文獻(xiàn)標(biāo)識碼： 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.
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。
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ysd、源-中繼(S-R)接收信號ysr可表示為：![S~M$VUEELN4GHWQ`%4_S]CR.png](http://files.chinaaet.com/images/2017/01/12/6361982512571853857638367.png "S~M$VUEELN4GHWQ`%4_S]CR.png")
階段2：對于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$(7ZXOP(B.png](http://files.chinaaet.com/images/2017/01/12/6361982515563053851950222.png "K%K7ME`@]9[TA7$(7ZXOP(B.png")
發(fā)送譯碼后的信號，否則中繼不發(fā)或保持空閑![V@W($Q7]B@VG6)1M@RUNCY0.png](http://files.chinaaet.com/images/2017/01/12/6361982518493953857959164.png "V@W($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接收到的信號可以建模為[9]：
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DF協(xié)作通信系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析。
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信
3 SER優(yōu)化分析
本節(jié)將以最小化SER為目標(biāo)，對功率分配因子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)化問題可以表述為：
求解上式，得到固定功率分配比下的最優(yōu)中繼位置為：![VWC47]ZH]4E2%Y0CHXKF%EE.png](http://files.chinaaet.com/images/2017/01/12/6361982558767453851318126.png "VWC47]ZH]4E2%Y0CHXKF%EE.png")
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。
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
在某些場景中，中繼的位置是固定的，在這種情況下的優(yōu)化問題可以表述為如下形式：
![]ZTU_(AMGYNSXG}4SC378JK.png](http://files.chinaaet.com/images/2017/01/12/6361982571883153851235251.png "]ZTU_(AMGYNSXG}4SC378JK.png")
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：
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：![FJIN3@@1)WD[C4N558V]SFY.png](http://files.chinaaet.com/images/2017/01/12/6361982608321653853784398.png "FJIN3@@1)WD[C4N558V]SFY.png")
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![%F8RAF9E]MOV5H)0P6N7OUS.png](http://files.chinaaet.com/images/2017/01/12/6361982612183953857932967.png "%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)
[1] ERKIP S E，AAZHANG B.User cooperation diversity-part I：system description[J].IEEE Trans.Communication，2003，51(11)：1927-1938.
[2] LANEMAN J N，TSE D N C，WORNELL G W.Cooperative diversity in wireless networks：efficient protocols and outage behavior[J].IEEE Trans.Information Theory，2004，50(12)：3062-3080.
[3] SU W，SADEK A K，LIU R J K.SER performance analysis and optimum power allocation for decode-and-forward cooperation protocol in wireless networks[C].In Proc.IEEE WCNC，2005，2：984-989.
[4] MENG Y，JING L，SADIADPOUR H.Amplify-forward and decode-forward：the impact of location and capacity contour[C].Military Communications Conference，2005，11(3)：1609-1615.
[5] Xu Lei，Zhang Hongwei，Li Xiaohui，et al.Optimum relay location in cooperative communication networks with single AF relay[J].Communications，Network and System Sciences，2011，4：147-151.
[6] GURRALA K K，DAS S.Impact of relay location on the performance of multi-relay cooperative communication[C].IJCNWC，2012，2(2)：2250-3501.
[7] LIN F，LI Q H，LUO T，et al.Impact of relay location according to SER for amplify-and-forward cooperative communications[C].2007 IEEE International Workshop on
Anti-counterfeiting, Security，Identification.Xiamen，2007，4.
[8] XUE K，HONG X，CHEN L，et al.Performance analysis and resource allocation of heterogeneous cognitive gaussian relay channels[C].Global Communications Conference (GLOBECOM)，2013 IEEE，2013：1167-1172.
[9] TERA A D，GURRALA K K，DAS S.Power allocation for AF cooperative relaying using particle swarm optimization[C].In Green Computing Communication and Electrical Engineering(ICGCCEE)，2014 International Conference on.IEEE，2014，3.