李國彥， 張有光， 廖芒

北京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院， 北京 100191

一種基于QoS的自適應(yīng)混合協(xié)同傳輸方法及性能分析

李國彥， 張有光*， 廖芒

北京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院， 北京 100191

理想的混合協(xié)同傳輸系統(tǒng)中，所有的中繼節(jié)點都參與譯碼，將帶來計算復(fù)雜度的提高、節(jié)點資源消耗的增加以及信息傳輸時延的增大。針對多節(jié)點的協(xié)同無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，提出了一種基于服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service, QoS)的自適應(yīng)混合協(xié)同傳輸方法，并進(jìn)行了性能分析，給出了系統(tǒng)誤碼率(Symbol Error Rate, SER)及中斷概率的閉合表達(dá)式。該方法根據(jù)目的節(jié)點的QoS需求以及中繼節(jié)點的信噪比(SNR)門限，動態(tài)地調(diào)整中繼節(jié)點的傳輸模式，能夠減小系統(tǒng)能耗，延長節(jié)點使用壽命。數(shù)值及仿真結(jié)果表明，基于中繼節(jié)點信噪比門限的混合協(xié)同傳輸能夠以較低的實現(xiàn)復(fù)雜度獲得與理想的混合協(xié)同傳輸相近的性能，理論的性能分析結(jié)果與實際仿真結(jié)果相一致。

無線網(wǎng)絡(luò)； 服務(wù)質(zhì)量(QoS)； 混合協(xié)同； 誤符號率； 中斷概率

無線通信中，衰落是影響通信質(zhì)量的主要因素，各類衰落都會導(dǎo)致差錯率的上升，嚴(yán)重影響通信的可靠性。協(xié)同通信技術(shù)已經(jīng)被證明是能夠有效對抗無線信號衰落，提高無線通信系統(tǒng)可靠性的有效手段[1-4]。根據(jù)中繼節(jié)點的工作方式，協(xié)同通信可分為再生中繼傳輸與非再生中繼傳輸[5-6]。非再生中繼傳輸中，中繼節(jié)點僅將接收到的源節(jié)點信號進(jìn)行加權(quán)放大后轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點，也稱做放大轉(zhuǎn)發(fā)(Amplify-Forward, AF)；而再生中繼傳輸中，中繼節(jié)點則對接收的源節(jié)點信號進(jìn)行解調(diào)、譯碼，獲得原始信息，然后經(jīng)重新編碼與調(diào)制后轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點，也稱做譯碼轉(zhuǎn)發(fā)(Decode-Forward, DF)。相對于DF而言，AF實現(xiàn)較簡單，能夠降低中繼節(jié)點信號處理的復(fù)雜性。然而，中繼節(jié)點在放大有用信號的同時也放大了源-中繼信道引入的噪聲，因此AF方式存在噪聲放大效應(yīng)。對于DF，由于其需要中繼節(jié)點的解調(diào)、譯碼、編碼等處理，復(fù)雜度較高，節(jié)點能耗也較大，在中繼節(jié)點正確譯碼的情況下，系統(tǒng)能夠獲得較好的性能。盡管DF不會帶來噪聲放大問題，然而在中繼節(jié)點譯碼出現(xiàn)錯誤的情況下，這種錯誤會隨著跳數(shù)的增加不斷積累，從而影響到系統(tǒng)的分集效果。

