一種干擾受限場景下的雙向中繼選擇方法

張庭園，李小兵，鄭 宇，李 靖

(1.中國科學(xué)院微電子所，北京 100029；2. 中興通訊股份有限公司，北京 100083；3. 西安電子科技大學(xué) 通信工程學(xué)院，陜西 西安 710071)

一種干擾受限場景下的雙向中繼選擇方法

張庭園1，李小兵2，鄭 宇3，李 靖3

(1.中國科學(xué)院微電子所，北京 100029；2. 中興通訊股份有限公司，北京 100083；3. 西安電子科技大學(xué) 通信工程學(xué)院，陜西 西安 710071)

針對非對稱雙向中繼通信系統(tǒng)，提出了一種干擾受限場景下的機(jī)會中繼選擇方法。該方法僅利用了中繼節(jié)點的本地信道狀態(tài)信息且實現(xiàn)復(fù)雜度低，適用于兩個源節(jié)點的發(fā)射功率和閾值速率均不同的雙向中繼通信系統(tǒng)。仿真結(jié)果表明，在中高信噪比條件下，所提方法的性能接近于最優(yōu)中繼選擇方法，且大大優(yōu)于未考慮干擾的傳統(tǒng)中繼選擇方法。

干擾受限；雙向通信；中繼選擇

協(xié)作分集技術(shù)是無線網(wǎng)絡(luò)中的一種新型分集技術(shù)，該技術(shù)通過在網(wǎng)絡(luò)中的多個單天線終端之間進(jìn)行協(xié)作來實現(xiàn)通信，此時可構(gòu)成一種虛擬的多天線陣列，從而獲得顯著的分集增益。協(xié)作分集的實現(xiàn)方法是使用中繼節(jié)點為源節(jié)點和目的節(jié)點之間的通信提供額外的傳輸路徑，從而達(dá)到增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力和提高網(wǎng)絡(luò)傳輸量的目的。通過使用具有最佳瞬時信道質(zhì)量的單個中繼進(jìn)行協(xié)作分集，機(jī)會中繼可以獲得與更為復(fù)雜的空時編碼協(xié)作通信相同的分集增益。

由于放大轉(zhuǎn)發(fā)(AF)雙向中繼協(xié)作通信系統(tǒng)可以在兩個時隙中完成源節(jié)點之間的信息交換，具有較高的有效性及可靠性，近年來獲得了研究者的廣泛關(guān)注[1-3]。文獻(xiàn)[4]針對AF雙向中繼系統(tǒng)，研究了系統(tǒng)業(yè)務(wù)的不對稱性對中斷性能的影響，并提出一種不對稱AF雙向中繼選擇方法。文獻(xiàn)[5]詳細(xì)介紹了雙向中繼系統(tǒng)的容量上限。針對兩個源節(jié)點以及中繼節(jié)點的功率都相等的情況，文獻(xiàn)[6]提出了一種低復(fù)雜度雙向中繼選擇方法。文獻(xiàn)[7]提出了一種適用于雙向中繼傳輸?shù)募惺街欣^選擇方法，該方法需要持續(xù)估算整個系統(tǒng)中所有鏈路的信道狀態(tài)信息，實現(xiàn)復(fù)雜度較高。

