Two-way中继系统的中继选择算法分析

徐鹏飞,郝　斌,郭鸣霄

(兰州交通大学 电子与信息工程学院,甘肃 兰州　730070)



Two-way中继系统的中继选择算法分析

徐鹏飞,郝斌,郭鸣霄

(兰州交通大学 电子与信息工程学院,甘肃 兰州730070)

摘要为了提升双向AF中继系统总速率和降低系统中断概率,提出了一种最小中断概率的中继算法MOP,介绍了现有的两种中继选择算法,利用通信系统的性能指标(信噪比、中断概率、信道容量)展开分析。仿真结果表明,所提出最小中断概率中继选择算法可明显降低系统中断概率,在提升系统总速率的性能与最大化容量中继算法接近,有效地改善了系统性能。

关键词双向AF中继系统;中继选择算法;信噪比;最小中断概率MOP

Analysis of Relay Selection Algorithm in Two-way Relay System

XU Pengfei,HAO Bin,GUO Mingxiao

(College of Electronic and Information Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China)

AbstractIn order to enhance the total rate bidirectional AF (Amplify and forward) relay system and reduce system outage probability,this paper proposes a minimum outage probability relay algorithm MOP (minimum outage probability),and describes the existing two relay selection algorithms with an analysis of the performance indices (signal to noise ratio,outage probability,and channel capacity) of the communication system.The simulation results show that the proposed minimum outage probability relay selection algorithm can significantly reduce the system outage probability with the performance of improve total rate of the system close to that of the maximum capacity relay algorithm.

Keywordstwo-way AF relay system;relay selection algorithm;SNR;minimum outage probability

在无线通信网络环境中,协作中继可使在特定区域内仅有单根天线的中继设备或移动终端形成一种虚拟天线阵,获得空间分集增益,这样不仅提高网络系统的服务质量和吞吐量,而且强化了覆盖范围。单向(One-way)中继协作系统在双方信息交互过程中,由于其工作在半双工模式,使得完成信息交换需要占用4个时隙,这样便降低了频谱效率。Rankov和Wittneben提出一种双向(Two-way)协作策略,信息交换只占用两个时隙来完成,并推导了在双向协作模式下放大转发AF(Amplify and Forward)和解码转发DF(Decode and For-ward)的容量值[1],而放大转发AF是较早采用的一种协同传输模式,中继不对接收信号进行解调或是解码处理,而是将收到的信号直接放大处理后前传,这种方式具有低复杂度和易实现的特点。据文献[2]描述双向中继系统的系统容量约是单向协作系统的2倍。基于以上考虑,本文是在双向AF中继协作系统分析中继选择问题。

协作通信中,功率分配和中继选择对系统性能均能起到至关重要的作用。文献[3]提到一种两端与中继处最大化最小信噪比的最优中继选择方式,但未考虑节点能量消耗,同时也不能保证两端性能同时达到最优。文献[4~5]用信噪比的上限来代替信噪比进行推导,并利用文献[3]的方法选出最优中继。文献[6]提出了利用系统的信道容量或称为可达速率来判定最优中继选择的问题,信噪比利用瞬时的比较,选出系统可达速率最大的节点。

1双向AF中继系统模型

图1　双向AF中继系统模型

中继Ri在第一时隙接受的信号表达式为

(1)

其中,PA和PB为用户A和B的发射功率值。

系统依据中继算法选出性能较好的中继Rk,在第二时隙中继Rk对接受到的信息合并放大转发直接发送到用户A和B。A端和B端的接受信号表达式为

(2)

这里将式(1)代入到式(2)得到接受信号A和B的完整表达式

(3)

两用户端A和B已知各自初始阶段的信号,可以通过自干扰消除技术,得到对方的信息。两端的信噪比表达式为

(4)

2双向AF中继选择算法

2.1最大化最小信噪比的中继选择算法

文献[3]提出一种最大化最小信噪比的中继选择方式。信噪比在系统模型中已得到,此处假设网络中存在N个可选中继,称用户A和B到中继的两段链路为一条链路,中继与两端的信噪比为ΓAk和ΓBk。文中在N条链路中先比较两段中较小的信噪比。

(5)

然后取出N条最小信噪比链路中信噪比最大的一项,称其为最优中继Rb。

(6)

