基于定向天線的多中繼DF協(xié)作通信系統(tǒng)性能分析

王明偉，張會(huì) 生，李 立欣，何立 風(fēng)

（1.西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院，陜西 西安 710072；2.陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710021）

基于定向天線的多中繼DF協(xié)作通信系統(tǒng)性能分析

王明偉1，2，張會(huì) 生1，李 立欣1，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 710072；2.陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710021）

為提高多中繼協(xié)作通信系統(tǒng)可靠性，將定向天線和多中繼協(xié)作通信系統(tǒng)相結(jié)合，提出基于定向天線的解碼轉(zhuǎn)發(fā)最佳中繼選擇協(xié)作策略。首先理論推導(dǎo)出定向發(fā)送—定向接收模式下通信系統(tǒng)中斷概率閉合表達(dá)式，并推導(dǎo)出定向發(fā)送—全向接收、全向發(fā)送—全向接收模式下的系統(tǒng)中斷概率計(jì)算式。 然后對(duì) 3 種模式下，協(xié)作通信系統(tǒng)中斷概率和信噪比、中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)、天線增益、信道衰落系數(shù)以及信道容量之間的關(guān)系進(jìn)行了數(shù)值仿真分析。 理論分析和仿真結(jié)果表明，采用定向天線的協(xié)作通信系統(tǒng)可以有效降低協(xié)作通信系統(tǒng)中斷概率，提高頻譜利用率，并且存在最佳中繼節(jié)點(diǎn)和最優(yōu)功率分配系數(shù)使得中斷概率進(jìn)一步下降。

協(xié)作通信；定向天線；機(jī)會(huì)中繼；中斷概率；解碼轉(zhuǎn)發(fā)

1 引言

協(xié)作通信技術(shù)通過用戶之間彼此共享天線而引入空間分集，有效地對(duì)抗無線信道的多徑衰落，并帶來了系統(tǒng)性能的提升，如信道容量、分集增益、誤碼特性等。對(duì)協(xié)作通信技術(shù)的研究現(xiàn)已成為無線通信領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一，但其主要研究方向不考慮天線的方向性和功率增益對(duì) 傳 輸 信 號(hào) 的 影 響 ，即 基 于 全 向 天 線 模 式［1-3］。現(xiàn) 代 定 向天線的技術(shù)研究表明定向天線在功率增益、信號(hào)傳輸距離和指向性等方面優(yōu)于全向天線。這是因?yàn)槎ㄏ蛱炀€電磁波波束具有較小的成形角度，不但能把信號(hào)功率更集中地發(fā)送到需要通信的方向上，還能減少對(duì)非通信方向上的信號(hào)干擾，增加了信道的空間復(fù)用率。在需要射頻隱身的特殊通信場(chǎng)合，如軍事領(lǐng)域，采用定向天線可以避 免 信 號(hào) 被 偵 聽 與 干 擾 ，較好地實(shí)現(xiàn)了射頻隱身的 目 的［4］。隨著定向天線的制造與應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代定向天線朝著智能化和小型化方向發(fā)展，這使其應(yīng)用領(lǐng)域更加廣闊。正是因?yàn)槎ㄏ蛱炀€的這些優(yōu)點(diǎn)，已有諸多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究，形成了較為完整的定向天線理論和定向天線 通 信 系 統(tǒng) ， 如 Kim E 、Redi J 等 人 研 究 了 定 向 天 線 在Ad Hoc 網(wǎng) 絡(luò) 中 的 應(yīng) 用［5，6］，Nadeem T 等 人 研 究 了 定 向 天線 在 無 線 網(wǎng) 絡(luò) 中 的 應(yīng) 用［7］。

