海上无线通信网络中的协作传输技术研究

孙福刚，郭日成，贺 琨，杨 宇，余海瑞

（中国船舶工业系统工程研究院，北京 100094）

0 引言

因海上通信信道存在的广播特性，海上无线传输网络中的各个传输节点与分布式天线单元的作用相当，协作传输技术（cooperative communication）[1-3]在通信双方之间的直传信道以外又引入了一条独立的中继信道，并利用中继信道与直传信道间衰落特性相互独立这一特点，在源节点和目的节点之间形成满秩的MIMO信道。通过采用必要的接收技术，能够在物理层获得必要的分集增益，且通过使用定向波束可以提高每一条无线链路的信道容量。正交频分多址接入（OFDM access，OFDMA技术同样对符号间干扰和频率选择性衰落不敏感，OFDMA多址方式首先将子载波分组，分配给相关用户用于数据传输。传统频分多址接入（frequency division multiple access，FDMA），OFDMA中子载波之间的正交性消除了载波间干扰（intercarrier interference，ICI），因此降低了用户之间的多址接入干扰（multiple-access interference，MAI）[4-5]。海上编队内各个通信节点之间的信道相互独立，具备协作传输网络基本特性，本文分析了当各通信节点采用OFDMA多址接入方式时，系统的中断概率性能，理论分析表明采用基于OFDMA的协作传输技术可以作为海上编队无线传输采用的传输体制。同时利用检测理论研究了OFDM子载波数量与中继节点数量的关系，为子载波资源和传输节点规模的选择提供了理论依据。

1 系统模型

如图1所示，本文研究的模型中，协作传输系统中有一个源节点（S），一个目的节点（D），KR个中继节点（R）。源节点和目的节点间的中继节点服从随机分布，使用的收发信机均配置N个子载波。假设各个通信节点都能够完成理想的频率和时间同步，且都使用足够长胡OFDM循环前缀。网络中，中继节点采用多天线配置、天线数是Nr，其余各个通信节点均为单天线配置。且中继网络采用信道状态信息辅助的放大转发方式。

图1 基于选择OFDMA中继系统传输模型

文中考虑两跳的信道传输方式，时隙1中，源节点将数据s广播到中继节点，源节点和第i个中继节点间的信道传输关系可用下式表示

这里，第i个中继节点处，第k个子载波的归一化功率因子，用 表示，满足

时隙1中，待发送的信号首先完成发送波束赋形处理，即发送信号乘以维向量，。其中，是维第k个子载波从第i个中继节点到目的节点的信道向量。因此，从中继节点发出的信号满足

此时，第k个子载波在目的节点的接收信号可以表示为

2 选择OFDMA中继性能分析

若传输网络中，链路的传输分布特性服从平坦Nakagami-m慢衰落分布。采用基于选择的OFDMA中继方式时，每一个子载波都需要完成中继选择，因此中继节点将被传送不同的子载波。接收到的每一个子载波，在目的节点处被合并。因此，通过下式可以描述选择到的中继节点和OFDM子载波间的对应关系

这里，子载波数量是N。系统产生中断的条件是，只要有一个子载波不能支持传输速率 要求。因此中断概率可用下式表示：

紧接着，将式，式代入式，并且根据[7]，可以得到I2满足

因此，我们可以得到信道状态信息辅助的选择OFDMA中继的端到端中断概率是这里，表示v阶修正型贝塞尔函数。

3 OFDM子载波数量与中继节点数量对系统中断概率的影响

式中，子载波个数和中继节点个数对系统中断概率的影响不同，子载波个数增加时，中断概率性能将会降低；相反，中继节点个数增加能够提升中断概率性能。通过利用文献[8]中的定理，详细分析当子载波个数一定时的情况下，中断概率受中继节点数量的影响。首先定义检测统计量定义为

图2检测统计量受中继节点个数变化的影响，显著水平

4 仿真结果

图3仿真了链路平均信噪比对协作传输系统的中断概率胡影响。仿真中，中继节点配置2根天线，中继数量从4个变化到6个。每一个中继节点的平均信道增益服从不同的分布特征。分别仿真了两跳信道衰落特性对称和不对称两种情况。仿真表明，随中继节点个数增加，系统中断概率性能得到改善，此外衰落特性也将影响中断概率性能。子载波个数增加，中断概率性能也会显著下降，与上衣章节得出的理论结论一致。深入分析仿真结果，中断概率闭式解的数学推导结果与Monte-Carlo仿真结果一致。

图3 选择OFDMA中继中断概率理论推导和Monte-Carlo仿真比较，

图4和图5分别比较了，中继数量、平均信道增益和Nakagami参数，如何影响中断概率性能。图4中，仿真了中继数量和平均信道增益对中断概率的影响。仿真中，固定Nakagami参数，中继数量和平均信道增益每次只变化一个参数。

图4 中继个数和平均信道增益与中断概率关系

为比较中继个数和Nakagami参数与中断概率关系，特别仿真了信道分布。仿真表明，增加中继数量可提高系统中断概率性能，而链路功率不一致对信道状态信息辅助中继性能影响不明显。此外，Nakagami参数和中继节点个数相比，对系统性能的影响更小。

图5 链路平均信道增益和Nakagami参数对性能影响的比较

图5仿真了，链路平均信道增益和Nakagami参数与中断概率的关系，仿真中每次仅变化一个参数。仿真表明，Nakagami参数对系统性能几乎无影响，平均信道增益的改善对提高中断概率性能更有效。因此，平均信道增益对中断概率性能影响最显著，Nakagami参数的影响相对最小。

图7不同中继个数下，中断概率受中继节点到目的节点距离变化的影响，任意两个节点之间的平均信道增益满足是第i个中继节点到源节点或目的节点的距离，路损指数

为了验证中继节点数量对系统性能的影响，图7仿真了中断概率与中继到目的节点距离变化的关系，设平均信道增益是中继节点分布见图6，仿真中共有12个中继节点，均匀分布在以目的节点为圆心，为半径的圆周上，相邻两个中继节点角度是。仿真中，Nakagami参数中继节点配置2根天线。仿真表明，配置多余8个中继节点时，中断概率性能几乎不再发生变化。当子载波个数较小时，中继节点间的性能差异更小。因此，仿真结果进一步验证了检测理论得到的结论。

图6 中继节点分布示意图

5 结束语

本文分析了随机Nakagami-m信道，采用AF方式的协作传输网络中，采用基于选择的OFDMA中继策略时，传输系统的中断概率性能。文中首先利用Monte-Carlo数学仿真，证明了传输系统的端到端中断概率理论表达式推导与实际仿真相一致。利用检测理论，分析了中继数量对中断概率性能的影响。分析表明，增加中继数量不能显著提高系统中断概率性能，并结合仿真结果验证了检测理论的真确性。分析和仿真均表明，基于OFDMA的协作传输技术可以作为未来海上移动通信网络的选择方案。