协作网络中基于广义空域调制的增量中继协议*

2014-02-10李倩,李屹,张铮

通信技术 2014年8期

关键词：中继空域比特

李倩,李屹,张铮

(1.山东工业职业学院电气工程系,山东淄博256414;2.北京邮电大学信息与通信工程学院,北京100876)

协作网络中基于广义空域调制的增量中继协议*

李倩1,李屹2,张铮2

(1.山东工业职业学院电气工程系,山东淄博256414;2.北京邮电大学信息与通信工程学院,北京100876)

针对协作通信网络场景,设计一种分布式最佳中继选择机制,进而提出基于广义空域调制的增量中继协议,将信息比特映射到调制星座符号和空域符号两个信息载体上,其中空域符号指符号周期内活跃中继的组合方式,活跃中继的组合根据发送信息比特来确定。与空域调制增量中继协议不同,该机制允许多个活跃中继同时发送信息符号,因而更具灵活性。文中分析了该协议的性能,推导出误帧率的理论上界。仿真结果表明:所提算法的网络生存时间、误帧率和吞吐量相比传统机制均有显著提高。

协作网络最佳中继选择广义空域调制增量中继协议

0 引言

协作通信网络是近年来兴起的一项新技术,它可以视为多输入多输出(MIMO)系统[1]的一种替代形式,因其在传输可靠性、系统容量、频谱效率等方面的突出优势,成为解决宽带、高速、可靠、大容量无线通信极具前景的方案之一,受到了学术界和工业界的广泛关注。协作通信网络架构中,源节点与若干中继节点形成虚拟多天线阵列,可有效提高传输可靠性和系统吞吐量。

根据中继节点与目的节点信息处理方式的不同,先后产生了固定中继协议、选择中继协议、增量中继协议和编码中继协议。这几种协议虽各有所长,但固定或选择中继协议存在重复传输问题,信道利用率较低,编码中继协议复杂度高,处理延迟较大,只有增量中继协议在几方面取得较好的折中。根据Laneman等人的研究成果[2],相比其它几种协议,增量中继协议的综合性能是最佳的。近年来,增量中继协议的相关成果层出不穷,文献[3-6]提出一系列改进的增量中继协议。文献[7]针对瑞利衰落信道,研究了增量中继协议的端到端性能,结合信噪比与中断概率,推导了误比特率和平均信道容量的表达式。文献[8]基于信噪比进行中继选择,进而提出一种解码-放大-转发的混合增量中继协议,推导了中断概率和平均信道容量的表达式。文献[9]提出一种频谱效率最优的增量中继机制,由于没有多余中继节点的重传,该机制避免了差错传播,且能达到满分集增益。文献[10]推导了瑞利衰落信道下解码-转发增量中继协议的误比特率表达式,并进行了干扰-性能的分析与仿真。

尽管如此,现有的增量中继机制在传输信息比特时没有利用空域信息。从某种程度上讲,这是对空间资源的一种浪费,因此有必要针对这种情况对增量中继算法进行改进。空域调制的概念来自Mesleh等人的论文[11-12],其主要思想是把空域看作信息载体,利用空域携带更多的比特信息。文献[13]将空域调制引入协同通信,提出一种基于空域调制的增量中继协议,其误帧率和吞吐量性能均获得较大改善。然而,该协议同一时刻只允许一个活跃的协作用户发送信息,其协作用户数也只能限定为2的n次幂。

本文针对协作通信网络场景,综合考虑信道条件和中继剩余能量,设计了一种分布式最佳中继选择机制,进而提出一种基于广义空域调制的增量中继协议(GSMIR),将信息比特映射到星座符号和空域符号两个信息载体上,其中空域符号是相应符号周期内活跃中继的序号,而活跃中继的组合则根据传输的信息比特来确定。通过在多个活跃中继上同时发送相同的信息符号,该协议没有协作天线数量的限制,相比文献[13]的算法更具通用性。文中在准静态瑞利衰落信道下推导了误帧率的理论上界,并进行了仿真验证。与传统协议相比,本文的机制能延长网络生存时间,并通过降低调制阶数,使误帧率和吞吐量性能获得明显改善。

