ARQ反饋中繼協(xié)作水聲通信系統(tǒng)資源分配方案

董 賽 宋 康 曹歡歡 李春國 楊綠溪

(1東南大學水聲信號處理教育部重點實驗室, 南京 210096)(2青島大學電子信息學院, 青島 266071)

ARQ反饋中繼協(xié)作水聲通信系統(tǒng)資源分配方案

董 賽1宋 康2曹歡歡1李春國1楊綠溪1

(1東南大學水聲信號處理教育部重點實驗室, 南京 210096)(2青島大學電子信息學院, 青島 266071)

為了改善信道環(huán)境下復雜的水聲通信系統(tǒng)性能,更好地實現(xiàn)資源的合理分配,采用跨層設計的思想,提出了一種基于ARQ反饋中繼協(xié)作水聲通信下行鏈路的資源分配方案.該方案利用目標端的反饋信息ACK/NAK(正確譯碼/錯誤譯碼),在給定目標的誤包率、無法獲取信源端信道的狀態(tài)信息、相對復雜的水下環(huán)境以及中繼會放大轉發(fā)前路噪聲的情況下,可以實現(xiàn)目標用戶的調(diào)度和速率的分配.仿真結果顯示,與傳統(tǒng)的方案相比,利用所提出的方案,可以在相對復雜度較小的基礎上實現(xiàn)較低的誤比特率,達到接近信道狀態(tài)已知時的性能.

水聲通信;用戶調(diào)度;資源分配;誤比特率

水下聲信息組網(wǎng)通信是未來海洋開發(fā)與軍事應用的重要技術領域,而網(wǎng)間中繼技術是解決復雜水聲環(huán)境中組網(wǎng)通信的關鍵技術之一.水聲通信和傳統(tǒng)的無線通信相比,有很多顯著的區(qū)別,如水聲信道中存在嚴重的介質(zhì)吸收作用[1]、水下噪聲相對復雜、可利用帶寬非常有限等.

正交頻分復用(OFDM)技術能夠減小由于多徑傳播帶來的碼間串擾,從而提高頻帶利用率,是解決水聲通信信道帶寬窄等問題的關鍵技術之一.正交頻分多址(OFDMA)可以看作是OFDM的升級版,在OFDM基礎上增強了對多徑衰落[2]的穩(wěn)健性,進一步提高頻帶利用率.水聲信道本身具有多徑嚴重、帶寬窄和頻譜利用率低的特點,可以利用Muti-Users OFDMA[3]技術(包括頻率及多用戶選擇分集)來進行優(yōu)化設計.

文獻[4]研究了無線通信中發(fā)射端未知信道狀態(tài)信息的OFDM跨層優(yōu)化[5-6],但僅考慮了無線通信中的噪聲等影響,沒有引入水聲通信.因此,本文在水聲通信系統(tǒng)中,通過跨層設計思想[7],提出了適用于水聲通信下行鏈路的資源分配方案.傳統(tǒng)的馬爾可夫決策過程(MDP)[8]復雜度高,而本方案首先在給定誤包率的情況下,以最小化系統(tǒng)誤比特率(BER)為目標和評判標準進行建模和改進,在發(fā)射端不能獲取信道狀態(tài)信息以及同時考慮水下傳感器存在噪聲干擾的前提下,利用ACK/NAK信息把跨層優(yōu)化問題簡化,進而給出用戶調(diào)度以及速率分配的解.從仿真數(shù)據(jù)信息可以看出,該方法利用復雜度較低的算法可以得到較好的通信性能.

1 系統(tǒng)模型與問題描述

本文主要利用反饋信息并且在考慮誤包情況下,研究系統(tǒng)誤比特率最小化問題.為了便于分析,采用淺海環(huán)境的下行多用戶系統(tǒng)模型,設模型包含1個源節(jié)點S,1個中繼節(jié)點R和K個目標用戶節(jié)點U.S與R之間信道衰落系數(shù)設為h,R與U之間信道衰落系數(shù)設為hs,r,S與U之間信道衰落系數(shù)設為hr,k,如圖1所示.信道建模采用塊衰落信道,設有N個子載波,將所有子載波均勻劃為D個頻率塊,且視頻率塊為獨立單位.符號時隙為T,數(shù)據(jù)包的時隙設為T/M,M為包的數(shù)量,其中K,D,N,M,T均為正整數(shù).在一個時隙內(nèi),從S到R再到目標用戶采用AF(放大轉發(fā))中繼方式[9].

