趙 睿 (華僑大學信息科學與工程學院，福建 廈門 361021)

不同傳輸模式下雙向中繼通信系統(tǒng)速率分析

趙 睿 (華僑大學信息科學與工程學院，福建 廈門 361021)

在無線協(xié)作通信系統(tǒng)中，2個節(jié)點借助1個中繼實現(xiàn)信息互換，分析了2時隙、3時隙和4時隙中繼傳輸模式的系統(tǒng)和速率性能。仿真結果表明，在公平的發(fā)送總功率和信息交換的前提下，2時隙和3時隙傳輸和速率在任何信噪比情況下均優(yōu)于4時隙傳輸，且其和速率隨著信道估計誤差的增加而顯著下降。

無線協(xié)作通信；中繼傳輸；時隙；和速率

由于中繼的協(xié)作通信技術可在無需增加發(fā)送端功率的前提下增加通信可靠性、擴大覆蓋面和提高系統(tǒng)和速率，因而獲得越來越多的關注[1]。常用中繼協(xié)議有2種，即放大轉發(fā)(AF)和解碼轉發(fā)(DF)。AF協(xié)議將來自信源的接收信號放大后轉發(fā)至信宿，由于在中繼端無解碼操作，因而復雜度較低。使用AF中繼的3節(jié)點雙向無線通信系統(tǒng)，2個信源節(jié)點S1和S2借助1個AF中繼實現(xiàn)信息互換。整個傳輸過程可以在2時隙、3時隙或者4時隙完成。4時隙傳輸是指在前2個時隙S1向S2發(fā)送信息，在后2個時隙S2向S1發(fā)送信息；2時隙和3時隙傳輸是指中繼在第1或第2時隙接收到來自2個信源的信息后，利用物理層網絡編碼(PNC)將信號合并后轉發(fā)出去，由于所耗費的時隙較少，最大和速率優(yōu)于4時隙傳輸[2]。而文獻[3]的分析顯示在低信噪比情況下2時隙傳輸?shù)暮退俾什蝗?時隙傳輸。在2時隙或3時隙雙向中繼傳輸中，信源S1和S2需對接收信號進行自干擾消除才可得到所需信號，然而在實際通信場景中，由于信道估計誤差的影響，自干擾無法完全消除，這將直接影響系統(tǒng)速率性能的提升?，F(xiàn)有文獻大多在單向中繼傳輸系統(tǒng)中研究了信道估計誤差對系統(tǒng)性能的影響[4]。但在雙向中繼系統(tǒng)中，信道估計誤差對系統(tǒng)性能影響的研究還見未見報道。為此，筆者研究了信道估計誤差所導致的自干擾無法完全消除對2時隙和3時隙雙向中繼系統(tǒng)傳輸速率的影響，并與4時隙傳輸進行性能比較。

1 系統(tǒng)模型

圖1 3種基于中繼的雙向無線傳輸模型

2 速率性能分析

2.12時隙中繼傳輸

整個傳輸過程分2個時隙完成，在第1時隙，2個信源同時將各自信息x1和x2發(fā)往中繼，中繼的接收信號可表示為：

yR=hx1+gx2+nR

(1)

式中，nR為中繼節(jié)點R上的加性白高斯噪聲。

在第2時隙，AF中繼對接收信號乘以中繼放大因子β后廣播至2節(jié)點S1和S2，中繼的發(fā)送信號為：

xR=βyR=βhx+βgx2+βnR

(2)

β滿足中繼發(fā)送功率限制E{|xR|2}=P2(i=1,2)，即：

(3)

于是S1和S2的接收信號y1和y2可分別表示為：

y1=βh2x1+βhgx2+βhnR+n1

(4)

y2=βghx1+βgh2x2+βghnR+n2

(5)

利用雙向中繼系統(tǒng)的自干擾消除原理，S1和S2可分別消除式(4)和式(5)中的自干擾項βh2x1和βgh2x2，于是S1和S2的接收信噪比可分別表達為：

(6)

(7)

