协同DF-OFDM系统中基于MRC的机会中继研究*

李俊杰，王 欣，马 跃，魏急波

(国防科技大学 电子科学与工程学院，湖南 长沙 410073)



协同DF-OFDM系统中基于MRC的机会中继研究*

李俊杰，王 欣，马 跃，魏急波

(国防科技大学 电子科学与工程学院，湖南 长沙 410073)

针对机会中继译码转发协同系统中未考虑直传链路的问题，提出一种由目的节点根据系统中断概率进行中继选择的方案，研究了将机会中继信号与直传信号在目的节点进行最大比合并时的系统性能，推导了采用最大比合并时的系统中断概率。研究结果表明，当直传链路存在时，通过目的节点的中继选择，可使系统性能得到进一步提高，其性能优于不考虑直传链路时的机会中继系统。

中继选择；中断概率；MRC；OFDM

0 引 言

中继选择作为协同通信的一项关键技术得到了广泛研究。中继选择通常可分为单中继选择和多中继选择。多中继选择主要适用于采用空时编码的分布式网络[1]。与多中继选择不同，单中继选择以文献[2]提出的机会中继选择最为经典，其对网络节点的管理难度大大降低，更有益于协同通信的实际组织应用，对于小区边缘用户、热点地区覆盖、电台战术通信等场景具有现实意义。基于此，本文针对机会中继选择策略开展研究，通过一定准则，从所有中继中选出最优中继完成协同传输。文献[3]以最大化信干噪比为准则，研究了全双工两跳系统最佳中继选择方案，得到了系统误码率、遍历容量和中断概率，文中没有考虑直传链路。文献[4]分析了DF多中继选择策略，通过最大化接收信噪比选择最佳中继，推导了所提方案的误码率性能。文献[5]以中断概率最小为准则，研究了瑞利信道下由目的节点选择最佳中继的DF方案，文中假设目的端已经获取所有节点的信道信息。文献[6]则提出了一种基于信道容量增益的中继节点选择策略。

以上研究都是假设信道是平衰落的，而考虑多个平衰落信道下并行传输的协同OFDM系统则研究较少，其联合多个子载波信道衰落情况下的中继选择方法具有重要的现实意义。文献[7]研究了两跳OFDM协同系统中的中继选择策略，文献[8]研究了多跳OFDM协同网络中的中继选择，文献[9]研究了DF-OFDM的4G系统性能，文中将OFDM信息分成若干块并为每一块选择一个中继，文献[10]研究了协同OFDM系统解码转发中继的动态资源分配。这些研究均没有考虑直传链路，在一些应用场景中，直传链路往往是存在的，如何充分利用直传链路使系统性能得到提升，同时避免空时编码方案给系统实现带来的复杂度是本文考虑的问题。最大比合并可以减轻节点同步要求，利于系统实现，是一种值得研究的协同合并方式。

本文针对协同OFDM系统的中继选择策略开展研究，由目的节点进行中继选择，采用了中继选择列表的协同方案，分析了最大比合并时系统的中断概率以及最佳中继选择可获得的分集阶数，对协同通信在分布式通信网络中的实际应用具有一定价值和意义。

1 系统模型

由于DF模式下端到端的性能由SNR较低的链路决定[12]，MRC时第k个子载波从S经Ri到D的等价信道增益可表示为：

(1)

那么S经Ri到D的第k个子载波等价信噪比为：

(2)

图1 协同OFDM系统传输模型

2 协同策略

假设节点已完成组网，在发起协同传输前，目的节点按照一定准则确定最佳中继节点，该准则将在后面内容中具体讨论。目的节点分别获取S→D、S→Ri和Ri→D的信道情况是选出最佳中继节点的前提。文献[13]提出了通过在各节点建立协同列表(CoopTable)实现协同传输，该方案没有涉及中继选择，本文采用其思想在目的节点建立一个中继选择列表方案完成协同传输，具体过程如下：

表1 中继选择列表

第二步：传输模式确定。在开始进行数据传输前，为使系统获得更好的传输性能并节约功率开销，系统首先确定采用直传模式还是协同模式。假设目的节点接收信噪比门限为γth，当直传链路接收平均信噪比小于γth时，采用协同模式；否则采用直传模式。目的节点将传输模式信息反馈回源节点和中继节点。

第三步：中继节点选择。若为协同模式，目的节点根据中继选择准则选出最佳的中继节点，将最佳中继节点身份信息广播出去，源节点和选出的中继节点收到信号后，做好协同模式准备，在各自对应的时隙收发数据。当协同模式不能满足目的节点的要求时，更新中继选择列表，进行新的中继选择。

下文重点针对该中继选择方案及系统中断概率性能指标进行理论分析。

3 中继选择方案

上面讲到了在协同过程中，目的节点根据协同信息列表进行中继选择，具体选择的过程与分析如下。当选择中继Ri进行协同传输时，系统信道容量可表示为：

(3)

