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无线中继网络的误码性能分析

摘要：协作技术通过使用中继来帮助信源转发信息，在接收端通过合并接收信号能够获得发送分集，从而有效的抗多径衰落。本文中考虑的无线通信系统包含三种类型的节点，一个信源节点、N个中继节点和一个目的节点，由于受到尺寸的限制，所有的节点都只配备单根天线。在平坦锐利衰落信道下，推导了放大转发(Amplifyandforward)和解码转发(Decodeandforward)两种常用的中继转发策略的误码率，根据指数分布的性质，我们进一步推导出了误码率的上届和下届值一种闭式解。从仿真图可以看出，我们的理论分析值和仿真结果能够很好的吻合，我们的结果对于无线协同中继系统的设计和研究具有很高的价值。

关键词：无线中继网络中继放大转发(AF)；解码转发(DF)；指数分布

1．引言

未来无线通信的发展要求实现广域连续覆盖，支持更高速率传输。中继技术作为一种新兴的技术，引起了越来越广泛的注意，被视为B3G/4G的关键技术。中继技术由于能增加系统容量和覆盖，这为中继技术的应用开辟了广阔的前景，同时也对无线通信技术提出了新的挑战。

MIMO技术可以提高频谱利用率和链路的可靠性，将MIMO技术应用于中继网络中，已经引起了广泛的关注[1]，分集技术可以有效的克服多径传播对信号造成的衰落，可以在多根天线上同时发送相同的信号，在接收端通过合并可以实现发送分集，从而对抗多径衰落。移动终端由于受到尺寸的限制，配备多根天线往往比较困难，因此用户协同收到了业界的关注，每个单天线的移动用户都有一个或多个合作伙伴（Partner），它除了要传输自己的信息之外，还要负责传输其合作伙伴的信息[2]，[3]。这样，相当于相互协作的移动终端共享了彼此的天线，构造了一个“虚拟”的MIMO，虚拟MIMO因此得名。在虚拟MIMO系统中，每个终端在传输信息的过程中既利用了自己又利用了其它终端的空间信道，从而获取了一定的空间分集增益，实现了单天线移动终端的空域分集。在平衰落环境下，虚拟MIMO可以扩大系统容量，提高网络服务质量，改善系统性能。

[4]最早提出了使用协同实现反送分集来对抗信道的多径衰落，并分析了两个用户相互协同时，放大转发、解码转发和发送分集在高信噪比下的中断概率。[5]中分析了单中继的系统中，解码转发和放大转发的性能，并通过仿真得出在平坦高斯衰落信道下，放大转发能够获得和解码转发相当的误码性能，但其具有较低的复杂度。[6]中分析了多中继无线通信系统中，中继站采用放大转发的协议时的误码性能，并通过理论推导得出了一个较好的上下界。[7]中分析了多中继无线通信系统中，中继站采用解码转发协议时的误码性能，通过理论推导获得了PSK调制方式和QAM调制方式的误符率的精确解。但遗憾的是上述研究中都没有获得误码率上下界的闭式解。

文章余下的部分进行了如下安排，第二部分阐述了文章中所采用的系统模型；第三部分分析了放大转发协议在BPSK调制方式下的误码性能；第四部分分析了解码转发协议在BPSK调制方式下的误码性能；第五部分是仿真文章的结论。

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2．系统模型

文章中考虑的无线通信的系统模型如图1所示，网络中有一个源节点，N个中继节点和一个目的节点，所有的节点都只配备有单天线。其中，?s,d表示直传链路的信道衰落系数，?s,i（i=1，?,N）表示第一跳链路的信道衰落系数，?i,d（i=1，?,N）表示第二跳链路的信道衰落系数，所有的信道都是单径平坦瑞利衰落信道，且所有的信道衰落系数之间相互独立。用α0=|?s,d|2，αs,i=|?s,i|2和αi,d=|?i,d|2（i=1，?,N）分别表示直传链路，第一跳链路和第二跳链路的信道增益，它们都是服从均值为1的指数分布，且相互独立的随即变量。我们假设目的节点能够信道估计能够精确的获得所有的信道状态信息。

一次信号的发送过程分为两个时隙完成，第一个时隙源节点广播信息，假设所有的中继节点和目的节点都能监听到该消息；第二个时隙由中继节点向目的节点转发第一个时隙中收到的消息，AF方式下直接将信号放大转发，DF方式下先解码，如果解码正确，则重新编码转发，否则中继不再转发。

直传链路的信道模型为：

ys,d=?s,dx+ns,d

(1)

第一跳链路的信道模型为：

ys,r=?s,ix+ns,i

(2)

第二跳链路的信道模型为：

yr,d=?i,dxr+ni,d

(3)

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