基于門(mén)限決策的SDF中繼選擇策略性能分析

章堅(jiān)武 ，蔣靜 ，包建榮 ，2，姜斌

(1.杭州電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院，浙江 杭州 310018;2.東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京210096)

基于門(mén)限決策的SDF中繼選擇策略性能分析

章堅(jiān)武1，蔣靜1，包建榮1，2，姜斌1

(1.杭州電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院，浙江 杭州 310018;2.東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京210096)

中繼協(xié)作傳輸能有效克服信道衰落影響，提高分集效果。為了提高全天候協(xié)作系統(tǒng)的頻譜效率，在選擇解碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議的前提下，研究了基于門(mén)限決策的中繼選擇策略，分析了其性能，并推導(dǎo)了高信噪比下的中斷概率和頻譜效率的近似表達(dá)式。仿真表明，在低信噪比和較少中繼的場(chǎng)景中，不同門(mén)限下的中斷概率十分接近，如果協(xié)作門(mén)限增加0.09，系統(tǒng)頻譜效率可提高0.12;在高信噪比和較多中繼的場(chǎng)景中，不同門(mén)限下的頻譜效率較為接近，當(dāng)系統(tǒng)中斷概率為10-2時(shí)，如果協(xié)作門(mén)限減少0.9，可獲得約1.1 dB的信噪比增益。

選擇解碼轉(zhuǎn)發(fā);中繼選擇;門(mén)限決策;中斷概率;頻譜效率

1 引言

協(xié)作通信通過(guò)中繼節(jié)點(diǎn)參與協(xié)作而獲得分集增益。選擇的中繼越多，用戶(hù)傳輸速率越大，但功耗和成本隨之增加。其中，信道情況差的中繼還會(huì)使系統(tǒng)性能下降，并消耗額外能量。故如何合理選擇中繼已成為協(xié)作通信領(lǐng)域的關(guān)鍵問(wèn)題之一［1］。目前，對(duì)中繼選擇算法的研究有很多。參考文獻(xiàn)［2］提出了協(xié)同中繼選擇技術(shù)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，并分類(lèi)分析和比較了各類(lèi)算法的原理和效果。如在基于解碼轉(zhuǎn)發(fā)(decode-and-forward，DF)的多中繼兩跳協(xié)作場(chǎng)景中，中繼選擇方案提出了基于負(fù)載均衡的中繼選擇方案，利用該方案可同時(shí)滿(mǎn)足中繼負(fù)載均衡和系統(tǒng)傳輸速率的需求［3］。參考文獻(xiàn)［4］提出了一種解碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)同通信網(wǎng)絡(luò)下的自適應(yīng)中繼選擇算法，在獲取最優(yōu)中斷性能的同時(shí)能降低系統(tǒng)功率開(kāi)銷(xiāo)。另外，利用譯碼集合所有中繼［5］參與協(xié)同傳輸，能獲得最優(yōu)中斷性能，但會(huì)導(dǎo)致頻譜效率降低。為了彌補(bǔ) “全中繼”協(xié)同的不足，也可采用機(jī)會(huì)中繼(opportunistic relaying，OR)提高頻譜效率，且通過(guò)選擇最佳中繼轉(zhuǎn)發(fā)信息，可獲得與“全中繼”協(xié)同等效的分集增益，并降低了系統(tǒng)復(fù)雜度［6，7］。參考文 獻(xiàn)［8］在保證頻譜 效率的前提下，導(dǎo)出了MIMO系統(tǒng)中源和中繼的最優(yōu)功率分配系數(shù)，可獲得最大的能量效率。為了減少功耗，最佳中繼預(yù)編碼方案可最小化中繼總功率，以滿(mǎn)足綠色通信［9］。對(duì)于綠色雙跳單天線(xiàn)中繼系統(tǒng)，參考文獻(xiàn)［10］從能效角度研究了聯(lián)合信源和中繼的功率分配優(yōu)化問(wèn)題，證明了最佳中繼和信源的功率比能夠自適應(yīng)于兩跳信道的瞬時(shí)增益比。參考文獻(xiàn)［11］和參考文獻(xiàn)［12］分別分析了多單元小區(qū)環(huán)境下存在小區(qū)干擾時(shí)的DF機(jī)會(huì)中繼選擇策略的性能。而選擇解碼轉(zhuǎn)發(fā) (selective decode-and-forward，SDF)協(xié)議的出現(xiàn)，克服了DF中繼解碼錯(cuò)誤但仍參與協(xié)同的缺陷［13］。參考文獻(xiàn)［14］分析了基于 SDF協(xié)議的不同中繼選擇策略的性能，并給出了高信噪比時(shí)的中斷概率的近似表達(dá)式和分集復(fù)用折中。

