王明偉， 張會生, 李立欣, 李慧珍, 何立風

(1.西北工業(yè)大學 電子信息學院， 陜西 西安 710129; 2.陜西科技大學 電氣與信息工程學院， 陜西 西安 710021)

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基于極化天線的機會中繼選擇協(xié)作通信

王明偉1， 張會生1, 李立欣1, 李慧珍2, 何立風2

(1.西北工業(yè)大學 電子信息學院， 陜西 西安 710129; 2.陜西科技大學 電氣與信息工程學院， 陜西 西安 710021)

在移動節(jié)點配置極化天線，在滿足節(jié)點體積限制條件的同時還可以獲得良好的節(jié)點到節(jié)點的數(shù)據(jù)鏈路通信質量.研究通過協(xié)作節(jié)點配置極化天線來改善機會中繼選擇協(xié)作通信的性能的可行性.但由于極化電磁波信號在空間傳播時存在散射、折射和極化偏轉，接收機接收的二分集極化信號存在一定的相關性和功率不平衡等不利特性.研究了極化信號的相關性和功率不平衡等不利特性對機會中繼選擇協(xié)作通信的中斷概率、頻譜效率的影響.結論顯示，基于極化天線的機會中繼選擇協(xié)作通信在相同信噪比和相同的信道衰落環(huán)境下，中斷概率、頻譜效率優(yōu)于傳統(tǒng)未采用極化天線的機會中繼選擇協(xié)作通信性能.

協(xié)作通信； 機會中繼選擇； 解碼轉發(fā)； 極化天線； 中斷概率

0 引言

協(xié)作通信作為下一代無線通信的關鍵技術之一，已成為學者廣泛關注的熱點研究領域.協(xié)作通信完全打破了傳統(tǒng)無線通信技術需要互相競爭、獨占頻帶資源的模式，要求網(wǎng)絡中的各節(jié)點相互協(xié)作，共同抵抗信道多徑衰落，實現(xiàn)協(xié)作分集[1].

現(xiàn)階段對協(xié)作通信的研究已經(jīng)從對傳統(tǒng)的單一中繼參與協(xié)作拓展到對多個中繼參與協(xié)作的通信網(wǎng)的研究.通常采用的分布式編碼和波束成型方案很好的適用于只存在相當少量的中繼節(jié)點的協(xié)作通信中[2,3].如果協(xié)作網(wǎng)絡中的中繼節(jié)點數(shù)量較大，在工程實踐中則存在諸多困難，存在性能惡化的可能.這是因為實現(xiàn)式編碼和波束成型的前提條件之一是要求各節(jié)點理想同步及須知全網(wǎng)信道狀態(tài)信息(Channel State Information,CSI).

一般情況下，CSI的獲取依靠反饋方式，存在只能獲知過時CSI和部分SCI的情況，導致協(xié)作通信系統(tǒng)性能嚴重降低.另外，多中繼協(xié)作通信的分布式編碼和波束成型方案還存在碼書設計和波束成型系數(shù)的計算難度隨著中繼節(jié)點數(shù)目增加而倍增.所以當中節(jié)點數(shù)量非常大時，分布式編碼和波束成型方案的實現(xiàn)是不切實際的[1].在這種情況下，只有一個中繼節(jié)點參與協(xié)作傳輸可能是最有利的，產(chǎn)生所謂的機會中繼選擇(Opportunistic Relay Selection，ORS)協(xié)作通信策略.

機會中繼選擇協(xié)作通信策略相比分布式編碼和波束成型，不但具有相同的協(xié)作分集增益，無需理想同步，無需所有中繼節(jié)點參與協(xié)作，極大簡化了網(wǎng)絡物理層設計.近來，對機會中繼協(xié)作通信的研究已經(jīng)形成無線協(xié)作通信領域的熱點，涉及到不同的信道環(huán)境、信號合并方案以及結合各種現(xiàn)有具體通信技術等諸多方面，顯示出機會中繼協(xié)作方案的廣闊研究和應用空間[4-6].

