基于极化天线的机会中继选择协作通信

王明伟， 张会生, 李立欣, 李慧珍, 何立风

(1.西北工业大学 电子信息学院， 陕西 西安 710129; 2.陕西科技大学 电气与信息工程学院， 陕西 西安 710021)



基于极化天线的机会中继选择协作通信

王明伟1， 张会生1, 李立欣1, 李慧珍2, 何立风2

(1.西北工业大学 电子信息学院， 陕西 西安 710129; 2.陕西科技大学 电气与信息工程学院， 陕西 西安 710021)

在移动节点配置极化天线，在满足节点体积限制条件的同时还可以获得良好的节点到节点的数据链路通信质量.研究通过协作节点配置极化天线来改善机会中继选择协作通信的性能的可行性.但由于极化电磁波信号在空间传播时存在散射、折射和极化偏转，接收机接收的二分集极化信号存在一定的相关性和功率不平衡等不利特性.研究了极化信号的相关性和功率不平衡等不利特性对机会中继选择协作通信的中断概率、频谱效率的影响.结论显示，基于极化天线的机会中继选择协作通信在相同信噪比和相同的信道衰落环境下，中断概率、频谱效率优于传统未采用极化天线的机会中继选择协作通信性能.

协作通信； 机会中继选择； 解码转发； 极化天线； 中断概率

0 引言

协作通信作为下一代无线通信的关键技术之一，已成为学者广泛关注的热点研究领域.协作通信完全打破了传统无线通信技术需要互相竞争、独占频带资源的模式，要求网络中的各节点相互协作，共同抵抗信道多径衰落，实现协作分集[1].

现阶段对协作通信的研究已经从对传统的单一中继参与协作拓展到对多个中继参与协作的通信网的研究.通常采用的分布式编码和波束成型方案很好的适用于只存在相当少量的中继节点的协作通信中[2,3].如果协作网络中的中继节点数量较大，在工程实践中则存在诸多困难，存在性能恶化的可能.这是因为实现式编码和波束成型的前提条件之一是要求各节点理想同步及须知全网信道状态信息(Channel State Information,CSI).

一般情况下，CSI的获取依靠反馈方式，存在只能获知过时CSI和部分SCI的情况，导致协作通信系统性能严重降低.另外，多中继协作通信的分布式编码和波束成型方案还存在码书设计和波束成型系数的计算难度随着中继节点数目增加而倍增.所以当中节点数量非常大时，分布式编码和波束成型方案的实现是不切实际的[1].在这种情况下，只有一个中继节点参与协作传输可能是最有利的，产生所谓的机会中继选择(Opportunistic Relay Selection，ORS)协作通信策略.

机会中继选择协作通信策略相比分布式编码和波束成型，不但具有相同的协作分集增益，无需理想同步，无需所有中继节点参与协作，极大简化了网络物理层设计.近来，对机会中继协作通信的研究已经形成无线协作通信领域的热点，涉及到不同的信道环境、信号合并方案以及结合各种现有具体通信技术等诸多方面，显示出机会中继协作方案的广阔研究和应用空间[4-6].

已有学者通过天线优化来改善无线信道质量，进而提升协作通信系统性能进行了研究，其中一个有效方式是在点到点通信时采用多天线技术.如在三节点中继模型中，在每个节点配置多根天线，且无需增加传输功率和带宽[7,8].但是，无线通信系统在实际应用中需要考虑的一个关键问题是节点的体积以及有限的资源，如个人或移动终端，不能提供足够的空间安装满足一定间隔要求的多根天线.Jootar J等[9]研究了采用双极化电磁波信号的极化分集替代替空间分集来满足空间要求.Ilic D.M.等[10-12]最新研究表明对三节点两跳解码转发(Decode and Forward,DF)协作通信系统中采用极化天线，结合Rician衰落信道，可有效降低系统误码率.

本文研究解码转发型机会中继选择(DF-ORS)协作通信，节点配置极化天线实现极化分集来提升节点到节点的信道质量，采用简单实用的选择式合并方式实现极化分集.充分考虑到电磁波信号的相关特性和功率不平衡特性等因素对DF-ORS协作通信性能的影响.