圖1 中繼水聲通信系統(tǒng)模型

設系統(tǒng)中第1跳的信源傳播信號為

(1)

(2)

式中，ys,k,d為第k個目標用戶節(jié)點在頻率塊d上接收到信源S傳播的信號;ys,r,d為中繼R在頻率塊d接收到S發(fā)來的信號;ps為源節(jié)點的發(fā)射功率;hs,r,d為S到R的信道衰落系數(shù);hs,k,d為S到第k個目標用戶的信道衰落系數(shù);ns,k,d為信源S到第k個目標用戶在頻率塊d的干擾噪聲;ns,r,d為S到R在頻率塊d的干擾噪聲.

系統(tǒng)的第2跳中R將接收到的信號ys,r,d進行放大β倍后轉發(fā)給目標節(jié)點,那么,第k個目標用戶節(jié)點在頻率塊d上接收到的信號為

(3)

(4)

文獻[10]已經(jīng)證明了采用ACK/NAK機制的ARQ(自動重傳請求)方式在水聲通信中應用的可行性,因此本文采用ARQ方式,考慮任一頻率塊在時間Ts中,具有傳遞Np個數(shù)據(jù)包的能力,接收端傳感器會解碼任一數(shù)據(jù)包,同時能夠及時反饋1 bit的反饋信息.用ACK代表m時刻正確解碼,NAK表示m時刻錯誤解碼.根據(jù)速率制約,可得

(5)

式中,vk,m,d為m時刻的ACK/NAK反饋;rm,d為在時刻m頻率塊d上的速率分配;c(hk,d)則定義為系統(tǒng)中的用戶k在頻率塊d上通信的極限速率,則

(6)

設

(7)

信源節(jié)點實現(xiàn)用戶調(diào)度和速率分配的原理是利用反饋信息生成新的集合,即

(8)

式中,Yk,m,d,Yk,m+1,d為在m的后一個時隙Xk,d值的集合.m從1開始,在每一個時刻結束后,所有用戶都接收到ACK/NAK反饋,根據(jù)式(8)進行下一時刻的Yk,m+1,d更新,來逐步推算所求值.

定義系統(tǒng)的誤比特率為Pe,結合式(5)可以計算實際的誤比特率為

(9)

式中,Pr為概率函數(shù).設給定的誤包率(PER)為ε,通過式(6)可得

(10)

其中

(11)

綜上,可以用如下約束的最大化問題來描述所提出的最優(yōu)化問題，即

(12a)

(12b)

式(12a)為目標函數(shù),式(12b)為約束條件,設定ACK/NAK全部時隙反饋矩陣為Vm,d,則

(13)

2 水聲系統(tǒng)跨層優(yōu)化設計

2.1 優(yōu)化設計

基于反饋的跨層優(yōu)化用戶調(diào)度和速率分配算法進行設計.本文在考慮AF中繼存在噪聲干擾情況下,進行相關用戶信道的信息估計和速率分配.

算法可以用以下步驟來描述:

1) 最優(yōu)的狀態(tài)更新

由式(1)聯(lián)合式(8),得到

(14)

(15)

(16)

聯(lián)合式(15)、(16)與式(1)，可以求得

(17)

設變量Xk,d的累積分布函數(shù)(CDF)為

φ(μ)=Pr(Xk,d<μ)

(18)

由式(7)可看出,Xk,d可以看作是自由度為2的χ2分布,因此,Xk,d～F(2,2).

F分布的密度函數(shù)為

式中,Γ(m)為伽馬分布;v為常數(shù)，v≥0.通過Γ分布函數(shù)對照表，易得

(19)

圖2為實際Xk,d的CDF曲線與式(19)理論計算的CDF,μ取值為0～80,φ(μ)為對應的CDF值.

圖2 實際與理論累計分布函數(shù)曲線

式(17)可寫成

(20)

由此,可求得

(21)

2) 最優(yōu)目標選擇策略

選擇目標Am,d為

(22)

式中,arg(f(x))是函數(shù)f(x)最大時x的取值.