已有學者通過天線優(yōu)化來改善無線信道質量，進而提升協(xié)作通信系統(tǒng)性能進行了研究，其中一個有效方式是在點到點通信時采用多天線技術.如在三節(jié)點中繼模型中，在每個節(jié)點配置多根天線，且無需增加傳輸功率和帶寬[7,8].但是，無線通信系統(tǒng)在實際應用中需要考慮的一個關鍵問題是節(jié)點的體積以及有限的資源，如個人或移動終端，不能提供足夠的空間安裝滿足一定間隔要求的多根天線.Jootar J等[9]研究了采用雙極化電磁波信號的極化分集替代替空間分集來滿足空間要求.Ilic D.M.等[10-12]最新研究表明對三節(jié)點兩跳解碼轉發(fā)(Decode and Forward,DF)協(xié)作通信系統(tǒng)中采用極化天線，結合Rician衰落信道，可有效降低系統(tǒng)誤碼率.

本文研究解碼轉發(fā)型機會中繼選擇(DF-ORS)協(xié)作通信，節(jié)點配置極化天線實現(xiàn)極化分集來提升節(jié)點到節(jié)點的信道質量，采用簡單實用的選擇式合并方式實現(xiàn)極化分集.充分考慮到電磁波信號的相關特性和功率不平衡特性等因素對DF-ORS協(xié)作通信性能的影響.

1 系統(tǒng)模型

半雙工兩跳通信模式下的多中繼節(jié)點DF-ORS協(xié)作通信模型如圖1所示，包含一個源節(jié)點、多個中繼節(jié)點和一個目的節(jié)點.考慮城市環(huán)境，源節(jié)點和目的節(jié)點的直連鏈路在通常情況下由于樹木、建筑物或其它障礙物的阻擋而不存在.中繼節(jié)點分布于源節(jié)點和目的節(jié)點之間，且和源節(jié)點、目的節(jié)點存在直連鏈路.中繼選擇協(xié)作通信策略的主要思想是，尋找最大化兩跳信道容量的最佳中繼節(jié)點，該節(jié)點被用來轉發(fā)信息.

圖1 機會中繼協(xié)作通信系統(tǒng)示意圖

2 極化天線

對機會中繼選擇協(xié)作通信系統(tǒng)網(wǎng)絡天線優(yōu)化是提高整個通信網(wǎng)絡的效率的前提.無線信號在開放性的空間場所內傳播，多徑衰落、干擾和噪聲信號會使信號的傳輸質量下降.利用極化天線實現(xiàn)極化分集是抗多徑衰落的一種重要方法，能夠有效地提高系統(tǒng)鏈路性能.其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在:①節(jié)省天線數(shù)目.由于采用雙極化、雙饋源，一副雙極化天線相當兩副單極化天線;②增益大和抗干擾能力強.天線的±45 °極化正交特性，提供極化分集，抗多徑衰落和其他干擾效果顯著;③雙極化天線的波束有向性，可更好地控制輻射的范圍，降低干擾，方便通信網(wǎng)絡的優(yōu)化.目前最常用的雙極化天線為垂直(Vertical Polarization，VPol)/水平(Horizontal Polarization，HPol)或±45 °極化，理想情況下可以實現(xiàn)滿二階極化分集[10].

2.1 極化參數(shù)

當極化電磁波在無線信道傳播過程中，由于受到地表及障礙物的反射、折射與損耗，會產(chǎn)生極化的偏轉，無論哪種方式接收到的兩路分集信號都存在一定的相關特性和功率不平衡性.這種極化分集特性通常用包絡相關系數(shù)ρ和交叉極化鑒別率(Cross Polar Discrimination，XPD)來描述.包絡相關系數(shù)ρ用來描述極化之間的相關程度，而XPD用來描述極化之間的功率不平衡性，定義為假設發(fā)射的極化信號為垂直極化信號VPol，在接收點接收到的垂直極化VPol信號和水平極化HPlo信號功率比.實驗研究表明，現(xiàn)有技術可以實現(xiàn)在接收端的雙極化信號HPol和VPol的相關系數(shù)小于0.2，XPD(χ)在市區(qū)和城郊介于1～10 dB之間，平均為6 dB；郊區(qū)由于缺少障礙物，XPD介于10～18 dB之間[11,12].