關(guān)于協(xié)作通信和定向天線的單方面研究很多，但將定向天線和協(xié)作通信系統(tǒng)結(jié)合起來的研究基本上還處于起 步階段。參考文獻(xiàn)［4，8］指出，采用定向 天 線三節(jié)點(diǎn) 協(xié)作 通 信 單 中 繼 節(jié) 點(diǎn) 解 碼 轉(zhuǎn) 發(fā) （decode-and-forward relaying，DF ）和 放 大 轉(zhuǎn) 發(fā) （amplify-and-forward，AF）策 略 的 協(xié) 作 通信系統(tǒng)，可以有效降低 BPSK 系統(tǒng)誤碼率（SER）；參考文獻(xiàn) ［9，10］推 導(dǎo) 出 雙 向 單 中 繼 AF、多 中 繼 AF 協(xié) 作 通 信 系統(tǒng)中斷概率的上下界，說明采用定向天線可以有效降低系統(tǒng)中斷概率。

本文對(duì)定向天線技術(shù)應(yīng)用于協(xié)作通信系統(tǒng)進(jìn)行了進(jìn)一步探索性研究。以采用定向天線的多中繼 DF協(xié)作通信 系 統(tǒng) 為 研 究 對(duì) 象 ， 在 傳 統(tǒng) 選 擇 式 信 號(hào) 合 并 （selection combining，SC）的 基 礎(chǔ) 上 提 出 最 佳 中 繼 選 擇 協(xié) 作 策 略 。從 理論上推導(dǎo)了協(xié)作通信系統(tǒng)中斷概率，并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證和分析。為實(shí)現(xiàn)仿真環(huán)境更加接近于實(shí)際信道衰落環(huán)境而更具一般性，提出了服從瑞利衰落的等分指數(shù)衰減信道模型。結(jié)論表明，采用定向天線可以有效提升協(xié)作通信系統(tǒng)的傳輸性能。

2 系統(tǒng)模型

2.1 定向天線模型

根據(jù)天 線方向性的不同 ，天線分為全 向和 定向兩種［11］。全向天線向全空域各個(gè)角度都輻射電磁波，通信距離近，增益小，多應(yīng)用于小范圍通信。定向天線一般應(yīng)用于通信距離遠(yuǎn)，功率增益明顯的通信系統(tǒng)。假設(shè)通信系統(tǒng)收發(fā)端均采用定向天線，則該通信系統(tǒng)收發(fā)端的功率關(guān)系可用方程描述為：

其中，PT表示發(fā)射功率。α 為損耗常數(shù)，r為路徑衰減因子，一般取 2≤r≤4。GT表示發(fā)射端的定向天線增益，是指天線在某個(gè)范圍內(nèi)（由方位角和仰角決定）發(fā)射的輻射能量的一個(gè)度量，GR表示接收端的定向天線增益，是天線在該區(qū)域內(nèi)收集到的輻射能量的一個(gè)度量。式（1）也稱為基本 鏈 路 預(yù) 算 （link budget）方 程 。方 程 說 明 了 采 用 定 向 天線時(shí)，無線鏈路傳輸特性接收功率和發(fā)射功率之間的關(guān)系 。若 GT=GR=0 dB，定 向 天 線 退 化 為 全 向 天 線 ，對(duì) 信 號(hào) 功率沒有增強(qiáng)。天線增益因子 GT和 GR在實(shí)際中約為 15 dB。

