两跳中继协作通信技术的研究与仿真﹡

2013-09-17杜伟华刘紫燕

通信技术 2013年2期

杜伟华，刘紫燕

(贵州大学计算机科学与信息学院，贵州贵阳 550025)

0 引言

为了满足未来移动通信系统日益增加的高速数据业务需求，LTE-A引入了载波聚合、多点协作传输、中继等关键技术[1]。其中，中继作为一种能够抵抗无线信道衰落，提高系统容量和扩大系统覆盖范围的有效技术，以其低成本、易于安装等优点受到人们的广泛关注，并成为近年来研究的热点问题[2]。

在传统的移动通信系统中，为了确保小区边缘用户的通信需求，扩大小区覆盖范围，则需要提高基站的发射功率来改善接收用户的信噪比（SNR,Signal to Noise Ratio），而发射功率的提高必然会对相邻小区产生同频干扰，从而降低了频谱效率。为了解决这一问题，通常采用增加基站密度的方法，而基站密度的增加，必将增加网络的运营和维护成本[3]。而中继节点的引入，既克服了相邻小区之间的同频干扰问题，又克服了因基站密度增加而产生的高成本问题，因此，中继技术的研究具有一定的理论价值和实践意义。

1 AF、DF中继协作通信技术的研究

1.1 AF、DF协作方式的研究

中继技术就是指基站或用户不直接将信号发送给彼此，而是通过 RN将信号放大或再生处理后进行转发。根据 RN对接收信号处理方式的不同，中继协作方式可分为AF、DF和编码协作等。在此主要对AF和DF中继协作方式进行了研究。

AF协作方式最先由Lane man等学者提出，其基本原理为：RN接收到来自演进基站（eNB，evolved Node-Base station）或用户端（UE, User Equipment）的信号时，只是将信号进行简单的放大然后发送给对方，而不做任何译码的处理。虽然RN在放大有用信号的同时也放大了噪声，但接收端通过合并来自直传链路和中继协作链路两条不同路径衰落的信号，仍能够获得一定的分集增益[4-5]。

DF协作方式的工作原理为：RN对接收到的信号先进行解码，在能够正确解码的前提下再重新编码后发送给对方。相对于AF协作方式，DF方式增加了一定的时延和设备复杂度，但其能够只对信号中的有用信号进行转发，从而改善了信号的SNR[6]。

1.2 中继协作通信的基本模型

目前LTE-A系统中的中继模型包括协作传输和非协作传输两类，其中协作传输的思想可以追溯到Cover和 Gamal关于中继信道的信息论特性的研究[7]。在此所研究的中继协作通信技术就是通过基站和中继节点之间的协作传输，从而在 UE获得一定的分集增益。

在此所研究的LTE-A下行链路中基于两跳的固定中继协作通信技术的基本传输模型如图1所示，其中eNB、RN和UE分别用源节点S、中继节点R和目的节点 D来表示，SRh 、RDh 、SDh 分别表示SR→、RD→和SD→的信道衰落系数。

图1 中继协作通信的基本传输模型

图1所示的模型中，采用时分传输方式，S和D之间的通信分两个时隙进行，第一时隙S以广播的形式将信号矢量Sx发送到R和D节点；第二时隙S保持沉默，R对接收到的来自S的信号做相应的处理后，发送给D。设S以等功率P向R和D发送信号，则R和D接收到的信号SRy 和SDy 分别为式（1）和式（2）所示，其中SRn 和SDn 分别表示S到R和D的噪声信号，服从均值为0，方差为2nσ的相互独立的复高斯分布。

当P=1时，则式（1）和式（2）又可以写成式（3）和式（4）的形式：

当采用AF协作方式时，S到R再到D的等效功能框图如图2所示。其中α为放大因子，RDy 为D收到的通过R处理后的信号。则RDy 为式（5）所示，α的取值为式（6）所示：

图2 放大转发模式下S到R到D的等效功能框

式中，0N为噪声的功率，即202nNσ=。

当采用DF协作方式时，R要对接收的信号进行解码、解调等操作，然后再对其编码、调制后进行转发，然而这样做的缺点是R的复杂度增加、时延增大等。在目前的研究中DF的译码方式分为完全译码和不完全译码两种方式[8]。在此采用不完全译码的方式，即假设R能够正确译码并转发来自S的信号。

1.3 目的节点合并方式的研究

接收端用最大比合并的方式（MRC，Maximal Ratio Combining）。UE先对接收到的来自S和R的信号进行相位校正，然后按照适当的增益相加后送入检测器进行相干检测。UE接收到的信号Dy为式（7）所示，其中SDh*、RDh*分别为SDh 和RDh 共轭：

2 AF、DF中继协作通信技术的仿真

在对中继协作通信技术及AF、DF中继协作方式深入研究的基础上，完成了RN采用AF或DF协作方式时协助eNB通信的仿真，其仿真流程如图3所示，其仿真参数的设置如表1所示。

图3 基于放大转发和译码转发的中继协作仿真流程

表1 仿真参数的设置

3 仿真结果及分析

图3给出了直传链路下和RN采用AF或DF协作方式下的基本仿真流程。该流程图中首先根据是否采用中继协作进行第一次判断，不采用中继时，eNB直接将信号通过直传链路（Direct Link）发送到 UE端；采用中继时，则根据中继使用的协作方式进行再次判断，并在RN处对接收到的eNB的信号进行相应的处理后发送到 UE，UE则采用 MRC对接收到的RN和eNB的信号进行合并，并以误码率（BER，Bit Error Ratio）为衡量指标分别比较了AF或DF中继协作方式与无中继协作时直传链路的性能，其中信道的类型为瑞利衰落信道（Rayleigh）和加性高斯白噪声信道(AWGN，Additive White Gaussian Noise)，将中继协作时的BER曲线和直传链路下的BER曲线比较可得如图3和图4所示的仿真结果。其中 QPSK是正交相移键控调制方式，Magic Genie是指RN采用DF方式时能够正确译码并转发的标志。

图3 放大转发中继协作方式

图4 译码转发中继协作方式

由图3和图4仿真结果可知：同一SNR条件下，无论是AF协作方式还是DF协作方式其BER都比无中继协作的直传链路的BER低，即基站采用中继协作传输时的BER比直传链路的BER低，且随着SNR的增加，中继协作时的BER比直传链路的BER降低更为明显。由此可知：通过 RN的协作能够提高链路的通信质量，即 RN的引入使通信链路的通信质量得到了一定的改善。

为了更进一步说明AF和DF中继协作方式的协作性能，在此对AF和DF中继协作方式进行了更进一步的分析比较，仿真结果如图5所示。由图5可知，DF中继协作方式在RN能够正确译码转发的前提下，其性能优于AF中继协作方式。