基于過時反饋的選擇協同分集研究

趙永馳,仲福建,曾高榮

(1.綿陽師范學院數學與計算機科學學院,四川綿陽621000; 2.江西師范大學物理與通信電子學院,南昌330022)

基于過時反饋的選擇協同分集研究

趙永馳1,仲福建1,曾高榮2

(1.綿陽師范學院數學與計算機科學學院,四川綿陽621000; 2.江西師范大學物理與通信電子學院,南昌330022)

在無線協同通信系統中,由于信道的時變特性,導致中繼選擇和數據發送時的信道狀態信息不同。針對該問題,對基于過時反饋的選擇協同策略進行研究。介紹系統模型及基于過時反饋的中繼選擇過程,推導系統的中斷概率閉式結果和高信噪比下的近似逼近結果,通過分集復用折中性能分析得出,過時信道狀態信息導致系統的最大分集階數為2。數值仿真結果驗證了理論分析的正確性,并且得到中繼選擇時的信道狀態信息與數據發送的信道狀態信息稍有不同,其中斷性能就會大大降低的結論。

協同通信;選擇協同;過時信道狀態信息;中斷概率;分集復用折中;瑞利衰落

1 概述

多中繼協同技術可有效解決移動終端受到體積功率等條件的限制而無法利用多天線技術獲得空間分集增益的缺點,因此,對該技術的研究引起了學術界對協同通信技術的廣泛關注[1-2]。但多中繼采用空時編碼協同傳輸實現較復雜,該技術只限于理論上的研究分析。單中繼選擇技術的出現,大幅降低了多中繼協同通信系統的復雜度。其中,文獻[3]提出了一種簡單的利用信道狀態信息(Channel State Information,CSI)進行單中繼選擇的方法,并從理論上證明了該方法能夠達到與分布式空時編碼協同方法相同的分集性能。在以后的研究中,學者們對單中繼選擇策略及相關性能進行了大量的研究,文獻[4]提出了一種基于最大最小準則的機會中級選擇策略,且證明了該策略同樣能夠達到中斷最優。大量的文獻對單中繼選擇策略及相關性能進行了大量的研究,文獻[5-6]對Nakagami-m衰落信道的DF中繼選擇進行了研究;文獻[7]在選擇協同中加入反饋,并研究了Nakagami-m衰落信道下的分集復用折中(Diversity-multiplexing Tradeoff,DMT)性能。

上述文獻在進行中繼選擇研究時,都認為在進行中繼選擇時利用反饋估計出CSI與數據發送時的CSI相同。但是在實際環境中,由于信道的時變特性,且反饋和數據包的發送時間存在時延,這樣導致中繼選擇時的CSI相對于數據發送時的CSI已經過時,因此,有必要研究利用過時的CSI進行中繼選擇時對系統性能的影響。文獻[8-9]研究了過時CSI對AF中繼選擇時的性能影響;文獻[10]研究了在多用戶的AF中繼系統中的利用過時CSI進行用戶選擇時對系統性能的影響;文獻[11-12]中對源節點和目的節點之間不能直接通信的環境下,過時CSI對DF中繼選擇的性能影響進行了研究。相比較不考慮過時CSI的中繼選擇研究,國內外對過時CSI進行中繼選擇的研究并不多。

本文主要研究在采用反饋的選擇協同時,過時CSI對系統性能的影響,推導系統的中斷性能及高信噪比時的中斷概率近似逼近結果,并在近似中斷分析的基礎上,給出DMT性能分析,為中繼選擇研究提供理論參考。

2 系統模型

在此考慮的系統模型是由一個源節點S、一個目的節點D和N個DF中繼節點k(k=1,2,…,N)組成。每個節點只具有單根天線,且采用半雙工模式。在該系統模型中,假設所有節點之間的信道相互獨立,這樣,任意2個節點i和節點j之間進行數據通信的數學模型可以表示為:

在該模型中,首先源節點S廣播發送數據包,然后根據目的節點D解碼情況,可知傳輸一個數據包分為2種情況,具體傳輸流程如圖1所示。

情況1 直傳成功時,目的節點D反饋ACK,源節點接收到ACK幀后,表示該數據傳輸完成,立即進行下一個數據傳輸。

情況2 選擇中繼協同階段,在目的節點D反饋NACK后,所有中繼節點在接收到NACK幀后,立即進行檢測自身是否能夠正確解碼,所有能夠正確解碼的中繼形成一個集合Ω。

圖1 基于反饋的選擇協同通信流程

解碼中繼集合Ω的數學模型可以表示為:

由于中繼選擇時和中繼數據發送存在時間延遲,這樣,為了和數據發送時的CSI相區別,在此用表示中繼選擇時的CSI,hkD表示中繼發送數據時的實時CSI,hkD和具有相同的分布,對于Jakes模型下的瑞利衰落過程,條件概率密度函數滿足:

由上述中繼選擇過程可知,被選中繼滿足:

3 中斷性能分析

相應的概率密度函數(Probability Density Function,PDF)為:

由模型可知,系統的中斷性能可以表示為:

其中:

當0≤ρ＜1時,利用式(5)和式(9)可得:

其中:

把式(12)和式(11)代入式(10)中,可得該協議下系統總的中斷概率的閉式結果如下:

當ρ=1時:

當0≤ρ＜1時:

4 高信噪比下的近似逼近分析

由式(14)可見,在高SNR范圍內,在ρ=1時的中斷性能與所有CSI有關,在0≤ρ＜1時,中斷性能僅與源節點S到目的節點D和中繼到目的節點的信道有關,而與源節點S到中繼的信道性能無關。

5 DMT性能

DMT性能是衡量協同通信系統的一項重要性能指標,該性能指標體現了系統在速率與可靠性之間的權衡。在高SNR時,根據DMT定義,由式(14)可以得到基于過時反饋的選擇協同DMT性能為:

其中,(x)+=max{0,x}。

從式(15)可以看出,只有在信道相關系數ρ=1時,最大分集階數才為N+1,與系統模型的中繼數目有關,但是只要相關系數ρ≠1,即使ρ非常逼近1,其最大分集階數仍為2。實際上該特性可以從物理層面進行解釋,由于DMT性能是在SNR→∞時得出了,在較高SNR下,即使很小的誤差都會被放大,這種不確定性直接影響整個中繼選擇性能,因此該中繼就有被選中的可能,這樣,只要有一條信道的相關系數ρ≠1,最大分集就為2。

6 仿真分析

圖2 中斷概率隨SNR的變化曲線(===1)

圖3 中斷概率隨SNR的變化曲線(==1,=10)

從圖2和圖3中明顯可以看出,理論結果和蒙特卡洛仿真完全重合,在高SNR時,中斷概率的近似結果和精確結果也很好地逼近,驗證了理論分析的正確性。從圖2和圖3中還可以看出,隨著相關系數的變小,其中斷性能顯著降低,但是,在中繼到目的節點之間的信道質量較好的情況下相比其他情況來說,性能降低較低。

圖4 中斷概率隨中繼數N變化的性能曲線

圖5 中斷概率隨信道相關系數ρ變化的性能曲線

7 結束語

本文主要研究了利用過時CSI進行中繼選擇時,對反饋的選擇協同性能影響,推導了中斷概率的性能的精確閉式理論結果。給出高SNR范圍時,中斷概率的近似表達式以及DMT性能分析。最后通過仿真分析得出,在中繼選擇時的CSI與數據發送時的CSI稍有不同,就會使系統的中斷性能較大的降低,這就要求在時變信道環境中,盡量減少中繼選擇與數據發送的延遲時間,為了不降低系統的中斷性能,需要增加信道估計檢測的頻率。本文的性能研究結果為在實際應用中的中繼選擇提供了重要的參考。

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編輯 金胡考

Research on Selection Cooperation Diversity Based on Outdated Feedback

ZHAO Yong-chi1,ZHONG Fu-jian1,ZENG Gao-rong2
(1.School of Mathematics and Computer Science,Mianyang Normal University,Mianyang 621000,China;
2.College of Physics and Communication Electronics,Jiangxi Normal University,Nanchang 330022,China)

Due to characteristics of time-varying channel in the wireless cooperative communication system,the Channel State Information(CSI)at the time of relay selection may be different from that at the time of data transmission.Aiming at this problem,the selection cooperation with outdated feedback is investigated in this paper.First,the system model and the relay selection process with outdated feedback are introduced,and the closed-form result of outage probability and closed approximation in the high SNR regime are derived.By analyzing Diversity-multiplexing Tradeoff(DMT),it obtains the maximum diversity order which is 2 when the CSI used in relay selection is outdated.Finally,numerical simulation results verify the correctness of theoretical analysis,and show the outage performance will be greatly reduced when the CSI at the time of relay selection is slightly different form it at the time of data transmission.

cooperative communication;selection cooperation;outdated Channel State Information(CSI);outage probability;Diversity-multiplexing Tradeoff(DMT);Rayleigh fading

1000-3428(2014)10-0127-05

A

TP393

10.3969/j.issn.1000-3428.2014.10.025

四川省教育廳基金資助項目(14ZB0266);綿陽師范學院校級教改基金資助項目(mnu-JY1408);綿陽師范學院校級基金資助項目(2014A06)。

趙永馳(1974-),男,講師、碩士,主研方向:協同通信;仲福建,講師、碩士;曾高榮,講師、博士。

2013-09-24

2013-12-03E-mail:fujzhong@126.com

中文引用格式:趙永馳,仲福建,曾高榮.基于過時反饋的選擇協同分集研究[J].計算機工程,2014,40(10):127-131.

英文引用格式:Zhao Yongchi,Zhong Fujian,Zeng Gaorong.Research on Selection Cooperation Diversity Based on Outdated Feedback[J].Computer Engineering,2014,40(10):127-131.