張 燕，岳殿武

(1.大連科技學(xué)院 電氣工程系，遼寧 大連 116052;2.大連海事大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116026)

1 引言

在頻譜資源日趨緊張的無線帶寬條件下，利用多輸入多輸出(Multiple－ Input Multiple－ Output，MIMO)的空間復(fù)用技術(shù)能有效地提高頻譜效率，但隨著移動(dòng)通信業(yè)務(wù)的不斷增長(zhǎng)，需要進(jìn)一步提高頻譜利用率，降低無線通信運(yùn)營(yíng)成本，小規(guī)模MIMO 技術(shù)已無法滿足移動(dòng)通信的需求。為此，2010 年Marzetta 提出大規(guī)模MIMO 思想［1］，通過增加基站的天線數(shù)量，有效緩解噪聲和小尺度衰落的影響，大幅度提高了系統(tǒng)容量、可靠性和能效，有望成為5G 的核心技術(shù)之一。而大規(guī)模天線在實(shí)現(xiàn)中，由于天線數(shù)目成百上千，系統(tǒng)的復(fù)雜性和射頻鏈路硬件成本已不可忽視。如何提高頻譜效率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)較高的系統(tǒng)能效?可以結(jié)合天線選擇(Selection Combing，SC)技術(shù)［2－3］和空間調(diào)制技術(shù)［4］，通過在基站處自適應(yīng)選擇部分天線進(jìn)行空間調(diào)制(Spatial Modulation，SM)，在大幅降低實(shí)際發(fā)射天線數(shù)量同時(shí)，滿足高質(zhì)量綠色通信的要求。由此，本文通過對(duì)SM 系統(tǒng)發(fā)送端的大規(guī)模天線進(jìn)行排序分組，將各組內(nèi)擁有最佳信道的發(fā)射天線選出進(jìn)行SM，以提升系統(tǒng)的可靠性能。

在過去的幾十年，MIMO 系統(tǒng)各方面性能都被深入研究過，特別是低復(fù)雜度的最大比合并(Maximal－Ratio Combining，MRC)/最大比傳輸(Maximal－Ratio Transmission，MRT)和迫零線性信號(hào)處理方案。大規(guī)模MIMO 系統(tǒng)不僅能夠顯著提高系統(tǒng)容量和覆蓋范圍，而且可以應(yīng)用MRC/MRT 和迫零方案［1，5］，系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì)也成為一個(gè)嶄新的研究領(lǐng)域［6］。目前，很多理論分析提供了線性信號(hào)處理技術(shù)的各種漸進(jìn)性能，表明大規(guī)模MIMO 系統(tǒng)不僅能提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和鏈路的可靠性，而且具有節(jié)能潛力。因此，大規(guī)模天線的功率效率變得尤為重要。

目前，中繼協(xié)作下的分布式空間分集技術(shù)已成為未來高數(shù)據(jù)速率蜂窩網(wǎng)和ad hoc 無線通信的有效解決方案。中繼分布大規(guī)模天線陣列這里簡(jiǎn)稱大規(guī)模中繼。然而，目前學(xué)者們對(duì)大規(guī)模中繼的協(xié)作系統(tǒng)只進(jìn)行了少量研究工作，特別是在可靠性和能效方面［7］。此外，多跳中繼系統(tǒng)在源－目的節(jié)點(diǎn)之間只有一個(gè)配備了大規(guī)模天線的中繼，應(yīng)該考慮進(jìn)一步發(fā)展引起的功率分配問題。本文研究?jī)?nèi)容不同于現(xiàn)有文獻(xiàn)結(jié)果，關(guān)注中繼協(xié)作三節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)(包含單個(gè)源節(jié)點(diǎn)、單個(gè)目的節(jié)點(diǎn)和單個(gè)配備大規(guī)模天線陣列的中繼節(jié)點(diǎn))模型中，在中繼獲得完美的信道狀態(tài)信息(Channel State Information，CSI)以及采用譯碼轉(zhuǎn)發(fā)(Decode－ and－Forward，DF)協(xié)議的情況下，研究了具有大規(guī)模天線的單中繼模型下并行協(xié)作網(wǎng)絡(luò)和SM 結(jié)合的系統(tǒng)方案，并通過功率優(yōu)化分配來提高系統(tǒng)誤比特率性能。

2 研究基礎(chǔ)

2.1 空間調(diào)制技術(shù)