其中参数1/2表示协同模式时占用了广播和协同两个时隙。假设系统信道容量目标值为R，当系统信道容量小于R时，系统将发生中断，那么中断概率可表示为：

(4)

当P0/N0≫1时，式(4)进一步简化，可近似为

(5)

(6)

任意一次协同传输过程中，可将最优中继节点理解成单独完成协同传输使系统的信道容量最大的节点，这个过程可表示为:

(7)

4 中断性能分析

在选出最佳中继节点后，此时系统中断概率可表示为：

(8)

由于每个中继节点传输信道都是相互独立的，式(8)可表示为：

(9)

从式(9)可以看出，经过最佳中继节点选择，系统中断概率近似为各中继节点分别协同传输时中断概率的乘积。

(10)

(11)

(12)

当X1和X2独立时，概率密度表达式为：

(13)

(14)

于是Y的累积分布函数表达式为：

(15)

将Y=2x代入式(15)，可得：

(16)

(17)

(18)

(19)

(20)

由式(20)可得中继节点Ri协同传输时的中断概率近似为：

(21)

将式(21)代入式(9)，最佳中继选择下系统的中断概率为：

(22)

式(21)可以认为固定选择某个中继进行传输，认为此时的分集增益为1。仅在M可变的前提下比较式(21)和式(22)可以发现，对于目的节点采用MRC的OFDM协同通信系统，以中断概率最小为准则的最佳中继选择方式，系统可获得M阶的分集增益。

在文献[10]中推导了没有直传链路时系统的中断概率：

Pout≈

(23)

有一点值得注意，本文分析得到了在有M+1条路径的情况下，系统只获取了M阶分集增益而不是M+1分集增益。因为本文考虑的模型中继节点采用FixedDF模式，只进行接收、编码、发送，不进行信息校验，存在错误传递的现象。在文献[11]中对FixedDF模式三节点协同传输最大比合并的中断概率进行了分析，最终得到系统只能获取1阶分集，因为该模式下系统性能由S→R和S→D中的最差链路决定。本文方案虽然进行了最优中继选择，但最终系统性能还是由S→Ropt和S→D中的最差链路决定。这种方式更有利于提高传输效率和快速实现，对于信噪比较高的场景来说，虽然数据包中的部分信息出错，但是正确的部分仍然包含了大量对MRC有用的信息，可以为最大比合并提供有用信息，系统可获得直传链路带来的阵列增益。

5 仿真结果

仿真中设定路径损耗系数α=2，噪声功率谱密度N0=1，子载波数N=32，所有中继节点都位于S和D的连线上，S和D之间的距离归一化，中继节点间的距离差别不大，距源节点和目的节点都为0.5,R=25。

5.1MRC中继选择方案性能仿真

图2所示为中继节点数M分别为2、3、4，存在直传链路时MRC方案下OFDM系统的中断概率随P0/N0的变化曲线。根据分析固定选择中继Ri进行协同传输的分集增益为1，从图2中可以看到相同的P0/N0下，由于采用中继选择技术，系统的中断性能要优于固定中继方案的系统中断性能。同时可以得到，随着中继节点数目的增加，系统可获得的分集增益也增加，系统所获得的分集阶数等于中继节点数M。

图2 MRC中断性能曲线

5.2 直传链路存在与否的性能对比

5.1仿真仅说明了中继选择对系统性能的影响，为了说明直传链路对系统中断概率的影响，图3在相同仿真条件下，对无直传链路的情况下进行中继选择时的系统中断概率进行了仿真，而在图4中对R=27进行了仿真，并和有直传链路的情况做了比较。图中实线为存在直传链路的情况即对应本文MRC方案，虚线为无直传链路的情况即对应无MRC方案。

在图3中通过对比备选中继数目相同的两条曲线(如圆圈对应的两条曲线)可以看出，无直传链路时和有直传链路时的分集增益相同，但是有直传链路时的系统中断性能较好，系统中断概率得到明显改善。MRC方案利用了直传链路，虽然获得了和无直传链路相同分集阶数，但改善了端到端的等效信噪比，使得系统获得了一部分直传链路带来的阵列增益。图4仿真中信道容量目标值的提高使得中断概率增大，但本文考虑直传链路的方案性能依然优于不考虑直传链路时的中断性能。

图3 R=25时有无直传链路的性能比较

图4 R=27时有无直传链路的性能比较

从以上仿真结果对比中可以得到，在进行机会中继模式下的协同传输时，可以利用直传链路的信号和机会中继的信号在目的节点进行最大比合并，理论分析和仿真证明这一方案可以进一步改善和提升系统性能。

6 结 语

针对机会中继选择未考虑直传链路的情况，在协同DF-OFDM系统中提出了一种基于MRC的中继选择方案，分析推导了该方案下系统的中断概率和分集增益。通过建立中继选择列表，由目的节点进行中继选择，避免了信道互易性假设。研究表明将机会中继的信号与直传链路的信号进行最大比合并，系统可获得等于中继数目的分集阶数，也可获得直传链路带来的阵列增益。仿真结果显示，与不采用MRC方式相比，MRC方案的系统性能得到了明显提升。

[1] Dokheyl M, Al Qahtani, Abdulhameed M,et al. Alamouti Distributed Space-Time Coding with Relay Selection[C]//ICACT, IEEE Conference Publications. PyeongChang: [s.n.], 2014:826 - 831.

