協作式終端直通系統中星座旋轉輔助的干擾避免策略

孫黎,徐洪斌

(西安交通大學電子與信息工程學院, 710049, 西安)

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協作式終端直通系統中星座旋轉輔助的干擾避免策略

孫黎,徐洪斌

(西安交通大學電子與信息工程學院, 710049, 西安)

針對協作式終端直通(device-to-device,D2D)系統中蜂窩鏈路和D2D鏈路相互干擾的問題,提出了一種星座旋轉輔助的干擾避免策略,以改善系統的誤碼性能。首先,對系統中各發射節點的信號星座圖進行旋轉,并對信道相位信息進行預補償;然后,令不同的發射節點使用相互正交的信道發送信號,利用復信號同相分量和正交分量之間固有的正交性來避免相互干擾;最后,以最大化最小歐氏距離為目標,對星座旋轉角度進行優化設計,從而有效降低蜂窩通信和D2D通信的誤符號率。仿真結果表明,在系統采用QPSK作為調制方式且平均信噪比大于20 dB的條件下,與傳統的協作雙向傳輸策略相比,所提出的策略能夠使誤符號率由10-1下降至10-3。

終端直通;星座旋轉;干擾避免;誤符號率

隨著移動多媒體、社交網絡、車聯網等新型應用的不斷涌現,用戶對通信系統服務質量的要求也越來越高。傳統的蜂窩通信模式過度依賴于集中式的網絡架構,這會顯著增加基站負荷并造成網絡擁塞。終端直通(device-to-device,D2D)技術能夠使距離較近的移動設備直接進行點對點傳輸,從而有效實現了蜂窩網絡數據的分流,并且提升了系統的頻譜效率,擴大了網絡的覆蓋范圍[1-2]。在D2D通信系統中,設備間的直通鏈路與蜂窩用戶間的傳輸鏈路共享相同的頻譜,因此,如何實現有效的干擾管理是D2D系統需要解決的核心問題。

針對干擾管理問題,文獻[3]提出通過設置干擾受限域來避免蜂窩用戶(cellular users,CU)和D2D設備對之間的干擾。在文獻[4]中,作者針對不同的資源共享模式分別給出了最優的資源分配和功率控制方案。文獻[5]設計了一種時頻資源分配策略,從而最大化系統的總吞吐量。上述幾種方案主要采用資源分配和信號處理技術來消除或減弱干擾的影響,但沒有充分利用不同節點之間的相互協作機制來抑制干擾。針對這一問題,文獻[6-7]設計了基于疊加編碼的協作式D2D傳輸策略,使D2D發射機充當蜂窩鏈路的中繼節點,并采取疊加編碼的方式同時發送自身數據和蜂窩用戶數據,以此獲得頻譜機會。該策略的不足之處是:受限于中繼傳輸的雙跳特性和節點半雙工約束,D2D傳輸和蜂窩傳輸的頻譜效率都難于提升。為了克服這一缺陷,文獻[8]提出了一種協作雙向傳輸策略,使得一對D2D設備之間能夠建立雙向連接,同時其中一個D2D用戶作為中繼來實現蜂窩用戶之間的雙向信息傳遞。

文獻[6-8]所提方案的共同缺點在于,任一終端接收到的信號都包含自身所需信號和發送給其他用戶的信號,因此系統是干擾受限的,這會造成嚴重的誤碼平臺,并導致誤碼性能的惡化。為此,本文提出一種星座旋轉輔助的干擾避免策略,通過旋轉信號星座圖并利用復信號同相分量和正交分量之間固有的正交性,以完全避免干擾,并消除誤碼平臺。與已有的疊加編碼策略和協作雙向傳輸策略相比,本文所提策略能夠使系統的誤符號率顯著降低,并且不會造成任何頻譜效率損失。此外,本文策略無須額外的編解碼或信號處理操作,因此具有很低的實現復雜度。

1 系統模型

如圖1所示,本文所研究的系統包含一個基站(base station,BS),一個CU,以及2個D2D用戶(分別記為D1和D2)。BS和CU之間有雙向通信的需求,但是由于它們相距較遠或受到障礙物遮擋,因此無法直接建立雙向傳輸鏈路,而D1和D2是兩個距離很近的用戶設備,它們希望利用終端直通技術來實現雙向信息交互。為了滿足D1和D2之間的通信需求,BS允許D2D設備對復用蜂窩網的頻譜;作為回報,D2D設備對中的一臺設備須充當中繼來完成BS和CU之間的雙向傳輸。不失一般性地,本文假定D1作為中繼節點。

圖1 系統模型

D2D系統和蜂窩系統之間的每次協作(即每個協作周期)由兩個階段構成:在第一階段,BS、CU、D2分別發送各自的信號至D1;在第二階段,D1轉發由BS和CU信息組合而成的信號,從而實現蜂窩用戶之間的雙向信息傳遞;與此同時,D1也將自身的信號傳輸至D2。關于該傳輸協議的更多細節將在下一節給出。

