存在共道干扰时多用户协作网络的中断概率.pdf
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1、第41卷 第4期2023年7月应用科学学报JOURNAL OF APPLIED SCIENCESElectronics and Information EngineeringVol.41 No.4Jul.2023DOI:10.3969/j.issn.0255-8297.2023.04.008存在共道干扰时多用户协作网络的中断概率黄海燕,师玉洁,张学军,王春丽,李新颖兰州交通大学 电子与信息工程学院,甘肃 兰州 730070摘摘摘要要要:针对共道干扰的多源多中继无线协作网络,提出一种基于信号干扰噪声比(signalto interference plus noise ratio,SINR)的最佳
2、“源-中继”选择方案,联合优化协作分集和多用户分集。根据多个源节点与目的节点之间的接收信号,选择具有最大 SINR 的源节点广播信号至多个中继节点,中继节点采用选择协作解码转发协议通过最佳中继节点将解码后的源节点信号转发至目的节点,目的节点采用最大比合并对协作传输中两跳接收到的信号进行合并。考虑多个共道干扰引起的 SINR 之间的相关性,推导出在瑞利衰落环境下系统中断概率精确的表达式。实验结果表明,存在共道干扰时多源多中继协作无线网络可以获得分集增益,且增加源节点和中继节点的数目可以弥补由于共道干扰造成的损失,降低中断概率,提高系统性能。关键词:多源多中继;共道干扰;解码转发;中断概率中图分类
3、号:TN925文章编号:0255-8297(2023)04-0636-10Outage Probability of Multiuser Cooperative WirelessNetworks with Cochannel InterferersHUANG Haiyan,SHI Yujie,ZHANG Xuejun,WANG Chunli,LI XinyingCollege of Electronic and Information Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,Gansu,ChinaAbstract:By jo
4、intly optimizing cooperative diversity and multiuser diversity,an optimal“source-relay”selection scheme is proposed for multi-source and multi-relay wireless coop-erative networks with cochannel interference.The source node with the largest SINR isselected to broadcast signals to multiple relay node
5、s based on the signals received betweenmultiple source nodes and destination nodes.The relay node then forwards the decodedsource node signals to the destination node using the selective cooperative decoding andforwarding protocol,and the destination node combines the signals received by the twohops
6、 in the cooperative transmission using the maximum ratio combining(MRC).An ex-act expression for outage probability in Rayleigh fading environments is derived,takinginto account the correlation between SINR caused by multiple cochannel interferences.Ex-perimental results demonstrate that increasing
7、the number of source and relay nodes can收稿日期:2021-04-20基金项目:国家自然科学基金(No.61901201);甘肃省青年科技基金计划(No.20JR5RA387);兰州交通大学“天佑青年托举人才计划”;甘肃省科技计划(No.20JR5RA397,No.20JR10RA273)资助通信作者:黄海燕,副教授,研究方向为协作中继传输、无线携能通信、非正交多址接入。E-mail:第4期黄海燕,等:存在共道干扰时多用户协作网络的中断概率637mitigate the effects of cochannel interference,reducing
