一种改进的分布式Alamouti码协同分集方案*

2017-01-16王珂，刘伟，雷菁

通信技术 2016年11期

关键词：中继传输协同

王珂，刘伟，雷菁

（国防科学技术大学电子科学与工程学院通信工程系，湖南长沙 420000）

一种改进的分布式Alamouti码协同分集方案*

王珂，刘伟，雷菁

（国防科学技术大学电子科学与工程学院通信工程系，湖南长沙 420000）

针对基于Alamouti码的单中继协同通信系统中传输速率较低和资源利用不充分的问题，提出一种改进的分布式Alamouti码协同分集方案。在传统方案利用转发阶段两路信号最大比合并接收的基础上，该方案存储并利用广播阶段源节点发送的信号，将三路信号进行最大比合并接收，从而提高了分集增益。仿真结果表明，在Rayleigh衰落信道下，与现有的Alamouti码协同分集方案相比，该方案所需信噪比可以大幅降低。

多输入多输出；协同；分布式空时码；最大比合并

0 引言

多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）技术是新型的高性能无线传播技术。它能够有效提高无线通信系统的容量和频谱利用率，且不占用额外带宽，因此越来越受到人们的关注。

但随着移动通信设备的小型化，终端上很难安装多个天线实现MIMO。为解决这个问题，研究人员提出了协同分集技术[1]。它的基本思想是与自己在通信中的伙伴合作，构成一个虚拟的多天线系统，从而为MIMO技术的实用提供了一个新的思路。在实际应用中，协同通信中的AF或DF转发策略，经常结合分布式空时编码技术来获得协同分集[2-3]。目前，协同通信系统中研究最多的空时码是Alamouti 码[4-5]。它是一种适用于两发一收MIMO系统的空时码，在单向和双向传输网络中均可使用[6]。

在单中继Alamouti码协同通信系统中，已有的研究通常将传输过程分为两个阶段[7]：第一阶段源节点向中继节点广播信号；第二阶段发送端与中继节点同时向目的节点发送信号，接收端接收信号并进行合并处理。这种方式下，接收端最终合并时只利用了第二阶段的两路信号。实际上，广播阶段目的节点同样会收到源节点的信号，而没有得到充分利用。针对这一问题，本文给出一种改进的分布式Alamouti码协同分集方案。方案中目的节点在第一阶段收到并缓存源节点广播的信号，再结合第二阶段收到的源节点和中继节点发射的信号，将三路信号进行最大比合并与最大似然判决，以获得更高的分集增益。与文献[7]的结果相比，该方案的传输性能有明显提高。

本文其他部分安排如下：第二节给出系统模型，主要是将Alamouti码应用于协同传输的系统模型；改进的Alamouti码传输方案将在第三节给出；第四节给出仿真结果及复杂度分析；第五节为结论。

1 系统模型

Alamouti码最初是为具有两根发射天线的系统而设计，即两发一收或者多收的MIMO系统。而协同分集技术，即依靠系统中协同终端共同传输信息构成的虚拟MIMO系统中，也可以使用Alamouti码提高性能。

如图1所示，该策略的模型是一种典型的单中继协同通信模型。

该系统由3个节点组成：一个信源S，一个中继R和一个目的节点D。假设中继节点与目的节点均能正确估计信道状态信息，各节点理想同步。

Alamouti空时编码的传输矩阵：

式中ε0为信源的发射功率，h为信源到中继的信道衰落系数，ni为高斯白噪声。

同时，中继节点对在第一阶段中收到的信号进行处理，采用AF模式或DF模式。假设处理后的信号为[ys1ys2]：

所以，第二阶段目的节点接收到来自中继的信号[y3y4]是：

于是，第二阶段两个时隙中目的节点接收到的两路信号可以合并表示为：

最大比合并处理后，可得：

式中，有：

随后，使用最大似然判决，便可得到估计信号并计算出误码率。

2 改进的Alamouti码协同传输方案

从文献[7]的协同策略可以看出，一般在使用Alamouti码时，接收端要处理的信号都是在第二阶段从源节点和目的节点传输的信号，之后进行最大比合并并进行译码。但是，从整个传输过程来看，第一阶段当源节点将信号传输给中继节点时，一般会采取广播形式，目的节点同样会收到该信号，并且不会增加源节点的发射功率。因此，可以在目的节点最后进行合并时，将第一阶段收到的信号同时进行合并，以进一步提高性能。

2.1 改进的分布式Alamouti码AF协同方案

如图1所示，系统传输模型与普通的Alamouti码协同传输模型相同。

同时，目的节点接收到的信号为：

式中，g2表示第二阶段源节点到目的节点的信道衰落系数。同时，中继节点处理第一阶段收到的信号，采用AF模式。中继放大信号，放大因子为：

假设处理后的信号为[ys1ys2]：

那么第二阶段目的节点接收到来自中继的信号[y5y6]是：

则第二阶段两个时隙中目的节点接收的两路信号可以合并表示为：

第二阶段和之前的分析过程一样，那么如果不考虑第一阶段的信号，目的节点对信号合并并处理后为：

当考虑第一阶段的信号后，由于第一阶段目的节点收到的原信号是，多先将其与第二阶段来自发送端的信号进行合并，为：

同理，合并且处理后，得到：

接下来，将两次合并后的式子相加，便可得到利用三路信号所得到的估计：

2.2 改进的分布式Alamouti码DF协同方案

当采用DF模式时，系统模型与AF模式相同，第一阶段的传输过程也与AF模式相同。第二阶段，中继对信号解调与解码后再进行CRC校验。若数据正确，则中继对信号进行调制﹑编码后转发；若不正确，则中继不做任何操作，即：

