基于極化天線的機(jī)會(huì)中繼選擇協(xié)作通信

王明偉， 張會(huì)生, 李立欣, 李慧珍, 何立風(fēng)

(1.西北工業(yè)大學(xué) 電子信息學(xué)院， 陜西 西安 710129; 2.陜西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院， 陜西 西安 710021)

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基于極化天線的機(jī)會(huì)中繼選擇協(xié)作通信

王明偉1， 張會(huì)生1, 李立欣1, 李慧珍2, 何立風(fēng)2

(1.西北工業(yè)大學(xué) 電子信息學(xué)院， 陜西 西安 710129; 2.陜西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院， 陜西 西安 710021)

在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)配置極化天線，在滿足節(jié)點(diǎn)體積限制條件的同時(shí)還可以獲得良好的節(jié)點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)鏈路通信質(zhì)量.研究通過(guò)協(xié)作節(jié)點(diǎn)配置極化天線來(lái)改善機(jī)會(huì)中繼選擇協(xié)作通信的性能的可行性.但由于極化電磁波信號(hào)在空間傳播時(shí)存在散射、折射和極化偏轉(zhuǎn)，接收機(jī)接收的二分集極化信號(hào)存在一定的相關(guān)性和功率不平衡等不利特性.研究了極化信號(hào)的相關(guān)性和功率不平衡等不利特性對(duì)機(jī)會(huì)中繼選擇協(xié)作通信的中斷概率、頻譜效率的影響.結(jié)論顯示，基于極化天線的機(jī)會(huì)中繼選擇協(xié)作通信在相同信噪比和相同的信道衰落環(huán)境下，中斷概率、頻譜效率優(yōu)于傳統(tǒng)未采用極化天線的機(jī)會(huì)中繼選擇協(xié)作通信性能.

協(xié)作通信； 機(jī)會(huì)中繼選擇； 解碼轉(zhuǎn)發(fā)； 極化天線； 中斷概率

0 引言

協(xié)作通信作為下一代無(wú)線通信的關(guān)鍵技術(shù)之一，已成為學(xué)者廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域.協(xié)作通信完全打破了傳統(tǒng)無(wú)線通信技術(shù)需要互相競(jìng)爭(zhēng)、獨(dú)占頻帶資源的模式，要求網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)相互協(xié)作，共同抵抗信道多徑衰落，實(shí)現(xiàn)協(xié)作分集[1].

現(xiàn)階段對(duì)協(xié)作通信的研究已經(jīng)從對(duì)傳統(tǒng)的單一中繼參與協(xié)作拓展到對(duì)多個(gè)中繼參與協(xié)作的通信網(wǎng)的研究.通常采用的分布式編碼和波束成型方案很好的適用于只存在相當(dāng)少量的中繼節(jié)點(diǎn)的協(xié)作通信中[2,3].如果協(xié)作網(wǎng)絡(luò)中的中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)量較大，在工程實(shí)踐中則存在諸多困難，存在性能惡化的可能.這是因?yàn)閷?shí)現(xiàn)式編碼和波束成型的前提條件之一是要求各節(jié)點(diǎn)理想同步及須知全網(wǎng)信道狀態(tài)信息(Channel State Information,CSI).

一般情況下，CSI的獲取依靠反饋方式，存在只能獲知過(guò)時(shí)CSI和部分SCI的情況，導(dǎo)致協(xié)作通信系統(tǒng)性能嚴(yán)重降低.另外，多中繼協(xié)作通信的分布式編碼和波束成型方案還存在碼書設(shè)計(jì)和波束成型系數(shù)的計(jì)算難度隨著中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)目增加而倍增.所以當(dāng)中節(jié)點(diǎn)數(shù)量非常大時(shí)，分布式編碼和波束成型方案的實(shí)現(xiàn)是不切實(shí)際的[1].在這種情況下，只有一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)參與協(xié)作傳輸可能是最有利的，產(chǎn)生所謂的機(jī)會(huì)中繼選擇(Opportunistic Relay Selection，ORS)協(xié)作通信策略.

