李俊杰，王 欣，馬 躍，魏急波

(國(guó)防科技大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410073)

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協(xié)同DF-OFDM系統(tǒng)中基于MRC的機(jī)會(huì)中繼研究*

李俊杰，王 欣，馬 躍，魏急波

(國(guó)防科技大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410073)

針對(duì)機(jī)會(huì)中繼譯碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)同系統(tǒng)中未考慮直傳鏈路的問(wèn)題，提出一種由目的節(jié)點(diǎn)根據(jù)系統(tǒng)中斷概率進(jìn)行中繼選擇的方案，研究了將機(jī)會(huì)中繼信號(hào)與直傳信號(hào)在目的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行最大比合并時(shí)的系統(tǒng)性能，推導(dǎo)了采用最大比合并時(shí)的系統(tǒng)中斷概率。研究結(jié)果表明，當(dāng)直傳鏈路存在時(shí)，通過(guò)目的節(jié)點(diǎn)的中繼選擇，可使系統(tǒng)性能得到進(jìn)一步提高，其性能優(yōu)于不考慮直傳鏈路時(shí)的機(jī)會(huì)中繼系統(tǒng)。

中繼選擇；中斷概率；MRC；OFDM

0 引 言

中繼選擇作為協(xié)同通信的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)得到了廣泛研究。中繼選擇通常可分為單中繼選擇和多中繼選擇。多中繼選擇主要適用于采用空時(shí)編碼的分布式網(wǎng)絡(luò)[1]。與多中繼選擇不同，單中繼選擇以文獻(xiàn)[2]提出的機(jī)會(huì)中繼選擇最為經(jīng)典，其對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的管理難度大大降低，更有益于協(xié)同通信的實(shí)際組織應(yīng)用，對(duì)于小區(qū)邊緣用戶、熱點(diǎn)地區(qū)覆蓋、電臺(tái)戰(zhàn)術(shù)通信等場(chǎng)景具有現(xiàn)實(shí)意義?；诖耍疚尼槍?duì)機(jī)會(huì)中繼選擇策略開展研究，通過(guò)一定準(zhǔn)則，從所有中繼中選出最優(yōu)中繼完成協(xié)同傳輸。文獻(xiàn)[3]以最大化信干噪比為準(zhǔn)則，研究了全雙工兩跳系統(tǒng)最佳中繼選擇方案，得到了系統(tǒng)誤碼率、遍歷容量和中斷概率，文中沒有考慮直傳鏈路。文獻(xiàn)[4]分析了DF多中繼選擇策略，通過(guò)最大化接收信噪比選擇最佳中繼，推導(dǎo)了所提方案的誤碼率性能。文獻(xiàn)[5]以中斷概率最小為準(zhǔn)則，研究了瑞利信道下由目的節(jié)點(diǎn)選擇最佳中繼的DF方案，文中假設(shè)目的端已經(jīng)獲取所有節(jié)點(diǎn)的信道信息。文獻(xiàn)[6]則提出了一種基于信道容量增益的中繼節(jié)點(diǎn)選擇策略。

以上研究都是假設(shè)信道是平衰落的，而考慮多個(gè)平衰落信道下并行傳輸?shù)膮f(xié)同OFDM系統(tǒng)則研究較少，其聯(lián)合多個(gè)子載波信道衰落情況下的中繼選擇方法具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。文獻(xiàn)[7]研究了兩跳OFDM協(xié)同系統(tǒng)中的中繼選擇策略，文獻(xiàn)[8]研究了多跳OFDM協(xié)同網(wǎng)絡(luò)中的中繼選擇，文獻(xiàn)[9]研究了DF-OFDM的4G系統(tǒng)性能，文中將OFDM信息分成若干塊并為每一塊選擇一個(gè)中繼，文獻(xiàn)[10]研究了協(xié)同OFDM系統(tǒng)解碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼的動(dòng)態(tài)資源分配。這些研究均沒有考慮直傳鏈路，在一些應(yīng)用場(chǎng)景中，直傳鏈路往往是存在的，如何充分利用直傳鏈路使系統(tǒng)性能得到提升，同時(shí)避免空時(shí)編碼方案給系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)帶來(lái)的復(fù)雜度是本文考慮的問(wèn)題。最大比合并可以減輕節(jié)點(diǎn)同步要求，利于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，是一種值得研究的協(xié)同合并方式。