8、 the outage probability and improv-ing overall system performance while achieving diversity gain.Keywords:multi-source multi-relay,cochannel interference,decode and forward,outageprobability随着无线通信技术的发展,协作中继传输已广泛应用于通信网络。在协作传输网络中,源节点借助中继节点与目的节点进行信息传输,在不需要配备多根天线的条件下,利用获得的空间分集增益抵抗无线通信信道衰落,提高系统吞吐量1-2。在所有
9、协作方案中,放大转发(amplify and forward,AF)和解码转发(decode and forward,DF)由于性能优越、实现复杂度低,常被应用于最佳中继选择策略中3-4。利用多用户分集也可以提高系统性能,但通常情况下为使系统资源能有效利用,在多用户系统中,特定的时间内只允许一个用户进行信息传输5-8。近年来,将多用户分集和协作分集结合起来应用于多用户协作传输网络中引起了人们的关注。具体来说,是由一个或多个中继构成多用户协作无线传输网络模型,并进行性能分析9-10。考虑一个实际场景:所有信息源共享相同的中继节点,并使用多用户分集和协作分集的方案,此方案需要所有的信道信息来选择最
10、佳“源-中继”节点11-13。文献 11 研究了多中继多用户网络的安全性能,提出了通过最大信噪比选择最佳中继和最佳目的节点的方案。文献 12 针对多源多中继协作传输网络提出了联合“源-中继”选择方案,并证明该方案可以提高系统中断性能。文献 13 提出了多源多中继网络的“源-中继”选择方案,并推导了精确中断概率和渐近中断概率。在相同场景下,研究人员提出并分析了一种有效的最佳“源-中继”选择方案14和在时间资源分配框架下,基于低复杂度中继协议的用户选择方案15。现有工作只研究了多源多中继协作无线网络,没有考虑共道干扰问题,而在实际应用中,由于密集的频率复用,共道干扰可能存在于网络的每个环节。为了贴
11、近实际情况,研究人员将共道干扰问题加入传统协作网络研究内容中16-17,但目前对存在共道干扰时多源多中继协作传输网络的研究较少。鉴于此,本文对存在共道干扰的多源多中继网络的最佳“源-中继”选择进行了研究。1系统模型本文讨论一个存在共道干扰的多源多中继协作无线网络,如图 1 所示,假设系统包括 M个源节点 sm(1 6 m 6 M),N 个中继节点 rn(1 6 n 6 N),1 个目的节点 d,中继节点存在 K个共道干扰,目的节点存在 L 个共道干扰。假设所有源节点 sm和所有中继节点 rn的发射功率均为 P,干扰节点的发射功率均为 PI,接收机的背景噪声是均值为 0、方差为 N0高斯白噪声,
12、任意两个节点间的信道为独立的瑞利衰落信道,hij表示任意两个节点 i 和 j 之间的瞬时信道系数,gij=|hij|2为任意节点 i 和节点 j 间的信道增益,gij服从均值为 2ij的指数分布。为方便讨论,假设2smrn=2sr,2rnd=2rd,2krn=2r,2ld=2d,1 6 k 6 K,1 6 l 6 L。网络中所有节点都配以单根全向天线,采用时分多址技术且工作在半双工模式3,因此协作中继网络中信息传输可分为两个时隙。如图 1 中实线所示,在第一时隙,所选的最佳源节点 sb向最佳中继节点 rn和目的节点 d 发送信号。最佳中继节点 rn收到的信号为ysbrb=Phsbrbxs+KX
13、k=1pPIhkrbxk+nsbrb(1)式中:xs为最佳源节点发送的信号;xk为第 k 个干扰节点在第一时隙中的干扰信号;nsbrb为638应用科学学报第41卷s1r1r2ds2sMrN1KLK111K?图 1 存在共道干扰的多源多中继协作无线网络Figure 1 Multiuser cooperative wireless networks with cochannel interferers协作传输的第一时隙在最佳中继节点的背景噪声。根据式(1),最佳中继节点 rb处的 SINR 为sbrb=PgsbrbKPk=1PIgkrb+N0=gsbrbZb+1(2)式中:=PN0;Zb=KPk=
14、1Igkrb;I=PIN0。目的节点收到的信号为ysbd=Phsbdxs+LXl=1pPIhldx(1)l+nsbd(3)式中:x(1)l表示第 l 个干扰节点在第一时隙中的干扰信号;nsbd表示协作传输的第一时隙目的节点处的背景噪声。根据式(3),目的节点 d 处的 SINR 为sbd=PgsbdKPk=1PIgld+N0=gsbdY+1(4)式中:Y=KPk=1Igld。在第二时隙,如图 1 中虚线所示,最佳中继节点 rb向目的节点 d 转发所收到的源节点信号,此时目的节点 d 收到的信号为yrbd=Phrbdxs+LXl=1pPIhldx(2)l+nrbd(5)式中:x(2)l为第 l