1 系统模型

考虑如图1所示的无线多中继协作传输网络,包括源节点S,L个无源中继节点(R1,R2,…RL),以及目的节点D。由于无线信道具有广播特性,S发送到D的信号可以被中继节点监听。S和D之间存在直通链路,S和所有中继均配备1根天线,中继工作在半双工模式,D配有M根天线。与波长相比,中继节点间的距离足够大,可以认为所有中继节点与S和D之间的信道状况是彼此独立的。假设可以获得每个节点的瞬时信道状态信息,进而从L个中继节点中选择一部分最佳中继进行协作传输,形成虚拟的天线阵列,获得分集或复用增益。

增量中继协作方式分为两个阶段:第一个阶段S向D传输数据,D收到信息后,根据是否能正确译码,反馈1 bit有效信息通知S和所有中继是否接收成功。当D能正确译码时,反馈“成功”信息,第二阶段无需进行。否则,反馈“失败”消息,中继节点收到D的“失败”反馈后,先执行分布式最佳中继选择算法,从候选中继集合中选出n个活跃中继执行第二阶段,即向D转发第一阶段侦听到的S发送的信息。

图1 无线多中继协作传输网络Fig.1 Cooperative wireless network with multiple relay nodes

假设图1中的信道为准静态瑞利衰落信道,即在一个帧周期中,信道增益不变。在第一阶段,D的第j根天线和Ri处收到的信号分别表示为:

在第二阶段,候选中继集合中被选中的n个活跃中继转发信号到D,D处第j根天线接收到第i个中继的信号为:

式中,PS为发射功率,xS为S的发送信号,hS,Dj,hS,Ri和hRi,Dj分别为S-Dj、S-Ri和Ri-Dj的信道传输系数,nS,Dj、nS,Ri和nRi,Dj分别为S-Dj、S-Ri和Ri-Dj的复高斯白噪声,均值为0,每一维度方差为N0/2。

2 分布式最佳中继选择机制

最佳中继选择的目标是在网络生存时间和分集增益间取得合理折中,平衡各中继节点的能耗,提高公平性。被选中的最佳中继将在协作传输的第二阶段执行广义空域调制增量中继协议。

能正确接收S和D信号的中继即为候选中继,候选中继Ri根据收到的分组估计hS,Ri和hRi,Dj,这里假设前向和反向信道具有互易性。基于hS,Ri和hRi,Dj的估计值,每个候选中继计算对应的信道度量参数Hi,其计算方式有如下两种:

1)最小准则

2)调和平均准则

为了减小中继节点间的信令开销,在每个候选中继Ri设一个定时器,Ri根据信道度量参数Hi和剩余能量Ei得到加权值Δi,其表达式为:

式中,N表示自然数集,α表示信道度量参数的权值系数,1-α表示节点剩余能量的权值系数,Ei0为中继Ri的初始能量,可根据实际网络情况,调整α的大小。f(Ei)表示符号函数,其表达式为:

当Ei/Ei0小于给定的门限值(本文定义门限值为0. 5)时,中继选择过程须综合考虑信道状况和中继剩余能量的影响。

当候选中继Ri收到D向S的反馈信息时,立即启动定时器,初始值Ti与对应节点的加权值Δi成反比,即

式中,β是一个毫秒级的时间常数。具有最大Δi的定时器最先超时,即对应的中继节点综合条件(剩余能量和信道状况)最好。

该机制的优点是中继节点之间不需要信息交互,简单易行,具体执行步骤如下:

1)初始化:每个中继节点Rl的初始能量均为El0,并设候选中继集合及参与协作传输的中继集合均为空集。

2)中继Rl(l=1,2,…,L)根据监听到的分组估计hS,Rl和hRl,Dj,并周期性地测量其剩余能量El。

3)建立候选中继集合R={1,2,…,N}。若R为空集,则协作的第二阶段由S传输信号到D;否则,每个候选中继Ri启动自己的定时器。

4)具有最大Δi的中继(记为R¯i)定时器记数到零时,发送一个短时长且包括自身标识的标志分组到S,并启动初值为τre的确认定时器。

5)S收到来自R¯i的标志分组后,向D及所有的候选中继Ri广播确认(ACK,Acknowledgement)信号,并启动初值为τs的评估定时器。在此之后,S会忽略可能来自其他节点的标志分组。

