郭賽球，胡奇光，唐菁敏

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多跳協(xié)作分集無線網(wǎng)絡(luò)傳輸性能研究

郭賽球1，胡奇光1，唐菁敏2

(1. 湖南城市學(xué)院 信息與電子工程學(xué)院，湖南 益陽 413000；2. 昆明理工大學(xué)信息 工程與自動化學(xué)院，昆明 650050)

針對源端到目的端距離較遠(yuǎn)的場景對多跳解碼轉(zhuǎn)發(fā)無線網(wǎng)絡(luò)進行研究，推導(dǎo)出高信噪比條件下的中斷概率近似表達(dá)式，并提出一種通過功率優(yōu)化來最小化無線網(wǎng)絡(luò)中斷概率的解決方案﹒仿真實驗的結(jié)果表明，在多跳分集無線網(wǎng)絡(luò)中采取功率優(yōu)化方案致使網(wǎng)絡(luò)的中斷性能明顯優(yōu)于等功率分配方案﹒

協(xié)作分集；中斷概率；功率分配

針對源端到目的端距離較遠(yuǎn)的情況，不僅需要多跳傳輸把數(shù)據(jù)正確傳至目的端，還需要考慮系統(tǒng)穩(wěn)定良好的性能﹒在文獻[1]中Boyer提出了多跳分集模型，通過多跳傳輸獲得分集增益﹒文獻[2]推導(dǎo)了中繼多跳分集系統(tǒng)的中斷性能表達(dá)式，但表達(dá)式過于復(fù)雜，只有通過處理獲得其近似中斷性能，來降低算法復(fù)雜度﹒

功率優(yōu)化分配問題是協(xié)同通信系統(tǒng)研究熱點問題之一[3-6]﹒等功率分配(EPA)方案所得到的系統(tǒng)性能往往不是最優(yōu)的，在系統(tǒng)資源受限的情況下，協(xié)同通信系統(tǒng)的性能可以通過合理的分配發(fā)射功率得到明顯的改善﹒文獻[7]研究了兩跳中繼系統(tǒng)中以誤碼率(SER)為代價函數(shù)的近似最優(yōu)功率分配方案，文獻[1]則分析了DF和AF多跳分集系統(tǒng)的中斷概率和誤碼率﹒

因此，深入研究多跳協(xié)作分集系統(tǒng)的功率分配問題，從而尋求一種更為合理的功率分配方案以改善多跳協(xié)作分集系統(tǒng)在功率有限或短期受限條件下的性能就顯得很有必要﹒

1 系統(tǒng)模型

其中表示節(jié)點的發(fā)射功率；表示節(jié)點與之間的信道衰落系數(shù)；是節(jié)點的發(fā)射信號；服從均值為零，方差為的加性高斯白噪聲﹒節(jié)點對前個階段中接收到的信號采取最大比合并﹒系統(tǒng)模型如圖1所示﹒

2 多跳網(wǎng)絡(luò)中斷性能分析

在多跳DF分集網(wǎng)絡(luò)中，只要存在任意一個的中繼節(jié)點解碼錯誤，將會導(dǎo)致發(fā)生中斷事件﹒多跳DF分集網(wǎng)絡(luò)的中斷概率可表示為

根據(jù)文獻[9]，式(6)可表示為

依次類推，可得

﹒ (12)

3 近似最優(yōu)功率分配方案

由于對發(fā)射功率合理的分配能有效改善系統(tǒng)性能，因此可直接根據(jù)中斷概率近似表達(dá)式(即式(15))構(gòu)造代價函數(shù)

應(yīng)用拉格朗日乘數(shù)法來構(gòu)建的拉格朗日方程為

4 仿真結(jié)果及分析

將兩跳模型對其近似最優(yōu)功率分配的理論推導(dǎo)與實際仿真結(jié)果進行對比，結(jié)果見圖2﹒從圖2可知AOPA方案在不同平均信噪比條件下的實際性能從總體上看與理論計算結(jié)果較為穩(wěn)合﹒2種不同功率分配方案進行近似仿真的結(jié)果見圖3﹒

圖2 兩跳近似最優(yōu)功率分配模型理論計算與實際仿真

圖3 兩跳等功率分配與近似最優(yōu)功率分配模型仿真

從圖3可知，近似最優(yōu)功率方案中斷概率始終低于平均功率分配方案，在中斷概率為10-2時，最優(yōu)功率分配方案對比平均功率分配方案信噪比有3 dB的增益；在中斷概率為10-3時，最優(yōu)功率分配方案對比平均功率分配方案信噪比有4 dB的增益﹒

5 結(jié)論

本文推導(dǎo)了高信噪比條件下的多跳DF分集網(wǎng)絡(luò)中斷概率近似表達(dá)式，同時以此為代價函數(shù)，提出了一種DF多跳分集系統(tǒng)的最優(yōu)功率分配方案，并通過仿真實驗得到以下結(jié)論﹒

(1)中斷概率近似表達(dá)式與實際值較吻合，驗證了推導(dǎo)表達(dá)式的正確性；

(2)近似最優(yōu)功率分配方案能帶來較高的信噪比增益﹒

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(責(zé)任編校：龔倫峰)

Research on Transmission Performance for Multi-hop Cooperative Diversity Wireless Network

GUO Saiqiu1, HU Qiguang1, TANG Jingmin2

(1. College of Information and Electronic Engineering, Hunan City University, Yiyang, Hunan 413000, China; 2. College of Information Engineering and Automation, Kunming University of Science and Technology, Kunming, Yunnan 650050, China)

Aiming at the long distance scene from source to destination node this paper analyzes the multi hop wireless network of decoding and forwarding. An approximate formulation of the outage probability has been derived in high signal-to-noise ratio and an optimum power allocation is proposed to minimize outage probability by optimizing the power. The simulation results show that the optimum power allocation outperforms the equal power allocation in multi-hop diversity wireless network.

cooperative diversity; outage probability; power allocation

TN929.53

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2017.06.0014

1672–7304(2017)06–0067–03

2017-10-09

湖南省教育廳科研項目(14C0209)

郭賽球(1978- )，女，湖南益陽人，高級實驗師，碩士，主要從事無線網(wǎng)絡(luò)傳輸研究﹒E-mail: 25650844@qq.com