2.2 極化分集

在Nakagami信道衰落環(huán)境下，將源節(jié)點到中繼節(jié)點或者中繼節(jié)點到目的節(jié)點的點到點鏈路，記為A→B.在點到點無線通信鏈路采用極化天線得到2路極化信號，最大比值合并(MRC)相比于等增益合并(EGC)和選擇合并(SC)將會得到最優(yōu)的信噪比輸出.每支路極化信號經(jīng)歷Nakagami信道衰落，瞬時信噪比滿足Gamma分布.

(1)

極化分集得到的兩路信號的瞬時SNR為

γMRC=γ1+γ2

(2)

若兩路極化信號γ1和γ2存在相關性，功率相關系數(shù)ρ為

(3)

γMRC的PDF為[13]

(4)

對公式(4)求積分，得到兩個相關Gamma隨機變量的和的CDF可以表示為[14]

(5)

式(5)中：Φ2(·)為Humber超幾何函數(shù)[15]，定義為

(6)

式(6)中：(x)n=Γ(x+n)/Γ(x)為Pochhammer參數(shù).

由于Humber超幾何函數(shù)的無限項的和的計算困難，將Humber超幾何函數(shù)用不完全Gamma函數(shù)，并假設在大信噪比條件下，得到2支路的極化信號MRC接收分集的CDF的近似表達式為

(7)

3 DF-ORS協(xié)作通信

對于解碼轉發(fā)型機會中繼選擇(DF-ORS)協(xié)作通信，將上述策略可以進一步拓寬限制條件，具體描述為：在協(xié)作通信的第一階段，所有中繼接收源節(jié)點發(fā)送的信息并進行解碼，解碼成功的信息才有可能在第二階段轉發(fā)給目的節(jié)點，該中繼節(jié)點作為轉發(fā)備選節(jié)點.在第二階段，目的節(jié)點依據(jù)中繼節(jié)點到目的節(jié)點最佳信道質量選擇解碼成功集合中最佳中繼節(jié)點轉發(fā)信息.從實現(xiàn)滿協(xié)作分集的角度來看，DF-ORS協(xié)作通信策略使目的節(jié)點選擇能夠支持目標傳輸速率R(bps/Hz)的任一中繼路徑.當解碼成功中繼集合為空，或者在中繼到目的節(jié)點的鏈路上沒有中繼節(jié)點能夠實現(xiàn)2Rbps/Hz的傳輸速率時發(fā)生中斷.理論分析如下：

第一階段源節(jié)點廣播信號到K個中繼節(jié)點，能夠正確解碼的中繼重新構成一個中繼子集，表示為DK(l)?K，l表示正確解碼的中繼個數(shù).同時，協(xié)作通信系統(tǒng)為了實現(xiàn)源節(jié)點到目的節(jié)點R(bps/Hz)的頻譜利用率，DK(l)中的節(jié)點需要滿足條件

(8)

由式(9)定義門限γth=22R-1.具有l(wèi)個正確解碼的中繼構成的集合DK(l)滿足條件

(9)

在協(xié)作傳輸?shù)牡诙A段，需要從Dt選擇最佳中繼b*使得中繼到目的節(jié)點鏈路k→D,for allk∈Dl信號質量最好，即

(10)

那么，在第二階段如果最佳中繼發(fā)生中斷，也就意味著DK(l)所有中繼到目的節(jié)點的鏈路發(fā)生中斷，即

Pr{outage|DK(l)}=Pr{γb*<γth}=

(11)

若DF-ORS協(xié)作通信發(fā)生中斷，則需要滿足

PrSR-DF(outage)=

(12)

如果在無線通信鏈路的節(jié)點配置極化天線，即結合公式(5)和公式(12)，經(jīng)化簡后可得DF-ORS協(xié)作通信中斷概率一般閉合表達式為

[1-FkD(22R-1)]}

(13)

式(13)中：

(14)

(15)

在大信噪比情況下，公式(13)可以進一步簡化為

PDF-ORS(outage)=

(16)

