周冬躍 胡斌杰

?

一種OFDM中繼系統(tǒng)的有限反饋預(yù)編碼方法

周冬躍*①②胡斌杰①

①(華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院 廣州 510640)②(廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院 廣州 510006)

基于正交頻分復(fù)用的放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作中繼系統(tǒng)，為了減少系統(tǒng)誤比特率、增加信道容量和增強(qiáng)實(shí)用性，該文提出一種實(shí)用的源節(jié)點(diǎn)預(yù)編碼和中繼節(jié)點(diǎn)預(yù)編碼的聯(lián)合優(yōu)化有限比特反饋的預(yù)編碼方法。利用3節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的兩個(gè)下行鏈路，實(shí)現(xiàn)兩跳協(xié)作通信方式；采用SVD分解和QR(orthogonal triangular)分解相結(jié)合設(shè)計(jì)預(yù)編碼，其中源節(jié)點(diǎn)預(yù)編碼每幀只要一個(gè)；優(yōu)選量化碼本，把預(yù)編碼矩陣量化后反饋到發(fā)射端。仿真結(jié)果表明，該方案能提高平均和速率、降低誤碼率和改善中斷概率特性，且反饋比特?cái)?shù)較少具有更好的實(shí)用價(jià)值。

無(wú)線通信；放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼；兩跳；預(yù)編碼；正交頻分復(fù)用；有限反饋

1 引言

綜合以上文獻(xiàn)特點(diǎn)，本文提出協(xié)作中繼系統(tǒng)的預(yù)編碼方案：在文獻(xiàn)[8, 9]基礎(chǔ)上加入S-D通道，提高了系統(tǒng)速率；并且利用文獻(xiàn)[10]QR分解，重新進(jìn)行量化預(yù)編碼設(shè)計(jì)，改善了誤碼特性。本文方案具有幾個(gè)特點(diǎn)：信號(hào)處理充分利用了S-R-D通道和S-D直接通道，對(duì)源節(jié)點(diǎn)預(yù)編碼和中繼節(jié)點(diǎn)預(yù)編碼進(jìn)行新的優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)反饋量化預(yù)編碼聯(lián)合優(yōu)化，在不考慮各子載波的功率優(yōu)化分配的情況下，系統(tǒng)的子載波信道和速率(sum-rate)較高、誤碼率較低，且反饋比特較少具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

2 系統(tǒng)模型

在源節(jié)點(diǎn)處，經(jīng)過(guò)預(yù)編碼后對(duì)應(yīng)的輸入和輸出信號(hào)為

用離散傅里葉變換來(lái)實(shí)現(xiàn)OFDM過(guò)程：

3 預(yù)編碼設(shè)計(jì)及特性分析

3.1 系統(tǒng)預(yù)編碼設(shè)計(jì)

為了便于探討，把式(6)中的信道矩陣寫(xiě)成

經(jīng)過(guò)預(yù)編碼處理后，則

對(duì)式(13)中的部分因子進(jìn)行QR分解：

QR分解后，等效信道矩陣的表達(dá)式為

式(17)中，定義

3.2 OFDM的 和速率及中斷概率分析

在獨(dú)立同分布(i.i.d)高斯信道的情況，文獻(xiàn)[10]和文獻(xiàn)[15]給出階近似概率密度函數(shù)為

可達(dá)到的子載波平均和速率為(文獻(xiàn)[10])：

階子載波平均和速率為

在求解中斷概率前，首先求解累計(jì)分布函數(shù)(Cumulative Distribution Function, CDF)為[15]

4 預(yù)編碼有限比特反饋方法及比特量分析

4.1 預(yù)編碼量化反饋方法

4.2 反饋比特量分析

對(duì)于文中算法，在源節(jié)點(diǎn)，由于每個(gè)OFDM幀內(nèi)的不同子載波預(yù)編碼相同，即只要反饋1個(gè)矩陣，比特?cái)?shù)是，在中繼節(jié)點(diǎn)，每個(gè)子載波對(duì)應(yīng)不同的預(yù)編碼，反饋比特?cái)?shù)等于，合計(jì)反饋比特?cái)?shù)等于(+1)；對(duì)于文獻(xiàn)[8]，文獻(xiàn)[9]和文獻(xiàn)[10]算法，在源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)，OFDM幀內(nèi)的不同子載波預(yù)編碼各不相同，因此每幀總的的反饋比特?cái)?shù)等于(2)，該比特?cái)?shù)約等于文中算法的2倍。

5 仿真結(jié)果與分析

在PMI寬度=3情況下，對(duì)比本文算法與文獻(xiàn)[10]算法、文獻(xiàn)[9]算法、文獻(xiàn)[8]算法的比特誤碼率仿真情況如圖2所示。由圖可知，在較低信噪比區(qū)本文算法與文獻(xiàn)[10]算法性能相當(dāng)，在較高信噪比區(qū)本文算法的誤碼特性明顯優(yōu)于文獻(xiàn)[10]的情況。并且優(yōu)于文獻(xiàn)[9]算法和文獻(xiàn)[8]算法達(dá)0.5 dB以上。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種應(yīng)用于下行通路OFDM的3節(jié)點(diǎn)中繼協(xié)作預(yù)編碼算法，中繼鏈路采用兩跳放大轉(zhuǎn)發(fā)的非再生中繼方法，文中方案具有從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的直接通路，方案對(duì)源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)兩個(gè)預(yù)編碼矩陣進(jìn)行了高效設(shè)計(jì)，減少了預(yù)編碼矩陣數(shù)量，量化過(guò)程采用更好的正交碼本進(jìn)而對(duì)預(yù)編碼聯(lián)合量化優(yōu)化。方案具有子載波平均和速率更大、誤碼率較低和預(yù)編碼反饋比特量較少等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 子載波平均和速率

圖2 比特誤碼率對(duì)比特性

圖3 不同碼本長(zhǎng)度的中斷概率對(duì)比

[1] Fan Y and Thompson J. MIMO configurations for relay channels: theory and practice[J]., 2007, 6(5): 1774-1786.

