓練時隙也成線性增加，增加了系統(tǒng)訓練時隙的開銷。

本文針對AF多中繼協(xié)作通信系統(tǒng)討論了信道分段估計問題，提出了在中繼節(jié)點同時向目的端發(fā)送訓練序列的方法，為了保證中繼間訓練序列不發(fā)生混疊，利用中繼端預編碼使不同中繼的訓練序列相互正交。仿真結果表明，該方法和文獻[9]相比，減小了訓練時隙的開支，縮短了系統(tǒng)的訓練時間。

1 系統(tǒng)模型

系統(tǒng)模型采用文獻[9]給出的兩跳多中繼協(xié)作通信系統(tǒng)模型，如圖1所示，整個中繼網絡包括一個源節(jié)點S，M(M≥2)個中繼節(jié)點R1，R2，…，RM，一個目的節(jié)點D。每個節(jié)點都只配有一根能收能發(fā)的天線，但是不能同時進行收發(fā)，源節(jié)點

圖1 多中繼協(xié)作通信系統(tǒng)模型

數(shù)據(jù)傳輸?shù)谝浑A段，源節(jié)點向中繼節(jié)點廣播發(fā)送數(shù)據(jù)x，第i個中繼節(jié)點收到的信號可以表示為

(1)

數(shù)據(jù)傳輸?shù)诙A段，源節(jié)點將收到的數(shù)據(jù)處理后發(fā)送到目的節(jié)點，定義PR,i表示中繼節(jié)點的發(fā)送功率，則目的節(jié)點收到的信號可以表示為

(2)

式中：nd為目的節(jié)點接收信號是的復高斯加性白噪聲，nd∈CN(0,N0I)；εi為中繼放大系數(shù)，本文采用固定增益方案，即

(3)

2 訓練序列和訓練方案設計

文獻[9]提出的信道估計方法利用不同的時間間隙進行信道估計，方法簡單，但是需要浪費大量的時間間隙，且隨著中繼個數(shù)的增加而線性增加，因此，本節(jié)提出一種基于預編碼的信道估計方法，在第一階段，中繼節(jié)點同時向目的節(jié)點發(fā)送經過預編碼的訓練序列，在第二階段，源節(jié)點同時向所有中繼節(jié)點廣播發(fā)送訓練序列，然后各個中繼節(jié)點將收到的訓練序列進行預編碼、功率放大處理后，同時將處理好的訓練序列發(fā)送到目的節(jié)點。信道估計分兩個階段，先后對R→D鏈路和S→R鏈路的CSI進行估計。

1)第一階段

在第i個中繼節(jié)點采用預編碼矩陣Pi∈CM×M，這里Pi=diag{pi}滿足互相正交，即

(4)

為了方便，設所有中繼節(jié)點的發(fā)射功率相同且均為PR，則目的節(jié)點收到的信號可以表示為

2)第二階段

估計S→R鏈路的CSI。首先，源節(jié)點向中繼節(jié)點廣播訓練序列，中繼節(jié)點將收到的訓練序列處理后放大前傳至目的節(jié)點，不失一般性的，源節(jié)點發(fā)送的訓練序列為單位符號，則中繼節(jié)點收到的信號可以表示為

(6)

式中：ni∈CN(0,NR)為中繼節(jié)點接收信號時的復高斯加性白噪聲，這里為了方便，假設所有中繼具有相同的噪聲方差NR。

第i個中繼發(fā)送的預編碼后的信號可以表示為

qi=εiriPiz

(7)

各個中繼節(jié)點將預編碼后的信號經R→D鏈路同時向目的節(jié)點發(fā)送，則目的節(jié)點收到的信號可以表示為

αCh+βCNg+nd

(8)

3 信道估計算法

首先估計g=[g1g2…gM]T，由式(5)，利用LMMSE信道估計方法，得到

(9)

RΔg=diag{[MSE(g1)MSE(g2) …MSE(gM)]}=

(10)

式中：MSE(gi)表示gi(i=1，2，…，M)的估計均方誤差。

為了估計S→R鏈路的CSI，設f=[f1f2…fM]T，則式(8)可以寫成

(11)

注意到，w和f是相互獨立的。

根據(jù)LMMSE信道估計方法可得

(12)

式中：Cfy2表示f和y2的互相關函數(shù)，Cy2y2表示y2的自相關函數(shù)，則有

(13)

αCRfΔgCHαH+βCRnΔgCHβH+N0I

(14)

將式(13)和式(14)代入式(12)，考慮到E{F}=E{y2}=0，可得到

αCRfΔgCHαH+βCRnΔgCHβH+N0I)-1y2

(15)

