基于过时反馈的选择协同分集研究

赵永驰,仲福建,曾高荣

(1.绵阳师范学院数学与计算机科学学院,四川绵阳621000; 2.江西师范大学物理与通信电子学院,南昌330022)

基于过时反馈的选择协同分集研究

赵永驰1,仲福建1,曾高荣2

(1.绵阳师范学院数学与计算机科学学院,四川绵阳621000; 2.江西师范大学物理与通信电子学院,南昌330022)

在无线协同通信系统中,由于信道的时变特性,导致中继选择和数据发送时的信道状态信息不同。针对该问题,对基于过时反馈的选择协同策略进行研究。介绍系统模型及基于过时反馈的中继选择过程,推导系统的中断概率闭式结果和高信噪比下的近似逼近结果,通过分集复用折中性能分析得出,过时信道状态信息导致系统的最大分集阶数为2。数值仿真结果验证了理论分析的正确性,并且得到中继选择时的信道状态信息与数据发送的信道状态信息稍有不同,其中断性能就会大大降低的结论。

协同通信;选择协同;过时信道状态信息;中断概率;分集复用折中;瑞利衰落

1 概述

多中继协同技术可有效解决移动终端受到体积功率等条件的限制而无法利用多天线技术获得空间分集增益的缺点,因此,对该技术的研究引起了学术界对协同通信技术的广泛关注[1-2]。但多中继采用空时编码协同传输实现较复杂,该技术只限于理论上的研究分析。单中继选择技术的出现,大幅降低了多中继协同通信系统的复杂度。其中,文献[3]提出了一种简单的利用信道状态信息(Channel State Information,CSI)进行单中继选择的方法,并从理论上证明了该方法能够达到与分布式空时编码协同方法相同的分集性能。在以后的研究中,学者们对单中继选择策略及相关性能进行了大量的研究,文献[4]提出了一种基于最大最小准则的机会中级选择策略,且证明了该策略同样能够达到中断最优。大量的文献对单中继选择策略及相关性能进行了大量的研究,文献[5-6]对Nakagami-m衰落信道的DF中继选择进行了研究;文献[7]在选择协同中加入反馈,并研究了Nakagami-m衰落信道下的分集复用折中(Diversity-multiplexing Tradeoff,DMT)性能。

上述文献在进行中继选择研究时,都认为在进行中继选择时利用反馈估计出CSI与数据发送时的CSI相同。但是在实际环境中,由于信道的时变特性,且反馈和数据包的发送时间存在时延,这样导致中继选择时的CSI相对于数据发送时的CSI已经过时,因此,有必要研究利用过时的CSI进行中继选择时对系统性能的影响。文献[8-9]研究了过时CSI对AF中继选择时的性能影响;文献[10]研究了在多用户的AF中继系统中的利用过时CSI进行用户选择时对系统性能的影响;文献[11-12]中对源节点和目的节点之间不能直接通信的环境下,过时CSI对DF中继选择的性能影响进行了研究。相比较不考虑过时CSI的中继选择研究,国内外对过时CSI进行中继选择的研究并不多。

本文主要研究在采用反馈的选择协同时,过时CSI对系统性能的影响,推导系统的中断性能及高信噪比时的中断概率近似逼近结果,并在近似中断分析的基础上,给出DMT性能分析,为中继选择研究提供理论参考。

2 系统模型

在此考虑的系统模型是由一个源节点S、一个目的节点D和N个DF中继节点k(k=1,2,…,N)组成。每个节点只具有单根天线,且采用半双工模式。在该系统模型中,假设所有节点之间的信道相互独立,这样,任意2个节点i和节点j之间进行数据通信的数学模型可以表示为:

在该模型中,首先源节点S广播发送数据包,然后根据目的节点D解码情况,可知传输一个数据包分为2种情况,具体传输流程如图1所示。

情况1 直传成功时,目的节点D反馈ACK,源节点接收到ACK帧后,表示该数据传输完成,立即进行下一个数据传输。

情况2 选择中继协同阶段,在目的节点D反馈NACK后,所有中继节点在接收到NACK帧后,立即进行检测自身是否能够正确解码,所有能够正确解码的中继形成一个集合Ω。

图1 基于反馈的选择协同通信流程

解码中继集合Ω的数学模型可以表示为:

由于中继选择时和中继数据发送存在时间延迟,这样,为了和数据发送时的CSI相区别,在此用表示中继选择时的CSI,hkD表示中继发送数据时的实时CSI,hkD和具有相同的分布,对于Jakes模型下的瑞利衰落过程,条件概率密度函数满足:

由上述中继选择过程可知,被选中继满足:

3 中断性能分析

相应的概率密度函数(Probability Density Function,PDF)为:

由模型可知,系统的中断性能可以表示为:

其中:

当0≤ρ＜1时,利用式(5)和式(9)可得:

其中:

把式(12)和式(11)代入式(10)中,可得该协议下系统总的中断概率的闭式结果如下:

当ρ=1时:

当0≤ρ＜1时:

4 高信噪比下的近似逼近分析

由式(14)可见,在高SNR范围内,在ρ=1时的中断性能与所有CSI有关,在0≤ρ＜1时,中断性能仅与源节点S到目的节点D和中继到目的节点的信道有关,而与源节点S到中继的信道性能无关。

5 DMT性能

DMT性能是衡量协同通信系统的一项重要性能指标,该性能指标体现了系统在速率与可靠性之间的权衡。在高SNR时,根据DMT定义,由式(14)可以得到基于过时反馈的选择协同DMT性能为:

其中,(x)+=max{0,x}。

从式(15)可以看出,只有在信道相关系数ρ=1时,最大分集阶数才为N+1,与系统模型的中继数目有关,但是只要相关系数ρ≠1,即使ρ非常逼近1,其最大分集阶数仍为2。实际上该特性可以从物理层面进行解释,由于DMT性能是在SNR→∞时得出了,在较高SNR下,即使很小的误差都会被放大,这种不确定性直接影响整个中继选择性能,因此该中继就有被选中的可能,这样,只要有一条信道的相关系数ρ≠1,最大分集就为2。

6 仿真分析

图2 中断概率随SNR的变化曲线(===1)

图3 中断概率随SNR的变化曲线(==1,=10)

从图2和图3中明显可以看出,理论结果和蒙特卡洛仿真完全重合,在高SNR时,中断概率的近似结果和精确结果也很好地逼近,验证了理论分析的正确性。从图2和图3中还可以看出,随着相关系数的变小,其中断性能显著降低,但是,在中继到目的节点之间的信道质量较好的情况下相比其他情况来说,性能降低较低。

图4 中断概率随中继数N变化的性能曲线

图5 中断概率随信道相关系数ρ变化的性能曲线

7 结束语

本文主要研究了利用过时CSI进行中继选择时,对反馈的选择协同性能影响,推导了中断概率的性能的精确闭式理论结果。给出高SNR范围时,中断概率的近似表达式以及DMT性能分析。最后通过仿真分析得出,在中继选择时的CSI与数据发送时的CSI稍有不同,就会使系统的中断性能较大的降低,这就要求在时变信道环境中,尽量减少中继选择与数据发送的延迟时间,为了不降低系统的中断性能,需要增加信道估计检测的频率。本文的性能研究结果为在实际应用中的中继选择提供了重要的参考。

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编辑 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

四川省教育厅基金资助项目(14ZB0266);绵阳师范学院校级教改基金资助项目(mnu-JY1408);绵阳师范学院校级基金资助项目(2014A06)。

赵永驰(1974-),男,讲师、硕士,主研方向:协同通信;仲福建,讲师、硕士;曾高荣,讲师、博士。

2013-09-24

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

中文引用格式:赵永驰,仲福建,曾高荣.基于过时反馈的选择协同分集研究[J].计算机工程,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.