放大轉(zhuǎn)發(fā)方式下中繼選擇策略的性能分析

張亞龍，劉 堯，周國榮，丁武強，王軍輝

(太原衛(wèi)星發(fā)射中心，山西太原 036301)

協(xié)同通信是指在多用戶通信環(huán)境中，使用單副天線的各鄰近用戶可按照一定方式共享彼此的天線協(xié)同發(fā)送，從而產(chǎn)生一種類似多天線發(fā)送的虛擬環(huán)境，獲得空間分集增益，提高系統(tǒng)傳輸性能。多個中繼節(jié)點本身可自然形成虛擬的天線陣列，節(jié)點間通過相互配合和信息互通，模擬傳統(tǒng)MIMO技術的應用環(huán)境，形成分布式的虛擬MIMO系統(tǒng)，克服了相干距離的限制［1］。協(xié)同通信融合了中繼技術和分集技術的優(yōu)勢［2-6］，在不增加天線的基礎上能夠獲得與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡中的多天線和多跳相近的性能增益。

文獻［5］分析了基于譯碼轉(zhuǎn)發(fā)的全部協(xié)同的中斷概率性能，發(fā)現(xiàn)能夠提高系統(tǒng)的中斷概率性能。文獻［6］，［7］分析了基于譯碼轉(zhuǎn)發(fā)的部分協(xié)同的中斷概率性能，發(fā)現(xiàn)中斷概率性能也有所提升。同時發(fā)現(xiàn)文獻［8］-［10］中的基于譯碼轉(zhuǎn)發(fā)的機會中繼中斷概率也有較大的提升。但對這三種協(xié)同中繼選擇策略的對比研究相對較少。

本文對比了在譯碼轉(zhuǎn)發(fā)方式下全部協(xié)同、部分協(xié)同、機會中繼的中斷概率性能;最后總結(jié)了中繼節(jié)點數(shù)目、信噪比及目標信息速率對上述中繼選擇策略中斷概率性能的影響情況。

1 系統(tǒng)模型

圖1 系統(tǒng)模型

現(xiàn)實中的無線通信網(wǎng)絡里面的每個設備附近通常都有多個設備能夠偵聽到該設備所發(fā)送的信息［1，2］，這就為設備之間的協(xié)同提供了基礎。如果無線通信網(wǎng)使用TDMA方式進行通信，則在每一個通信瞬間，在一定的范圍內(nèi)，可以認為只有一個設備在發(fā)送信息，一個設備接收信息，附近多個設備處于監(jiān)聽守候狀態(tài)并隨時可以進行協(xié)同通信［3，4］。在下一個通信瞬間，該結(jié)構仍保持不變，改變的只是具體的收發(fā)設備及參與協(xié)同的設備。這樣，無線通信網(wǎng)絡可以簡化為一發(fā)一收多個協(xié)同的網(wǎng)絡模型加以研究。圖1給出了基于協(xié)同傳輸?shù)臒o線通信網(wǎng)絡系統(tǒng)模型，其中S表示需要發(fā)送信息的設備，本文稱之為源節(jié)點;Ri(i=1，…，L)表示系統(tǒng)中可以提供協(xié)助的設備，本文稱之為協(xié)同節(jié)點;D表示與S進行通信的接收設備，本文稱之為目的節(jié)點。

2 中斷概率性能分析

2.1 全部協(xié)同

求解AF的中斷概率閉合表達式很困難。根據(jù)文獻［11］結(jié)合本文模型，這里只給出其上下界

其中，I表示源節(jié)點與目的節(jié)點之間的最大互信息;R表示目標信息速率;L表示協(xié)同中繼個數(shù);λ0表示信道幅度平方|hSD|2服從指數(shù)分布的參數(shù);λi表示信道幅度平方|hSRi|2服從指數(shù)分布的參數(shù);ξi表示信道幅度平方|hRiD|2服從指數(shù)分布的參數(shù);SNR表示發(fā)射信噪比。

2.2 部分協(xié)同

在這里，部分協(xié)同是指基于某一門限選取部分節(jié)點參與協(xié)同。而選取門限值的方法有很多。這里我們選擇對于中繼節(jié)點能夠正確譯碼的信噪比值作為中繼判斷自己是否參與放大轉(zhuǎn)發(fā)的門限值，這樣每次參與放大轉(zhuǎn)發(fā)的中繼個數(shù)是不確定的。