2.2 多中繼協(xié)作策略

假設(shè)定向天線波束指向具有小的成形角度，某個(gè)時(shí)刻單個(gè)節(jié)點(diǎn)無法實(shí)現(xiàn)全區(qū)域的廣播通信，僅能覆蓋某一方向上的節(jié)點(diǎn)，因此需要在源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)采用多根定向天線實(shí)現(xiàn)全空域覆蓋。假設(shè)在中繼節(jié)點(diǎn)密度不大時(shí)，考慮一個(gè)采用定向天線的多中繼節(jié)點(diǎn)的半雙工雙跳模型，如圖 1所示。 基于實(shí)際通信環(huán)境，源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)由于障礙物的阻擋沒有直接通信的可能，中繼節(jié)點(diǎn)分布于障礙物周圍且能夠和源節(jié)點(diǎn)、目的節(jié)點(diǎn)直接通信。也就是說，源節(jié)點(diǎn) S只能通過中繼節(jié)點(diǎn)R向目的節(jié)點(diǎn)D發(fā)送信息。源節(jié)點(diǎn)采用多個(gè)定向發(fā)送天線，中繼節(jié)點(diǎn)采用定向發(fā)送—定向接收天線，目的節(jié)點(diǎn)采用定向接收天線?？紤]到采用最佳中繼轉(zhuǎn) 發(fā) ，信 息 傳 輸 過 程 中 有 K 個(gè) 中 繼 ，Srelay=｛1，2，… ，K｝。 協(xié) 作通信過程具體描述為源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)一次傳輸過程包含兩個(gè)階段：第一階段，源節(jié)點(diǎn)向中繼節(jié)點(diǎn)定向發(fā)送信息，中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)來自源節(jié)點(diǎn)的信息定向接收并進(jìn)行解碼；第二階段，從所有正確解碼的中繼節(jié)點(diǎn)中選擇最佳中繼，僅由該節(jié)點(diǎn)采用定向方式向目的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)信息，目的節(jié)點(diǎn)定向接 收 。該 策 略 不 同 于 傳 統(tǒng) 選 擇 合 并 （selection combining，SC）策略，當(dāng)最佳中繼被選中后，其他中繼節(jié)點(diǎn)不再轉(zhuǎn)發(fā)信息，保持靜默，節(jié)省了功率。

圖1 多中繼協(xié)作通信示意

假設(shè)協(xié)作通信系統(tǒng)無線傳輸?shù)男诺捞匦苑臏?zhǔn)靜態(tài) 瑞 利 平 坦 衰 落 （quasi-static flat Rayleigh fading），信 道信息已知，且在一次傳輸中保持不變。對(duì)于任意兩個(gè)通信 節(jié) 點(diǎn) A 和 B，信 道 狀 態(tài) hAB統(tǒng) 計(jì) 特 性 已 知 ，如 果 存 在一次 A 到 B 的傳輸鏈路 A→B，節(jié)點(diǎn) B 的接收信號(hào)可以表示為：

其 中 ，nB～CN（0，N0）為 節(jié) 點(diǎn) B 的 附 加 高 斯 白 噪 聲（additive Gaussian white noise，AWGN）。 xA是 節(jié) 點(diǎn) A 的 發(fā)射信號(hào)。hAB為節(jié)點(diǎn) A、B 之間的信道增益（衰落幅值），為一個(gè)隨機(jī)變量，滿足瑞利衰落，其均方值為 ΩAB。設(shè)信道功率 增 益 η?|hAB|2，則 其 概 率 密 度 函 數(shù) PDF 服 從 指 數(shù) 分 布η～γ（1／ΩAB），即：

若 A 是源節(jié)點(diǎn)，那 么 E｛|xA|2｝=PS。同樣，若 A 為 第 k 個(gè)中 繼 ，那 么 E｛|xA|2｝=Pk。源 節(jié) 點(diǎn) S 到 中 繼 節(jié) 點(diǎn) k 的 S→k鏈路以及中繼節(jié)點(diǎn) k到目的節(jié)點(diǎn) D 的 k→D 鏈路的接收信號(hào)平均信噪比為 γSk=ΩSkPS／N0和 γkD=ΩkDPk／N0。結(jié) 合 式 （1）和式（2），得到定向天線的協(xié)作通 信 系 統(tǒng)模型一般 表達(dá)式為：

3 性能分析

由于定向天線不存在信號(hào)廣播，源節(jié)點(diǎn)配置多個(gè)定向天線覆蓋對(duì)應(yīng)的K個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)。為了達(dá)到與采用全向天線

其 中 ，SNR=Ptotal／N0， ηSk＇為 信 道 功 率 增 益 系 數(shù) ， ηSk＇= GTGR|hSk|2。源 節(jié) 點(diǎn) 功 率 滿 足 如 下 約 束 條 件 ：

