《電子技術(shù)應(yīng)用》
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譯碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作通信系統(tǒng)的誤碼率優(yōu)化研究
劉鈞彬1，2，丁 凡3
（1．江西理工大學(xué) 信息工程學(xué)院，江西 贛州341000；2．深圳大學(xué)ATR國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳518060； 3．韶關(guān)學(xué)院 物理與機(jī)電工程學(xué)院，廣東 韶關(guān)512005）
摘要： 摘 要： 協(xié)作通信技術(shù)能有效提高無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的誤碼率(SER)性能。采用譯碼轉(zhuǎn)發(fā)（Decode-Forward，DF）協(xié)議的單中繼的協(xié)作通信系統(tǒng)，推導(dǎo)并給出了線性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下DF系統(tǒng)的平均誤碼率性能上界表達(dá)式，并以最小化平均SER為目標(biāo)，分別從功率分配比和中繼位置兩個(gè)角度進(jìn)行了優(yōu)化；最后通過(guò)數(shù)值分析的方法求解出DF協(xié)作系統(tǒng)的最優(yōu)參數(shù)對(duì)。理論分析和仿真結(jié)果表明，以此最優(yōu)參數(shù)對(duì)為參考標(biāo)準(zhǔn)來(lái)選擇中繼伙伴和分配功率，可以使DF協(xié)作系統(tǒng)的平均SER最優(yōu)化。協(xié)作通信；譯碼轉(zhuǎn)發(fā)；誤碼率；功率分配；中繼位置
中圖分類號(hào)： TP393
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2015.09.024

中文引用格式： 劉鈞彬，丁凡. 譯碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作通信系統(tǒng)的誤碼率優(yōu)化研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015，41(9)：88-91.
英文引用格式： Liu Junbin，Ding Fan. Research on optimal SER for decode-forward cooperative communication systems[J].Application of Electronic Technique，2015，41(9)：88-91.
Research on optimal SER for decode-forward cooperative communication systems
Liu Junbin1，2，Ding Fan3
1.School of Information Engineering，Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou 341000，China； 2.Key Laboratory of ATR National Defense Science and Technology，Shenzhen University，Shenzhen 518060，China； 3.School of Physics and Mechanical & Electrical Engineering，Shaoguan College，Shaoguan 512005，China
Abstract： For wireless communications system, cooperative relaying technique can improve system’s symbol-error-rate(SER) performance efficiently. This paper analyzed cooperative communication system with single DF relay and a cosed-form SER formulation and corresponding upper bound was derived by making use of a simple linear topology .The optimum power allocation and relay location were derived, which was aimed at minimizing SER of the DF system. Finally, the optimal joint adaptation of the parameter triplet was given by numerical optimization techniques. Theoretical analysis and simulation results indicate that, by using the optimal relay location and the optimum power ratio, the average SER for DF cooperative communication system can be optimized.
Key words : cooperative communication；decode-amplify；symbol error rate；power allocation；relay location


0 引言
    目前，在不同終端用戶間共享天線的分集技術(shù)(即協(xié)作通信)，引起了研究者廣泛關(guān)注。協(xié)作通信的概念和模型最早由Sendonaris等人提出[1]，隨后Laneman等人在文獻(xiàn)[2]中提出了DF(Decode-Forward，譯碼轉(zhuǎn)發(fā))和AF(Amplify-and-Forward，放大轉(zhuǎn)發(fā))兩種典型的協(xié)作協(xié)議，并分析了兩跳系統(tǒng)的中斷概率和中斷容量。W.Su等在文獻(xiàn)[3]中推導(dǎo)出了采用MPSK和QAM調(diào)制的DF協(xié)作系統(tǒng)的閉式SER精確表達(dá)式，同時(shí)也提出了一個(gè)SER上界以揭示DF協(xié)作系統(tǒng)的漸進(jìn)性能。基于漸進(jìn)緊的SER近似式，確定了DF協(xié)作系統(tǒng)的最優(yōu)功率分配，然而并未考慮中繼位置對(duì)SER性能的影響。文獻(xiàn)[4]基于以最小化中斷概率為目標(biāo)對(duì)最佳中繼位置進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[5]基于文獻(xiàn)[3]得到的AF協(xié)作系統(tǒng)的漸進(jìn)緊SER近似式，在幾種簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中嘗試得到最佳中繼定位，并對(duì)這幾種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的系統(tǒng)性能的優(yōu)劣性進(jìn)行了比較。隨后文獻(xiàn)[6]在文獻(xiàn)[5]的基礎(chǔ)上研究了多中繼系統(tǒng)中的中繼位置優(yōu)化問(wèn)題。但是，上述文獻(xiàn)的研究成果均是在源和中繼等功率分配(EPA)的前提下得到的，即并未考慮中繼位置對(duì)最優(yōu)功率分配方案的影響。
    文獻(xiàn)[7]分析了中繼沿橢圓運(yùn)動(dòng)時(shí)，不同功率分配方案與中繼位置對(duì)AF協(xié)作通信系統(tǒng)SER性能的影響。本文在其基礎(chǔ)上，根據(jù)單中繼DF協(xié)作系統(tǒng)的漸進(jìn)緊SER公式[3]，以最小化SER為目標(biāo)，研究直線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下功率分配和中繼位置聯(lián)合優(yōu)化問(wèn)題。
1 系統(tǒng)模型
    單中繼兩階段時(shí)分協(xié)作通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