混合協(xié)同傳輸(Hybrid Cooperation, HC)將AF和DF相結(jié)合，根據(jù)中繼節(jié)點的譯碼結(jié)果來決定其是采用AF還是DF進(jìn)行傳輸[7-10]。若中繼節(jié)點能夠正確譯碼，則工作于DF模式；否則，工作于AF模式。盡管HC能夠同時利用AF和DF的優(yōu)勢，最大限度地抑制了AF中的噪聲放大及DF中的錯誤傳播所帶來的影響，然而，在多節(jié)點協(xié)同傳輸?shù)那闆r下，各中繼節(jié)點工作于HC模式需要其首先進(jìn)行譯碼，之后根據(jù)譯碼結(jié)果來決定所采用的傳輸方式，雖然這種方式能夠提升系統(tǒng)性能，然而每個中繼節(jié)點都參與譯碼勢必會帶來系統(tǒng)復(fù)雜度及節(jié)點資源消耗的增加以及信息傳輸時延的增大。此外，系統(tǒng)的輸出信噪比(Signal-to-Noise Ratio，SNR)能夠反應(yīng)系統(tǒng)多個方面的性能，例如誤碼率、中斷概率等，因此，可以用系統(tǒng)的輸出信噪比作為目的端服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service, QoS)的度量來設(shè)計相應(yīng)的低復(fù)雜度、低能耗協(xié)同傳輸策略。本文針對多節(jié)點協(xié)同傳輸?shù)膱鼍埃瑥慕邮斩说腝oS約束出發(fā)，提出了一種自適應(yīng)的混合協(xié)同傳輸方法并對其進(jìn)行了性能分析。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)性能與復(fù)雜度的有效折中，能夠節(jié)省系統(tǒng)資源，減小節(jié)點能耗，延長節(jié)點的使用壽命，便于在實際無線網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用。

1 系統(tǒng)模型

考慮如圖1所示的多節(jié)點協(xié)同無線網(wǎng)絡(luò)傳輸模型，其中包括1個源節(jié)點S，1個目的節(jié)點D以及N個中繼節(jié)點Ri(i=1,2,…,N)。源節(jié)點S在中繼節(jié)點的幫助下將信息發(fā)送到目的節(jié)點D。中繼節(jié)點受到半雙工的約束，即節(jié)點不能在同一頻率上同時收發(fā)信息。

圖1 系統(tǒng)模型Fig.1 System model

源節(jié)點S到目的節(jié)點D的信息傳輸分為兩個階段：在第1個階段，源節(jié)點S發(fā)送信息，中繼節(jié)點Ri和目的節(jié)點D接收信息；在第2個階段，各中繼節(jié)點Ri通過正交信道(時間、頻率、碼字)采用AF或DF方式將接收到的信息轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點，目的節(jié)點對兩個階段的接收信號進(jìn)行最大比合并(Maximal Ratio Combining, MRC)后檢測。假設(shè)信道為準(zhǔn)靜態(tài)的平坦衰落信道，目的節(jié)點可以獲得準(zhǔn)確的信道狀態(tài)信息。

ySRi=hSRix+nSRi

(1)

ySD=hSDx+nSD

(2)

式中：hSD、hSRi分別為S-D和S-Ri鏈路的信道衰落系數(shù)；nSRi、nSD分別為中繼節(jié)點Ri和目的節(jié)點D處的均值為零、方差為σ2的復(fù)高斯噪聲隨機(jī)變量。

在第2個階段，若中繼節(jié)點Ri采用AF方式轉(zhuǎn)發(fā)接收到的信號，則目的節(jié)點D接收到的來自中繼節(jié)點Ri的信號yRiD可以表示為

yRiD=hRiDβiySRi+nRiD

(3)

式中：hRiD為Ri-D鏈路的信道衰落系數(shù)；nRiD為目的節(jié)點D處的零均值復(fù)高斯噪聲隨機(jī)變量，不失一般性，假設(shè)各噪聲項nSRi、nSD、nRiD相互獨立且具有相同的方差σ2(i=1,2,…,N)；βi為中繼節(jié)點Ri處的放大因子，由式(4)給出：

(4)

式中：PRi為中繼節(jié)點Ri的發(fā)射功率。

將式(1)、式(4)代入式(3)中，則目的節(jié)點的接收信號yRiD可以重新表示為

yRiD=hRiDβi(hSRix+nSRi)+nRiD=
βihRiDhSRix+βihRiDnSRi+nRiD

(5)

(6)

