基于定向天线和最佳中继选择AF策略的协作通信系统*

王明伟　李立欣　张会生　谢文姣

(1.西北工业大学 电子信息学院， 陕西 西安 710072； 2.陕西科技大学 电气与信息工程学院， 陕西 西安 710021)



基于定向天线和最佳中继选择AF策略的协作通信系统*

王明伟1，2李立欣1张会生1谢文姣1

(1.西北工业大学 电子信息学院， 陕西 西安 710072； 2.陕西科技大学 电气与信息工程学院， 陕西 西安 710021)

提出了采用定向天线和最佳中继选择AF协作策略的多中继协作通信系统，从理论上推导出相应的系统中断概率公式.结合理论分析结果对中断概率和信噪比、信道衰落系数、天线功率增益、中继节点数以及节点功率分配系数之间的关系进行了仿真分析.结果表明：采用定向天线和最佳中继选择AF协作策略的通信系统，不但满足军事通信的射频隐身特性要求，而且在小信噪比、深衰落信道及参与协作中继节点有限的条件下，比采用相同策略的全向天线协作通信系统具有更小的中断概率，提高了通信可靠性.

协作通信；定向天线；最佳中继选择；放大转发；中断概率

协作通信是通过通信节点之间彼此共享天线引入空间分集，能有效地对抗无线信道的多径衰落，提高无线通信链路的可靠性.近年来，对协作通信技术的研究已成为无线通信领域的研究热点之一，但其研究几乎都集中于信号广播的数学模型，即天线工作于全向(OD)模式[1-4]，未考虑到天线的方向性和功率增益对传输信号的影响.现代天线的理论研究和应用表明，定向天线(DA)可以把电磁波辐射能量更集中地发送到所需要的通信方向上，在该方向上具有较大的功率增益，能够有效地增加传输距离，减少了非通信方向上的信号干扰，提高信道空间复用率.在军事通信等特殊场合，定向天线的优势显著，因为采用定向天线可以避免被侦听和干扰，较好地实现射频隐身，美军的F-22战斗机采用6组定向天线实现了射频隐身[5].在民用领域，定向天线的应用已经扩展到Ad Hoc、无线Mesh网、无线局域网等领域[6-9].

目前，关于协作通信和定向天线单方面的研究很多，但将二者结合起来进行的研究还处于起步阶段.文献[5]研究了采用定向天线的单节点解码转发(DF)协作通信系统的误符号率(SER)及其上界；文献[10]研究了采用定向天线的单节点DF协作通信系统的SER；文献[11]研究了采用定向天线的双向单中继AF协同通信系统的中断概率下界，指出在高信噪比(SNR)或者终端到中继的信道系数相差较大的条件下，该下界趋近精确值；文献[12]研究了采用定向天线的多中继AF系统，分析了采用时分多址方式协作的系统中断概率的上、下界.

文中结合军事通信领域的射频隐身和高可靠性等方面的要求，对定向天线技术应用于有限节点协作通信系统进行了探索性研究，以多中继放大转发(AF)协作通信性系统为研究对象，提出了新的通信协作策略，在此基础上对系统中断概率进行了理论推导，并对中断概率和信噪比、信道衰落系数、天线功率增益、中继节点数及节点功率分配系数之间的关系进行了仿真分析.

1　协作通信系统模型

1.1定向天线模型

根据天线方向性的不同，天线可分为全向和定向天线两种[13].全向天线向全空域各个角度辐射电磁波，可用距离近，增益小，多应用于小范围的通信.定向天线一般应用于通信距离远、信道衰减大的通信系统.假设通信系统采用定向天线，则该通信系统收发端的功率关系可用Friss方程描述为

(1)

式中：PT为发射功率；GT为发射端的定向天线增益，指天线在某个范围内(由方位角和仰角决定)发射的辐射能量；GR为接收端的定向天线增益，指天线在该区域内收集到的辐射能量；c为损耗常数，与大气吸收、欧姆损耗有关；r为路径d的指数衰减因子，一般取2≤r≤4.式(1)说明了采用定向天线时无线链路传输特性和天线增益、接收功率和发射功率之间的关系.相比于全向天线，方程(1)存在两个增益因子GT和GR.