[2] Bletsas A, Khisti A, Reed D P, et al. A Simple Cooperative Diversity Method based on Network PathSelection[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications，2006，24(03):659-672.

[3] CUI Hong-yu, MA Meng, SONG Ling-yang,et al. Relay Selection for Two-Way Full Duplex Relay Networks with Amplify-and-Forward Protocol[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications. 2014. 13(07): 3768-3777.

[4] Yawgeng A, Mostafa Ai Harbawi. Cooperative Diversity with Cooperative Selection and Stay Combining with Multiple Decode and Forward Relays[C]//WPMC, IEEE conference publications. New Jersey: [s.n.], 2013:1-5.

[5] Khaled M Eshteiwi. Outage Performance of Relay Selection in Cooperative Wireless Networks over Rayleigh Fading Channel [C] // CCECE,IEEE Conference Publications. Regina: [s.n.], 2013: 1-5.

[6] 李易，邱玲，柳卫平. 基于译码-转发的多中继协作节点选择方法[J],通信技术.2010,43(05):56-58. LI Yi，QIU Ling，LIU Wei-ping. Multi-Relays Selection Scheme in Cooperative Networks based on Decode-and-Forward Protocol. Communications Technology, 2010, 43(05): 56-58.

[7] DAI L, GUI B, Cimi L J. Selective Relaying in OFDM Multihop Cooperative Networks[C]//WCNC, Hongkong: IEEE Press, 2007:963-968.

[8] GUI B, DAI L, Cimini L J. Selective Relaying in Cooperative OFDM Systems: Two-Hop Random Network[C]//WCNC, Las Vegas: IEEE Press, 2008: 996-1001.

[9] YANG Wen-dong, CAI Yue-ming. On the Performance of the Block based Selective OFDM Decode and Forward Relaying Scheme for 4G Mobile Communication Systems [J]. Journal of Communications and Networks. 2011. 13 (01): 56-62.

[10] 王丽洁.无线协同通信中的协同策略与资源分配研究[D].长沙：国防科学技术大学，2011. WANG Li-jie. Cooperative Scheme and Resource Allocation for Wireless Cooperative Communication. Changsha: National University of Defense Technology, 2011.

[11] Ray Liu K J, Ahmed K Sadek, Weifeng Su, et al. Cooperative Communications and Networking [M]. Cambridge, England: Cambridge University Press, 2009:100-200.

[12] Laneman J N, Tse D N C, Wornell G W. Cooperative Diversity in Wireless Networks: Efficient Protocols Sand Outage Behavior [J]. IEEE Trans Inf Theory, 2004, 50(12): 3062-3080.

[13] LIU Pei, TAO Zhi-feng, Sathya Narayanan, et al.CoopMAC: A Cooperative MAC for Wireless Lans [J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communication, 2007, 25(02):340-354.

Opportunistic Relay in Cooperative DF-OFDM Networks based on MRC

LI Jun-jie, WANG Xin，MA Yue,WEI Ji-bo

(College of Electronics Science and Engineering,National University of Defense Technology,Changsha Hunan 410037,China)

As the direct link is often ignored in opportunistic relay selection of transmission cooperative system, this paper proposes a relay selection strategy carried by destination node based on outage probability criterion. Moreover, system performance of MRC (Maximal-Ratio-Combine) method to combine opportunistic relay signals and direct-link signals in destination node is studied, and the system outage probability under MRC also analyzed. Research results indicate that when a direct link exists, the system is further enhanced in performance by relay selection of destination node and it outperforms opportunistic relay selection scheme without direct link.

relay selection；outage probability；MRC；OFDM

10.3969/j.issn.1002-0802.2015.05.011

2014-12-27；

2015-03-23 Received date:2014-12-27；Revised date：2015-03-23

文献标志码：A 文章编号：1002-0802(2015)05-0560-06

李俊杰(1990—)，男，硕士研究生，主要研究方向为协同通信;

王 欣(1980—)，男，博士，讲师，主要研究方向为协同通信;

马 跃(1987—)男，博士研究生，主要研究方向为协同通信;

魏急波(1967—)，男，博士，教授，主要研究方向：主要研究方向为现代通信技术、软件无线电。