式中：上標(biāo)*表示共軛。進(jìn)一步，將式(2)、式(4)、式(5)代入式(6)中，可得系統(tǒng)的輸出信噪比γT為

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

2 自適應(yīng)混合協(xié)同傳輸

理想的基于循環(huán)冗余檢驗編碼的多節(jié)點混合協(xié)同傳輸系統(tǒng)中，所有中繼節(jié)點都需要參與譯碼，這將帶來計算復(fù)雜度的提高、節(jié)點資源消耗的增加以及信息處理時延的增大。同時，在協(xié)同通信系統(tǒng)中，有效降低系統(tǒng)能耗是移動網(wǎng)絡(luò)綠色化的一種解決方案。因此，在實際應(yīng)用時，為了減小實現(xiàn)復(fù)雜性，可以在中繼節(jié)點設(shè)置一個信噪比門限γthreshold，根據(jù)節(jié)點的接收信噪比與γthreshold之間的關(guān)系來確定中繼節(jié)點的傳輸方式。目前，已有一些文獻(xiàn)對節(jié)點譯碼信噪比門限的選擇進(jìn)行了研究，然而采用解析的方法給出最優(yōu)的譯碼門限仍然是一個具有挑戰(zhàn)性的問題[11-13]。此外，對于一個通信系統(tǒng)，其誤碼率(Symbol Error Rate, SER)、中斷概率等都可以描述為系統(tǒng)輸出信噪比的單調(diào)遞減函數(shù)，因此，這里以系統(tǒng)的輸出信噪比作為QoS參數(shù)，給出一種基于接收端QoS的自適應(yīng)混合協(xié)同傳輸方法。在該方案中，預(yù)先給定目的節(jié)點的QoS需求(接收信噪比門限γth)，目的節(jié)點根據(jù)獲得的信道狀態(tài)信息形成關(guān)于各中繼節(jié)點傳輸模式的最佳判決向量，之后將判決結(jié)果通過控制信道發(fā)送到中繼節(jié)點，中繼節(jié)點根據(jù)接收到的信息調(diào)整其傳輸模式。相對于理想的混合協(xié)同傳輸，這種基于QoS的混合協(xié)同傳輸不需要所有中繼節(jié)點都參與譯碼，實現(xiàn)簡單，能夠減小節(jié)點能耗，便于在實際網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用。具體實現(xiàn)流程如下：

1) 初始階段根據(jù)系統(tǒng)性能要求，在目的節(jié)點設(shè)置信噪比門限γth，源節(jié)點S以廣播方式向目的節(jié)點和中繼節(jié)點發(fā)送導(dǎo)頻信號。各中繼節(jié)點Ri采用AF方式轉(zhuǎn)發(fā)接收到的源信號到目的節(jié)點，目的節(jié)點采用MRC合并接收信號并計算輸出信噪比γT，由式(7)給出。

2) 定義z=[z1z2…zN]，其中zi表示第i個中繼節(jié)點所采用的傳輸方式：

zi={

1 AF
0 DF

3) 將2)得到的信噪比γ與門限γth進(jìn)行比較。若γ≥γth，執(zhí)行5)。若γ<γth，則目的節(jié)點將剩余中繼節(jié)點中最大的源-中繼鏈路信噪比γSRk與γthreshold進(jìn)行比較。若γSRk≥γthreshold，則調(diào)整此中繼節(jié)點的傳輸模式為DF，并置相應(yīng)的標(biāo)識zk為0，同時，目的節(jié)點重新計算輸出信噪比γ，執(zhí)行4)；若γSRk<γthreshold，則該中繼節(jié)點保持傳輸方式不變，執(zhí)行5)。

4) 重復(fù)3)的操作，直到γ≥γth。若最終γ<γth，則將z置為對應(yīng)于最大γ時的判決向量，執(zhí)行5)。

5) 目的節(jié)點將判決向量z通過反饋控制信道發(fā)送到中繼節(jié)點，中繼節(jié)點根據(jù)接收到的信息在接下來的傳輸中調(diào)整傳輸模式。

