协作式终端直通系统中星座旋转辅助的干扰避免策略

孙黎,徐洪斌

(西安交通大学电子与信息工程学院, 710049, 西安)



协作式终端直通系统中星座旋转辅助的干扰避免策略

孙黎,徐洪斌

(西安交通大学电子与信息工程学院, 710049, 西安)

针对协作式终端直通(device-to-device,D2D)系统中蜂窝链路和D2D链路相互干扰的问题,提出了一种星座旋转辅助的干扰避免策略,以改善系统的误码性能。首先,对系统中各发射节点的信号星座图进行旋转,并对信道相位信息进行预补偿;然后,令不同的发射节点使用相互正交的信道发送信号,利用复信号同相分量和正交分量之间固有的正交性来避免相互干扰;最后,以最大化最小欧氏距离为目标,对星座旋转角度进行优化设计,从而有效降低蜂窝通信和D2D通信的误符号率。仿真结果表明,在系统采用QPSK作为调制方式且平均信噪比大于20 dB的条件下,与传统的协作双向传输策略相比,所提出的策略能够使误符号率由10-1下降至10-3。

终端直通;星座旋转;干扰避免;误符号率

随着移动多媒体、社交网络、车联网等新型应用的不断涌现,用户对通信系统服务质量的要求也越来越高。传统的蜂窝通信模式过度依赖于集中式的网络架构,这会显著增加基站负荷并造成网络拥塞。终端直通(device-to-device,D2D)技术能够使距离较近的移动设备直接进行点对点传输,从而有效实现了蜂窝网络数据的分流,并且提升了系统的频谱效率,扩大了网络的覆盖范围[1-2]。在D2D通信系统中,设备间的直通链路与蜂窝用户间的传输链路共享相同的频谱,因此,如何实现有效的干扰管理是D2D系统需要解决的核心问题。

针对干扰管理问题,文献[3]提出通过设置干扰受限域来避免蜂窝用户(cellular users,CU)和D2D设备对之间的干扰。在文献[4]中,作者针对不同的资源共享模式分别给出了最优的资源分配和功率控制方案。文献[5]设计了一种时频资源分配策略,从而最大化系统的总吞吐量。上述几种方案主要采用资源分配和信号处理技术来消除或减弱干扰的影响,但没有充分利用不同节点之间的相互协作机制来抑制干扰。针对这一问题,文献[6-7]设计了基于叠加编码的协作式D2D传输策略,使D2D发射机充当蜂窝链路的中继节点,并采取叠加编码的方式同时发送自身数据和蜂窝用户数据,以此获得频谱机会。该策略的不足之处是:受限于中继传输的双跳特性和节点半双工约束,D2D传输和蜂窝传输的频谱效率都难于提升。为了克服这一缺陷,文献[8]提出了一种协作双向传输策略,使得一对D2D设备之间能够建立双向连接,同时其中一个D2D用户作为中继来实现蜂窝用户之间的双向信息传递。

文献[6-8]所提方案的共同缺点在于,任一终端接收到的信号都包含自身所需信号和发送给其他用户的信号,因此系统是干扰受限的,这会造成严重的误码平台,并导致误码性能的恶化。为此,本文提出一种星座旋转辅助的干扰避免策略,通过旋转信号星座图并利用复信号同相分量和正交分量之间固有的正交性,以完全避免干扰,并消除误码平台。与已有的叠加编码策略和协作双向传输策略相比,本文所提策略能够使系统的误符号率显著降低,并且不会造成任何频谱效率损失。此外,本文策略无须额外的编解码或信号处理操作,因此具有很低的实现复杂度。

1 系统模型

如图1所示,本文所研究的系统包含一个基站(base station,BS),一个CU,以及2个D2D用户(分别记为D1和D2)。BS和CU之间有双向通信的需求,但是由于它们相距较远或受到障碍物遮挡,因此无法直接建立双向传输链路,而D1和D2是两个距离很近的用户设备,它们希望利用终端直通技术来实现双向信息交互。为了满足D1和D2之间的通信需求,BS允许D2D设备对复用蜂窝网的频谱;作为回报,D2D设备对中的一台设备须充当中继来完成BS和CU之间的双向传输。不失一般性地,本文假定D1作为中继节点。

图1 系统模型

D2D系统和蜂窝系统之间的每次协作(即每个协作周期)由两个阶段构成:在第一阶段,BS、CU、D2分别发送各自的信号至D1;在第二阶段,D1转发由BS和CU信息组合而成的信号,从而实现蜂窝用户之间的双向信息传递;与此同时,D1也将自身的信号传输至D2。关于该传输协议的更多细节将在下一节给出。

