李本利，陳　力，衛(wèi)　國

(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 無線網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230022)

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解碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼MIMO系統(tǒng)天線選擇的能效分析

李本利，陳力，衛(wèi)國

(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 無線網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230022)

研究的是一個(gè)多輸入輸出(MIMO)中繼協(xié)作系統(tǒng)，采用自動(dòng)請求重傳(ARQ)協(xié)議，中繼在收到接收端的否定應(yīng)答時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)信息。這里關(guān)注中繼節(jié)點(diǎn)的天線選擇的問題，考慮了電路功耗，采用了一種新的能效分析方法，并得到系統(tǒng)中斷概率和能效的閉式表達(dá)式。接著分析了中繼天線選擇策略和接收節(jié)點(diǎn)的相對(duì)距離對(duì)系統(tǒng)能效的影響。仿真結(jié)果表明，在接收節(jié)點(diǎn)距離發(fā)送節(jié)點(diǎn)或中繼節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)的情況下，接收端天線選擇策略(SSC)具有明顯優(yōu)勢。實(shí)際應(yīng)用中可以在中繼預(yù)設(shè)閾值，以此切換天線選擇策略，此結(jié)論對(duì)于這種方法具有實(shí)際的參考價(jià)值。

能效；協(xié)作通信；MIMO中繼；天線選擇

0　引　言

無線通信的能效問題受到越來越多的關(guān)注。MIMO技術(shù)通過利用空間分集增益可以有效地提高通信中的信噪比(SNR)[1]，對(duì)于同樣的傳輸要求只需要較少的傳輸功耗。協(xié)作技術(shù)采用多個(gè)無線節(jié)點(diǎn)合作通信的方式，也可以有效地降低傳輸功耗。然而文獻(xiàn)[2-5]指出MIMO或者協(xié)作技術(shù)使用更多的傳輸天線和節(jié)點(diǎn)，通信中的電路功耗也隨之增加，在考慮電路消耗的情況下MIMO和協(xié)作技術(shù)并非總是能效更優(yōu)。協(xié)作MIMO技術(shù)將協(xié)作和MIMO結(jié)合在一起，這方面之前的研究工作主要集中在誤碼率和系統(tǒng)容量的問題上[6]。在協(xié)作MIMO系統(tǒng)中，由于傳輸功率在所有傳輸天線中進(jìn)行分配，天線數(shù)目的增加可能會(huì)造成能效降低[7]。天線選擇可以有效利用MIMO的增益，與此同時(shí)擁有低復(fù)雜度和低功耗的特點(diǎn)。最大比合并策略(MRC)中，接收節(jié)點(diǎn)所有天線工作，將不同路徑的信號(hào)進(jìn)行最優(yōu)線性相加；接收端天線停等策略(SSC)中，接收節(jié)點(diǎn)選擇一根天線，如果SNR低于閾值則切換至另一根天線；發(fā)送端天線選擇策略(TAS)中，發(fā)送節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收節(jié)點(diǎn)的反饋，選擇最優(yōu)天線；發(fā)送端波束成型策略(TBF)中，發(fā)送天線全部工作。文獻(xiàn)[8]主要研究了發(fā)送節(jié)點(diǎn)和中繼如何進(jìn)行天線選擇使得總體中斷概率最小的問題。文獻(xiàn)[9]詳細(xì)推導(dǎo)了SSC的中斷概率。

在解碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼MIMO系統(tǒng)天線選擇的問題上已經(jīng)有大量的研究工作。文獻(xiàn)[10]指出在考慮頻譜效率的固有損耗時(shí)，有反饋的協(xié)作策略比非協(xié)作策略能效更優(yōu)。在協(xié)作中繼MIMO模型下，文獻(xiàn)[11]推導(dǎo)了系統(tǒng)中斷概率和能效的閉式表達(dá)式。文獻(xiàn)[12]則提出一種天線選擇的迭代策略，期望在較低的計(jì)算復(fù)雜度下獲取能效次優(yōu)解。然而文獻(xiàn)[12]所采用的兩跳中繼模型并非協(xié)作的最佳選擇[10]，并且該算法給中繼帶來了較大的計(jì)算復(fù)雜度。文獻(xiàn)[11]為了簡化分析，默認(rèn)假設(shè)中繼節(jié)點(diǎn)接收信號(hào)時(shí)策略和接收節(jié)點(diǎn)保持一致，發(fā)送信號(hào)時(shí)策略和發(fā)送節(jié)點(diǎn)保持一致，未充分考慮中繼天線選擇的不同策略，本文對(duì)這點(diǎn)進(jìn)行進(jìn)一步分析。

本文研究一個(gè)自動(dòng)請求重傳協(xié)作中繼MIMO系統(tǒng)，并對(duì)中繼天線選擇策略的能效問題進(jìn)行分析。我們使用有效傳輸比特所消耗的能量來表示能效[11，13]，以協(xié)調(diào)傳統(tǒng)的能效和誤碼率這兩個(gè)沖突的問題。在此基礎(chǔ)上我們得到系統(tǒng)中斷概率和能效的表達(dá)式。數(shù)值結(jié)果表明，隨著接收端與發(fā)送端或中繼距離增加，中繼SSC策略更占優(yōu)勢。接著我們將場景擴(kuò)展到了更具有實(shí)際意義的二維場景進(jìn)行研究。

