摘 要： 改進(jìn)了發(fā)送端已知信道狀態(tài)信息下的傳輸方式。在發(fā)送端已知信道信息條件下，基于系統(tǒng)最大壽命和容量限制提出了將注水算法和貪婪算法相結(jié)合的傳輸方式。仿真結(jié)果表明，結(jié)合后的貪婪-注水算法比原始算法得到更高的系統(tǒng)增益，且與Alamouti空時(shí)編碼結(jié)合，能夠有效地抵抗多徑衰落和多普勒效應(yīng)的影響。
關(guān)鍵詞： 分集增益；貪婪-注水算法；信道狀態(tài)信息
隨著MIMO技術(shù)的深入發(fā)展，在發(fā)送端利用信道信息選擇最佳傳輸方案是提高能量利用效率和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)壽命的重要手段[1]。參考文獻(xiàn)[2]在已知全部信道信息條件下利用主特征（MRC）模式傳送，計(jì)算出發(fā)送端已知完全信道信息時(shí)誤符號(hào)概率的上、下界。參考文獻(xiàn)[3]則提出了基于“隨即注水”的一般解法，在發(fā)送端已知部分信道信息下求解得到系統(tǒng)平均誤符號(hào)率。參考文獻(xiàn)[4]考慮了在不完全信道信息條件下利用Turbo-Blast碼的迭代檢測(cè)算法降低系統(tǒng)誤碼率。
實(shí)際多用戶(hù)通信中，由于數(shù)據(jù)的接收、處理環(huán)節(jié)的不斷增加，需要進(jìn)一步考慮能量消耗。在發(fā)送端未知信道條件下，系統(tǒng)利用空時(shí)編碼的正交特性進(jìn)行傳輸是一個(gè)非常實(shí)用的方案。在發(fā)送端已知信道信息條件下，隨機(jī)注水的分配方法雖然合理，但仍然不是最優(yōu)的。針對(duì)此問(wèn)題，本文提出了一種貪婪-注水算法。該算法基于系統(tǒng)壽命最大化，在發(fā)送功率受限的情況下，利用貪婪算法求得最優(yōu)功率分配矩陣。然后，把求得的分配矩陣帶入注水算法中替換原始的平均功率分配因子，在接收端采用拉格朗日乘法算子迭代求得優(yōu)化的注水分配策略。結(jié)合上述討論，得到發(fā)送端在不同信道狀態(tài)信息量與所對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)誤碼率之間的閉式解。仿真結(jié)果證明了貪婪-注水算法的性能要優(yōu)于一般注水算法，驗(yàn)證了所求閉式解的合理性。
2 MATLAB仿真與結(jié)果分析
仿真瑞利平衰落信道和頻率選擇性衰落信道條件下，采用Alamouti方案編碼的兩發(fā)一收和兩發(fā)兩收無(wú)線傳輸系統(tǒng)的誤碼率性能，并分別與AWGN信道、瑞利平衰落信道下的單天線傳輸系統(tǒng)進(jìn)行比較。瑞利衰落信道的生成滿(mǎn)足均值為0、方差為1的正態(tài)分布[7]，并假設(shè)在連續(xù)的符號(hào)周期內(nèi)信道保持恒定，均采用QPSK調(diào)制。
在發(fā)送端未知信道條件下，發(fā)送一端利用Alamouti空時(shí)編碼的正交性的特點(diǎn)進(jìn)行信號(hào)傳輸，并與發(fā)送端已知信道的條件進(jìn)行比較，仿真結(jié)果如圖1所示。可以看到，當(dāng)發(fā)送端未知信道時(shí)，Alamouti方案只能獲取接收陣列增益，而不能獲得發(fā)送端的陣列增益，因此發(fā)送端在已知信道條件下要比未知信道條件下有著更小的誤碼率；當(dāng)發(fā)送端已知信道時(shí)，它可以在相同的誤碼率條件下獲得比未知信道高出約3 dB的陣列增益，并且由于兩種條件下的分集重?cái)?shù)完全相同，因此從仿真圖中可以看到，兩條曲線的斜率保持一致。
在發(fā)送端已知信道條件下，發(fā)送和接收天線數(shù)目不同時(shí)，采用改進(jìn)后的貪婪-注水算法的性能曲線如圖2所示。從仿真圖中可以看到，隨著天線數(shù)量增加，系統(tǒng)性能逐漸提升。相對(duì)于Nt=Nr=1的直接傳輸，在SNR=10 dB的條件下，采用Nt=Nr=4的傳輸天線要比直傳條件下節(jié)點(diǎn)的最小壽命提高2.5倍，并且隨著信噪比的提高，對(duì)節(jié)點(diǎn)壽命的提高還在增加，在20 dB的條件下，最小壽命可以提高近4倍。在較低信噪比條件下，可以發(fā)現(xiàn)該方案對(duì)節(jié)點(diǎn)壽命的提升并不明顯，這是由于在低信噪比條件下，對(duì)發(fā)送功率的要求較小，處理功耗占總功耗的比重增加，因此多節(jié)點(diǎn)傳輸不僅不能減少處理功耗，相反還會(huì)增加。
圖3仿真的是改進(jìn)方案（實(shí)現(xiàn)部分）與傳統(tǒng)方案（虛線部分）的性能比較。可以看到，改進(jìn)后的方案要比傳統(tǒng)方案更好地提高系統(tǒng)性能，并且隨著分集重?cái)?shù)的增加，性能提升度越好。在信噪比為5 dB，Nt=Nr=4的傳輸天線條件下，節(jié)點(diǎn)的最小壽命可以提高到傳統(tǒng)方案的1.2~1.3倍。
本文在分析Alamouti方案編譯碼原理的基礎(chǔ)上，針對(duì)瑞利平衰落和頻率選擇性MIMO信道對(duì)Alamouti方案在不同收發(fā)天線數(shù)量下的性能進(jìn)行模擬仿真。通過(guò)仿真圖可以看到，隨著分集重?cái)?shù)的增加，系統(tǒng)性能逐漸提高，在頻率選擇性信道條件下，由于分集的特性，系統(tǒng)的誤碼率沒(méi)有大幅度的衰減，這也表明分集技術(shù)是對(duì)抗多徑效應(yīng)和多普勒延遲的有效手段。
本文重點(diǎn)推導(dǎo)了在基于系統(tǒng)壽命最大化以及在發(fā)送功率受限情況下，在發(fā)送端利用貪婪算法求得最優(yōu)功率分配矩陣，并在接收端采用拉格朗日乘法算子迭代求得優(yōu)化的注水分配策略。通過(guò)仿真證明了該方案對(duì)提高系統(tǒng)性能有著較為明顯的提升。該方案還可以進(jìn)一步推廣到4G技術(shù)的衍生技術(shù)LTE、協(xié)同MIMO等系統(tǒng)中去，在較長(zhǎng)距離傳輸或?qū)鬏擰oS要求較高的條件下有著一定的實(shí)用價(jià)值。
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