一種干擾受限場景下的雙向中繼選擇方法

張庭園，李小兵，鄭 宇，李 靖

(1.中國科學院微電子所，北京 100029；2. 中興通訊股份有限公司，北京 100083；3. 西安電子科技大學 通信工程學院，陜西 西安 710071)

一種干擾受限場景下的雙向中繼選擇方法

張庭園1，李小兵2，鄭 宇3，李 靖3

(1.中國科學院微電子所，北京 100029；2. 中興通訊股份有限公司，北京 100083；3. 西安電子科技大學 通信工程學院，陜西 西安 710071)

針對非對稱雙向中繼通信系統，提出了一種干擾受限場景下的機會中繼選擇方法。該方法僅利用了中繼節點的本地信道狀態信息且實現復雜度低，適用于兩個源節點的發射功率和閾值速率均不同的雙向中繼通信系統。仿真結果表明，在中高信噪比條件下，所提方法的性能接近于最優中繼選擇方法，且大大優于未考慮干擾的傳統中繼選擇方法。

干擾受限；雙向通信；中繼選擇

協作分集技術是無線網絡中的一種新型分集技術，該技術通過在網絡中的多個單天線終端之間進行協作來實現通信，此時可構成一種虛擬的多天線陣列，從而獲得顯著的分集增益。協作分集的實現方法是使用中繼節點為源節點和目的節點之間的通信提供額外的傳輸路徑，從而達到增強網絡覆蓋能力和提高網絡傳輸量的目的。通過使用具有最佳瞬時信道質量的單個中繼進行協作分集，機會中繼可以獲得與更為復雜的空時編碼協作通信相同的分集增益。

由于放大轉發(AF)雙向中繼協作通信系統可以在兩個時隙中完成源節點之間的信息交換，具有較高的有效性及可靠性，近年來獲得了研究者的廣泛關注[1-3]。文獻[4]針對AF雙向中繼系統，研究了系統業務的不對稱性對中斷性能的影響，并提出一種不對稱AF雙向中繼選擇方法。文獻[5]詳細介紹了雙向中繼系統的容量上限。針對兩個源節點以及中繼節點的功率都相等的情況，文獻[6]提出了一種低復雜度雙向中繼選擇方法。文獻[7]提出了一種適用于雙向中繼傳輸的集中式中繼選擇方法，該方法需要持續估算整個系統中所有鏈路的信道狀態信息，實現復雜度較高。

上述研究工作都是在忽略干擾的情況下進行的，而在實際的通信系統中，干擾總是存在的，尤其是相鄰小區間的干擾總是不可避免的。文獻[8]針對干擾受限場景下的單向中繼系統，提出了幾種簡化的低復雜度中繼選擇算法。然而，雙向中繼系統在干擾受限場景下的中繼選擇問題，現有文獻還較少涉及。為此，本文提出了一種干擾受限場景下的雙向中繼選擇方法。需要特別指出的是，由于該方法還考慮了兩個源節點的發射功率和期望的閾值速率均不同的情況，對存在干擾的實際基站-用戶通信模型具有重要的參考價值。研究表明，所提方法以一種較低的系統復雜度，在高信干噪比時，達到了最優的中繼選擇系統性能。與最優的中繼選擇方法相比，該方法采用分布式的中繼選擇方法，通過比較兩個源節點以及干擾源節點的信噪比來選擇最優的中繼節點，免去了持續估算整個通信系統所有鏈路的信道狀態信息的過程，大大降低了系統復雜度。與傳統的忽略干擾的中繼選擇算法[9]相比，該方法大大降低了系統的中斷概率。

1 系統模型

假設存在一個簡單的蜂窩系統網絡，它是由兩個相鄰的小區組成，分別是(C，C′)，如圖1所示。

圖 1 系統模型圖

每個小區均由兩個源節點A和B以及一簇中繼節點Srelay={1,2,…,N}組成。假設所有節點均安裝為單天線，其工作狀態為半雙工的，并且兩個源節點A和B之間因為有深衰落而不存在直傳路徑，只能通過中繼節點進行間接通信。

本通信系統分2個時隙完成整個傳輸過程，在第1個時隙中，兩個源節點同時發射信號給中繼節點，在第2個時隙中，被選擇的中繼節點k將接收到的疊加信號以及干擾和噪聲放大后轉發給兩個源節點。這里認為干擾信號只對源節點到中繼節點這一段有影響，對于目的端可以忽略。在此模型中，干擾信號被認為是從鄰居小區C′的信號源A′和B′直接傳到小區C中的中繼R處的。假設源節點A和B的發射功率分別為Pa和Pb，干擾源節點A′和B′的發射功率為Pa′和Pb′，所有中繼節點的功率均相等，且為Pr。

根據上述通信模型，中繼節點k接收到的信號為

中繼節點將接收到的信號Yk放大G倍后進行轉發。G的計算公式為

(2)

式中：

(3)

