張庭園，李小兵，鄭 宇，李 靖

(1.中國(guó)科學(xué)院微電子所，北京 100029；2. 中興通訊股份有限公司，北京 100083；3. 西安電子科技大學(xué) 通信工程學(xué)院，陜西 西安 710071)

一種干擾受限場(chǎng)景下的雙向中繼選擇方法

張庭園1，李小兵2，鄭 宇3，李 靖3

(1.中國(guó)科學(xué)院微電子所，北京 100029；2. 中興通訊股份有限公司，北京 100083；3. 西安電子科技大學(xué) 通信工程學(xué)院，陜西 西安 710071)

針對(duì)非對(duì)稱雙向中繼通信系統(tǒng)，提出了一種干擾受限場(chǎng)景下的機(jī)會(huì)中繼選擇方法。該方法僅利用了中繼節(jié)點(diǎn)的本地信道狀態(tài)信息且實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度低，適用于兩個(gè)源節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率和閾值速率均不同的雙向中繼通信系統(tǒng)。仿真結(jié)果表明，在中高信噪比條件下，所提方法的性能接近于最優(yōu)中繼選擇方法，且大大優(yōu)于未考慮干擾的傳統(tǒng)中繼選擇方法。

干擾受限；雙向通信；中繼選擇

協(xié)作分集技術(shù)是無線網(wǎng)絡(luò)中的一種新型分集技術(shù)，該技術(shù)通過在網(wǎng)絡(luò)中的多個(gè)單天線終端之間進(jìn)行協(xié)作來實(shí)現(xiàn)通信，此時(shí)可構(gòu)成一種虛擬的多天線陣列，從而獲得顯著的分集增益。協(xié)作分集的實(shí)現(xiàn)方法是使用中繼節(jié)點(diǎn)為源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間的通信提供額外的傳輸路徑，從而達(dá)到增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力和提高網(wǎng)絡(luò)傳輸量的目的。通過使用具有最佳瞬時(shí)信道質(zhì)量的單個(gè)中繼進(jìn)行協(xié)作分集，機(jī)會(huì)中繼可以獲得與更為復(fù)雜的空時(shí)編碼協(xié)作通信相同的分集增益。

由于放大轉(zhuǎn)發(fā)(AF)雙向中繼協(xié)作通信系統(tǒng)可以在兩個(gè)時(shí)隙中完成源節(jié)點(diǎn)之間的信息交換，具有較高的有效性及可靠性，近年來獲得了研究者的廣泛關(guān)注[1-3]。文獻(xiàn)[4]針對(duì)AF雙向中繼系統(tǒng)，研究了系統(tǒng)業(yè)務(wù)的不對(duì)稱性對(duì)中斷性能的影響，并提出一種不對(duì)稱AF雙向中繼選擇方法。文獻(xiàn)[5]詳細(xì)介紹了雙向中繼系統(tǒng)的容量上限。針對(duì)兩個(gè)源節(jié)點(diǎn)以及中繼節(jié)點(diǎn)的功率都相等的情況，文獻(xiàn)[6]提出了一種低復(fù)雜度雙向中繼選擇方法。文獻(xiàn)[7]提出了一種適用于雙向中繼傳輸?shù)募惺街欣^選擇方法，該方法需要持續(xù)估算整個(gè)系統(tǒng)中所有鏈路的信道狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度較高。

上述研究工作都是在忽略干擾的情況下進(jìn)行的，而在實(shí)際的通信系統(tǒng)中，干擾總是存在的，尤其是相鄰小區(qū)間的干擾總是不可避免的。文獻(xiàn)[8]針對(duì)干擾受限場(chǎng)景下的單向中繼系統(tǒng)，提出了幾種簡(jiǎn)化的低復(fù)雜度中繼選擇算法。然而，雙向中繼系統(tǒng)在干擾受限場(chǎng)景下的中繼選擇問題，現(xiàn)有文獻(xiàn)還較少涉及。為此，本文提出了一種干擾受限場(chǎng)景下的雙向中繼選擇方法。需要特別指出的是，由于該方法還考慮了兩個(gè)源節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率和期望的閾值速率均不同的情況，對(duì)存在干擾的實(shí)際基站-用戶通信模型具有重要的參考價(jià)值。研究表明，所提方法以一種較低的系統(tǒng)復(fù)雜度，在高信干噪比時(shí)，達(dá)到了最優(yōu)的中繼選擇系統(tǒng)性能。與最優(yōu)的中繼選擇方法相比，該方法采用分布式的中繼選擇方法，通過比較兩個(gè)源節(jié)點(diǎn)以及干擾源節(jié)點(diǎn)的信噪比來選擇最優(yōu)的中繼節(jié)點(diǎn)，免去了持續(xù)估算整個(gè)通信系統(tǒng)所有鏈路的信道狀態(tài)信息的過程，大大降低了系統(tǒng)復(fù)雜度。與傳統(tǒng)的忽略干擾的中繼選擇算法[9]相比，該方法大大降低了系統(tǒng)的中斷概率。