2.2最大化瞬时信道容量的中继选择算法

文献[6]提出了一种基于信道容量最大化的中继算法。网络中用户A和B均通过N个可选中继来广播信息,通过用户A和B接受到的信噪比ΓAk和ΓBk可求出通信系统单向的信道容量,定义双向AF中继系统单条链路的信道容量为

(7)

在N条中继链路中选择使系统瞬时容量最大的中继作为最优中继Rb。

(8)

2.3最小化中断概率的中继选择算法

系统中断的定义是中继系统的瞬时信道容量不能达到预先设定的门限值。假设用户A的中断概率为Ω1,用户B的中断概率为Ω2,设定双向AF系统的速率门限值是v。用户A和B通过某一中继Rk完成信息互动,若有一条链路发生中断,系统中断便发生。故系统中断概率为

Pout=1-(1-Ω1)(1-Ω2)

(9)

用户A和B发生中断的概率分别为

(10)

对用户A定义3个随机变量

(11)

瑞利衰落信道下χ1和χ2服从参数为λ1和λ2的指数分布。

(12)

用χ1和χ2变量替换式(4)得到ΓAk的新表达式为

(13)

(14)

其中,K1(·)为第二类一阶贝塞尔函数。利用该函数的性质,在高信噪比为λ1时,λ2→0,简化X累积分布函数为

FX(x)=1-e-(λ1+λ2)x≈(λ1+λ2)x

(15)

用户B→用户A的中断概率为

(16)

同理,用户A→用户B的中断概率为

(17)

将式(16)和式(17)代入到式(9),可得到中断概率最小的中继链路Rb

(18)

3仿真结果与数值分析

图2　不同中继选择算法与中断概率的关系

从图2中可看出中继选择算法对中断概率的影响,采用中继选择可有效地降低双向AF中继系统的系统概率,约在总功率P=20 W时,这4种情况的中断概率差别较小。但随着信噪比和总功率值的增加,中继算法明显改善系统的中断概率性能,在总功率P=40 W时,采用最小中断概率(MOP)算法比无中继选择低了约1个数量级。另外,最小中断概率算法比其他2种算法相比性能也有一定的改进。

图3　不同中继算法与系统总速率的关系

从图3中可以看出,采用不同中继选择算法对双向AF系统总速率会产生不同的影响。图中的随机中继选择算法指的是系统随机选择一个中继参与协作传输信息。随机中继相对于其他3种算法,性能较差。在总功率P=40 W时,最大化容量算法和最小中断概率算法比随机中继算法的速率值提升了约2.2 bit·s-1/Hz。最大化容量中继算法和最小中断概率中继算法对总速率的性能影响比较接近,优于最大化最小信噪比算法和随机中继选择算法。

4结束语

分析研究了双向AF中继系统的中继选择算法,对于采用不同的中继选择方式会对系统的总速率和中断概率等性能产生一定的影响。理论分析和仿真结果表明,文中所提的最小中断概率的中继选择算法(Minimum Outage Probability,MOP)可以在提升系统总速率的同时,又较好地降低了系统的中断概率,是一种较优的中继选择方式。

参考文献

[1]Rankov B,Wittneben A.Spectral efficient protocols for half-duplex fading relay channels[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications,2007,25(2):379-389.

[2]唐伦,刘通,陈前斌,等.Two-way中继系统协作节点选择及功率分配策略[J].电子与信息学报,2010,32(9):2077-2082.

[3]Jing Y.A relay selection scheme for two-way amplify-and-forward relay networks[C].Hangzhou:International Conference on Wireless Communications & Signal Processing,IEEE,2009.

[4]Li E Y,Yang S Z.Simple relay selection criterion for general two-way opportunistic relaying networks[J].Electronics Letters,2012,48(14):881-882.

[5]Shi J,Ge J,Li J.Low-complexity distributed relay selection for two-way AF relaying networks[J].Electronics Letters,2012,48(3):186-187.

[6]史寅科,邱玲.非理想信道信息下双向多中继选择系统性能分析[J].电子与信息学报,2012,34(10):2293-2298.

[7]刘通,陈前斌,唐伦,等.Two-way中继系统中的双向中继选择及功率分配策略[J].计算机应用研究,2010,27(7):2697-2699,2703.

中图分类号TN925

文献标识码A

文章编号1007-7820(2016)03-058-03

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.03.014

作者简介:徐鹏飞(1987—),男,硕士研究生。研究方向:协作通信。

收稿日期:2015- 08- 31