对于定向天线，增益因子GT和GR在实际中与天线类型有关，一般可获得几十dB的增益，如7°波束带宽的天线增益大约为30 dB，有源或无源阵列天线可以获得更高的增益和更好的指向性[14].全向天线对信号功率没有增益，在式(1)中增益因子GT和GR均为0 dB.

1.2多中继协作策略

考虑一个采用定向天线的多中继节点的半双工双跳模型，如图1所示.假设图中中继节点的密度不大，定向天线的波束成型角度较小，单个节点在某一时刻只能与一个节点通信，且源节点和目的节点可能会因障碍物的阻挡或信号被极大的干扰和衰减而不能直接通信，中继节点分布于障碍物周围且能够和源节点、目的节点直接通信.也就是说，源节点S只能通过中继节点R向目的节点D发送信息.基于以上假设，文中提出了将定向天线和协作通信技术相结合的基于定向天线的最佳中继选择放大转发协作通信方案.为了节点的隐蔽和射频隐身，文中选择源节点单天线多时隙和中继节点进行通信，而不是采用多个定向天线进行全域覆盖.该协作策略具体描述为：源节点到目的节点一次传输过程包含两个阶段，在第1阶段中，源节点采用定向天线向K个中继节点依次定向发送信息，需要K个时隙，中继节点定向接收并对接收到的源节点发送的信号进行归一化处理；在第2阶段，目的节点从所有中继中选择最佳中继节点，且仅由该最佳中继节点采用定向天线以定向方式转发信息到目的节点，目的节点定向接收，因此协作通信系统所需时隙数为K+1.最佳中继节点的选择过程简述如下：中继节点监听来自目的节点的导频信号，并设定定时器时长与源节点到中继节点、中继节点到目的节点的信道质量成反比关系，一旦定时器时间结束，该中继发送标志信息给目的节点，目的节点确定最早发送标志信息的中继为最佳中继并通知其他中继节点保持静默.对于准静态慢衰落信道，完成一次最佳中继选择可以保证在后续一段时间内进行持续可靠通信.最佳中继选择虽然需要消耗一定的时间资源，但各节点无需网络时钟同步以及知道全网的全部或部分信道状态信息(CSI).

图1最佳中继选择的多中继协作通信示意图

Fig.1Schematic diagram of optimal relay selection multi-relay cooperative communication system

2　性能分析

设信道特性服从慢衰落，且在一次传输中保持不变.对于任意两个通信节点A和B，如存在一次A到B的传输链路A→B，则节点B的接收信号yB可以表示为

yB=hABxA+nB

(2)

(3)

yB=αABxA+nB

(4)

由于限制总功率的大小在协作通信中有着重要的意义，传输功率不但影响到采用电池供电终端的寿命、通信用户间相互干扰的严重程度以及能否实现协作分集.因此，文中进一步设定系统功率约束条件.设Pt为系统端到端的总传输功率，ζ为总功率分配给源节点的功率分配系数，ζ∈(0，1]，1-ζ∈[0，1).因为源节点和中继节点不能进行信息广播，故源节点到每一个中继节点的通信所使用的发射功率为PS/K.源节点发射功率满足如下约束条件：

PS=ζPt

(5)

中继节点的功率约束条件为

(6)

式中，Pr为最佳中继节点传输功率.

图1所描述的基于最佳中继选择协作策略的多节点协作通信系统，不存在源节点到中继节点的直传链路，需要经过最优中继节点放大转发.采用定向天线时中继接收到的信号为

(7)

(8)

可见，中继节点不仅放大了信号，同时也放大了噪声.目的节点接收的一路信号可以表示为

(9)

(10)

(11)

式中，ηt=Pt/N0，为系统总的信噪比.