1 系統(tǒng)模型

假設(shè)存在一個(gè)簡(jiǎn)單的蜂窩系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，它是由兩個(gè)相鄰的小區(qū)組成，分別是(C，C′)，如圖1所示。

圖 1 系統(tǒng)模型圖

每個(gè)小區(qū)均由兩個(gè)源節(jié)點(diǎn)A和B以及一簇中繼節(jié)點(diǎn)Srelay={1,2,…,N}組成。假設(shè)所有節(jié)點(diǎn)均安裝為單天線，其工作狀態(tài)為半雙工的，并且兩個(gè)源節(jié)點(diǎn)A和B之間因?yàn)橛猩钏ヂ涠淮嬖谥眰髀窂?，只能通過中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行間接通信。

本通信系統(tǒng)分2個(gè)時(shí)隙完成整個(gè)傳輸過程，在第1個(gè)時(shí)隙中，兩個(gè)源節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)射信號(hào)給中繼節(jié)點(diǎn)，在第2個(gè)時(shí)隙中，被選擇的中繼節(jié)點(diǎn)k將接收到的疊加信號(hào)以及干擾和噪聲放大后轉(zhuǎn)發(fā)給兩個(gè)源節(jié)點(diǎn)。這里認(rèn)為干擾信號(hào)只對(duì)源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)這一段有影響，對(duì)于目的端可以忽略。在此模型中，干擾信號(hào)被認(rèn)為是從鄰居小區(qū)C′的信號(hào)源A′和B′直接傳到小區(qū)C中的中繼R處的。假設(shè)源節(jié)點(diǎn)A和B的發(fā)射功率分別為Pa和Pb，干擾源節(jié)點(diǎn)A′和B′的發(fā)射功率為Pa′和Pb′，所有中繼節(jié)點(diǎn)的功率均相等，且為Pr。

根據(jù)上述通信模型，中繼節(jié)點(diǎn)k接收到的信號(hào)為

中繼節(jié)點(diǎn)將接收到的信號(hào)Yk放大G倍后進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。G的計(jì)算公式為

(2)

式中：

(3)

(4)

則源節(jié)點(diǎn)A和B分別接收到的轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)為

Yak=hakGYk+n2

(5)

Ybk=hbkGYk+n3

(6)

式中：n2和n3均為服從均值為0、方差為N0的復(fù)高斯分布的高斯白噪聲。因?yàn)樵垂?jié)點(diǎn)A和B分別知道本節(jié)點(diǎn)所發(fā)送的信號(hào)，故可以進(jìn)行自干擾消除。將G帶入式(5)和(6)后，源節(jié)點(diǎn)A和B分別消除自干擾，然后得到源節(jié)點(diǎn)A和B接收到信息的信干噪比分別為

(7)

(8)

(9)

(10)

2 漸近的中繼選擇算法

假設(shè)該雙向中繼傳輸系統(tǒng)中兩條互為反向的鏈路的傳輸速率閾值分別為τa和τb，則整個(gè)系統(tǒng)的中斷概率可定義為兩條鏈路中任意一條鏈路發(fā)生中斷的概率。即

(11)

式中：γab=22τa-1，γba=22τb-1分別為滿足傳輸速率門限的所需的最低的信干噪比，由式(11)可得最優(yōu)的中繼選擇算法公式為

(12)

在中高信噪比條件下，式(7)和(8)中的二次項(xiàng)決定了該式的取值。此時(shí)式(7)和(8)可以分別簡(jiǎn)化為

(13)

(14)

將式(13)和(14)帶入式(11)，可提出如下的機(jī)會(huì)中繼選擇方法

(15)

利用該方法，即可從N個(gè)可用中繼中選出最佳中繼來完成雙向通信。需要指出的是，該漸近的機(jī)會(huì)中繼選擇方法可采用分布式時(shí)鐘方式實(shí)現(xiàn)，無需知道整個(gè)系統(tǒng)的信道狀態(tài)信息(CSI)，中繼節(jié)點(diǎn)只需要根據(jù)第1個(gè)時(shí)隙中繼節(jié)點(diǎn)接收到的源節(jié)點(diǎn)A和B以及干擾信號(hào)的源節(jié)點(diǎn)A′和B′發(fā)射信號(hào)的統(tǒng)計(jì)信噪比，即可確定最優(yōu)的中繼節(jié)點(diǎn)。因?yàn)椴恍枰浪愠鼍唧w的CSI，故該算法與最優(yōu)的中繼選擇算法相比大大降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度。

另外，該算法基于傳統(tǒng)中繼算法[2]，并不需要對(duì)傳統(tǒng)算法做出很大的改動(dòng)。由于干擾項(xiàng)并沒有包含在算法中求最小值的運(yùn)算里，故而該算法中的反饋信息與干擾信號(hào)無關(guān)，也就是與不考慮干擾信號(hào)存在的系統(tǒng)相同。所以已經(jīng)成熟運(yùn)用傳統(tǒng)中繼選擇算法的系統(tǒng)可以很方便地更新到基于傳統(tǒng)算法的漸近的中繼選擇算法，并不需要對(duì)求最小值部分做任何修改。