SM 技術(shù)是最近幾年新提出的一種多天線傳輸技術(shù)，其核心思想是:在任何時(shí)刻，所有的發(fā)射天線只有一根天線被激活用來發(fā)送數(shù)據(jù)，其在天線陣中的位置信息也被當(dāng)做一種“調(diào)制”方式傳送信息，此刻，其余天線都靜默;接收端不僅要實(shí)現(xiàn)發(fā)射天線的序號(hào)估計(jì)，還要完成對(duì)發(fā)送符號(hào)的解調(diào)。

圖1 給出了4 根發(fā)射天線QPSK 調(diào)制時(shí)SM 的三維星座示意圖。以圖1 為例，若采用4 b/s·Hz－1的頻譜利用率發(fā)送信息，前2 b信息用來選擇發(fā)送天線，后2 b信息用作QPSK 調(diào)制。同理，也可采用2根發(fā)射天線或8 根發(fā)射天線，調(diào)制階數(shù)相應(yīng)調(diào)整即可。

圖1 SM 星座圖(4 發(fā)送天線QPSK 調(diào)制)Fig.1 Tridimensional constellation diagram of SM(QPSK with 4 transmit antennas)

根據(jù)SM 原理不難看出［8］:空間調(diào)制系統(tǒng)中，發(fā)射天線數(shù)目必須為2 的冪次方，以便進(jìn)行星座點(diǎn)的三維映射;接收端解調(diào)的信號(hào)取決于發(fā)射天線序號(hào)的估計(jì)和發(fā)射信號(hào)的解調(diào)，顯然天線序號(hào)估計(jì)的正確與否決定了系統(tǒng)性能的好壞，故特別適合引入大規(guī)模天線陣列;空間調(diào)制的頻譜效率只能以對(duì)數(shù)形式增長(zhǎng)。

SM 技術(shù)作為一種單一無線電頻率的單輸入多輸出技術(shù)，不僅避免了傳統(tǒng)MIMO 技術(shù)的信道間干擾、天線同步、BLAST 系統(tǒng)的錯(cuò)誤傳輸及接收天線數(shù)量限制等問題，而且相比傳統(tǒng)的單天線系統(tǒng)，獲得了更高的傳輸速率，從而提高了系統(tǒng)的頻譜利用率和能源效率［6］，為進(jìn)一步開發(fā)高效節(jié)能的無線架構(gòu)、傳輸協(xié)議、中繼合作提供了條件。

2.2 選擇合并技術(shù)

信號(hào)經(jīng)過若干條獨(dú)立信道傳輸后，接收端合并處理多個(gè)獨(dú)立衰落的信號(hào)完成信號(hào)復(fù)原，提高傳輸?shù)目煽啃?，因此合并方式?jīng)Q定了系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度和性能。本方案采用SC 方式傳輸信息，該方式輸出信噪比最高的那個(gè)支路上的信號(hào)。用ri表示第i根接收天線接收的信號(hào)，αi(αi為0 或1)表示對(duì)應(yīng)的第i 根接收天線的系數(shù)，N 表示分集支路數(shù)，則輸出信號(hào)為

若選取第i 根接收天線，相應(yīng)支路的αi取1，其他系數(shù)置0。SC 方式需要每個(gè)天線支路都安裝一個(gè)接收機(jī)，檢測(cè)各支路上的瞬時(shí)信噪比，但不需要各支路同相，可采用相干調(diào)制或差分調(diào)制。

合并信噪比的概率密度譜函數(shù)(Probability Density Function，PDF)為［9］

經(jīng)過連續(xù)分布積分運(yùn)算，得到平均差錯(cuò)概率為

MRC 方式需要從接收信號(hào)中獲得全部或部分CSI，而SC 方式只對(duì)一條分集支路感興趣，即只選擇具有最高信噪比的分集支路作為輸出，不需考慮其他的分集支路。因此，SC 方式完全不需要CSI，既不需要MRC 方式中所有分集支路的衰減因子αi，也不需要估計(jì)每條分集支路的相位和時(shí)延信息，故SC 方式不僅適用于相干和差分相干接收技術(shù)，而且適用于非相干接收技術(shù)。在接收端為了檢測(cè)每條支路的信噪比，需要為每一條分集支路配置一臺(tái)接收機(jī)，就接收機(jī)的結(jié)構(gòu)而言，上述兩種方式具有相同的系統(tǒng)復(fù)雜性;但從合并策略而言，SC 方式比MRC 方式簡(jiǎn)單。

