艾桂霞， 錢 慧， 余 輪

（福州大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院，福建 福州 350002）

0 引言

無線通信中，衰弱是影響性能的主要因素。協(xié)作分集技術(shù)通過網(wǎng)絡(luò)中單天線節(jié)點間的互相協(xié)作，獲得空間分集增益，從而有效地抵抗多徑衰弱，改善系統(tǒng)性能。研究表明[1-2]協(xié)作分集技術(shù)可以顯著地提高頻譜利用率、網(wǎng)絡(luò)覆蓋率和能量效率，能很好地滿足新一代通信系統(tǒng)對高速數(shù)據(jù)率和良好服務(wù)質(zhì)量的需求。由于協(xié)作分集技術(shù)在無線通信領(lǐng)域的諸多優(yōu)勢，已經(jīng)成為一個研究熱點，獲得國內(nèi)外廣泛關(guān)注。

現(xiàn)有研究協(xié)作分集技術(shù)的文獻提出了各種協(xié)作模型?；邳c對點通信的三節(jié)點模型[3]及多個中繼節(jié)點模型是研究最廣泛的。然而，對于這些協(xié)作模型，節(jié)點間除了互相協(xié)助中繼信息外，本身也是數(shù)據(jù)源，因而為了建立協(xié)作關(guān)系，系統(tǒng)必須增加所有節(jié)點的協(xié)作功能，復(fù)雜度較高；而且，傳統(tǒng)的單個源節(jié)點協(xié)作模型也難以跟多址接入技術(shù)相結(jié)合，在實際的多用戶環(huán)境中并不適用。

2000年，文獻[4]根據(jù)多址接入的基本原理，首次提出了基于協(xié)作的 MARC模型。在該模型中，單個中繼節(jié)點協(xié)作多個發(fā)送節(jié)點與目的節(jié)點進行通信，由于采用一個專門的節(jié)點作為中繼，多個發(fā)送節(jié)點共享該中繼，構(gòu)成虛擬多天線陣列，從而為系統(tǒng)提供空間分集增益。不同于傳統(tǒng)協(xié)作模型，MARC中的發(fā)送節(jié)點不需要彼此協(xié)作中繼信息，理想條件下，甚至不考慮中繼節(jié)點的存在，類似操作在普通多接入信道模型中，使得現(xiàn)有多用戶系統(tǒng)可平滑過渡到協(xié)作系統(tǒng)，實現(xiàn)簡單；而且該模型協(xié)作的復(fù)雜度完全集中在中繼節(jié)點和目的節(jié)點上，隨著加入?yún)f(xié)作的發(fā)送節(jié)點數(shù)目的增加，系統(tǒng)效率也隨著提高。

現(xiàn)從多用戶直序擴頻CDMA (DSSS/CDMA)系統(tǒng)出發(fā)，通過構(gòu)建兩個發(fā)送節(jié)點的MARC模型，在Rayleigh信道下，仿真MARC模型的性能，結(jié)果表明MARC模型的誤碼性能明顯優(yōu)于未使用協(xié)作技術(shù)的多址信道模型。

1 系統(tǒng)模型介紹

如圖1所示，圖1（a）是最簡單的兩發(fā)送節(jié)點的MARC模型，圖1（b）是模型圖1（a）的傳輸過程。其中S1和S2為源節(jié)點，R為中繼節(jié)點，D為目的節(jié)點。系統(tǒng)傳輸分兩個階段：① 兩個源節(jié)點廣播信息，R和D接收信息；② R對第一階段接收到的信息進行處理，然后轉(zhuǎn)發(fā)給D。其中網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點都工作在半雙工狀態(tài)。下面分別介紹兩個傳輸階段。

圖1 多址接入中繼信道協(xié)作模型

1.1 第一階段——直接鏈路

兩個源節(jié)點分別發(fā)送M個數(shù)據(jù)符號給目的節(jié)點D，采用BPSK調(diào)制，發(fā)射功率分別為PS1和PS2。在第m個符號周期內(nèi)，源節(jié)點發(fā)送信息為： x [m ] =[x1[m] x2[m]]T，其中xi[m]∈{- 1 ,1}。兩個源節(jié)點的擴頻波形分別為 S1(t)和 S2(t)，則目的節(jié)點D在第一階段的接收信息為：

其中 Ts為符號周期， vI( t )為加性高斯白噪聲，表示從原節(jié)點 Sk到目的節(jié)點D的復(fù)信道系數(shù)，假設(shè)在M個符號周期內(nèi)，信道系數(shù)保持不變，滿足～CN ( 0,)，為方差。若擴頻增益為N，則源節(jié)點 Sk的擴頻波形可表示為：

Ck[n]為源節(jié)點Sk對應(yīng)擴頻序列的第n個元素，取值為±1；φ( t) 為單位能量的歸一化碼片波形， Tc為碼片時間，滿足Tc= Ts/N。

