基于極化天線的機會中繼選擇協作通信

王明偉， 張會生, 李立欣, 李慧珍, 何立風

(1.西北工業大學 電子信息學院， 陜西 西安 710129; 2.陜西科技大學 電氣與信息工程學院， 陜西 西安 710021)

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基于極化天線的機會中繼選擇協作通信

王明偉1， 張會生1, 李立欣1, 李慧珍2, 何立風2

(1.西北工業大學 電子信息學院， 陜西 西安 710129; 2.陜西科技大學 電氣與信息工程學院， 陜西 西安 710021)

在移動節點配置極化天線，在滿足節點體積限制條件的同時還可以獲得良好的節點到節點的數據鏈路通信質量.研究通過協作節點配置極化天線來改善機會中繼選擇協作通信的性能的可行性.但由于極化電磁波信號在空間傳播時存在散射、折射和極化偏轉，接收機接收的二分集極化信號存在一定的相關性和功率不平衡等不利特性.研究了極化信號的相關性和功率不平衡等不利特性對機會中繼選擇協作通信的中斷概率、頻譜效率的影響.結論顯示，基于極化天線的機會中繼選擇協作通信在相同信噪比和相同的信道衰落環境下，中斷概率、頻譜效率優于傳統未采用極化天線的機會中繼選擇協作通信性能.

協作通信； 機會中繼選擇； 解碼轉發； 極化天線； 中斷概率

0 引言

協作通信作為下一代無線通信的關鍵技術之一，已成為學者廣泛關注的熱點研究領域.協作通信完全打破了傳統無線通信技術需要互相競爭、獨占頻帶資源的模式，要求網絡中的各節點相互協作，共同抵抗信道多徑衰落，實現協作分集[1].

現階段對協作通信的研究已經從對傳統的單一中繼參與協作拓展到對多個中繼參與協作的通信網的研究.通常采用的分布式編碼和波束成型方案很好的適用于只存在相當少量的中繼節點的協作通信中[2,3].如果協作網絡中的中繼節點數量較大，在工程實踐中則存在諸多困難，存在性能惡化的可能.這是因為實現式編碼和波束成型的前提條件之一是要求各節點理想同步及須知全網信道狀態信息(Channel State Information,CSI).

一般情況下，CSI的獲取依靠反饋方式，存在只能獲知過時CSI和部分SCI的情況，導致協作通信系統性能嚴重降低.另外，多中繼協作通信的分布式編碼和波束成型方案還存在碼書設計和波束成型系數的計算難度隨著中繼節點數目增加而倍增.所以當中節點數量非常大時，分布式編碼和波束成型方案的實現是不切實際的[1].在這種情況下，只有一個中繼節點參與協作傳輸可能是最有利的，產生所謂的機會中繼選擇(Opportunistic Relay Selection，ORS)協作通信策略.

機會中繼選擇協作通信策略相比分布式編碼和波束成型，不但具有相同的協作分集增益，無需理想同步，無需所有中繼節點參與協作，極大簡化了網絡物理層設計.近來，對機會中繼協作通信的研究已經形成無線協作通信領域的熱點，涉及到不同的信道環境、信號合并方案以及結合各種現有具體通信技術等諸多方面，顯示出機會中繼協作方案的廣闊研究和應用空間[4-6].

已有學者通過天線優化來改善無線信道質量，進而提升協作通信系統性能進行了研究，其中一個有效方式是在點到點通信時采用多天線技術.如在三節點中繼模型中，在每個節點配置多根天線，且無需增加傳輸功率和帶寬[7,8].但是，無線通信系統在實際應用中需要考慮的一個關鍵問題是節點的體積以及有限的資源，如個人或移動終端，不能提供足夠的空間安裝滿足一定間隔要求的多根天線.Jootar J等[9]研究了采用雙極化電磁波信號的極化分集替代替空間分集來滿足空間要求.Ilic D.M.等[10-12]最新研究表明對三節點兩跳解碼轉發(Decode and Forward,DF)協作通信系統中采用極化天線，結合Rician衰落信道，可有效降低系統誤碼率.

本文研究解碼轉發型機會中繼選擇(DF-ORS)協作通信，節點配置極化天線實現極化分集來提升節點到節點的信道質量，采用簡單實用的選擇式合并方式實現極化分集.充分考慮到電磁波信號的相關特性和功率不平衡特性等因素對DF-ORS協作通信性能的影響.

1 系統模型

半雙工兩跳通信模式下的多中繼節點DF-ORS協作通信模型如圖1所示，包含一個源節點、多個中繼節點和一個目的節點.考慮城市環境，源節點和目的節點的直連鏈路在通常情況下由于樹木、建筑物或其它障礙物的阻擋而不存在.中繼節點分布于源節點和目的節點之間，且和源節點、目的節點存在直連鏈路.中繼選擇協作通信策略的主要思想是，尋找最大化兩跳信道容量的最佳中繼節點，該節點被用來轉發信息.