在無線網(wǎng)絡(luò)中，目的節(jié)點相對于其他節(jié)點較容易獲得信道的狀態(tài)信息，目的節(jié)點在得到了關(guān)于各中繼節(jié)點傳輸模式的判決向量后，為實現(xiàn)節(jié)點間的協(xié)同傳輸，還需要額外的控制協(xié)議提供支持，用于向中繼節(jié)點傳輸協(xié)同控制信息。這里并不介紹如何傳輸這種信息，而是著重說明需要傳輸何種信息。由于每個中繼節(jié)點只有AF和DF兩種傳輸模式，因此只需1個比特就能夠表征該節(jié)點的傳輸模式，N個中繼節(jié)點只需N個比特就能夠表征(實際網(wǎng)絡(luò)中N并不是很大)。此外，由于信道的廣播特性，如果使用獨立的控制消息，只需1個控制消息(目的節(jié)點的判決向量)就能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)點間的協(xié)同傳輸。因此，所提出的自適應(yīng)混合協(xié)同傳輸方法具有較小的控制開銷。同時，由于并不需要所有的中繼節(jié)點都進(jìn)行解調(diào)、譯碼等處理，因此相對于理想的混合協(xié)同傳輸具有較低的復(fù)雜性。

3 SER性能分析

(12)

式中：Pr(Θm)表示集合Θm的概率；Pe|Θm表示在譯碼集合為Θm時，目的節(jié)點的條件SER。

(13)

式中：pd,Ri表示節(jié)點Ri成功譯碼的概率。

pd,Ri=Pr(γSRi>γthreshold) =e-λSRiγthreshold

(14)

將式(14)代入式(13)中，可得

(15)

利用矩生成函數(shù)(Moment Generating Function, MGF)的方法[14]，在譯碼集合Θm下，目的節(jié)點的SER可以表示為

(16)

(17)

式中：EγA{·}表示對隨機(jī)變量γA求期望。

在高信噪比的情況下(γ0?1)，式(17)可以近似表示為

(18)

γj≤γup,j=min(γSRj,γRjD)

(19)

式中：γup,j的累積分布函數(shù)Fγup,j(γ)可以表示為

Fγup,j(γ)=Pr(min(γSRj,γRjD)≤γ)=
1-Pr(min(γSRj,γRjD)>γ)=
1-[1-FγSRj(γ)][1-FγRjD(γ)]=
1-e-(λSRj+λRjD)γ

(20)

式中：FγSRj(γ)和FγRjD(γ)分別為γSRj和γRjD的累積分布函數(shù)。

由式(20)可知，γup,j服從參數(shù)為λγup,j=λSRj+λRjD的指數(shù)分布。因此，其MGF可以表示為

(21)

在高信噪比的情況下，式(21)可以表示為

(22)

將式(19)代入式(11)中，可得

(23)

由于各鏈路的信道衰落相互獨立，因此，根據(jù)式(23)可得γup的MGF為

(24)

進(jìn)一步，將式(17)、式(21)代入式(24)中，可得

(25)

對式(25)采用部分分式展開可得

(26)

將式(26)代入式(16)中，再結(jié)合式(12)、式(15)，得到系統(tǒng)的SER為

(27)

式中：

(28)

式中：

4 中斷性能分析

在譯碼集合Θm下，當(dāng)目的節(jié)點的輸出信噪比低于預(yù)設(shè)的信噪比門限，即γ<γth時，就認(rèn)為出現(xiàn)中斷，相應(yīng)的概率Pr|Θm(γ<γth)為中斷概率[19]。在圖1所示的混合協(xié)同傳輸系統(tǒng)中，其中斷概率Pout可以表示為

(29)

式中：Pr|Θm(γ)為給定集合Θm時的中斷概率，可以表示為

Pr|Θm(γ)=Pr|Θm(γ<γth)=Fγ|Θm(γth)

(30)