本文針對(duì)協(xié)同OFDM系統(tǒng)的中繼選擇策略開展研究，由目的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行中繼選擇，采用了中繼選擇列表的協(xié)同方案，分析了最大比合并時(shí)系統(tǒng)的中斷概率以及最佳中繼選擇可獲得的分集階數(shù)，對(duì)協(xié)同通信在分布式通信網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)際應(yīng)用具有一定價(jià)值和意義。

1 系統(tǒng)模型

由于DF模式下端到端的性能由SNR較低的鏈路決定[12]，MRC時(shí)第k個(gè)子載波從S經(jīng)Ri到D的等價(jià)信道增益可表示為：

(1)

那么S經(jīng)Ri到D的第k個(gè)子載波等價(jià)信噪比為：

(2)

圖1 協(xié)同OFDM系統(tǒng)傳輸模型

2 協(xié)同策略

假設(shè)節(jié)點(diǎn)已完成組網(wǎng)，在發(fā)起協(xié)同傳輸前，目的節(jié)點(diǎn)按照一定準(zhǔn)則確定最佳中繼節(jié)點(diǎn)，該準(zhǔn)則將在后面內(nèi)容中具體討論。目的節(jié)點(diǎn)分別獲取S→D、S→Ri和Ri→D的信道情況是選出最佳中繼節(jié)點(diǎn)的前提。文獻(xiàn)[13]提出了通過(guò)在各節(jié)點(diǎn)建立協(xié)同列表(CoopTable)實(shí)現(xiàn)協(xié)同傳輸，該方案沒有涉及中繼選擇，本文采用其思想在目的節(jié)點(diǎn)建立一個(gè)中繼選擇列表方案完成協(xié)同傳輸，具體過(guò)程如下：

表1 中繼選擇列表

第二步：傳輸模式確定。在開始進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸前，為使系統(tǒng)獲得更好的傳輸性能并節(jié)約功率開銷，系統(tǒng)首先確定采用直傳模式還是協(xié)同模式。假設(shè)目的節(jié)點(diǎn)接收信噪比門限為γth，當(dāng)直傳鏈路接收平均信噪比小于γth時(shí)，采用協(xié)同模式；否則采用直傳模式。目的節(jié)點(diǎn)將傳輸模式信息反饋回源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)。

第三步：中繼節(jié)點(diǎn)選擇。若為協(xié)同模式，目的節(jié)點(diǎn)根據(jù)中繼選擇準(zhǔn)則選出最佳的中繼節(jié)點(diǎn)，將最佳中繼節(jié)點(diǎn)身份信息廣播出去，源節(jié)點(diǎn)和選出的中繼節(jié)點(diǎn)收到信號(hào)后，做好協(xié)同模式準(zhǔn)備，在各自對(duì)應(yīng)的時(shí)隙收發(fā)數(shù)據(jù)。當(dāng)協(xié)同模式不能滿足目的節(jié)點(diǎn)的要求時(shí)，更新中繼選擇列表，進(jìn)行新的中繼選擇。

下文重點(diǎn)針對(duì)該中繼選擇方案及系統(tǒng)中斷概率性能指標(biāo)進(jìn)行理論分析。

3 中繼選擇方案

上面講到了在協(xié)同過(guò)程中，目的節(jié)點(diǎn)根據(jù)協(xié)同信息列表進(jìn)行中繼選擇，具體選擇的過(guò)程與分析如下。當(dāng)選擇中繼Ri進(jìn)行協(xié)同傳輸時(shí)，系統(tǒng)信道容量可表示為：

(3)

其中參數(shù)1/2表示協(xié)同模式時(shí)占用了廣播和協(xié)同兩個(gè)時(shí)隙。假設(shè)系統(tǒng)信道容量目標(biāo)值為R，當(dāng)系統(tǒng)信道容量小于R時(shí)，系統(tǒng)將發(fā)生中斷，那么中斷概率可表示為：