那么，第二阶段目的节点接收到来自中继的信号[y5y6]为：

于是，第二阶段2个时隙中目的节点接收的信号可以表示为：

最后，由于噪声项随机，所以目的节点按照与AF模式相同的方法处理三路信号后，得到信号的

估计值与AF 模式的表达式相同：

3 仿真结果及复杂度分析

从上文的分析可以看出，该方案是文献[7]所提协同传输方案的改进，因此在仿真上与文献[7]所提出的方案进行比较，分别采用AF与DF传输方式。信道为Rayleigh衰落信道。

图2为在AF模式下，改进后的传输方式与之前的性能进行比较。可以看出，改进后的方案会明显降低误码率。在误码率为10-4时，所需的信噪比降低了约10 dB。此外，新方案误码率曲线下降的斜率明显大于原方案，说明分集增益得到了提高。

图2 Alamouti码AF协同通信系统性能比较

图3表示采用改进后的Alamouti码DF模式与普通DF模式的性能比较，仿真条件与AF模式相同。

图3 Alamouti码DF协同通信系统性能比较

可以看出，改进方案在中继采用DF的模式下，同样能带来性能增益。在误码率为10-4时，信噪比降低了11 dB。同样，由BER曲线下降斜率可知，新方案获得了更高的分集增益。

综合普通的采用最大比合并接收模式的AF﹑DF传输模式，可以得到如表1﹑表2所示的相关结论。

表1 AF模式总结

表2 DF模式总结

从表1﹑表2中可以看出：它们的传输效率相同，由于各个节点均采用半双工方式，故它们的发射效率均为每时隙1/2个符号；性能方面，总体来说，DF模式在误码率相同时，信噪比要低于AF模式，基于Alamouti码的协同策略在性能上要比普通协同策略更好，而改进后的Alamouti码在性能上有了进一步提升。但需明白，使用Alamouti码传输方案后，接收设备的复杂度更高，接收端要依靠更复杂的算法合并处理信号。在使用改进后的Alamouti码传输方案时，接收端需要存储第一阶段接收的信号，且最后要将三路信号进行合并处理，再进行判决，一定程度上增加了接收端处理信号的难度。但是，对于复杂度，改进后的分布式空时码仍采用正交码的形式，所以整体上它们的复杂度都不高，与信号个数与调制阶数成线性关系，是工程上可接受的。

4 结语

本文给出了一种适用于单中继协同传输系统中采用Alamouti码传输的改进方案。本质上，该方案在第二阶段接收来自源节点和中继节点信息的基础上，利用第一阶段源节点进行广播时发射的信号，将三路信号合并接收，从而提高分集增益。仿真结果表明，利用改进的Alamouti码传输方案，可以大幅提高传输性能，且其复杂度没有明显提高，在工程上实用性较大。

[1] AlamoutiS M.A Simple Transmit Diversity Technique for W ireless Communications[J].Selec t A reas Commun.,1998,16(10):1451-1458.

[2] Jing Y,HassibiB.Distributed Space-time Coding in W ireless Relay Networks[J].IEEE Trans. W ireless Commun.,2006,5(12):3524-3536.

[3] Laneman JN,W ornellG W.Distribu ted Spacetime-coded Protocolsfor Exp loiting Cooperative Diversity in Wireless Networks[J].IEEETrans. Inform. Theory,2003,49(10):2415-2425.

[4] Antony Vielmon,Ye (Geoffrey) Li,John R. Barry.Performance of Alamouti Transmit Diversity Over Time-Varying Rayleigh-Fading Channels[J].Wireless Commun ications,2004,3(03):1369-1373.

[5] M inChu l Ju,Hyoung-Kyu Song,Il-Min Kim.Exact BER Analysis of Distributed Alamouti’s Code for Cooperative Diversity Networks[J].IEEE Transactions On Communications,2009,57(08):2380-2390.

[6] 魏宁.协同分集技术及其在无线通信中的应用研究[D].成都:电子科技大学,2006.

WEI Ning.Research on Cooperative Diversity Technology and Its Application in W ireless Communication[D]. Chengdu:University of Elec tronic Science and technology,2006.

[7] 林威.无线通信中协同分集的性能分析与编码技术研究[D].成都:电子科技大学,2009.

LIN Wei.Performance Analysis and Coding Technology of Cooperative Diversity in Wireless Communication[D]. Chengdu:University of Elec tronic Science and technology,2009.

An Improved Scheme of Cooperative Diversity based on Distributed Alamouti Codes

WANG Ke, LIU Wei, LEI Jing

(Dept. of Communication Engineering, Academy of Electronic Science and Engineering, National University of Defense Technology, Changsha Hunan 420000, China)

Aiming at the problem of low transmission rate and inadequate resource utilization for single relay cooperative communication system based on distributed Alamouti codes, an improved scheme of cooperative diversity based on distributed Alamouti codes is proposed. Based on the traditional scheme, in which the receiving terminal uses two signals from transmit phase and makes the maximal-ratio combining, the improved scheme stores and uses the signal sent by source node in broadcast phase, implements maximalratio combining and receiving of the three signals, thus improving the diversity gain. Simulation results indicate that under the Rayleigh fading channel, the required signal-to-noise ratio can be greatly reduced in the improved scheme as compared with that in the existing cooperative diversity scheme based on Alamouti codes.

MIMO; cooperate; distributed space-time code; maximal-ratio combining