具體的，中繼節(jié)點接收到源節(jié)點發(fā)送的信息后，中繼節(jié)點首先判斷接收信噪比是否大于給定門限值，若大于該門限則中繼節(jié)點放大接收到的信號并轉(zhuǎn)發(fā);否則無動作。若所有節(jié)點均在門限以下，則源節(jié)點自動重發(fā)一次。這樣，在協(xié)同階段需采取動態(tài)時隙分配，也即有幾個節(jié)點超過門限就分配幾個時隙。

2.3 機會協(xié)同

在高信噪比的條件下，AF機會協(xié)同的中斷概率可以近似表示為［11］:

3 仿真分析

圖2 R=0.5 bit/s/Hz，L=7 時發(fā)射信噪比對AF協(xié)同中斷概率性能的影響

如圖2當SNR較低時，無協(xié)同傳輸?shù)闹袛喔怕市阅茌^有中繼參與協(xié)同傳輸時的中斷概率性能更優(yōu)。如SNR＜0 dB時，各種協(xié)同中繼選擇策略的中斷概率均高于無協(xié)同的中斷概率。各種協(xié)同策略中，機會協(xié)同策略始終優(yōu)于基于門限的部分協(xié)同策略以及全部協(xié)同策略;基于門限的部分協(xié)同策略在低信噪比(如SNR＜6 dB時)時與無協(xié)同方式較為接近，但在中高信噪比條件下明顯優(yōu)于無協(xié)同方式，與全部協(xié)同策略中斷概率性能較為接近;全部協(xié)同策略在中低信噪比條件下(如SNR＜10 dB時)中斷概率性能始終最差，但在高信噪比條件下(如SNR＞10 dB時)中斷概率性能迅速提升，甚至超過部分協(xié)同中繼選擇策略。

如圖3所示，目標信息速率R固定為1 bit/s/Hz時，SNR＜9.5 dB時，無協(xié)同可以獲得最低的中斷概率;當9.5 dB＜SNR＜14.5 dB時，選取一個中繼可以獲得最低的中斷概率;當14.5 dB＜SNR＜19.5 dB時，選取兩個中繼可以獲得最低的中斷概率;當19.5 dB＜SNR＜22.5 dB時，選取三個中繼可以獲得最低的中斷概率，當信噪比逐漸增高時，以此類推。即對于不同的SNR，獲得最佳中斷概率性能時所選的協(xié)同點數(shù)目應該是不同的;隨著信噪比的增加，協(xié)同點數(shù)目多的系統(tǒng)逐漸由劣勢轉(zhuǎn)化為優(yōu)勢。如圖3所示，當R=0.5 bit/s/Hz時，可以得出類似的結(jié)論:當SNR＜4 dB時，無協(xié)同可以獲得最低的中斷概率;當4 dB＜SNR＜6 dB時，選取一個中繼可以獲得最低的中斷概率;當6 dB＜SNR＜8 dB時，選取兩個中繼可以獲得最低的中斷概率;當8 dB＜SNR＜10.5 dB時，選取三個中繼可以獲得最低的中斷概率;當10.5 dB＜SNR＜12.5 dB時，選取四個中繼可以獲得最低的中斷概率;當12.5 dB＜SNR＜15 dB時，選取五個中繼可以獲得最低的中斷概率;當SNR逐漸增高時，以此類推。

圖3 協(xié)同點數(shù)目對AF協(xié)同中斷概率性能的影響

圖4 目標信息速率對中斷概率性能的影響

從圖4中可以看出目標信息速率R對AF的三種協(xié)同策略影響非常明顯?？傮w上，AF機會協(xié)同比全部協(xié)同和基于門限的部分協(xié)同中繼選擇策略性能更優(yōu)。

4 結(jié)論

表1給出了目標信息速率、中繼節(jié)點數(shù)目以及發(fā)射信噪比幾種參數(shù)對全部協(xié)同、部分協(xié)同和機會中繼選擇策略的中斷概率性能的影響情況。

表1 各種參數(shù)對中斷概率性能的影響

綜合目標信息速率、中繼節(jié)點數(shù)目以及發(fā)射信噪比這三個因素對中斷概率性能的影響情況可知，與全部協(xié)同和部分協(xié)同相比，機會中繼的中斷概率性能是最好的。

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