協(xié)同DF-OFDM系統(tǒng)中基于MRC的機會中繼研究*

李俊杰，王 欣，馬 躍，魏急波

(國防科技大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410073)

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協(xié)同DF-OFDM系統(tǒng)中基于MRC的機會中繼研究*

李俊杰，王 欣，馬 躍，魏急波

(國防科技大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410073)

針對機會中繼譯碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)同系統(tǒng)中未考慮直傳鏈路的問題，提出一種由目的節(jié)點根據(jù)系統(tǒng)中斷概率進行中繼選擇的方案，研究了將機會中繼信號與直傳信號在目的節(jié)點進行最大比合并時的系統(tǒng)性能，推導(dǎo)了采用最大比合并時的系統(tǒng)中斷概率。研究結(jié)果表明，當直傳鏈路存在時，通過目的節(jié)點的中繼選擇，可使系統(tǒng)性能得到進一步提高，其性能優(yōu)于不考慮直傳鏈路時的機會中繼系統(tǒng)。

中繼選擇；中斷概率；MRC；OFDM

0 引 言

中繼選擇作為協(xié)同通信的一項關(guān)鍵技術(shù)得到了廣泛研究。中繼選擇通?？煞譃閱沃欣^選擇和多中繼選擇。多中繼選擇主要適用于采用空時編碼的分布式網(wǎng)絡(luò)[1]。與多中繼選擇不同，單中繼選擇以文獻[2]提出的機會中繼選擇最為經(jīng)典，其對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的管理難度大大降低，更有益于協(xié)同通信的實際組織應(yīng)用，對于小區(qū)邊緣用戶、熱點地區(qū)覆蓋、電臺戰(zhàn)術(shù)通信等場景具有現(xiàn)實意義?；诖?，本文針對機會中繼選擇策略開展研究，通過一定準則，從所有中繼中選出最優(yōu)中繼完成協(xié)同傳輸。文獻[3]以最大化信干噪比為準則，研究了全雙工兩跳系統(tǒng)最佳中繼選擇方案，得到了系統(tǒng)誤碼率、遍歷容量和中斷概率，文中沒有考慮直傳鏈路。文獻[4]分析了DF多中繼選擇策略，通過最大化接收信噪比選擇最佳中繼，推導(dǎo)了所提方案的誤碼率性能。文獻[5]以中斷概率最小為準則，研究了瑞利信道下由目的節(jié)點選擇最佳中繼的DF方案，文中假設(shè)目的端已經(jīng)獲取所有節(jié)點的信道信息。文獻[6]則提出了一種基于信道容量增益的中繼節(jié)點選擇策略。

以上研究都是假設(shè)信道是平衰落的，而考慮多個平衰落信道下并行傳輸?shù)膮f(xié)同OFDM系統(tǒng)則研究較少，其聯(lián)合多個子載波信道衰落情況下的中繼選擇方法具有重要的現(xiàn)實意義。文獻[7]研究了兩跳OFDM協(xié)同系統(tǒng)中的中繼選擇策略，文獻[8]研究了多跳OFDM協(xié)同網(wǎng)絡(luò)中的中繼選擇，文獻[9]研究了DF-OFDM的4G系統(tǒng)性能，文中將OFDM信息分成若干塊并為每一塊選擇一個中繼，文獻[10]研究了協(xié)同OFDM系統(tǒng)解碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼的動態(tài)資源分配。這些研究均沒有考慮直傳鏈路，在一些應(yīng)用場景中，直傳鏈路往往是存在的，如何充分利用直傳鏈路使系統(tǒng)性能得到提升，同時避免空時編碼方案給系統(tǒng)實現(xiàn)帶來的復(fù)雜度是本文考慮的問題。最大比合并可以減輕節(jié)點同步要求，利于系統(tǒng)實現(xiàn)，是一種值得研究的協(xié)同合并方式。

本文針對協(xié)同OFDM系統(tǒng)的中繼選擇策略開展研究，由目的節(jié)點進行中繼選擇，采用了中繼選擇列表的協(xié)同方案，分析了最大比合并時系統(tǒng)的中斷概率以及最佳中繼選擇可獲得的分集階數(shù)，對協(xié)同通信在分布式通信網(wǎng)絡(luò)中的實際應(yīng)用具有一定價值和意義。

1 系統(tǒng)模型

由于DF模式下端到端的性能由SNR較低的鏈路決定[12]，MRC時第k個子載波從S經(jīng)Ri到D的等價信道增益可表示為：

(1)

那么S經(jīng)Ri到D的第k個子載波等價信噪比為：

(2)

圖1 協(xié)同OFDM系統(tǒng)傳輸模型

2 協(xié)同策略

假設(shè)節(jié)點已完成組網(wǎng)，在發(fā)起協(xié)同傳輸前，目的節(jié)點按照一定準則確定最佳中繼節(jié)點，該準則將在后面內(nèi)容中具體討論。目的節(jié)點分別獲取S→D、S→Ri和Ri→D的信道情況是選出最佳中繼節(jié)點的前提。文獻[13]提出了通過在各節(jié)點建立協(xié)同列表(CoopTable)實現(xiàn)協(xié)同傳輸，該方案沒有涉及中繼選擇，本文采用其思想在目的節(jié)點建立一個中繼選擇列表方案完成協(xié)同傳輸，具體過程如下：

