基于定向天線的DF協(xié)同通信技術(shù)研究論文
對基于定向天線的DF協(xié)同通信系統(tǒng)進行了研究。提出了幾種不同DDF協(xié)同通信方式，通過對這些通信方式的分析，推導(dǎo)出了它們的中斷概率表達式，并仿真對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)可以獲得滿分分級增益，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)于信號中繼轉(zhuǎn)發(fā)的最初原型要追溯到20世紀70年代，Van在文獻[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[2]中對Van的工作進行了拓展，從信息論的角度證明了離散無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世紀初[3?4]，文獻[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型的中繼方式，例如自適應(yīng)中繼和增強性中繼等。在同一時期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，從而可以減少對非通信方向上的信號干擾，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)者對相關(guān)的內(nèi)容進行了大量的'研究[11?13]，文獻[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，但是將兩項技術(shù)結(jié)合起來研究至今鮮有文獻涉及。
本文對定向協(xié)同通信技術(shù)進行探索性研究，主要考慮單個中繼條件下的定向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程;然后詳細推導(dǎo)各種DDF系統(tǒng)的閉式中斷概率及近似中斷概率;最后通過仿真對比分析了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
整個通信方式分兩個階段：源節(jié)點分別給中繼、目的節(jié)點發(fā)送信息;中繼將接收到的信號進行譯碼，然后重新發(fā)送給目的節(jié)點。
與傳統(tǒng)的協(xié)同通信不同的是，由于波束成型后信號能量只能覆蓋一定的空間角度，假設(shè)從源節(jié)點到中繼節(jié)點及目的節(jié)點的角度[α，]大于波束成型角度，那么源節(jié)點就需要用2個時隙分別給中繼和目的節(jié)點發(fā)送消息，即多消耗了1個通信時隙，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定向增益的乘積。本文研究的是對稱信道，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，中繼節(jié)點和目的節(jié)點的定向天線增益。設(shè)接收到的信號為 [ys，d，][ys，r]分別表示中繼節(jié)點和目的節(jié)點從源節(jié)點接收到的信號，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)送的信號符號;[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]的高斯分布隨機變量。
中繼將處理后的源信號轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點，目的節(jié)點收到的信號為：
[yr，d=hr，dGsGdq(ys，r)+nr，d] (4)
式中：函數(shù)[q(?)]表示中繼對所接收到的信號的處理方式。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)別為是否包含一個檢測機制，即是否根據(jù)中繼解碼錯誤與否決定轉(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)點按確定的方式轉(zhuǎn)發(fā)所接收到的信號，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，不管中繼解碼正確與否，信號都將被轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點。當(dāng)譯碼錯誤時，轉(zhuǎn)發(fā)信號就變得沒有意義。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]是因為整個過程用了3個時隙，需要min的操作是因為只有這兩個鏈路都正確解碼，目的節(jié)點才正確解碼。
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，得到精確的中斷概率如下：
[PIDF 而根據(jù)文獻[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，對系統(tǒng)性能的提升沒有本質(zhì)的貢獻，特別是當(dāng)源到目的信道不是很差的情況下，源發(fā)送給目的的信號大多可以被正確解碼，中繼的轉(zhuǎn)發(fā)變得沒有意義。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轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點是有條件的，只有當(dāng)接收到的信噪比超過一定門限時，才有這個過程，否則源節(jié)點重發(fā)兩次信號給目的節(jié)點。其互信息可以表示成：
[ISDF=13log1+X0，X1 因此中斷概率：
[PISDF 得到閉式表達式如下：
[PISDF 而根據(jù)文獻[3]當(dāng)信噪比較大時，可以得到中斷概率近似為：
[P[ISDF 式中[3R]中的因子3是因為協(xié)同過程占用3個通信時隙。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)點到中繼節(jié)點間存在一個反饋信道。如果目的端能夠正確解碼來自源節(jié)點的信息，則會中繼節(jié)點發(fā)送一個反饋信號，中繼便不用進行信號轉(zhuǎn)發(fā)，通信過程結(jié)束。否則源節(jié)點將向中繼發(fā)送信號，中繼按固定DDF方式給目的節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)信號。如果目的節(jié)點能正確解碼，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行相關(guān)分析以簡化分析過程。
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，這是因為其內(nèi)在存在頻譜利用低的因素：即便譯碼錯誤也需要占用時隙進行無效的轉(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。因為不管選擇DDF還是反饋 DDF，在獲得分集增益的同時，需要更多的通信時隙，從而損耗了頻譜效率。特別是選擇DDF，如果信噪比在門限以下，中繼不工作，從而浪費了2個通信時隙;而反饋DDF在源節(jié)點能直接譯碼時不需要消耗更多的時隙進行中繼過程，因此相對節(jié)約了頻譜資源。在足夠高的[R]時，直傳系統(tǒng)反而比協(xié)同系統(tǒng)更有效。
5 結(jié) 語
本文結(jié)合了定向天線技術(shù)和協(xié)同通信技術(shù)，主要研究了單個中繼節(jié)點條件下的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，直傳系統(tǒng)反而比協(xié)同系統(tǒng)更有效，這個文獻[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，提高了軍事通信的隱蔽性，已成為了新一代戰(zhàn)斗機實現(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，增強系統(tǒng)隱身性能，因而必然具有廣闊的應(yīng)用前景。
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