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1、信息通信技术66基于中继择优选择的协同ARQ吞吐量分析引言协同通信系统因能在单天线终端的情况下，提高系统的空间分集增益而受到目前研究领域的关注。下一代无线网络 (4G) 要求无线系统满足更好的QoS，如频谱利用率、传输可靠性以及延时等性能指标。为了满足此要求，Sendonaris等人最早在无线蜂窝通信系统中采用中继协同技术1，它的基本思想源于小区内多用户因无线信道的广播特性通过不同路径协同传输有用信息到目的端，它能在空间范围内收集属于多个用户的分布式天线阵列，形成多天线“虚拟阵列”，使得单天线用户终端同样可获得更高的空间分集增益。本文基于中继选择，将自动请求重传技术 (ARQ) 引入到无线通信
2、系统链路层中，并在分析链路误码率的基础之下，分析了双中继协同系统、单中继协同ARQ系统和双中继协同ARQ系统各自的吞吐量。考虑到链路传输延迟，只分析单中继和两个中继情况。理论分析和最终仿真结果表明，无论是在高信噪比还是低信噪比的情况下，协同ARQ系统的吞吐量都是最优的。第1节介绍了整个系统模型，基于中断概率的中继选择将放在第2节，并给出了仿真性能比较曲线。第3节对三种系统的吞吐量进行了理论分析，仿真结果及比较分析放在第4节，全文总结放在第5节。1 系统模型系统由一个源S、一个目的D和多个中继R1,R2Rn构成。源传送一帧数据时附上部分CRC校验比特，目的终端在接收到来至源的数据包后，根据CRC
3、检测结果向目的端返回确认信息ACK/NACK。与此同时，n个中继也侦听到来至源发送的数据包，根据检测结果，并基于最优路径原则2,3：，在同一小区内多个中继中选择出最优中继R1Rm负责数据重传确定候选最优中继，并存储当前信息。其中最大重传数为系统参数是提前设定好的 (如图1)。本系统基于择优原则只考虑选择两个最优中继作为重传后备中继，为最大重传次数。传输方式为半双工模式，即终端不能同时收发数据，信道为时间相关瑞利衰落信道，即同一传输数据块中信号衰落系数是恒定不变的，但在不同的帧中，信道衰落系数变化是独立的。且目的端反馈的ACK/NACK能被源和中继成功接收。基于传输流程，文中考虑三种可能出现的情
4、况：1）首先源发出广播信息PDU#1,中继和目的端都将收到此信息，并将其存储于临时缓存器中，当目的端成功接收数据包，并将确认信息ACK返回。源和中摘 要 本文分为两个部分：基于中继择优选择，分析选择多个中继情况下系统的中断概率；考虑系统延时，仅仅对双中继协同系统、单中继协同ARQ系统和双中继协同ARQ系统的吞吐量进行比较。理论分析和仿真结果说明，协同系统最优中继选择个数越多，系统中断概率就越小；选择单个中继和两个中继的协同ARQ系统的吞吐量，无论高信噪比还是低信噪比情况下，都明显优于非ARQ协同系统。关键词 协同通信；中继择优选择；ARQ; 中断概率； 吞吐量熊 莹 重庆邮电大学移动通信重点实
5、验室 重庆 400065技术广角技术广角Broad Angle for Technology图1 双中继协同系统模型2009 0367Broad Angle for Technology继丢弃此包，下一时刻，传输新的数据包。2）当源发出广播信息PDU#2时，若目的端返回NACK,此时先由最优中继R1重传数据包，再由次优中继R2重传。并在目的端对重传数据最大比合并。3）若中继重传次数达到预先系统给定的最大重传次数而目的端还不能成功译码PDU#3，源丢弃此包，下一时刻传输新的数据包PDU#4。它包含三个传输阶段，阶段1源向目的端发送信号，由于无线信道的广播特性，中继和目的端都将同时接收到来至源的信
6、号为和，分别表示为：阶段2目的端接收最优中继的重传信号为，表示为： 阶段3目的端接收到次优中继的重传信号为，表示为：其 中 ，为 源 发 送 的 数 据 包 ，分别为中继接收到来至源的估计信号，源到中继，源到目的端和中继到目的端的信道增益分别表示为 ，它们是均值为零，方差分别为的随机变量，其中方差之间的差异主要是由路径损耗、阴影衰落和频率非选择性衰落引起的，文章中令,它们的包络服从瑞利分布。服从均值为零，方差为N0的复高斯随机分布。在瑞利衰落环境中，接收信噪比的均值服从指数分布，概率密度函数为：其中，系统采用BPSK调制方式，当信噪比为时，对应的平均误比特率4为：2 基于中断概率的中继选择目前
7、，取决于不同的优化目的，中继选择的方法可以分为以下三类：基于容量最大化或者中断概率最小化的中继选择，基于功率控制的中继选择和基于端到端误码率的中继选择方法。本为主要研究基于中断概率最小化的中继选择方法。中断概率定义即为链路信道容量低于信息传输速率的概率5-6。对于直达链路通信，中断概率为：其中，R (bps/Hz) 为传输数据速率,为目的端的接受信噪比。对于点对点通信，可以通过提高发送功率或者降低数据传输速率来获得更低的中断概率。对于协同中继系统，可以在不牺牲有限通信资源的前提下，有效抵抗无线信道衰落，增加通信的可靠性。基于择优中继选择原则，系统中继链路的中断概率为：其中，令发送功率为，则整个
8、系统的中断概率为：。基于中继择优选择的中断概率仿真比较如图2,取数据传输速率R为2 (bps/Hz)。从图2中可以看出系统选择中继个数 越多时，整个系统的中断概率就越小。链路质量较差时，系统也越容易中断。当链路质量较好即信噪比为20dB时,从选择两个中继的中断概率0.0392到3个中继的0.0015明显下降。但协同系统中，应为重传所带来信息通信技术68的延迟也是不容忽略的，在可靠性和系统延迟的折衷考虑下，本为仅仅分析两个中继的情况。3 中继协同系统吞吐量分析以下分为3个部分，将分别对三种系统的吞吐量进行分析。3.1 双中继协同系统吞吐量分析直达链路的平均误码率7,8为：中 继 链 路的 平 均