表1 中繼選擇列表

第二步：傳輸模式確定。在開始進行數(shù)據(jù)傳輸前，為使系統(tǒng)獲得更好的傳輸性能并節(jié)約功率開銷，系統(tǒng)首先確定采用直傳模式還是協(xié)同模式。假設(shè)目的節(jié)點接收信噪比門限為γth，當直傳鏈路接收平均信噪比小于γth時，采用協(xié)同模式；否則采用直傳模式。目的節(jié)點將傳輸模式信息反饋回源節(jié)點和中繼節(jié)點。

第三步：中繼節(jié)點選擇。若為協(xié)同模式，目的節(jié)點根據(jù)中繼選擇準則選出最佳的中繼節(jié)點，將最佳中繼節(jié)點身份信息廣播出去，源節(jié)點和選出的中繼節(jié)點收到信號后，做好協(xié)同模式準備，在各自對應(yīng)的時隙收發(fā)數(shù)據(jù)。當協(xié)同模式不能滿足目的節(jié)點的要求時，更新中繼選擇列表，進行新的中繼選擇。

下文重點針對該中繼選擇方案及系統(tǒng)中斷概率性能指標進行理論分析。

3 中繼選擇方案

上面講到了在協(xié)同過程中，目的節(jié)點根據(jù)協(xié)同信息列表進行中繼選擇，具體選擇的過程與分析如下。當選擇中繼Ri進行協(xié)同傳輸時，系統(tǒng)信道容量可表示為：

(3)

其中參數(shù)1/2表示協(xié)同模式時占用了廣播和協(xié)同兩個時隙。假設(shè)系統(tǒng)信道容量目標值為R，當系統(tǒng)信道容量小于R時，系統(tǒng)將發(fā)生中斷，那么中斷概率可表示為：

(4)

當P0/N0?1時，式(4)進一步簡化，可近似為

(5)

(6)

任意一次協(xié)同傳輸過程中，可將最優(yōu)中繼節(jié)點理解成單獨完成協(xié)同傳輸使系統(tǒng)的信道容量最大的節(jié)點，這個過程可表示為:

(7)

4 中斷性能分析

在選出最佳中繼節(jié)點后，此時系統(tǒng)中斷概率可表示為：

(8)

由于每個中繼節(jié)點傳輸信道都是相互獨立的，式(8)可表示為：

(9)

從式(9)可以看出，經(jīng)過最佳中繼節(jié)點選擇，系統(tǒng)中斷概率近似為各中繼節(jié)點分別協(xié)同傳輸時中斷概率的乘積。

(10)

(11)

(12)

當X1和X2獨立時，概率密度表達式為：

(13)

(14)

于是Y的累積分布函數(shù)表達式為：

(15)

將Y=2x代入式(15)，可得：

(16)

(17)

(18)

(19)

(20)

由式(20)可得中繼節(jié)點Ri協(xié)同傳輸時的中斷概率近似為：

(21)

將式(21)代入式(9)，最佳中繼選擇下系統(tǒng)的中斷概率為：

(22)

式(21)可以認為固定選擇某個中繼進行傳輸，認為此時的分集增益為1。僅在M可變的前提下比較式(21)和式(22)可以發(fā)現(xiàn)，對于目的節(jié)點采用MRC的OFDM協(xié)同通信系統(tǒng)，以中斷概率最小為準則的最佳中繼選擇方式，系統(tǒng)可獲得M階的分集增益。

在文獻[10]中推導(dǎo)了沒有直傳鏈路時系統(tǒng)的中斷概率：

Pout≈

(23)

有一點值得注意，本文分析得到了在有M+1條路徑的情況下，系統(tǒng)只獲取了M階分集增益而不是M+1分集增益。因為本文考慮的模型中繼節(jié)點采用FixedDF模式，只進行接收、編碼、發(fā)送，不進行信息校驗，存在錯誤傳遞的現(xiàn)象。在文獻[11]中對FixedDF模式三節(jié)點協(xié)同傳輸最大比合并的中斷概率進行了分析，最終得到系統(tǒng)只能獲取1階分集，因為該模式下系統(tǒng)性能由S→R和S→D中的最差鏈路決定。本文方案雖然進行了最優(yōu)中繼選擇，但最終系統(tǒng)性能還是由S→Ropt和S→D中的最差鏈路決定。這種方式更有利于提高傳輸效率和快速實現(xiàn)，對于信噪比較高的場景來說，雖然數(shù)據(jù)包中的部分信息出錯，但是正確的部分仍然包含了大量對MRC有用的信息，可以為最大比合并提供有用信息，系統(tǒng)可獲得直傳鏈路帶來的陣列增益。

