一種基于非正交信道的分布式中繼選擇及功率分配方法?

王 濤，全厚德，崔佩璋

（軍械工程學(xué)院信息工程系，石家莊 050003）

一種基于非正交信道的分布式中繼選擇及功率分配方法?

王 濤??，全厚德，崔佩璋

（軍械工程學(xué)院信息工程系，石家莊 050003）

針對(duì)非正交兩跳多中繼協(xié)作通信系統(tǒng)中的分布式中繼選擇問(wèn)題，提出了一種基于非正交信道的中繼選擇準(zhǔn)則，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。分析了其誤碼率性能，給出了其解析表達(dá)式和以總功率為約束條件下的最優(yōu)功率分配方案。仿真結(jié)果表明，最佳中繼選擇準(zhǔn)則明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的中繼選擇準(zhǔn)則，且在最優(yōu)功率分配方案下，可以獲得明顯的分集增益，系統(tǒng)的誤碼率顯著下降。

ad hoc網(wǎng)絡(luò)；協(xié)作通信；非正交信道；分布式中繼選擇；功率分配

1 引言

在ad hoc網(wǎng)絡(luò)中，路徑損耗、陰影效應(yīng)及信道衰落是影響通信質(zhì)量的幾種重要因素，尤其是信道的衰落可以嚴(yán)重影響移動(dòng)用戶的通信質(zhì)量，而通過(guò)各個(gè)天線接收具有獨(dú)立特性的信號(hào)副本的空間分集技術(shù)是一種有效對(duì)抗衰落的方法。MIMO（Multiple Input Multiple Output）技術(shù)因其在不犧牲額外系統(tǒng)帶寬的情形下，能夠提供空間分集增益和提高系統(tǒng)容量而受到廣大學(xué)者的重視。但是根據(jù)Lee模型，為使各天線上的衰落近似獨(dú)立，要求天線要有足夠的間距（最小距離為0.2λ，λ為載波波長(zhǎng)）。而ad hoc網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)終端由于其體積、大小、硬件等限制，此條件要求比較苛刻。為使MIMO技術(shù)應(yīng)用于ad hoc等網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)作分集技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

協(xié)作分集是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)中的單天線用戶共享彼此的天線，形成虛擬的多天線來(lái)實(shí)現(xiàn)分集，從而有效抵抗衰落的影響以提高網(wǎng)絡(luò)的性能。其中，Sendonaris等人在文獻(xiàn)［1］中首先提出了協(xié)作分集的概念，并給出了放大前傳（Amplify and Forward，AF）和解碼前傳（Decoded and Forward，DF）兩種協(xié)作方式。Laneman在文獻(xiàn)［2-3］中進(jìn)一步證明了在AF方式下可以得到多重分集，分集重?cái)?shù)等于參與協(xié)作的用戶數(shù)。Hunter在文獻(xiàn)［4］中將協(xié)作分集與信道編碼結(jié)合起來(lái)提出了編碼協(xié)作（Coded Cooperation，CC）方案。另外，也有學(xué)者將協(xié)作通信與空時(shí)編碼結(jié)合起來(lái)，成為一種有效提高系統(tǒng)性能的通信技術(shù)［5］。

中繼選擇和功率分配也是協(xié)作通信技術(shù)的研究重點(diǎn)。文獻(xiàn)［6］以遍歷容量上界為代價(jià)函數(shù)，提出一種適用于AF系統(tǒng)的近似最優(yōu)功率分配方案（Approximately Optimal Power Allocation，AOPA），但是該方案是一種集中式功率分配算法，僅適用于有中心控制節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)。Anghel P A提出了在發(fā)送端和中繼端進(jìn)行功率平均分配，在接收端進(jìn)行最大比合并（Maximal Ratio Combining，MRC）［7］，該方法雖然簡(jiǎn)單，但性能不是最佳。本文在ad hoc網(wǎng)絡(luò)中多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)與源節(jié)點(diǎn)協(xié)作通信的場(chǎng)景下，提出了一種基于AF的分布式中繼選擇方法，而后在源節(jié)點(diǎn)和最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行最優(yōu)功率分配，能顯著提高系統(tǒng)的整體性能，保證較低的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。

