- 相關(guān)推薦
基于定向天線的DF協(xié)同通信技術(shù)研究論文
對(duì)基于定向天線的DF協(xié)同通信系統(tǒng)進(jìn)行了研究。提出了幾種不同DDF協(xié)同通信方式，通過(guò)對(duì)這些通信方式的分析，推導(dǎo)出了它們的中斷概率表達(dá)式，并仿真對(duì)比了各種方式中斷概率的異同。結(jié)果表明，反饋及選擇DDF系統(tǒng)可以獲得滿(mǎn)分分級(jí)增益，在頻譜效率不高的情況下反饋DDF系統(tǒng)能獲得最優(yōu)的中斷性能。
0 引 言
關(guān)于信號(hào)中繼轉(zhuǎn)發(fā)的最初原型要追溯到20世紀(jì)70年代，Van在文獻(xiàn)[1]中首次提出了三終端信道并推導(dǎo)了該信道容量的上下界，Cover在文獻(xiàn)[2]中對(duì)Van的工作進(jìn)行了拓展，從信息論的角度證明了離散無(wú)記憶加性高斯白噪聲(AWGN)中繼信道容量大于直傳信道容量。然而將協(xié)同通信視作一種分集技術(shù)而被明確提出是在21世紀(jì)初[3?4]，文獻(xiàn)[3]中，Laneman等首次提出了一種兩階段協(xié)同傳輸?shù)母拍�，并給出了目前最常用的兩種中繼方式即放大轉(zhuǎn)發(fā)(Amplify and Forward，AF)和解碼轉(zhuǎn)發(fā)(Decode and Forward，DF)，該文還給出了幾種增強(qiáng)型的中繼方式，例如自適應(yīng)中繼和增強(qiáng)性中繼等。在同一時(shí)期Hunter也提出了一種相似協(xié)同分集協(xié)議 [4]，在該模型中中繼不僅能轉(zhuǎn)發(fā)源節(jié)點(diǎn)信息也可以發(fā)送自己的信息。此后，協(xié)同通信技術(shù)得到了學(xué)術(shù)界的關(guān)注，很多研究成果也被陸續(xù)發(fā)表[5?10]，然而所有的這些研究都是基于全向天線，定向天線因其能把能量更集中的發(fā)送到需要通信的方向上，從而可以減少對(duì)非通信方向上的信號(hào)干擾，增加信道的空間復(fù)用率，提高信道容量，因此具有廣泛的應(yīng)用前景，也有很多學(xué)者對(duì)相關(guān)的內(nèi)容進(jìn)行了大量的研究[11?13]，文獻(xiàn)[14]提出了完整的使用定向天線的通信系統(tǒng)。盡管關(guān)于定向天線和協(xié)同通信的研究非常豐富，但是將兩項(xiàng)技術(shù)結(jié)合起來(lái)研究至今鮮有文獻(xiàn)涉及。
本文對(duì)定向協(xié)同通信技術(shù)進(jìn)行探索性研究，主要考慮單個(gè)中繼條件下的定向DF(Directional Decode and Forward，DDF)協(xié)同通信系統(tǒng)，并假定通信方式是TDMA形式。首先給出了DDF協(xié)同通信系統(tǒng)的具體模型及其通信過(guò)程;然后詳細(xì)推導(dǎo)各種DDF系統(tǒng)的閉式中斷概率及近似中斷概率;最后通過(guò)仿真對(duì)比分析了DDF協(xié)同通信系統(tǒng)中斷性能。
1 DDF協(xié)同通信系統(tǒng)模型
整個(gè)通信方式分兩個(gè)階段：源節(jié)點(diǎn)分別給中繼、目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息;中繼將接收到的信號(hào)進(jìn)行譯碼，然后重新發(fā)送給目的節(jié)點(diǎn)。
與傳統(tǒng)的協(xié)同通信不同的是，由于波束成型后信號(hào)能量只能覆蓋一定的空間角度，假設(shè)從源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)及目的節(jié)點(diǎn)的角度[α，]大于波束成型角度，那么源節(jié)點(diǎn)就需要用2個(gè)時(shí)隙分別給中繼和目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息，即多消耗了1個(gè)通信時(shí)隙，如圖1所示。本文的結(jié)論均在這種情形下獲得。
定向天線模型：
[Pr=PtGtGrKrν] (1)
式中：[Pt]為發(fā)射功率;[Gt]為發(fā)送端的定向天線增益;[Gr]為接收端定向天線接收增益;[K]為一個(gè)關(guān)于大氣吸收，歐姆損耗等的常數(shù)，而[ν]是路徑衰弱因子，一般取[15][2≤ν≤4]。其與全向天線相比，僅僅是分子部分多了兩個(gè)定向增益的乘積。本文研究的是對(duì)稱(chēng)信道，即不考慮大尺度衰弱，僅將信道建模成瑞利平坦衰落信道。分別用[Gs，][Gr，][Gd]表示源節(jié)點(diǎn)，中繼節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)的定向天線增益。設(shè)接收到的信號(hào)為 [ys，d，][ys，r]分別表示中繼節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)從源節(jié)點(diǎn)接收到的信號(hào)，則其可以表示成：
