混合譯碼放大轉(zhuǎn)發(fā)的增強(qiáng)選擇策略及性能分析

章堅(jiān)武，蔣靜，包建榮, 2，姜斌，劉超

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混合譯碼放大轉(zhuǎn)發(fā)的增強(qiáng)選擇策略及性能分析

章堅(jiān)武1，蔣靜1，包建榮1, 2，姜斌1，劉超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)

為了解決無(wú)線協(xié)作通信中放大轉(zhuǎn)發(fā)方案的噪聲放大和譯碼轉(zhuǎn)發(fā)方案的錯(cuò)誤傳播問(wèn)題，在現(xiàn)有混合譯碼放大轉(zhuǎn)發(fā)方案基礎(chǔ)上，提出一種增強(qiáng)選擇的混合譯碼放大轉(zhuǎn)發(fā)策略。研究結(jié)果表明：該策略不僅提高了混合譯碼放大轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)的頻譜效率，而且其誤比特率和中斷性能也比增強(qiáng)選擇放大轉(zhuǎn)發(fā)方案有較大改善：當(dāng)平均誤比特率為10?5時(shí)，其性能比增強(qiáng)選擇放大轉(zhuǎn)發(fā)方案提高了約1 dB；當(dāng)中斷概率為10?2時(shí)，其性能比混合譯碼放大轉(zhuǎn)發(fā)及增強(qiáng)選擇放大轉(zhuǎn)發(fā)方案分別提高了約1.2 dB和0.7 dB。

增強(qiáng)選擇；混合譯碼放大；誤比特率；中斷概率；頻譜效率

多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)可大幅提高無(wú)線通信有效性。但受限于尺寸、功率、復(fù)雜度等因素，大多無(wú)線通信系統(tǒng)不能直接采用多天線技術(shù)。為了使MIMO技術(shù)實(shí)用化，出現(xiàn)了協(xié)作通信技術(shù)[1]，并迅速成為了現(xiàn)代無(wú)線通信的研究熱點(diǎn)。目前，中繼協(xié)作通信主要包括：放大轉(zhuǎn)發(fā)(AF)[2]、譯碼轉(zhuǎn)發(fā)(DF)[3]和編碼協(xié)作(CC)[4]及上述混合方式等方案。而在無(wú)線通信中采用類似自動(dòng)重傳請(qǐng)求(ARQ)機(jī)制的增量中繼，也可有效增強(qiáng)無(wú)線系統(tǒng)傳輸?shù)目煽啃訹5]。文獻(xiàn)[6]在獨(dú)立不同分布的加性高斯白噪聲信道鏈路條件下，使用BPSK調(diào)制模式，分析了增量中繼在3種不同場(chǎng)景下頻譜效率的變化。增量放大轉(zhuǎn)發(fā)(IAF)[7]和增量解碼轉(zhuǎn)發(fā)(IDF)[8]方案通過(guò)目的節(jié)點(diǎn)反饋信號(hào)決定是否協(xié)作傳輸，可減少重傳次數(shù)，提高頻譜效率。針對(duì)IAF方案的不足，出現(xiàn)了增強(qiáng)選擇放大轉(zhuǎn)發(fā)(ISAF)[9]策略，在直傳失敗時(shí)根據(jù)信道估計(jì)結(jié)果選擇是否采用源節(jié)點(diǎn)重傳，而不是盲目協(xié)作傳輸，但仍存在噪聲放大問(wèn)題。而基于競(jìng)爭(zhēng)策略和自動(dòng)請(qǐng)求重傳機(jī)制的增強(qiáng)型放大轉(zhuǎn)發(fā)方案[10]通過(guò)源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)決定發(fā)送方式，可有效改善噪聲放大問(wèn)題。同時(shí)，針對(duì)解碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作系統(tǒng)由于中繼譯碼錯(cuò)誤產(chǎn)生的系統(tǒng)性能降低問(wèn)題，提出了選擇中繼和增量中繼相結(jié)合的增量選擇解碼前傳(ISDF)[11]中繼系統(tǒng)。該系統(tǒng)明顯地改善了系統(tǒng)性能，降低了中斷概率。在多中繼場(chǎng)景下，增強(qiáng)選擇性機(jī)會(huì)中繼解碼轉(zhuǎn)發(fā)方案[12]首先通過(guò)機(jī)會(huì)中繼策略選擇最優(yōu)中繼，再根據(jù)目的節(jié)點(diǎn)檢測(cè)接收信噪比范圍來(lái)選擇傳輸模式，可獲得較高吞吐量和中斷性能。而混合譯碼放大轉(zhuǎn)發(fā)(HDAF)[13]方案，可改善AF中繼的噪聲放大和DF中繼的錯(cuò)誤傳播問(wèn)題，該方案可根據(jù)信道質(zhì)量自適應(yīng)地在AF和DF協(xié)議間切換，從而提高系統(tǒng)整體性能。為了提高系統(tǒng)頻譜效率，出現(xiàn)了增量混合譯碼放大轉(zhuǎn)發(fā)(IHDAF)[14]方案，且該方案的誤碼率和中斷性能均優(yōu)于IAF和IDF方案。本文作者結(jié)合HDAF方案，在ISAF方案基礎(chǔ)上給出了一種增強(qiáng)選擇的混合譯碼放大轉(zhuǎn)發(fā)(ISHDAF)策略。它通過(guò)引入ARQ方式的增量中繼，并針對(duì)目的節(jié)點(diǎn)反饋信息，分別決定采用非協(xié)作傳輸、源節(jié)點(diǎn)重傳和協(xié)作傳輸，而中繼的協(xié)作傳輸采用HDAF方案，可根據(jù)信道質(zhì)量自適應(yīng)選擇DF或AF協(xié)作。通過(guò)對(duì)所提ISHDAF方案的平均誤比特率、中斷概率和平均頻譜效率的理論分析和數(shù)值仿真，驗(yàn)證了該方案在平均誤比特率和中斷概率等性能方面，相對(duì)ISAF方案都有較大提高，且平均頻譜效率比非增量中繼的HDAF方案也有所提高。

