無線系統(tǒng)下選擇性中繼的中斷概率分析

王東昱 張永健

1. 北方工業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院 北京 100144；

2. 國際關(guān)系學(xué)院 信息科技系 北京 100091

引言

在無線通信環(huán)境中，由多徑信道引起的頻率選擇性衰落可以通過空間分集技術(shù)來補償。為了有效地對抗多徑衰落，可以采用空間分集的方式，利用天線陣列進行多發(fā)送多接收模型。在這種情況下，基于協(xié)同通信的空間分集技術(shù)被提出來[1-3]。在協(xié)同通信系統(tǒng)中，多天線發(fā)射分集陣列可以劃分為固定中繼方式和可選擇中繼方式，固定中繼方式在傳輸時，沿著確定的鏈路進行數(shù)據(jù)傳輸，而可選擇中繼方案可以根據(jù)中繼點的傳輸情況，選擇合適的中繼，提高通信系統(tǒng)的容量和傳輸速率。目前，協(xié)同通信技術(shù)是4G-LTE通信領(lǐng)域的研究熱點。

1 DF協(xié)同通信系統(tǒng)模型

如圖1所示，DF協(xié)同系統(tǒng)可以表示為一個發(fā)送源s，M-1個中繼r，以及一個接收端d共同組成的模型。系統(tǒng)中利用OFDM子載波承載傳輸信道，采用OFDM正交子載波把數(shù)據(jù)發(fā)送出去，從而可以有效地克服數(shù)據(jù)之間的干擾。發(fā)送端s在第一個子載波中向M-1個中繼和接收端d進行廣播。中繼利用M-1個正交子載波將信號轉(zhuǎn)發(fā)到接收端d。

圖1 具有M-1個并聯(lián)中繼的協(xié)同系統(tǒng)模型

在基帶信號模型下，接收端d收到的信號可以表示為：

其中：x0表示發(fā)送端s的發(fā)送符號；ys,d表示接收端d直接從發(fā)送端s收到的信息；ys,ri表示第i個中繼端從發(fā)送端s收到的信息。αs,d表示發(fā)送端s到接收端d之間的信道衰落系數(shù)；αs,ri表示發(fā)送端s到第i個中繼端之間的信道衰落系數(shù)；ns,d與ns,ri表示均值為0，方差為N0的白高斯噪聲。Es與Eri（i=1,???,n）分別表示發(fā)送端與第i個中繼端的發(fā)送功率，在總發(fā)送功率為E的限制下，滿足。

其中：中繼端對接收的信息xi進行解調(diào)，從而可以得到xi，在BPSK調(diào)制方式下。

從第i個中繼端到接收端d的符號表達為：

2 可選擇中繼方式下SDF方式

為了克服固定中繼方式傳輸數(shù)據(jù)的缺點，我們可以根據(jù)用戶間信道傳輸特性，自適應(yīng)地選擇DF方式或者不選，即SDF方式；如果用戶間信道條件比較好，則收發(fā)兩端之間可以采用中繼來轉(zhuǎn)發(fā)源端信息；如果用戶間信道條件比較差，則收發(fā)兩端則直接進行數(shù)據(jù)發(fā)送，而不選擇任何協(xié)同方式。

具有自適應(yīng)選擇的DF方式下，系統(tǒng)最大平均互信息為：

中斷概率可以表示為：

由式（4）看出：SDF可以得到階數(shù)為2的滿分集，可靠性有了很大提高。

3 仿真與分析

在仿真中，仿真條件如下：發(fā)送端到接收端之間有3個中繼，發(fā)射功率為在0dBw到30dBw，目標(biāo)傳輸速率R=0.5bps/Hz。圖2顯示了在AF，DF以及SDF協(xié)同通信下，在傳輸速率R時，中斷概率隨著SNR的增加而降低的曲線。一般而言，傳輸信道滿足均值為0，方差為的高斯分布，從圖2中可以看出：相比于DF方式，SDF的性能有明顯提高。在DF方式下的中斷概率與SNR成反比變化，而SDF方式下的中斷概率與SNR平方成反比變化，顯然后者下降幅度更快。如在中斷概率為 10?4下，信噪比會有約1.5dB的改善，但是小于SDF與DF之間的改善幅度，這是由于DF方式的性能很大程度上依賴于發(fā)送源到中繼端之間的信道傳輸特性。

從圖3中可以看出： 當(dāng)發(fā)送功率限制為10dBw，目標(biāo)傳送速率R=0.5bps/Hz，通過增加中繼數(shù)量，DF、AF，及SDF三種協(xié)同系統(tǒng)的中斷概率均會下降。這說明：在協(xié)同系統(tǒng)的中繼數(shù)量增多時，系統(tǒng)的中斷性能會得到提升。但是中繼數(shù)量不能一直增加，這是由于當(dāng)中繼數(shù)量過多時，中繼彼此之間無線環(huán)境會相互干擾，并且增加了系統(tǒng)調(diào)度的復(fù)雜性，因此選擇合適的 中繼數(shù)量非常重要。

圖2 AF、DF及SDF下中斷概率的性能曲線

圖3 固定發(fā)送功率時AF、DF及SDF隨中繼數(shù)量的變化性能

4 結(jié)束語

本文主要研究了DF協(xié)同通信系統(tǒng)中，在采用固定中繼和具有動態(tài)選擇性中繼方式時，協(xié)同系統(tǒng)的中斷概率。在高SNR的條件下，推導(dǎo)出相應(yīng)的中斷概率的表達式，通過中斷概率可以分析系統(tǒng)的魯棒性能。通過仿真可以得到，具有中繼選擇能力的協(xié)同系統(tǒng)的魯棒性能要明顯優(yōu)于固定中繼的協(xié)同系統(tǒng)。