空時編碼協作中的中繼選擇與功率分配聯合方案*

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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 光互聯網及移動信息網絡研究中心，成都 610054)

1 引 言

協作分集是一種通過共享不同終端天線實現空間分集的技術，該技術可以有效抵抗多徑衰落并提高系統容量。協作分集技術可用于無線自組織網絡、無線局域網及無線傳感器網絡等多種場合，今后還會將這些網絡結合起來，形成一種全新的泛在智能網絡，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(Amplify-and-Forward)和譯碼轉發(Decode-and-Forward)兩種方式。文獻[2,3]將空時編碼應用到經歷高斯白噪聲信道和瑞利衰落信道的協作分集中。文獻[4]提出了一種通過信道編碼進行協作信令交互的協作方案，稱為編碼協作(Coded Cooperation)。文獻[5]在協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協議進行信息交互，從選擇相同列的終端中選出信道狀態最佳的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。文獻[8]提出了一種基于信道容量增益的中繼節點選取策略，并在此基礎上提出了源節點和中繼節點最優功率分配算法，能以較低的復雜度提高系統性能和功率效率，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。

針對上述問題，本文提出了一種中繼選擇與功率分配的聯合方案，稱為DD(Destination Decision)方案：目的終端根據協作終端的信道狀態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，本文提出的聯合方案在保證全分集階數和誤碼率性能(10-4)的同時，相對于傳統的All-Distributed Space-time Block Coding方案和現有的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 系統模型

本文將研究協作通信的兩跳網絡模型，如圖1所示。網絡中共有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，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小區內各終端之間距離較小，從而源終端可以以較小功率與VAA小區內各終端進行廣播通信。

圖1 系統模型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信道環境；各終端間信道為加性高斯白噪聲的平坦瑞利衰落信道。

在該系統中，源終端利用較小的功率向中繼終端廣播數據，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射終端，中繼終端通過發送S中的不同列進行協作。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合方案

DD方案的工作過程如圖2和圖3所示。

圖2 協作請求示意圖Fig.2 Cooperation request schematic diagram

圖3 協作決策示意圖Fig.3 Cooperation decision schematic diagram

首先，源終端向VAA小區內終端和目的終端發送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小區內的終端，D為目的終端。VAA接力小區內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小區內的終端將按照[R1,R2,…,RN]的順序依次向目的終端發送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送CTS，CTS中加入col字段和Hsum字段，分別表示各個中繼發送的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，則向源節點發送FLAG消息，通知源節點可以進行數據傳輸；如果源終端被選為中繼，且接收到的CTS中的col字段與K字段內容相同，則直接開始數據傳輸，中繼終端準備進行STBC編碼協作，其余終端進入休眠狀態。在接下來的數據傳輸中，被選為中繼的終端將接收源終端信號，并通過發送STBC編碼矩陣中目的終端指定的列進行協作。數據傳輸成功，目的終端將向源終端發送ACK，如果源終端定時器超時仍未收到ACK，則增大功率發送R-RTS，重新進行協作請求。

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送功率。所謂資源貢獻率[9]是指整個系統中共有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)

假設總投入資產為R，則投入到第i種資源的資產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，根據系統的信道特性和香農公式，建立系統容量相關的效用函數：

(4)

式中,Pi為第i個中繼終端的發射功率,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)

總資產投入為中繼終端發射總功率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字段內容計算自己的發射功率Pi：

(6)

如果Pi>Pmax，則該中繼終端的發射功率為Pmax；如果Pi≤Pmax，則該中繼終端使用該功率值Pi將數據發送給目的終端。

4 性能分析

4.1 分集階數與誤碼率

分集由獨立信道數目決定，這些獨立的信道也被稱為分集階數，邏輯上分集階數(獨立衰落路徑數目)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送空時編碼矩陣的不同列，因此，只要中繼終端個數K大于等于空時編碼矩陣的列數L，此方案就能保證全分集階數L。

此方案選擇VAA小區內與目的終端之間信道狀態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 系統容量

(7)

由公式(6)容易得出，在平均分配發射功率的條件下系統容量為

(8)

本文提出的DD方案選擇信道狀態最佳的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，系統容量不小于隨機的中繼選擇方案。同時，隨著中繼個數的增加，每個中繼的發射功率降低，VAA小區內所有終端都參與協作的傳統方案并不能提高系統容量。當中繼增加到一定數量，DD方案的系統容量大于傳統方案的系統容量。

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

(9)

(10)

5 仿真驗證

仿真環境為具有10個單天線終端的協作通信網絡模型，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作。源終端與VAA小區內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小區內終端對源終端不能完全正確譯碼。為了對比現有的local-k-best方案和傳統方案的性能，在對系統誤碼率仿真時，各終端采用相同的發射功率，在對系統容量進行仿真時，設定發射總功率相同。

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于local-k-best方案，與傳統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作，而DD方案選出部分最佳中繼進行協作，因此，DD方案節省了大量能量。隨著信噪比(SNR)的增加，各方案誤碼率性能都逼近VAA小區內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容量的改進如圖5所示，容易看出，DD方案的系統容量相對于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作中的中繼選擇與功率分配聯合方案。該方案由目的終端根據協作終端的信道狀態信息進行中繼選擇，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和誤碼率性能的同時，提高了系統容量。今后的工作將研究此方案在多跳協作通信中的應用。

參考文獻：

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

[2] Barbarossa S,Pescosolido L.Cooperative wireless networks based on distributed space time coding[C]//Proceedings of IWWAN.Taiwan:[s.n.],2004:30-34.

[3] Anghel P A,Kaveh M.On the diversity of cooperative system[C]//Proceedings of ICASSP’04.[S.l.]：IEEE,2004:577-580.

[4] Hunter T E,Sanayei S,Nosratinia A.Outage analysis of coded cooperation[J].IEEE Transaction on Information Theory,2006(2):375-391.

[5] ZOU Yu-long,ZHENG Bao-yu,ZHU Xiang-lin.A new cooperative diversity scheme for next generation wireless network[C]//Proceedings of CCNC 2008.Las Vegas,USA:[s.n.],2008:938-942.

[6] Bletsas A,Khisti A,Reed D,et al.A simple cooperative diversity method based on network path selection[J].IEEE Journal on Selected Areas of Communication,2006(3):659-672.

[7] ZHANG Lu,Leonard J,Cimini Jr.Power-efficient relay selection in cooperative networks using decentralized distributed space-time block coding[J]. EURASIP Journal on Advances in Signal Processing,2008(9):1-10.

[8] 高偉東，王文博，袁廣翔.協作通信中的中繼節點選取和功率分配聯合優化[J].北京郵電大學學報,2008(2):68-71.

GAO Wei-dong,WANG Wen-bo,YUAN Guang-xiang.Joint Relay Selection and Power Allocation Optimization in Cooperative Communications[J].Journal of Beijing University of Posts and Telecommunications,2008(2):68-71.(in Chinese)

[9] 魏修建.供應鏈利益分配研究—資源與貢獻率的分配思路與框架[J].南開管理評論,2008(2):78-83.

WEI Xiu-jian.The Study of Benefit Distribution on Supply Chain:An Idea and Framework of Distribution about Resources and Contribution Rate[J].Nankai Business Forum,2008(2):78-83.(in Chinese)