1 系統(tǒng)模型

本系統(tǒng)采用經(jīng)典三節(jié)點(diǎn)兩跳協(xié)作模型，即一源節(jié)點(diǎn)S，一中繼節(jié)點(diǎn)R和一目的節(jié)點(diǎn)D，如圖1所示。假設(shè)各節(jié)點(diǎn)都只有1根全向天線，且采用半雙工模式傳輸。因此，當(dāng)需要源節(jié)點(diǎn)重傳和中繼協(xié)作時(shí)，完成每次傳輸一般分為2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。各節(jié)點(diǎn)可通過(guò)接收數(shù)據(jù)獲得理想信道狀態(tài)信息(CSI)估計(jì)，數(shù)據(jù)在傳輸中受到獨(dú)立同分布加性高斯白噪聲(AWGN)影響。

圖1 三點(diǎn)兩跳協(xié)作系統(tǒng)模型原圖

在第1個(gè)時(shí)隙，源節(jié)點(diǎn)S將信號(hào)s廣播給中繼節(jié)點(diǎn)R和目的節(jié)點(diǎn)D，則D和R接收到的信號(hào)分別為：

(2)

其中：S為源節(jié)點(diǎn)S的發(fā)送功率；sd和sr分別為S-D和S-R鏈路的信道系數(shù)，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；sd和sr均服從均值為0、方差為0的復(fù)高斯隨機(jī)分布的AGWN。目的節(jié)點(diǎn)D通過(guò)估計(jì)的信道質(zhì)量判斷能否正確接收，并決定下個(gè)時(shí)隙的傳輸方式，再通過(guò)廣播的方式通知源節(jié)點(diǎn)S和中繼節(jié)點(diǎn)R。

若目的節(jié)點(diǎn)能正確接收源節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號(hào)，則采用非協(xié)作傳輸方式，源節(jié)點(diǎn)在第2個(gè)時(shí)隙發(fā)送新信息。而目的節(jié)點(diǎn)不能正確接收時(shí)，需根據(jù)S-D鏈路的信道質(zhì)量來(lái)決定采用源節(jié)點(diǎn)重傳或中繼協(xié)作傳輸方式。若采用源節(jié)點(diǎn)重傳方式，則源節(jié)點(diǎn)在第2時(shí)隙將信號(hào)s重傳給目的節(jié)點(diǎn)D，D接收的信號(hào)與式(1)相同。

