張亞龍，劉 堯，周國榮，丁武強，王軍輝

(太原衛(wèi)星發(fā)射中心，山西太原 036301)

協(xié)同通信是指在多用戶通信環(huán)境中，使用單副天線的各鄰近用戶可按照一定方式共享彼此的天線協(xié)同發(fā)送，從而產(chǎn)生一種類似多天線發(fā)送的虛擬環(huán)境，獲得空間分集增益，提高系統(tǒng)傳輸性能。多個中繼節(jié)點本身可自然形成虛擬的天線陣列，節(jié)點間通過相互配合和信息互通，模擬傳統(tǒng)MIMO技術(shù)的應(yīng)用環(huán)境，形成分布式的虛擬MIMO系統(tǒng)，克服了相干距離的限制［1］。協(xié)同通信融合了中繼技術(shù)和分集技術(shù)的優(yōu)勢［2-6］，在不增加天線的基礎(chǔ)上能夠獲得與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)中的多天線和多跳相近的性能增益。

文獻［5］分析了基于譯碼轉(zhuǎn)發(fā)的全部協(xié)同的中斷概率性能，發(fā)現(xiàn)能夠提高系統(tǒng)的中斷概率性能。文獻［6］，［7］分析了基于譯碼轉(zhuǎn)發(fā)的部分協(xié)同的中斷概率性能，發(fā)現(xiàn)中斷概率性能也有所提升。同時發(fā)現(xiàn)文獻［8］-［10］中的基于譯碼轉(zhuǎn)發(fā)的機會中繼中斷概率也有較大的提升。但對這三種協(xié)同中繼選擇策略的對比研究相對較少。

本文對比了在譯碼轉(zhuǎn)發(fā)方式下全部協(xié)同、部分協(xié)同、機會中繼的中斷概率性能;最后總結(jié)了中繼節(jié)點數(shù)目、信噪比及目標(biāo)信息速率對上述中繼選擇策略中斷概率性能的影響情況。

1 系統(tǒng)模型

圖1 系統(tǒng)模型

現(xiàn)實中的無線通信網(wǎng)絡(luò)里面的每個設(shè)備附近通常都有多個設(shè)備能夠偵聽到該設(shè)備所發(fā)送的信息［1，2］，這就為設(shè)備之間的協(xié)同提供了基礎(chǔ)。如果無線通信網(wǎng)使用TDMA方式進行通信，則在每一個通信瞬間，在一定的范圍內(nèi)，可以認為只有一個設(shè)備在發(fā)送信息，一個設(shè)備接收信息，附近多個設(shè)備處于監(jiān)聽守候狀態(tài)并隨時可以進行協(xié)同通信［3，4］。在下一個通信瞬間，該結(jié)構(gòu)仍保持不變，改變的只是具體的收發(fā)設(shè)備及參與協(xié)同的設(shè)備。這樣，無線通信網(wǎng)絡(luò)可以簡化為一發(fā)一收多個協(xié)同的網(wǎng)絡(luò)模型加以研究。圖1給出了基于協(xié)同傳輸?shù)臒o線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型，其中S表示需要發(fā)送信息的設(shè)備，本文稱之為源節(jié)點;Ri(i=1，…，L)表示系統(tǒng)中可以提供協(xié)助的設(shè)備，本文稱之為協(xié)同節(jié)點;D表示與S進行通信的接收設(shè)備，本文稱之為目的節(jié)點。

2 中斷概率性能分析

2.1 全部協(xié)同

求解AF的中斷概率閉合表達式很困難。根據(jù)文獻［11］結(jié)合本文模型，這里只給出其上下界

其中，I表示源節(jié)點與目的節(jié)點之間的最大互信息;R表示目標(biāo)信息速率;L表示協(xié)同中繼個數(shù);λ0表示信道幅度平方|hSD|2服從指數(shù)分布的參數(shù);λi表示信道幅度平方|hSRi|2服從指數(shù)分布的參數(shù);ξi表示信道幅度平方|hRiD|2服從指數(shù)分布的參數(shù);SNR表示發(fā)射信噪比。

2.2 部分協(xié)同

在這里，部分協(xié)同是指基于某一門限選取部分節(jié)點參與協(xié)同。而選取門限值的方法有很多。這里我們選擇對于中繼節(jié)點能夠正確譯碼的信噪比值作為中繼判斷自己是否參與放大轉(zhuǎn)發(fā)的門限值，這樣每次參與放大轉(zhuǎn)發(fā)的中繼個數(shù)是不確定的。