2 AF協(xié)議原理

在AF協(xié)議下，中繼采用模擬處理，不對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和解碼，而是直接對(duì)接收到的帶有噪聲的信號(hào)進(jìn)行放大，然后發(fā)送給接收端。圖1所示為單中繼AF協(xié)議的原理及其基本過(guò)程。

圖1 單中繼AF協(xié)作通信原理Fig.1 Principium of single relay cooperative communication

下面簡(jiǎn)單介紹一下單中繼AF協(xié)議通信過(guò)程。

（1）源端廣播過(guò)程

源節(jié)點(diǎn)S以廣播的方式向周圍發(fā)送信號(hào)xs，其中一路直接發(fā)送到目的節(jié)點(diǎn)D，一路發(fā)送到中繼節(jié)點(diǎn)R。經(jīng)過(guò)信道后，中繼節(jié)點(diǎn)R接收到的信號(hào)為ys，r，目的節(jié)點(diǎn)接收到的信號(hào)為ys，d。

（2）中繼端放大轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程

中繼節(jié)點(diǎn)R直接將收到的來(lái)自源節(jié)點(diǎn)S的信號(hào)ys，r以系數(shù)β［8］進(jìn)行功率放大，然后轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點(diǎn)D。

那么，中繼放大后的信號(hào)為

目的節(jié)點(diǎn)接收到的來(lái)自中繼的信號(hào)為

其中，hr，d為R-D鏈路的信道衰落系數(shù)，nr，d為R-D鏈路的信道噪聲。

（3）目的端接收處理

目的節(jié)點(diǎn)將接收到的來(lái)自源節(jié)點(diǎn)的直傳信號(hào)ys，d和來(lái)自中繼節(jié)點(diǎn)的信號(hào)yr，d按照最大比合并（MRC），得到信號(hào)y：

其中，α1、α2分別為目的節(jié)點(diǎn)接收到的來(lái)自源、來(lái)自中繼的信號(hào)的加權(quán)系數(shù)［9］。

3 分布式中繼選擇及性能研究

目前，大多數(shù)基于AF的協(xié)作通信系統(tǒng)中的中繼都是在正交的信道中進(jìn)行傳輸，盡管信道的正交性假設(shè)降低了系統(tǒng)復(fù)雜度，但同時(shí)也限制了系統(tǒng)的吞吐量。另外，一些透明中繼協(xié)議放松了信道正交性的限制，例如分布式波束賦形。這雖然可以提高系統(tǒng)的容量，但由于目的節(jié)點(diǎn)需要反饋大量信息給中繼，從而帶來(lái)更高的處理復(fù)雜度。針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出一種基于AF轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議的分布式中繼選擇算法（AF-DRS），以簡(jiǎn)化非正交兩跳多中繼系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。相比所有中繼都參與的正交AF方案，這種中繼選擇算法可以有效提高系統(tǒng)性能。

3.1 系統(tǒng)模型

考慮如圖2所示的兩跳系統(tǒng)模型，包括一個(gè)源節(jié)點(diǎn)、n個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)和一個(gè)目的節(jié)點(diǎn)。并作如下假設(shè)：所有節(jié)點(diǎn)都是單天線，且工作于半雙工模式，即不能同時(shí)發(fā)送或接收信號(hào)；任意兩節(jié)點(diǎn)間的信道是瑞利慢衰落信道，在一個(gè)符號(hào)周期內(nèi)信道衰落因子恒定不變；所有節(jié)點(diǎn)間的信道在空間上互不相關(guān)，即相互統(tǒng)計(jì)獨(dú)立；在目的端，信號(hào)進(jìn)行最大比合并。