15、个干扰节点在第二时隙中的干扰信号;nrbd为协作传输的第二时隙目的节点 d 处的背景噪声。根据式(5),目的节点处 SINR 为rbd=PgrbdLPl=1PIgld+N0=grbdY+1(6)第4期黄海燕,等:存在共道干扰时多用户协作网络的中断概率639最后目的节点 d 采用最大比合并(maximal ratio combining,MRC)技术合并第一时隙收到的信号 ysbd和第二时隙收到的信号 yrbd。本文在中继节点和目的节点都存在共道干扰的情况下,提出一种联合协作分集和多用户分集的最佳“源-中继”选择方法。首先,在式(4)中得到直接链路 SINR,选择最大 SINR 的源节点为最佳源
16、节点sb=argmax16m6M(smd)(7)由于不同的源节点有相同的干扰和噪声,因此式(7)可简化为sb=argmax16m6M(gsmd)(8)其中解码后的信号通过冗余校验成功,则该中继被认为能够正确解码转发源节点信号,满足条件的中继节点组成集合 D。如果集合 D 为空,表示所有中继节点不能正确解码源节点信号,传输网络只有一个时隙,目的节点只收到源节点发送的信号;如果集合 D 不为空,则 D中的所有中继节点 ri(i D)都能够正确解码转发源节点信号。由选择协作解码转发的传输策略3,选择最佳中继节点 rbrbd=maxiDrid=Y+1maxiDgrid(9)2中断概率分析中断概率是网络
17、中端到端的 SINR 小于门限值的概率,是无线通信网络最重要的性能指标之一。本节研究存在共道干扰时多源多中继协作无线网络中,基于 SINR 的最佳“源-中继”选择方案的中断性能。目的节点采用 MRC 技术将两个时隙收到的信号合并起来18,则网络端到端的 SINR 可以表示为MRC=sbd+rbd(10)根据全概率公式,可得系统中断概率为Pout=MXm=1Pr(D=)P1+NXn=1XDRPr(|D|=n)P2(11)其中P1=Pr(sbdmax16m6M,b6=m(smd),sbdmax16m6M,b6=m(smd),MRC th)Yrj/D,i6=jPr(sbrj th)Yrj/D,i6=
18、jPr(PsmgsbrjZj+N0 th)表示中继节点 ri可以正确解码源节点信号的概率,由下式计算出Pr(PsmgsbriZi+N0 th)=Z0exp(th(z+N0)Psb2sr)fZ(z)dz=exp(thN0Psb2sr)(Pum2ur)L(Pul2urth+Pum2ur)L(13)式中:Z 为目的节点 d 处的共道干扰,其概率密度函数为fZ(z)=zL1(L)(Pul2ur)Mexp(zPul2ur)(14)将式(13)(14)代入式(12),可得 Pr(|D|=n)的表达式为Pr(|D|=n)=(exp(thN0Psb2sr)(Pum2ur)L(Pul2urth+Pum2ur)L
19、)N(1 exp(thN0Psb2sr)(Pum2ur)L(Pul2urth+Pum2ur)L)N(15)同理可推导出 Pr(D=)的表达式为Pr(D=)=YrjRPr(sbrj th)=YrjRZ0exp(th(z+N0)Psb2sr)zM1(M)(Pum2ur)Mexp(zPum2ur)dz=1 exp(thN0Psb2sr)(Psb2sr)M(Psb2sr+thPum2ur)MN(16)在式(11)中,由于存在共同项 gsmd,解码集合 D 不为空时的中断概率 P2用条件概率计算,在 gsmd=x 的条件下P2=Z0Pr(PsmxY+N0+maxriD(Prngrnd)Y+N0 th|x
20、)Pr(max16m6M,b6=n(gsmd)x|x)fgsbd(x)dx(17)其中Pr(max16m6M,b6=m(gsmd)x|x)=M1Xm=1CmM1(1)mexp(mx2smd)(18)Pr(PsmxY+N0+maxriD(Prngrnd)Y+N0 th)=I1,0 x thN0Psm(19)计算得I1=NXnCNn(1)nexp(nPsnxPrn2rnd)Z0exp(n(y+N0)thPrn2rnd)fY(y)dy=NXnCNn(1)nexp(nPsnxPrk2rkd)exp(nN0thPrk2rkd)(1+nsPum2udPrk2rkd)K(20)第4期黄海燕,等:存在共道干扰
21、时多用户协作网络的中断概率641I2=NXn=0CNn(1)nexp(nPsnxPrn2rkd)ZPsnxthN0exp(nth(y+N0)Prk2rkd)fY(y)dy=NXn=0CNn(1)n(M)exp(nPsnxPrn2rkd)exp(k1thN0Prk2rkd)(1+nthPum2umdPrk2rkd)K(K,(nthPrk2rkd+1Pum2umd)(Psnxth N0)(21)其中(n,x)函数无法由积分直接得出,由(n,x)=(n 1)!exn1Pm=0 xmm!19可以计算出(K,(nthPrk2rkd+1Pum2umd)(Psnxth N0)=(K)exp(PsnnxPrk
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