3 仿真結(jié)果和性能分析

圖2所示為da=0.5時(shí)，中斷概率隨著SNR增加的變化曲線圖。由此圖可以看出，本文提出方法的性能曲線和最優(yōu)方法的性能曲線隨著信噪比的增加趨于重合，這說明采用漸近中繼選擇方法的雙向通信系統(tǒng)在高信噪比情況下，系統(tǒng)性能與最優(yōu)中繼選擇方法相同，且大大優(yōu)于未考慮干擾的傳統(tǒng)雙向中繼選擇方法。圖3所示為SNR=29dB，中斷概率隨著da增加的變化曲線。由此圖可以看出，在高信噪比條件下，當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)在源節(jié)點(diǎn)之間改變位置時(shí)，本文提出的漸近中繼選擇方法的性能曲線和最優(yōu)方法完全重合，且均優(yōu)于未考慮干擾的傳統(tǒng)選擇方法。

圖2 da=0.5時(shí)，系統(tǒng)中斷概率隨著SNR增加的變化曲線圖

圖3 SNR=29 dB，系統(tǒng)中斷概率隨著da增加的變化曲線

4 總結(jié)

本文針對(duì)存在干擾的非對(duì)稱雙向中繼傳輸系統(tǒng)，提出了一種漸近的機(jī)會(huì)中繼選擇方法。研究表明，在中高信噪比條件下，與傳統(tǒng)的中繼選擇方法相比，所提方法大大降低了系統(tǒng)的中斷概率。與最優(yōu)的中繼選擇方法相比，該方法在性能基本吻合的情況下，大大降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度。

[1]RAYMOND H Y L, LI Y H, BRANKA V. Practical physical layer network coding for two-way relay channels: performance analysis and comparison[J]. IEEE Trans. Wireless Communications，2010, 9(2): 764-777.

[2]SHI J, GE J，LI J. Low-complexity distributed relay selection for two-way AF relaying networks[J]. IET Electronics Letters，2012, 48(3): 186-187.

[3]ZHENG J, BAI B, LI Y. Outage-optimal opportunistic relaying for two-way amplify and forward relay channel [J]. IET Electronics Letters，2010, 46(8):595-597.

[4]JI X D, ZHENG B Y, CAI Y M. On the study of half-duplex asymmetric two-way relay transmission using an Amplify-and-Forward relay[J]. IEEE Trans. Vehicular Technology，2012, 61(4): 1649-1664.

[5]WOOSEOK N, SAE Y C, LI Y H. Capacity bounds for two-way relay channels[M]. IEEE International Zurich Seminar on Communications，2008: 144-147.

[6]PRABHAT K U，SHANKAR P. Performance of two-way opportunistic relaying with analog network coding over Nakagami-m fading[J]. IEEE Trans. Vehicular Technology，2011, 60(4):1965-1971.

[7]SONG L Y. Relay selection for two-way relaying with amplify-and-forward protocols[J]. IEEE Trans. Veh. Technol，2011, 60(4): 1954-1959.

[8]IOANNIS K, JOHN S T, STEVE M，et al. Max-Min relay selection for legacy amplify-and-Forward systems with interference[J]. IEEE Trans. Wireless Communications，2009, 8(6): 3016-3027.

[9]ZHANG C S, GE J H，LI J，et al. Traffic-knowledge-based relay selection for asymmetric two-way AF relaying networks[J]. Science China Information Sciences，2013, 56(4):1-6.

責(zé)任編輯：薛 京

Relay Selection for Interference-limited Two-way Relaying System

ZHANG Tingyuan1，LI Xiaobing2，ZHENG Yu3，LI Jing3

(1.InstituteofMicroelectronicsofChineseAcademyofSciences,Beijing100029,China; 2.ZTECorporation,Beijing100083,China; 3.XidianUniversity,Xi’an710071,China)

In this paper, an opportunistic relay selection scheme for interference-limited two-way relaying system is proposed, which only requires the local channel state information at the relay nodes and has low implementation complexity. This scheme can be applied to the situation that two source nodes have different transmit powers and the expected transmission rate thresholds for them are unequal. Simulation results show that for the medium-to-high signal-to-noise ratios (SNRs), the proposed scheme performs closely to the optimal relay selection scheme and greatly outperforms the traditional interference-free relay selection scheme.

interference-limited; two-way communication；relay selection

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61101144)；國(guó)家科技重大專項(xiàng)(2013ZX03003001)

TN925

A

10.16280/j.videoe.2015.05.027

2014-07-29

【本文獻(xiàn)信息】張庭園，李小兵，鄭宇，等.一種干擾受限場(chǎng)景下的雙向中繼選擇方法[J].電視技術(shù),2015，39(5).