[ys，d=P1GsGdhs，dx+ns，d] (2)
[ys，r=P1GsGrhs，rx+ns，r] (3)
式中：[x]為發(fā)送的信號(hào)符號(hào);[ns，d，][ns，r]為加性高斯白噪聲，方差為[N0;][hs，d，][hs，r]為信道系數(shù)，是服從零均方且方差為[δ2s，d]和[δ2s，r]的高斯分布隨機(jī)變量。
中繼將處理后的源信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點(diǎn)，目的節(jié)點(diǎn)收到的信號(hào)為：
[yr，d=hr，dGsGdq(ys，r)+nr，d] (4)
式中：函數(shù)[q(?)]表示中繼對(duì)所接收到的信號(hào)的處理方式。解碼轉(zhuǎn)發(fā)主要包括固定解碼轉(zhuǎn)發(fā)和自適應(yīng)解碼轉(zhuǎn)發(fā)，主要區(qū)別為是否包含一個(gè)檢測(cè)機(jī)制，即是否根據(jù)中繼解碼錯(cuò)誤與否決定轉(zhuǎn)發(fā)與否。
2 DDF協(xié)同通信協(xié)議
2.1 固定DDF協(xié)同通信方式
所謂固定即中繼節(jié)點(diǎn)按確定的方式轉(zhuǎn)發(fā)所接收到的信號(hào)，不存在反饋或者其他自適應(yīng)的處理。采用定向固定解碼轉(zhuǎn)發(fā)方式時(shí)，不管中繼解碼正確與否，信號(hào)都將被轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點(diǎn)。當(dāng)譯碼錯(cuò)誤時(shí)，轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)就變得沒(méi)有意義。因此該方式系統(tǒng)的性能被源到中繼和源到目的中最差的路徑所限制，設(shè)[λ=P2P1，] 其傳輸?shù)幕バ畔⒖梢员硎境桑?/p>
[IDF=13minlog(1+SNRhs，r2GsGr)，log(1+SNRhs，d2GsGd+λSNRhr，d2GrGd)]
式中[SNR=P1N0，][13]是因?yàn)檎麄�(gè)過(guò)程用了3個(gè)時(shí)隙，需要min的操作是因?yàn)橹挥羞@兩個(gè)鏈路都正確解碼，目的節(jié)點(diǎn)才正確解碼。
在給定的頻譜效率[R]的條件下，[PIDF [minhs，r2GsGr，hs，d2GsGd+λhr，d2GrGd<23R-1SNR] (6)
令[SNRhs，d2GsGd，][SNRhs，r2GsGr，][SNRhr，d2GrGd]分別為[X0，X1，X2，] [1SNRδ2s，dGsGd，][1SNRδ2s，rGsGr，][1SNRδ2r，dGrGd]分別為[L0，L1，L2，23R-1SNR為m。] 則其中斷概率可以表示為： [PIDF 將上式展開(kāi)，得到精確的中斷概率如下：
[PIDF 而根據(jù)文獻(xiàn)[3]可以得到，在較高信噪比條件下，定向固定譯碼轉(zhuǎn)發(fā)中斷概率為：
[PIDF 從式(7)可知，固定DDF協(xié)同通信只獲得了1階分集增益，對(duì)系統(tǒng)性能的提升沒(méi)有本質(zhì)的貢獻(xiàn)，特別是當(dāng)源到目的信道不是很差的情況下，源發(fā)送給目的的信號(hào)大多可以被正確解碼，中繼的轉(zhuǎn)發(fā)變得沒(méi)有意義。為了有效利用信道資源，應(yīng)使用自適應(yīng)DDF協(xié)作方式。
2.2 選擇DDF協(xié)同通信方式
在選擇性DDF通信中，中繼是否將解碼后的信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點(diǎn)是有條件的，只有當(dāng)接收到的信噪比超過(guò)一定門(mén)限時(shí)，才有這個(gè)過(guò)程，否則源節(jié)點(diǎn)重發(fā)兩次信號(hào)給目的節(jié)點(diǎn)。其互信息可以表示成：
[ISDF=13log1+X0，X1 因此中斷概率：
[PISDF 得到閉式表達(dá)式如下：
[PISDF 而根據(jù)文獻(xiàn)[3]當(dāng)信噪比較大時(shí)，可以得到中斷概率近似為：
[P[ISDF 式中[3R]中的因子3是因?yàn)閰f(xié)同過(guò)程占用3個(gè)通信時(shí)隙。從上式可知中斷概率正比于[SNR-2]，因而獲得的分集增益為2。
2.3 反饋DDF通信方式
在反饋式DDF通信中，目的節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)間存在一個(gè)反饋信道。如果目的端能夠正確解碼來(lái)自源節(jié)點(diǎn)的信息，則會(huì)中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)反饋信號(hào)，中繼便不用進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)，通信過(guò)程結(jié)束。否則源節(jié)點(diǎn)將向中繼發(fā)送信號(hào)，中繼按固定DDF方式給目的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)。如果目的節(jié)點(diǎn)能正確解碼，頻譜效率為 [R]，否則效率為[13R]。