本文假设所有节点都配置单副天线,且工作于半双工模式。BS和D1、CU和D1、D1和D2之间的信道系数分别表示为hBS,D1、hCU,D1、hD1,D2。将这些信道系数建模为零均值复高斯随机变量,方差分别为μBS,D1、μCU,D1、μD1,D2。本文假设信道满足互易性,即hij=hji,∀i≠j。用|hij|和∠hij分别表示hij的模值和相位(i∈{BS,CU,D1},j∈{BS,CU,D2})。假设信道服从准静态衰落模型,即各信道系数在一个协作周期内保持不变,而在不同的协作周期之间独立变化。假设每个节点只具有与自身传输链路相关的信道状态信息(channel state information,CSI)。令每个节点的发射功率为P,将每个接收机处的加性噪声表示为零均值、方差为N0的复高斯随机变量。定义无衰落平均信噪比为ρ=P/N0。这样,链路i→j的接收信噪比可表示为γij=ρ|hij|2。对于所考虑的信道模型,γij服从参数为λij=(ρμij)-1的指数分布。在本文中,pr(A)表示事件A的概率,E(·)表示数学期望运算,Re{x}、Im{x}和x*分别表示x的实部、虚部和复共轭。

2 星座旋转辅助的干扰避免策略

本文所提出的干扰避免策略的核心思想是旋转信号星座图[9]。令u∈X表示原始的信号星座,则旋转后的信号可表示为x=ejθu,其中θ为旋转角度,它的取值应使得旋转后的星座集合中任意两个不同星座点的同相分量(以及正交分量)均不相同,即对任何i≠k,均有

(1)

式中:xi,xk∈ejθX表示旋转后的星座集合中的任意两个星座点。在本文所提出的干扰避免策略中,所有节点的信号均首先经过上述旋转操作后再进行发送。

(2)

(3)

在第二阶段,D1需要转发BS和CU的消息以完成蜂窝用户之间的双向通信;与此同时,它也需要将自身的信息传输至D2。为此,本文设计D1发送的信号具有如下形式

(4)

式中:β=1/(P|hBS,D1|2+P|hCU,D1|2+N0/2)1/2是功率归一化因子;xD1是D1发送给D2的数据。这样,D2接收到的信号可以表示为

(5)

为了实现对xD1的检测,D2首先对接收信号进行匹配滤波,然后提取所得信号的虚部以构造如下的判决统计量

(6)

基于式(6),D2可以完成Re{xD1}的最大似然检测,从而恢复出xD1。不难推出,D1→D2链路的信噪比可以表示为

(7)

BS端的接收信号可以表示为

(8)

(9)

(10)

通过一些繁琐的推导,可以得到CU→BS传输的接收信噪比表达式为

(11)

与上述分析类似,CU端的接收信号可表示为

(12)

基于式(12),xB能够被恢复出来。由于CU与BS所完成的信号检测过程基本一致,因此本文不再赘述。

由上述讨论可知,利用本文干扰避免策略可以使所有终端节点处的信号检测都不受干扰影响,从而能够完全消除误码平台。该策略会给协议实现和存储带来一定的复杂性。首先,每个发射节点均须在完成信号的调制之后进行星座旋转操作,而接收节点在完成信号的解调之后也必须先将旋转后的星座点映射为原始信号点,之后才能恢复信息,因此,在协议实现上会增加一定的复杂度;第二,各节点必须知道所使用的星座旋转角度值,该值需要事先计算并存储于系统中,这意味着系统须增加专门的存储单元,从而会增加存储方面的复杂度。不过,上述两方面的开销都较小,并且由第5节的仿真结果将会看到,采用本文策略会极大地改善系统的误码性能,因此上述复杂度的略微增加是可以接受的。

3 误符号率分析

3.1 蜂窝用户的SEP分析

根据联合界(union bound),CU→BS链路的端到端SEP的上界可以表示为

(13)

根据式(10),条件PEP可以表示为

(14)

(15)

式中:fX(x)表示随机变量X的概率密度函数。在高信噪比条件下,γ(CU→BS)可以近似为

(16)

式中:γ1=2γCU,D1;γ2=3γBS,D1。对于本文所考虑的信道模型,γ1和γ2均为服从指数分布的随机变量,参数分别为λ1=λCU,D1/2和λ2=λBS,D1/3。利用文献[10]的公式(18),γ(CU→BS)的PDF可以表示为

(17)

式中:Kv(x)是第二类v阶修正贝塞尔函数。

将式(17)代入式(15),并利用Q函数的上界[11]Q(x)≤(1/12)e-x2/2+(1/4)e-2x2/3,可得

(18)

令式(18)中的两个积分分别为I1和I2。利用文献[12]的式(6.621.3),I1和I2可以分别计算为

(19)

(20)

将式(18)～(20)与式(13)相结合即可得到CU→BS传输链路的SEP上界。BS→CU链路的SEP上界也可以采用与上述分析完全类似的步骤推导得到,此处不再赘述。

3.2D2D用户的SEP分析

采用与3.1节类似的分析过程,得到D1→D2传输链路的SEP上界为

(21)