式中：Fγ|Θm(·)為γ的累積分布函數(shù)。

為便于進(jìn)一步分析，這里采用式(23)給出的結(jié)果。對式(26)進(jìn)行逆拉普拉斯變換，得到γup的概率密度函數(shù)pγup(γ)為

(31)

在式(31)中對γ積分，得到γup的累積分布函數(shù)Fγup(γ)為

(32)

將式(32)代入式(30)中，并令γ=γth，得到給定集合Θm時的中斷概率為

(33)

進(jìn)一步，將式(13)、式(30)、式(33)代入式(29)中，系統(tǒng)的中斷概率可以表示為

(34)

5 仿真結(jié)果與分析

本節(jié)通過計算機(jī)仿真對提出的混合協(xié)同傳輸方法及理論的性能分析結(jié)果進(jìn)行驗證。首先給出不同中繼節(jié)點數(shù)的情況下，目的節(jié)點的信噪比門限γth與所需要的DF中繼節(jié)點數(shù)之間的關(guān)系。相對于AF方式而言，由于DF方式需要中繼節(jié)點進(jìn)行解調(diào)、譯碼、重新編碼等處理，因此其實現(xiàn)復(fù)雜度較高，相應(yīng)的能耗也較大，所以DF中繼節(jié)點數(shù)目的多少在一定程度上也反應(yīng)出系統(tǒng)能耗的高低以及節(jié)點使用壽命的長短。相對于理想的混合協(xié)同傳輸，所提出的自適應(yīng)混合協(xié)同傳輸方法能夠根據(jù)目的節(jié)點的性能需求動態(tài)地調(diào)整中繼節(jié)點的傳輸模式，不需要所有中繼節(jié)點都進(jìn)行解調(diào)、譯碼等處理，因此其復(fù)雜度及能耗也較低。

圖2給出的是在中繼節(jié)點數(shù)N=3,4,…,10的情況下，為達(dá)到接收端的信噪比門限所需要的平均DF中繼節(jié)點數(shù)，其中參數(shù)設(shè)置為：中繼節(jié)點的譯碼信噪比門限γthreshold=5；各節(jié)點間的信道為瑞利衰落信道，信道衰落系數(shù)是零均值，方差為1的復(fù)高斯隨機(jī)變量；源節(jié)點S及各中繼節(jié)點Ri(i=1,2,…,N)的發(fā)射信噪比為10 dB；節(jié)點處的噪聲方差σ2=1。從圖2中可以看出，在目的節(jié)點的信噪比門限γth較低時，所有中繼節(jié)點工作于AF模式即能滿足要求。隨著信噪比門限的提高，所需要的DF中繼節(jié)點數(shù)隨之增加且當(dāng)門限增大到一定值時，需要所有能夠正確譯碼的中繼節(jié)點都參與DF傳輸。例如當(dāng)N=10，γth>25 dB時，則需要所有的DF中繼節(jié)點參與DF傳輸以提高接收性能；而當(dāng)γth=18 dB時，則只需3個DF中繼節(jié)點參與DF傳輸，而并非所有能夠正確譯碼的節(jié)點都參與DF傳輸。因此，目的節(jié)點可以通過選擇合適的信噪比門限來達(dá)到通信質(zhì)量與系統(tǒng)能耗的折中。

圖2 DF中繼節(jié)點數(shù)與信噪比門限γth的關(guān)系Fig.2 Number of DF relay node versus SNR threshold γth

圖3 SER隨信噪比的變化曲線(N=1)Fig.3 SER versus SNR (N=1)

圖4 SER隨信噪比的變化曲線(N=2)Fig.4 SER versus SNR (N=2)

下面給出混合協(xié)同傳輸系統(tǒng)的中斷性能以及文中理論分析中斷性能結(jié)果的仿真與分析。

圖5 中斷概率隨信噪比的變化曲線(N=1)Fig.5 Outage probability versus SNR (N=1)

圖6 中斷概率隨信噪比的變化曲線(N=2)Fig.6 Outage probability versus SNR (N=2)