1　系統(tǒng)模型

我們研究的是一個(gè)擁有發(fā)送節(jié)點(diǎn)(S)，中繼節(jié)點(diǎn)(R)和接收節(jié)點(diǎn)(D)的協(xié)作MIMO系統(tǒng)模型。節(jié)點(diǎn)S，R和D分別有Ns，Nr和Nd根天線，其中有ns，nr和nd根天線參與通信傳輸(見圖1)。本文中節(jié)點(diǎn)S采用TAS策略，根據(jù)接收節(jié)點(diǎn)的反饋選擇最佳的發(fā)送天線，節(jié)點(diǎn)D采用SSC策略，在當(dāng)前接收天線的SNR低于設(shè)定閾值時(shí)切換天線，即ns=1和nd=1。系統(tǒng)采用增量解碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議[14]，只有在節(jié)點(diǎn)R收到節(jié)點(diǎn)D的否定應(yīng)答時(shí)才轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)S的信息。任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳輸可以表示為：

(1)

式中，Pi是節(jié)點(diǎn)i的傳輸功率，kij是鏈路i-j的預(yù)算關(guān)系，ni是發(fā)送天線數(shù)目，Hij是方差為1的瑞利平坦衰落信道，x為傳輸?shù)姆?hào)向量，wij是高斯白噪聲。節(jié)點(diǎn)i和j之間的路徑損耗為[7]：

(2)

式中，G是總體的傳輸和接受天線增益，λ是載波波長，dij是節(jié)點(diǎn)i和j的距離，ν是路徑損耗指數(shù)，Ml是鏈路余量，Nf是接收天線的噪聲系數(shù)。

圖1　Ns×Nr×Nd協(xié)作MIMO系統(tǒng)

鏈路i-j信噪比(SNR)為：

(3)

(4)

式中，δ代表由于功放額外損耗，PTX和PRX代表參與傳輸?shù)奶炀€的射頻電路功率消耗。

2　傳輸策略

兩個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生中斷事件可以表示為Iij=lb(1+γij)

Pdrop=psd·psr+(1-psr)·psrd

(5)

(6)

在文中，我們假定反饋信道是無誤的。在第一個(gè)時(shí)隙，由節(jié)點(diǎn)S到節(jié)點(diǎn)D通信過程中的中斷概率為[1]：

(7)

值得注意的是盡管只選擇單個(gè)天線通信，系統(tǒng)依然可以實(shí)現(xiàn)NsNd的分集增益。

(1)SSC+TAS

在SSC策略下，節(jié)點(diǎn)R選擇一根天線監(jiān)聽節(jié)點(diǎn)S消息，如果SNR高于預(yù)設(shè)的閾值γT，則仍然使用這根天線，否則切換到另一根天線。接收天線的功耗為PRX，合理的設(shè)置γT可以使得SSC與實(shí)時(shí)天線選擇策略(SC)具有同樣的效果[1]。使用TAS，節(jié)點(diǎn)R接收節(jié)點(diǎn)D的反饋并選擇最優(yōu)發(fā)送天線，有效地減少了電路消耗。節(jié)點(diǎn)S到節(jié)點(diǎn)R的中斷概率表示為：

(8)

發(fā)送節(jié)點(diǎn)S和中繼節(jié)點(diǎn)R的信號(hào)在接收節(jié)點(diǎn)D中合并，重傳的中斷概率為[10]：

(9)

(10)

(2)MRC+TAS

使用MRC，中繼節(jié)點(diǎn)R所有的天線參與監(jiān)聽，并把從不同信道接收到的信號(hào)線性最優(yōu)合并。S-R鏈路的中斷概率為：

(11)

重傳過程中斷概率和SSC+TAS一致：

(12)

(13)

(3)SSC+TBF

S-R鏈路的中斷概率和SSC+TAS一致：

(14)

消息重傳時(shí)，互信息量表示為：

Isrd=Blb(1+max{|gsd,1,1|2,…,|gsd,Ns,Nd|2}+

(15)

重傳中斷概率為：

psrd=Pr{Isrd

(16)

(17)

(18)

定義Z=X+Y，則X和Y的概率密度函數(shù)卷積可以得到Z的概率密度函數(shù)：

最終可以獲得重傳的中斷概率：

(20)

(21)

(4)MRC+TBF

S-R鏈路的中斷概率和MRC+TAS一致：

(22)

節(jié)點(diǎn)D將來自節(jié)點(diǎn)S和節(jié)點(diǎn)R的信號(hào)組合，重傳的中斷概率和式TAS+TBF一致：

(23)

其中：

(24)

(25)

最后，我們在節(jié)點(diǎn)S和節(jié)點(diǎn)R上使用最優(yōu)化的功率分配方式，問題可以描述為：

0≤Pi≤Pmax,i∈{s,r}

(26)