④面板坝上游坡面施工在新疆地区首次采用挤压边墙技术，简化了施工程序，减少了上游坡面削坡、斜坡碾压等作业，有利于坝前趾板区灌浆、防护等施工。

(12)

因此，选择的最优中继节点满足

(13)

将ηk进一步改写为

(14)

(15)

由式(12)-(15)可推导出采用最佳中继选择放大转发型的多中继节点协作通信系统的中断概率PDA，o为

(16)

利用积分式[15]

对式(16)进行化简，得到中断概率闭合表达式为

(17)

推论1若通信系统采用全向天线(ODA,GT=GR=0dB)和最佳中继选择的协作策略(所用时隙数K=2)，则式(17)可简化为

(18)

3　仿真与结果分析

从式(17)的理论分析结果可以看到，基于定向天线和最佳中继选择的AF协作通信可以获得满分集增益.但协作通信系统在引入天线增益的同时占用了更多信道时隙，因此文中对不同仿真条件下采用最佳中继选择策略的协作通信系统工作在定向天线和全向天线模式时的性能进行分析与比较.以中继节点数K=4为例，采用信道功率等距指数衰减方案对实际通信条件进行近似模拟，即源节点到中继节点、中继节点到目的节点的信道功率衰落分布分别满足ΩSk=ΩS1e-(k-1)δ1和ΩkD=Ω1De-(k-1)δ2(δ1≥0，δ2≥0；k=1，2，…，K)，δ1和δ2分别为源节点到中继节点、中继节点到目的节点的链路功率衰减系数，ΩS1=Ω1D=1为参考信道，δ1=δ2=δ取0.0、0.5、1.0时分别对应3种不同的信道衰落环境，频谱效率R′=1 b/(s·Hz)，源节点和中继节点等功率分配(ζ=0.5)，采用DA的协作通信系统的GT=15 dB，GR=15 dB，协作通信系统的中断概率Po和信噪比之间的关系如图2所示.由图中可知：无论是采用定向天线还是采用全向天线，协作通信系统的中断概率都随着信噪比的增加迅速下降，说明增大信噪比有利于改善系统的性能；采用定向天线的协作通信系统性能优于采用全向天线的协作通信系统性能，适用于系统功率小和深衰落信道环境；在相同的中断概率下，采用DA的协作通信系统所需功率比采用ODA的协作通信系统减少约14 dB，这种性能的改善主要得益于定向天线的功率增益.

图2两种协作通信系统的中断概率和信噪比的关系

Fig.2Relationship between outage probability and SNR for two cooperative communication systems

在不同信道环境下采用DA和ODA的协作通信系统性能比较如图3所示.仿真参数ΩS1=Ω1D=1；ηt=10 dB；K=4，5，6；ζ=0.5；DA的GT=15 dB，GR=15 dB；ODA的GT=GR=0 dB.从图3可以看出，在较小的SNR或深衰落信道环境条件下，采用DA的协作通信系统的性能仍满足通信要求，而采用ODA的协作通信系统若要能正常工作，则需要较大的SNR及较好的信道衰落条件.

中断概率和天线增益之间的关系如图4所示.其中定向天线增益GT=GR=G；小信噪比环境ηt=0，15 dB；中继节点数K=4；ζ=0.5；频谱效率R′=

图3两种协作通信系统的中断概率和信道衰落系数的关系

Fig.3Relationship between outage probability and channel decay factor for two cooperative communication systems

1 b/(s·Hz).信道衰落环境为等距指数分布，且ΩS1=Ω1D=1，δ1=δ2=δ.从图中可知，对于给定的节点数，采用DA和采用ODA的协作通信系统的中断概率均随着天线增益的增加而下降，系统性能得到有效的提高.这是因为各节点的天线增益可以有效地提高各节点的传输功率和信噪比，降低系统中断概率.

图4中断概率和天线增益之间的关系

Fig.4Relationship between outage probability and antenna gain

图5两种协作通信系统的中断概率和中继节点数关系

Fig.5Relationship between outage probability and number of relay nodes for two cooperative communication systems

两种协作通信系统的中断概率和功率分配系数ζ之间的关系如图6所示.其中采用DA的协作通信系统的工作条件为GT=15 dB，GR=15 dB，频谱效率R′=1 b/(s·Hz)，等距指数衰减衰落信道(ΩS1=Ω1D=1；δ1=δ2=δ；δ=0.5，1.0).由图6及式(17)计算可知：对于采用DA与ODA的协作通信系统，最优ζ*的取值与信噪比、信道衰落条件、中继节点数K的取值密切相关；当ζ*=0.5时，会导致一定的系统性能损失，即等功率分配时系统性能不是最优.为使系统性能达到最优，需要源节点的最优发射功率PS与总功率Pt的比值ζ小于1/2，而中继节点的最优功率Pr与总功率Pt的比值1-ζ大于1/2.最优功率分配系数可以通过优化方法获得，在此不累述.从图6(a)可以看出，无论是采用DA还是采用ODA的协作通信系统，其ζ均随着信噪比SNR的减小而增加，需要将更多的功率分配给源节点，以保证源节点到中继节点的可靠通信.从图6(b)可以看出：在不同的信道衰落环境中(δ=0.5，1.0)，采用DA的协作通信系统的ζ随着K的增加而增加，这是因为在协作的第1阶段，随着中继节点数的增加，源节点需要利用更多的时隙，消耗更多的功率.综合上述分析，虽然最优ζ*的取值与信噪比、信道衰落条件、中继节点数的取值密切相关，但应该始终给源节点分配较多的功率，而给中继节点分配较少的功率，这在实际应用中具有一定的指导意义.

