摘 要： 改進了發送端已知信道狀態信息下的傳輸方式。在發送端已知信道信息條件下，基于系統最大壽命和容量限制提出了將注水算法和貪婪算法相結合的傳輸方式。仿真結果表明，結合后的貪婪-注水算法比原始算法得到更高的系統增益，且與Alamouti空時編碼結合，能夠有效地抵抗多徑衰落和多普勒效應的影響。
關鍵詞： 分集增益；貪婪-注水算法；信道狀態信息
隨著MIMO技術的深入發展，在發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絡節點壽命的重要手段[1]。參考文獻[2]在已知全部信道信息條件下利用主特征（MRC）模式傳送，計算出發送端已知完全信道信息時誤符號概率的上、下界。參考文獻[3]則提出了基于“隨即注水”的一般解法，在發送端已知部分信道信息下求解得到系統平均誤符號率。參考文獻[4]考慮了在不完全信道信息條件下利用Turbo-Blast碼的迭代檢測算法降低系統誤碼率。
實際多用戶通信中，由于數據的接收、處理環節的不斷增加，需要進一步考慮能量消耗。在發送端未知信道條件下，系統利用空時編碼的正交特性進行傳輸是一個非常實用的方案。在發送端已知信道信息條件下，隨機注水的分配方法雖然合理，但仍然不是最優的。針對此問題，本文提出了一種貪婪-注水算法。該算法基于系統壽命最大化，在發送功率受限的情況下，利用貪婪算法求得最優功率分配矩陣。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化的注水分配策略。結合上述討論，得到發送端在不同信道狀態信息量與所對應的系統誤碼率之間的閉式解。仿真結果證明了貪婪-注水算法的性能要優于一般注水算法，驗證了所求閉式解的合理性。
2 MATLAB仿真與結果分析
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方案編碼的兩發一收和兩發兩收無線傳輸系統的誤碼率性能，并分別與AWGN信道、瑞利平衰落信道下的單天線傳輸系統進行比較。瑞利衰落信道的生成滿足均值為0、方差為1的正態分布[7]，并假設在連續的符號周期內信道保持恒定，均采用QPSK調制。
在發送端未知信道條件下，發送一端利用Alamouti空時編碼的正交性的特點進行信號傳輸，并與發送端已知信道的條件進行比較，仿真結果如圖1所示。可以看到，當發送端未知信道時，Alamouti方案只能獲取接收陣列增益，而不能獲得發送端的陣列增益，因此發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；當發送端已知信道時，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數完全相同，因此從仿真圖中可以看到，兩條曲線的斜率保持一致。
在發送端已知信道條件下，發送和接收天線數目不同時，采用改進后的貪婪-注水算法的性能曲線如圖2所示。從仿真圖中可以看到，隨著天線數量增加，系統性能逐漸提升。相對于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點的最小壽命提高2.5倍，并且隨著信噪比的提高，對節點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，可以發現該方案對節點壽命的提升并不明顯，這是由于在低信噪比條件下，對發送功率的要求較小，處理功耗占總功耗的比重增加，因此多節點傳輸不僅不能減少處理功耗，相反還會增加。
圖3仿真的是改進方案（實現部分）與傳統方案（虛線部分）的性能比較。可以看到，改進后的方案要比傳統方案更好地提高系統性能，并且隨著分集重數的增加，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，節點的最小壽命可以提高到傳統方案的1.2~1.3倍。
本文在分析Alamouti方案編譯碼原理的基礎上，針對瑞利平衰落和頻率選擇性MIMO信道對Alamouti方案在不同收發天線數量下的性能進行模擬仿真。通過仿真圖可以看到，隨著分集重數的增加，系統性能逐漸提高，在頻率選擇性信道條件下，由于分集的特性，系統的誤碼率沒有大幅度的衰減，這也表明分集技術是對抗多徑效應和多普勒延遲的有效手段。
本文重點推導了在基于系統壽命最大化以及在發送功率受限情況下，在發送端利用貪婪算法求得最優功率分配矩陣，并在接收端采用拉格朗日乘法算子迭代求得優化的注水分配策略。通過仿真證明了該方案對提高系統性能有著較為明顯的提升。該方案還可以進一步推廣到4G技術的衍生技術LTE、協同MIMO等系統中去，在較長距離傳輸或對傳輸QoS要求較高的條件下有著一定的實用價值。
參考文獻
[1] ALAMOUTI S M.A simple transmit diversity technique for wire-less communications[J].IEEE Journal on Select Areas in Communication，1998，16(8)：1451-1458.
[2] PAULRAJ A.Class reader for EE492m-space-time wireless communications[D].Stanford：Stanford University，2003.
[3] GOROKHOV A.Capacity of multi-antenna Reyleigh channel with a limited transmit diversity[J].IEEE ISIT，2000，411(13)：415-418.
[4] CIOFFI J.Class reader for EE379a digital communication：signal processing[D].Standford：Standford University，2002.
[5] VARDHE K，Zhou Chi，REYNODS D.Energy efficiency analysis of multistage cooperation in sensor networks[C]. IEEE Global Telecommunications Conference，2010.
[6] BOLCKEI H，PAULRAJ A，HARI K，et al.Fixed broadband wireless access state of the art,chanllenges and future directions[J].IEEE Comm.Mag.，2001，39(1)：100-108.
[7] MARIC I，YATES R D.Cooperative multicast for maximum network lifetime[J].Journal on Selected Areas in Communications，2005，7(23)：127-135.