6)如果R¯i在定时器τre超时之前收到S广播的ACK消息,则取消定时器τre,并置协作标识(C-L, Cooperative Label)为“1”。否则,R¯i退避一段时间,然后在某个随机时隙t∈[1,T]重发标识分组到S。如果在时隙t结束之前收到S对其它中继的ACK消息,则放弃发送。

7)其他中继Ri(i≠)收到S的ACK消息后,在定时器超时的情况下不发送标志分组到S,但置“C-L=1”。

8)S在定时器τs超时的时候,发送一个短时长的标识信息给所有的中继节点。收到该标识信息后,还没有超时的中继节点中止定时器,放弃对协作中继的竞争。

9)设“C-L”为1的中继节点被选为协作节点,参与后续的协作传输。

3 广义空域调制增量中继协议

3.1 协议描述

广义空域调制增量中继协议(GSMIR)的基本思想是将信息比特映射到调制星座符号和空域符号两个载体上,其中空域符号指符号周期内活跃中继的组合方式。在传输的第二个阶段,假设每个符号周期有N个候选中继,其中n个被选为最佳(活跃)中继,则共有种组合方式。定义ψ为不大于的最大的2次幂,即:

第二阶段的每个符号周期中,活跃中继传输相同的调制符号,其他中继保持静默。假设调制符号的星座大小为ζ,每个星座点代表lbζ比特信息,则每个符号周期传输的比特数k为[12]:

满足式(10)的ζ和ψ组合可能有多种。例如,每周期需要传输k=6 bit,候选中继数N=7时,若活跃中继数n=2,则用4QAM传输;若活跃中继数n=3,则用BPSK传输。

按第一阶段S传输符号的星座大小ζ,将重传的信息帧分成若干段,每个调制符号代表的信息比特为一段,每段包含lbζ比特,分段数等于每帧传输需要的调制符号数。第二阶段对每个分段分别进行广义空域调制,并将每段的信息比特映射到空域和调制符号上。映射过程将每个分段中的前lbψ个比特映射到活跃中继的组合上,即分段中的前lbψ个比特用来选择活跃中继节点,剩余的k-lbψ比特用大小为2k-lbψ的星座图进行调制,并由所有活跃中继协作传输。

例如,当N=5,n=2时,活跃中继共有C25=10种可能的组合,从中取23=8组(R1,R2)、(R1,R3)、(R1,R4)、(R1,R5)、(R2,R3)、(R2,R5)、(R3,R4)、(R4,R5)形成空域星座点。第一阶段S用16QAM调制,发送比特序列010001111010100100011101。第二阶段比特序列被分成6段:0100、0111、1010、1001、0001、1101,每段包含lb 16=4 bit,按表1的映射关系发送。每段中的前lb 8=3 bit代表活跃中继的组合方式,最后1比特决定发送星座点。每个活跃中继根据表1得到自己的处理表格,R1的处理表格如表2所示,其它中继的处理表格类似。对每一个分段,中继节点在相应的符号周期查询处理表格,得到发送信息。如第一段为0100,R1查询表2得到该符号周期的发送符号-1。此符号周期内,R1和R4为活跃用户,发送符号-1,其他中继不发送任何信息。

每个符号周期的发送信号可以用一个发送向量来表示,向量的行代表中继用户,对应的值代表相应中继的发射符号。如上例中一个符号周期内只有两个活跃中继,则向量中只有两个非零元素,其他元素均为零。第一个符号周期要重传的信息为[0 1 0 0],发送信号可用向量[-1 0 0-1 0]T表示,代表该符号周期内R1和R4发送符号-1,其他中继静默,以此类推。