圖2 分布式中繼選擇模型Fig.2 Model of distributed relay selection

3.2 分布式中繼選擇

AF中繼選擇策略是在所有中繼節(jié)點(diǎn)中選取γi最大的中繼轉(zhuǎn)發(fā)信息，而其他中繼節(jié)點(diǎn)保持空閑狀態(tài)。從所有中繼中選取一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)R由下式?jīng)Q定：

R表示n條中繼鏈路中信道質(zhì)量最好的。這與Bletsas等人在文獻(xiàn)［11］中討論的相似。為了實(shí)現(xiàn)中繼選擇策略，每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)分別從源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)接收請(qǐng)求-發(fā)送（Request to Send，RTS）和清除-發(fā)送（Clear to Send，CTS）信號(hào)。基于此控制信號(hào)，中繼節(jié)點(diǎn)可以估計(jì)它到源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)的信道衰落系數(shù)，然后使用回退（back-off）計(jì)時(shí)器設(shè)定一個(gè)與γi成反比的數(shù)值，其中具有最大γi值和最小回退計(jì)時(shí)器值的中繼節(jié)點(diǎn)將占用傳輸信道。通過(guò)這種方式實(shí)現(xiàn)了分布式的中繼選擇，而每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)只需根據(jù)來(lái)自源節(jié)點(diǎn)的RTS和來(lái)自目的節(jié)點(diǎn)的CTS信號(hào)就可以估計(jì)信道衰落系數(shù)。

3.3 性能分析

假定源節(jié)點(diǎn)以平均功率1發(fā)送符號(hào)xs，各鏈路的噪聲功率相等，都為N0，則最大比合并（MRC）輸出信號(hào)的瞬時(shí)信噪比（SNR）為

經(jīng)簡(jiǎn)化得到瞬時(shí)信噪比γTBR的上限：

則有γ＝γs，d＋γ′TBR。文獻(xiàn)［12］給出了MPSK調(diào)制方式下基于信噪比的誤符號(hào)率閉合表達(dá)式：

簡(jiǎn)化可以得到誤碼率的上限：

其中：

bPSK＝sin2（π/M），而對(duì)于MPSK調(diào)制來(lái)說(shuō)，B＝bPSK。

3.4 最優(yōu)功率分配方案

受限于總功率P＝PS＋PTBR，根據(jù)式（10），使其最小化，可以得到最優(yōu)功率分配。因此，去掉式子中的固定參數(shù)，構(gòu)造最優(yōu)化問(wèn)題為

令

對(duì)參數(shù)PS求偏導(dǎo)，得到

4 數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

圖3 給出了系統(tǒng)直傳模式即沒(méi)有中繼參與協(xié)作分集情況下，分別與采用隨機(jī)中繼選擇、調(diào)和平均中繼選擇準(zhǔn)則［11］和基于AF-DRS的最佳中繼選擇準(zhǔn)則的誤碼率性能比較。從圖中可以看出，一方面參與協(xié)作分集的中繼給系統(tǒng)帶來(lái)了分集增益，系統(tǒng)的誤碼率性能有明顯改善，說(shuō)明即時(shí)協(xié)作用戶間的信道存在有噪聲，協(xié)作分集系統(tǒng)也可以獲得一定的分集增益；另一方面，本文提出的基于AF-DRS的最佳中繼準(zhǔn)則明顯優(yōu)于隨機(jī)中繼選擇準(zhǔn)則和文獻(xiàn)［11］提出的調(diào)和平均準(zhǔn)則，大大改善了系統(tǒng)性能。

圖3 基于AF不同中繼選擇準(zhǔn)則的性能比較Fig.3 Performance comparison between different relay selection methods based on AF

圖4 基于AF不同功率分配方案的性能比較Fig.4 Performance comparison between different power allocation methods based on AF

5 結(jié)束語(yǔ)