機(jī)會(huì)中繼選擇協(xié)作通信策略相比分布式編碼和波束成型，不但具有相同的協(xié)作分集增益，無(wú)需理想同步，無(wú)需所有中繼節(jié)點(diǎn)參與協(xié)作，極大簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)物理層設(shè)計(jì).近來(lái)，對(duì)機(jī)會(huì)中繼協(xié)作通信的研究已經(jīng)形成無(wú)線協(xié)作通信領(lǐng)域的熱點(diǎn)，涉及到不同的信道環(huán)境、信號(hào)合并方案以及結(jié)合各種現(xiàn)有具體通信技術(shù)等諸多方面，顯示出機(jī)會(huì)中繼協(xié)作方案的廣闊研究和應(yīng)用空間[4-6].

已有學(xué)者通過(guò)天線優(yōu)化來(lái)改善無(wú)線信道質(zhì)量，進(jìn)而提升協(xié)作通信系統(tǒng)性能進(jìn)行了研究，其中一個(gè)有效方式是在點(diǎn)到點(diǎn)通信時(shí)采用多天線技術(shù).如在三節(jié)點(diǎn)中繼模型中，在每個(gè)節(jié)點(diǎn)配置多根天線，且無(wú)需增加傳輸功率和帶寬[7,8].但是，無(wú)線通信系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中需要考慮的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是節(jié)點(diǎn)的體積以及有限的資源，如個(gè)人或移動(dòng)終端，不能提供足夠的空間安裝滿足一定間隔要求的多根天線.Jootar J等[9]研究了采用雙極化電磁波信號(hào)的極化分集替代替空間分集來(lái)滿足空間要求.Ilic D.M.等[10-12]最新研究表明對(duì)三節(jié)點(diǎn)兩跳解碼轉(zhuǎn)發(fā)(Decode and Forward,DF)協(xié)作通信系統(tǒng)中采用極化天線，結(jié)合Rician衰落信道，可有效降低系統(tǒng)誤碼率.

本文研究解碼轉(zhuǎn)發(fā)型機(jī)會(huì)中繼選擇(DF-ORS)協(xié)作通信，節(jié)點(diǎn)配置極化天線實(shí)現(xiàn)極化分集來(lái)提升節(jié)點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)的信道質(zhì)量，采用簡(jiǎn)單實(shí)用的選擇式合并方式實(shí)現(xiàn)極化分集.充分考慮到電磁波信號(hào)的相關(guān)特性和功率不平衡特性等因素對(duì)DF-ORS協(xié)作通信性能的影響.

1 系統(tǒng)模型

半雙工兩跳通信模式下的多中繼節(jié)點(diǎn)DF-ORS協(xié)作通信模型如圖1所示，包含一個(gè)源節(jié)點(diǎn)、多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)和一個(gè)目的節(jié)點(diǎn).考慮城市環(huán)境，源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)的直連鏈路在通常情況下由于樹(shù)木、建筑物或其它障礙物的阻擋而不存在.中繼節(jié)點(diǎn)分布于源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間，且和源節(jié)點(diǎn)、目的節(jié)點(diǎn)存在直連鏈路.中繼選擇協(xié)作通信策略的主要思想是，尋找最大化兩跳信道容量的最佳中繼節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)被用來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)信息.

