侯艾冰

摘 要：為了提高無線通信系統(tǒng)的性能，提出了多輸入多輸出（Multiple-Input MultipleOutput， MIMO）技術與雙向中繼協(xié)作結合的方案。MIMO與雙向中繼轉發(fā)技術的結合有覆蓋范圍大，傳輸速率快和效率高等優(yōu)點。然后結合對不同發(fā)射策略系統(tǒng)性能進行仿真，仿真結果表明，相比傳統(tǒng)直接的傳輸模式該系統(tǒng)方案可提高系統(tǒng)性能。最后概述了該系統(tǒng)方案性能分析的研究進展。

關鍵詞：MIMO 雙向中繼系統(tǒng) 性能分析 研究進展

1.概述

將中繼技術與下一代寬帶蜂窩移動通信系統(tǒng)融合到現(xiàn)有的蜂窩網絡中，它能夠提高系統(tǒng)的吞吐量，有效地擴大無線網絡的覆蓋能力。但在實際通信系統(tǒng)的通信過程是半雙工模式，要4個時隙才以完成信息交換，且協(xié)作中繼在提高無線傳輸性能的同時也帶來了頻譜效率的損失。為此，國外學者Rankov等人通過對網絡進行編碼，最后得出雙向中繼協(xié)議有更高的頻譜效率相比單向中繼協(xié)議。MIMO技術通過給每個節(jié)點配置多條天線接入中繼系統(tǒng)，MIMO技術能夠利用多天線間的協(xié)作，產生分集復用增益，能夠在不增加帶寬的情況下大幅度提高系統(tǒng)容量。

2.系統(tǒng)模型及雙向中繼轉發(fā)策略

MIMO雙向中繼系統(tǒng)的模型有很多，有基于三節(jié)點模型的，有基于多中繼模型的，有基于多用戶模型的，也有針對ad-hoc網絡的。本文主要針對移動通信系統(tǒng)中的三節(jié)模型進行研究，假設源節(jié)點與終端節(jié)點之間沒有直達鏈路，通信過程必須通過中繼的協(xié)助來完成，通信過程是半雙工的，T1，T2分別是配備L和N根天線的源節(jié)點與終端節(jié)點，中繼配備M根天線，如圖1所示。

中繼的轉發(fā)策略通常分為：再生中繼和非再生中繼。對于再生中繼策略，信號在中繼進行解調，它的具體形式是解碼轉發(fā)（Decode-andforward， DF），DF的雙向中繼指的是兩源節(jié)點同時發(fā)送信號到中繼節(jié)點，中繼節(jié)點在接收到混合信號之后，將兩信號聯(lián)合譯碼出來，然后編碼處理后將信號廣播給兩源節(jié)點。非再生中繼策略中繼站無需對數據進行解調，中繼端對來自發(fā)送端的信號進行放大，它的具體形式是放大轉發(fā)（Amplify-and-forward， AF），AF是一種復雜度高的中繼方案，但它是簡單的轉發(fā)策略。

3.性能比較與分析

圖2和圖3是是在假定源節(jié)點與中繼節(jié)點間信道狀態(tài)信息較好下所得到的仿真圖，圖2為非協(xié)作系統(tǒng)（Direct）與AF、DF的實際誤碼率曲線圖，圖3為Direct與AF、DF理論誤碼率曲線圖。從圖2和圖3可以看出，非協(xié)作系統(tǒng)誤碼率高于AF和DF中繼協(xié)作系統(tǒng)，而且，在信噪比為0-10db的范圍內，協(xié)作中繼的方式隨著信噪比的提升對系統(tǒng)性能有一定的提升，故中繼協(xié)作系統(tǒng)性能優(yōu)于非協(xié)作系統(tǒng)。

4.研究進展

MIMO雙向中繼系統(tǒng)性能分析的研究國外很早就開始。由于雙向中繼有巨大的優(yōu)勢，在早期文獻推導了雙向中繼系統(tǒng)的容量上界，對MIMO雙向中繼系統(tǒng)的容量進行分析，提出了對信道狀態(tài)信息低需求下的中繼方案策略，最后得出了容量的表達式。而近幾年這個系統(tǒng)的研究方向為：文獻研究了在多用戶MIMO雙向中繼系統(tǒng)情況下自由度區(qū)域的優(yōu)化；在空間復用下提出了兩種中繼選擇策略來最大化信噪比，以達到最大化系統(tǒng)的容量。提出了兩種頻譜共享方案以達到首層網絡與第二層網絡可達到的最大化速率。提出了用戶選擇策略來降低系統(tǒng)首層網絡的誤碼率。

5.結束語

MIMO雙向中繼系統(tǒng)是一相對新穎的研究領域，各國學者對該系統(tǒng)的研究并不是非常成熟，若想真正拓展到實際應用需要處理的問題還很多。未來研究的幾個重要方向有：現(xiàn)實環(huán)境中MIMO雙向中繼系統(tǒng)的性能分析，用戶、中繼、基站的波束結構聯(lián)合優(yōu)化，功率分配和中繼最優(yōu)位置，多用戶與多中繼等。本文闡述了MIMO雙向中繼系統(tǒng)的優(yōu)勢，通過仿真得出，相比傳統(tǒng)的傳輸通信模式，MIMO雙向中繼系統(tǒng)可提高系統(tǒng)性能。最后給概述了近幾年MIMO雙向中繼系統(tǒng)性能分析的研究進展。

參考文獻：

[1]Pabst R，Walke B H，Schultz D C，et al.Relay based deployment concepts for wireless an and mobile broadband radio[J]. IEEE Commun，2004，42（9）：80-89.

[2]Rankov B，Wittneben A.Spectral efficient protocols for half-duplex fading relay channels[J].IEEE Journal on Selected Areas on Communications，2007， 25（2）：379-389.

[3]G.Amarasuriya，C.Tellambura，and M. Ardakani.Performance analysis of zero-forcing for two-way MIMO AF relay networks.IEEE Wireless Commun. Lett.，vol.1，no.2，pp.53-56，Apr.2012.

[4]Vaze R，Heath R W. Capacity scaling for mimo two-way relaying[C]// International Symposium on Information Theory （ISIT2007）.Nice 2007：1451- 1455.

[5]K.Liu and M.Tao，X.Yuan.Optimal DoF Region for the Asymmetric Two-Pair MIMO Two-Way Relay Channel.IEEE Transactions on Signal Processing， vol. 65，no.7，April 1，2017.

[6]S.Silva，G.Amarasuriya，C.TellamburaRelay Selection Strategies for MIMO Two-Way Relay Networks with Spatial Multiplexing.IEEE Transactions on Communication，2015.

[7]Ali H.Bastami and Safa Habibi. Cognitive MIMO Two-Way Relay Network： Joint Optimal Relay Selection and Spectrum Allocation.IEEE Transactions on Vehicular Technology，2018.

[8]P.K.Sharma and P.K.Upadhyay，“Performance analysis of cooperative spectrumsharing with multiusertwo-wayrel ayingoverfadingchannels，”IEEE Trans. Veh. Technol.， vol.66，no.2，pp.1324-1333，F(xiàn)eb.2017.