兩跳中繼協(xié)作通信技術(shù)的研究與仿真﹡

杜偉華， 劉紫燕

(貴州大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025)

0 引言

為了滿足未來移動(dòng)通信系統(tǒng)日益增加的高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求，LTE-A引入了載波聚合、多點(diǎn)協(xié)作傳輸、中繼等關(guān)鍵技術(shù)[1]。其中，中繼作為一種能夠抵抗無線信道衰落，提高系統(tǒng)容量和擴(kuò)大系統(tǒng)覆蓋范圍的有效技術(shù)，以其低成本、易于安裝等優(yōu)點(diǎn)受到人們的廣泛關(guān)注，并成為近年來研究的熱點(diǎn)問題[2]。

在傳統(tǒng)的移動(dòng)通信系統(tǒng)中，為了確保小區(qū)邊緣用戶的通信需求，擴(kuò)大小區(qū)覆蓋范圍，則需要提高基站的發(fā)射功率來改善接收用戶的信噪比（SNR,Signal to Noise Ratio），而發(fā)射功率的提高必然會(huì)對(duì)相鄰小區(qū)產(chǎn)生同頻干擾，從而降低了頻譜效率。為了解決這一問題，通常采用增加基站密度的方法，而基站密度的增加，必將增加網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本[3]。而中繼節(jié)點(diǎn)的引入，既克服了相鄰小區(qū)之間的同頻干擾問題，又克服了因基站密度增加而產(chǎn)生的高成本問題，因此，中繼技術(shù)的研究具有一定的理論價(jià)值和實(shí)踐意義。

1 AF、DF中繼協(xié)作通信技術(shù)的研究

1.1 AF、DF協(xié)作方式的研究

中繼技術(shù)就是指基站或用戶不直接將信號(hào)發(fā)送給彼此，而是通過 RN將信號(hào)放大或再生處理后進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。根據(jù) RN對(duì)接收信號(hào)處理方式的不同，中繼協(xié)作方式可分為AF、DF和編碼協(xié)作等。在此主要對(duì)AF和DF中繼協(xié)作方式進(jìn)行了研究。

AF協(xié)作方式最先由Lane man等學(xué)者提出，其基本原理為：RN接收到來自演進(jìn)基站（eNB，evolved Node-Base station）或用戶端（UE, User Equipment）的信號(hào)時(shí)，只是將信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)單的放大然后發(fā)送給對(duì)方，而不做任何譯碼的處理。雖然RN在放大有用信號(hào)的同時(shí)也放大了噪聲，但接收端通過合并來自直傳鏈路和中繼協(xié)作鏈路兩條不同路徑衰落的信號(hào)，仍能夠獲得一定的分集增益[4-5]。

DF協(xié)作方式的工作原理為：RN對(duì)接收到的信號(hào)先進(jìn)行解碼，在能夠正確解碼的前提下再重新編碼后發(fā)送給對(duì)方。相對(duì)于AF協(xié)作方式，DF方式增加了一定的時(shí)延和設(shè)備復(fù)雜度，但其能夠只對(duì)信號(hào)中的有用信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，從而改善了信號(hào)的SNR[6]。

1.2 中繼協(xié)作通信的基本模型

目前LTE-A系統(tǒng)中的中繼模型包括協(xié)作傳輸和非協(xié)作傳輸兩類，其中協(xié)作傳輸?shù)乃枷肟梢宰匪莸紺over和 Gamal關(guān)于中繼信道的信息論特性的研究[7]。在此所研究的中繼協(xié)作通信技術(shù)就是通過基站和中繼節(jié)點(diǎn)之間的協(xié)作傳輸，從而在 UE獲得一定的分集增益。

在此所研究的LTE-A下行鏈路中基于兩跳的固定中繼協(xié)作通信技術(shù)的基本傳輸模型如圖1所示，其中eNB、RN和UE分別用源節(jié)點(diǎn)S、中繼節(jié)點(diǎn)R和目的節(jié)點(diǎn) D來表示，SRh 、RDh 、SDh 分別表示SR→、RD→和SD→的信道衰落系數(shù)。

圖1 中繼協(xié)作通信的基本傳輸模型

圖1所示的模型中，采用時(shí)分傳輸方式，S和D之間的通信分兩個(gè)時(shí)隙進(jìn)行，第一時(shí)隙S以廣播的形式將信號(hào)矢量Sx發(fā)送到R和D節(jié)點(diǎn)；第二時(shí)隙S保持沉默，R對(duì)接收到的來自S的信號(hào)做相應(yīng)的處理后，發(fā)送給D。設(shè)S以等功率P向R和D發(fā)送信號(hào)，則R和D接收到的信號(hào)SRy 和SDy 分別為式（1）和式（2）所示，其中SRn 和SDn 分別表示S到R和D的噪聲信號(hào)，服從均值為0，方差為2nσ的相互獨(dú)立的復(fù)高斯分布。

當(dāng)P=1時(shí)，則式（1）和式（2）又可以寫成式（3）和式（4）的形式：

當(dāng)采用AF協(xié)作方式時(shí)，S到R再到D的等效功能框圖如圖2所示。其中α為放大因子，RDy 為D收到的通過R處理后的信號(hào)。則RDy 為式（5）所示，α的取值為式（6）所示：