圖1 機(jī)會(huì)中繼協(xié)作通信系統(tǒng)示意圖

2 極化天線

對(duì)機(jī)會(huì)中繼選擇協(xié)作通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)天線優(yōu)化是提高整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的效率的前提.無(wú)線信號(hào)在開(kāi)放性的空間場(chǎng)所內(nèi)傳播，多徑衰落、干擾和噪聲信號(hào)會(huì)使信號(hào)的傳輸質(zhì)量下降.利用極化天線實(shí)現(xiàn)極化分集是抗多徑衰落的一種重要方法，能夠有效地提高系統(tǒng)鏈路性能.其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在:①節(jié)省天線數(shù)目.由于采用雙極化、雙饋源，一副雙極化天線相當(dāng)兩副單極化天線;②增益大和抗干擾能力強(qiáng).天線的±45 °極化正交特性，提供極化分集，抗多徑衰落和其他干擾效果顯著;③雙極化天線的波束有向性，可更好地控制輻射的范圍，降低干擾，方便通信網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化.目前最常用的雙極化天線為垂直(Vertical Polarization，VPol)/水平(Horizontal Polarization，HPol)或±45 °極化，理想情況下可以實(shí)現(xiàn)滿二階極化分集[10].

2.1 極化參數(shù)

當(dāng)極化電磁波在無(wú)線信道傳播過(guò)程中，由于受到地表及障礙物的反射、折射與損耗，會(huì)產(chǎn)生極化的偏轉(zhuǎn)，無(wú)論哪種方式接收到的兩路分集信號(hào)都存在一定的相關(guān)特性和功率不平衡性.這種極化分集特性通常用包絡(luò)相關(guān)系數(shù)ρ和交叉極化鑒別率(Cross Polar Discrimination，XPD)來(lái)描述.包絡(luò)相關(guān)系數(shù)ρ用來(lái)描述極化之間的相關(guān)程度，而XPD用來(lái)描述極化之間的功率不平衡性，定義為假設(shè)發(fā)射的極化信號(hào)為垂直極化信號(hào)VPol，在接收點(diǎn)接收到的垂直極化VPol信號(hào)和水平極化HPlo信號(hào)功率比.實(shí)驗(yàn)研究表明，現(xiàn)有技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)在接收端的雙極化信號(hào)HPol和VPol的相關(guān)系數(shù)小于0.2，XPD(χ)在市區(qū)和城郊介于1～10 dB之間，平均為6 dB；郊區(qū)由于缺少障礙物，XPD介于10～18 dB之間[11,12].

2.2 極化分集

在Nakagami信道衰落環(huán)境下，將源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)或者中繼節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的點(diǎn)到點(diǎn)鏈路，記為A→B.在點(diǎn)到點(diǎn)無(wú)線通信鏈路采用極化天線得到2路極化信號(hào)，最大比值合并(MRC)相比于等增益合并(EGC)和選擇合并(SC)將會(huì)得到最優(yōu)的信噪比輸出.每支路極化信號(hào)經(jīng)歷Nakagami信道衰落，瞬時(shí)信噪比滿足Gamma分布.

(1)

極化分集得到的兩路信號(hào)的瞬時(shí)SNR為

γMRC=γ1+γ2

(2)

若兩路極化信號(hào)γ1和γ2存在相關(guān)性，功率相關(guān)系數(shù)ρ為

(3)

γMRC的PDF為[13]

(4)

對(duì)公式(4)求積分，得到兩個(gè)相關(guān)Gamma隨機(jī)變量的和的CDF可以表示為[14]

(5)

式(5)中：Φ2(·)為Humber超幾何函數(shù)[15]，定義為

(6)

式(6)中：(x)n=Γ(x+n)/Γ(x)為Pochhammer參數(shù).

由于Humber超幾何函數(shù)的無(wú)限項(xiàng)的和的計(jì)算困難，將Humber超幾何函數(shù)用不完全Gamma函數(shù)，并假設(shè)在大信噪比條件下，得到2支路的極化信號(hào)MRC接收分集的CDF的近似表達(dá)式為

(7)

