无线系统下选择性中继的中断概率分析

2021-05-16王东昱张永健

科学与信息化 2021年12期

王东昱张永健

1. 北方工业大学信息学院北京 100144；

2. 国际关系学院信息科技系北京 100091

引言

在无线通信环境中，由多径信道引起的频率选择性衰落可以通过空间分集技术来补偿。为了有效地对抗多径衰落，可以采用空间分集的方式，利用天线阵列进行多发送多接收模型。在这种情况下，基于协同通信的空间分集技术被提出来[1-3]。在协同通信系统中，多天线发射分集阵列可以划分为固定中继方式和可选择中继方式，固定中继方式在传输时，沿着确定的链路进行数据传输，而可选择中继方案可以根据中继点的传输情况，选择合适的中继，提高通信系统的容量和传输速率。目前，协同通信技术是4G-LTE通信领域的研究热点。

1 DF协同通信系统模型

如图1所示，DF协同系统可以表示为一个发送源s，M-1个中继r，以及一个接收端d共同组成的模型。系统中利用OFDM子载波承载传输信道，采用OFDM正交子载波把数据发送出去，从而可以有效地克服数据之间的干扰。发送端s在第一个子载波中向M-1个中继和接收端d进行广播。中继利用M-1个正交子载波将信号转发到接收端d。

图1 具有M-1个并联中继的协同系统模型

在基带信号模型下，接收端d收到的信号可以表示为：

其中：x0表示发送端s的发送符号；ys,d表示接收端d直接从发送端s收到的信息；ys,ri表示第i个中继端从发送端s收到的信息。αs,d表示发送端s到接收端d之间的信道衰落系数；αs,ri表示发送端s到第i个中继端之间的信道衰落系数；ns,d与ns,ri表示均值为0，方差为N0的白高斯噪声。Es与Eri（i=1,⋅⋅⋅,n）分别表示发送端与第i个中继端的发送功率，在总发送功率为E的限制下，满足。

其中：中继端对接收的信息xi进行解调，从而可以得到xi，在BPSK调制方式下。

从第i个中继端到接收端d的符号表达为：

2 可选择中继方式下SDF方式

为了克服固定中继方式传输数据的缺点，我们可以根据用户间信道传输特性，自适应地选择DF方式或者不选，即SDF方式；如果用户间信道条件比较好，则收发两端之间可以采用中继来转发源端信息；如果用户间信道条件比较差，则收发两端则直接进行数据发送，而不选择任何协同方式。

具有自适应选择的DF方式下，系统最大平均互信息为：

中断概率可以表示为：

由式（4）看出：SDF可以得到阶数为2的满分集，可靠性有了很大提高。

3 仿真与分析

在仿真中，仿真条件如下：发送端到接收端之间有3个中继，发射功率为在0dBw到30dBw，目标传输速率R=0.5bps/Hz。图2显示了在AF，DF以及SDF协同通信下，在传输速率R时，中断概率随着SNR的增加而降低的曲线。一般而言，传输信道满足均值为0，方差为的高斯分布，从图2中可以看出：相比于DF方式，SDF的性能有明显提高。在DF方式下的中断概率与SNR成反比变化，而SDF方式下的中断概率与SNR平方成反比变化，显然后者下降幅度更快。如在中断概率为 10−4下，信噪比会有约1.5dB的改善，但是小于SDF与DF之间的改善幅度，这是由于DF方式的性能很大程度上依赖于发送源到中继端之间的信道传输特性。

从图3中可以看出：当发送功率限制为10dBw，目标传送速率R=0.5bps/Hz，通过增加中继数量，DF、AF，及SDF三种协同系统的中断概率均会下降。这说明：在协同系统的中继数量增多时，系统的中断性能会得到提升。但是中继数量不能一直增加，这是由于当中继数量过多时，中继彼此之间无线环境会相互干扰，并且增加了系统调度的复杂性，因此选择合适的中继数量非常重要。