基于定向天线的df协同通信技术研究

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1、基于定向天线的DF协同通信技术研究　　摘要：对基于定向天线的DF协同通信系统进行了研究。提出了几种不同DDF协同通信方式，通过对这些通信方式的分析，推导出了它们的中断概率表达式，并仿真对比了各种方式中断概率的异同。结果表明，反馈及选择DDF系统可以获得满分分级增益，在频谱效率不高的情况下反馈DDF系统能获得最优的中断性能。　　关键词：定向天线；DF协同通信；中断概率；信噪比　　中图分类号：TN911?34文献标识码：A文章编号：1004?373X（2013）21?0005?04　　0引言　　关于信号中继转发的最初原型要追溯到20世纪70年代

2、，Van在文献[1]中首次提出了三终端信道并推导了该信道容量的上下界，Cover在文献[2]中对Van的工作进行了拓展，从信息论的角度证明了离散无记忆加性高斯白噪声（AWGN）中继信道容量大于直传信道容量。然而将协同通信视作一种分集技术而被明确提出是在21世纪初[3?4]，文献[3]中，Laneman等首次提出了一种两阶段协同传输的概念，并给出了目前最常用的两种中继方式即放大转发（AmplifyandForward，AF）和解码转发（DecodeandForward，DF），该文还给出了几种增强型的中继方式，例如自适应中继和增强性中继等。在

3、同一时期Hunter也提出了一种相似协同分集协议[4]，在该模型中中继不仅能转发源节点信息也可以发送自己的信息。此后，协同通信技术得到了学术界的关注，很多研究成果也被陆续发表[5?10]，然而所有的这些研究都是基于全向天线，定向天线因其能把能量更集中的发送到需要通信的方向上，从而可以减少对非通信方向上的信号干扰，增加信道的空间复用率，提高信道容量，因此具有广泛的应用前景，也有很多学者对相关的内容进行了大量的研究[11?13]，文献[14]提出了完整的使用定向天线的通信系统。尽管关于定向天线和协同通信的研究非常丰富，但是将两项技术结合起来研究

4、至今鲜有文献涉及。　　本文对定向协同通信技术进行探索性研究，主要考虑单个中继条件下的定向DF（DirectionalDecodeandForward，DDF）协同通信系统，并假定通信方式是TDMA形式。首先给出了DDF协同通信系统的具体模型及其通信过程；然后详细推导各种DDF系统的闭式中断概率及近似中断概率；最后通过仿真对比分析了DDF协同通信系统中断性能。　　1DDF协同通信系统模型　　整个通信方式分两个阶段：源节点分别给中继、目的节点发送信息；中继将接收到的信号进行译码，然后重新发送给目的节点。　　与传统的协同通信不同的是，由于波束成型

5、后信号能量只能覆盖一定的空间角度，假设从源节点到中继节点及目的节点的角度[α，]大于波束成型角度，那么源节点就需要用2个时隙分别给中继和目的节点发送消息，即多消耗了1个通信时隙，如图1所示。本文的结论均在这种情形下获得。　　定向天线模型：　　[Pr=PtGtGrKrν]（1）　　式中：[Pt]为发射功率；[Gt]为发送端的定向天线增益；[Gr]为接收端定向天线接收增益；[K]为一个关于大气吸收，欧姆损耗等的常数，而[ν]是路径衰弱因子，一般取[15][2≤ν≤4]。其与全向天线相比，仅仅是分子部分多了两个定向增益的乘积。本文研究的是对称信道

6、，即不考虑大尺度衰弱，仅将信道建模成瑞利平坦衰落信道。分别用[Gs，][Gr，][Gd]表示源节点，中继节点和目的节点的定向天线增益。设接收到的信号为[ys，d，][ys，r]分别表示中继节点和目的节点从源节点接收到的信号，则其可以表示成：　　[ys，d=P1GsGdhs，dx+ns，d]（2）　　[ys，r=P1GsGrhs，rx+ns，r]（3）　　式中：[x]为发送的信号符号；[ns，d，][ns，r]为加性高斯白噪声，方差为[N0；][hs，d，][hs，r]为信道系数，是服从零均方且方差为[δ2s，d]和[δ2s，r]的高斯分布随

7、机变量。　　中继将处理后的源信号转发给目的节点，目的节点收到的信号为：　　[yr，d=hr，dGsGdq（ys，r）+nr，d]（4）　　式中：函数[q（?）]表示中继对所接收到的信号的处理方式。解码转发主要包括固定解码转发和自适应解码转发，主要区别为是否包含一个检测机制，即是否根据中继解码错误与否决定转发与否。　　2DDF协同通信协议　　2.1固定DDF协同通信方式　　所谓固定即中继节点按确定的方式转发所接收到的信号，不存在反馈或者其他自适应的处理。采用定向固定解码转发方式时，不管中继解码正确与否，信号都将被转发给目的节点。当译码错误时，

8、转发信号就变得没有意义。因此该方式系统的性能被源到中继和源到目的中最差的路径所限制，设[λ=P2P1，]其传输的互信息可以表示成：　　[IDF=13minlog（1+SNRhs，