若采用中繼協(xié)作傳輸，則需中繼節(jié)點(diǎn)根據(jù)估計(jì)出的信道質(zhì)量來(lái)選擇DF還是AF方案。如果S-R鏈路信道狀況較好，中繼能正確譯碼，那么就在第二時(shí)隙采用DF方案轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)給目的節(jié)點(diǎn)D，D接收的信 號(hào)為

其中：R為中繼節(jié)點(diǎn)R的發(fā)送功率；R為中繼節(jié)點(diǎn)R對(duì)s譯碼后得到的信號(hào)；rd為R-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；rd為服從均值為0，方差為0的復(fù)高斯隨機(jī)分布的AGWN。

若中繼不能正確譯碼，則在第二時(shí)隙采用AF方案轉(zhuǎn)發(fā)源節(jié)點(diǎn)信號(hào)，目的節(jié)點(diǎn)接收的信號(hào)為

最后，目的節(jié)點(diǎn)采用最大比合并(MRC)將2個(gè)時(shí)隙接收到的信號(hào)合并得到：

其中：1和2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。

2 增強(qiáng)選擇的混合譯碼放大轉(zhuǎn)發(fā) 策略

HDAF方案具有AF和DF方案的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)避免了它們的缺點(diǎn)。在該方案中，當(dāng)中繼能正確譯碼源節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號(hào)時(shí)，采用DF協(xié)作傳輸，而接收到的信息質(zhì)量不夠好時(shí)，則采用AF方案轉(zhuǎn)發(fā)信息，從而提高系統(tǒng)的誤比特率性能。另外，考慮到S-D鏈路的信道質(zhì)量有可能優(yōu)于R-D鏈路，若源節(jié)點(diǎn)重傳就能保證目的節(jié)點(diǎn)成功接收，則中繼保持沉默，源節(jié)點(diǎn)在第二時(shí)隙重傳信號(hào)，可改善系統(tǒng)中斷性能。同時(shí)，在目的節(jié)點(diǎn)處引入ARQ機(jī)制，目的節(jié)點(diǎn)可根據(jù)S-D鏈路信道質(zhì)量來(lái)決定不同的傳輸方式，并以廣播形式發(fā)送反饋信號(hào)給源和中繼節(jié)點(diǎn)。若目的節(jié)點(diǎn)能正確接收源節(jié)點(diǎn)信息，就不需中繼協(xié)作傳輸，源節(jié)點(diǎn)在下一時(shí)隙可直接發(fā)送下一部分信息，這樣就節(jié)約了網(wǎng)絡(luò)資源，提高了頻譜效率。

假設(shè)源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率相等，即S=R，源節(jié)點(diǎn)S的發(fā)送信噪比=S/0。為了優(yōu)化中斷概率，若第一時(shí)隙目的節(jié)點(diǎn)成功接收信號(hào)，則說(shuō)明S和D之間的傳輸沒(méi)有發(fā)生中斷，此時(shí)直傳模式的互信息量DT需滿足：

若直傳失敗，如要保證源節(jié)點(diǎn)重傳信號(hào)后目的節(jié)點(diǎn)能成功接收，則第二時(shí)隙源節(jié)點(diǎn)重傳的互信息量應(yīng)滿足：

若中繼能正確解碼源節(jié)點(diǎn)信息，則采用DF方案轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)，此時(shí)應(yīng)有，即。因此，在中繼處也設(shè)定門(mén)限，若，則采用AF方案轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)。

綜上所述，ISHDAF方案的具體流程如下：

1) 源節(jié)點(diǎn)廣播發(fā)送信號(hào)s，目的節(jié)點(diǎn)和中繼分別通過(guò)訓(xùn)練序列進(jìn)行理想信道估計(jì)獲得sd和sr，從而得到信道增益和，并根據(jù)信息傳輸速率和信噪比在目的節(jié)點(diǎn)和中繼處設(shè)定門(mén)限。

若采用DF方案，則目的節(jié)點(diǎn)通過(guò)MRC后得到的總瞬時(shí)信噪比為

(9)

如采用AF方案，經(jīng)MRC處理后，目的節(jié)點(diǎn)處的總瞬時(shí)信噪比為

(11)

對(duì)于ISHDAF方案，其傳輸?shù)幕バ畔⒘繛?/p>

(13)