图6两种协作通信系统的中断概率和功率分配系数之间的关系

Fig.6Relationship between outage probability and power allocation coefficient for two cooperative communication systems

文中对功率分配系数和节点数进行联合优化，由于节点数有限，通过优化算法和计算机辅助，按照梯度法或直接法搜索采用DA的协作通信系统的最小中断概率所满足的最佳条件，结果如图7所示.其中定向天线增益GT=15 dB，GR=15 dB，频谱效率R′=1 b/(s·Hz)，ηt=20 dB，ΩSk=ΩkD=1，δ1=δ2=δ，δ=0.从图中可知，采用DA的协作通信系统可实现最佳性能，最佳中继节点数K*=5，最佳功率分配系数ζ*=0.173 6.

图7采用DA的协作中继系统的中断概率和功率分配因数及中继节点数的关系

Fig.7Relationship among outage probability， power allocation coefficient and number of relay nodes for cooperative communication system with DA

4　结论

传统的协作通信系统均基于全向天线模型，而定向天线在方向性、功率增益、传输距离等方面具有优势.在军事领域，为提高通信的隐蔽性，采用定向天线可以有效实现射频隐身.协作通信技术可以实现通信系统的空间分集，抵抗信道衰落，提升系统性能.文中将定向天线技术和协作通信技术相结合，提出了采用多时隙最佳中继选择AF策略的协作通信方案，以保证射频隐身的同时提高通信可靠性.文中从理论上推导出采用定向天线和最佳中继选择AF策略的协作通信系统精确的中断概率闭合表达式，并推导出采用全向天线的情况，发现采用等距指数衰减方案模拟实际信道功率衰落环境，可较为精确地模拟实际通信环境.实验结果表明，采用基于定向天线和全向天线的最佳中继选择AF策略的协作通信系统性能均与信道衰落环境、功率分配方式有关.与采用全向天线相比，采用定向天线和最佳中继选择AF协作策略的通信系统中断概率除了与信道质量和功率分配方式有关外，还与中继节点数、天线增益有关.天线增益越大，系统性能越好，且存在最佳中继数使得系统性能最优.

[1]ZHUANGW，ISMAILM.Cooperationinwirelesscommunicationnetworks[J].IEEEWirelessCommunications，2012，19(2)：10-20.

[2]DINGM，LUOHW.Multi-pointcooperativecommunicationsystems：theoryandapplications[M].Berlin/Heidelberg：Springer-Verlag，2013.

[3]LIUKJR，SADEKAK，SUW，etal.Cooperativecommunicationsandnetworking[M].Cambridge：CambridgeUniversityPress，2010.

[4]SHENGZG，LIUCH.Energyefficientcooperativewirelesscommunicationandnetworks[M].BocaRaton：CRCPress，2015.

[5]檀蕊莲，柏鹏，李哲，等.基于定向天线的DF协作通信系统SER性能分析 [J].系统工程与电子技术，2014，36(6)：1185-1190.

TANRui-lian，BAIPeng，LIZhe，etal.Performanceana-lysisofSERinDFcooperativecommunicationsystembasedondirectionalantenna[J].SystemsEngineeringandElectronics，2014，36(6)：1185-1190.

[6]KHATIWADAB，MOHS.Anovelmulti-channelMACprotocolfordirectionalantennasinadhocnetworks[J].WirelessPersonalCommunications，2015，80(3)：1095-1112.