5 仿真結(jié)果

仿真中設(shè)定路徑損耗系數(shù)α=2，噪聲功率譜密度N0=1，子載波數(shù)N=32，所有中繼節(jié)點都位于S和D的連線上，S和D之間的距離歸一化，中繼節(jié)點間的距離差別不大，距源節(jié)點和目的節(jié)點都為0.5,R=25。

5.1MRC中繼選擇方案性能仿真

圖2所示為中繼節(jié)點數(shù)M分別為2、3、4，存在直傳鏈路時MRC方案下OFDM系統(tǒng)的中斷概率隨P0/N0的變化曲線。根據(jù)分析固定選擇中繼Ri進行協(xié)同傳輸?shù)姆旨鲆鏋?，從圖2中可以看到相同的P0/N0下，由于采用中繼選擇技術(shù)，系統(tǒng)的中斷性能要優(yōu)于固定中繼方案的系統(tǒng)中斷性能。同時可以得到，隨著中繼節(jié)點數(shù)目的增加，系統(tǒng)可獲得的分集增益也增加，系統(tǒng)所獲得的分集階數(shù)等于中繼節(jié)點數(shù)M。

圖2 MRC中斷性能曲線

5.2 直傳鏈路存在與否的性能對比

5.1仿真僅說明了中繼選擇對系統(tǒng)性能的影響，為了說明直傳鏈路對系統(tǒng)中斷概率的影響，圖3在相同仿真條件下，對無直傳鏈路的情況下進行中繼選擇時的系統(tǒng)中斷概率進行了仿真，而在圖4中對R=27進行了仿真，并和有直傳鏈路的情況做了比較。圖中實線為存在直傳鏈路的情況即對應(yīng)本文MRC方案，虛線為無直傳鏈路的情況即對應(yīng)無MRC方案。

在圖3中通過對比備選中繼數(shù)目相同的兩條曲線(如圓圈對應(yīng)的兩條曲線)可以看出，無直傳鏈路時和有直傳鏈路時的分集增益相同，但是有直傳鏈路時的系統(tǒng)中斷性能較好，系統(tǒng)中斷概率得到明顯改善。MRC方案利用了直傳鏈路，雖然獲得了和無直傳鏈路相同分集階數(shù)，但改善了端到端的等效信噪比，使得系統(tǒng)獲得了一部分直傳鏈路帶來的陣列增益。圖4仿真中信道容量目標值的提高使得中斷概率增大，但本文考慮直傳鏈路的方案性能依然優(yōu)于不考慮直傳鏈路時的中斷性能。

圖3 R=25時有無直傳鏈路的性能比較

圖4 R=27時有無直傳鏈路的性能比較

從以上仿真結(jié)果對比中可以得到，在進行機會中繼模式下的協(xié)同傳輸時，可以利用直傳鏈路的信號和機會中繼的信號在目的節(jié)點進行最大比合并，理論分析和仿真證明這一方案可以進一步改善和提升系統(tǒng)性能。

6 結(jié) 語

針對機會中繼選擇未考慮直傳鏈路的情況，在協(xié)同DF-OFDM系統(tǒng)中提出了一種基于MRC的中繼選擇方案，分析推導(dǎo)了該方案下系統(tǒng)的中斷概率和分集增益。通過建立中繼選擇列表，由目的節(jié)點進行中繼選擇，避免了信道互易性假設(shè)。研究表明將機會中繼的信號與直傳鏈路的信號進行最大比合并，系統(tǒng)可獲得等于中繼數(shù)目的分集階數(shù)，也可獲得直傳鏈路帶來的陣列增益。仿真結(jié)果顯示，與不采用MRC方式相比，MRC方案的系統(tǒng)性能得到了明顯提升。

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Opportunistic Relay in Cooperative DF-OFDM Networks based on MRC

LI Jun-jie, WANG Xin，MA Yue,WEI Ji-bo

(College of Electronics Science and Engineering,National University of Defense Technology,Changsha Hunan 410037,China)

As the direct link is often ignored in opportunistic relay selection of transmission cooperative system, this paper proposes a relay selection strategy carried by destination node based on outage probability criterion. Moreover, system performance of MRC (Maximal-Ratio-Combine) method to combine opportunistic relay signals and direct-link signals in destination node is studied, and the system outage probability under MRC also analyzed. Research results indicate that when a direct link exists, the system is further enhanced in performance by relay selection of destination node and it outperforms opportunistic relay selection scheme without direct link.

relay selection；outage probability；MRC；OFDM

10.3969/j.issn.1002-0802.2015.05.011

2014-12-27；

2015-03-23 Received date:2014-12-27；Revised date：2015-03-23

文獻標志碼：A 文章編號：1002-0802(2015)05-0560-06

李俊杰(1990—)，男，碩士研究生，主要研究方向為協(xié)同通信;

王 欣(1980—)，男，博士，講師，主要研究方向為協(xié)同通信;

馬 躍(1987—)男，博士研究生，主要研究方向為協(xié)同通信;

魏急波(1967—)，男，博士，教授，主要研究方向：主要研究方向為現(xiàn)代通信技術(shù)、軟件無線電。