然而，以上研究均假定了任何時(shí)候都依靠中繼節(jié)點(diǎn)協(xié)作傳輸，而不管中繼鏈路質(zhì)量，也未考慮頻譜效率。故均屬于全天候中繼協(xié)作方案，且協(xié)作傳輸頻譜效率僅為1/2。Ray K J等人［15］提出了單中繼場(chǎng)景下的“何時(shí)協(xié)作”思想:僅當(dāng)中繼鏈路性能較好時(shí)才協(xié)作。本文主要借鑒該思想，提出了一種在SDF協(xié)議下的基于門(mén)限決策的中繼選擇策略，并推導(dǎo)了其在高信噪比下系統(tǒng)中斷概率和頻譜效率的近似表達(dá)式。此外，通過(guò)仿真與分析，得出了該策略可根據(jù)不同協(xié)作場(chǎng)景而選擇合適的協(xié)作門(mén)限，從而提高系統(tǒng)整體性能。

2 系統(tǒng)模型

該策略研究的經(jīng)典多中繼兩跳協(xié)作通信系統(tǒng)模型如圖1所示，包括一個(gè)源節(jié)點(diǎn)S、一個(gè)目的節(jié)點(diǎn)D和N個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)Ri(i=1，2，…，N)。設(shè)每節(jié)點(diǎn)都只有一根全向天線(xiàn)，并采用半雙工模式傳輸。當(dāng)需要源節(jié)點(diǎn)重傳和中繼協(xié)作時(shí)，完成每次傳輸則分為兩個(gè)時(shí)隙。另外，假設(shè)各信道鏈路都經(jīng)歷準(zhǔn)靜態(tài)瑞利平坦衰落，信道增益在一次傳輸中保持不變，且在各次傳輸中相互獨(dú)立。假定每節(jié)點(diǎn)可通過(guò)接收數(shù)據(jù)獲得理想信道狀態(tài)信息 (channel state information，CSI)估計(jì)，數(shù)據(jù)在傳輸中受到獨(dú)立同分布的加性高斯白噪聲(additive white gaussian noise，AWGN)影響。

圖1 多中繼兩跳協(xié)作系統(tǒng)模型

根據(jù)上述假設(shè)，在第一時(shí)隙，源節(jié)點(diǎn)將信號(hào)xs同時(shí)廣播給中繼節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)。目的節(jié)點(diǎn)D和中繼節(jié)點(diǎn)Ri(i=1，2，…，N)收到的信號(hào)分別為:

其中，Ps為源節(jié)點(diǎn)S的發(fā)送功率，hsd和hsri分別是S-D和S-Ri鏈路的信道系數(shù)，且服從均值為0、方差分別為和的復(fù)高斯隨機(jī)分布，且包絡(luò)服從瑞利分布，而nsd和nsri表示S-D和S-Ri鏈路的加性白高斯噪聲，都服從均值為0、方差為N0的復(fù)高斯隨機(jī)分布。

在第二時(shí)隙，能正確解碼源節(jié)點(diǎn)信息的中繼，構(gòu)成了候選中繼集合Ωk，目的節(jié)點(diǎn)選出候選集合中到其瞬時(shí)信道質(zhì)量最好的中繼為最佳中繼，最佳中繼Rb向目的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)源節(jié)點(diǎn)信息。此時(shí)，目的節(jié)點(diǎn)接收信號(hào)為:

其中，PRb為最佳中繼節(jié)點(diǎn)Rb的發(fā)送功率，xRb是最佳中繼Rb對(duì)xs譯碼后得到的信號(hào)。hrbd是Rb-D鏈路的信道系數(shù)，服從均值為0、方差為的復(fù)高斯隨機(jī)分布。nrbd表示Rb-D鏈路的加性白高斯噪聲，服從均值為0、方差為N0的復(fù)高斯隨機(jī)分布。