本文假設所有節點都配置單副天線,且工作于半雙工模式。BS和D1、CU和D1、D1和D2之間的信道系數分別表示為hBS,D1、hCU,D1、hD1,D2。將這些信道系數建模為零均值復高斯隨機變量,方差分別為μBS,D1、μCU,D1、μD1,D2。本文假設信道滿足互易性,即hij=hji,?i≠j。用|hij|和∠hij分別表示hij的模值和相位(i∈{BS,CU,D1},j∈{BS,CU,D2})。假設信道服從準靜態衰落模型,即各信道系數在一個協作周期內保持不變,而在不同的協作周期之間獨立變化。假設每個節點只具有與自身傳輸鏈路相關的信道狀態信息(channel state information,CSI)。令每個節點的發射功率為P,將每個接收機處的加性噪聲表示為零均值、方差為N0的復高斯隨機變量。定義無衰落平均信噪比為ρ=P/N0。這樣,鏈路i→j的接收信噪比可表示為γij=ρ|hij|2。對于所考慮的信道模型,γij服從參數為λij=(ρμij)-1的指數分布。在本文中,pr(A)表示事件A的概率,E(·)表示數學期望運算,Re{x}、Im{x}和x*分別表示x的實部、虛部和復共軛。

2 星座旋轉輔助的干擾避免策略

本文所提出的干擾避免策略的核心思想是旋轉信號星座圖[9]。令u∈X表示原始的信號星座,則旋轉后的信號可表示為x=ejθu,其中θ為旋轉角度,它的取值應使得旋轉后的星座集合中任意兩個不同星座點的同相分量(以及正交分量)均不相同,即對任何i≠k,均有

(1)

式中:xi,xk∈ejθX表示旋轉后的星座集合中的任意兩個星座點。在本文所提出的干擾避免策略中,所有節點的信號均首先經過上述旋轉操作后再進行發送。

(2)

(3)

在第二階段,D1需要轉發BS和CU的消息以完成蜂窩用戶之間的雙向通信;與此同時,它也需要將自身的信息傳輸至D2。為此,本文設計D1發送的信號具有如下形式

(4)

式中:β=1/(P|hBS,D1|2+P|hCU,D1|2+N0/2)1/2是功率歸一化因子;xD1是D1發送給D2的數據。這樣,D2接收到的信號可以表示為

(5)

為了實現對xD1的檢測,D2首先對接收信號進行匹配濾波,然后提取所得信號的虛部以構造如下的判決統計量

(6)

基于式(6),D2可以完成Re{xD1}的最大似然檢測,從而恢復出xD1。不難推出,D1→D2鏈路的信噪比可以表示為

(7)

BS端的接收信號可以表示為

(8)

(9)

(10)

通過一些繁瑣的推導,可以得到CU→BS傳輸的接收信噪比表達式為

(11)

與上述分析類似,CU端的接收信號可表示為

(12)

基于式(12),xB能夠被恢復出來。由于CU與BS所完成的信號檢測過程基本一致,因此本文不再贅述。

由上述討論可知,利用本文干擾避免策略可以使所有終端節點處的信號檢測都不受干擾影響,從而能夠完全消除誤碼平臺。該策略會給協議實現和存儲帶來一定的復雜性。首先,每個發射節點均須在完成信號的調制之后進行星座旋轉操作,而接收節點在完成信號的解調之后也必須先將旋轉后的星座點映射為原始信號點,之后才能恢復信息,因此,在協議實現上會增加一定的復雜度;第二,各節點必須知道所使用的星座旋轉角度值,該值需要事先計算并存儲于系統中,這意味著系統須增加專門的存儲單元,從而會增加存儲方面的復雜度。不過,上述兩方面的開銷都較小,并且由第5節的仿真結果將會看到,采用本文策略會極大地改善系統的誤碼性能,因此上述復雜度的略微增加是可以接受的。

3 誤符號率分析

3.1 蜂窩用戶的SEP分析

根據聯合界(union bound),CU→BS鏈路的端到端SEP的上界可以表示為

(13)

根據式(10),條件PEP可以表示為

(14)

(15)

式中:fX(x)表示隨機變量X的概率密度函數。在高信噪比條件下,γ(CU→BS)可以近似為

(16)

式中:γ1=2γCU,D1;γ2=3γBS,D1。對于本文所考慮的信道模型,γ1和γ2均為服從指數分布的隨機變量,參數分別為λ1=λCU,D1/2和λ2=λBS,D1/3。利用文獻[10]的公式(18),γ(CU→BS)的PDF可以表示為

(17)

式中:Kv(x)是第二類v階修正貝塞爾函數。

將式(17)代入式(15),并利用Q函數的上界[11]Q(x)≤(1/12)e-x2/2+(1/4)e-2x2/3,可得

(18)

令式(18)中的兩個積分分別為I1和I2。利用文獻[12]的式(6.621.3),I1和I2可以分別計算為

(19)

(20)

將式(18)～(20)與式(13)相結合即可得到CU→BS傳輸鏈路的SEP上界。BS→CU鏈路的SEP上界也可以采用與上述分析完全類似的步驟推導得到,此處不再贅述。

3.2D2D用戶的SEP分析

采用與3.1節類似的分析過程,得到D1→D2傳輸鏈路的SEP上界為

(21)