[7]KIME，YOUMS.Selectivecooperativetransmissioninadhocnetworkswithdirectionalantennas[J].InternationalJournalofDistributedSensorNetworks，2013，43(1)：51-55.

[8]NADEEMT.AnalysisandenhancementsforIEEE802.11networksusingdirectionalantennawithopportunisticmechanisms[J].IEEETransactionsonVehicularTechnology，2010，59(6)：3012-3024.

[9]CHANGY，LIUQ，JIAX，etal.Routingandtransmissionschedulingforminimizingbroadcastdelayinmulti-ratewirelessmeshnetworksusingdirectionalantennas[J].WirelessCommunications&MobileComputing，2015，15(1)：87-99.

[10]TANRL.Performanceanalysisofdirectionalcooperativecommunicationsystem[C]∥ProceedingsofInternatio-nalConferenceonComputer，CommunicationsandInformationTechnology.Beijing：AtlantisPress，2014：362-365.

[11]王徐华，柏鹏，李明阳，等.定向天线的双向单中继AF协同通信技术 [J].空军工程大学学报(自然科学版)，2013，14(2)：56-60.

WANGXu-hua，BAIPeng，LIMing-yang，etal.ResearchonbidirectionalsinglerelayAFcooperativecommunicationtechnologybasedondirectionalantenna[J].JournalofAirForceEngineeringUniversity(NaturalScienceEdition)，2013，14(2)：56-60.

[12]王徐华，柏鹏，李明阳，等.基于定向天线的多中继节点的AF协同通信系统性能研究 [J].系统工程与电子技术，2013，35(3)：624-628.

WANGXu-hua，BAIPeng，LIMing-yang，etal.Perfor-manceanalysisofmulti-relaysAFcooperativecommunicationsystembasedondirectionalantenna[J].SystemsEngineeringandElectronics，2013，35(3)：624-628.

[13]HAYKINS，MOHERM.Modernwirelesscommunication[M].NewJersey：Prentice-HallInc，2004.

[14]LOUISEF.Principlesofelectroniccommunicationsystems[M].Beijing：TsinghuaUniversityPress，2010：218-220.

[15]GRADSHTEUINIS，RYZHIKIM，JEFFREYA，etal.Tableofintegrals，series，andproducts[M].NewYork：NewYorkAcademicPress，2007：337.

Supported by the Post Doctoral Science Foundation of China(2014M552489)

CooperativeCommunicationSystemwithDirectiveAntennasandOptimalRelaySelectionAFStrategy

WANG Ming-wei1， 2LI Li-xin1ZHANG Hui-sheng1XIE Wen-jiao1

(1.SchoolofElectronicsandInformation，NorthwesternPolytechnicalUniversity，Xi’an710072，Shaanxi，China；2.CollegeofElectricalandInformationEngineering，ShaanxiUniversityofScienceandTechnology，Xi’an710021，Shaanxi，China)

Amulti-relaycooperativecommunicationsystemadoptingdirectiveantennasandoptimalrelay-selectionAFcooperativestrategyisproposed,andacorrespondingformulaofsystemoutageprobabilityisderivedtheoretically.Onthebasisofthetheoreticalanalysisresult,therelationshipsbetweentheoutageprobabilityandtheparameters(namely,thesignal-to-noiseratio,thechannelfadingcoefficient,theantennapowergain,thenumberofrelaynodesandthepowerallocationcoefficient)areanalyzedbysimulations.TheresultsshowthattheproposedcommunicationsystemcanmeettherequirementsofmilitarycommunicationforRFstealth,andundertheconditionsoflowsignal-to-noiseratio,deepfadingchannelandlimitedrelaynodes,ithasasmalleroutageprobabilityincomparisonwiththecooperativecommunicationsystemwithomnidirectionalantennasandthesamestrategy,whichmeansthatthecommunicationreliabilityisimproved.

cooperativecommunication；directiveantennas；optimalrelayselection；amplyandforward；outageprobability

1000-565X(2016)09-0087-07

2015-06-01

中国博士后科学基金资助项目(2014M552489);西北工业大学中央高校基本科研业务费专项资金资助项目 (3102014JCQ01052)

王明伟(1976-),男,博士生,主要从事协作通信技术研究.E-mail:wangmingwei@mail.nwpu.edu.cn

TN 914

10.3969/j.issn.1000-565X.2016.09.013