(4)

當(dāng)P0/N0?1時(shí)，式(4)進(jìn)一步簡(jiǎn)化，可近似為

(5)

(6)

任意一次協(xié)同傳輸過(guò)程中，可將最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)理解成單獨(dú)完成協(xié)同傳輸使系統(tǒng)的信道容量最大的節(jié)點(diǎn)，這個(gè)過(guò)程可表示為:

(7)

4 中斷性能分析

在選出最佳中繼節(jié)點(diǎn)后，此時(shí)系統(tǒng)中斷概率可表示為：

(8)

由于每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)傳輸信道都是相互獨(dú)立的，式(8)可表示為：

(9)

從式(9)可以看出，經(jīng)過(guò)最佳中繼節(jié)點(diǎn)選擇，系統(tǒng)中斷概率近似為各中繼節(jié)點(diǎn)分別協(xié)同傳輸時(shí)中斷概率的乘積。

(10)

(11)

(12)

當(dāng)X1和X2獨(dú)立時(shí)，概率密度表達(dá)式為：

(13)

(14)

于是Y的累積分布函數(shù)表達(dá)式為：

(15)

將Y=2x代入式(15)，可得：

(16)

(17)

(18)

(19)

(20)

由式(20)可得中繼節(jié)點(diǎn)Ri協(xié)同傳輸時(shí)的中斷概率近似為：

(21)

將式(21)代入式(9)，最佳中繼選擇下系統(tǒng)的中斷概率為：

(22)

式(21)可以認(rèn)為固定選擇某個(gè)中繼進(jìn)行傳輸，認(rèn)為此時(shí)的分集增益為1。僅在M可變的前提下比較式(21)和式(22)可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于目的節(jié)點(diǎn)采用MRC的OFDM協(xié)同通信系統(tǒng)，以中斷概率最小為準(zhǔn)則的最佳中繼選擇方式，系統(tǒng)可獲得M階的分集增益。

在文獻(xiàn)[10]中推導(dǎo)了沒有直傳鏈路時(shí)系統(tǒng)的中斷概率：

Pout≈

(23)

有一點(diǎn)值得注意，本文分析得到了在有M+1條路徑的情況下，系統(tǒng)只獲取了M階分集增益而不是M+1分集增益。因?yàn)楸疚目紤]的模型中繼節(jié)點(diǎn)采用FixedDF模式，只進(jìn)行接收、編碼、發(fā)送，不進(jìn)行信息校驗(yàn)，存在錯(cuò)誤傳遞的現(xiàn)象。在文獻(xiàn)[11]中對(duì)FixedDF模式三節(jié)點(diǎn)協(xié)同傳輸最大比合并的中斷概率進(jìn)行了分析，最終得到系統(tǒng)只能獲取1階分集，因?yàn)樵撃Ｊ较孪到y(tǒng)性能由S→R和S→D中的最差鏈路決定。本文方案雖然進(jìn)行了最優(yōu)中繼選擇，但最終系統(tǒng)性能還是由S→Ropt和S→D中的最差鏈路決定。這種方式更有利于提高傳輸效率和快速實(shí)現(xiàn)，對(duì)于信噪比較高的場(chǎng)景來(lái)說(shuō)，雖然數(shù)據(jù)包中的部分信息出錯(cuò)，但是正確的部分仍然包含了大量對(duì)MRC有用的信息，可以為最大比合并提供有用信息，系統(tǒng)可獲得直傳鏈路帶來(lái)的陣列增益。

5 仿真結(jié)果

仿真中設(shè)定路徑損耗系數(shù)α=2，噪聲功率譜密度N0=1，子載波數(shù)N=32，所有中繼節(jié)點(diǎn)都位于S和D的連線上，S和D之間的距離歸一化，中繼節(jié)點(diǎn)間的距離差別不大，距源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)都為0.5,R=25。