D2→D1鏈路的SEP上界可以采用同樣的方法推導,故此處省略。

4 星座旋轉角度的選取

根據第2節可知,所選取的星座旋轉角度須滿足式(1)給出的約束條件。顯然,滿足這一條件的θ不唯一,因此,我們希望從中選出能夠最優化系統誤碼性能的旋轉角度。為此,首先考慮蜂窩用戶的SEP。將式(13)和式(15)相結合,可以將CU→BS鏈路的SEP上界進一步表示為

(22)

類似地,式(21)所給出的D1→D2鏈路的SEP上界可以進一步表示為

(23)

式(22)和(23)中的結果表明,為了降低鏈路i→j的誤符號率,發射節點i應當選擇能夠使最小距離最大化的旋轉角度,即旋轉角度應滿足

(24)

結合式(24)的形式和dmin的定義可知,星座旋轉角度的選取只與各節點所采用的調制方式有關,而與信道條件無關,因此在實際中無須實時計算,從而具有很低的實現復雜度。

顯然,任何不滿足式(1)的θ都會使得dmin=0;也就是說,不滿足式(1)的θ不可能是式(24)的解。因此,在設計旋轉角度時,只需考慮式(24)即可,而無須特別指出式(1)中的條件。

5 仿真結果及討論

圖2給出了蜂窩用戶(即CU→BS鏈路)誤符號率的仿真結果以及本文推導出的理論上界結果。從圖2可以看出,兩種基準策略都存在明顯的誤碼平臺,也就是說,系統的誤符號率不會隨信噪比的升高而下降。這是由這兩種策略的干擾受限特性所造成的。與之相對,本文所提出的策略由于能夠完全地避免干擾,因此系統的SEP將隨著SNR的升高而迅速下降。

圖2 CU→BS傳輸的平均信噪比與誤符號率關系曲線

圖3 D1→D2傳輸的平均信噪比與誤符號率關系曲線

圖3繪制了D2D用戶(即D1→D2鏈路)的SEP仿真曲線和本文推導出的理論上界曲線。正如所預期的那樣,協作雙向傳輸策略的SEP不會隨信噪比的升高而改善。與協作雙向傳輸策略相比,疊加編碼策略在中高信噪比時能夠獲得顯著的性能增益,這是因為疊加編碼策略允許D2D接收機(也就是D2)在第一階段譯碼CU的信號,這樣在第二階段結束時D2就能夠首先將CU的信號消去,然后再解碼自身數據,從而削弱了蜂窩用戶干擾的影響。然而,與本文所提策略相比,疊加編碼策略仍然體現出明顯的性能劣勢,這是由于在疊加編碼策略中,D2在第一階段的譯碼有可能發生錯誤,從而導致第二階段結束時D2的干擾消除不成功。與疊加編碼策略和協作雙向傳輸策略不同,本文所提策略通過使用星座旋轉技術以達到完全避免干擾的目的,因此在幾種對比方案中具有最佳的性能。

從圖2和圖3中還可以看出,本文所推導的理論上界能夠準確地反映出SEP隨信噪比變化的規律,從而驗證了理論分析的正確性。

6 結 論

本文針對協作式終端直通系統提出一種新的干擾避免策略。通過采用星座旋轉技術,該策略能夠同時為蜂窩鏈路和D2D鏈路提供無干擾的傳輸條件,從而完全消除了誤碼平臺。本文推導了蜂窩用戶和D2D用戶誤符號率上界的閉式表達式,給出了星座旋轉角度的設計準則。與傳統的疊加編碼策略和協作雙向傳輸策略相比,本文所提策略具有更好的誤碼性能,非常適合應用于蜂窩網絡中的D2D通信。

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(編輯 劉楊)

A Scheme to Avoid Interference via Constellation Rotation for Cooperative Device-to-Device Systems

SUN Li,XU Hongbin

(School of Electronics and Information Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

A scheme to avoid interference via constellation rotation for cooperative device-to-device (D2D) systems is proposed to deal with the cross interference between the cellular link and the D2D link, and to improve the system error performance. The signal constellation is first rotated, and the phase of the channel coefficient is pre-compensated at each terminal. Then, orthogonal channels at different nodes are used to send their signals. In this manner, the inherent orthogonality between the real and imaginary components of a complex signal can be utilized to avoid the interference. Finally, the value of the rotation angle is carefully designed to maximize the minimum Euclidian distance among the signal points, so that the symbol error probabilities (SEP) for cellular communications as well as D2D communications are effectively reduced. Simulation results and comparisons with the conventional cooperative two-way transmission scheme show that when QPSK modulation is adopted and the system average signal-to-noise ratio is higher than 20 dB, the proposed scheme can reduce the system SEP from 10-1to 10-3.

device-to-device; constellation rotation; interference avoidance; symbol error probability

2015-05-01。

孫黎(1983—),男,講師,碩士生導師。

國家自然科學基金資助項目(61201207)。

時間:2015-10-03

10.7652/xjtuxb201512002

TN911.7

A

0253-987X(2015)12-0006-06

網絡出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20151003.1917.002.html