分布式空频编码协同通信系统中基于导频转发新时序的信道估计算法

第32卷第6期电子与信息学报Vol.32No.62010年6月JournalofElectronics&InformationTechnologyJun.2010分布式空频编码协同通信系统中基于导频转发新时序的信道估计算法俞晓帆赵春明(东南大学移动通信国家重点实验室南京210096)摘要：该文针对频率选择性衰落下的多中继分布式空频编码协同通信系统，提出了基于导频转发新时序的频域信道估计算法，包括昀小二乘(LS)估计算法和低阶近似的线性昀小均方误差(Lr-LMMSE)估计算法。互相协同的各中继节点在收到源节点广播发送的频域导频符号向量后，通过互不相同的时隙将其转发给目的节点，从而避免了各中继节点转发的导频符号在目的节点上的混叠干扰。理论分析和仿真结果表明，该算法成功地分辨了多中继协同通信系统的所有频域信道系数，其估计精度高，算法复杂度低，具有较高的实用价值。关键词：协同通信；信道估计；分布式空频编码；导频转发时序中图分类号：TN92文献标识码：A文章编号：1009-5896(2010)06-1412-06DOI:10.3724/SP.J.1146.2009.00906ChannelEstimationBasedonaNewPilotForwardingScheduleforDistributedSpace-FrequencyCodedCooperativeCommunicationSystemYuXiao-fanZhaoChun-ming(NationalMobileCommunicationResearchLab,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China)Abstract:Severalfrequency-domainchannelestimationalgorithmsbasedonanewpilotforwardingscheduleareproposedfordistributedspace-frequencycodedcooperativecommunicationsystemwithmultiplerelaynodesoverfrequency-selectivefadingchannels,includingtheLeastSquare(LS)methodandtheLowrankLinearMinimumMeanSquareError(Lr-LMMSE)method.Thecooperativerelaynodesforwardthepilotvectorsentbythesourcenodetothedestinationindifferenttimeslots,sothatthesuperpositionofthepilotsignalstransmittedbydifferentrelaynodesisavoided.Theoreticalanalysisshowesthattheproposedalgorithmsachieveallthefrequency-domainchannelfadingcoefficientsofthemulti-relaydistributedSFcodedcooperativecommunicationsystemsuccessfully.Simulationresultsconfirmetheperformanceoftheproposedchannelestimationalgorithms,includingthehighaccuracy,extraordinarypracticalityandthelowcomplexity.Keywords:Cooperativecommunication;Channelestimation;Distributedspace-frequencycoding;Pilotforwardingschedule1引言在无线网络中，多径传输环境引起的信号衰落严重影响着整个无线通信的性能。如果信道链路变化很慢，信道则有可能长时间处于深衰落状态，使得终端之间无法进行通信。为了有效地克服多径衰落，采用传统多天线发送分集传输方式的无线终端往往需要由多个天线组成的天线阵列。但是在很多情况下，例如便携式终端或者无线传感器，由于物理尺寸、制造成本、硬件复杂度受限，将无法实现多个发射天线。针对这个缺点，基于协同通信的空间分集技术被提出[1,2]。在协同通信系统中，分布在2009-06-23收到，2009-09-23改回国家863计划项目(2006AA01Z263)，国家自然科学基金(60802007)和国家973计划项目(2007CB310603)资助课题通信作者：俞晓帆[e-mail]空间不同位置的、分属于不同终端的天线相互协作，成为一个分布式的“虚拟”多天线发射分集阵列。同时，还可以将传统的正交频分复用(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，OFDM)技术和专门为协同通信系统设计的分布式空时[3]、空频编码技术[4]引入协同通信系统。研究结果表明，协同通信技术显著提高了系统的数据传输容量，有效增强了信息传输对抗信道畸变的鲁棒性。协同通信技术因此成为目前无线通信领域昀具有应用前景的研究热点之一。在获得分集增益，提高系统数据传输性能的同时，协同通信技术也面临着很多需要解决的问题：网络中的各个终端节点是否选择协作分集传输方式，每个终端节点选择哪些节点作为替它转发数据的协作伙伴，目的节点如何对源节点和各中继节点第6期俞晓帆等：分布式空频编码协同通信系统中基于导频转发新时序的信道估计算法1413发送来的数据进行合并处理。为了解决这些问题，提高协同通信系统的性能，必须对各个终端节点之间的信道状态信息(CSI)有一个全面的了解[5,6]。目前，针对协同通信系统中信道估计的研究还较少。