Two-way中繼系統(tǒng)的中繼選擇算法分析

徐鵬飛,郝　斌,郭鳴霄

(蘭州交通大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院,甘肅 蘭州　730070)

?

Two-way中繼系統(tǒng)的中繼選擇算法分析

徐鵬飛,郝斌,郭鳴霄

(蘭州交通大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院,甘肅 蘭州730070)

摘要為了提升雙向AF中繼系統(tǒng)總速率和降低系統(tǒng)中斷概率,提出了一種最小中斷概率的中繼算法MOP,介紹了現(xiàn)有的兩種中繼選擇算法,利用通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)(信噪比、中斷概率、信道容量)展開分析。仿真結(jié)果表明,所提出最小中斷概率中繼選擇算法可明顯降低系統(tǒng)中斷概率,在提升系統(tǒng)總速率的性能與最大化容量中繼算法接近,有效地改善了系統(tǒng)性能。

關(guān)鍵詞雙向AF中繼系統(tǒng);中繼選擇算法;信噪比;最小中斷概率MOP

Analysis of Relay Selection Algorithm in Two-way Relay System

XU Pengfei,HAO Bin,GUO Mingxiao

(College of Electronic and Information Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China)

AbstractIn order to enhance the total rate bidirectional AF (Amplify and forward) relay system and reduce system outage probability,this paper proposes a minimum outage probability relay algorithm MOP (minimum outage probability),and describes the existing two relay selection algorithms with an analysis of the performance indices (signal to noise ratio,outage probability,and channel capacity) of the communication system.The simulation results show that the proposed minimum outage probability relay selection algorithm can significantly reduce the system outage probability with the performance of improve total rate of the system close to that of the maximum capacity relay algorithm.

Keywordstwo-way AF relay system;relay selection algorithm;SNR;minimum outage probability

在無線通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中,協(xié)作中繼可使在特定區(qū)域內(nèi)僅有單根天線的中繼設(shè)備或移動終端形成一種虛擬天線陣,獲得空間分集增益,這樣不僅提高網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量和吞吐量,而且強化了覆蓋范圍。單向(One-way)中繼協(xié)作系統(tǒng)在雙方信息交互過程中,由于其工作在半雙工模式,使得完成信息交換需要占用4個時隙,這樣便降低了頻譜效率。Rankov和Wittneben提出一種雙向(Two-way)協(xié)作策略,信息交換只占用兩個時隙來完成,并推導(dǎo)了在雙向協(xié)作模式下放大轉(zhuǎn)發(fā)AF(Amplify and Forward)和解碼轉(zhuǎn)發(fā)DF(Decode and For-ward)的容量值[1],而放大轉(zhuǎn)發(fā)AF是較早采用的一種協(xié)同傳輸模式,中繼不對接收信號進行解調(diào)或是解碼處理,而是將收到的信號直接放大處理后前傳,這種方式具有低復(fù)雜度和易實現(xiàn)的特點。據(jù)文獻[2]描述雙向中繼系統(tǒng)的系統(tǒng)容量約是單向協(xié)作系統(tǒng)的2倍。基于以上考慮,本文是在雙向AF中繼協(xié)作系統(tǒng)分析中繼選擇問題。

協(xié)作通信中,功率分配和中繼選擇對系統(tǒng)性能均能起到至關(guān)重要的作用。文獻[3]提到一種兩端與中繼處最大化最小信噪比的最優(yōu)中繼選擇方式,但未考慮節(jié)點能量消耗,同時也不能保證兩端性能同時達到最優(yōu)。文獻[4~5]用信噪比的上限來代替信噪比進行推導(dǎo),并利用文獻[3]的方法選出最優(yōu)中繼。文獻[6]提出了利用系統(tǒng)的信道容量或稱為可達速率來判定最優(yōu)中繼選擇的問題,信噪比利用瞬時的比較,選出系統(tǒng)可達速率最大的節(jié)點。

1雙向AF中繼系統(tǒng)模型

圖1　雙向AF中繼系統(tǒng)模型

中繼Ri在第一時隙接受的信號表達式為

(1)

其中,PA和PB為用戶A和B的發(fā)射功率值。

系統(tǒng)依據(jù)中繼算法選出性能較好的中繼Rk,在第二時隙中繼Rk對接受到的信息合并放大轉(zhuǎn)發(fā)直接發(fā)送到用戶A和B。A端和B端的接受信號表達式為

(2)

這里將式(1)代入到式(2)得到接受信號A和B的完整表達式

(3)

兩用戶端A和B已知各自初始階段的信號,可以通過自干擾消除技術(shù),得到對方的信息。兩端的信噪比表達式為

(4)

2雙向AF中繼選擇算法

2.1最大化最小信噪比的中繼選擇算法

文獻[3]提出一種最大化最小信噪比的中繼選擇方式。信噪比在系統(tǒng)模型中已得到,此處假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中存在N個可選中繼,稱用戶A和B到中繼的兩段鏈路為一條鏈路,中繼與兩端的信噪比為ΓAk和ΓBk。文中在N條鏈路中先比較兩段中較小的信噪比。

(5)

然后取出N條最小信噪比鏈路中信噪比最大的一項,稱其為最優(yōu)中繼Rb。

(6)