圖1 機會中繼協作通信系統示意圖

2 極化天線

對機會中繼選擇協作通信系統網絡天線優化是提高整個通信網絡的效率的前提.無線信號在開放性的空間場所內傳播，多徑衰落、干擾和噪聲信號會使信號的傳輸質量下降.利用極化天線實現極化分集是抗多徑衰落的一種重要方法，能夠有效地提高系統鏈路性能.其優勢主要體現在:①節省天線數目.由于采用雙極化、雙饋源，一副雙極化天線相當兩副單極化天線;②增益大和抗干擾能力強.天線的±45 °極化正交特性，提供極化分集，抗多徑衰落和其他干擾效果顯著;③雙極化天線的波束有向性，可更好地控制輻射的范圍，降低干擾，方便通信網絡的優化.目前最常用的雙極化天線為垂直(Vertical Polarization，VPol)/水平(Horizontal Polarization，HPol)或±45 °極化，理想情況下可以實現滿二階極化分集[10].

2.1 極化參數

當極化電磁波在無線信道傳播過程中，由于受到地表及障礙物的反射、折射與損耗，會產生極化的偏轉，無論哪種方式接收到的兩路分集信號都存在一定的相關特性和功率不平衡性.這種極化分集特性通常用包絡相關系數ρ和交叉極化鑒別率(Cross Polar Discrimination，XPD)來描述.包絡相關系數ρ用來描述極化之間的相關程度，而XPD用來描述極化之間的功率不平衡性，定義為假設發射的極化信號為垂直極化信號VPol，在接收點接收到的垂直極化VPol信號和水平極化HPlo信號功率比.實驗研究表明，現有技術可以實現在接收端的雙極化信號HPol和VPol的相關系數小于0.2，XPD(χ)在市區和城郊介于1～10 dB之間，平均為6 dB；郊區由于缺少障礙物，XPD介于10～18 dB之間[11,12].

2.2 極化分集

在Nakagami信道衰落環境下，將源節點到中繼節點或者中繼節點到目的節點的點到點鏈路，記為A→B.在點到點無線通信鏈路采用極化天線得到2路極化信號，最大比值合并(MRC)相比于等增益合并(EGC)和選擇合并(SC)將會得到最優的信噪比輸出.每支路極化信號經歷Nakagami信道衰落，瞬時信噪比滿足Gamma分布.

(1)

極化分集得到的兩路信號的瞬時SNR為

γMRC=γ1+γ2

(2)

若兩路極化信號γ1和γ2存在相關性，功率相關系數ρ為

(3)

γMRC的PDF為[13]

(4)

對公式(4)求積分，得到兩個相關Gamma隨機變量的和的CDF可以表示為[14]

(5)

式(5)中：Φ2(·)為Humber超幾何函數[15]，定義為

(6)

式(6)中：(x)n=Γ(x+n)/Γ(x)為Pochhammer參數.

由于Humber超幾何函數的無限項的和的計算困難，將Humber超幾何函數用不完全Gamma函數，并假設在大信噪比條件下，得到2支路的極化信號MRC接收分集的CDF的近似表達式為

(7)

3 DF-ORS協作通信

對于解碼轉發型機會中繼選擇(DF-ORS)協作通信，將上述策略可以進一步拓寬限制條件，具體描述為：在協作通信的第一階段，所有中繼接收源節點發送的信息并進行解碼，解碼成功的信息才有可能在第二階段轉發給目的節點，該中繼節點作為轉發備選節點.在第二階段，目的節點依據中繼節點到目的節點最佳信道質量選擇解碼成功集合中最佳中繼節點轉發信息.從實現滿協作分集的角度來看，DF-ORS協作通信策略使目的節點選擇能夠支持目標傳輸速率R(bps/Hz)的任一中繼路徑.當解碼成功中繼集合為空，或者在中繼到目的節點的鏈路上沒有中繼節點能夠實現2Rbps/Hz的傳輸速率時發生中斷.理論分析如下：

第一階段源節點廣播信號到K個中繼節點，能夠正確解碼的中繼重新構成一個中繼子集，表示為DK(l)?K，l表示正確解碼的中繼個數.同時，協作通信系統為了實現源節點到目的節點R(bps/Hz)的頻譜利用率，DK(l)中的節點需要滿足條件

(8)

由式(9)定義門限γth=22R-1.具有l個正確解碼的中繼構成的集合DK(l)滿足條件

(9)

在協作傳輸的第二階段，需要從Dt選擇最佳中繼b*使得中繼到目的節點鏈路k→D,for allk∈Dl信號質量最好，即

(10)