4 仿真與性能分析

4.1 仿真條件

4.2 仿真結果與分析

圖2給出了不同中繼個數(shù)，利用不同方法進行信道估計所需要的時隙數(shù)的比較。從圖中可以看出，當中繼個數(shù)為16時，文獻[9]的方法和文獻[7]的方法需要的時隙分別為48個和32個，這是由于文獻[9]方法依次對每個中繼節(jié)點所對應的兩個鏈路分階段進行估計，每次估計需要3個時隙，因此估計整個中繼網絡需要3×M個時隙，而文獻[7]只估計級聯(lián)信道，源節(jié)點發(fā)送的訓練符號長度等于中繼個數(shù)，傳輸一個符號需要2個時隙，因此需要2×M個時隙。本文提出的基于預編碼的信道估計方法，各中繼節(jié)點可同時向目的節(jié)點發(fā)送訓練序列，通過預編碼將不同中繼的訓練序列正交，因此，只需要3個時間間隙，且時間間隙的個數(shù)不隨中繼個數(shù)的增加而增加。

圖2 不同估計方法下所需要的時隙數(shù)比較

圖3和圖4分別給出了R→D鏈路在不同中繼個數(shù)時的MSE性能比較和S→R鏈路在不同中繼個數(shù)時的MSE性能比較。因為文獻[7]不能分段估計信道的CSI，所以只對提出方法和文獻[9]方法進行了比較。從圖3和圖4可以看出，本文提出的方法比文獻[9]提出的方法具有更高的MSE，且隨著中繼節(jié)點個數(shù)的增加，MSE隨之增大，這是因為隨著中繼個數(shù)M的增加，中繼節(jié)點發(fā)送的功率減小，因此降低了系統(tǒng)的估計性能。由于S→R鏈路的信道狀態(tài)信息是在R→D鏈路估計的基礎上進行估計的，本身存在一定的誤差，因此導致了S→R鏈路的信道估計誤差要比R→D鏈路估計的誤差大，所以，圖3和圖4相比，圖4的MSE比圖3的要大。雖然從圖5和圖6可以看出，提出方法比文獻[9]和文獻[7]有更高的MSE和BER，但是提出方法不僅能有效估計出分段信道的CSI，而且能大量節(jié)約訓練時隙的開支。可以看出，本文提出的信道估計方法更適用于高信噪比的情況。

圖3 R→D鏈路在不同中繼個數(shù)時的MSE性能比較

圖4 S→R鏈路在不同中繼個數(shù)時的MSE性能比較

圖5 不同估計方法的MSE性能比較(M=4)

圖6 不同估計方法的BER性能比較(M=4)

圖7給出了不同μ的總MSE性能比較，其中，中繼個數(shù)為2，SNR=15 dB。這里假設所有的中繼節(jié)點在同一位置，即各個中繼節(jié)點具有相同的μ值。從圖中可以看出，當μ值較小時，總MSE顯著增大，μ值越大，即中繼節(jié)點離目的節(jié)點距離越短，MSE越小。因此，本文提出的信道估計方法更適合于中繼節(jié)點和目的節(jié)點距離接近的中繼網絡。

圖7 不同中繼位置時MSE性能比較(SNR=15 dB，M=2)

5 總結

本文研究了瑞利平坦衰落信道下AF多中繼協(xié)作通信系統(tǒng)的信道估計方法，提出了一種在目的端獲得S-R和R-D兩段鏈路的信道估計方法。該算法利用在中繼端進行預編碼，以便中繼節(jié)點可同時向目的節(jié)點發(fā)送訓練序列，大大減小了訓練時隙的開支。仿真結果表明，本文提出的方法可有效地估計出兩段鏈路的信道狀態(tài)信息，縮短了信道估計時間。

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甘立記(1990— )，碩士生，主研無線協(xié)作通信系統(tǒng)信號分析與處理；

王 丹(1979— )，女，博士，副教授，碩士生導師，主研通信信號處理、計算機檢測技術和多學科協(xié)同仿真與建模。

責任編輯：任健男

Channel Estimation Method Based on Precoding for Multi-relay Amplify-and-Forward Cooperative Communication System

GAN Lijia, WANG Danb

(a.ElectricEngineeringCollege;b.InformationEngineeringCollege,HenanUniversityofScienceandTechnology,HenanLuoyang471023,China)

A disintegrated channel estimation method based on precoding is proposed for multi-relay Amplify-and-Forward(AF) cooperative communication over flat-fading channel. This method estimates the Channel State Information(CSI) of the S-R links and R-D links by two stages. The precoding in the relay nodes for that they can transmit the training sequence to the destination node simultaneously. Simulation results show that the proposed method in this test can effectively estimate the channel state information of the two section link, with less the training time slot and less channel estimation time.

channel estimation; precoding; muti-relay; LMMSE

【本文獻信息】甘立記，王丹.基于預編碼的AF多中繼協(xié)作通信信道估計方法[J].電視技術,2015，39(13).

國家自然科學基金項目(61101167)；河南科技大學博士科研啟動基金項目(09001409)；河南科技大學“青年學術技術帶頭人”項目(2014)；河南省科技攻關計劃項目(112102210431)

TN911.7

A

10.16280/j.videoe.2015.13.029

2014-12-21