協同DF-OFDM系統中基于MRC的機會中繼研究*

李俊杰，王 欣，馬 躍，魏急波

(國防科技大學 電子科學與工程學院，湖南 長沙 410073)

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協同DF-OFDM系統中基于MRC的機會中繼研究*

李俊杰，王 欣，馬 躍，魏急波

(國防科技大學 電子科學與工程學院，湖南 長沙 410073)

針對機會中繼譯碼轉發協同系統中未考慮直傳鏈路的問題，提出一種由目的節點根據系統中斷概率進行中繼選擇的方案，研究了將機會中繼信號與直傳信號在目的節點進行最大比合并時的系統性能，推導了采用最大比合并時的系統中斷概率。研究結果表明，當直傳鏈路存在時，通過目的節點的中繼選擇，可使系統性能得到進一步提高，其性能優于不考慮直傳鏈路時的機會中繼系統。

中繼選擇；中斷概率；MRC；OFDM

0 引 言

中繼選擇作為協同通信的一項關鍵技術得到了廣泛研究。中繼選擇通?？煞譃閱沃欣^選擇和多中繼選擇。多中繼選擇主要適用于采用空時編碼的分布式網絡[1]。與多中繼選擇不同，單中繼選擇以文獻[2]提出的機會中繼選擇最為經典，其對網絡節點的管理難度大大降低，更有益于協同通信的實際組織應用，對于小區邊緣用戶、熱點地區覆蓋、電臺戰術通信等場景具有現實意義?；诖耍疚尼槍C會中繼選擇策略開展研究，通過一定準則，從所有中繼中選出最優中繼完成協同傳輸。文獻[3]以最大化信干噪比為準則，研究了全雙工兩跳系統最佳中繼選擇方案，得到了系統誤碼率、遍歷容量和中斷概率，文中沒有考慮直傳鏈路。文獻[4]分析了DF多中繼選擇策略，通過最大化接收信噪比選擇最佳中繼，推導了所提方案的誤碼率性能。文獻[5]以中斷概率最小為準則，研究了瑞利信道下由目的節點選擇最佳中繼的DF方案，文中假設目的端已經獲取所有節點的信道信息。文獻[6]則提出了一種基于信道容量增益的中繼節點選擇策略。

以上研究都是假設信道是平衰落的，而考慮多個平衰落信道下并行傳輸的協同OFDM系統則研究較少，其聯合多個子載波信道衰落情況下的中繼選擇方法具有重要的現實意義。文獻[7]研究了兩跳OFDM協同系統中的中繼選擇策略，文獻[8]研究了多跳OFDM協同網絡中的中繼選擇，文獻[9]研究了DF-OFDM的4G系統性能，文中將OFDM信息分成若干塊并為每一塊選擇一個中繼，文獻[10]研究了協同OFDM系統解碼轉發中繼的動態資源分配。這些研究均沒有考慮直傳鏈路，在一些應用場景中，直傳鏈路往往是存在的，如何充分利用直傳鏈路使系統性能得到提升，同時避免空時編碼方案給系統實現帶來的復雜度是本文考慮的問題。最大比合并可以減輕節點同步要求，利于系統實現，是一種值得研究的協同合并方式。

本文針對協同OFDM系統的中繼選擇策略開展研究，由目的節點進行中繼選擇，采用了中繼選擇列表的協同方案，分析了最大比合并時系統的中斷概率以及最佳中繼選擇可獲得的分集階數，對協同通信在分布式通信網絡中的實際應用具有一定價值和意義。

1 系統模型

由于DF模式下端到端的性能由SNR較低的鏈路決定[12]，MRC時第k個子載波從S經Ri到D的等價信道增益可表示為：

(1)

那么S經Ri到D的第k個子載波等價信噪比為：

(2)