文献[7-9]分别针对平坦衰落信道下的单中继和多中继放大转发协同通信系统提出了基于导频的昀小二乘(LS)和线性昀小均方误差(LMMSE)信道估计算法。针对频率选择性衰落环境下的协同通信系统，文献[10]提出了昀小方差无偏(MVU)信道估计算法，但其只适用于单中继节点的情形，当中继节点数大于1时，信道将变得不可辨识。除此之外，文献[4]将分布式空频编码引入了协同通信系统。分析表明，与传统的空时编码相比，空频编码协同通信系统很大程度地降低了对中继节点存储和处理能力的要求，提高了协同通信系统的实用性。同时它可以获得比空时编码协同通信系统更高的分集增益，从而有效地提高了通信系统的数据容量和传输鲁棒性，显著地降低了系统服务中断概率，因此受到了广泛的关注。但文献[4]仅仅分析了目的节点已知理想信道信息时的系统误符号率性能，并没有给出针对该系统的实用信道估计算法。鉴于以上情况，本文针对频率选择性衰落下结合分布式空频编码的多中继协同通信系统，提出了一种基于导频转发新时序的频域信道估计算法。仿真结果表明，目的节点通过该信道估计算法成功获得了分布式空频编码协同通信系统的所有频域信道参数，提高了估计精度，算法复杂度低，具有较好的性能和应用价值。本文的安排如下：第2节介绍了多中继分布式空频编码协同通信系统的信道模型和系统模型；第3节推导了基于导频转发新时序的协同通信系统频域信道估计算法，并给出了估计算法的计算复杂度；第4节为仿真结果与性能分析；第5节是本文的结束语。文中，向量用粗斜体的小写字母表示，矩阵用粗斜体的大写字母表示。文中符号定义：T()⋅,()∗⋅,H()⋅和1()−⋅分别表示向量或矩阵的转置、共轭、共轭转置和逆运算；diag()v为以向量v为对角线元素的对角矩阵；E()⋅表示取数学期望；:表示两个相同维数矩阵对应元素相乘的Hadamard乘积；NI表示NN×维的单位矩阵；⎡⎤x为上取整；⎣⎦x为下取整；⋅表示对单个复数或矩阵中的每一个复数元素取模。2信道与系统模型2.1信道模型设协同通信系统中的每个终端节点均采用OFDM技术且为单天线，即不能同时接收和发送信号。各个节点之间的信道相互独立且为准静态，即在一个数据块的范围内信道衰落系数保持不变。任意两个终端之间多径衰落信道的时域离散冲击响应可以表示为()10()()Lllhnhnnlδ−==−∑(1)其中L为信道时域响应的昀大延迟长度，()lhn为第l个抽头系数，所有抽头系数是相互独立的均值为零且方差为2lσ的复高斯随机变量，()δ⋅为狄拉克冲击函数。信道时域抽头系数归一化为1201Lllσ−==∑。与时域冲击响应对应的第n个符号时刻信道频域响应为()()210,,=1,2,,jklLKllHnkhnekKπ−−==∑(2)其中K为子载波个数。设发送端第n个符号时刻需要发送的频域数据符号为(),Xnk=1,2,,kK，将其串并转换后经过K点的IFFT变换成为时域符号向量。该时域符号在进入信道之前被插入长为g的循环前缀(CP)以消除符号间干扰(ISI)，且g≥1L−。接收端在接收到经过频率选择性信道衰落的时域OFDM符号后，去CP，进行FFT变换。得到接收符号的频域表示为()()()(),=,,,,=1,2,,YnkHnkXnkWnkkK+(3)其中，(),Ynk为第n个OFDM符号第k个子载波上的频域数据，(),Wnk为零均值、方差为2wσ=()2E{,},Wnknk∀∀的高斯白噪声的频域表示。由于各个节点之间的信道衰落系数在一个数据块范围内保持不变，为了表示方便，下文将省略时域符号索引n。2.2系统模型协作通信的基本思路是：同一小区内的两个或多个用户建立起“伙伴”关系，使它们在向基站发送自己的数据的同时还作为中继节点帮助“伙伴”转发数据。图1给出了协同通信系统的具体工作模式：图1协作通信系统结构1414电子与信息学报第32卷协同通信主要可分为两种不同的协作模式：放大转发模式(AmplifyandForward，AF)和译码转发模式(DecodeandForward，DF)。本文将重点关注实现复杂度相对较低的放大转发协同通信系统。在放大转发协同通信系统中，昀初的一个数据帧被分为前后两个连续的子帧传输阶段：倾听阶段(listeningphase)和协作阶段(cooperativephase)。在第1阶段，源节点向目的节点和中继节点广播发送数据符号。在第2阶段，中继节点对收到的数据进行简单的功率变换和分布式空频编码[4]，并通过中继信道向目的节点转发编码后的数据符号。目的节点在接收到来自于不同节点的经历了多路独立信道衰落的数据后，根据信道估计的结果对其进行空频译码和符号检测，昀终得到源节点发送的原始数据。图1所示的协同通信系统中共有2N+个单天线终端，包括源节点S，N个中继节点iR(1,2,i=,N)以及目的节点D。其中，全部N个中继节点共同为源节点转发数据。由于源节点至目的节点的直接信道(SD)的信道衰落系数可以由目的节点通过传统的点到点OFDM信道估计方法得到，所以暂时忽略SD信道。在传统的具有N个中继节点的空时编码协同通信系统中[3]，每个中继节点需要一次性接收N个完整的OFDM时域符号并将其全部存储下来，还必须对这N个符号进行FFT，N维线性变换，IFFT处理。中继节点完成了一系列复杂变换之后才能将新生成的N个OFDM符号向目的节点转发。这种编码方式对中继节点的存储和处理能力都提出了很高的要求，在实际的应用中这是很难实现的。为了避免以上系统缺陷，降低中继节点的负担，选择将分布式空频编码引入协同通信系统[4]。定义()()()()T1,2,,SSSSK=xxxx为第1阶段源节点需要广播发送的OFDM频域符号向量。设OFDM子载波数K为2的整数次幂。在源节点上将Sx均匀分割成J个小向量，每个小向量包含M个符号元素，即()TTTT12,,,SJ=xxxx(4)其中/JKM=，(((1)1),((1)nSSnMn=−+−xxx()T2),,)SMnM⋅+x，1,2,,nJ=，且2log2LM⎡⎤⎢⎥⎢⎥=(5)其中iminLNL