圖2 放大轉(zhuǎn)發(fā)模式下S到R到D的等效功能框

式中，0N為噪聲的功率，即202nNσ=。

當(dāng)采用DF協(xié)作方式時(shí)，R要對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行解碼、解調(diào)等操作，然后再對(duì)其編碼、調(diào)制后進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，然而這樣做的缺點(diǎn)是R的復(fù)雜度增加、時(shí)延增大等。在目前的研究中DF的譯碼方式分為完全譯碼和不完全譯碼兩種方式[8]。在此采用不完全譯碼的方式，即假設(shè)R能夠正確譯碼并轉(zhuǎn)發(fā)來自S的信號(hào)。

1.3 目的節(jié)點(diǎn)合并方式的研究

接收端用最大比合并的方式（MRC，Maximal Ratio Combining）。UE先對(duì)接收到的來自S和R的信號(hào)進(jìn)行相位校正，然后按照適當(dāng)?shù)脑鲆嫦嗉雍笏腿霗z測(cè)器進(jìn)行相干檢測(cè)。UE接收到的信號(hào)Dy為式（7）所示，其中SDh*、RDh*分別為SDh 和RDh 共軛：

2 AF、DF中繼協(xié)作通信技術(shù)的仿真

在對(duì)中繼協(xié)作通信技術(shù)及AF、DF中繼協(xié)作方式深入研究的基礎(chǔ)上，完成了RN采用AF或DF協(xié)作方式時(shí)協(xié)助eNB通信的仿真，其仿真流程如圖3所示，其仿真參數(shù)的設(shè)置如表1所示。

圖3 基于放大轉(zhuǎn)發(fā)和譯碼轉(zhuǎn)發(fā)的中繼協(xié)作仿真流程

表1 仿真參數(shù)的設(shè)置

3 仿真結(jié)果及分析

圖3給出了直傳鏈路下和RN采用AF或DF協(xié)作方式下的基本仿真流程。該流程圖中首先根據(jù)是否采用中繼協(xié)作進(jìn)行第一次判斷，不采用中繼時(shí)，eNB直接將信號(hào)通過直傳鏈路（Direct Link）發(fā)送到 UE端；采用中繼時(shí)，則根據(jù)中繼使用的協(xié)作方式進(jìn)行再次判斷，并在RN處對(duì)接收到的eNB的信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的處理后發(fā)送到 UE，UE則采用 MRC對(duì)接收到的RN和eNB的信號(hào)進(jìn)行合并，并以誤碼率（BER，Bit Error Ratio）為衡量指標(biāo)分別比較了AF或DF中繼協(xié)作方式與無中繼協(xié)作時(shí)直傳鏈路的性能，其中信道的類型為瑞利衰落信道（Rayleigh）和加性高斯白噪聲信道(AWGN，Additive White Gaussian Noise)，將中繼協(xié)作時(shí)的BER曲線和直傳鏈路下的BER曲線比較可得如圖3和圖4所示的仿真結(jié)果。其中 QPSK是正交相移鍵控調(diào)制方式，Magic Genie是指RN采用DF方式時(shí)能夠正確譯碼并轉(zhuǎn)發(fā)的標(biāo)志。

圖3 放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼協(xié)作方式

圖4 譯碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼協(xié)作方式

由圖3和圖4仿真結(jié)果可知：同一SNR條件下，無論是AF協(xié)作方式還是DF協(xié)作方式其BER都比無中繼協(xié)作的直傳鏈路的BER低，即基站采用中繼協(xié)作傳輸時(shí)的BER比直傳鏈路的BER低，且隨著SNR的增加，中繼協(xié)作時(shí)的BER比直傳鏈路的BER降低更為明顯。由此可知：通過 RN的協(xié)作能夠提高鏈路的通信質(zhì)量，即 RN的引入使通信鏈路的通信質(zhì)量得到了一定的改善。

為了更進(jìn)一步說明AF和DF中繼協(xié)作方式的協(xié)作性能，在此對(duì)AF和DF中繼協(xié)作方式進(jìn)行了更進(jìn)一步的分析比較，仿真結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，DF中繼協(xié)作方式在RN能夠正確譯碼轉(zhuǎn)發(fā)的前提下，其性能優(yōu)于AF中繼協(xié)作方式。

圖5 放大轉(zhuǎn)發(fā)與譯碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼協(xié)作方式的比較

4 結(jié)語(yǔ)

以上以兩跳中繼為研究對(duì)象，主要研究了基于AF和DF方式下的中繼協(xié)作通信技術(shù)，通過仿真結(jié)果可知AF和DF中繼協(xié)作技術(shù)均能降低通信鏈路的BER，改善了通信鏈路的通信質(zhì)量，并比較了 AF和 DF中繼協(xié)作方式的協(xié)作性能，由仿真結(jié)果可知在 RN能夠正確譯碼的前提下，DF協(xié)作方式優(yōu)于AF協(xié)作方式。

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