3 DF-ORS協(xié)作通信

對(duì)于解碼轉(zhuǎn)發(fā)型機(jī)會(huì)中繼選擇(DF-ORS)協(xié)作通信，將上述策略可以進(jìn)一步拓寬限制條件，具體描述為：在協(xié)作通信的第一階段，所有中繼接收源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息并進(jìn)行解碼，解碼成功的信息才有可能在第二階段轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點(diǎn)，該中繼節(jié)點(diǎn)作為轉(zhuǎn)發(fā)備選節(jié)點(diǎn).在第二階段，目的節(jié)點(diǎn)依據(jù)中繼節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)最佳信道質(zhì)量選擇解碼成功集合中最佳中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)信息.從實(shí)現(xiàn)滿協(xié)作分集的角度來(lái)看，DF-ORS協(xié)作通信策略使目的節(jié)點(diǎn)選擇能夠支持目標(biāo)傳輸速率R(bps/Hz)的任一中繼路徑.當(dāng)解碼成功中繼集合為空，或者在中繼到目的節(jié)點(diǎn)的鏈路上沒(méi)有中繼節(jié)點(diǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)2Rbps/Hz的傳輸速率時(shí)發(fā)生中斷.理論分析如下：

第一階段源節(jié)點(diǎn)廣播信號(hào)到K個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，能夠正確解碼的中繼重新構(gòu)成一個(gè)中繼子集，表示為DK(l)?K，l表示正確解碼的中繼個(gè)數(shù).同時(shí)，協(xié)作通信系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)R(bps/Hz)的頻譜利用率，DK(l)中的節(jié)點(diǎn)需要滿足條件

(8)

由式(9)定義門限γth=22R-1.具有l(wèi)個(gè)正確解碼的中繼構(gòu)成的集合DK(l)滿足條件

(9)

在協(xié)作傳輸?shù)牡诙A段，需要從Dt選擇最佳中繼b*使得中繼到目的節(jié)點(diǎn)鏈路k→D,for allk∈Dl信號(hào)質(zhì)量最好，即

(10)

那么，在第二階段如果最佳中繼發(fā)生中斷，也就意味著DK(l)所有中繼到目的節(jié)點(diǎn)的鏈路發(fā)生中斷，即

Pr{outage|DK(l)}=Pr{γb*<γth}=

(11)

若DF-ORS協(xié)作通信發(fā)生中斷，則需要滿足

PrSR-DF(outage)=

(12)

如果在無(wú)線通信鏈路的節(jié)點(diǎn)配置極化天線，即結(jié)合公式(5)和公式(12)，經(jīng)化簡(jiǎn)后可得DF-ORS協(xié)作通信中斷概率一般閉合表達(dá)式為

[1-FkD(22R-1)]}

(13)

式(13)中：

(14)

(15)

在大信噪比情況下，公式(13)可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化為

PDF-ORS(outage)=

(16)

4 數(shù)值仿真

圖2 中斷概率和SNR關(guān)系

圖3 功率不平衡特性對(duì)中斷概率的影響

圖4 中斷概率和頻譜效率關(guān)系

圖5顯示DF-ORS協(xié)作通信的中斷概率和兩路正交極化信號(hào)間相關(guān)系數(shù)的關(guān)系.仿真條件設(shè)置頻譜利用率R=1 bps/Hz，信噪比SNR在圖上標(biāo)示，其他參數(shù)和圖2相同.從圖5中可以看出，極化分集的DF-ORS協(xié)作通信的中斷概率隨著相關(guān)系數(shù)ρ的增大而減小，相關(guān)系數(shù)對(duì)接收信號(hào)質(zhì)量影響較大.當(dāng)水平和垂直極化信號(hào)完全相關(guān)時(shí)(ρ=1)，系統(tǒng)性能降低到無(wú)極化分集的系統(tǒng)性能.水平和垂直極化信號(hào)如果能夠?qū)崿F(xiàn)獨(dú)立不相關(guān)時(shí)(ρ=0)，系統(tǒng)性能得到最大改善.從圖5中還需注意到,當(dāng)ρ>0.8時(shí)，DF-ORS協(xié)作通信的中斷概率急劇上升，系統(tǒng)的性能具有惡化的趨勢(shì)，將此拐點(diǎn)稱之為相關(guān)門限，也就是說(shuō)在實(shí)際通信中盡可能使兩路極化信號(hào)的相關(guān)系數(shù)低于相關(guān)門限，系統(tǒng)性能才可能采用極化分集技術(shù)得到有效提升，如果兩路極化信號(hào)的相關(guān)系數(shù)高于相關(guān)門限，極化分集技術(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的改善效果不明顯.