最后，目的節(jié)點(diǎn)采用最大比合并 (maximal ratio combining，MRC)將兩時(shí)隙收到的信號(hào)合并，得到:

其中，a1和a2為合并因子，需根據(jù)不同的協(xié)作傳輸方式選擇相應(yīng)的合并因子。當(dāng)最佳中繼參與協(xié)作傳輸時(shí)，采用DF協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)，此時(shí)選擇

若所有中繼均無(wú)法正確解碼源節(jié)點(diǎn)信息，則通知源節(jié)點(diǎn)重傳信息至目的節(jié)點(diǎn)。此時(shí)，選擇a1=2，a2=0。

3 基于門(mén)限決策的SDF中繼選擇策略

在DF協(xié)議中，若中繼譯碼不正確，就可能把錯(cuò)誤信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點(diǎn)，從而降低系統(tǒng)性能。而SDF協(xié)議為了避免DF中繼的錯(cuò)誤傳播問(wèn)題，只在中繼正確譯碼時(shí)才轉(zhuǎn)發(fā)源節(jié)點(diǎn)信號(hào)。否則，源節(jié)點(diǎn)重傳信息。在多中繼情況下，若任何一個(gè)中繼都不能正確解碼，就采用源節(jié)點(diǎn)重傳模式。

中繼選擇的目的是在保持與傳統(tǒng)協(xié)作通信方案相同分集增益的同時(shí)，提高系統(tǒng)頻譜效率。對(duì)于全天候協(xié)作，不管中繼鏈路和S-D鏈路質(zhì)量的好壞都保持協(xié)作，雖能獲得較好分集效果，但整個(gè)協(xié)作系統(tǒng)頻譜效率僅為1/2，降低了系統(tǒng)容量。若S-D直傳鏈路性能非常好，中繼就無(wú)需參與協(xié)作。故為了折中分集效果和頻譜效率，定義最佳中繼協(xié)作能力的度量βrb，目的節(jié)點(diǎn)計(jì)算βrb與源—目的節(jié)點(diǎn)瞬時(shí)信道增益βsd的比值，并將該比值與協(xié)作門(mén)限α比較，再?zèng)Q定是否需要中繼協(xié)作。

設(shè)源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送功率分別為Ps和PRi(i=1，2，…，N)，信息傳輸速率為V，源節(jié)點(diǎn)的發(fā)送信噪比為:SNR=Ps/N0。中繼在第一時(shí)隙收到源節(jié)點(diǎn)信息后，若要正確解碼，需S-Ri鏈路的瞬時(shí)信噪比 γsri不小于信噪比門(mén)限γth。因此，候選中繼集合可表示為:

若所有中繼均無(wú)法正確譯碼，即候選中繼集合Ωk為空集，則采用源節(jié)點(diǎn)重傳模式。源節(jié)點(diǎn)重傳事件可定義為:

此時(shí)，系統(tǒng)傳輸?shù)幕バ畔⒘繛?

其中，γsd=SNR｜hsd｜2，表示目的節(jié)點(diǎn)接收源節(jié)點(diǎn)信號(hào)的瞬時(shí)信噪比，服從參數(shù)為的指數(shù)分布。

若候選集合Ωk非空，則在第二時(shí)隙，正確解碼中繼Ri∈Ωk向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送訓(xùn)練序列。在所有能正確解碼的中繼節(jié)點(diǎn)中，選擇Ri-D鏈路的瞬時(shí)信噪比最大的一個(gè)作為最優(yōu)中繼，即可表示為:

其中，γrid=PRi｜hrid｜2/N0，表示目的節(jié)點(diǎn)接收中繼轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)的瞬時(shí)信噪比，服從參數(shù)為的指數(shù)分布。

因此，為了降低系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)及算法復(fù)雜度，本文假定在等功率分配條件下，即Ps=PRi時(shí)，根據(jù)瞬時(shí)信道增益｜hrid｜2進(jìn)行中繼節(jié)點(diǎn)的選擇，即有:

此時(shí)，目的節(jié)點(diǎn)計(jì)算 Rb協(xié)作能力度量通過(guò)在第一時(shí)隙估計(jì)的其到源節(jié)點(diǎn)的信道系數(shù)hsd，又可得源—目的節(jié)點(diǎn)之間的瞬時(shí)信道增益 βsd=｜hsd｜2，且｜hrbd｜2和｜hsd｜2分別服從參數(shù)為和的指數(shù)分布。最后，目的節(jié)點(diǎn)計(jì)算比值 βrb/βsd，并將其與協(xié)作門(mén)限α比較。若βrb/βsd＜α，說(shuō)明最佳中繼傳輸信道不理想，若采用中繼協(xié)作傳輸將降低系統(tǒng)性能。因此，僅直接傳輸，無(wú)需中繼協(xié)作傳輸。故直接傳輸事件可定義為:

直傳模式下，系統(tǒng)互信息量為:

若 βrb/βsd＞α，則說(shuō)明最佳中繼信道特性理想，此時(shí)，目的節(jié)點(diǎn)可發(fā)出一個(gè)控制指令來(lái)通知該最佳中繼協(xié)作傳輸。故協(xié)作傳輸事件可定義為:

可得中繼協(xié)作傳輸?shù)南到y(tǒng)互信息量為:

綜上所述，基于門(mén)限決策的SDF中繼選擇策略流程如下。

(1)源節(jié)點(diǎn)S廣播信息，目的節(jié)點(diǎn)和N個(gè)中繼分別估計(jì) hsd和 hsri，從而獲得 βsd和 γsri。

(2)中繼處設(shè)置信噪比門(mén)限γth，分別與其瞬時(shí)信噪比相比較，若 γsri≥γth，將 Ri放入中繼候選集合。

(5)計(jì)算 βrb/βsd，若 βrb/βsd≥α，則采用最佳中繼 Rb實(shí)現(xiàn)協(xié)作傳輸;否則，中繼不參與協(xié)作。

4 性能分析

4.1 中斷概率

中斷概率是衡量無(wú)線(xiàn)通信中斷事件發(fā)生頻率的參數(shù)，是系統(tǒng)可靠傳輸?shù)囊豁?xiàng)重要指標(biāo)。當(dāng)系統(tǒng)傳輸?shù)幕バ畔⒘啃∮趯?shí)際信息傳輸速率V時(shí)，就會(huì)發(fā)生中斷。從之前描述的中繼選擇策略流程可知，中斷事件主要發(fā)生在以下3種情況:一是第一時(shí)隙所有中繼均不能正確譯碼，根據(jù)SDF協(xié)議將采用源節(jié)點(diǎn)重復(fù)發(fā)送方式;二是從正確譯碼中繼候選集中選出的最佳中繼協(xié)作能力較弱，則中繼不參與協(xié)作傳輸，僅采用直接傳輸;三是最佳中繼協(xié)作能力較好，則該中繼轉(zhuǎn)發(fā)源節(jié)點(diǎn)信息。因此，該中繼選擇策略的系統(tǒng)中斷概率可表示為:

若中繼候選集合Ωk為空集，即所有中繼均不能正確解碼源節(jié)點(diǎn)信息(所有中繼滿(mǎn)足γsri＜γth)，則可采用源節(jié)點(diǎn)重傳方式。當(dāng)系統(tǒng)傳輸?shù)幕バ畔⒘啃∮谛畔鬏斔俾蔞，即IDRT＜V時(shí)，發(fā)生中斷，此時(shí)有:

可得 γsd＜γth/2，結(jié)合前面定義的源節(jié)點(diǎn)重傳事件，可表示為:

當(dāng)候選集合Ωk不為空集時(shí)，需選出最佳中繼，若其協(xié)作能力較弱，僅進(jìn)行直傳傳輸。當(dāng)IDT＜V，產(chǎn)生中斷，即有γsd＜γth，于是可得:

根據(jù)直傳事件定義，可知為:

設(shè)N個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)中有K個(gè)能正確解碼，則中繼候選集Ωk發(fā)生的概率為:

當(dāng)最佳中繼協(xié)作能力度量與源—目的節(jié)點(diǎn)瞬時(shí)信道增益的比值小于協(xié)作門(mén)限時(shí)，說(shuō)明中繼信道情況較差，此時(shí)僅采用直接傳輸。因此，直傳事件DT發(fā)生的概率為:

在高信噪比情況下，同理可得:

當(dāng)最佳中繼協(xié)作能力較強(qiáng)時(shí)，中繼才參與協(xié)作傳輸。若 IDF＜γ，就產(chǎn)生中斷，此時(shí)可得 γsd+γrbd＜γth，即有:

由協(xié)作傳輸事件定義可知Pr(C)=1-Pr(DT)。因此Pout3可表示為:

因此，根據(jù)式(17)、式(24)和式(27)，合并 3種中斷情況，可得高信噪比條件下，該中繼選擇策略的系統(tǒng)中斷概率近似為:

由式(28)可知:當(dāng)信噪比門(mén)限 γth，S-D信道鏈路和N個(gè)中繼信道情況都給定時(shí)，即都固定時(shí)，該中繼選擇策略的中斷概率與協(xié)作門(mén)限α成正比。隨著α增大，最佳中繼協(xié)作能力度量與S-D瞬時(shí)信道增益的比值大于α的概率越低，中繼協(xié)作傳輸機(jī)會(huì)越小。故此時(shí)對(duì)應(yīng)的中斷概率將有所提高。

4.2 頻譜效率

頻譜效率也稱(chēng)單位頻帶的吞吐量，表示單位頻帶、單位時(shí)間里能正確傳輸?shù)男畔ⅰ？闪顜払=1 Hz，則頻譜效率=V/B=V bit/(Hz·s)。假定直接傳輸?shù)念l譜效率為1 bit/(Hz·s)，則本文所提基于門(mén)限決策的SDF中繼選擇策略的頻譜效率包含兩部分:直傳模式、源節(jié)點(diǎn)重傳和中繼協(xié)作傳輸，直接傳輸?shù)念l譜效率為1，源節(jié)點(diǎn)重傳和中繼協(xié)作傳輸?shù)念l譜效率均為1/2。因此，該策略的頻譜效率可表示為:

在高信噪比條件下，系統(tǒng)的頻譜效率近似為:

由式(30)可知:當(dāng)信噪比門(mén)限γth，N個(gè)中繼信道狀況都給定時(shí)，即均一定時(shí)，該中繼選擇策略的頻譜效率會(huì)隨著協(xié)作門(mén)限α的增大而提高。α越大，協(xié)作傳輸越難，采用直接傳輸可能性越大，且直傳的頻譜效率較高。因此，頻譜效率得到提高。

5 數(shù)值仿真

本節(jié)主要針對(duì)經(jīng)典的多中繼兩跳協(xié)作通信場(chǎng)景進(jìn)行蒙特卡洛仿真。仿真中設(shè)置各中繼的信道系數(shù)方差分別為信息傳輸速率V=1 bit/s。假設(shè)源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送功率相等，均為0.5 W，即有Ps=Pr=0.5 W。各信道為獨(dú)立Rayleigh信道，其加性高斯白噪聲功率均相等，采用未編碼信道，調(diào)制方式為BPSK。

圖2給出了無(wú)協(xié)作門(mén)限的SDF中繼選擇策略在不同中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)目N條件下的中斷概率曲線(xiàn)。由圖2可得:隨著中繼數(shù)目N的增加，中繼選擇系統(tǒng)的中斷概率將明顯降低。原因是中繼數(shù)目越多，中繼正確解碼源節(jié)點(diǎn)信號(hào)的可能性越大，且選出的最佳中繼信道情況｜hrbd｜2也越好，故中斷概率會(huì)隨著中繼數(shù)目N的增加而降低。同時(shí)，隨著發(fā)送信噪比SNR不斷升高，目的節(jié)點(diǎn)接收信號(hào)的瞬時(shí)信噪比γsd+γrbd越高，且由式(25)可知協(xié)作傳輸?shù)闹袛喔怕室蚕鄳?yīng)越低，因此中斷概率也會(huì)隨著信噪比的升高而不斷降低。

圖2 無(wú)門(mén)限SDF中繼選擇策略在不同中繼數(shù)目N下的中斷概率曲線(xiàn)

