(杭州電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院,浙江 杭州310018)
在協(xié)作分集的相關(guān)理論基礎(chǔ)上,目前國際上很多知名學(xué)者都在對協(xié)作通信技術(shù)進(jìn)行研究。其中中繼選擇是提升多中繼協(xié)作通信系統(tǒng)性能的一項(xiàng)重要研究[1-6]。文獻(xiàn)[1]提出一種基于放大協(xié)議的雙向中繼選擇策略,選取源和目的端到中繼節(jié)點(diǎn)的最小信噪比最大化的中繼為最優(yōu)中繼。文獻(xiàn)[2]提出一種增強(qiáng)中繼的協(xié)作方案,基于解碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議,在無線網(wǎng)絡(luò)功率一定的前提下降低了算法復(fù)雜度。文獻(xiàn)[3]提出一種中繼選擇算法,仿真表明中斷概率最小的是機(jī)會(huì)中繼策略。文獻(xiàn)[4-5]針對總功率受限情況下,提出一種基于中斷概率最小化的最優(yōu)功率分配算法。大多數(shù)文獻(xiàn)都是假設(shè)在給定中繼列表提供給用戶節(jié)點(diǎn)選擇,然后在此基礎(chǔ)上研究最優(yōu)中繼算法,但當(dāng)小區(qū)半徑不固定時(shí),協(xié)作傳輸中斷概率與小區(qū)半徑關(guān)系的相關(guān)研究不多。在此基礎(chǔ)上,本文主要討論的是在無線網(wǎng)絡(luò)中通過選擇最近的鄰居節(jié)點(diǎn)作為中繼來輔助傳輸,從而擴(kuò)展信號的覆蓋范圍。
蜂窩小區(qū)中協(xié)作通信傳輸和直接傳輸模型如圖1所示。圖1中,用戶1 通過中繼協(xié)作在小區(qū)外傳輸信息給基站,增大了基站覆蓋小區(qū)范圍。在協(xié)作模型中,用戶S 在第1時(shí)隙向目的D 發(fā)送信息,同時(shí)中繼R 也能監(jiān)聽到該消息。在第2時(shí)隙,中繼R 將源信息放大處理后轉(zhuǎn)發(fā)給目的D。假設(shè)參與協(xié)作的中繼和發(fā)送端節(jié)點(diǎn)均以相同的功率P 發(fā)送信息,K為常數(shù),μ為路徑損耗系數(shù),hs,d,hs,r,hr,d分別為源節(jié)點(diǎn)到基站節(jié)點(diǎn)、源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)到基站節(jié)點(diǎn)的信道衰落增益,ns,d,ns,r,nr,d建模為零均值且方差為N0的復(fù)高斯隨機(jī)變量。
在第一時(shí)隙時(shí),目的節(jié)點(diǎn)D和中繼節(jié)點(diǎn)R 收到的信息分別為ys,d,ys,r:
在第2時(shí)隙時(shí),中繼節(jié)點(diǎn)將源信息放大后轉(zhuǎn)發(fā)給基站節(jié)點(diǎn),中繼發(fā)送給基站節(jié)點(diǎn)的信息為yr,d,則:
基站通過將收到的兩個(gè)信息最大比合并(MRC),輸出可以寫成y=a1ys,d+a2yr,d,其中合并因子a1,a2為
在多中繼協(xié)作通信中,一個(gè)重要的問題就是如何確定參與協(xié)作的最優(yōu)中繼,以求給系統(tǒng)帶來最大的增益。文獻(xiàn)[7]僅給出了基于瞬時(shí)信道衰落時(shí)選擇最優(yōu)中繼策略,但沒有給出平均接收信噪比對中斷概率的影響。本文提出一種最近的節(jié)點(diǎn)作為中繼參與協(xié)作分配的算法,通過中繼分配給最近的鄰居節(jié)點(diǎn)來輔助傳輸,然后找出接收信噪比最大的節(jié)點(diǎn)。
