MIMO DF双向中继系统中GOSTBC的性能分析

邓运生

(蚌埠学院机械与电子工程系，安徽 蚌埠 233030)



MIMO DF双向中继系统中GOSTBC的性能分析

邓运生

(蚌埠学院机械与电子工程系，安徽 蚌埠 233030)

摘要：为了提升双向中继方案的抗衰落性能，研究了一种多输入多输出(Multiple Input Multiple Output, MIMO)译码转发(decode-and-forward, DF)双向中继方案.该方案将网络编码、MIMO和协作分集有机结合，通过节点之间天线数目配置的选择，使系统获得分集增益，能改善系统端到端的误码性能.推导了准静态瑞利衰落信道上MIMO DF双向中继系统中广义正交空时分组码端到端的平均帧错误率上边界闭合表达式.数值计算和仿真结果表明，各个节点的发射天线数一定时，增加接收天线数可以显著改善系统性能.

关键词：网络编码； 广义正交空时分组码； 双向中继； 译码转发； 平均帧错误率；上边界

协作分集技术[1]通过各个节点之间的协作，以虚拟天线阵列的形式获得分集增益，克服无线信道的衰落，能有效改善无线通信性能.为了提高系统资源利用率、提升网络吞吐，网络编码技术[2]在协作通信系统中得到了广泛的应用.文献[2]提出了一种基于物理层网络编码的双向中继系统，各个节点配置一根天线，并推导了瑞利衰落信道上二进制相移键控(Binary Phase-Shift Keying, BPSK)系统端到端平均误比特率的上边界和下边界闭合表达式.多输入多输出(Multiple Input Multiple Output, MIMO)技术能有效克服无线衰落信道不利影响.文献[3]研究了基于网络编码的双向中继系统中Alamouti码的误码性能，推导了瑞利衰落信道上二进制相移键控(Binary Phase-Shift Keying, BPSK)系统端到端平均符号错误概率(Symbol Error Probability, SEP)的上边界和下边界表达式.文献[4]提出了一种基于空时码的协作网络编码系统，推导了两跳链状网络中端到端信息交换的误比特率.广义正交空时分组码(Generalized Orthogonal Space- Time Block Code , GOSTBC)作为MIMO的关键技术，可以实现全分集增益，改善系统误码性能，为此，本文研究采用网络编码技术的MIMO DF双向中继系统中GOSTBC的误码性能.

1系统模型

k=1,…,ns

(1)

k=1,…,ns

(2)

图1　MIMO DF双向中继系统

(3)

(4)

2平均帧错误率性能分析

根据文献[8]的方法并结合文献[9]、[10]中的相关信息，可得采用网络编码技术的MIMO DF双向中继系统中GOSTBC端到端的平均帧错误率(FER)为

PFER,AB=PFER,R+(1-PFER,R)PFER,RB≤PFER,R+PFER,RB

(5)

其中，PFER,AB表示节点A到节点B的平均FER，PFER,R表示中继R处的平均FER，PFER,RB表示中继R到节点B的平均FER.中继R处的平均FER为

(6)

中继R到节点B的平均FER为

PFER,RB=1-(1-PRB)7

(7)

其中PAR表示节点A到中继R的平均SEP，PBR表示节点B到中继R的平均SEP，PRB表示中继R到节点B的平均SEP.

(8)

将PAR=PBR=PRB、式6和式7代入式5，可得

PFER,AB≤2-(1-PAR)14-(1-PAR)7

(9)

应用式8和文献[12]中式9和式10，可得节点A到中继R链路中第k个符号MPSK平均SER为

(10)

其中，gMPSK=sin2(π/M).应用文献[13]中式5A.17，可知

(11)

将式11代入式10，可得节点A到中继R链路中第k个符号MPSK平均SER的闭合表达式.

与式10类似，应用式8和文献[14]中式9和式21，可得节点A到中继R链路中第k个符号MQAM平均SER为

(12)

应用文献[13]中式5A.21并结合文献[15]、[16]中信息，可知

(13)

3数值计算与仿真结果

图2和图3分别给出了采用网络编码的MIMO DF双向中继系统中G5码[11]BPSK和16QAM调制时系统端到端平均FER性能的数值计算和仿真结果.从图2可以看出，低信噪比时，上界与实际误码性能较差高信噪比处，上界与系统实际误码性能较好的吻合.在平均FER为10-3时，接收天线数Nr取1的系统误码性能比取2的系统误码性能差约5.2dB.由图3可知，在平均FER为10-3时，接收天线数Nr取1的系统误码性能比取2的系统误码性能差约5.61dB.从图2和图3可以看出，Nt和Nr一定时，提高信噪比，可以改善系统的误码性能；此外，Nt和信噪比一定时，增加接收天线数同样能改善系统的误码性能.

图2　采用网络编码的MIMO DF双向中继系统

图3　采用网络编码的MIMO DF双向中继系统G5码BPSK误码性能中G5码16QAM误码性能

4结束语

本文将协作分集技术、网络编码技术和GOSTBC相结合，研究了采用网络编码技术的MIMO DF双向中继系统中GOSTBC的误码性能，推导了系统端到端的平均FER上边界闭合表达式，利用Matlab编程可很快获得系统平均FER性能.

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(责任编校：晴川)

Performance Analysis of GOSTBC in MIMO DF Two-way Relay System

DENG Yunsheng

(Department of Mechanical and Electronic Engineering, Bengbu University, Bengbu Anhui 233030, China)

Abstract：To combat fading in wireless channel, a Multiple Input Multiple Output (MIMO) decode-and-forward (DF) two-way relay scheme based on network coding is investigated, which achieves diversity gain and improves the end-to-end performance of the system through changing the number of antennas equipped at the nodes. In this paper, an upper bound closed-form expression for the end-to-end average frame error rate of generalized orthogonal space-time block code (GOSTBC) in a MIMO DF two-way relay system is derived in the quasi-static Rayleigh fading channel. Numerical and simulation results show that increasing the number of receiving antennas can improve the system performance with the given number of transmitting antennas.

Key Words：network coding; generalized orthogonal space-time block code; two-way relay; decode-and-forward; average frame error rate; upper bound

中图分类号:TN92

文献标识码：A

文章编号：1008-4681(2016)02-0043-04

作者简介：邓运生(1983— )，男，安徽六安人，蚌埠学院机械与电子工程系助教，硕士.研究方向：电子与通信.

收稿日期：2015-12-03