其 中 ，Ptotal為 系 統(tǒng) 傳 輸 總 功 率 ，ζ為 總 功 率 分 配 給源 節(jié) 點(diǎn) 的 功 率 分 配 系 數(shù) ，且 ζ∈（0，1］，1-ζ∈［0，1）。源 節(jié)點(diǎn) 到 一 個(gè) 中 繼 節(jié) 點(diǎn) 通 信 使 用 功 率 Psource／K 。 中 繼 滿 足 功率約束條件：

其 中 ，K 為 中 繼 的 個(gè) 數(shù) ，Psource為 源 節(jié) 點(diǎn) 發(fā) 射 功 率 ，Prelay為 中 繼 節(jié) 點(diǎn) 總 功 率 。對(duì) 于 包 含 K 個(gè) 中 繼 節(jié) 點(diǎn) 的 集 合 Srelay，滿足式（5）才能夠正確解碼，因此協(xié)作通信信息傳輸中的第一階段源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)不會(huì)發(fā)生中斷事件的中繼構(gòu)成集合 Dl為：直接傳輸相 同 的 頻 譜 效 率 為 R bit／s，采 用 了 2 個(gè) 時(shí) 隙 進(jìn) 行傳輸?shù)膮f(xié)作通信策略，源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)不發(fā)生中斷的條件為：

設(shè) Dl?Srelay，l 為 子 集 基 數(shù) 。l 不 為 零 ，表 示 存 在 源 節(jié) 點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)不發(fā)生中斷的信號(hào)傳輸鏈路，中繼節(jié)點(diǎn)能夠正確解碼。在協(xié)作通信信息傳輸?shù)牡谝浑A段不發(fā)生中斷的概率為：

在協(xié)作通信信息傳輸?shù)牡诙A段，若中繼節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)通信不發(fā)生中斷，至少存在一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)能夠成功進(jìn)行信號(hào)解碼轉(zhuǎn)發(fā)，目的節(jié)點(diǎn)成功完成接收和解碼，否則協(xié)作系統(tǒng)發(fā)生中斷事件。多中繼節(jié)點(diǎn) DF協(xié)作通信系統(tǒng)總的中斷概率為：

其 中

其遍歷了 能正確解碼的 l中 繼 節(jié)點(diǎn)組成 的 CKl個(gè)子集 。Pr｛outage|Dl｝為 中 繼 k 到 目 的 節(jié) 點(diǎn) D 的 通 信 鏈 路 發(fā) 生 中斷的條件概率，為：。 對(duì) 于GTGRΩkD。為中繼解碼轉(zhuǎn)發(fā)中選擇的最 佳 中 繼 條 件 。

其 中結(jié)合式（9）、式（10）和式（11），按照最佳中繼選擇思想，采用定向天線和最佳中繼選擇的多中繼 DF（MR-DF）協(xié)作通信系統(tǒng)中斷概率為：

利用等式：

化簡(jiǎn)式（13）為：

若源節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)均采用定向發(fā)送—全向 接 收 ，天 線 增 益 GT≠0 dB ，GR=0 dB ，此 時(shí) 系 統(tǒng) 中 斷 概率為：

若源節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)均采用全向發(fā)送—全向 接 收 ，天 線 增 益 GT=0 dB，GR=0 dB，為 保 證 比 較 的 公 平性，源節(jié)點(diǎn)全向天線發(fā)送功率為定向天線的 K 倍，中斷概率為：

從式（15）～式（17）的理論分析結(jié)果，可以看到基于定向天線和機(jī)會(huì)中繼的多中繼節(jié)點(diǎn)協(xié)作通信亦可以獲得滿分集增益。