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圖1  單中繼三點(diǎn)協(xié)作模型

    階段1：源以廣播方式發(fā)送信息給中繼和目的，發(fā)送為功率P1。源-目的(S-D)接收信號(hào)ysd、源-中繼(S-R)接收信號(hào)ysr可表示為：
S~M$VUEELN4GHWQ`%4_S]CR.png   

    階段2：對(duì)于DF協(xié)作協(xié)議，如果中繼能夠正確譯碼，則以功率K%K7ME`@]9[TA7$(7ZXOP(B.png發(fā)送譯碼后的信號(hào)，否則中繼不發(fā)或保持空閑V@W($Q7]B@VG6)1M@RUNCY0.png，兩階段總功率保持恒定值，即P1+P2=P。此時(shí)目的端在階段2接收到的信號(hào)可以建模為[9]：
`9TV%1P~@2($7[IH_(8A{2O.png   
2 線性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型下的SER性能分析
    本節(jié)以平均誤碼率SER作為系統(tǒng)的性能指標(biāo)對(duì)DF協(xié)作通信系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析。

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    考慮如圖2所示的直線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型，即中繼節(jié)點(diǎn)R位于源節(jié)點(diǎn)S和目的節(jié)點(diǎn)D的連線上。設(shè)S到D、S到R、R到D的歸一化距離分別為：dsd、dsr、drd，則有dsd=1=dsr+drd，dsr、drd∈[0，1]。 在直線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型中，忽略陰影衰落效應(yīng)，只考慮瑞利衰落、路徑損耗和加性高斯白噪聲對(duì)信

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3 SER優(yōu)化分析
    本節(jié)將以最小化SER為目標(biāo)，對(duì)功率分配因子λ和中繼位置x進(jìn)行優(yōu)化分析。
3.1 固定功率分配比下的中繼位置優(yōu)化
    下面討論在固定的總功率P和功率分配比λ下，中繼節(jié)點(diǎn)處于何位置時(shí)，協(xié)作系統(tǒng)的SER最小。
    在這種情況下的最優(yōu)化問(wèn)題可以表述為：
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    求解上式，得到固定功率分配比下的最優(yōu)中繼位置為：
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    根據(jù)式(16)，最優(yōu)中繼位置隨功率分配比的變化曲線如圖3所示。從圖中可以看到：當(dāng)功率分配方案改變時(shí)，最優(yōu)中繼位置也將隨之變化。特別地，當(dāng)λ=0.5，即采用EPA方案時(shí)，由式(16)可求得：x=dsr=0.546 3。

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圖3  最優(yōu)中繼位置與功率分配比的關(guān)系

3.2 固定中繼位置下的功率分配比優(yōu)化
    在某些場(chǎng)景中，中繼的位置是固定的，在這種情況下的優(yōu)化問(wèn)題可以表述為如下形式：

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    根據(jù)式(18)，最優(yōu)功率分配比隨中繼位置的變化曲線如圖4所示。由式(18)和圖4可以得到如下兩點(diǎn)結(jié)論：

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圖4  最優(yōu)功率分配比與中繼位置的關(guān)系

    (1)最優(yōu)功率分配與源到目的的信道鏈路無(wú)關(guān)，它只依賴源到中繼、中繼到目的的信道。
    (2)最優(yōu)功率分配比的取值范圍為：0.5≤λ≤1。
    這意味著應(yīng)該始終把更多的功率分配給源。特別地，當(dāng)0<x<0.3時(shí)，即中繼距離源很近時(shí)，λ≈0.5，即此時(shí)應(yīng)采用等功率分配(EPA)方案；而當(dāng)0.9<x<1時(shí)，λ≈1，即此時(shí)應(yīng)該將幾乎全部功率都分配給源。
3.3 聯(lián)合優(yōu)化
    從以上討論中可以看到最優(yōu)功率分配比和最優(yōu)中繼位置的范圍分別為：0.5≤λ≤1，0≤x≤1。為了得到SER的全局最優(yōu)值，必須綜合考慮功率分配比和中繼位置。
    聯(lián)立式(16)、式(18)得：
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圖5  DF協(xié)作系統(tǒng)的SER曲面

4 結(jié)論
    本文研究了DF協(xié)作通信系統(tǒng)的誤碼率優(yōu)化問(wèn)題，推導(dǎo)了線性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型下單中繼協(xié)作系統(tǒng)的SER表達(dá)式，并根據(jù)SER表達(dá)式，選擇合適的功率分配比和中繼位置，可以優(yōu)化系統(tǒng)的SER。最后通過(guò)數(shù)值分析的方法求解出DF協(xié)作系統(tǒng)的最優(yōu)參數(shù)對(duì)%F8RAF9E]MOV5H)0P6N7OUS.png=(0.839 1，
0.676 7)。值得注意的是，當(dāng)采用M-PSK調(diào)制的DF協(xié)作系統(tǒng)的調(diào)制星座一定時(shí)，此優(yōu)化參數(shù)對(duì)的數(shù)值便是固定的，與系統(tǒng)總功率等其他因素?zé)o關(guān)，這可以為DF協(xié)作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一個(gè)參考依據(jù)，例如，在單中繼線性拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)中，若分布有多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，優(yōu)先選擇最接近歸一化距離為X**的節(jié)點(diǎn)作為源的中繼伙伴，同時(shí)基站的功率分配比設(shè)定為λ**，這樣便可以獲得最優(yōu)的SER性能。
參考文獻(xiàn)
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