5.1MRC中繼選擇方案性能仿真

圖2所示為中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)M分別為2、3、4，存在直傳鏈路時(shí)MRC方案下OFDM系統(tǒng)的中斷概率隨P0/N0的變化曲線。根據(jù)分析固定選擇中繼Ri進(jìn)行協(xié)同傳輸?shù)姆旨鲆鏋?，從圖2中可以看到相同的P0/N0下，由于采用中繼選擇技術(shù)，系統(tǒng)的中斷性能要優(yōu)于固定中繼方案的系統(tǒng)中斷性能。同時(shí)可以得到，隨著中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增加，系統(tǒng)可獲得的分集增益也增加，系統(tǒng)所獲得的分集階數(shù)等于中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)M。

圖2 MRC中斷性能曲線

5.2 直傳鏈路存在與否的性能對(duì)比

5.1仿真僅說(shuō)明了中繼選擇對(duì)系統(tǒng)性能的影響，為了說(shuō)明直傳鏈路對(duì)系統(tǒng)中斷概率的影響，圖3在相同仿真條件下，對(duì)無(wú)直傳鏈路的情況下進(jìn)行中繼選擇時(shí)的系統(tǒng)中斷概率進(jìn)行了仿真，而在圖4中對(duì)R=27進(jìn)行了仿真，并和有直傳鏈路的情況做了比較。圖中實(shí)線為存在直傳鏈路的情況即對(duì)應(yīng)本文MRC方案，虛線為無(wú)直傳鏈路的情況即對(duì)應(yīng)無(wú)MRC方案。

在圖3中通過(guò)對(duì)比備選中繼數(shù)目相同的兩條曲線(如圓圈對(duì)應(yīng)的兩條曲線)可以看出，無(wú)直傳鏈路時(shí)和有直傳鏈路時(shí)的分集增益相同，但是有直傳鏈路時(shí)的系統(tǒng)中斷性能較好，系統(tǒng)中斷概率得到明顯改善。MRC方案利用了直傳鏈路，雖然獲得了和無(wú)直傳鏈路相同分集階數(shù)，但改善了端到端的等效信噪比，使得系統(tǒng)獲得了一部分直傳鏈路帶來(lái)的陣列增益。圖4仿真中信道容量目標(biāo)值的提高使得中斷概率增大，但本文考慮直傳鏈路的方案性能依然優(yōu)于不考慮直傳鏈路時(shí)的中斷性能。

圖3 R=25時(shí)有無(wú)直傳鏈路的性能比較

圖4 R=27時(shí)有無(wú)直傳鏈路的性能比較

從以上仿真結(jié)果對(duì)比中可以得到，在進(jìn)行機(jī)會(huì)中繼模式下的協(xié)同傳輸時(shí)，可以利用直傳鏈路的信號(hào)和機(jī)會(huì)中繼的信號(hào)在目的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行最大比合并，理論分析和仿真證明這一方案可以進(jìn)一步改善和提升系統(tǒng)性能。

6 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)機(jī)會(huì)中繼選擇未考慮直傳鏈路的情況，在協(xié)同DF-OFDM系統(tǒng)中提出了一種基于MRC的中繼選擇方案，分析推導(dǎo)了該方案下系統(tǒng)的中斷概率和分集增益。通過(guò)建立中繼選擇列表，由目的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行中繼選擇，避免了信道互易性假設(shè)。研究表明將機(jī)會(huì)中繼的信號(hào)與直傳鏈路的信號(hào)進(jìn)行最大比合并，系統(tǒng)可獲得等于中繼數(shù)目的分集階數(shù)，也可獲得直傳鏈路帶來(lái)的陣列增益。仿真結(jié)果顯示，與不采用MRC方式相比，MRC方案的系統(tǒng)性能得到了明顯提升。

[1] Dokheyl M, Al Qahtani, Abdulhameed M,et al. Alamouti Distributed Space-Time Coding with Relay Selection[C]//ICACT, IEEE Conference Publications. PyeongChang: [s.n.], 2014:826 - 831.

[2] Bletsas A, Khisti A, Reed D P, et al. A Simple Cooperative Diversity Method based on Network PathSelection[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications，2006，24(03):659-672.