那么，在第二階段如果最佳中繼發生中斷，也就意味著DK(l)所有中繼到目的節點的鏈路發生中斷，即

Pr{outage|DK(l)}=Pr{γb*<γth}=

(11)

若DF-ORS協作通信發生中斷，則需要滿足

PrSR-DF(outage)=

(12)

如果在無線通信鏈路的節點配置極化天線，即結合公式(5)和公式(12)，經化簡后可得DF-ORS協作通信中斷概率一般閉合表達式為

[1-FkD(22R-1)]}

(13)

式(13)中：

(14)

(15)

在大信噪比情況下，公式(13)可以進一步簡化為

PDF-ORS(outage)=

(16)

4 數值仿真

圖2 中斷概率和SNR關系

圖3 功率不平衡特性對中斷概率的影響

圖4 中斷概率和頻譜效率關系

圖5顯示DF-ORS協作通信的中斷概率和兩路正交極化信號間相關系數的關系.仿真條件設置頻譜利用率R=1 bps/Hz，信噪比SNR在圖上標示，其他參數和圖2相同.從圖5中可以看出，極化分集的DF-ORS協作通信的中斷概率隨著相關系數ρ的增大而減小，相關系數對接收信號質量影響較大.當水平和垂直極化信號完全相關時(ρ=1)，系統性能降低到無極化分集的系統性能.水平和垂直極化信號如果能夠實現獨立不相關時(ρ=0)，系統性能得到最大改善.從圖5中還需注意到,當ρ>0.8時，DF-ORS協作通信的中斷概率急劇上升，系統的性能具有惡化的趨勢，將此拐點稱之為相關門限，也就是說在實際通信中盡可能使兩路極化信號的相關系數低于相關門限，系統性能才可能采用極化分集技術得到有效提升，如果兩路極化信號的相關系數高于相關門限，極化分集技術對系統性能的改善效果不明顯.

圖5 中斷概率和相關系數 的關系

5 結論

極化天線由于體積小不占空間的優點，適合安裝在小體積的移動終端，未來將逐步取代傳統多天線實現信號分集.論文主要探討了在DF-ORS協作通信的節點到節點無線鏈路中傳輸雙極化電磁波信號，并結合MRC合并方式實現極化分集，達到了通過改善節點到節點通信鏈路質量來提升協作通信網絡整體性能，降低中斷概率的目的.討論了雙極化信號的相關性和功率不平衡特性對DF-ORS協作通信的中斷概率、頻譜效率的影響.

通過仿真分析DF-ORS協作通信的中斷概率和信噪比、功率相關系數及頻譜效率之間的關系，并和無極化分集的通信性能進行了比較.結果表明，即使節點到節點通信鏈路中極化信號存在很強的功率相關性和不平衡特性等不利因素，基于解碼轉發機會中繼選擇的協作系統在相同信噪比和相同的信道衰落環境下，系統中斷概率、頻譜效率均優于未采用極化分集的DF-ORS協作通信.

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【責任編輯：陳 佳】

Opportunistic relay selection cooperative communication with polarization antennas

WANG Ming-wei1, ZHANG Hui-sheng1, LI Li-xin1, LI Hui-zhen2, HE Li-feng2

(1.School of Electronics and Information, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710129, China; 2.College of Electrical and Information Engineering, Shaanxi University of Science & Technology, Xi′an 710021, China)

When the mobile nodes are equipped with polarization antennas,communication quality of the data links can be improved at the same time to meet the constraints of the node volume.This paper studies the possibility of improving the performance of opportunistic relay selection cooperative communication by equipping with the polarization antennas.However,due to the scattering,refraction and polarization deflection of the polarized electromagnetic wave propagation in the space,the two polarization signals received by the receiver have some disadvantages such as correlation and power imbalance.The effects of polarization signal correlation and power imbalance on the outage probability and spectrum efficiency of opportunistic relay selection cooperative communication are studied.The obtained conclusion shows that the performances of opportunistic relay selection cooperative communication using polarization antennas than the traditional system without using polarization antennas under the same condition of SNR (signal-to-noise ratio),even if existing a certain level of correlation and power unbalance between the diversity branches.

cooperative communication; opportunistic relay selection; decode-and-forward; polarization antennas; outage probability

2017-02-08

中國博士后自然科學基金項目(2014M552489)； 中央高校基本科研業務費專項項目(3102014JCQ01052)； 陜西省科技廳自然科學基礎研究計劃項目(2016JM6062)； 陜西省教育廳專項科研計劃項目(16JK1100)； 咸陽市科技計劃項目(2015K03-17)

王明偉(1976-)，男，陜西咸陽人，副教授，在讀博士研究生，研究方向：無線協作通信技術

2096-398X(2017)04-0173-06

TN925

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