本文給出一種基于AF轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議的分布式中繼選擇算法（AF-DRS），簡(jiǎn)化了非正交兩跳多中繼系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。從理論上推導(dǎo)了非正交信道下基于AF的最佳中繼選擇準(zhǔn)則，有效解決了時(shí)分非正交協(xié)作方式傳輸中分布式中繼選擇問(wèn)題。同時(shí)，通過(guò)推導(dǎo)給出了系統(tǒng)誤碼率的解析表達(dá)式，給出了在總功率一定的情況下的最優(yōu)功率分配方案。并通過(guò)實(shí)驗(yàn)仿真對(duì)幾種中繼選擇準(zhǔn)則進(jìn)行了比較，結(jié)果表明本文提出的方案相對(duì)較好。不同條件下的功率分配方案的比較結(jié)果表明，在最優(yōu)功率分配方案下，系統(tǒng)的誤碼率顯著下降，性能得到了提升。但本文提出的方法主要是在信道服從瑞利分布的情況下，如果在野外的通信環(huán)境下，會(huì)受到各種人為的和自然的干擾，信道條件更加復(fù)雜，有待于進(jìn)一步優(yōu)化算法以簡(jiǎn)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

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王濤（1985—），男，河南南陽(yáng)人，2008年于河南理工大學(xué)獲學(xué)士學(xué)位，2010年于軍械工程學(xué)院獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為博士研究生，主要研究方向?yàn)閰f(xié)作通信；

WANG Tao was born in Nanyang，Henan Province，in 1985.He received the B.S.degree from Henan Polytechnic University of China and the M.S.degree from Ordnance Engineering College in 2008 and 2010，respectively.He is currently working toward the Ph.D.degree.His research direction is cooperative communication.

Email：chuantao611＠126.com

全厚德（1963—），男，遼寧大連人，分別于1985年、1990年、2008年獲軍械工程學(xué)院學(xué)士學(xué)位、碩士學(xué)位和西北工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位，現(xiàn)為教授，主要研究方向?yàn)樾畔⑴c通信工程、協(xié)作通信；

QUAN Hou-de was born in Dalian，Liaoning Province，in 1963.He received the B.S.degree and the M.S.degree from Ordnance Engineering College，and the Ph.D.degree from Northwestern Polytechnical University in 1985，1990 and 2008，respectively.He is now a professor.His research concerns information and communication engineering，cooperative communication.

崔佩璋（1974—），男，山西長(zhǎng)治人，分別于1996年和2005年獲軍械工程學(xué)院學(xué)士學(xué)位、中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所碩士學(xué)位，現(xiàn)為講師，主要研究為信息與通信工程、協(xié)作通信。

CUI Pei-zhang was born in Changzhi，Shanxi Province，in 1974.He received the B.S.degree from Ordnance Engineering College，and the M.S.degree from the 54th Research Institute of CETC in 1996 and 2005，respectively.He is now a lecturer.His research concerns information and communication engineering，cooperative communication.

Distributed Relay Selection and Power Allocation Based on Non-orthogonal Channel

WANG Tao，QUAN Hou-de，CUI Pei-zhang
（Information Engineering Department，Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China）

A relay selection criteria is proposed based on non-orthogonal channel，in order to solve the problem of distributed relay selection in non-orthogonal two-hop multi-relay cooperative communication to predigest the system design.The system BER（Bit Error Rate）expression is obtained with its performance analysis，meanwhile，the optimal power allocation scheme is also proposed under the condition of total power restricted.Furthermore，computer simulations is conducted to show the BER performances of various cooperative relay selection criteria and power allocation schemes，conforming that the proposed cooperative relay selection criteria outperforms the traditional relay selection rules and the proposed transmission schemes can achieve the diversity gain with the BER decreased under the optimal power allocation schemes.

ad hoc network；cooperative communication；non-orthogonal channel；distributed relay selection；power allocation

chuantao611＠126.com

TN911

A

1001-893X（2013）05-0574-05

10.3969/j.issn.1001-893x.2013.05.009

2012-11-28；

2013-03-12 Received date：2012-11-28；Revised date：2013-03-12

總裝備部科研項(xiàng)目

Foundation Item：The Scientific Research Fund for PLA General Armament Department

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chuantao611＠126.com