上述研究工作都是在忽略干擾的情況下進(jìn)行的，而在實際的通信系統(tǒng)中，干擾總是存在的，尤其是相鄰小區(qū)間的干擾總是不可避免的。文獻(xiàn)[8]針對干擾受限場景下的單向中繼系統(tǒng)，提出了幾種簡化的低復(fù)雜度中繼選擇算法。然而，雙向中繼系統(tǒng)在干擾受限場景下的中繼選擇問題，現(xiàn)有文獻(xiàn)還較少涉及。為此，本文提出了一種干擾受限場景下的雙向中繼選擇方法。需要特別指出的是，由于該方法還考慮了兩個源節(jié)點的發(fā)射功率和期望的閾值速率均不同的情況，對存在干擾的實際基站-用戶通信模型具有重要的參考價值。研究表明，所提方法以一種較低的系統(tǒng)復(fù)雜度，在高信干噪比時，達(dá)到了最優(yōu)的中繼選擇系統(tǒng)性能。與最優(yōu)的中繼選擇方法相比，該方法采用分布式的中繼選擇方法，通過比較兩個源節(jié)點以及干擾源節(jié)點的信噪比來選擇最優(yōu)的中繼節(jié)點，免去了持續(xù)估算整個通信系統(tǒng)所有鏈路的信道狀態(tài)信息的過程，大大降低了系統(tǒng)復(fù)雜度。與傳統(tǒng)的忽略干擾的中繼選擇算法[9]相比，該方法大大降低了系統(tǒng)的中斷概率。

1 系統(tǒng)模型

假設(shè)存在一個簡單的蜂窩系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，它是由兩個相鄰的小區(qū)組成，分別是(C，C′)，如圖1所示。

圖 1 系統(tǒng)模型圖

每個小區(qū)均由兩個源節(jié)點A和B以及一簇中繼節(jié)點Srelay={1,2,…,N}組成。假設(shè)所有節(jié)點均安裝為單天線，其工作狀態(tài)為半雙工的，并且兩個源節(jié)點A和B之間因為有深衰落而不存在直傳路徑，只能通過中繼節(jié)點進(jìn)行間接通信。

本通信系統(tǒng)分2個時隙完成整個傳輸過程，在第1個時隙中，兩個源節(jié)點同時發(fā)射信號給中繼節(jié)點，在第2個時隙中，被選擇的中繼節(jié)點k將接收到的疊加信號以及干擾和噪聲放大后轉(zhuǎn)發(fā)給兩個源節(jié)點。這里認(rèn)為干擾信號只對源節(jié)點到中繼節(jié)點這一段有影響，對于目的端可以忽略。在此模型中，干擾信號被認(rèn)為是從鄰居小區(qū)C′的信號源A′和B′直接傳到小區(qū)C中的中繼R處的。假設(shè)源節(jié)點A和B的發(fā)射功率分別為Pa和Pb，干擾源節(jié)點A′和B′的發(fā)射功率為Pa′和Pb′，所有中繼節(jié)點的功率均相等，且為Pr。

根據(jù)上述通信模型，中繼節(jié)點k接收到的信號為

中繼節(jié)點將接收到的信號Yk放大G倍后進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。G的計算公式為

(2)

式中：

(3)

(4)

則源節(jié)點A和B分別接收到的轉(zhuǎn)發(fā)信號為

Yak=hakGYk+n2

(5)

Ybk=hbkGYk+n3

(6)

式中：n2和n3均為服從均值為0、方差為N0的復(fù)高斯分布的高斯白噪聲。因為源節(jié)點A和B分別知道本節(jié)點所發(fā)送的信號，故可以進(jìn)行自干擾消除。將G帶入式(5)和(6)后，源節(jié)點A和B分別消除自干擾，然后得到源節(jié)點A和B接收到信息的信干噪比分別為

(7)

(8)

(9)

(10)

2 漸近的中繼選擇算法

假設(shè)該雙向中繼傳輸系統(tǒng)中兩條互為反向的鏈路的傳輸速率閾值分別為τa和τb，則整個系統(tǒng)的中斷概率可定義為兩條鏈路中任意一條鏈路發(fā)生中斷的概率。即

(11)

式中：γab=22τa-1，γba=22τb-1分別為滿足傳輸速率門限的所需的最低的信干噪比，由式(11)可得最優(yōu)的中繼選擇算法公式為

(12)

在中高信噪比條件下，式(7)和(8)中的二次項決定了該式的取值。此時式(7)和(8)可以分別簡化為

(13)

(14)

將式(13)和(14)帶入式(11)，可提出如下的機(jī)會中繼選擇方法

(15)