3 系統(tǒng)模型

分集技術(shù)是克服衰落信道影響的有效技術(shù)，在目前的蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)中，上行鏈路中通常采用多天線接收分集，而對(duì)下行鏈路而言，終端用戶設(shè)備不適合安裝多根天線和與之對(duì)應(yīng)的射頻下變頻器，通常采用發(fā)射分集。采用單獨(dú)的發(fā)送和接收分集雖然能獲得較大分集增益，但增加發(fā)送和接收天線數(shù)目，不利于移動(dòng)終端便攜和費(fèi)用減少，由此提出了多中繼協(xié)作分集系統(tǒng)模型。

圖2 所示中繼協(xié)作分集模型中，包括3 類節(jié)點(diǎn):源節(jié)點(diǎn)、目的節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)。信息傳輸經(jīng)歷兩個(gè)階段:第一階段，源節(jié)點(diǎn)以廣播的形式發(fā)送信號(hào)給中繼節(jié)點(diǎn)的多個(gè)天線，中繼節(jié)點(diǎn)采用SC 方式合并接收信號(hào)并生成再生信息;第二階段，中繼節(jié)點(diǎn)的多個(gè)天線采用SM 將再生信息轉(zhuǎn)發(fā)給一個(gè)目的節(jié)點(diǎn)，目的節(jié)點(diǎn)接收信息。

圖2 多中繼協(xié)作分集系統(tǒng)模型Fig.2 Multi－relay cooperative diversity system model

考慮實(shí)際通信系統(tǒng)中，在移動(dòng)終端設(shè)備上安置多個(gè)天線難度較大，故該系統(tǒng)模型中源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)均設(shè)置1 根天線進(jìn)行信號(hào)的發(fā)送和接收，降低移動(dòng)終端設(shè)備的復(fù)雜度和功耗。圖2 中，通過提高中繼節(jié)點(diǎn)的天線數(shù)目以形成大規(guī)模天線陣列，可以增加中繼自由度，深度利用空間維度無線資源，提升頻譜利用率和功率效率，對(duì)信道估計(jì)誤差、信道時(shí)變特性也有較大改善。

4 大規(guī)模天線的協(xié)作傳輸方案

大規(guī)模MIMO 系統(tǒng)和傳統(tǒng)的MIMO 系統(tǒng)不同，其基站可容納大量天線，并能在同一頻段上為多個(gè)用戶終端提供服務(wù)。根據(jù)大數(shù)定理，隨著基站天線數(shù)目的增長(zhǎng)，基站與不同用戶的信道趨于正交［10－11］，因此，可以用簡(jiǎn)單的線性解碼來消除不同用戶間的干擾，提高頻譜效率［12］。

針對(duì)上節(jié)討論的協(xié)作分集通信系統(tǒng)性能，若在中繼端引入大規(guī)模天線，可減少系統(tǒng)的發(fā)射功率。減少下行系統(tǒng)的發(fā)射功率可使終端消耗減小，減少上行系統(tǒng)的發(fā)射功率可減少中繼的電力消耗，因?yàn)橹欣^的功率消耗主要來源于冷卻系統(tǒng)、功率放大器和相關(guān)電路［13］。

本節(jié)將圖2 模型中源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)分別設(shè)置1 根天線，中繼節(jié)點(diǎn)設(shè)置大規(guī)模天線陣列。系統(tǒng)工作原理如下:

(1)源節(jié)點(diǎn)發(fā)送調(diào)制信號(hào)，中繼節(jié)點(diǎn)采用SC方式合并接收信息后，進(jìn)行DF 譯碼，并將譯碼結(jié)果形成再生信息;

(2)所有待選的中繼天線采用天線選擇技術(shù)，選出符合SM 調(diào)制數(shù)目的若干條到接收端的最佳信道，根據(jù)再生信息進(jìn)行SM，目的節(jié)點(diǎn)估計(jì)中繼節(jié)點(diǎn)的天線序號(hào)恢復(fù)最初發(fā)射信息。