3 性能分析

3.1 平均誤比特率

誤比特率是衡量數(shù)據(jù)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)傳輸精確性的指標(biāo)。ISHDAF方案的平均誤比特率可表示為

其中：DT()和DRT()分別為直傳和源節(jié)點(diǎn)重傳模式下的誤比特率；DF()和AF()分別為采用DF和AF方案協(xié)作傳輸模式下的誤比特率。

另外，對(duì)于瞬時(shí)信噪比，BPSK調(diào)制方式下的條件BER可表示為[16]

其中，函數(shù)的定義為

(16)

基于此瞬時(shí)信噪比關(guān)系，得到BPSK調(diào)制方式下的條件BER關(guān)系為

(18)

由式(19)可得：與ISAF方案相比，ISHDAF方案的平均誤比特率較低。原因是在相同信道質(zhì)量條件下，當(dāng)且時(shí)，由式(18)可知采用DF方案協(xié)作傳輸?shù)恼`比特率比AF方案的要低。

3.2 中斷概率

中斷概率是衡量無(wú)線通信中斷事件發(fā)生頻率的參數(shù)[17]，是系統(tǒng)可靠性傳輸?shù)闹匾笜?biāo)?？紤]到ISHDAF方案中，直傳和源節(jié)點(diǎn)重傳模式均以目的節(jié)點(diǎn)成功接收為目標(biāo)，故中斷事件主要發(fā)生在協(xié)作傳輸中，當(dāng)系統(tǒng)傳輸?shù)幕バ畔⒘啃∮谀繕?biāo)信息傳輸速率時(shí)，便會(huì)發(fā)生中斷。ISHDAF方案的中斷概率可表示為

(20)

把式(21)代入式(20)可得

(22)

由式(22)可看出：ISHDAF方案的中斷概率比ISAF方案的小。同時(shí)，當(dāng)信噪比趨近于正無(wú)窮時(shí)，還可推導(dǎo)出的近似下界值：

(23)

因此，在高信噪比條件下，ISHDAF方案中斷概率的近似下界為

(25)

由式(25)可知：在相同信噪比條件下，即不變時(shí)，中斷概率隨著增大而不斷減小。而在相同S-D信道質(zhì)量條件下，即不變時(shí)，隨著信噪比的增高，不斷降低，中斷概率也不斷減小，且當(dāng)信噪比趨于正無(wú)窮時(shí)，中斷概率趨近于其近似下界值。

3.3 平均頻譜效率

平均頻譜效率表示單位頻帶、單位時(shí)間里能夠正確傳輸?shù)男畔ⅰ＿@里令帶寬=1 Hz，則頻譜效率bit(s?Hz)?1。對(duì)于HDAF方案，頻譜效率固定為/2。而對(duì)于ISHDAF方案，源節(jié)點(diǎn)直傳的頻譜效率為，源節(jié)點(diǎn)重傳和中繼協(xié)作傳輸?shù)念l譜效率均為/2。因此，ISHDAF方案的平均頻譜效率可表示為

(26)

由式(26)可知：ISHDAF方案的平均頻譜效率比HDAF方案的高。而且，隨著增大，即S-D鏈路信道質(zhì)量的改善，平均頻譜效率也會(huì)不斷提高。

4 數(shù)值仿真

對(duì)經(jīng)典三節(jié)點(diǎn)兩跳協(xié)作通信場(chǎng)景進(jìn)行數(shù)值仿真。仿真參數(shù)設(shè)置如下：源和中繼節(jié)點(diǎn)的符號(hào)發(fā)送功率均為0.5 W，即S=R=0.5 W，信息傳輸速率=1bit/s。各信道為獨(dú)立Rayleigh信道，其加性高斯白噪聲功率相等，采用未編碼信道，調(diào)制方式為BPSK。

