不同传输模式下双向中继通信系统速率分析

赵 睿 (华侨大学信息科学与工程学院，福建 厦门 361021)

不同传输模式下双向中继通信系统速率分析

赵 睿 (华侨大学信息科学与工程学院，福建 厦门 361021)

在无线协作通信系统中，2个节点借助1个中继实现信息互换，分析了2时隙、3时隙和4时隙中继传输模式的系统和速率性能。仿真结果表明，在公平的发送总功率和信息交换的前提下，2时隙和3时隙传输和速率在任何信噪比情况下均优于4时隙传输，且其和速率随着信道估计误差的增加而显著下降。

无线协作通信；中继传输；时隙；和速率

由于中继的协作通信技术可在无需增加发送端功率的前提下增加通信可靠性、扩大覆盖面和提高系统和速率，因而获得越来越多的关注[1]。常用中继协议有2种，即放大转发(AF)和解码转发(DF)。AF协议将来自信源的接收信号放大后转发至信宿，由于在中继端无解码操作，因而复杂度较低。使用AF中继的3节点双向无线通信系统，2个信源节点S1和S2借助1个AF中继实现信息互换。整个传输过程可以在2时隙、3时隙或者4时隙完成。4时隙传输是指在前2个时隙S1向S2发送信息，在后2个时隙S2向S1发送信息；2时隙和3时隙传输是指中继在第1或第2时隙接收到来自2个信源的信息后，利用物理层网络编码(PNC)将信号合并后转发出去，由于所耗费的时隙较少，最大和速率优于4时隙传输[2]。而文献[3]的分析显示在低信噪比情况下2时隙传输的和速率不如4时隙传输。在2时隙或3时隙双向中继传输中，信源S1和S2需对接收信号进行自干扰消除才可得到所需信号，然而在实际通信场景中，由于信道估计误差的影响，自干扰无法完全消除，这将直接影响系统速率性能的提升。现有文献大多在单向中继传输系统中研究了信道估计误差对系统性能的影响[4]。但在双向中继系统中，信道估计误差对系统性能影响的研究还见未见报道。为此，笔者研究了信道估计误差所导致的自干扰无法完全消除对2时隙和3时隙双向中继系统传输速率的影响，并与4时隙传输进行性能比较。

1 系统模型

图1 3种基于中继的双向无线传输模型

2 速率性能分析

2.12时隙中继传输

整个传输过程分2个时隙完成，在第1时隙，2个信源同时将各自信息x1和x2发往中继，中继的接收信号可表示为：

yR=hx1+gx2+nR

(1)

式中，nR为中继节点R上的加性白高斯噪声。

在第2时隙，AF中继对接收信号乘以中继放大因子β后广播至2节点S1和S2，中继的发送信号为：

xR=βyR=βhx+βgx2+βnR

(2)

β满足中继发送功率限制E{|xR|2}=P2(i=1,2)，即：

(3)

于是S1和S2的接收信号y1和y2可分别表示为：

y1=βh2x1+βhgx2+βhnR+n1

(4)

y2=βghx1+βgh2x2+βghnR+n2

(5)

利用双向中继系统的自干扰消除原理，S1和S2可分别消除式(4)和式(5)中的自干扰项βh2x1和βgh2x2，于是S1和S2的接收信噪比可分别表达为：

(6)

(7)

2.23时隙中继传输

整个传输过程分3个时隙完成，在第1和第2时隙，中继的接收信号可分别表示为：

yR1=hx1+nR1

(8)

yR2=gx2+nR2

(9)

在第3时隙，中继将接收信号合并后放大转发，由于P2=P3，所以放大因子仍为β，则S1和S2的接收信号分别为：

y3T,1=βh2x1+βhgx2+βhnR1+βhnR2+n1

(10)

y3T,2=βghhx1+βgh2x2+βghnR1+βghnR2+n2

(11)

3时隙中继传输时，在γ2T,1和γ2T,2表达式的分母上分别增加|h2|和|g|2，即为节点S1和S2端的接收信噪比γ3T,1和γ3T,2。

2.34时隙中继传输

整个传输过程分4个时隙完成，在第1和第3时隙中继的接收信号分别为式(8)和式(9)。在第2和第4时隙，S2和S1的接收信号分别为：

y4T,2=β1ghx1+β1gnR1+n2

(12)

y4T,1=β2hgx2+β2hnR2+n1

(13)

则S1和S2的接收信噪比分别为：

(14)

(15)

2.43种传输模式的速率分析

系统和速率定义为S1和S2的速率之和，则在m时隙传输模式中，系统和速率为：

(16)

3 仿真结果与分析

通过仿真比较2时隙和3时隙传输模式在不同信噪比条件下的系统和速率性能，并与4时隙传输模式进行对比。所有信道均为Rayleigh衰落信道。

图2 高发送总功率下系统和速率性能比较

高发送总功率下系统和速率性能比较如图2所示。由图2可知，2时隙传输的和速率明显优于3时隙和4时隙传输的和速率。低发送总功率下的系统和速率性能比较如图3所示。由图3可知，2时隙和3时隙传输的和速率均优于4时隙传输的和速率，该结论不同于文献[4]得出的结论，即低信噪比下单向中继传输速率优于双向中继传输速率，这是因为文献[4]中的单向中继传输只考虑了S1至S2的信息传递，并未考虑S2至S1的传输，而双向中继却是基于S1和S2间的信息交换，所以文献[4]中相关内容的比较尽管从总功率恒定的角度看是公平的，但从信息交换的角度看却不公平。

不同估计误差情况下的系统和速率性能比较如图4所示。由图4可知，2时隙和3时隙中继系统传输和速率随着信道估计误差的增大而减小，而4时隙传输和速率不发生变化；当估计误差方差分别为0.27和0.14时，2时隙和3时隙传输的和速率与4时隙传输的和速率相同。

图3 低发送总功率下的系统和速率性能比较 图4 不同估计误差情况下的系统和速率性能比较

[1]Hasna M O, Alouini M S. End-to-end performance of transmission systems with relays over Rayleigh-fading channels [J]. IEEE Trans. Wireless Commun,2003, 2(6): 1126-1131.

[2]Louie R, Li Y, Vucetic B. Practical physical layer network coding for two-way relay channels : performance analysis and comparison [J]. IEEE Trans. Wireless Commun, 2010, 9(2): 764-777.

[3]Ping J, Ting S H. Rate performance of AF two-way relaying in low SNR region [J]. IEEE Communications Letters, 2009, 13(4): 233-235.

[4]Ferdinand N S, Rajatheva N. Performance analysis of imperfect channel estimation in MIMO two hop fixed gain relay network with beamforming [J]. IEEE Communications Letters, 2011, 15(2): 208-210.

[编辑] 李启栋

10.3969/j.issn.1673-1409.2011.10.029

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A

1673-1409(2011)10-0092-03