9、 误 比 特 率 分 别 为和，有如下表达：其中，定义系统吞吐量为单位时间内成功接收的码字数目，根据求出的误码率公式，即为：3.2 单中继协同ARQ系统吞吐量分析时间相关衰落下直达链路ARQ的平均误码率为：中继链路ARQ的平均误码率为：单中继协同ARQ系统的吞吐量表达9为：3.3 双中继协同ARQ系统吞吐量分析由于信道为时间相关瑞利衰落信道，我们只考虑一种极端情况，重传时信道状况没有发生变化，目的端接收信噪比相等。双中继协同ARQ系统直达链路的平均误比特率为：两跳双中继协同ARQ系统中最优中继R1首次重传链路的平均误比特率与单中继ARQ中继链路的平均误比特率是相等的。两跳双中继协同ARQ系统二
10、次重传时，中继链路的平均无比特率为：图2 个最优中继的中断概率技术广角2009 0369即系统的吞吐量为：4 仿真结果分析文中所用仿真软件为MATLAB,最后给出双中继协同系统、单中继协同ARQ系统和双中继协同ARQ系统的吞吐量性能仿真结果比较。设信道为时间相关瑞利衰落信道，调制方式为BPSK调制。图3给出了当中继到目的端的平均信噪比不等于源到中继的平均信噪比，且源到中继链路质量较好设为20dB，给出3种系统的吞吐量比较。可以明显看出双中继协同ARQ的吞吐量优于单中继协同ARQ系统和不采用ARQ的双中继协同系统。当源到目的端信噪比为0dB时，三个系统吞吐量由高到低分别0.9563，0.9108
11、和0.6766。在高信噪比20dB时，吞吐量分别为0.9858，0.9854和0.8977。图4给出当中继到目的端的平均信噪等于源到中继的平均信噪比时，三种系统的吞吐量分析。当源到目的端信道质量较差即0dB时，三种系统吞吐量由高到低分别为0.8741，0.8442和0.4177，高信噪比时三种系统的吞吐量都较好趋近于最大值1。5 结论文章大体分为两个部分，第一部份基于中继择优选择对，选择不同个数中继情况下，系统的中断概率进行分析，第二部份分析三种系统：双中继协同系统、单中继协同ARQ系统和双中继协同ARQ系统，各自的吞吐量。仿真结果表明，系统在不考虑延时的情况下，协同最优中继个数选择越多，中断
12、概率就越小；考虑系统延时，分析两个中继情况下，不同系统的吞吐量，协同ARQ系统无论是单中继还是多中继，性能都优于不采用ARQ的中继协同系统。参考文献12图3 吞吐量图4 吞吐量Broad Angle for TechnologySendonaris A, Erkip E, Aazhang B.User cooperation diversity, part I and part IIJ.IEEE Trans. Commun,2003,51(11):1927-1948Bletsas A, Lippnian A, Reed, D P.A simple distributed method for
13、relay selection in cooperative diversity wireless networks, based on reciprocity and channel measurementsC. 信息通信技术70345IEEE Vehicular Technology Conference, 2005,3:1484-1488Letsas A, Khisti A, Reed D P, et al.A simple Cooperative diversity method based on network path selectionJ. IEEE Selected Areas
14、 in Communications,2006,4:659-672Goldsmith A. Wireless Communications M. UK：Cambridge University, 2005Ravi Narasimhan.Throughput-Delay Performance of Half-Duplex Hybrid-ARQ Relay ChannelsJ.IEEE International Conference,2008(5):986-990技术广角作者简历熊 莹重庆邮电大学硕士研究生。研究方向为协作分集技术。Research on Cooperative ARQ for
15、 Two-hop and Two-relay SystemXiong YingKey Laboratory of Mobile Communication, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, ChinaAbstract In this paper, we divided it into two parts: one is best-relay selection from several possible relays, based on outage probability; the
16、 other part is throughput analysis of three different systems: two-relay cooperative system, single-relay cooperative ARQ system and two-relay cooperative ARQ system, which consider system delay. The analysis of theory and simulation results show that, on matter there is a high SNR (signal to noise ratio) of between source and relay, or a poor SNR, the throughput of single relay and two-relay cooperative ARQ is much better than non-cooperati