表1 映射表：4比特/符号Table 1 Mappingtable：4 bit/symbol

表2 R1的处理表格Table 2 Processing table ofR1

中继发射信号经过准静态瑞利衰落信道到达目的节点D,其n×M的信道传输矩阵H可表示为:

式中,M是D的接收天线数,hij是中继i的天线与D的第j根天线间的瑞利衰落因子。H的每个分量都是满足CN(0,1)分布的独立复高斯随机变量。

D的接收信号为1×M的向量,即:

式中,s为活跃中继发送的星座符号,ρ为每个活跃中继的平均发射功率,代表活跃中继的信道向量之和,i=(1,2,…,n)代表活跃中继编号序列,n为1×M的高斯白噪声向量,每个分量均服从CN(0,1)分布。

接收端D译码时要估计活跃中继的组合方式,以及发送的星座符号。假设D已知H,由于每个中继节点与D的各接收天线间的信道状态不同,D可用最大似然算法进行联合译码,估计活跃中继的组合方式及传输符号,如式(13)、式(14)所示[12]:

式中,nj服从CN(0,1)分布,PrY(y|i,s,H)是在i,s和H条件下,y的概率密度函数,是Frobenius范数。

3.2 性能分析

GSMIR协议的误帧率PFER为:

式中,Pr1SER和Pr2SER分别是第一阶段和第二阶段的误符号率(SER),K为一帧中的符号数。

目的节点D有M根天线,采用ζ-QAM调制方式,经最大比合并后的Pr1SER为[14]:

式中:

式(18)是瑞利衰落信道的矩母函数,γj是每根接收天线的平均信噪比。

Pr2SER可通过联合界进行估计[15],有:

式中:

式中,Re{·}代表复数的实部,d(i,)代表活跃中继编号序列i和中不同元素的数量。令

式中,κDi,s和是自由度为2M的中心χ2分布随机变量[15],φ服从F分布,其第一自由度ζ1和第二自由度ζ2均为2M,带入式(21)得[12]:

式中,Fφ(·)是F分布随机变量的累积分布函数,计算式为:

式中,Ix(a,b)为归一化的不完全贝塔函数,于是有:

将式(28)带入式(20)得:

式中,k为每个符号周期传输的比特数。将式(29)和式(17)带入式(16)可得PrFER的上界。

4 算法仿真与讨论

4.1 仿真场景设置

仿真中设置信道为准静态瑞利衰落,系统带宽为1 MHz,中继用户数为6,用ζ-QAM调制方式,每帧传输120 bit,目的节点D的天线数为2。为体现公平性,各传输阶段的发射总功率均为2 W,活跃中继间用比例公平的功率分配方式。中继节点的初始能量均为1 J,权值系数α=0.5,时间常数β=1 ms。

本文对4比特/符号,5比特/符号两种速率分别进行106次蒙特卡洛仿真,具体参数设置如表3和表4所示。

表3 仿真参数(4比特/符号)Table 3 Simulation parameters for 4 bit/symbol

表4 仿真参数(5比特/符号)Table 4 Simulation parameters for 5 bit/symbol

4.2 仿真结果分析

图2为不同机制下平均网络生存时间与中继剩余能量关系的仿真曲线。本文的网络生存时间采用文献[16]的定义:当网络中死亡节点的个数达到门限值Nthr时,网络已生存的时隙个数即为网络生存时间。仿真中设Nthr=1。仿真结果表明:与未考虑节点剩余能量的传统协议相比,本文的机制由于避免了过度使用信道条件较好的中继节点,从而大大延长了网络的平均生存时间。

图2 网络生存时间与中继剩余能量的关系Fig.2 Networklifetime versus remaining energy of relays

图3和图4分别为4比特/符号和5比特/符号条件下,本文机制与传统增量中继机制的误帧率性能对比。显然,本文的机制总是优于传统机制。图4中信噪比大于10 dB时,本文机制的信噪比增益可达4 dB,而图5中信噪比增益则达到6 dB。获得性能提升的主要原因是:将部分比特调制到空域,剩余的比特可以用更低阶的调制方式,增大了星座点间的欧式距离,从而有更好的FER性能。