4 數(shù)值仿真

圖2 中斷概率和SNR關系

圖3 功率不平衡特性對中斷概率的影響

圖4 中斷概率和頻譜效率關系

圖5顯示DF-ORS協(xié)作通信的中斷概率和兩路正交極化信號間相關系數(shù)的關系.仿真條件設置頻譜利用率R=1 bps/Hz，信噪比SNR在圖上標示，其他參數(shù)和圖2相同.從圖5中可以看出，極化分集的DF-ORS協(xié)作通信的中斷概率隨著相關系數(shù)ρ的增大而減小，相關系數(shù)對接收信號質量影響較大.當水平和垂直極化信號完全相關時(ρ=1)，系統(tǒng)性能降低到無極化分集的系統(tǒng)性能.水平和垂直極化信號如果能夠實現(xiàn)獨立不相關時(ρ=0)，系統(tǒng)性能得到最大改善.從圖5中還需注意到,當ρ>0.8時，DF-ORS協(xié)作通信的中斷概率急劇上升，系統(tǒng)的性能具有惡化的趨勢，將此拐點稱之為相關門限，也就是說在實際通信中盡可能使兩路極化信號的相關系數(shù)低于相關門限，系統(tǒng)性能才可能采用極化分集技術得到有效提升，如果兩路極化信號的相關系數(shù)高于相關門限，極化分集技術對系統(tǒng)性能的改善效果不明顯.

圖5 中斷概率和相關系數(shù) 的關系

5 結論

極化天線由于體積小不占空間的優(yōu)點，適合安裝在小體積的移動終端，未來將逐步取代傳統(tǒng)多天線實現(xiàn)信號分集.論文主要探討了在DF-ORS協(xié)作通信的節(jié)點到節(jié)點無線鏈路中傳輸雙極化電磁波信號，并結合MRC合并方式實現(xiàn)極化分集，達到了通過改善節(jié)點到節(jié)點通信鏈路質量來提升協(xié)作通信網(wǎng)絡整體性能，降低中斷概率的目的.討論了雙極化信號的相關性和功率不平衡特性對DF-ORS協(xié)作通信的中斷概率、頻譜效率的影響.

通過仿真分析DF-ORS協(xié)作通信的中斷概率和信噪比、功率相關系數(shù)及頻譜效率之間的關系，并和無極化分集的通信性能進行了比較.結果表明，即使節(jié)點到節(jié)點通信鏈路中極化信號存在很強的功率相關性和不平衡特性等不利因素，基于解碼轉發(fā)機會中繼選擇的協(xié)作系統(tǒng)在相同信噪比和相同的信道衰落環(huán)境下，系統(tǒng)中斷概率、頻譜效率均優(yōu)于未采用極化分集的DF-ORS協(xié)作通信.

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【責任編輯：陳 佳】

Opportunistic relay selection cooperative communication with polarization antennas

WANG Ming-wei1, ZHANG Hui-sheng1, LI Li-xin1, LI Hui-zhen2, HE Li-feng2

(1.School of Electronics and Information, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710129, China; 2.College of Electrical and Information Engineering, Shaanxi University of Science & Technology, Xi′an 710021, China)

When the mobile nodes are equipped with polarization antennas,communication quality of the data links can be improved at the same time to meet the constraints of the node volume.This paper studies the possibility of improving the performance of opportunistic relay selection cooperative communication by equipping with the polarization antennas.However,due to the scattering,refraction and polarization deflection of the polarized electromagnetic wave propagation in the space,the two polarization signals received by the receiver have some disadvantages such as correlation and power imbalance.The effects of polarization signal correlation and power imbalance on the outage probability and spectrum efficiency of opportunistic relay selection cooperative communication are studied.The obtained conclusion shows that the performances of opportunistic relay selection cooperative communication using polarization antennas than the traditional system without using polarization antennas under the same condition of SNR (signal-to-noise ratio),even if existing a certain level of correlation and power unbalance between the diversity branches.

cooperative communication; opportunistic relay selection; decode-and-forward; polarization antennas; outage probability

2017-02-08

中國博士后自然科學基金項目(2014M552489)； 中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項項目(3102014JCQ01052)； 陜西省科技廳自然科學基礎研究計劃項目(2016JM6062)； 陜西省教育廳專項科研計劃項目(16JK1100)； 咸陽市科技計劃項目(2015K03-17)

王明偉(1976-)，男，陜西咸陽人，副教授，在讀博士研究生，研究方向：無線協(xié)作通信技術

2096-398X(2017)04-0173-06

TN925

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