圖1 協同OFDM系統傳輸模型

2 協同策略

假設節點已完成組網，在發起協同傳輸前，目的節點按照一定準則確定最佳中繼節點，該準則將在后面內容中具體討論。目的節點分別獲取S→D、S→Ri和Ri→D的信道情況是選出最佳中繼節點的前提。文獻[13]提出了通過在各節點建立協同列表(CoopTable)實現協同傳輸，該方案沒有涉及中繼選擇，本文采用其思想在目的節點建立一個中繼選擇列表方案完成協同傳輸，具體過程如下：

表1 中繼選擇列表

第二步：傳輸模式確定。在開始進行數據傳輸前，為使系統獲得更好的傳輸性能并節約功率開銷，系統首先確定采用直傳模式還是協同模式。假設目的節點接收信噪比門限為γth，當直傳鏈路接收平均信噪比小于γth時，采用協同模式；否則采用直傳模式。目的節點將傳輸模式信息反饋回源節點和中繼節點。

第三步：中繼節點選擇。若為協同模式，目的節點根據中繼選擇準則選出最佳的中繼節點，將最佳中繼節點身份信息廣播出去，源節點和選出的中繼節點收到信號后，做好協同模式準備，在各自對應的時隙收發數據。當協同模式不能滿足目的節點的要求時，更新中繼選擇列表，進行新的中繼選擇。

下文重點針對該中繼選擇方案及系統中斷概率性能指標進行理論分析。

3 中繼選擇方案

上面講到了在協同過程中，目的節點根據協同信息列表進行中繼選擇，具體選擇的過程與分析如下。當選擇中繼Ri進行協同傳輸時，系統信道容量可表示為：

(3)

其中參數1/2表示協同模式時占用了廣播和協同兩個時隙。假設系統信道容量目標值為R，當系統信道容量小于R時，系統將發生中斷，那么中斷概率可表示為：

(4)

當P0/N0?1時，式(4)進一步簡化，可近似為

(5)

(6)

任意一次協同傳輸過程中，可將最優中繼節點理解成單獨完成協同傳輸使系統的信道容量最大的節點，這個過程可表示為:

(7)

4 中斷性能分析

在選出最佳中繼節點后，此時系統中斷概率可表示為：

(8)

由于每個中繼節點傳輸信道都是相互獨立的，式(8)可表示為：

(9)

從式(9)可以看出，經過最佳中繼節點選擇，系統中斷概率近似為各中繼節點分別協同傳輸時中斷概率的乘積。

(10)

(11)

(12)

當X1和X2獨立時，概率密度表達式為：

(13)

(14)

于是Y的累積分布函數表達式為：

(15)

將Y=2x代入式(15)，可得：

(16)

(17)

(18)

(19)

(20)

由式(20)可得中繼節點Ri協同傳輸時的中斷概率近似為：

(21)

將式(21)代入式(9)，最佳中繼選擇下系統的中斷概率為：

(22)

式(21)可以認為固定選擇某個中繼進行傳輸，認為此時的分集增益為1。僅在M可變的前提下比較式(21)和式(22)可以發現，對于目的節點采用MRC的OFDM協同通信系統，以中斷概率最小為準則的最佳中繼選擇方式，系統可獲得M階的分集增益。

在文獻[10]中推導了沒有直傳鏈路時系統的中斷概率：

Pout≈

(23)

有一點值得注意，本文分析得到了在有M+1條路徑的情況下，系統只獲取了M階分集增益而不是M+1分集增益。因為本文考慮的模型中繼節點采用FixedDF模式，只進行接收、編碼、發送，不進行信息校驗，存在錯誤傳遞的現象。在文獻[11]中對FixedDF模式三節點協同傳輸最大比合并的中斷概率進行了分析，最終得到系統只能獲取1階分集，因為該模式下系統性能由S→R和S→D中的最差鏈路決定。本文方案雖然進行了最優中繼選擇，但最終系統性能還是由S→Ropt和S→D中的最差鏈路決定。這種方式更有利于提高傳輸效率和快速實現，對于信噪比較高的場景來說，雖然數據包中的部分信息出錯，但是正確的部分仍然包含了大量對MRC有用的信息，可以為最大比合并提供有用信息，系統可獲得直傳鏈路帶來的陣列增益。

