核電子科學(xué)與探測(cè)技術(shù)淺析誤碼率的DF協(xié)作通信系

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　　摘 要： 針對(duì)協(xié)作通信系統(tǒng)能量有限和誤碼率高等問(wèn)題，在DF協(xié)作通信系統(tǒng)中，研究一種基于誤碼率的概率分配算法。在總發(fā)射功率一定的條件下，建立以滿足最小誤碼率為目標(biāo)的優(yōu)化問(wèn)題。利用Lagrange乘子，求解該優(yōu)化問(wèn)題的閉式解，得出最佳功率分配方案。仿真結(jié)果表明，在總功率一定的情況下，該功率分配算法較其他功率分配方案具有較低的誤碼率。

　　關(guān)鍵詞： 協(xié)作通信; DF; 功率分配; 誤碼率

　　0 引 言

　　協(xié)作通信技術(shù)是利用網(wǎng)絡(luò)中閑置的多個(gè)基站或天線作為信號(hào)傳輸?shù)闹欣^，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)間節(jié)點(diǎn)資源協(xié)作的方式，論文網(wǎng)站有效地共享傳輸資源，形成分布式虛擬天線陣列，形成虛擬MIMO，獲得分集增益[1]，從而對(duì)抗無(wú)線信道的多徑衰落。根據(jù)不同的中繼技術(shù)，主要的協(xié)作策略有放大轉(zhuǎn)發(fā)(Amplify and Forward： AF，中繼將接收到信號(hào)放大后轉(zhuǎn)發(fā))[2]、解碼轉(zhuǎn)發(fā)(Decode and Forward： DF，中繼將接收到的信號(hào)譯碼并重新編碼后轉(zhuǎn)發(fā))[2]和編碼協(xié)作(Coded Cooperation： CC，中繼傳輸不再是與信源相同的信息，而是增加的冗余)[3]等多種方式。

　　功率分配是協(xié)作通信的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，在能量受限的情況下，合理配置節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，最大限度地利用各節(jié)點(diǎn)的功率，有效地延長(zhǎng)移動(dòng)終端的壽命。文獻(xiàn)[4]研究了在DF協(xié)作通信系統(tǒng)中，以最小化系統(tǒng)中斷概率為目標(biāo)，提出黃金分割迭代法分配源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率。文獻(xiàn)[5]中研究了多中繼協(xié)作系統(tǒng)問(wèn)題，但作者在功率分配上使用的是源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)平均功率分配。文獻(xiàn)[6]研究了在多中繼AF系統(tǒng)中基于差分演化的協(xié)作通信最優(yōu)功率分配算法。文獻(xiàn)[7]研究了在AF協(xié)議下，基于誤符號(hào)率的最優(yōu)功率分配與伙伴選擇。本文提出了選擇DF協(xié)作通信系統(tǒng)中以誤碼率為目標(biāo)函數(shù)，基于Lagrange算法的最佳功率分配方案。

　　1 系統(tǒng)模型

　　協(xié)作通信系統(tǒng)模型如圖1所示，S表示源節(jié)點(diǎn)，D表示目的節(jié)點(diǎn)，R為中繼節(jié)點(diǎn)。假設(shè)源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率分別為[Ps]和[Pr，]源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)以及中繼節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的信道增益分別為[hsr，hsd，hrd，]它們是均值為零，相互獨(dú)立的復(fù)高斯隨機(jī)變量，方差分別為[σ2sr，σ2sd，σ2rd，]各信道統(tǒng)計(jì)獨(dú)立，并服從瑞利平坦衰落。中繼節(jié)點(diǎn)采用時(shí)分半雙工工作模式。

　　圖1 協(xié)作通信系統(tǒng)模型

　　協(xié)作過(guò)程分兩個(gè)階段：

　　第一階段，源節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)廣播，被選擇出來(lái)的中繼節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收源節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。收到的信號(hào)為：

　　[ysd=Pshsdx+nsd] (1)

　　[ysr=Pshsrx+nsr] (2)

　　式中：[x]為源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信號(hào);[nsd，][nsr]為加性高斯白噪聲(AWGN)。中繼節(jié)點(diǎn)如果正確接收源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息，則第二階段進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，否則保持靜默。

　　第二階段，目的節(jié)點(diǎn)接收的信號(hào)為：

　　[yrd=Prhrd+nrd] (3)

　　式中：當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，[Pr=Pr，]不轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)[Pr=0;][nrd]為AWGN。假設(shè)所有信道上的AWGN的方差均為[σ20。]目的節(jié)點(diǎn)對(duì)兩個(gè)階段接收到的信號(hào)進(jìn)行最大比合并(MRC)，得到：

