论文研究-非对称MIMO信道下协作通信的研究 .pdf

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非对称MIMO信道下协作通信的研究,王涛,啜钢,利用Jensen不等式分析非对称信道下协作通信的中断概率,得到中断概率上下边界,用MATLAB仿真验证该边界的准确性。以确定的系统目标中
国科技论文在线 因为矩阵每一个元素满足均值为,方差为的独立循环复高斯分布,所以 y=∑∑|服从自由度为的卡方分布。此模型下条件中断慨幸为 其中 为不完全 函数 公式推导出的容量比真实容量大,即该中断概率结果为系统中断概率的下界,由于 平均互信息的凸状性,利用不等式,本文给出更确切的中断概率下界。 ∑∑ 公式中为信道矩阵的秩,利用上式推导的中断概率为系统中断概率的下界,因为 y=∑∑|服从自由度为的方分布,所以有 其中 系统中断概率 假设第一跳源节点和中继节点间的互信息大于口标速率时,中继节点成功解码源节点 的信息,此中继节点被选中作为候选协作节点,候选协作域形成的条件为≥ 因为服从参数为的指数分布,所以候选协作域形成的概率如下 ()=∏ 利用全概率公式,系统平均中断概率表示为 将和计算的两种条件中断概率代入上式中,即可求得系统的平均中断概率,并对 其进行仿真如图所示。 国科技论文在线 不司的中断概率下界 Monte Car o cr lower bc tighter lower bound 图协作系统不同的中断概率卜界 图为和两种条件中断概率带入公式中的仿真结果对比。其中实线为 曲线,每个点仿真次数为次,日标速率为 ,候选中继节点个数为个,接 收节点天线个数为个。虚线为本文提出的中断概率下界公式计算出的平均中断概率的 仿真曲线,点划线为中给出的中断概率下界即本文公式计算出的平均中断概率仿真曲 线。从图中可以清楚看出本文利用 不等式提出的中断概率下界相比中提出的中 断概率边界更靠近 曲线。 非对称信道下协作通信系统的中断概率 将前述对称信道下的分析方法引入非对称信道,此部分给出非对称信道下简单的中断概 率表达形式 系统模型中考虑节点之闩的距离损耗影响时,图描述的系统变为非对称协作通信系统 信道容量公式中的要考虑到离损耗的因素, 即服从 参数为ˉ的指数分布。其中为第个节点到第个节点间的距离,B为距离损耗因了, 为归一化的信道增益,服从参数为的指数分布。 条件中断概率下界 公式利用不等式得到虚拟容量的上界中断事件定义为第二跳虚拟 的信道容量小于目标速率,由公式得知,中断概率的下界为 V 求解此中断概率关键是求解v=∑∑|的分布,因为|=|·所以 国科技论文在线 y=∑∑可认为是一个加权的独立指数变量和。求指数变量和的分布,可以 使用特征函数的方法,中给出了接收节点单天线情况下该分布的闭式。但当接收节点为 多天线时,该闭式数值计算非常复杂,而且不能直观的表现出非对称信道的距离因素对中淅 概率的影响 文猷提出一种简化的算法取距离衰落的几何平均数,即令 则 y≈∑∑「,其中y= 是自由度为 的卡方分布随机变量。 利用前述卡方分布的累积分布涵数,中断概率计算如下 (<)=∑Σ|<-r 其中 条件中断概率上界 参考中断概率的上边界推导, +—∑∑ 采用的分析方法,中断概率上界结果如 <)=∑∑ 其中 系统中断概率 假设第一跳成功解码的中继构成候选协作域,因为 ,且为参 数为的指数分布,所以非对称新倒下候选协作域形成的概率如下 ()=∏[ B 首先,假设候选协作域的中继都参与协作,则利用全桃率公式,系统平均中断概率表示 为 ∑() 将公式和代入上式中,即可求得非对称信道下,协作通信系统的平均中断概率 国科技论文在线 表给出了种中继节点位置分布的情氿,以下中断概率仿真都是基」此种中继位置分 布,仿真中假设源到目的节点无直射链路,并且距离为,源节点和协作域总发射功率均为 功率在协作节点之间均匀分配。 