(4)

則源節點A和B分別接收到的轉發信號為

Yak=hakGYk+n2

(5)

Ybk=hbkGYk+n3

(6)

式中：n2和n3均為服從均值為0、方差為N0的復高斯分布的高斯白噪聲。因為源節點A和B分別知道本節點所發送的信號，故可以進行自干擾消除。將G帶入式(5)和(6)后，源節點A和B分別消除自干擾，然后得到源節點A和B接收到信息的信干噪比分別為

(7)

(8)

(9)

(10)

2 漸近的中繼選擇算法

假設該雙向中繼傳輸系統中兩條互為反向的鏈路的傳輸速率閾值分別為τa和τb，則整個系統的中斷概率可定義為兩條鏈路中任意一條鏈路發生中斷的概率。即

(11)

式中：γab=22τa-1，γba=22τb-1分別為滿足傳輸速率門限的所需的最低的信干噪比，由式(11)可得最優的中繼選擇算法公式為

(12)

在中高信噪比條件下，式(7)和(8)中的二次項決定了該式的取值。此時式(7)和(8)可以分別簡化為

(13)

(14)

將式(13)和(14)帶入式(11)，可提出如下的機會中繼選擇方法

(15)

利用該方法，即可從N個可用中繼中選出最佳中繼來完成雙向通信。需要指出的是，該漸近的機會中繼選擇方法可采用分布式時鐘方式實現，無需知道整個系統的信道狀態信息(CSI)，中繼節點只需要根據第1個時隙中繼節點接收到的源節點A和B以及干擾信號的源節點A′和B′發射信號的統計信噪比，即可確定最優的中繼節點。因為不需要估算出具體的CSI，故該算法與最優的中繼選擇算法相比大大降低了系統的復雜度。

另外，該算法基于傳統中繼算法[2]，并不需要對傳統算法做出很大的改動。由于干擾項并沒有包含在算法中求最小值的運算里，故而該算法中的反饋信息與干擾信號無關，也就是與不考慮干擾信號存在的系統相同。所以已經成熟運用傳統中繼選擇算法的系統可以很方便地更新到基于傳統算法的漸近的中繼選擇算法，并不需要對求最小值部分做任何修改。

3 仿真結果和性能分析

圖2所示為da=0.5時，中斷概率隨著SNR增加的變化曲線圖。由此圖可以看出，本文提出方法的性能曲線和最優方法的性能曲線隨著信噪比的增加趨于重合，這說明采用漸近中繼選擇方法的雙向通信系統在高信噪比情況下，系統性能與最優中繼選擇方法相同，且大大優于未考慮干擾的傳統雙向中繼選擇方法。圖3所示為SNR=29dB，中斷概率隨著da增加的變化曲線。由此圖可以看出，在高信噪比條件下，當中繼節點在源節點之間改變位置時，本文提出的漸近中繼選擇方法的性能曲線和最優方法完全重合，且均優于未考慮干擾的傳統選擇方法。

圖2 da=0.5時，系統中斷概率隨著SNR增加的變化曲線圖

圖3 SNR=29 dB，系統中斷概率隨著da增加的變化曲線

4 總結

本文針對存在干擾的非對稱雙向中繼傳輸系統，提出了一種漸近的機會中繼選擇方法。研究表明，在中高信噪比條件下，與傳統的中繼選擇方法相比，所提方法大大降低了系統的中斷概率。與最優的中繼選擇方法相比，該方法在性能基本吻合的情況下，大大降低了系統的復雜度。

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[9]ZHANG C S, GE J H，LI J，et al. Traffic-knowledge-based relay selection for asymmetric two-way AF relaying networks[J]. Science China Information Sciences，2013, 56(4):1-6.

責任編輯：薛 京

Relay Selection for Interference-limited Two-way Relaying System

ZHANG Tingyuan1，LI Xiaobing2，ZHENG Yu3，LI Jing3

(1.InstituteofMicroelectronicsofChineseAcademyofSciences,Beijing100029,China; 2.ZTECorporation,Beijing100083,China; 3.XidianUniversity,Xi’an710071,China)

In this paper, an opportunistic relay selection scheme for interference-limited two-way relaying system is proposed, which only requires the local channel state information at the relay nodes and has low implementation complexity. This scheme can be applied to the situation that two source nodes have different transmit powers and the expected transmission rate thresholds for them are unequal. Simulation results show that for the medium-to-high signal-to-noise ratios (SNRs), the proposed scheme performs closely to the optimal relay selection scheme and greatly outperforms the traditional interference-free relay selection scheme.

interference-limited; two-way communication；relay selection

國家自然科學基金項目(61101144)；國家科技重大專項(2013ZX03003001)

TN925

A

10.16280/j.videoe.2015.05.027

2014-07-29

【本文獻信息】張庭園，李小兵，鄭宇，等.一種干擾受限場景下的雙向中繼選擇方法[J].電視技術,2015，39(5).