利用該方法，即可從N個可用中繼中選出最佳中繼來完成雙向通信。需要指出的是，該漸近的機(jī)會中繼選擇方法可采用分布式時鐘方式實現(xiàn)，無需知道整個系統(tǒng)的信道狀態(tài)信息(CSI)，中繼節(jié)點只需要根據(jù)第1個時隙中繼節(jié)點接收到的源節(jié)點A和B以及干擾信號的源節(jié)點A′和B′發(fā)射信號的統(tǒng)計信噪比，即可確定最優(yōu)的中繼節(jié)點。因為不需要估算出具體的CSI，故該算法與最優(yōu)的中繼選擇算法相比大大降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度。

另外，該算法基于傳統(tǒng)中繼算法[2]，并不需要對傳統(tǒng)算法做出很大的改動。由于干擾項并沒有包含在算法中求最小值的運(yùn)算里，故而該算法中的反饋信息與干擾信號無關(guān)，也就是與不考慮干擾信號存在的系統(tǒng)相同。所以已經(jīng)成熟運(yùn)用傳統(tǒng)中繼選擇算法的系統(tǒng)可以很方便地更新到基于傳統(tǒng)算法的漸近的中繼選擇算法，并不需要對求最小值部分做任何修改。

3 仿真結(jié)果和性能分析

圖2所示為da=0.5時，中斷概率隨著SNR增加的變化曲線圖。由此圖可以看出，本文提出方法的性能曲線和最優(yōu)方法的性能曲線隨著信噪比的增加趨于重合，這說明采用漸近中繼選擇方法的雙向通信系統(tǒng)在高信噪比情況下，系統(tǒng)性能與最優(yōu)中繼選擇方法相同，且大大優(yōu)于未考慮干擾的傳統(tǒng)雙向中繼選擇方法。圖3所示為SNR=29dB，中斷概率隨著da增加的變化曲線。由此圖可以看出，在高信噪比條件下，當(dāng)中繼節(jié)點在源節(jié)點之間改變位置時，本文提出的漸近中繼選擇方法的性能曲線和最優(yōu)方法完全重合，且均優(yōu)于未考慮干擾的傳統(tǒng)選擇方法。

圖2 da=0.5時，系統(tǒng)中斷概率隨著SNR增加的變化曲線圖

圖3 SNR=29 dB，系統(tǒng)中斷概率隨著da增加的變化曲線

4 總結(jié)

本文針對存在干擾的非對稱雙向中繼傳輸系統(tǒng)，提出了一種漸近的機(jī)會中繼選擇方法。研究表明，在中高信噪比條件下，與傳統(tǒng)的中繼選擇方法相比，所提方法大大降低了系統(tǒng)的中斷概率。與最優(yōu)的中繼選擇方法相比，該方法在性能基本吻合的情況下，大大降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度。

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責(zé)任編輯：薛 京

Relay Selection for Interference-limited Two-way Relaying System

ZHANG Tingyuan1，LI Xiaobing2，ZHENG Yu3，LI Jing3

(1.InstituteofMicroelectronicsofChineseAcademyofSciences,Beijing100029,China; 2.ZTECorporation,Beijing100083,China; 3.XidianUniversity,Xi’an710071,China)

In this paper, an opportunistic relay selection scheme for interference-limited two-way relaying system is proposed, which only requires the local channel state information at the relay nodes and has low implementation complexity. This scheme can be applied to the situation that two source nodes have different transmit powers and the expected transmission rate thresholds for them are unequal. Simulation results show that for the medium-to-high signal-to-noise ratios (SNRs), the proposed scheme performs closely to the optimal relay selection scheme and greatly outperforms the traditional interference-free relay selection scheme.

interference-limited; two-way communication；relay selection

國家自然科學(xué)基金項目(61101144)；國家科技重大專項(2013ZX03003001)

TN925

A

10.16280/j.videoe.2015.05.027

2014-07-29

【本文獻(xiàn)信息】張庭園，李小兵，鄭宇，等.一種干擾受限場景下的雙向中繼選擇方法[J].電視技術(shù),2015，39(5).