表协作节点位置坐标 Lower Bourd Upper Buur d 图协作系统的中断概率上下界 图为系统中断概率上下边界与 曲线的对比图,其中实线为 曲线。从图中可以看出,中断概率的上下边界紧靠 曲线。 协作域发射功率 现实中常关心的情况是,满足一定的中断概率标准,分配给协作节点发送的功率,在实 际的通信系统中,过大的发射功率可能是干扰的重要来源。注意到,当中断概率上边界满足 目标中断概率要求ε时,实际系统的中断概率一定能够满足要求。使用前述中断概率上界, 可以方便的求出协作域发送的总功率。 不等式的等号成立时有 其中,为不完全 函数的反函数,其值取决于被选择中继的个数以及要求的中 断概率标准。将 代入上式,进行整理得到 (E 其中 /a,a为高斯白噪声方差,为协作域总的发射功率。 当确定了协作中继以及其路径损耗之后,可以通过上式快速得出中继节点的总功率,由 此进一步提出最小总发射功率的协作中继选择方案,描述如下: 国科技论文在线 为选定的协作中继构成的协作域,满烂∝ 为第一垗成功解码的中继构成 的候选协作域。为该候选协作域选定最优协作域时的最小发射功率。 最佳肀继组 协作中继幻刍 机会屮继,凵1 机会继,口半 机会丰继,口 机会中继,口端 机会肀继,口5 -谷--机会‖继,116 s·机会中绯,口羋7 机会继,口芈日 0.5 25 3 35 目标频谐效率R(btz 图协作域确定时,不同协作选择下中继的发送功率 在衣定义的中继分布条件下,为了比较本文提岀的最优中继选择策略与机会中继选择 方案以及候选协作节点都参与协作的性能,在扃斯白噪声方差,目标中断概夲为 条件下,假设第一跳所有中继都成功解码并构成候选协作域,对比不同协作域选择方案下的 协作域总发送功率,如图所示。从图中可以看出,采用本文提出的最优中纲选择策略相对 于另外两种中继选择方案可以明显节省协作中继的总发射功率。 在前述仿真条件下,利用公式仿真协作域所需总发射功率 ∑( 其中 为构成候选协作域的概率,为该候选协作域条件下采用某种中继选 择方案构成协作域的总发射功率。在高斯白噪声方差为、和,假设协作域最大发射 功率为条件下,仿真结果如图 国科技论文在线 1声方差3.最七协 嚎声丙荠3dB:全协饣 声万差3B:机会中芈 哔声万差6:忌世协乍 合--哔声万差6R:全协作 分唤声万差6dB:机会中 一哔声万差:忌世协乍 声万差9捐:全协作 嗓声万差9d:机云中芈 月标频普效率R 图目标中断概率下协作中继总发射功率 如图,在一定的高斯白噪声方差和目标频谱效率条件下,本文提出的最优中继选择方 案相对于全办作的中继选择方案冇明显功率增益。随着噪声差升高,目标频谱效率越来 越难以达到,协作域使用最大发射功率发送的慨率越来越高,此时,最优中缑选择方案相对 于全协作的中继选择方案功率增益逐渐减少。 结论 本文分析了多协作中继多接收天线的协作通信系统的中断概率,分别考虑了对称和非对 称两种信道状况下的中断概率性能。使用不等式,给出了非对称协作通信系统中断 慨率的较为精确的边界,仿真表眀该边界可以反映实际系统的中断概率性能。夲文给出了非 对称信道小信噪比情况下的简单的中断性能分析,直观地展示了中继节点位置对系统中断概 率的影响。成功推导岀满足一定中断概率指标时,中继节点所需发射的总功率,通过选择最 小的中继发射功率,利用公式可以筛选出最佳的中继组合。 参考文献 国科技论文在线

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