图3 误帧率性能对比(4比特/符号)Fig.3 FER of 4bit/symbol

图5和图6分别为4比特/符号和5比特/符号条件下,本文机制与传统增量中继机制的吞吐量性能对比。在图5中,信噪比为5～15 dB时,本文机制的吞吐量远大于传统机制。特别是信噪比为10 dB左右时提高了5倍之多。当信噪比小于5 dB或大于15 dB时,两种机制性能较为接近。在图6中,信噪比为4～17 dB时,本文机制的吞吐量远大于传统机制。特别是信噪比为7～15 dB时,传统机制的吞吐量不超过0.5(b/s)/Hz,而本文机制的吞吐量达到2(b/s)/Hz。当信噪比小于4 dB或大于17 dB时,两种算法性能相差不大。主要原因为:低信噪比时,两种协议在第一阶段和第二阶段传输出错的概率都很大,因此吞吐量均很低;高信噪比时,两种协议在第一阶段传输成功的概率很大,几乎不需要第二阶段就能获得高吞吐量;中信噪比时,很大程度上需要第二阶段,此时本文机制比传统算法传输成功的概率高很多,故吞吐量性能也更好。

图4 误帧率性能对比(5比特/符号)Fig.4 FER of 5bit/symbol

图5 吞吐量性能对比(4比特/符号)Fig.5 Throughput of 4bit/symbol

图6 吞吐量性能对比(5比特/符号)Fig.6 Throughput of 5bit/symbol

5 结语

本文面向协作网络场景,设计了一种分布式最优中继选择算法。该算法综合考虑中继信道条件和中继剩余能量,有效延长了网络生存时间,实现了中继节点间的能耗均衡。进一步,本文提出一种基于广义空域调制的增量中继协议,并在准静态瑞利衰落信道下给出了误帧率的理论上界。该协议允许多个活跃中继同时发送相同的信息符号,突破了协作中继数必为2的n次幂的限制,更具灵活性和普适性,且有更高的吞吐量。最后,通过仿真验证了本文所提机制的网络生存时间、误帧率和吞吐量性能。

本文针对准静态瑞利衰落信道进行了协议的仿真,下一步需要针对其他信道模型做验证。此外,本文以协作用户间信道质量良好为研究前提。尽管这一假设在通常情况下成立,接下来仍有必要对协作用户间信道条件差的情况展开研究。可考虑采用高性能码字来保证信息在协作用户间的正确传输。

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LI Qian(1982-),female,M.Sci.,lecturer,majoring in electronics and communications technologies

李屹(1977—),男,博士,副教授,研究生导师,主要研究方向为无线通信网络;

LI Yi(1977-),male,Ph.D.,associate professor,master tutor,mainly working at wireless communications and networking

张铮(1988—),男,硕士,主要研究方向为无线通信网络。

ZHANG Zheng(1988-),male,M.Sci.,mainly engaged in wireless communications and networking

Incremental Relaying Protocol Based on Generalized Spatial Modulation in Cooperative Networks

LI Qian1,LI Yi2,ZHANG Zheng2
(1.Dept.of Electrical Eng.,Shandong Vocational College of Industry,Zibo Shandong 256414,China; 2.School of Info.and Commun.Eng.,Beijing Univ.of Posts and Telecommunications,Beijing 100876,China)

A distributed best-relay selection scheme is designed for cooperative networks.Then an incremental relaying protocol is proposed based on generalized spatial modulation(GSMIR).The basic idea of the scheme is to map a section of information bits to two information carrying units:1)a modulation symbol that is chosen from constellation diagram and 2)a spatial symbol that is actual combination of active relays at each symbol instance.Unlike incremental relaying protocol based on spatial modulation,GSMIR is more flexible by sending a data symbol from more than one active relay at a time.The performance of GSMIR is analyzed,and an upper bound on frame error ratio(FER)is derived in this paper.Finally, simulation results indicates that the proposed schemes bring significant performance gain in network lifetime,FER and throughput.

cooperative networks;distributed best-relay selection;generalized spatial modulation;incremental relaying protocol

TN929.5

1002-0802(2014)08-0889-07

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.08.010