1—ISHDAF；2—ISAF；3—ISDF；4—Ideal ISDF。

：1—0.1；2—1；3—10。

1—ISHDAF；2—ISAF；3—HDAF。

：1—0.1；2—1；3—10。

：1—0.1；2—1；3—10；4—HDAF。

此外，ISAF方案在一次協(xié)作通信過(guò)程中，目的節(jié)點(diǎn)需1次門(mén)限值計(jì)算、2次門(mén)限比較及1 bit反饋開(kāi)銷，協(xié)作傳輸則直接采用AF方案。而在ISHDAF方案中，除了目的節(jié)點(diǎn)處1次門(mén)限值計(jì)算、2次門(mén)限比較及1 bit反饋開(kāi)銷外，中繼也需1次門(mén)限值計(jì)算和1次門(mén)限比較，從而能夠自適應(yīng)地選擇AF或DF協(xié)作傳輸。與ISAF方案相比，ISHDAF方案在中繼處多了1次門(mén)限值計(jì)算和門(mén)限比較，且中繼要同時(shí)具備AF和DF機(jī)制，增加了中繼的復(fù)雜性。因此，ISHDAF方案的系統(tǒng)復(fù)雜度比ISAF方案高，采用ISHDAF方案進(jìn)行協(xié)作通信仿真的耗時(shí)也比ISAF方案的多。但根據(jù)上述理論分析可知：與ISAF方案相比，ISHDAF方案的系統(tǒng)誤比特率和中斷性能都有所提高。

因此，根據(jù)上述仿真結(jié)果及分析可知：本文提出的ISHDAF方案比ISAF方案在中繼處增加了1次門(mén)限值計(jì)算和門(mén)限比較，且中繼處理信號(hào)的復(fù)雜性也有所提高。但是，該方案能以犧牲微小的系統(tǒng)復(fù)雜度為代價(jià)，有效改善了系統(tǒng)誤比特率和中斷性能。

5 結(jié)論

1) 相對(duì)ISAF方案，ISHDAF方案的平均誤比特率和中斷概率均得到了不同程度的降低，故該策略可改善AF方案的噪聲放大和DF方案的錯(cuò)誤傳輸問(wèn)題。

2) 由于引入了ARQ機(jī)制，ISHDAF方案的平均頻譜效率比HDAF方案的高。

3) 在三節(jié)點(diǎn)兩跳協(xié)作通信場(chǎng)景下進(jìn)行數(shù)值仿真，較好地驗(yàn)證了所提方案的優(yōu)越性。

4) ISHDAF方案除了能提高HDAF方案頻譜效率外，與ISAF方案相比，還能以微小的系統(tǒng)復(fù)雜度為代價(jià)，較好地改善了平均誤比特率和中斷性能。

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(編輯 趙俊)

Incremental selection strategy of hybrid decode-amplify forward with performance analysis

ZHANG Jianwu1, JIANG Jing1, BAO Jianrong1, 2, JIANG Bin1, LIU Chao1

(1. School of Communication Engineering, Hangzhou Dianzi University, Hangzhou 310018, China;2. National Mobile Communications Research Laboratory, Southeast University, Nanjing 210096, China)

In order to solve the problems of the noise amplification in amplify-and-forward scheme and the error propagation in decode-and-forward scheme, in the wireless cooperative communication systems, an incremental selection hybrid decode-amplify forward strategy was proposed based on current hybrid decode-amplify forward method. The results show that the proposed method can improve the spectrum efficiency of the hybrid decode-amplify forward system. In addition, the bit error rate (BER) and outage performance of the proposed scheme quite outperform that of the current incremental selection amplify forward scheme as follows. At an average BER of 10?5, it obtains about 1 dB performance gain than incremental selection amplify forward scheme. And the outage performance improves about 1.2 dB and 0.7 dB at outage probability of 10?2, compared with the current hybrid decode-amplify forward scheme and incremental selection amplify forward scheme, respectively.

incremental selection; hybrid decode-amplify forward; bit error rate; outage probability; spectrum efficiency

10.11817/j.issn.1672?7207.2017.06.018

TN929.5

A

1672?7207(2017)06?1545?07

2016?09?23；

2016?12?07

浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(LZ14F010003)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(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(2014D02)；浙江省公益性技術(shù)應(yīng)用研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(2015C31103)；中國(guó)博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2014M561555)(Project (LZ14F010003) supported by the Zhejiang Provincial Natural Science Foundation of China; Project (61471152) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project (2014D02) supported by the Open Research Fund of National Mobile Communications Research Laboratory, Southeast University of China; Project (2015C31103) supported by the Zhejiang Provincial Science and Technology Plan Project of China; Project (2014M561555) supported by the China Postdoctoral Science Foundation)

包建榮，博士，副教授，從事空間無(wú)線通信與編碼研究；E-mail: baojr@hdu.edu.cn