海上無線通信網絡中的協作傳輸技術研究

孫福剛，郭日成，賀 琨，楊 宇，余海瑞

（中國船舶工業系統工程研究院，北京 100094）

0 引言

因海上通信信道存在的廣播特性，海上無線傳輸網絡中的各個傳輸節點與分布式天線單元的作用相當，協作傳輸技術（cooperative communication）[1-3]在通信雙方之間的直傳信道以外又引入了一條獨立的中繼信道，并利用中繼信道與直傳信道間衰落特性相互獨立這一特點，在源節點和目的節點之間形成滿秩的MIMO信道。通過采用必要的接收技術，能夠在物理層獲得必要的分集增益，且通過使用定向波束可以提高每一條無線鏈路的信道容量。正交頻分多址接入（OFDM access，OFDMA技術同樣對符號間干擾和頻率選擇性衰落不敏感，OFDMA多址方式首先將子載波分組，分配給相關用戶用于數據傳輸。傳統頻分多址接入（frequency division multiple access，FDMA），OFDMA中子載波之間的正交性消除了載波間干擾（intercarrier interference，ICI），因此降低了用戶之間的多址接入干擾（multiple-access interference，MAI）[4-5]。海上編隊內各個通信節點之間的信道相互獨立，具備協作傳輸網絡基本特性，本文分析了當各通信節點采用OFDMA多址接入方式時，系統的中斷概率性能，理論分析表明采用基于OFDMA的協作傳輸技術可以作為海上編隊無線傳輸采用的傳輸體制。同時利用檢測理論研究了OFDM子載波數量與中繼節點數量的關系，為子載波資源和傳輸節點規模的選擇提供了理論依據。

1 系統模型

如圖1所示，本文研究的模型中，協作傳輸系統中有一個源節點（S），一個目的節點（D），KR個中繼節點（R）。源節點和目的節點間的中繼節點服從隨機分布，使用的收發信機均配置N個子載波。假設各個通信節點都能夠完成理想的頻率和時間同步，且都使用足夠長胡OFDM循環前綴。網絡中，中繼節點采用多天線配置、天線數是Nr，其余各個通信節點均為單天線配置。且中繼網絡采用信道狀態信息輔助的放大轉發方式。

圖1 基于選擇OFDMA中繼系統傳輸模型

文中考慮兩跳的信道傳輸方式，時隙1中，源節點將數據s廣播到中繼節點，源節點和第i個中繼節點間的信道傳輸關系可用下式表示

這里，第i個中繼節點處，第k個子載波的歸一化功率因子，用 表示，滿足

時隙1中，待發送的信號首先完成發送波束賦形處理，即發送信號乘以維向量，。其中，是維第k個子載波從第i個中繼節點到目的節點的信道向量。因此，從中繼節點發出的信號滿足

此時，第k個子載波在目的節點的接收信號可以表示為

2 選擇OFDMA中繼性能分析

若傳輸網絡中，鏈路的傳輸分布特性服從平坦Nakagami-m慢衰落分布。采用基于選擇的OFDMA中繼方式時，每一個子載波都需要完成中繼選擇，因此中繼節點將被傳送不同的子載波。接收到的每一個子載波，在目的節點處被合并。因此，通過下式可以描述選擇到的中繼節點和OFDM子載波間的對應關系

這里，子載波數量是N。系統產生中斷的條件是，只要有一個子載波不能支持傳輸速率 要求。因此中斷概率可用下式表示：

緊接著，將式，式代入式，并且根據[7]，可以得到I2滿足

因此，我們可以得到信道狀態信息輔助的選擇OFDMA中繼的端到端中斷概率是這里，表示v階修正型貝塞爾函數。

3 OFDM子載波數量與中繼節點數量對系統中斷概率的影響

式中，子載波個數和中繼節點個數對系統中斷概率的影響不同，子載波個數增加時，中斷概率性能將會降低；相反，中繼節點個數增加能夠提升中斷概率性能。通過利用文獻[8]中的定理，詳細分析當子載波個數一定時的情況下，中斷概率受中繼節點數量的影響。首先定義檢測統計量定義為

圖2檢測統計量受中繼節點個數變化的影響，顯著水平

4 仿真結果

圖3仿真了鏈路平均信噪比對協作傳輸系統的中斷概率胡影響。仿真中，中繼節點配置2根天線，中繼數量從4個變化到6個。每一個中繼節點的平均信道增益服從不同的分布特征。分別仿真了兩跳信道衰落特性對稱和不對稱兩種情況。仿真表明，隨中繼節點個數增加，系統中斷概率性能得到改善，此外衰落特性也將影響中斷概率性能。子載波個數增加，中斷概率性能也會顯著下降，與上衣章節得出的理論結論一致。深入分析仿真結果，中斷概率閉式解的數學推導結果與Monte-Carlo仿真結果一致。

圖3 選擇OFDMA中繼中斷概率理論推導和Monte-Carlo仿真比較，

圖4和圖5分別比較了，中繼數量、平均信道增益和Nakagami參數，如何影響中斷概率性能。圖4中，仿真了中繼數量和平均信道增益對中斷概率的影響。仿真中，固定Nakagami參數，中繼數量和平均信道增益每次只變化一個參數。

圖4 中繼個數和平均信道增益與中斷概率關系

為比較中繼個數和Nakagami參數與中斷概率關系，特別仿真了信道分布。仿真表明，增加中繼數量可提高系統中斷概率性能，而鏈路功率不一致對信道狀態信息輔助中繼性能影響不明顯。此外，Nakagami參數和中繼節點個數相比，對系統性能的影響更小。

圖5 鏈路平均信道增益和Nakagami參數對性能影響的比較

圖5仿真了，鏈路平均信道增益和Nakagami參數與中斷概率的關系，仿真中每次僅變化一個參數。仿真表明，Nakagami參數對系統性能幾乎無影響，平均信道增益的改善對提高中斷概率性能更有效。因此，平均信道增益對中斷概率性能影響最顯著，Nakagami參數的影響相對最小。

圖7不同中繼個數下，中斷概率受中繼節點到目的節點距離變化的影響，任意兩個節點之間的平均信道增益滿足是第i個中繼節點到源節點或目的節點的距離，路損指數

為了驗證中繼節點數量對系統性能的影響，圖7仿真了中斷概率與中繼到目的節點距離變化的關系，設平均信道增益是中繼節點分布見圖6，仿真中共有12個中繼節點，均勻分布在以目的節點為圓心，為半徑的圓周上，相鄰兩個中繼節點角度是。仿真中，Nakagami參數中繼節點配置2根天線。仿真表明，配置多余8個中繼節點時，中斷概率性能幾乎不再發生變化。當子載波個數較小時，中繼節點間的性能差異更小。因此，仿真結果進一步驗證了檢測理論得到的結論。

圖6 中繼節點分布示意圖

5 結束語

本文分析了隨機Nakagami-m信道，采用AF方式的協作傳輸網絡中，采用基于選擇的OFDMA中繼策略時，傳輸系統的中斷概率性能。文中首先利用Monte-Carlo數學仿真，證明了傳輸系統的端到端中斷概率理論表達式推導與實際仿真相一致。利用檢測理論，分析了中繼數量對中斷概率性能的影響。分析表明，增加中繼數量不能顯著提高系統中斷概率性能，并結合仿真結果驗證了檢測理論的真確性。分析和仿真均表明，基于OFDMA的協作傳輸技術可以作為未來海上移動通信網絡的選擇方案。