侯艾冰

摘 要：為了提高無線通信系統(tǒng)的性能，提出了多輸入多輸出（Multiple-Input MultipleOutput， MIMO）技術(shù)與雙向中繼協(xié)作結(jié)合的方案。MIMO與雙向中繼轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)的結(jié)合有覆蓋范圍大，傳輸速率快和效率高等優(yōu)點。然后結(jié)合對不同發(fā)射策略系統(tǒng)性能進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明，相比傳統(tǒng)直接的傳輸模式該系統(tǒng)方案可提高系統(tǒng)性能。最后概述了該系統(tǒng)方案性能分析的研究進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：MIMO 雙向中繼系統(tǒng) 性能分析 研究進(jìn)展

1.概述

將中繼技術(shù)與下一代寬帶蜂窩移動通信系統(tǒng)融合到現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，它能夠提高系統(tǒng)的吞吐量，有效地擴大無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋能力。但在實際通信系統(tǒng)的通信過程是半雙工模式，要4個時隙才以完成信息交換，且協(xié)作中繼在提高無線傳輸性能的同時也帶來了頻譜效率的損失。為此，國外學(xué)者Rankov等人通過對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行編碼，最后得出雙向中繼協(xié)議有更高的頻譜效率相比單向中繼協(xié)議。MIMO技術(shù)通過給每個節(jié)點配置多條天線接入中繼系統(tǒng)，MIMO技術(shù)能夠利用多天線間的協(xié)作，產(chǎn)生分集復(fù)用增益，能夠在不增加帶寬的情況下大幅度提高系統(tǒng)容量。

2.系統(tǒng)模型及雙向中繼轉(zhuǎn)發(fā)策略

MIMO雙向中繼系統(tǒng)的模型有很多，有基于三節(jié)點模型的，有基于多中繼模型的，有基于多用戶模型的，也有針對ad-hoc網(wǎng)絡(luò)的。本文主要針對移動通信系統(tǒng)中的三節(jié)模型進(jìn)行研究，假設(shè)源節(jié)點與終端節(jié)點之間沒有直達(dá)鏈路，通信過程必須通過中繼的協(xié)助來完成，通信過程是半雙工的，T1，T2分別是配備L和N根天線的源節(jié)點與終端節(jié)點，中繼配備M根天線，如圖1所示。

中繼的轉(zhuǎn)發(fā)策略通常分為：再生中繼和非再生中繼。對于再生中繼策略，信號在中繼進(jìn)行解調(diào)，它的具體形式是解碼轉(zhuǎn)發(fā)（Decode-andforward， DF），DF的雙向中繼指的是兩源節(jié)點同時發(fā)送信號到中繼節(jié)點，中繼節(jié)點在接收到混合信號之后，將兩信號聯(lián)合譯碼出來，然后編碼處理后將信號廣播給兩源節(jié)點。非再生中繼策略中繼站無需對數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)，中繼端對來自發(fā)送端的信號進(jìn)行放大，它的具體形式是放大轉(zhuǎn)發(fā)（Amplify-and-forward， AF），AF是一種復(fù)雜度高的中繼方案，但它是簡單的轉(zhuǎn)發(fā)策略。

3.性能比較與分析

圖2和圖3是是在假定源節(jié)點與中繼節(jié)點間信道狀態(tài)信息較好下所得到的仿真圖，圖2為非協(xié)作系統(tǒng)（Direct）與AF、DF的實際誤碼率曲線圖，圖3為Direct與AF、DF理論誤碼率曲線圖。從圖2和圖3可以看出，非協(xié)作系統(tǒng)誤碼率高于AF和DF中繼協(xié)作系統(tǒng)，而且，在信噪比為0-10db的范圍內(nèi)，協(xié)作中繼的方式隨著信噪比的提升對系統(tǒng)性能有一定的提升，故中繼協(xié)作系統(tǒng)性能優(yōu)于非協(xié)作系統(tǒng)。

4.研究進(jìn)展

MIMO雙向中繼系統(tǒng)性能分析的研究國外很早就開始。由于雙向中繼有巨大的優(yōu)勢，在早期文獻(xiàn)推導(dǎo)了雙向中繼系統(tǒng)的容量上界，對MIMO雙向中繼系統(tǒng)的容量進(jìn)行分析，提出了對信道狀態(tài)信息低需求下的中繼方案策略，最后得出了容量的表達(dá)式。而近幾年這個系統(tǒng)的研究方向為：文獻(xiàn)研究了在多用戶MIMO雙向中繼系統(tǒng)情況下自由度區(qū)域的優(yōu)化；在空間復(fù)用下提出了兩種中繼選擇策略來最大化信噪比，以達(dá)到最大化系統(tǒng)的容量。提出了兩種頻譜共享方案以達(dá)到首層網(wǎng)絡(luò)與第二層網(wǎng)絡(luò)可達(dá)到的最大化速率。提出了用戶選擇策略來降低系統(tǒng)首層網(wǎng)絡(luò)的誤碼率。

5.結(jié)束語

MIMO雙向中繼系統(tǒng)是一相對新穎的研究領(lǐng)域，各國學(xué)者對該系統(tǒng)的研究并不是非常成熟，若想真正拓展到實際應(yīng)用需要處理的問題還很多。未來研究的幾個重要方向有：現(xiàn)實環(huán)境中MIMO雙向中繼系統(tǒng)的性能分析，用戶、中繼、基站的波束結(jié)構(gòu)聯(lián)合優(yōu)化，功率分配和中繼最優(yōu)位置，多用戶與多中繼等。本文闡述了MIMO雙向中繼系統(tǒng)的優(yōu)勢，通過仿真得出，相比傳統(tǒng)的傳輸通信模式，MIMO雙向中繼系統(tǒng)可提高系統(tǒng)性能。最后給概述了近幾年MIMO雙向中繼系統(tǒng)性能分析的研究進(jìn)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]Pabst R，Walke B H，Schultz D C，et al.Relay based deployment concepts for wireless an and mobile broadband radio[J]. IEEE Commun，2004，42（9）：80-89.

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

[3]G.Amarasuriya，C.Tellambura，and M. Ardakani.Performance analysis of zero-forcing for two-way MIMO AF relay networks.IEEE Wireless Commun. Lett.，vol.1，no.2，pp.53-56，Apr.2012.

[4]Vaze R，Heath R W. Capacity scaling for mimo two-way relaying[C]// International Symposium on Information Theory （ISIT2007）.Nice 2007：1451- 1455.

[5]K.Liu and M.Tao，X.Yuan.Optimal DoF Region for the Asymmetric Two-Pair MIMO Two-Way Relay Channel.IEEE Transactions on Signal Processing， vol. 65，no.7，April 1，2017.

[6]S.Silva，G.Amarasuriya，C.TellamburaRelay Selection Strategies for MIMO Two-Way Relay Networks with Spatial Multiplexing.IEEE Transactions on Communication，2015.

[7]Ali H.Bastami and Safa Habibi. Cognitive MIMO Two-Way Relay Network： Joint Optimal Relay Selection and Spectrum Allocation.IEEE Transactions on Vehicular Technology，2018.

[8]P.K.Sharma and P.K.Upadhyay，“Performance analysis of cooperative spectrumsharing with multiusertwo-wayrel ayingoverfadingchannels，”IEEE Trans. Veh. Technol.， vol.66，no.2，pp.1324-1333，F(xiàn)eb.2017.