2.23時隙中繼傳輸

整個傳輸過程分3個時隙完成，在第1和第2時隙，中繼的接收信號可分別表示為：

yR1=hx1+nR1

(8)

yR2=gx2+nR2

(9)

在第3時隙，中繼將接收信號合并后放大轉發(fā)，由于P2=P3，所以放大因子仍為β，則S1和S2的接收信號分別為：

y3T,1=βh2x1+βhgx2+βhnR1+βhnR2+n1

(10)

y3T,2=βghhx1+βgh2x2+βghnR1+βghnR2+n2

(11)

3時隙中繼傳輸時，在γ2T,1和γ2T,2表達式的分母上分別增加|h2|和|g|2，即為節(jié)點S1和S2端的接收信噪比γ3T,1和γ3T,2。

2.34時隙中繼傳輸

整個傳輸過程分4個時隙完成，在第1和第3時隙中繼的接收信號分別為式(8)和式(9)。在第2和第4時隙，S2和S1的接收信號分別為：

y4T,2=β1ghx1+β1gnR1+n2

(12)

y4T,1=β2hgx2+β2hnR2+n1

(13)

則S1和S2的接收信噪比分別為：

(14)

(15)

2.43種傳輸模式的速率分析

系統(tǒng)和速率定義為S1和S2的速率之和，則在m時隙傳輸模式中，系統(tǒng)和速率為：

(16)

3 仿真結果與分析

通過仿真比較2時隙和3時隙傳輸模式在不同信噪比條件下的系統(tǒng)和速率性能，并與4時隙傳輸模式進行對比。所有信道均為Rayleigh衰落信道。

圖2 高發(fā)送總功率下系統(tǒng)和速率性能比較

高發(fā)送總功率下系統(tǒng)和速率性能比較如圖2所示。由圖2可知，2時隙傳輸?shù)暮退俾拭黠@優(yōu)于3時隙和4時隙傳輸?shù)暮退俾?。低發(fā)送總功率下的系統(tǒng)和速率性能比較如圖3所示。由圖3可知，2時隙和3時隙傳輸?shù)暮退俾示鶅?yōu)于4時隙傳輸?shù)暮退俾?，該結論不同于文獻[4]得出的結論，即低信噪比下單向中繼傳輸速率優(yōu)于雙向中繼傳輸速率，這是因為文獻[4]中的單向中繼傳輸只考慮了S1至S2的信息傳遞，并未考慮S2至S1的傳輸，而雙向中繼卻是基于S1和S2間的信息交換，所以文獻[4]中相關內容的比較盡管從總功率恒定的角度看是公平的，但從信息交換的角度看卻不公平。

不同估計誤差情況下的系統(tǒng)和速率性能比較如圖4所示。由圖4可知，2時隙和3時隙中繼系統(tǒng)傳輸和速率隨著信道估計誤差的增大而減小，而4時隙傳輸和速率不發(fā)生變化；當估計誤差方差分別為0.27和0.14時，2時隙和3時隙傳輸?shù)暮退俾逝c4時隙傳輸?shù)暮退俾氏嗤?/p>

圖3 低發(fā)送總功率下的系統(tǒng)和速率性能比較 圖4 不同估計誤差情況下的系統(tǒng)和速率性能比較

[1]Hasna M O, Alouini M S. End-to-end performance of transmission systems with relays over Rayleigh-fading channels [J]. IEEE Trans. Wireless Commun,2003, 2(6): 1126-1131.

[2]Louie R, Li Y, Vucetic B. Practical physical layer network coding for two-way relay channels : performance analysis and comparison [J]. IEEE Trans. Wireless Commun, 2010, 9(2): 764-777.

[3]Ping J, Ting S H. Rate performance of AF two-way relaying in low SNR region [J]. IEEE Communications Letters, 2009, 13(4): 233-235.

[4]Ferdinand N S, Rajatheva N. Performance analysis of imperfect channel estimation in MIMO two hop fixed gain relay network with beamforming [J]. IEEE Communications Letters, 2011, 15(2): 208-210.

[編輯] 李啟棟

10.3969/j.issn.1673-1409.2011.10.029

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1673-1409(2011)10-0092-03