類似地，中繼節(jié)點R在第一階段接收到的信號為：

1.2 第二階段——協(xié)作鏈路

中繼節(jié)點采用不同協(xié)議對協(xié)作系統(tǒng)的性能有很大影響，根據(jù)文獻[5]對不同協(xié)議的分集復(fù)用折衷性能分析可知，在高復(fù)用增益下，放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議[6]的分集增益可達到MARC模型的上限。因而，綜合考慮復(fù)雜度及系統(tǒng)性能，采用放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議。

中繼節(jié)點R對第一階段接收到的信息進行簡單的放大處理，然后轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點D，則目的節(jié)點D在第二階段的接收信息為：

其中 hRD表示從R到D的信道系數(shù)，vII( t )為加性高斯白噪聲，PR為中繼節(jié)點 R的發(fā)射功率，β是中繼放大系數(shù)。根據(jù)文獻[7]，取，其中0N表示中繼節(jié)點 R接收到的噪聲功率。

2 MARC的接收性能

目的節(jié)點D接收到兩個階段的信息以后，首先對第一階段接收的信號 yI( t )進行匹配濾波。令R為擴頻波形的相關(guān)矩陣，大小為 2行 2列，其第（i,j）個元素為：則在第m個符號周期內(nèi)的匹配濾波器輸出為：

類似地，目的節(jié)點D接收到第二階段的信息 yII( t )后，也進行匹配濾波，輸出為：

目的節(jié)點D接收到的兩路信號可以聯(lián)合表示成：

通過對接收信號進行MMSE多用戶檢測[8]：

由于擴頻波形的非正交特性，相關(guān)矩陣R不是對角陣，因而系統(tǒng)存在多用戶干擾。為了計算誤碼性能，必須分析系統(tǒng)的信干噪比(SINR)。對BPSK調(diào)制，在Rayleigh信道下的誤碼率為bP，表示成：其中γb為接收端的信噪比[8]。在MARC模型中，把SINR替代接收信噪比γb即可計算得到誤碼性能。

3 仿真結(jié)果

在Rayleigh塊衰弱信道下對MARC模型進行蒙特卡洛仿真。假設(shè)模型是對稱的，源節(jié)點到目的節(jié)點之間的距離等效為1，兩個源節(jié)點距離等效為0.5，如圖2所示。為了計算方便，設(shè)信道塊長度為1，發(fā)射信號采用QPSK調(diào)制，中繼節(jié)點采用放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議，其中PS1= PS2= PR，則對S1的誤比特率（BER）進行仿真。

圖2中d確定中繼節(jié)點R的位置，d不同會影響系統(tǒng)性能。在不同信噪比下，d對系統(tǒng)性能影響結(jié)果如圖3所示。由圖可知，中繼節(jié)點距離源節(jié)點太近或太遠，都達不到最好性能，當(dāng)d在0.4到0.5之間，BER性能較好，因而選擇d為0.4進行MARC仿真。

圖4給出了MARC模型與直接鏈路模型和普通多址信道（MAC）模型的性能比較圖。由于MARC模型占用帶寬是單鏈路無協(xié)作系統(tǒng)的兩倍，作為補償，單鏈路系統(tǒng)采用BPSK調(diào)制。由圖可知，在信噪比較小時，單鏈路的無協(xié)作系統(tǒng)與MARC模型的性能差異不大，而隨著信噪比的增加，MARC性能改善越明顯。這是由于MARC的中繼節(jié)點對信號進行放大轉(zhuǎn)發(fā)的同時，也放大了噪聲，而在噪聲較大的低信噪比時，噪聲對系統(tǒng)的影響蓋過分集增益的優(yōu)勢；而隨著信噪比的增大，MARC模型獲得的分集增益優(yōu)勢逐漸體現(xiàn)，性能差距變得越來越大。圖中也給出了MAC模型的性能，通過觀察，在誤碼率為 1 0-2時，MARC性能改善接近10 dB。可見，在MAC模型基礎(chǔ)上，加入一個專門的中繼節(jié)點，能獲得明顯的分集增益。

圖2 MARC模型的中繼位置

圖3 中繼距離對MARC系統(tǒng)性能的影響

圖4 MARC性能仿真圖

4 結(jié)語

MARC模型是一種應(yīng)用在多址信道環(huán)境下的協(xié)作模型，通過引入單個中繼節(jié)點來協(xié)助通信，發(fā)送節(jié)點本身僅作為數(shù)據(jù)源，不需要關(guān)注復(fù)雜的協(xié)作過程，比起傳統(tǒng)的協(xié)作模型，不僅實現(xiàn)簡單，實用性強，而且性能改善明顯，因而在無線多用戶環(huán)境下，MARC模型是一種可行方案。

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