放大转发方式下中继选择策略的性能分析

张亚龙，刘 尧，周国荣，丁武强，王军辉

(太原卫星发射中心，山西太原 036301)

协同通信是指在多用户通信环境中，使用单副天线的各邻近用户可按照一定方式共享彼此的天线协同发送，从而产生一种类似多天线发送的虚拟环境，获得空间分集增益，提高系统传输性能。多个中继节点本身可自然形成虚拟的天线阵列，节点间通过相互配合和信息互通，模拟传统MIMO技术的应用环境，形成分布式的虚拟MIMO系统，克服了相干距离的限制［1］。协同通信融合了中继技术和分集技术的优势［2-6］，在不增加天线的基础上能够获得与传统的网络中的多天线和多跳相近的性能增益。

文献［5］分析了基于译码转发的全部协同的中断概率性能，发现能够提高系统的中断概率性能。文献［6］，［7］分析了基于译码转发的部分协同的中断概率性能，发现中断概率性能也有所提升。同时发现文献［8］-［10］中的基于译码转发的机会中继中断概率也有较大的提升。但对这三种协同中继选择策略的对比研究相对较少。

本文对比了在译码转发方式下全部协同、部分协同、机会中继的中断概率性能;最后总结了中继节点数目、信噪比及目标信息速率对上述中继选择策略中断概率性能的影响情况。

1 系统模型

图1 系统模型

现实中的无线通信网络里面的每个设备附近通常都有多个设备能够侦听到该设备所发送的信息［1，2］，这就为设备之间的协同提供了基础。如果无线通信网使用TDMA方式进行通信，则在每一个通信瞬间，在一定的范围内，可以认为只有一个设备在发送信息，一个设备接收信息，附近多个设备处于监听守候状态并随时可以进行协同通信［3，4］。在下一个通信瞬间，该结构仍保持不变，改变的只是具体的收发设备及参与协同的设备。这样，无线通信网络可以简化为一发一收多个协同的网络模型加以研究。图1给出了基于协同传输的无线通信网络系统模型，其中S表示需要发送信息的设备，本文称之为源节点;Ri(i=1，…，L)表示系统中可以提供协助的设备，本文称之为协同节点;D表示与S进行通信的接收设备，本文称之为目的节点。

2 中断概率性能分析

2.1 全部协同

求解AF的中断概率闭合表达式很困难。根据文献［11］结合本文模型，这里只给出其上下界

其中，I表示源节点与目的节点之间的最大互信息;R表示目标信息速率;L表示协同中继个数;λ0表示信道幅度平方|hSD|2服从指数分布的参数;λi表示信道幅度平方|hSRi|2服从指数分布的参数;ξi表示信道幅度平方|hRiD|2服从指数分布的参数;SNR表示发射信噪比。

2.2 部分协同

在这里，部分协同是指基于某一门限选取部分节点参与协同。而选取门限值的方法有很多。这里我们选择对于中继节点能够正确译码的信噪比值作为中继判断自己是否参与放大转发的门限值，这样每次参与放大转发的中继个数是不确定的。

具体的，中继节点接收到源节点发送的信息后，中继节点首先判断接收信噪比是否大于给定门限值，若大于该门限则中继节点放大接收到的信号并转发;否则无动作。若所有节点均在门限以下，则源节点自动重发一次。这样，在协同阶段需采取动态时隙分配，也即有几个节点超过门限就分配几个时隙。

2.3 机会协同

在高信噪比的条件下，AF机会协同的中断概率可以近似表示为［11］:

3 仿真分析

图2 R=0.5 bit/s/Hz，L=7 时发射信噪比对AF协同中断概率性能的影响

如图2当SNR较低时，无协同传输的中断概率性能较有中继参与协同传输时的中断概率性能更优。如SNR＜0 dB时，各种协同中继选择策略的中断概率均高于无协同的中断概率。各种协同策略中，机会协同策略始终优于基于门限的部分协同策略以及全部协同策略;基于门限的部分协同策略在低信噪比(如SNR＜6 dB时)时与无协同方式较为接近，但在中高信噪比条件下明显优于无协同方式，与全部协同策略中断概率性能较为接近;全部协同策略在中低信噪比条件下(如SNR＜10 dB时)中断概率性能始终最差，但在高信噪比条件下(如SNR＞10 dB时)中断概率性能迅速提升，甚至超过部分协同中继选择策略。

如图3所示，目标信息速率R固定为1 bit/s/Hz时，SNR＜9.5 dB时，无协同可以获得最低的中断概率;当9.5 dB＜SNR＜14.5 dB时，选取一个中继可以获得最低的中断概率;当14.5 dB＜SNR＜19.5 dB时，选取两个中继可以获得最低的中断概率;当19.5 dB＜SNR＜22.5 dB时，选取三个中继可以获得最低的中断概率，当信噪比逐渐增高时，以此类推。即对于不同的SNR，获得最佳中断概率性能时所选的协同点数目应该是不同的;随着信噪比的增加，协同点数目多的系统逐渐由劣势转化为优势。如图3所示，当R=0.5 bit/s/Hz时，可以得出类似的结论:当SNR＜4 dB时，无协同可以获得最低的中断概率;当4 dB＜SNR＜6 dB时，选取一个中继可以获得最低的中断概率;当6 dB＜SNR＜8 dB时，选取两个中继可以获得最低的中断概率;当8 dB＜SNR＜10.5 dB时，选取三个中继可以获得最低的中断概率;当10.5 dB＜SNR＜12.5 dB时，选取四个中继可以获得最低的中断概率;当12.5 dB＜SNR＜15 dB时，选取五个中继可以获得最低的中断概率;当SNR逐渐增高时，以此类推。

图3 协同点数目对AF协同中断概率性能的影响

图4 目标信息速率对中断概率性能的影响

从图4中可以看出目标信息速率R对AF的三种协同策略影响非常明显。总体上，AF机会协同比全部协同和基于门限的部分协同中继选择策略性能更优。

4 结论

表1给出了目标信息速率、中继节点数目以及发射信噪比几种参数对全部协同、部分协同和机会中继选择策略的中断概率性能的影响情况。

表1 各种参数对中断概率性能的影响

综合目标信息速率、中继节点数目以及发射信噪比这三个因素对中断概率性能的影响情况可知，与全部协同和部分协同相比，机会中继的中断概率性能是最好的。

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