4 仿真與分析

為使仿真環(huán)境接近實(shí)際信道衰落環(huán)境，提出信道衰落假設(shè)滿足等分指數(shù)衰減，即及，δ1= δ2=δ≥0，k=1，2，…，K，δ1和 δ2分別為源節(jié)點(diǎn)到中繼和中 繼 到目的節(jié)點(diǎn)鏈路功率衰減系數(shù)，描述不同信道衰落程度。設(shè)ΩS1=Ω1D=1 為 信 道 平 均 功 率 衰 減 系 數(shù) 參 考 值 。

圖2顯示在設(shè)定的信道、中繼節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)及功率分配條件下 DT-DR、DT-OR 和 OT-OR 協(xié)作通信系統(tǒng)中斷概率和信噪比之間關(guān)系的比較曲線。仿真設(shè)定條件：頻譜效率 R= 1 bit／（s·Hz）；源 節(jié) 點(diǎn) 和 最 佳 中 繼 節(jié) 點(diǎn) 等 功 率 分 配 ζ=0.5；δ1= δ2=δ，δ=0、0.5、1；定 向 天 線 增 益 GT=15 dB，GR=15 dB。作 為 例子，任意中繼節(jié)點(diǎn)數(shù) K=4。圖 2 顯示隨著信噪比的增加系統(tǒng)誤碼率迅速下降，且對(duì)應(yīng)曲線斜率基本一致，說明增加系統(tǒng)信噪比有利于系統(tǒng)性能的改善。從圖2可看出在上述假設(shè)條件下 DT-DR 系統(tǒng)性能優(yōu)于 DT-OR 系統(tǒng)性能，優(yōu)于 OT-OR系統(tǒng)性能。尤其 DT-DR 協(xié)作通信系統(tǒng)在小信噪比的情況下體現(xiàn)出很好的性能，適合于傳輸功率小或信道衰落大的環(huán)境 ，圖 2 中 顯 示 在 相 同 的 中 斷 概 率 （如 Poutage=10-4）情 況 下 ，DT-DR 協(xié)作通信系統(tǒng)相比 DT-OR 協(xié)作通信所需功率減少15 dB，DT-OR 協(xié)作通信系統(tǒng)相比 OT-OR 協(xié) 作 通 信 系 統(tǒng) 所需功率減少 12 dB，性能改善是相當(dāng)可觀的。這種性能改善的主要原因是引入了定向天線功率增益。

圖3顯示了中斷概率和定向發(fā)射天線增益之間的關(guān)系 。設(shè) DT-DR 系 統(tǒng)天 線 增 益 GT=GR=G，系 統(tǒng)工 作 在 小 信噪 比 環(huán) 境 SNR=5 dB， 中 繼 節(jié) 點(diǎn) 數(shù) K=4，ζ=5， 頻 譜 效 率R=1 bit／（s·Hz）。其 他 信 道 條 件 設(shè) 置 ΩS1=Ω1D=1，δ1=δ2=δ，δ=0、0.5、1。圖 3 顯示，隨 著 定 向 天 線 增 益 的 增 加 ，DT-DR 系 統(tǒng)誤碼率隨之下降。這是因?yàn)楦鞴?jié)點(diǎn)的天線增益可以有效提高各節(jié)點(diǎn)的接收功率和信噪比。

圖2 中斷概率和信噪比關(guān)系

圖3 中斷概率和定向天線增益之間的關(guān)系

圖4 顯示協(xié)作通信系統(tǒng)性能在不同信道環(huán)境下 DT-DR、DT-OR 和 OT-OR 協(xié)作通信系統(tǒng)性能分析和比較。 不失一般 性 ，設(shè) 置 仿 真 參 數(shù) δ1=δ2=δ。對(duì) 于 DT-DR，設(shè) 天 線 增 益 GT= 15 dB，GR=15 dB。對(duì) 于 DT-OR，GT=15 dB，GR=0 dB；SNR= 15 dB，K=4；ζ=0.5。 從 圖 4 可 以 看 出 ，DT-DR 協(xié) 作 通 信 系統(tǒng)在不同的信道環(huán)境，尤其是深衰落信道環(huán)境，系統(tǒng)性能仍可滿足通信要求，而 OT-OR 通信系統(tǒng)能正常工作需要較好的信道環(huán)境。