式中，Pmax是節(jié)點(diǎn)可以使用的最大傳輸功率，Pdrop(Ps,Pr)是丟包率，Pdrop為最大丟包率。

3　仿真結(jié)果

本文采用文獻(xiàn)[2]的仿真參數(shù)，鏈路預(yù)算Ml=40 dB，噪音系數(shù)Nf=10 dB，天線增益G=5 dBi，載波頻率fc=2.5 GHz，噪音功率譜密度N0=-174 dBm/Hz，帶寬B=10 kHz，路徑損耗指數(shù)ν=2.5，天線發(fā)送功耗PTX=97.9 mW，天線接收功耗PRX=112.2 mW，功率放大器附加損耗δ=1.86，最大丟包率Pdrop=10-2，傳輸功率限制Ps=0 dB。節(jié)點(diǎn)S和節(jié)點(diǎn)R的相對(duì)位置固定，dsr=30 m。

假定三個(gè)節(jié)點(diǎn)都在同一條直線上，滿足dsd=dsr+drd，圖2展示了不同中繼天線選擇策略下的能效。由圖2可以看出，曲線SSC+TAS和SSC+TBF基本重合，曲線MRC+TAS和MRC+TBF也接近，此仿真表明S-R鏈路中，節(jié)點(diǎn)R的發(fā)送策略選擇對(duì)系統(tǒng)能效影響較小，這是由于在功率最優(yōu)分配的情況下，psd相對(duì)較小，式(6)的后半部分對(duì)總體能效影響較小。MRC在dsd較小時(shí)能效更優(yōu)，而SS則在dsd較大時(shí)有優(yōu)勢，兩者相交于dsd=65。dsd較大時(shí)發(fā)送節(jié)點(diǎn)S的分配到較高的功率，S-R鏈路擁有更高的SNR，中繼采用SSC策略比MRC更有優(yōu)勢。通過預(yù)設(shè)閾值，節(jié)點(diǎn)R根據(jù)dsd切換天線選擇策略，此仿真具有很高的實(shí)際意義。

圖2　不同中繼天線選擇策略下的能效

我們考慮一個(gè)三節(jié)點(diǎn)為二維分布的場景，具有更加實(shí)際的意義。在以上結(jié)論的基礎(chǔ)上，圖3僅對(duì)比SSC和MRC。由圖3可以看出SSC曲面在drd或dsd較大時(shí)優(yōu)于MRC，而在drd和dsd較小時(shí)TBF能效更優(yōu)。由此仿真結(jié)論可知，節(jié)點(diǎn)D距離節(jié)點(diǎn)S或者節(jié)點(diǎn)R更遠(yuǎn)時(shí)，SSC相比于MRC表現(xiàn)更加出色。

圖3　節(jié)點(diǎn)二維分布下的能效

4　結(jié)　語

本文主要研究了協(xié)作增量解碼轉(zhuǎn)發(fā)MIMO系統(tǒng)，關(guān)注了中繼節(jié)點(diǎn)的天線選擇的能效問題，采用了能效更優(yōu)的協(xié)作模型[10]，全面分析中繼天線選擇策略，并得出不同策略下系統(tǒng)的中斷概率和能效表達(dá)式。仿真結(jié)果表明當(dāng)接收節(jié)點(diǎn)距離中繼或者發(fā)送節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)，中繼SSC為首選策略，此結(jié)論可以推廣到立體空間。實(shí)際場景下可以在中繼預(yù)設(shè)閾值進(jìn)行天線選擇，本文對(duì)此方案具有實(shí)用價(jià)值。部分天線選擇合并(GSC)策略在此模型下比兩跳模型[12]更加復(fù)雜，需要進(jìn)一步深入研究。

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李本利(1992—)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闊o線通信;

陳力(1987—)，男，博士后，主要研究方向?yàn)榫G色通信;

衛(wèi)國(1987—)，男，教授，主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信。

Energy-Efficiency Analysis of IDF MIMO System with Relay Antenna Selection

LI Ben-li, CHEN Li, WEI Guo

(WIN Lab,University of Science and Technology of China, Hefei Anhui 230022, China)

A cooperative incremental decode-and-forward (IDF) MIMO relay system is studied, and with the application of ARQ (Automatic Repeat Request) protocol, the relay forwards the received signal when receiving NACK (Negative Acknowledgement) from the destination. This paper focuses the attention on the antenna selection of relay node and circuit power.And with a novel energy efficiency analytical framework, the closed-form expressions of outage probability and energy efficiency are derived and then the selection strategies of relay antenna and the effects of relative distance of between the receiving nodes on system energy efficiency also analyzed. Simulation results show that SSC enjoys clear superiority when the destination is relatively far from the source or relay. The pre-setting of calculation thresholds may be done in practical application, thus to switch the antenna selection strategy, and this conclusion is of certain reference value for division of relay AS schemes.

energy efficiency；cooperative communications；MIMO relay；antenna selection

10.3969/j.issn.1002-0802.2016.03.002

2015-10-28；

2016-02-02Received date:2015-10-28；Revised date：2016-02-02

TN929.5

A

1002-0802(2016)03-0259-05