3) 速率分配策略

由于前面已經(jīng)求出信道信息估值θm,d,結合反饋矩陣Vm,d,可以求出第d個頻率塊上選擇的目標在m時刻分配到的速率,即

(23)

2.2 理論分析

將求得的rm,d和誤包率代入式(12)、(13)，計算系統(tǒng)的BER.

(24)

當M→∞,rm,d達到最大速率,達到了信道完全已知的狀態(tài),故本文所提出算法是線性最優(yōu)的.

3 仿真及分析

圖3給出了K=5時,SIR估計θm,d和時間m=1～40的關系.由圖可知,在ε=0.04時,m<30;ε=0.06時,m<20;ε=0.10時,m<10;ε=0.04時,m<7,接收端反饋ACK信息.若反饋結果為NAK,則刷新θm,d最大值上界,由此估算出實際的SIR值.綜上可知，由于誤包率數(shù)值大小影響估計SIR的機動性和效率,因此收斂速度與誤包率大小成反比.

圖3 SIR估計值和m的關系

當K=5時,速率與時間m的關系如圖4所示.速率是指各個頻率塊d上速率之和,由于速率隨SIR增大而增大,因此圖4曲線變化與圖3中曲線變化相類似.

圖4 速率分配和m關系

當K=5時,系統(tǒng)BER與用戶數(shù)的關系如圖5所示.對比經(jīng)典的輪詢算法,本文提出的算法隨著用戶數(shù)的增加,BER逐漸下降,因為隨著接收到ACK/NAK信號用戶數(shù)的增多,多用戶增益得到的監(jiān)督和反饋也相應增強.而采用傳統(tǒng)輪詢算法則沒有改善.因此,可以在兼顧反饋的同時適當選擇合適的用戶數(shù)量來保證整體的性能.

圖5 BER與用戶數(shù)量關系

4 結語

本文提出了在受到水下噪聲和中繼加成噪聲等干擾的水聲環(huán)境中,結合放大轉發(fā)中繼技術的水聲通信系統(tǒng)下行鏈路資源分配方案.能夠在不完全了解信道信息的情況下,利用目標節(jié)點的ACK/NAK反饋進行上下界遞推更新,并且在給定的誤包率條件下逐漸逼近實際能達到的和速率,實現(xiàn)了水聲系統(tǒng)用戶調(diào)度和速率分配.通過淺海環(huán)境仿真結果表明,相對于傳統(tǒng)方法,本文所提方法可以在相對復雜度較低的情況下得到較理想的系統(tǒng)誤比特率.后續(xù)的工作將會考慮更復雜的水下環(huán)境,并且考慮多中繼方式與DF(解碼轉發(fā))中繼模式的情況.

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Resource allocation schedule for relay-aided underwater acoustic communication system with ARQ feedback

Dong Sai1Song Kang2Cao Huanhuan1Li Chunguo1Yang Lüxi1

(1Key Laboratory of Underwater Acoustic Signal Processing of Ministry of Education, Southeast University, Nanjing 210096, China)(2School of Electronic and Information Engineering, Qingdao University, Qingdao 266071, China)

To improve the quality of underwater acoustic communication system in the complex channel environment, a resource allocation schedule for relay-aided underwater acoustic communication system with ARQ (automatic repeatre quest) “feedback”was proposed.The schedule was used for amplifying the forwarding signal and using feedback information of ACK/NAK(correct decoding/wrong decoding) through the relay considering the target packet error rate and relatively complicated underwater environment. The user selection and the rate allocation were implemented. Simulation results show that compared with traditional schedules , the proposed schedule can obtain lower bit error rate under the condition of lower complexity, thus approaching the performance index of the known channel information.

underwater acoustic communication; user selection; resource allocation; bit error rate

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.02.004

2016-09-07. 作者簡介: 董賽(1990—),男,碩士生;李春國(聯(lián)系人),男,博士,副教授,博士生導師，chunguoli@seu.edu.cn.

國家自然科學基金資助項目(61671144,61372101)、東南大學優(yōu)秀青年教師教學科研資助計劃資助項目.

董賽，宋康,曹歡歡,等.ARQ反饋中繼協(xié)作水聲通信系統(tǒng)資源分配方案[J].東南大學學報(自然科學版),2017,47(2):220-224.

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.02.004.

TB56

A

1001-0505(2017)02-0220-05