圖5 顯示 DT-DR 系統(tǒng)中斷概率在信道分布參數(shù) （δ= 0，0.5，1）條 件 下 與 中 繼 節(jié) 點(diǎn) 的 個(gè) 數(shù) 關(guān) 系 。設(shè) 定 仿 真 條 件 為功 率 分 配 系 數(shù) ζ=0.5，頻 譜 效 率 R=1 bit／（s·Hz）。天 線 增 益GT=15 dB，GR=15 dB ，弱 信 號(hào) 條 件 SNR=10 dB。從 圖 5 可 以看出，DT-DR 協(xié)作通信系統(tǒng)的性能和節(jié)點(diǎn)數(shù)之間的關(guān)系為一下 凸函數(shù)關(guān)系，存在最佳中繼數(shù) K*，在 中 繼數(shù)大于 K*時(shí)，DT-DR 系統(tǒng)性能逐漸降低，說明定向天線帶來的增益已經(jīng)不能夠補(bǔ)償源節(jié)點(diǎn)采用多根定向天線的功率損耗。結(jié)合式（15）進(jìn)行分析，最佳中繼數(shù) K*和信噪比、信道衰落環(huán)境有關(guān)。DT-OR 系統(tǒng)可以得到類似結(jié)論。

圖4 中斷概率和信道衰落系數(shù)關(guān)系

圖5 DT-DR 系統(tǒng)中斷概率和中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)關(guān)系

圖6 顯示在不同信道環(huán)境下（δ=0，0.5，1），DT-DR、DT-OR與 OT-OR 協(xié) 作 通 信 系 統(tǒng) 在 K=4，SNR=5 dB，ζ=0.5 的 條 件下，中斷概率和頻譜效率之間的關(guān)系。由圖 6 中可以看出，即使在小信噪比和深衰落信道環(huán)境下，采用定向天線可以有效提高系統(tǒng)頻譜效率。

圖6 中斷概率和頻譜效率關(guān)系

圖7 顯 示 了 DT-DR 和 DT-OR 協(xié) 作 通 信 系 統(tǒng) 中 斷 概率和功率分配系數(shù)ζ之間的關(guān)系。定向天線增益設(shè)置為GT=15 dB，GR=15 dB。 圖 7（a） 設(shè) 置 仿 真 參 數(shù) 為 δ=0.5，K=4，SNR=5 dB，10 dB，15 dB。圖 7（b）設(shè) 置 仿 真 參 數(shù) 為 δ=1，其他同圖 7（a）。圖 7（c）設(shè)置仿真參數(shù)為 δ=0.5，節(jié)點(diǎn)數(shù) K=4，12；SNR=15 dB。為 和 OT-OR 進(jìn) 行 比 較 ， 圖 7（d） 設(shè) 置 δ=0.5，1；K=4，12；SNR=20 dB，25 dB。從圖 7（d）可以得出，對(duì)于 OT-OR協(xié) 作 通 信 系 統(tǒng) ，源 節(jié) 點(diǎn) 和 中 繼 節(jié) 點(diǎn) 按 照 等 功 率 分 配 ζ*=0.5是最優(yōu)的，與中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)、SNR 和信道衰落系數(shù)無關(guān)。從圖7（a）、圖 7（b）、圖 7（c）看到 DT-DR 協(xié)作通信 系統(tǒng)，為獲得 最 好 系 統(tǒng) 性 能 ，選 擇 的 最 佳 功 率 分 配 系 數(shù) ζ*與 系 統(tǒng)SNR、天 線 增 益 GT和 GR、信 道 衰 減 系 數(shù) δ無 關(guān) ，只 與 中 繼節(jié)點(diǎn)數(shù) K 有關(guān)，并且隨著中繼節(jié) 點(diǎn) 數(shù) K 的增加 而 偏 大，即對(duì) 于 DT-DR 協(xié) 作 通 信 系 統(tǒng) ，源 節(jié) 點(diǎn) 的 發(fā) 射 功 率 Psource與 總功 率 Ptotal的 比 值 ζ大 于 1／2 且 小 于 1， 而 最 佳 中 繼 節(jié) 點(diǎn) 的最 優(yōu) 功 率 Prelay與 總 功 率 Ptotal的 比 值 1-ζ大 于 0 且 小 于 1／2。這就意味著，對(duì)于 DT-DR 協(xié)作通信系統(tǒng)，應(yīng)該始終把更多的功率分配給源節(jié)點(diǎn)，較少的功率分配給中繼。這是因?yàn)樵诓捎枚ㄏ蛱炀€的情況下，隨著中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加，源節(jié)點(diǎn)需要利用更多的時(shí)隙，消耗更多的功率進(jìn)行發(fā)送，為了獲得期望的協(xié)作分集性能，源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)的鏈路和中繼節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)鏈路應(yīng)該進(jìn)行合理的平衡，以保證中繼正確譯碼。同時(shí)，也說明若中繼節(jié)點(diǎn)不能正確譯碼，則中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的功能就不那么重要了，給源節(jié)點(diǎn)分配更多地功率就顯得合理。