5 仿真結果

仿真中設定路徑損耗系數α=2，噪聲功率譜密度N0=1，子載波數N=32，所有中繼節點都位于S和D的連線上，S和D之間的距離歸一化，中繼節點間的距離差別不大，距源節點和目的節點都為0.5,R=25。

5.1MRC中繼選擇方案性能仿真

圖2所示為中繼節點數M分別為2、3、4，存在直傳鏈路時MRC方案下OFDM系統的中斷概率隨P0/N0的變化曲線。根據分析固定選擇中繼Ri進行協同傳輸的分集增益為1，從圖2中可以看到相同的P0/N0下，由于采用中繼選擇技術，系統的中斷性能要優于固定中繼方案的系統中斷性能。同時可以得到，隨著中繼節點數目的增加，系統可獲得的分集增益也增加，系統所獲得的分集階數等于中繼節點數M。

圖2 MRC中斷性能曲線

5.2 直傳鏈路存在與否的性能對比

5.1仿真僅說明了中繼選擇對系統性能的影響，為了說明直傳鏈路對系統中斷概率的影響，圖3在相同仿真條件下，對無直傳鏈路的情況下進行中繼選擇時的系統中斷概率進行了仿真，而在圖4中對R=27進行了仿真，并和有直傳鏈路的情況做了比較。圖中實線為存在直傳鏈路的情況即對應本文MRC方案，虛線為無直傳鏈路的情況即對應無MRC方案。

在圖3中通過對比備選中繼數目相同的兩條曲線(如圓圈對應的兩條曲線)可以看出，無直傳鏈路時和有直傳鏈路時的分集增益相同，但是有直傳鏈路時的系統中斷性能較好，系統中斷概率得到明顯改善。MRC方案利用了直傳鏈路，雖然獲得了和無直傳鏈路相同分集階數，但改善了端到端的等效信噪比，使得系統獲得了一部分直傳鏈路帶來的陣列增益。圖4仿真中信道容量目標值的提高使得中斷概率增大，但本文考慮直傳鏈路的方案性能依然優于不考慮直傳鏈路時的中斷性能。

圖3 R=25時有無直傳鏈路的性能比較

圖4 R=27時有無直傳鏈路的性能比較

從以上仿真結果對比中可以得到，在進行機會中繼模式下的協同傳輸時，可以利用直傳鏈路的信號和機會中繼的信號在目的節點進行最大比合并，理論分析和仿真證明這一方案可以進一步改善和提升系統性能。

6 結 語

針對機會中繼選擇未考慮直傳鏈路的情況，在協同DF-OFDM系統中提出了一種基于MRC的中繼選擇方案，分析推導了該方案下系統的中斷概率和分集增益。通過建立中繼選擇列表，由目的節點進行中繼選擇，避免了信道互易性假設。研究表明將機會中繼的信號與直傳鏈路的信號進行最大比合并，系統可獲得等于中繼數目的分集階數，也可獲得直傳鏈路帶來的陣列增益。仿真結果顯示，與不采用MRC方式相比，MRC方案的系統性能得到了明顯提升。

[1] Dokheyl M, Al Qahtani, Abdulhameed M,et al. Alamouti Distributed Space-Time Coding with Relay Selection[C]//ICACT, IEEE Conference Publications. PyeongChang: [s.n.], 2014:826 - 831.

[2] Bletsas A, Khisti A, Reed D P, et al. A Simple Cooperative Diversity Method based on Network PathSelection[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications，2006，24(03):659-672.

[3] CUI Hong-yu, MA Meng, SONG Ling-yang,et al. Relay Selection for Two-Way Full Duplex Relay Networks with Amplify-and-Forward Protocol[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications. 2014. 13(07): 3768-3777.