[2] 陳前斌, 蔣廣健, 唐倫, 等. 有限反饋中繼系統(tǒng)基于業(yè)務(wù)速率的跨層調(diào)度算法[J]. 電子與信息學(xué)報(bào), 2012, 34(1): 26-32.

Chen Qian-bin, Jiang Guang-jian, Tang Lun,.. A novel method of feedback reducing and cross-layer scheduling based on traffic rate for relay system[J].&, 2012, 34(1): 26-32.

[3] Parkvall S, Furuskar A, and Dahlman E. Evolution of LTE toward IMT-advanced[J]., 2011, 49(2): 84-91.

[4] Sheu J P, Kao C C, Yang S R,.. A resource allocation scheme for Scalable video multicast in WiMAX relay networks[J]., 2013, 12(1): 90-104.

[5] 黃博, 方旭明, 陳煜. OFDMA 中繼網(wǎng)絡(luò)變時(shí)域節(jié)能資源分配策略[J]. 電子與信息學(xué)報(bào), 2013, 35(5): 1023-1030.

Huang Bo, Fang Xu-ming, and Chen Yu. Variable time-domain energy saving resource allocation for OFDMA relay networks[J].&, 2013, 35(5): 1023-1030.

[6] Qiao D, Gursoy M C, and Velipasalar S. Effective capacity of two-hop wireless communication systems[J]., 2013, 59(2): 873-885.

[7] Tang X and Hua Y. Optimal design of non-regenerative MIMO wireless relays[J]., 2007, 6(4): 1398-1407.

[8] Wang H, Ghogho M, Cheng W,..A limited feedback joint precoding for dual hop MIMO amplify-and-forward relay systems[J]., 2013, 62(8): 4125-4130.

[9] Huang Y, Yang L, Bengtsson M,. A limited feedback joint precoding for amplify-and-forward relaying[J]., 2010, 58(3): 1347-1357.

[10] Kim K J, Fan Y, Iltis R A,.. A reduced feedback precoder for MIMO-OFDM cooperative diversity systems[J]., 2012, 61(2): 584-596.

[11] Shi Y, Zhang Z, and Qiu L. Joint source/relay precoding designs in MIMO two-way AF relay systems with MMSE-SIC receiver[C]. IEEE Wireless Communications and Networking Conference (WCNC), Shanghai, China, 2013: 2733-2738.

[12] Millar A P, Weiss S, and Stewart R W. THP transceiver design for MIMO relaying with direct link and partial CSI[J]., 2013, 17(6): 1204-1207.

[13] Mukai S, Ono F, Ochiai H,.. Adaptive one-way and two-way relaying for MIMO relay networks[C]. IEEE International Symposium on Wireless Personal Multimedia Communications (WPMC), Taipei, China, 2012: 286-290.

[14] Jaafar W, Ajib W, and Haccoun D. Adaptive relaying scheme for cognitive radio networks[J]., 2013, 7(11): 1151-1162.

[15] Proakis J G. Digital Communications[M]. New York: McGraw-Hill, 2007: 259-420.

[16] Love D J. Grassmannian subspace packing[OL]. http://dynamo.ecn.purdue.edu/～djlove/grass.html, 2009. 5.

[17] Zhou S and Li B. BER criterion and codebook construction for finite-rate precoded spatial multiplexing with linear receivers[J]., 2006, 54(5): 1653-1665.

周冬躍： 男，1974年生，博士生，研究方向?yàn)闊o(wú)線通信信號(hào)處理技術(shù).

胡斌杰： 男，1960年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)闊o(wú)線通信及相關(guān)射頻理論與技術(shù).

A Limited Feedback Precoder Method for OFDM Relay Systems

Zhou Dong-yue①②Hu Bin-jie①

①(,,510640,)②(,,510006,)

Based on OFDM amplify-and-forward cooperative relay system, in order to reduce the transmission bit error rate, while increasing the channel capacity and improving the usability, the paper presents a practical limited bits feedback precoding method where the source node precoder and the relay node precoder are jointly optimized. Through the use of the two downlink with three nodes, the two-hop cooperative communications are achieved, and the precoding matrices are designed using both orthogonal triangular (QR) decomposition and Singular Value Decomposition (SVD), in which the source node precoder contains only one precoding matrix per OFDM frame. By choosing a better codebook, the quantization precoders are feedbacked to the transmitter. The simulation results indicate that the proposed method is able to improve the system average sum-rate, reduce the error rate and improve the performance of outage probability, indicating a chance of better usability as result of fewer bits.

Wireless communication; Amplify-and-forward relaying; Two hop; Precoding; Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM); Limited feedback

TN929.5

A

1009-5896(2014)05-1196-06

10.3724/SP.J.1146.2013.01421

周冬躍 zhoudongyue@126.com

2013-09-17收到，2013-12-16改回

NSFC-廣東省聯(lián)合基金(U1035002)，澳港關(guān)鍵領(lǐng)域重點(diǎn)突破招標(biāo)項(xiàng)目(2011A011305001, 2011A011302001)和廣東高校產(chǎn)學(xué)研基地及科技成果轉(zhuǎn)化重大項(xiàng)目(CGZHZD1102)資助課題