具體的，中繼節(jié)點接收到源節(jié)點發(fā)送的信息后，中繼節(jié)點首先判斷接收信噪比是否大于給定門限值，若大于該門限則中繼節(jié)點放大接收到的信號并轉(zhuǎn)發(fā);否則無動作。若所有節(jié)點均在門限以下，則源節(jié)點自動重發(fā)一次。這樣，在協(xié)同階段需采取動態(tài)時隙分配，也即有幾個節(jié)點超過門限就分配幾個時隙。

2.3 機會協(xié)同

在高信噪比的條件下，AF機會協(xié)同的中斷概率可以近似表示為［11］:

3 仿真分析

圖2 R=0.5 bit/s/Hz，L=7 時發(fā)射信噪比對AF協(xié)同中斷概率性能的影響

如圖2當(dāng)SNR較低時，無協(xié)同傳輸?shù)闹袛喔怕市阅茌^有中繼參與協(xié)同傳輸時的中斷概率性能更優(yōu)。如SNR＜0 dB時，各種協(xié)同中繼選擇策略的中斷概率均高于無協(xié)同的中斷概率。各種協(xié)同策略中，機會協(xié)同策略始終優(yōu)于基于門限的部分協(xié)同策略以及全部協(xié)同策略;基于門限的部分協(xié)同策略在低信噪比(如SNR＜6 dB時)時與無協(xié)同方式較為接近，但在中高信噪比條件下明顯優(yōu)于無協(xié)同方式，與全部協(xié)同策略中斷概率性能較為接近;全部協(xié)同策略在中低信噪比條件下(如SNR＜10 dB時)中斷概率性能始終最差，但在高信噪比條件下(如SNR＞10 dB時)中斷概率性能迅速提升，甚至超過部分協(xié)同中繼選擇策略。

如圖3所示，目標(biāo)信息速率R固定為1 bit/s/Hz時，SNR＜9.5 dB時，無協(xié)同可以獲得最低的中斷概率;當(dāng)9.5 dB＜SNR＜14.5 dB時，選取一個中繼可以獲得最低的中斷概率;當(dāng)14.5 dB＜SNR＜19.5 dB時，選取兩個中繼可以獲得最低的中斷概率;當(dāng)19.5 dB＜SNR＜22.5 dB時，選取三個中繼可以獲得最低的中斷概率，當(dāng)信噪比逐漸增高時，以此類推。即對于不同的SNR，獲得最佳中斷概率性能時所選的協(xié)同點數(shù)目應(yīng)該是不同的;隨著信噪比的增加，協(xié)同點數(shù)目多的系統(tǒng)逐漸由劣勢轉(zhuǎn)化為優(yōu)勢。如圖3所示，當(dāng)R=0.5 bit/s/Hz時，可以得出類似的結(jié)論:當(dāng)SNR＜4 dB時，無協(xié)同可以獲得最低的中斷概率;當(dāng)4 dB＜SNR＜6 dB時，選取一個中繼可以獲得最低的中斷概率;當(dāng)6 dB＜SNR＜8 dB時，選取兩個中繼可以獲得最低的中斷概率;當(dāng)8 dB＜SNR＜10.5 dB時，選取三個中繼可以獲得最低的中斷概率;當(dāng)10.5 dB＜SNR＜12.5 dB時，選取四個中繼可以獲得最低的中斷概率;當(dāng)12.5 dB＜SNR＜15 dB時，選取五個中繼可以獲得最低的中斷概率;當(dāng)SNR逐漸增高時，以此類推。

圖3 協(xié)同點數(shù)目對AF協(xié)同中斷概率性能的影響

圖4 目標(biāo)信息速率對中斷概率性能的影響

從圖4中可以看出目標(biāo)信息速率R對AF的三種協(xié)同策略影響非常明顯?？傮w上，AF機會協(xié)同比全部協(xié)同和基于門限的部分協(xié)同中繼選擇策略性能更優(yōu)。

4 結(jié)論

表1給出了目標(biāo)信息速率、中繼節(jié)點數(shù)目以及發(fā)射信噪比幾種參數(shù)對全部協(xié)同、部分協(xié)同和機會中繼選擇策略的中斷概率性能的影響情況。

表1 各種參數(shù)對中斷概率性能的影響

綜合目標(biāo)信息速率、中繼節(jié)點數(shù)目以及發(fā)射信噪比這三個因素對中斷概率性能的影響情況可知，與全部協(xié)同和部分協(xié)同相比，機會中繼的中斷概率性能是最好的。

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