[4] Yawgeng A, Mostafa Ai Harbawi. Cooperative Diversity with Cooperative Selection and Stay Combining with Multiple Decode and Forward Relays[C]//WPMC, IEEE conference publications. New Jersey: [s.n.], 2013:1-5.

[5] Khaled M Eshteiwi. Outage Performance of Relay Selection in Cooperative Wireless Networks over Rayleigh Fading Channel [C] // CCECE,IEEE Conference Publications. Regina: [s.n.], 2013: 1-5.

[6] 李易，邱玲，柳衛平. 基于譯碼-轉發的多中繼協作節點選擇方法[J],通信技術.2010,43(05):56-58. LI Yi，QIU Ling，LIU Wei-ping. Multi-Relays Selection Scheme in Cooperative Networks based on Decode-and-Forward Protocol. Communications Technology, 2010, 43(05): 56-58.

[7] DAI L, GUI B, Cimi L J. Selective Relaying in OFDM Multihop Cooperative Networks[C]//WCNC, Hongkong: IEEE Press, 2007:963-968.

[8] GUI B, DAI L, Cimini L J. Selective Relaying in Cooperative OFDM Systems: Two-Hop Random Network[C]//WCNC, Las Vegas: IEEE Press, 2008: 996-1001.

[9] YANG Wen-dong, CAI Yue-ming. On the Performance of the Block based Selective OFDM Decode and Forward Relaying Scheme for 4G Mobile Communication Systems [J]. Journal of Communications and Networks. 2011. 13 (01): 56-62.

[10] 王麗潔.無線協同通信中的協同策略與資源分配研究[D].長沙：國防科學技術大學，2011. WANG Li-jie. Cooperative Scheme and Resource Allocation for Wireless Cooperative Communication. Changsha: National University of Defense Technology, 2011.

[11] Ray Liu K J, Ahmed K Sadek, Weifeng Su, et al. Cooperative Communications and Networking [M]. Cambridge, England: Cambridge University Press, 2009:100-200.

[12] Laneman J N, Tse D N C, Wornell G W. Cooperative Diversity in Wireless Networks: Efficient Protocols Sand Outage Behavior [J]. IEEE Trans Inf Theory, 2004, 50(12): 3062-3080.

[13] LIU Pei, TAO Zhi-feng, Sathya Narayanan, et al.CoopMAC: A Cooperative MAC for Wireless Lans [J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communication, 2007, 25(02):340-354.

Opportunistic Relay in Cooperative DF-OFDM Networks based on MRC

LI Jun-jie, WANG Xin，MA Yue,WEI Ji-bo

(College of Electronics Science and Engineering,National University of Defense Technology,Changsha Hunan 410037,China)

As the direct link is often ignored in opportunistic relay selection of transmission cooperative system, this paper proposes a relay selection strategy carried by destination node based on outage probability criterion. Moreover, system performance of MRC (Maximal-Ratio-Combine) method to combine opportunistic relay signals and direct-link signals in destination node is studied, and the system outage probability under MRC also analyzed. Research results indicate that when a direct link exists, the system is further enhanced in performance by relay selection of destination node and it outperforms opportunistic relay selection scheme without direct link.

relay selection；outage probability；MRC；OFDM

10.3969/j.issn.1002-0802.2015.05.011

2014-12-27；

2015-03-23 Received date:2014-12-27；Revised date：2015-03-23

文獻標志碼：A 文章編號：1002-0802(2015)05-0560-06

李俊杰(1990—)，男，碩士研究生，主要研究方向為協同通信;

王 欣(1980—)，男，博士，講師，主要研究方向為協同通信;

馬 躍(1987—)男，博士研究生，主要研究方向為協同通信;

魏急波(1967—)，男，博士，教授，主要研究方向：主要研究方向為現代通信技術、軟件無線電。