6 結(jié) 論

1) 在多節(jié)點協(xié)同無線傳輸網(wǎng)絡(luò)中，提出了一種基于QoS的自適應(yīng)混合協(xié)同傳輸方法，該方法根據(jù)目的節(jié)點的QoS需求動態(tài)地調(diào)整中繼節(jié)點的傳輸模式，能夠減小系統(tǒng)能耗，延長節(jié)點使用壽命，降低信息傳輸時延。從分析結(jié)果可以看出，隨著目的節(jié)點信噪比門限的增加，所需要的DF節(jié)點數(shù)隨之增加，這意味著系統(tǒng)的能耗隨之增加，因此可以通過選擇合適的信噪比門限來達(dá)到通信質(zhì)量與系統(tǒng)能耗的折中。

2) 基于中繼節(jié)點信噪比門限的混合協(xié)同傳輸能夠以較低的實現(xiàn)復(fù)雜度獲得與理想的混合協(xié)同傳輸相近的誤碼率以及中斷性能，便于在實際的無線網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用。

3) 理論的SER及中斷性能分析結(jié)果與實際的仿真結(jié)果相一致，表明了理論分析的正確性，給出的結(jié)果有利于采用解析的方法來分析混合協(xié)同傳輸系統(tǒng)的性能。

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MethodandPerformanceofQoS-basedAdaptiveHybridCooperativeTransmission

LIGuoyan,ZHANGYouguang*,LIAOMang

SchoolofElectronicsandInformationEngineering,BeihangUniversity,Beijing100191,China

Inanidealhybridcooperativetransmissionsystem,allrelaynodesareinvolvedindecodingthe

signalsfromthesource,whichwillresultinanincreaseincomputationalcomplexity,resourceconsumptionandtransmissiondelay.Inthispaper,anovelqualityofservice(QoS)-basedadaptivehybridcooperativetransmissionmethodisproposedinamulti-relayassistedwirelesstransmissionnetwork.Thesymbolerrorrate(SER)andoutageprobabilityperformanceoftheproposedmethodareanalyzedandtheiranalyticalexpressionsaregiven.ThismethodcanadjustthetransmissionmodeoftherelaynodesadaptivelyaccordingtotheQoSrequirementatthedestinationandthethresholdofsignal-to-noiseratio(SNR)attherelaynodes.Therefore,theresourceconsumptionofthesystemcanbereducedandthelife-spanoftherelaynodescanbeextended.NumericalandsimulationresultsshowthattheperformanceoftheSNRthresholdbasedhybridcooperativetransmissionisclosetothatoftheidealhybridcooperativetransmissionwhiletheformerhaslowerimplementationcomplexity.ThetheoreticalperformanceanalysisisconsistentwiththeresultsofactualMonteCarlosimulation.

wirelessnetwork;qualityofservice(QoS);hybridcooperation;symbolerrorrate;outageprobability

2011-11-29；Revised2011-12-15；Accepted2012-02-20；Publishedonline2012-03-051108

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2011-11-29；退修日期2011-12-15；錄用日期2012-02-20； < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時間

時間：2012-03-051108

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LiGY,ZhangYG,LiaoM.MethodandperformanceofQoS-basedadaptivehybridcooperativetransmission.ActaAeronauticaetAstronauticaSinica,2012,33(9):1688-1696.李國彥，張有光，廖芒．一種基于QoS的自適應(yīng)混合協(xié)同傳輸方法及性能分析．航空學(xué)報,2012,33(9):1688-1696.

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A

李國彥男，博士研究生。主要研究方向：無線網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)鏈通信和協(xié)同通信技術(shù)。

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張有光男，博士，教授，博士生導(dǎo)師。主要研究方向：通信網(wǎng)絡(luò)理論與技術(shù)、寬帶無線通信和信號處理。

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廖芒女，博士研究生。主要研究方向：通信網(wǎng)絡(luò)理論與技術(shù)、MIMO與協(xié)同通信技術(shù)。

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