2.2最大化瞬時信道容量的中繼選擇算法

文獻[6]提出了一種基于信道容量最大化的中繼算法。網(wǎng)絡(luò)中用戶A和B均通過N個可選中繼來廣播信息,通過用戶A和B接受到的信噪比ΓAk和ΓBk可求出通信系統(tǒng)單向的信道容量,定義雙向AF中繼系統(tǒng)單條鏈路的信道容量為

(7)

在N條中繼鏈路中選擇使系統(tǒng)瞬時容量最大的中繼作為最優(yōu)中繼Rb。

(8)

2.3最小化中斷概率的中繼選擇算法

系統(tǒng)中斷的定義是中繼系統(tǒng)的瞬時信道容量不能達到預(yù)先設(shè)定的門限值。假設(shè)用戶A的中斷概率為Ω1,用戶B的中斷概率為Ω2,設(shè)定雙向AF系統(tǒng)的速率門限值是v。用戶A和B通過某一中繼Rk完成信息互動,若有一條鏈路發(fā)生中斷,系統(tǒng)中斷便發(fā)生。故系統(tǒng)中斷概率為

Pout=1-(1-Ω1)(1-Ω2)

(9)

用戶A和B發(fā)生中斷的概率分別為

(10)

對用戶A定義3個隨機變量

(11)

瑞利衰落信道下χ1和χ2服從參數(shù)為λ1和λ2的指數(shù)分布。

(12)

用χ1和χ2變量替換式(4)得到ΓAk的新表達式為

(13)

(14)

其中,K1(·)為第二類一階貝塞爾函數(shù)。利用該函數(shù)的性質(zhì),在高信噪比為λ1時,λ2→0,簡化X累積分布函數(shù)為

FX(x)=1-e-(λ1+λ2)x≈(λ1+λ2)x

(15)

用戶B→用戶A的中斷概率為

(16)

同理,用戶A→用戶B的中斷概率為

(17)

將式(16)和式(17)代入到式(9),可得到中斷概率最小的中繼鏈路Rb

(18)

3仿真結(jié)果與數(shù)值分析

圖2　不同中繼選擇算法與中斷概率的關(guān)系

從圖2中可看出中繼選擇算法對中斷概率的影響,采用中繼選擇可有效地降低雙向AF中繼系統(tǒng)的系統(tǒng)概率,約在總功率P=20 W時,這4種情況的中斷概率差別較小。但隨著信噪比和總功率值的增加,中繼算法明顯改善系統(tǒng)的中斷概率性能,在總功率P=40 W時,采用最小中斷概率(MOP)算法比無中繼選擇低了約1個數(shù)量級。另外,最小中斷概率算法比其他2種算法相比性能也有一定的改進。

圖3　不同中繼算法與系統(tǒng)總速率的關(guān)系

從圖3中可以看出,采用不同中繼選擇算法對雙向AF系統(tǒng)總速率會產(chǎn)生不同的影響。圖中的隨機中繼選擇算法指的是系統(tǒng)隨機選擇一個中繼參與協(xié)作傳輸信息。隨機中繼相對于其他3種算法,性能較差。在總功率P=40 W時,最大化容量算法和最小中斷概率算法比隨機中繼算法的速率值提升了約2.2 bit·s-1/Hz。最大化容量中繼算法和最小中斷概率中繼算法對總速率的性能影響比較接近,優(yōu)于最大化最小信噪比算法和隨機中繼選擇算法。

4結(jié)束語

分析研究了雙向AF中繼系統(tǒng)的中繼選擇算法,對于采用不同的中繼選擇方式會對系統(tǒng)的總速率和中斷概率等性能產(chǎn)生一定的影響。理論分析和仿真結(jié)果表明,文中所提的最小中斷概率的中繼選擇算法(Minimum Outage Probability,MOP)可以在提升系統(tǒng)總速率的同時,又較好地降低了系統(tǒng)的中斷概率,是一種較優(yōu)的中繼選擇方式。

參考文獻

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

[2]唐倫,劉通,陳前斌,等.Two-way中繼系統(tǒng)協(xié)作節(jié)點選擇及功率分配策略[J].電子與信息學(xué)報,2010,32(9):2077-2082.

[3]Jing Y.A relay selection scheme for two-way amplify-and-forward relay networks[C].Hangzhou:International Conference on Wireless Communications & Signal Processing,IEEE,2009.

[4]Li E Y,Yang S Z.Simple relay selection criterion for general two-way opportunistic relaying networks[J].Electronics Letters,2012,48(14):881-882.

[5]Shi J,Ge J,Li J.Low-complexity distributed relay selection for two-way AF relaying networks[J].Electronics Letters,2012,48(3):186-187.

[6]史寅科,邱玲.非理想信道信息下雙向多中繼選擇系統(tǒng)性能分析[J].電子與信息學(xué)報,2012,34(10):2293-2298.

[7]劉通,陳前斌,唐倫,等.Two-way中繼系統(tǒng)中的雙向中繼選擇及功率分配策略[J].計算機應(yīng)用研究,2010,27(7):2697-2699,2703.

中圖分類號TN925

文獻標(biāo)識碼A

文章編號1007-7820(2016)03-058-03

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.03.014

作者簡介:徐鵬飛(1987—),男,碩士研究生。研究方向:協(xié)作通信。

收稿日期:2015- 08- 31