因此互信息可以表示為：
從上式可以看出中斷概率正比于[SNR-2]，因此獲得了2階的分集增益。而且頻譜效率明顯優(yōu)于選擇性DDF通信。
4 數(shù)值仿真與分析
設(shè)定向增益為14.5 dB，[δ2s，r]=[δ2r，d]=1，[δ2s，d=0.5，][R=]1 bps/Hz，[λ=1。]仿真對(duì)比基于定向天線的各協(xié)同通信方式的精確中斷概率與近似中斷概率，結(jié)果如圖2～圖4所示。
從圖2～圖4可知，在較大信噪比條件下，精確的中斷概率和近似中斷概率幾乎重合，因此可以用近似中斷概率代替精確中斷進(jìn)行相關(guān)分析以簡(jiǎn)化分析過(guò)程。
設(shè)定向增益為14.5 dB，[δ2s，r]=[δ2r，d]=1，[δ2s，d=0.5，][R=]1 bps/Hz，[λ=1。]仿真對(duì)比各協(xié)同通信方式中斷概率與信噪比的關(guān)系，仿真結(jié)果如圖5所示。
從圖5可以看出，直傳，定向直傳以及固定DDF的中斷概率隨信噪比的下降速度一致，因此他們的分集增益是一致的，即為1階，而選擇DDF與反饋DDF分集增益一致，即為2階;由于定向增益的引入，使能量更有效地被利用，因此定向通信方式中斷性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)方式;固定DDF性能反不如定向直傳，這是因?yàn)槠鋬?nèi)在存在頻譜利用低的因素：即便譯碼錯(cuò)誤也需要占用時(shí)隙進(jìn)行無(wú)效的轉(zhuǎn)發(fā);選擇DDF和反饋DDF能有效解決固定DDF所存在的問(wèn)題，反饋 DDF雖然性能更優(yōu)，但需要額外的信道。
從圖6可知，隨著頻譜效率的增加，各方式的中斷概率均不斷惡化，其中選擇DDF惡化速度最快，反饋DDF次之。因?yàn)椴还苓x擇DDF還是反饋 DDF，在獲得分集增益的同時(shí)，需要更多的通信時(shí)隙，從而損耗了頻譜效率。特別是選擇DDF，如果信噪比在門(mén)限以下，中繼不工作，從而浪費(fèi)了2個(gè)通信時(shí)隙;而反饋DDF在源節(jié)點(diǎn)能直接譯碼時(shí)不需要消耗更多的時(shí)隙進(jìn)行中繼過(guò)程，因此相對(duì)節(jié)約了頻譜資源。在足夠高的[R]時(shí)，直傳系統(tǒng)反而比協(xié)同系統(tǒng)更有效。
5 結(jié) 語(yǔ)
本文結(jié)合了定向天線技術(shù)和協(xié)同通信技術(shù)，主要研究了單個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)條件下的DDF協(xié)同通信系統(tǒng)，從理論上分析了不同DDF方式的其中斷概率，其中選擇DDF與反饋DDF在大信噪比情況下可以獲得了滿(mǎn)分分集增益。各方式的中斷概率隨著頻譜效率的增加均不斷惡化，其中選擇DDF惡化速度最快，反饋 DDF次之，在頻譜效率足夠高時(shí)，直傳系統(tǒng)反而比協(xié)同系統(tǒng)更有效，這個(gè)文獻(xiàn)[3]中的結(jié)果是一致。
傳統(tǒng)的協(xié)同通信系統(tǒng)均采用全向天線，而定向天線由于其在特定方向上可以提供通信增益以提高系統(tǒng)的整體性能，因而已被廣泛研究和應(yīng)用。特別是在軍事應(yīng)用領(lǐng)域，定向天線在提供增益的同時(shí)，提高了軍事通信的隱蔽性，已成為了新一代戰(zhàn)斗機(jī)實(shí)現(xiàn)通信隱身技術(shù)關(guān)鍵組成部分。定向天線的協(xié)同通信技術(shù)在提供系統(tǒng)分集增益的同時(shí)可以增加信道容量，降低系統(tǒng)的中斷概率，抑制系統(tǒng)的噪聲敏感度，增強(qiáng)系統(tǒng)隱身性能，因而必然具有廣闊的應(yīng)用前景。
【基于定向天線的DF協(xié)同通信技術(shù)研究論文】相關(guān)文章：
協(xié)同通信網(wǎng)絡(luò)中繼選擇策略研究論文08-30
基于工業(yè)機(jī)器人的自動(dòng)化生產(chǎn)技術(shù)研究論文10-18
基于內(nèi)容的模糊圖像檢索技術(shù)研究07-27
基于諧波補(bǔ)償?shù)哪孀兤鞑ㄐ慰刂萍夹g(shù)研究05-12
基于軍網(wǎng)的雷達(dá)遠(yuǎn)程診斷技術(shù)研究08-18
電力通信技術(shù)研究論文10-09
基于Au1200的NAND Flash啟動(dòng)技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)07-03
網(wǎng)絡(luò)安全與通信技術(shù)研究論文07-23
加熱切削技術(shù)研究管理的論文10-27