多跳協作分集無線網絡傳輸性能研究

郭賽球，胡奇光，唐菁敏

?

多跳協作分集無線網絡傳輸性能研究

郭賽球1，胡奇光1，唐菁敏2

(1. 湖南城市學院 信息與電子工程學院，湖南 益陽 413000；2. 昆明理工大學信息 工程與自動化學院，昆明 650050)

針對源端到目的端距離較遠的場景對多跳解碼轉發無線網絡進行研究，推導出高信噪比條件下的中斷概率近似表達式，并提出一種通過功率優化來最小化無線網絡中斷概率的解決方案﹒仿真實驗的結果表明，在多跳分集無線網絡中采取功率優化方案致使網絡的中斷性能明顯優于等功率分配方案﹒

協作分集；中斷概率；功率分配

針對源端到目的端距離較遠的情況，不僅需要多跳傳輸把數據正確傳至目的端，還需要考慮系統穩定良好的性能﹒在文獻[1]中Boyer提出了多跳分集模型，通過多跳傳輸獲得分集增益﹒文獻[2]推導了中繼多跳分集系統的中斷性能表達式，但表達式過于復雜，只有通過處理獲得其近似中斷性能，來降低算法復雜度﹒

功率優化分配問題是協同通信系統研究熱點問題之一[3-6]﹒等功率分配(EPA)方案所得到的系統性能往往不是最優的，在系統資源受限的情況下，協同通信系統的性能可以通過合理的分配發射功率得到明顯的改善﹒文獻[7]研究了兩跳中繼系統中以誤碼率(SER)為代價函數的近似最優功率分配方案，文獻[1]則分析了DF和AF多跳分集系統的中斷概率和誤碼率﹒

因此，深入研究多跳協作分集系統的功率分配問題，從而尋求一種更為合理的功率分配方案以改善多跳協作分集系統在功率有限或短期受限條件下的性能就顯得很有必要﹒

1 系統模型

其中表示節點的發射功率；表示節點與之間的信道衰落系數；是節點的發射信號；服從均值為零，方差為的加性高斯白噪聲﹒節點對前個階段中接收到的信號采取最大比合并﹒系統模型如圖1所示﹒

2 多跳網絡中斷性能分析

在多跳DF分集網絡中，只要存在任意一個的中繼節點解碼錯誤，將會導致發生中斷事件﹒多跳DF分集網絡的中斷概率可表示為

根據文獻[9]，式(6)可表示為

依次類推，可得

﹒ (12)

3 近似最優功率分配方案

由于對發射功率合理的分配能有效改善系統性能，因此可直接根據中斷概率近似表達式(即式(15))構造代價函數

應用拉格朗日乘數法來構建的拉格朗日方程為

4 仿真結果及分析

將兩跳模型對其近似最優功率分配的理論推導與實際仿真結果進行對比，結果見圖2﹒從圖2可知AOPA方案在不同平均信噪比條件下的實際性能從總體上看與理論計算結果較為穩合﹒2種不同功率分配方案進行近似仿真的結果見圖3﹒

圖2 兩跳近似最優功率分配模型理論計算與實際仿真

圖3 兩跳等功率分配與近似最優功率分配模型仿真

從圖3可知，近似最優功率方案中斷概率始終低于平均功率分配方案，在中斷概率為10-2時，最優功率分配方案對比平均功率分配方案信噪比有3 dB的增益；在中斷概率為10-3時，最優功率分配方案對比平均功率分配方案信噪比有4 dB的增益﹒

5 結論

本文推導了高信噪比條件下的多跳DF分集網絡中斷概率近似表達式，同時以此為代價函數，提出了一種DF多跳分集系統的最優功率分配方案，并通過仿真實驗得到以下結論﹒

(1)中斷概率近似表達式與實際值較吻合，驗證了推導表達式的正確性；

(2)近似最優功率分配方案能帶來較高的信噪比增益﹒

[1]BOYER J, FALCONER D D, YANIKOMEROGLU H. Multihop diversity in wireless relaying channels[J]. IEEE Transactions on Communications, 2004, 52(10): 1820-1830.

[2]FARHADI G, BEAULIEU N C. Fixed relaying versus selective relaying in multi-hop diversity transmission systems[J]. IEEE Transactions on Communications, 2010, 58(3): 956-965.

[3]LARSSON E G, CAO Y. Collaborative transmit diversity with adaptive radio resource and power allocation[J]. Communications Letters IEEE, 2011, 9(6): 511-513.

[4]LI Y, VUCETIC B, ZHOU Z, et al. Distributed adaptive power allocation for wireless relay networks[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2007, 6(3): 948-958.

[5]ZHAO Y, ADVE R, LIM T J. Improving amplify-and-forward relay networks: optimal power allocation versus selection[M]. IEEE Press, 2007.

[6]HAMMERSTROM I, WITTNEBEN A. Power allocation schemes for amplify-and-forward MIMO-OFDM relay links[J]. Wireless Communications IEEE Transactions on, 2007, 6(8): 2798-2802.

[7]林霏, 羅濤, 樂光新. 不同功率分配與中繼位置下協同通信SER性能分析[J]. 中國電機工程學報, 2008, 28(19): 101-105.

[8]傅祖蕓. 信息論基礎理論與應用[M]. 3版. 北京: 電子工業出版社. 2011.

[9]SU W, SADEK A K, LIU K J R. SER performance analysis and optimum power allocation for decode-and-forward cooperation protocol in wireless networks[C]. Wireless Communications and Networking Conference, IEEE, 2005: 984-989.

(責任編校：龔倫峰)

Research on Transmission Performance for Multi-hop Cooperative Diversity Wireless Network

GUO Saiqiu1, HU Qiguang1, TANG Jingmin2

(1. College of Information and Electronic Engineering, Hunan City University, Yiyang, Hunan 413000, China; 2. College of Information Engineering and Automation, Kunming University of Science and Technology, Kunming, Yunnan 650050, China)

Aiming at the long distance scene from source to destination node this paper analyzes the multi hop wireless network of decoding and forwarding. An approximate formulation of the outage probability has been derived in high signal-to-noise ratio and an optimum power allocation is proposed to minimize outage probability by optimizing the power. The simulation results show that the optimum power allocation outperforms the equal power allocation in multi-hop diversity wireless network.

cooperative diversity; outage probability; power allocation

TN929.53

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2017.06.0014

1672–7304(2017)06–0067–03

2017-10-09

湖南省教育廳科研項目(14C0209)

郭賽球(1978- )，女，湖南益陽人，高級實驗師，碩士，主要從事無線網絡傳輸研究﹒E-mail: 25650844@qq.com