圖3顯示了無(wú)門(mén)限及不同門(mén)限約束條件下4中繼選1的中斷概率曲線(xiàn)。該仿真結(jié)果顯示:協(xié)作門(mén)限較低時(shí)，系統(tǒng)中斷概率接近于無(wú)門(mén)限SDF中繼選擇策略。但較高的協(xié)作門(mén)限，會(huì)使中斷概率有所升高。隨著協(xié)作門(mén)限α的提高，根據(jù)式(10)可知，直傳事件DT發(fā)生概率將增大，即直接傳輸?shù)臋C(jī)會(huì)大于中繼協(xié)作傳輸，而由式(18)和式(25)的比較可知，直傳的中斷概率高于協(xié)作傳輸中斷概率。因此，系統(tǒng)中斷概率將隨著協(xié)作門(mén)限的提高而升高。同時(shí)，當(dāng)協(xié)作門(mén)限α一定時(shí)，中斷概率還會(huì)隨著發(fā)送信噪比的升高而不斷降低。信噪比SNR升高將導(dǎo)致所有中繼接收信號(hào)的瞬時(shí)信噪比增大，故中繼正確解碼源節(jié)點(diǎn)信號(hào)的概率越大，從中選出的最佳中繼協(xié)作能力度量βrb越大，則由協(xié)作傳輸事件的計(jì)算式(12)可知C發(fā)生概率就越高，且協(xié)作傳輸?shù)闹袛喔怕室驳陀谥苯觽鬏?。因此，同一協(xié)作門(mén)限條件下，系統(tǒng)中斷概率隨信噪比升高而降低。

圖3 無(wú)門(mén)限及不同門(mén)限約束下4中繼選1的中斷概率曲線(xiàn)

圖4顯示了無(wú)門(mén)限及不同門(mén)限約束條件下4中繼選1的頻譜效率曲線(xiàn)。由該仿真結(jié)果可得:協(xié)作門(mén)限較低時(shí)，系統(tǒng)頻譜效率與無(wú)門(mén)限SDF中繼選擇策略接近，隨著協(xié)作門(mén)限的提高，系統(tǒng)頻譜效率不斷提高。協(xié)作門(mén)限α越高，由直傳事件計(jì)算式(10)可知，DT發(fā)生的概率越高，且直傳的頻譜效率為1。故該中繼選擇策略的頻譜效率會(huì)隨著協(xié)作門(mén)限的增加而提高。同時(shí)，對(duì)同一協(xié)作門(mén)限條件下，隨著發(fā)送信噪比SNR不斷升高，中繼正確譯碼概率越大，采用最佳中繼協(xié)作傳輸?shù)臋C(jī)會(huì)大于直接傳輸，即Pr(DT)越小，則由式(29)可知，頻譜效率也相應(yīng)越低。因此，頻譜效率會(huì)隨著信噪比的升高而不斷降低。

圖4 無(wú)門(mén)限及不同門(mén)限約束下4中繼選1的頻譜效率曲線(xiàn)

圖5 無(wú)門(mén)限及不同門(mén)限約束下頻譜效率與中繼數(shù)目N的曲線(xiàn)關(guān)系

圖5給出了無(wú)門(mén)限及不同門(mén)限約束下頻譜效率與中繼數(shù)目N的曲線(xiàn)關(guān)系。由圖5可得:較高協(xié)作門(mén)限將使系統(tǒng)的頻譜效率明顯提高，但隨著中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增加，系統(tǒng)頻譜效率略有下降。中繼數(shù)目N越多，從中選出的最佳中繼協(xié)作能力度量βrb越大，根據(jù)式(12)可知，協(xié)作傳輸事件C發(fā)生的概率就越大，且協(xié)作傳輸頻譜效率僅為1/2，所以頻譜效率有所下降。

結(jié)合圖3和圖5，可發(fā)現(xiàn)在信噪比較低和中繼節(jié)點(diǎn)較少時(shí)，不同協(xié)作門(mén)限下系統(tǒng)中斷概率十分接近，但頻譜效率差別較明顯。此時(shí)，可適當(dāng)提高協(xié)作門(mén)限α，使直傳事件DT發(fā)生的概率越高，即Pr(DT)增大，則由式(29)可知系統(tǒng)頻譜效率將有所提高。當(dāng)協(xié)作門(mén)限從0.01增加到0.1時(shí)，系統(tǒng)頻譜效率大約可提高0.12;而在高信噪比和較多中繼節(jié)點(diǎn)條件下，不同協(xié)作門(mén)限下系統(tǒng)頻譜效率較接近，但中斷概率差別明顯。此時(shí)，適度降低協(xié)作門(mén)限α，將導(dǎo)致協(xié)作傳輸事件C發(fā)生的概率越高，且協(xié)作傳輸?shù)闹袛喔怕实陀谥苯觽鬏?，從而能降低系統(tǒng)中斷概率。當(dāng)系統(tǒng)中斷概率同為10-2時(shí)，協(xié)作門(mén)限從1減少到0.1，可獲得約1.1 dB的信噪比增益。