1 系统模型

半双工两跳通信模式下的多中继节点DF-ORS协作通信模型如图1所示，包含一个源节点、多个中继节点和一个目的节点.考虑城市环境，源节点和目的节点的直连链路在通常情况下由于树木、建筑物或其它障碍物的阻挡而不存在.中继节点分布于源节点和目的节点之间，且和源节点、目的节点存在直连链路.中继选择协作通信策略的主要思想是，寻找最大化两跳信道容量的最佳中继节点，该节点被用来转发信息.

图1 机会中继协作通信系统示意图

2 极化天线

对机会中继选择协作通信系统网络天线优化是提高整个通信网络的效率的前提.无线信号在开放性的空间场所内传播，多径衰落、干扰和噪声信号会使信号的传输质量下降.利用极化天线实现极化分集是抗多径衰落的一种重要方法，能够有效地提高系统链路性能.其优势主要体现在:①节省天线数目.由于采用双极化、双馈源，一副双极化天线相当两副单极化天线;②增益大和抗干扰能力强.天线的±45 °极化正交特性，提供极化分集，抗多径衰落和其他干扰效果显著;③双极化天线的波束有向性，可更好地控制辐射的范围，降低干扰，方便通信网络的优化.目前最常用的双极化天线为垂直(Vertical Polarization，VPol)/水平(Horizontal Polarization，HPol)或±45 °极化，理想情况下可以实现满二阶极化分集[10].

2.1 极化参数

当极化电磁波在无线信道传播过程中，由于受到地表及障碍物的反射、折射与损耗，会产生极化的偏转，无论哪种方式接收到的两路分集信号都存在一定的相关特性和功率不平衡性.这种极化分集特性通常用包络相关系数ρ和交叉极化鉴别率(Cross Polar Discrimination，XPD)来描述.包络相关系数ρ用来描述极化之间的相关程度，而XPD用来描述极化之间的功率不平衡性，定义为假设发射的极化信号为垂直极化信号VPol，在接收点接收到的垂直极化VPol信号和水平极化HPlo信号功率比.实验研究表明，现有技术可以实现在接收端的双极化信号HPol和VPol的相关系数小于0.2，XPD(χ)在市区和城郊介于1～10 dB之间，平均为6 dB；郊区由于缺少障碍物，XPD介于10～18 dB之间[11,12].

2.2 极化分集

在Nakagami信道衰落环境下，将源节点到中继节点或者中继节点到目的节点的点到点链路，记为A→B.在点到点无线通信链路采用极化天线得到2路极化信号，最大比值合并(MRC)相比于等增益合并(EGC)和选择合并(SC)将会得到最优的信噪比输出.每支路极化信号经历Nakagami信道衰落，瞬时信噪比满足Gamma分布.

(1)

极化分集得到的两路信号的瞬时SNR为

γMRC=γ1+γ2

(2)

若两路极化信号γ1和γ2存在相关性，功率相关系数ρ为

(3)

γMRC的PDF为[13]

(4)

对公式(4)求积分，得到两个相关Gamma随机变量的和的CDF可以表示为[14]

(5)

式(5)中：Φ2(·)为Humber超几何函数[15]，定义为

(6)

式(6)中：(x)n=Γ(x+n)/Γ(x)为Pochhammer参数.

由于Humber超几何函数的无限项的和的计算困难，将Humber超几何函数用不完全Gamma函数，并假设在大信噪比条件下，得到2支路的极化信号MRC接收分集的CDF的近似表达式为

(7)

3 DF-ORS协作通信

对于解码转发型机会中继选择(DF-ORS)协作通信，将上述策略可以进一步拓宽限制条件，具体描述为：在协作通信的第一阶段，所有中继接收源节点发送的信息并进行解码，解码成功的信息才有可能在第二阶段转发给目的节点，该中继节点作为转发备选节点.在第二阶段，目的节点依据中继节点到目的节点最佳信道质量选择解码成功集合中最佳中继节点转发信息.从实现满协作分集的角度来看，DF-ORS协作通信策略使目的节点选择能够支持目标传输速率R(bps/Hz)的任一中继路径.当解码成功中继集合为空，或者在中继到目的节点的链路上没有中继节点能够实现2Rbps/Hz的传输速率时发生中断.理论分析如下：