圖7 中斷概率和最優(yōu)功率分配系數(shù)之間的關(guān)系

5 結(jié)束語

提出了定向天線結(jié)合最佳中繼選擇策略協(xié)作通信系統(tǒng)，推導(dǎo)出采用定向天線 DT-DR 系統(tǒng)中斷概率閉合表達(dá)式，進(jìn)一步推導(dǎo)出 DT-OR 與 OT-OR 的中斷概率公式。結(jié)論表明，定向天線有利于降低最佳中繼選擇協(xié)作通信系統(tǒng)中斷概率，提高頻譜效率，適合小信噪比和深衰落信道環(huán)境下的可靠通信。DT-DR 協(xié)作通信系統(tǒng)存在最佳中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)，使得系統(tǒng)性能最優(yōu)。分析結(jié)果同時(shí)表明，當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)給定時(shí)，源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)采用不等功率分配，可以進(jìn)一步降低系統(tǒng)中斷概率。分配系數(shù)只與中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)有關(guān)而與信噪比、天線增益、信道衰落環(huán)境無關(guān)。

總之，基于定向天線和最佳中繼選擇 DF協(xié)作通信系統(tǒng)在提供系統(tǒng)分集增益的同時(shí)增加了信道容量，降低了中斷概率，有效節(jié)省系統(tǒng)傳輸功率，因而其有著廣闊的應(yīng)用空間。

［1］ DING M， LUO H.Multi-pointcooperativecommunication systems：theory and applications ［J］.Signals&Communication Technology，2013，27（4）：765-767.

［2］ RAY K，LIU J，AHMED S，et al.Cooperative communications andnetworking［M］.London：Cambridge University Press，2010.

［3］ ZHUANG W，ISMAIL M.Cooperation in wireless communication networks［J］.IEEE Wireless Communications，2012，19（2）：10-20.

［4］ 檀蕊蓮，柏鵬，李哲，等.基于定向天線的 DF 協(xié)作通信系統(tǒng)SER 性能分析［J］. 系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2014（6）：1185-1190. TAN R L，BAI P，LI Z，et al.Performance analysis of SER in DF cooperative communication system based on directional antenna［J］. Systems Engineering and Electronics，2014（6）：1185-1190.

［5］ KIM E，YOUM S.Selective cooperative transmission in Ad Hoc networks with directional antennas ［J］.International Journal of Distributed Sensor Networks，2013，43（1）：51-55.

［6］ RAMANATHAN R，REDI J，SANTIVANEZ C，et al.Ad hoc networking with directional antennas：a complete system solution［J］. IEEE Journal on Selected Areas in Communications，2005，23（3）：496-506.