源－中繼鏈路采用SC 方式，而中繼－目的鏈路采用SM 方式。假設(shè)信道是平坦衰落的，且中繼已知源－中繼、中繼－目的鏈路的信道狀態(tài)信息。

圖2 模型中，第一階段中繼節(jié)點(diǎn)接收到的信號(hào)表示為

式中，ys，r表示一個(gè)N ×1 維向量;P1表示源節(jié)點(diǎn)發(fā)射的平均符號(hào)功率;hs，r表示源與中繼之間的信道向量，若中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)為N，則其維數(shù)為N×1，其中每個(gè)元素服從CN(0，1)的獨(dú)立同分布復(fù)高斯隨機(jī)向量;x 表示源節(jié)點(diǎn)發(fā)送方差為1 的數(shù)據(jù)符號(hào);ηs，r表示高斯加性白噪聲，是服從CN(0，N0)的復(fù)高斯隨機(jī)向量，在中繼節(jié)點(diǎn)處ηs，r的維數(shù)為N ×1，且

若中繼節(jié)點(diǎn)采用SC 方式合并信息，最后選擇第i 根接收天線，則接收信號(hào)為

解碼方法可以表示為

圖2 模型中，第二階段采用SM 進(jìn)行信號(hào)傳輸。接收端采用MRC 方式合并得到接收信號(hào)yd表示為

式中，Hr，d表示發(fā)射端－接收端的信道向量，其中每個(gè)元素是服從CN(0，1)(均值為零、方差為1 的正態(tài)分布)獨(dú)立同分布的復(fù)高斯隨機(jī)向量;hi(i=1，2，…，NT)表示第i 根發(fā)射天線的信道向量，即Hr，d的第i 列;ηr，d表示高斯加性白噪聲，是服從CN(0，N0)的復(fù)高斯隨機(jī)向量。

接收端采用MRC 檢測(cè)算法，接收端估計(jì)的此次發(fā)射天線序號(hào)為

相對(duì)傳統(tǒng)的SM 系統(tǒng)，該模型中繼節(jié)點(diǎn)－目的節(jié)點(diǎn)傳輸時(shí)，目的節(jié)點(diǎn)只設(shè)置1 根接收天線，為了提高系統(tǒng)的傳輸效率，第二階段僅通過參與SM 的中繼天線序號(hào)來傳送所需信息，這不同于傳統(tǒng)的SM，接收端只需估計(jì)發(fā)送信息的中繼天線序號(hào)，無需采用公式(9)進(jìn)行符號(hào)解調(diào)，因而簡(jiǎn)化了系統(tǒng)傳輸結(jié)構(gòu)。本方案中繼節(jié)點(diǎn)應(yīng)用天線選擇技術(shù)。中繼獲得下行鏈路的信道參數(shù)后，對(duì)該信道參數(shù)向量?jī)?nèi)部元素進(jìn)行排序后，采用信道選擇技術(shù)，選出符合本次SM 調(diào)制數(shù)量(2 的冪次方)的天線參與此次傳輸。

在此傳輸階段中，中繼天線發(fā)送信息，接收端解調(diào)信號(hào)時(shí)要求比較簡(jiǎn)單，只需估計(jì)發(fā)送信息的中繼天線位于中繼天線中的序號(hào)，所以天線序號(hào)估計(jì)的正確與否決定了該鏈路通信質(zhì)量的好壞。因此，信道參數(shù)向量?jī)?nèi)部元素排序后，為了正確解調(diào)中繼天線序號(hào)，就要保證信道選擇后每次參與傳輸?shù)逆溌凡町愖畲螅诺肋x擇可以在排序后的信道參數(shù)向量中等間隔的選取。最簡(jiǎn)單有效的排列方式是按照信道參數(shù)向量?jī)?nèi)部元素絕對(duì)值的大小進(jìn)行排序，通信質(zhì)量要求較高時(shí)，還可將信道參數(shù)矩陣元素實(shí)部虛部分開排序，形成高維信息，以提升系統(tǒng)性能。

該模型第二階段中繼每次只有1 根天線被激活發(fā)送信息，相當(dāng)于單發(fā)單收傳輸，若要進(jìn)一步提升系統(tǒng)性能，協(xié)作網(wǎng)絡(luò)的重要研究方向是將中繼選擇和功率分配結(jié)合，構(gòu)成一種復(fù)雜度較低的中繼選擇方案。若保持總發(fā)射功率為固定值2P，源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率分別為P1=P/a、P2=2P－P/a，其中a 為非負(fù)數(shù)，調(diào)節(jié)參數(shù)a，可改變系統(tǒng)功率分配。大規(guī)模中繼天線模型中，增加天線數(shù)N 不會(huì)改變?cè)垂?jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，但可提高天線選擇后鏈路的通信質(zhì)量。