圖5 中斷概率和相關(guān)系數(shù) 的關(guān)系

5 結(jié)論

極化天線由于體積小不占空間的優(yōu)點(diǎn)，適合安裝在小體積的移動(dòng)終端，未來(lái)將逐步取代傳統(tǒng)多天線實(shí)現(xiàn)信號(hào)分集.論文主要探討了在DF-ORS協(xié)作通信的節(jié)點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)無(wú)線鏈路中傳輸雙極化電磁波信號(hào)，并結(jié)合MRC合并方式實(shí)現(xiàn)極化分集，達(dá)到了通過(guò)改善節(jié)點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)通信鏈路質(zhì)量來(lái)提升協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)整體性能，降低中斷概率的目的.討論了雙極化信號(hào)的相關(guān)性和功率不平衡特性對(duì)DF-ORS協(xié)作通信的中斷概率、頻譜效率的影響.

通過(guò)仿真分析DF-ORS協(xié)作通信的中斷概率和信噪比、功率相關(guān)系數(shù)及頻譜效率之間的關(guān)系，并和無(wú)極化分集的通信性能進(jìn)行了比較.結(jié)果表明，即使節(jié)點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)通信鏈路中極化信號(hào)存在很強(qiáng)的功率相關(guān)性和不平衡特性等不利因素，基于解碼轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)會(huì)中繼選擇的協(xié)作系統(tǒng)在相同信噪比和相同的信道衰落環(huán)境下，系統(tǒng)中斷概率、頻譜效率均優(yōu)于未采用極化分集的DF-ORS協(xié)作通信.

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【責(zé)任編輯：陳 佳】

Opportunistic relay selection cooperative communication with polarization antennas

WANG Ming-wei1, ZHANG Hui-sheng1, LI Li-xin1, LI Hui-zhen2, HE Li-feng2

(1.School of Electronics and Information, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710129, China; 2.College of Electrical and Information Engineering, Shaanxi University of Science & Technology, Xi′an 710021, China)

When the mobile nodes are equipped with polarization antennas,communication quality of the data links can be improved at the same time to meet the constraints of the node volume.This paper studies the possibility of improving the performance of opportunistic relay selection cooperative communication by equipping with the polarization antennas.However,due to the scattering,refraction and polarization deflection of the polarized electromagnetic wave propagation in the space,the two polarization signals received by the receiver have some disadvantages such as correlation and power imbalance.The effects of polarization signal correlation and power imbalance on the outage probability and spectrum efficiency of opportunistic relay selection cooperative communication are studied.The obtained conclusion shows that the performances of opportunistic relay selection cooperative communication using polarization antennas than the traditional system without using polarization antennas under the same condition of SNR (signal-to-noise ratio),even if existing a certain level of correlation and power unbalance between the diversity branches.

cooperative communication; opportunistic relay selection; decode-and-forward; polarization antennas; outage probability

2017-02-08

中國(guó)博士后自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2014M552489)； 中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)項(xiàng)目(3102014JCQ01052)； 陜西省科技廳自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2016JM6062)； 陜西省教育廳專項(xiàng)科研計(jì)劃項(xiàng)目(16JK1100)； 咸陽(yáng)市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2015K03-17)

王明偉(1976-)，男，陜西咸陽(yáng)人，副教授，在讀博士研究生，研究方向：無(wú)線協(xié)作通信技術(shù)

2096-398X(2017)04-0173-06

TN925

A