第一阶段源节点广播信号到K个中继节点，能够正确解码的中继重新构成一个中继子集，表示为DK(l)⊆K，l表示正确解码的中继个数.同时，协作通信系统为了实现源节点到目的节点R(bps/Hz)的频谱利用率，DK(l)中的节点需要满足条件

(8)

由式(9)定义门限γth=22R-1.具有l个正确解码的中继构成的集合DK(l)满足条件

(9)

在协作传输的第二阶段，需要从Dt选择最佳中继b*使得中继到目的节点链路k→D,for allk∈Dl信号质量最好，即

(10)

那么，在第二阶段如果最佳中继发生中断，也就意味着DK(l)所有中继到目的节点的链路发生中断，即

Pr{outage|DK(l)}=Pr{γb*<γth}=

(11)

若DF-ORS协作通信发生中断，则需要满足

PrSR-DF(outage)=

(12)

如果在无线通信链路的节点配置极化天线，即结合公式(5)和公式(12)，经化简后可得DF-ORS协作通信中断概率一般闭合表达式为

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

(13)

式(13)中：

(14)

(15)

在大信噪比情况下，公式(13)可以进一步简化为

PDF-ORS(outage)=

(16)

4 数值仿真

图2 中断概率和SNR关系

图3 功率不平衡特性对中断概率的影响

图4 中断概率和频谱效率关系

图5显示DF-ORS协作通信的中断概率和两路正交极化信号间相关系数的关系.仿真条件设置频谱利用率R=1 bps/Hz，信噪比SNR在图上标示，其他参数和图2相同.从图5中可以看出，极化分集的DF-ORS协作通信的中断概率随着相关系数ρ的增大而减小，相关系数对接收信号质量影响较大.当水平和垂直极化信号完全相关时(ρ=1)，系统性能降低到无极化分集的系统性能.水平和垂直极化信号如果能够实现独立不相关时(ρ=0)，系统性能得到最大改善.从图5中还需注意到,当ρ>0.8时，DF-ORS协作通信的中断概率急剧上升，系统的性能具有恶化的趋势，将此拐点称之为相关门限，也就是说在实际通信中尽可能使两路极化信号的相关系数低于相关门限，系统性能才可能采用极化分集技术得到有效提升，如果两路极化信号的相关系数高于相关门限，极化分集技术对系统性能的改善效果不明显.

图5 中断概率和相关系数 的关系

5 结论

极化天线由于体积小不占空间的优点，适合安装在小体积的移动终端，未来将逐步取代传统多天线实现信号分集.论文主要探讨了在DF-ORS协作通信的节点到节点无线链路中传输双极化电磁波信号，并结合MRC合并方式实现极化分集，达到了通过改善节点到节点通信链路质量来提升协作通信网络整体性能，降低中断概率的目的.讨论了双极化信号的相关性和功率不平衡特性对DF-ORS协作通信的中断概率、频谱效率的影响.

通过仿真分析DF-ORS协作通信的中断概率和信噪比、功率相关系数及频谱效率之间的关系，并和无极化分集的通信性能进行了比较.结果表明，即使节点到节点通信链路中极化信号存在很强的功率相关性和不平衡特性等不利因素，基于解码转发机会中继选择的协作系统在相同信噪比和相同的信道衰落环境下，系统中断概率、频谱效率均优于未采用极化分集的DF-ORS协作通信.

[1] 徐平平,田 锦,武贵路.协作通信与网络[M].南京：东南大学出版社,2014.

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【责任编辑：陈 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

中国博士后自然科学基金项目(2014M552489)； 中央高校基本科研业务费专项项目(3102014JCQ01052)； 陕西省科技厅自然科学基础研究计划项目(2016JM6062)； 陕西省教育厅专项科研计划项目(16JK1100)； 咸阳市科技计划项目(2015K03-17)

王明伟(1976-)，男，陕西咸阳人，副教授，在读博士研究生，研究方向：无线协作通信技术

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

TN925

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