源－中繼、中繼－目的模型系統(tǒng)性能取決于其中較差鏈路的性能，調(diào)節(jié)參數(shù)a 的取值，實(shí)現(xiàn)功率的合理分配，可提高系統(tǒng)傳輸性能。若中繼－目的鏈路通信質(zhì)量較差時(shí)，可改變a 值(a ＞1)，以獲得系統(tǒng)整體性能的改善;若源－中繼鏈路通信質(zhì)量較差時(shí)，相應(yīng)地可取0 ＜a ＜1。

5 仿真分析

5.1 基于大規(guī)模天線選擇的空間調(diào)制方案

本節(jié)分析圖2 所示模型中，中繼－目的鏈路采用大規(guī)模天線選擇的中繼SM 系統(tǒng)誤比特率性能。假設(shè)目的節(jié)點(diǎn)設(shè)置1 根天線，中繼節(jié)點(diǎn)設(shè)置N 根天線;中繼－ 目的鏈路均假設(shè)是服從獨(dú)立同分布的Rayleigh 衰落信道;信道噪聲是加性高斯白噪聲(AWGN)，方差為1;中繼能夠獲該下行鏈路完美的CSI［14－15］;采用4 b/s·Hz－2的頻譜利用率;在參數(shù)設(shè)置時(shí)各系統(tǒng)采用相同的符號(hào)發(fā)射功率;系統(tǒng)采用Monte－Carlo 仿真。

圖3 給出了從大規(guī)模中繼天線中選擇最佳天線進(jìn)行SM 的誤比特率曲線。假設(shè)中繼分別設(shè)置80、160、240 根中繼天線，均選取16 根擁有最佳信道的天線進(jìn)行SM 并發(fā)送信息。

圖3 隨信噪比變化的未分組天線選擇SM 方案誤比特率曲線Fig.3 Bit error probability versus SNR for SM scheme of ungrouped antenna selection

圖3 表明，隨著信噪比的增加，誤比特率不斷降低。在誤比特率為10－3時(shí)，240 根待選天線比160根待選天線時(shí)性能提升約2 dB，比80 根待選天線時(shí)提高約4 dB;在信噪比為30 dB時(shí)，3 種方案誤比特率均高于10－4?？梢钥闯觯炀€選擇的SM 方案隨著待選天線數(shù)量的增多，系統(tǒng)誤比特率得到一定改善，但系統(tǒng)總體性能還有待提升。

圖4 給出了大規(guī)模中繼天線排序分組后，組內(nèi)選擇最佳天線進(jìn)行SM 的隨中繼天線數(shù)變化的誤比特率曲線。中繼分別設(shè)置80、160、240、320、400 根天線，按照信道參數(shù)降序排列分為16 組，每組選用擁有最佳信道的天線進(jìn)行SM 并發(fā)送信息。

圖4 隨信噪比變化的排序分組天線選擇SM 方案誤比特率曲線Fig.4 Bit error probability versus SNR for SM scheme of ordered grouped antenna selection

圖4 表明，中繼天線排序分組方案中，隨著待選天線數(shù)目的增多，誤比特率性能逐漸提升，信噪比越高，大規(guī)模天線優(yōu)勢(shì)越明顯。如誤比特率為10－5時(shí)，400 根待選天線比320、240、160、80 根待選天線時(shí)性能分別提升約1 dB、2 dB、4 dB、8 dB。160 根待選天線方案在信噪比小于30 dB時(shí)誤比特率低于10－6，滿足一般通信質(zhì)量要求。與圖3 對(duì)比，誤比特率性能得到大幅改善。如160 根待選天線時(shí)，誤比特率為10－4時(shí)，性能提高約8 dB。由此得出，排序分組方案比直接選取最佳天線方案的誤比特率性能顯著提高，故后續(xù)仿真均采用中繼天線排序分組方案。

為了進(jìn)一步觀察大規(guī)模中繼天線對(duì)系統(tǒng)可靠性的影響，圖5 給出了信噪比分別為10 dB和20 dB時(shí)，隨著待選中繼天線數(shù)目變化的誤比特率變化曲線。

圖5 不同輸入信噪比時(shí)隨中繼天線數(shù)目變化的SM 方案誤比特率曲線Fig.5 Bit error probability versus the number of relay antennas for SM scheme with various input SNRs