[3] CUI Hong-yu, MA Meng, SONG Ling-yang,et al. Relay Selection for Two-Way Full Duplex Relay Networks with Amplify-and-Forward Protocol[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications. 2014. 13(07): 3768-3777.

[4] Yawgeng A, Mostafa Ai Harbawi. Cooperative Diversity with Cooperative Selection and Stay Combining with Multiple Decode and Forward Relays[C]//WPMC, IEEE conference publications. New Jersey: [s.n.], 2013:1-5.

[5] Khaled M Eshteiwi. Outage Performance of Relay Selection in Cooperative Wireless Networks over Rayleigh Fading Channel [C] // CCECE,IEEE Conference Publications. Regina: [s.n.], 2013: 1-5.

[6] 李易，邱玲，柳衛(wèi)平. 基于譯碼-轉(zhuǎn)發(fā)的多中繼協(xié)作節(jié)點(diǎn)選擇方法[J],通信技術(shù).2010,43(05):56-58. LI Yi，QIU Ling，LIU Wei-ping. Multi-Relays Selection Scheme in Cooperative Networks based on Decode-and-Forward Protocol. Communications Technology, 2010, 43(05): 56-58.

[7] DAI L, GUI B, Cimi L J. Selective Relaying in OFDM Multihop Cooperative Networks[C]//WCNC, Hongkong: IEEE Press, 2007:963-968.

[8] GUI B, DAI L, Cimini L J. Selective Relaying in Cooperative OFDM Systems: Two-Hop Random Network[C]//WCNC, Las Vegas: IEEE Press, 2008: 996-1001.

[9] YANG Wen-dong, CAI Yue-ming. On the Performance of the Block based Selective OFDM Decode and Forward Relaying Scheme for 4G Mobile Communication Systems [J]. Journal of Communications and Networks. 2011. 13 (01): 56-62.

[10] 王麗潔.無(wú)線協(xié)同通信中的協(xié)同策略與資源分配研究[D].長(zhǎng)沙：國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2011. WANG Li-jie. Cooperative Scheme and Resource Allocation for Wireless Cooperative Communication. Changsha: National University of Defense Technology, 2011.

[11] Ray Liu K J, Ahmed K Sadek, Weifeng Su, et al. Cooperative Communications and Networking [M]. Cambridge, England: Cambridge University Press, 2009:100-200.

[12] Laneman J N, Tse D N C, Wornell G W. Cooperative Diversity in Wireless Networks: Efficient Protocols Sand Outage Behavior [J]. IEEE Trans Inf Theory, 2004, 50(12): 3062-3080.

[13] LIU Pei, TAO Zhi-feng, Sathya Narayanan, et al.CoopMAC: A Cooperative MAC for Wireless Lans [J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communication, 2007, 25(02):340-354.

Opportunistic Relay in Cooperative DF-OFDM Networks based on MRC

LI Jun-jie, WANG Xin，MA Yue,WEI Ji-bo

(College of Electronics Science and Engineering,National University of Defense Technology,Changsha Hunan 410037,China)

As the direct link is often ignored in opportunistic relay selection of transmission cooperative system, this paper proposes a relay selection strategy carried by destination node based on outage probability criterion. Moreover, system performance of MRC (Maximal-Ratio-Combine) method to combine opportunistic relay signals and direct-link signals in destination node is studied, and the system outage probability under MRC also analyzed. Research results indicate that when a direct link exists, the system is further enhanced in performance by relay selection of destination node and it outperforms opportunistic relay selection scheme without direct link.

relay selection；outage probability；MRC；OFDM

10.3969/j.issn.1002-0802.2015.05.011

2014-12-27；

2015-03-23 Received date:2014-12-27；Revised date：2015-03-23

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1002-0802(2015)05-0560-06

李俊杰(1990—)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)閰f(xié)同通信;

王 欣(1980—)，男，博士，講師，主要研究方向?yàn)閰f(xié)同通信;

馬 躍(1987—)男，博士研究生，主要研究方向?yàn)閰f(xié)同通信;

魏急波(1967—)，男，博士，教授，主要研究方向：主要研究方向?yàn)楝F(xiàn)代通信技術(shù)、軟件無(wú)線電。