由于中繼的位置分布不是均勻的,故需要計(jì)算中繼位置的概率密度函數(shù)。考慮蜂窩系統(tǒng)小區(qū)的半徑為L,基站節(jié)點(diǎn)位于小區(qū)的中心位置,N個(gè)用戶均勻分布在小區(qū)中,用戶節(jié)點(diǎn)距離基站的距離q(r) =2r/L2,0 ≤r ≤L。
由圖2可以觀察到用戶節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)和基站節(jié)點(diǎn)的位置,根據(jù)本優(yōu)化算法表示,最近鄰節(jié)點(diǎn)距離源節(jié)點(diǎn)為rs,r的概率等效于計(jì)算圖2中覆蓋區(qū)域?yàn)榭盏母怕?,然后?jì)算出rs,d的概率密度函數(shù)。用S (rs,d,rs,r)表示以s和d為圓心的兩個(gè)圓的重疊區(qū)域。
圖1 直接傳輸與協(xié)作傳輸區(qū)別
圖2 最近用戶節(jié)點(diǎn)作為中繼參與協(xié)作
該區(qū)域的面積為:
由于最近中繼節(jié)點(diǎn)在兩個(gè)圓的相交部分,即rs,r的范圍是L-rs,d<rs,r≤L+rs,d,則rs,d的概率密度函數(shù)為:
其中協(xié)作傳輸?shù)臈l件中斷概率參考文獻(xiàn)[7]中的增量和選擇中繼的混合方式,本算法思想是如果用戶的數(shù)據(jù)包丟失,基站節(jié)點(diǎn)廣播消息請求中繼重新發(fā)送該數(shù)據(jù)包。協(xié)作傳輸?shù)臈l件中斷概率為:
通過MATLAB 工具進(jìn)行仿真分析驗(yàn)證理論算法的可行性。這里比較4種不同發(fā)送方案,分別是直接發(fā)送、分布式協(xié)作發(fā)送[6]、最近中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送和由Genie-aided算法算出的理論值[7]。信道衰落建模為單位方差的隨機(jī)瑞利衰落信道。仿真中,取發(fā)射功率P =10 mW,路徑損耗μ =2.3,小區(qū)內(nèi)用戶N =100,接收信噪比門限值γc=5 dB,得到如圖3所示的仿真結(jié)果。圖3給出了中斷概率與小區(qū)半徑之間的關(guān)系,其中最近中繼協(xié)作傳輸算法更接近于理論值,且優(yōu)于直接傳輸和分布式協(xié)作傳輸。在中斷概率為0.01時(shí),相對于直接傳輸,小區(qū)覆蓋面積增加了110%,相對于分布式協(xié)作傳輸,覆蓋面積增加了15%。但隨著小區(qū)半徑的增大,中繼轉(zhuǎn)發(fā)源數(shù)據(jù)包的概率也增加,由此增加了系統(tǒng)的總的中斷概率,所以本算法逐漸趨近于直接傳輸方案。
取小區(qū)半徑L=50 m,路徑損耗μ=2.3,得到如圖4所示的仿真結(jié)果。由圖4可以看出,中斷概率與發(fā)射功率之間的關(guān)系,其中最近中繼協(xié)作傳輸算法,曲線更為陡峭,性能接近于理論值,優(yōu)于分布式協(xié)作傳輸方案。在固定中斷概率時(shí)發(fā)射功率可降低了6 dBW,在相同發(fā)射功率下頻譜效率可以獲得3 bps/Hz的性能提升。
圖3 不同小區(qū)半徑的平均中斷概率
圖4 不同發(fā)射功率下的平均中斷概率
本文介紹了一種基于最近中繼協(xié)作傳輸算法,即中繼分配給最近的鄰居節(jié)點(diǎn)來輔助傳輸,然后選擇出接收信噪比最大的節(jié)點(diǎn)。在已知信道統(tǒng)計(jì)特性情況下,通過對協(xié)作中斷概率和小區(qū)半徑、發(fā)射功率的關(guān)系進(jìn)行仿真分析表明,最近中繼協(xié)作傳輸算法更接近于理論值,對比直接傳輸和分布式協(xié)作傳輸方案,可以獲得相當(dāng)可觀的增益。本算法不僅可以顯著的提升覆蓋范圍,還可以降低發(fā)送功率。但是本文尚未討論各中繼節(jié)點(diǎn)的功率分配問題,這將是今后需要進(jìn)一步研究的方向。
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