觀察圖3～5 可得，增加中繼天線數(shù)量對(duì)圖2 模型中繼－目的鏈路性能有較大影響。尤其是信噪比為20 dB時(shí)，隨著待選中繼天線數(shù)的增多，系統(tǒng)誤比特率性能得到大幅提升。在系統(tǒng)性能和系統(tǒng)復(fù)雜度上折衷考慮，以下仿真假設(shè)中繼天線數(shù)為160 根，并采用排序分組的SM 方案。

5.2 基于大規(guī)模天線的協(xié)作傳輸方案

本節(jié)觀察圖2 所示源－中繼－目的三節(jié)點(diǎn)協(xié)作模型的誤比特率性能，因此，節(jié)源－中繼鏈路采用SC 方案，減少系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，更易于在小型終端設(shè)備上應(yīng)用。中繼－ 目的鏈路中采用排序分組的SM 方案。仿真條件同5.1 節(jié)。首先固定中繼天線數(shù)N=160 不變，考慮系統(tǒng)功率分配對(duì)系統(tǒng)誤比特率的影響。在圖2 模型中，保持系統(tǒng)總功率2P 不變，源節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率為P/a，相應(yīng)的中繼－目的鏈路天線發(fā)送功率為2P－P/a。圖6 給出了參數(shù)a 分別取1、10、0.05 時(shí)系統(tǒng)的誤比特率曲線。

圖6 不同功率分配時(shí)協(xié)作方案的誤比特率曲線Fig.6 Bit error probability of cooperation scheme for different power allocation

觀察圖6 可得，3 種功率分配方案中，在信噪比為［1，21］dB 范圍內(nèi)，a=1 即等功率分配時(shí)系統(tǒng)誤比特率性能最好;在［22，30］dB 高信噪比范圍內(nèi)，a=10 即P1P2時(shí)系統(tǒng)誤比特率性能最好，而a=0.05即P1P2時(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足通信質(zhì)量要求。因此，受源－中繼、中繼－目的中較差鏈路性能的影響，固定功率調(diào)節(jié)參數(shù)a 不能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)功率分配，也不能獲得最優(yōu)誤比特率性能，因此考慮不同信噪比對(duì)應(yīng)不同參數(shù)a 取值的情況。

為了獲得最優(yōu)參數(shù)a 的值，通過固定天線數(shù)和信噪比，可獲得a 的最優(yōu)值。圖7 給出了中繼天線數(shù)N=160 時(shí)，最優(yōu)參數(shù)a 取值時(shí)系統(tǒng)的誤比特率曲線。為了對(duì)比，仍給出a=1 和a=10 時(shí)系統(tǒng)的誤比特率曲線。

圖7 最優(yōu)功率分配時(shí)協(xié)作方案的誤比特率曲線Fig.7 Bit error probability of cooperation scheme for optimal power allocation

由圖7 可知，最優(yōu)功率分配方案的誤比特率性能較好，甚至優(yōu)于圖4 中相同中繼天線數(shù)的SM 系統(tǒng)性能。通過功率的合理分配，SC/SM 方案性能在信噪比約為25 時(shí)，可以滿足10－6一般通信質(zhì)量要求。表1 給出了圖7 中最優(yōu)功率分配方案(對(duì)應(yīng)圖中紅色* 型曲線)時(shí)對(duì)應(yīng)不同信噪比時(shí)參數(shù)a 的取值結(jié)果。

表1 最優(yōu)功率分配時(shí)協(xié)作方案參數(shù)a 的取值結(jié)果Table 1 The value of the parameter a of cooperation scheme for optimal power allocation

6 結(jié)束語

本文研究了大規(guī)模中繼天線陣列的協(xié)作通信方案。與國(guó)內(nèi)其他研究相比，本文側(cè)重分析天線選擇和功率分配對(duì)系統(tǒng)可靠性的影響。仿真結(jié)果表明，在總發(fā)送功率保持不變的情況下，具有大規(guī)模天線排序選擇的SM 方案可以顯著提高系統(tǒng)可靠性能，抑制干擾和噪聲。在大規(guī)模中繼天線陣列的協(xié)作SC/SM 方案中，通過功率自適應(yīng)優(yōu)化分配可獲得系統(tǒng)最優(yōu)誤比特率性能。若將此思想應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，還應(yīng)充分考慮更復(fù)雜的信道條件(如萊斯信道)、計(jì)費(fèi)、安全等因素。

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