基于定向天线df协同通信技术探究

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1、基于定向天线DF协同通信技术探究摘要：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：TN911734文献标识码：A文章编号：1004?373X(2013)21?0005?040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，Van在文献［1］中首次提

2、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。在同一时期Hunter也提出了一种相

3、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至今鲜有文献涉及。本文对定向协同通信技术

4、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

5、节点的角度［a,］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=PtGtGrKrv］(1)式中：［Pt］为发射功率；［Gt］为发送端的定向天线增益;［GJ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［v］是路径衰弱因子，一般取_15］［2WvW4］。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，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,］［

6、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二PIGsGdhs,dx+ns,d］(2)［ys,r=PlGsGrhs,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［NO；］［hs,d,］［hs,r］为信道系数,是服从零均方且方差为［§2s,d］和［§2s,r］的高斯分布随机变量。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(y

7、s,r)+nr,d］(4)式中：函数［q(?)1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，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［n=P2Pi,］其传输的互信息可以表不成：

8、［IDF=13minlog(1+SNRhs,r2GsGr),log(1+SNRhs,d2GsGd+入SNRhr,d2GrGd)］式中［S