6 結(jié)束語(yǔ)

為了權(quán)衡中繼選擇系統(tǒng)的分集效果和頻譜效率，本文在SDF協(xié)議下，結(jié)合門(mén)限決策思想，提出了一種基于門(mén)限決策的SDF中繼選擇策略，并分析了其性能。同時(shí)，還推導(dǎo)了高信噪比環(huán)境下，系統(tǒng)中斷概率和頻譜效率的近似表達(dá)式。從仿真結(jié)果可得:該策略在低門(mén)限條件下，系統(tǒng)中斷概率和頻譜效率均接近于全天候中繼協(xié)作場(chǎng)景。在信噪比較低和中繼節(jié)點(diǎn)較少條件下，通過(guò)適度提高協(xié)作門(mén)限，可提高系統(tǒng)頻譜效率。而在信噪比較高和候選中繼節(jié)點(diǎn)較少條件下，可適當(dāng)降低協(xié)作門(mén)限，以降低系統(tǒng)中斷概率。因此，該策略可根據(jù)不同的信噪比環(huán)境和中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)目來(lái)選取適當(dāng)?shù)膮f(xié)作門(mén)限，從而提高系統(tǒng)的整體性能。以上研究均為在等功率條件下系統(tǒng)的性能分析，若綜合考慮源和中繼的功率優(yōu)化分配，可有效減少系統(tǒng)功耗，并較好地實(shí)現(xiàn)綠色通信。如何在滿(mǎn)足一定系統(tǒng)性能要求下，對(duì)源節(jié)點(diǎn)和最佳中繼進(jìn)行最優(yōu)功率分配，以最小化系統(tǒng)的發(fā)送總功率，將是后續(xù)研究的重點(diǎn)。

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Performance analysis of relay selection strategy with selective decode-and-forward protocol based on threshold decision

ZHANG Jianwu1，JIANG Jing1，BAO Jianrong1，2，JIANG Bin1
1.College of Communication Engineering，Hangzhou Dianzi University，Hangzhou 310018，China 2.National Key Laboratory of Mobile Communication，Southeast University，Nanjing 210096，China

Cooperative transmission can effectively overcome performance degradation caused by channel fading and thus improve diversity effect.In order to improve the spectral efficiency of all-time cooperative，relay selection strategy with selective decode-and-forward protocol based on threshold decision was mainly investigated.The performance was also analysed and the approximate expression of the outage probability and the spectrum efficiency with high signal-to-noise(SNR)were derived.Simulation results show that under low-SNR and few relays circulations，the outage probability under different thresholds are very close.If the collaboration threshold increases by 0.09，the spectral efficiency improves by 0.12.Under high-SNR and many relays circulations，the spectral efficiency under different thresholds are similar.When the system outage probability is 10-2，the collaboration threshold decreases by 0.9 and 1.1 dB SNR gain can be obtained.

selective decode-and-forward，relay selection，threshold decision，outage probability，spectrum efficiency

s:The Zhejiang Provincial Natural Science Foundation of China (No.LZ14F010003)，The National Natural Science Foundation of China (No.61471152)，The Open Research Fund of National Mobile Communications Research Laboratory，Southeast University(No.2014D02)

TN929.5

A

10.11959/j.issn.1000-0801.2016003

2015-03-20;

2015-11-16

浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.LZ14F010003);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.61471152);東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放研究基金資助項(xiàng)目(No.2014D02)

章堅(jiān)武(1961-)，男，博士，杭州電子科技大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榭臻g通信、通信信號(hào)處理、認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電、現(xiàn)代信道編碼及空間無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的認(rèn)知軟件無(wú)線(xiàn)電FPGA實(shí)現(xiàn)等。

蔣靜(1990-)，女，杭州電子科技大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)閰f(xié)同信號(hào)處理等。

包建榮(1978-)，男，博士，杭州電子科技大學(xué)副教授，主要研究方向?yàn)榭臻g無(wú)線(xiàn)通信與編碼等。

姜斌(1980-)，男，杭州電子科技大學(xué)高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線(xiàn)通信信號(hào)處理等。