　　[y=a1ysd+a2Prh?rdyrd] (4)

　　[a1=(Psh?sd)σ20] (5)

　　[a2=(Prh?rd)σ20] (6)

　　接收端信噪比為：

　　[γ=(Pshsd2+Prhrd2)σ20] (7)

　　2 性能分析與功率分配

　　2.1 誤符號(hào)率分析

　　考慮中繼有正確解碼和不正確解碼兩種情況，在MPSK調(diào)制下的SER可以寫(xiě)成[8?10]：

　　[PSER=1π20(M-1)πMexp-sin2(πM)Pshsd2σ20sin2θdθ×0(M-1)πMexp-sin2(πM)Pshsr2σ20sin2θdθ+1π0(M-1)πMexp-sin2(πM)(Pshsd2+Prhrd2)σ20sin2θdθ×1-1π0(M-1)πMexp-sin2(πM)Pshsr2σ20sin2θdθ](8)

　　當(dāng)采用式(8)的SER閉合表達(dá)式時(shí)，運(yùn)算復(fù)雜度高，計(jì)算量大，因此采用上界逼近近似表達(dá)式進(jìn)行分析。經(jīng)過(guò)推導(dǎo)，采用MPSK調(diào)制的誤符號(hào)率的上界為[8?10]：

　　[PSER≤σ40A2Psσ2sdB2Psσ2sr+CPrσ2rd] (9)

　　式中：[A=sin2(πM);][B=M-12M+sin(2πM)4π;][C=3(M-1)8M+]

　　[sin(2πM)4π-sin(4πM)32π]。

　　2.2 功率分配算法

　　把誤碼率作為待優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，在發(fā)射總功率一定的條件下，求出使誤碼率最小的[Ps]和[Pr。][Ps，][Pr]和[P]之間需滿足條件：[Ps+Pr=P，][Ps≥0，][Pr≥0。]采用Lagrange乘法因子，令：

　　[ L=σ40A2Psσ2sdB2Psσ2sr+CPrσ2rd+λ(Ps+Pr-P)] (10)

　　分別對(duì)[Ps]和[Pr]求偏導(dǎo)數(shù)，令其等于零，求解方程組：

　　[?L?Ps=0，?L?Pr=0，Ps+Pr=P， Ps≥0，Pr≥0]

　　求解方程可得，最佳功率分配時(shí)：

　　[ Ps=σsr+σ2sr+8(B2C)×σ2rd3σsr+σ2sr+8(B2C)×σ2rdP] (11)

　　[ Pr=2σsr3σsr+σ2sr+8(B2C)×σ2rdP] (12)

　　3 仿真結(jié)果分析

　　假設(shè)信道類(lèi)型為瑞利衰落信道(Rayleigh)和加性高斯白噪聲信道(AWGN)，信號(hào)采用BPSK調(diào)制方式，圖2，圖3中源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)(S?D)、中繼節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)(R?D)間信道以及源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)(S?R)間的信道方差均為1，即[σ2sr=σ2rd=σ2sd=1。]圖4，圖5中源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)(S?D)、中繼節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)(R?D)間信道方差為1，源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)(S?R)間的信道方差為10，即[σ2sr=10，σ2rd=σ2sd=1。]采用Matlab 2012b進(jìn)行仿真。

　　圖2 最佳功率分配與等功率分配誤碼率比較([σ2sr=σ2rd=σ2sd=1])

　　圖2，圖3給出了在[σ2sr=σ2rd=σ2sd=1]條件下，采用其他功率分配和最佳功率分配方案后DF協(xié)作通信系統(tǒng)的誤碼率對(duì)比。由圖可見(jiàn)，最佳功率分配性能要明顯優(yōu)于其他功率分配的性能，誤碼率明顯降低。

　　圖3 最佳功率分配與[Ps=13，Pr=23]功率分配

　　誤碼率比較[(σ2sr=σ2rd=σ2sd=1)]

　　小編推薦優(yōu)秀的電子論文　電子工程師的論文刊發(fā)自動(dòng)氣象站常見(jiàn)數(shù)據(jù)處理

　　【摘 要】分析了霍林郭勒市氣象局CAWS600-B型自動(dòng)氣象站在運(yùn)行期間,人工資料輸入、日常維護(hù)及故障處理、軟件重裝等方面存在的問(wèn)題,以便保證自動(dòng)站數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性及準(zhǔn)確性。

　　【關(guān)鍵詞】CAWS600-B型自動(dòng)氣象站;試運(yùn)行;分析;處理