［7］ NADEEM T.Analysis and enhancements for IEEE 802.11 networks using directional antenna with opportunistic mechanisms ［J］.IEEE Transactions on Vehicular Technology，2010，59（6）：3012-3024.

［8］ TAN R L.Performance analysis of directional cooperative communication system ［J］.International Conference on Computer，Communications and Information Technology，2014：362-365.

［9］ 王徐華，柏鵬，李明陽，等.基于定向天線的多中繼節(jié)點(diǎn)的 AF協(xié)同通信系統(tǒng)性能研究［J］. 系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2013，35（3）：624-628. WANG X H，BAI P，LI M Y，et al.Performance analysis of multi-relays AF cooperative communication system based on directional antenna ［J］.Systems Engineering and Electronics，2013，35（3）：624-628.

［10］王徐華，柏鵬，李明陽.定向天線的雙向單中繼 AF 協(xié)同通信技術(shù)［J］. 空軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，14（2）：56-60. WANG X H，BAI P，LI M Y，et al.Research on bidirectional single relay AF cooperative communication technology based on directionalantenna ［J］.JournalofAirForce Engineering University （Natural Science Edition），2013，14（2）：56-60.

［11］HAYKIN S S，MOHER M.Modern wireless communication ［M］. New Jersey：Prentice Hall，2004：9-13.

Performance analysis of multi-relay DF cooperative communication system based on directional antenna

WANG Mingwei1，2，ZHANG Huisheng1，LI Lixin1，HE Lifeng2
1.School of Electronics and Information，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China 2.School of Electrical and Information Engineering，Shaanxi University of Science&Technology，Xi’an 710021，China

In order to achieve reliable communication in multi-relay cooperative communication，the directional antenna combining multi-relay cooperative communication system and optimal relay selection decode-and-forward cooperative strategy was presented.Firstly，the theoretical closed form of outage probability of the communication system using directional antenna operating in the three modes of DT-DR，DT-OR and OT-OR were presented.Then for three kinds mode，the collaboration communication system interrupt probability and signal-to-noise ratio，the number of relay nodes，the antenna gain channel fading efficiency and relationship between the channel capacity were analyzed in numerical simulation.These findings reveal that excellent performance of cooperative communication system with directional antennas could be achieved such as smaller outage probability and improved by best relay nodes and optimal power allocation coefficient.

cooperativecommunication，directionalantenna，optimalrelayselection，outageprobability，decode-and-forward

TN914

：A

10.11959／j.issn.1000-0801.2016180

王明偉（1976-），男，西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院博士生，陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院副教授，主要研究方向?yàn)闊o線協(xié)作通信。

張會(huì)生（1955-），男，西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)橥ㄐ畔到y(tǒng)理論與技術(shù)、多媒體通信與組網(wǎng)技術(shù)。

李立欣（1979-），男，博士，西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院副教授、碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)橥ㄐ排c信息系統(tǒng)。

何立風(fēng)（1963-），男，博士，陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)樾盘?hào)處理。

2016-02-13；

：2016-06-15

中 國(guó)博 士 后科 學(xué) 基 金 資 助 項(xiàng) 目（No.2014M552489）；中 央 高 校 基 本 科 研 業(yè) 務(wù) 費(fèi) 專 項(xiàng) 資 金 資 助 項(xiàng) 目 （No.3102014JCQ01052）；陜 西省科技廳基礎(chǔ)研究項(xiàng)目（No.2016JM6062）；陜西省咸陽市科技局自然科學(xué)專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目（No.2015K03-17）

Foudation Items：China Postdoctoral Science Foundation Projects （No.2014M552489），The Central University Basic Business Expenses Special Funding for Scientific Research Projects （No.3102014JCQ01052），Natural Science Foundationof Shaanxi Provincial Science and Technology Department（No.2016JM6062），Science and Natural Science Special Projects of Shaanxi Xianyang （No.2015K03-17）