D2→D1链路的SEP上界可以采用同样的方法推导,故此处省略。

4 星座旋转角度的选取

根据第2节可知,所选取的星座旋转角度须满足式(1)给出的约束条件。显然,满足这一条件的θ不唯一,因此,我们希望从中选出能够最优化系统误码性能的旋转角度。为此,首先考虑蜂窝用户的SEP。将式(13)和式(15)相结合,可以将CU→BS链路的SEP上界进一步表示为

(22)

类似地,式(21)所给出的D1→D2链路的SEP上界可以进一步表示为

(23)

式(22)和(23)中的结果表明,为了降低链路i→j的误符号率,发射节点i应当选择能够使最小距离最大化的旋转角度,即旋转角度应满足

(24)

结合式(24)的形式和dmin的定义可知,星座旋转角度的选取只与各节点所采用的调制方式有关,而与信道条件无关,因此在实际中无须实时计算,从而具有很低的实现复杂度。

显然,任何不满足式(1)的θ都会使得dmin=0;也就是说,不满足式(1)的θ不可能是式(24)的解。因此,在设计旋转角度时,只需考虑式(24)即可,而无须特别指出式(1)中的条件。

5 仿真结果及讨论

图2给出了蜂窝用户(即CU→BS链路)误符号率的仿真结果以及本文推导出的理论上界结果。从图2可以看出,两种基准策略都存在明显的误码平台,也就是说,系统的误符号率不会随信噪比的升高而下降。这是由这两种策略的干扰受限特性所造成的。与之相对,本文所提出的策略由于能够完全地避免干扰,因此系统的SEP将随着SNR的升高而迅速下降。

图2 CU→BS传输的平均信噪比与误符号率关系曲线

图3 D1→D2传输的平均信噪比与误符号率关系曲线

图3绘制了D2D用户(即D1→D2链路)的SEP仿真曲线和本文推导出的理论上界曲线。正如所预期的那样,协作双向传输策略的SEP不会随信噪比的升高而改善。与协作双向传输策略相比,叠加编码策略在中高信噪比时能够获得显著的性能增益,这是因为叠加编码策略允许D2D接收机(也就是D2)在第一阶段译码CU的信号,这样在第二阶段结束时D2就能够首先将CU的信号消去,然后再解码自身数据,从而削弱了蜂窝用户干扰的影响。然而,与本文所提策略相比,叠加编码策略仍然体现出明显的性能劣势,这是由于在叠加编码策略中,D2在第一阶段的译码有可能发生错误,从而导致第二阶段结束时D2的干扰消除不成功。与叠加编码策略和协作双向传输策略不同,本文所提策略通过使用星座旋转技术以达到完全避免干扰的目的,因此在几种对比方案中具有最佳的性能。

从图2和图3中还可以看出,本文所推导的理论上界能够准确地反映出SEP随信噪比变化的规律,从而验证了理论分析的正确性。

6 结 论

本文针对协作式终端直通系统提出一种新的干扰避免策略。通过采用星座旋转技术,该策略能够同时为蜂窝链路和D2D链路提供无干扰的传输条件,从而完全消除了误码平台。本文推导了蜂窝用户和D2D用户误符号率上界的闭式表达式,给出了星座旋转角度的设计准则。与传统的叠加编码策略和协作双向传输策略相比,本文所提策略具有更好的误码性能,非常适合应用于蜂窝网络中的D2D通信。

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(编辑 刘杨)

A Scheme to Avoid Interference via Constellation Rotation for Cooperative Device-to-Device Systems

SUN Li,XU Hongbin

(School of Electronics and Information Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

A scheme to avoid interference via constellation rotation for cooperative device-to-device (D2D) systems is proposed to deal with the cross interference between the cellular link and the D2D link, and to improve the system error performance. The signal constellation is first rotated, and the phase of the channel coefficient is pre-compensated at each terminal. Then, orthogonal channels at different nodes are used to send their signals. In this manner, the inherent orthogonality between the real and imaginary components of a complex signal can be utilized to avoid the interference. Finally, the value of the rotation angle is carefully designed to maximize the minimum Euclidian distance among the signal points, so that the symbol error probabilities (SEP) for cellular communications as well as D2D communications are effectively reduced. Simulation results and comparisons with the conventional cooperative two-way transmission scheme show that when QPSK modulation is adopted and the system average signal-to-noise ratio is higher than 20 dB, the proposed scheme can reduce the system SEP from 10-1to 10-3.

device-to-device; constellation rotation; interference avoidance; symbol error probability

2015-05-01。

孙黎(1983—),男,讲师,硕士生导师。

国家自然科学基金资助项目(61201207)。

时间:2015-10-03

10.7652/xjtuxb201512002

TN911.7

A

0253-987X(2015)12-0006-06

网络出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20151003.1917.002.html