双跳无线通信系统端到端性能研究

Vijayan T
印度巴拉特大学能源与工业系助理教授，金奈- 600073

摘要

提出了采用正交空时分组码(ostbc)发射分集的双跳无线通信系统的端到端性能的误码率，其中非再生或再生中继配备了在扁平瑞利衰落信道上工作的单天线。双跳传输的端到端性能当然取决于中继的性质和复杂性。在非再生系统中，继电器只是放大和转发传入信号，而不需要对信号进行任何其他类型的操作。另一方面，再生系统使用更复杂的继电器，解码通过第一跳接收到的信号，并在适当编码后重新发送到第二跳。更具体地说，我们为双跳OSTBC传输的端到端信噪比提供了概率密度函数(PDF)和矩产生函数(MGF)，然后分别给出了M-ary QAM和PSK调制下的误码率性能。数值研究表明，本文提供的分析误码率与各种多天线传输场景下的仿真结果吻合较好。结果还显示了在源端和目标端配备的天线数量如何影响端到端性能

介绍

双跳传输的端到端性能当然取决于中继的性质和复杂性。用于分类继电器的两个主要类别是，即非再生系统和再生系统。在非再生系统中，继电器只是放大和转发传入信号，而不需要对信号进行任何其他类型的操作。另一方面，再生系统使用更复杂的继电器，解码通过第一跳接收到的信号，并在适当编码后重新发送到第二跳。

多发射天线实现发射分集是解决无线链路衰落问题的重要手段之一。如果在双跳传输的任何部分使用，它自然会影响端到端性能。然而，现有的双跳传输性能研究主要集中在单天线传输上，对多天线传输性能研究较少。

在这个项目中，我们考虑了具有多天线和单天线中继的源端和目的端，研究了双跳传输的端到端性能，特别是由ostbc实现的发射分集。我们研究了非再生系统和再生系统，并重点研究了误码率(BER)的性能。更具体地说，我们推导了双跳OSTBC传输端到端信噪比(SNR)的概率密度函数(PDFs)和矩产生函数(mgf)的精确表达式，然后分别给出了使用M-ary QAM和M-ary PSK调制时的误码率性能。我们假设两个跳经历独立的，不一定是相同分布的瑞利衰落，但每个跳中的多个通道是相互独立和相同的。我们还研究了配备源端和目的地的天线数量对端到端误码率性能的影响。

双跳ostbc系统和信道模型

我们考虑双跳无线通信系统，其中源端带有发射(Tx)天线，目的端带有接收(Rx)天线，通过单天线中继进行通信。(下面，上标S、R和D分别表示源、中继和目的地。)假设中继和目的地具有用于放大或解码各自接收到的信号的完美信道信息。我们还假设源和目的地之间的通信不可用。

为了实现空间分集，我们假设有多个Tx天线的源使用包含K个复符号x1, x2，···，xK的ostbc进行传输。特别地，我们考虑了两个、三个和四个Tx天线的最高码率的传输矩阵。带有nS t个Tx天线的OSTBC用Gn S t表示，其中列数为块长，行数为Tx天线数。在传输块期间，信道假定为恒定。

第一跳(即中继接收)的1×nSt信道向量和第二跳(即目的地接收)的nD r×1信道向量分别记为hR = {hri}1×nStand hD = {hD i}nD r×1，其中hR i和hD i分别表示第i个天线Tx和Rx在第一跳和第二跳的复信道系数，且假设为独立同分布。复高斯随机变量(RV)，每维均值为零，方差分别为β1/2和β2/2。

A.非再生OSTBC传输的信噪比

在本文所考虑的非再生系统中，中继只是将接收到的信号放大并重新传输到第二跳。当ostbc在源处使用时，在中继处接收到的信号由

b .再生OSTBC传输的信噪比

在再生式双跳OSTBC传输中，中继用平方方法解码接收到的信号并传输到第二跳。目的地从中继接收到的信号表示为YD = hD g+ED，

端到端误码率分析

A.非再生系统中的误码率分析

图1。β1 = β2 = 1时非再生和再生双跳ostbc系统的平均BERs。

得到(12)中的MGF。用同样的方法，可以得到N = 3和N = 4时γNS (ρ)的PDFs和MGFs，并给出了它们的数值结果。利用MGF和PDF，得到M-ary QAM和M-ary PSK的误码率。

B.再生系统中的误码率分析

在再生系统中，在目的地接收到的信号经历了级联解码的两种状态，M -ary QAM和M-ary PSK星座的端到端BERs分别由PU RS(ρ) = PU RS1(ρ) + PU RS2(ρ)−2PU RS1(ρ)PU RS2(ρ)给出，其中U€{M−QAM,M−PSK}，下标RS表示再生系统，RS1和RS2分别表示传输中的第一和第二跳。PU RS1(ρ)和PU RS2(ρ)表示各自星座和跃点的BERs。M-ary QAM和PSK在每一跳的BERs由第二节中的γRS1(ρ)和γRS2(ρ)方程得到。B，已在第三节中为瑞利MIMO信道导出。

数值结果

对非再生系统和再生系统的双跳BERs进行了数值计算，并与仿真结果进行了比较。绘制了QPSK和16元QAM的误码率曲线。在图1中，当β1 = β2 = 1时，给出了N = 2和4时带有ostbc的非再生和再生双跳MIMO传输的BERs。图1显示了分析结果与模拟结果的精确匹配。从图中还可以看出，随着N的增加，误码率性能有所提高。通过比较非再生系统和再生系统，可以清楚地看到信号再生以增加继电器复杂性为代价提高了误码率性能。但是，应该注意。

图2所示。对于非再生OSTBC系统，具有不同放大增益α* l和α的双跳BERs的比较。

图3所示。研究了第一跳和第二跳平均接收信噪比对非再生和再生双跳OSTBC系统误码率性能的影响，表明当发射信噪比特别低时，非再生系统具有更好的误码率。

图2分别为β1 = β2 = 1和β1 = 2、β2 = 1(β1 _= β2)时，具有不同放大增益α* l和α的非再生系统中双跳BERs的模拟结果。从图中可以清楚地看出，即使在较低的发射信噪比下，放大增益α的误码率也是放大增益α* l的误码率的极紧下界。对于非再生SISO系统，也得到了类似的结果。

设γ−1 = ρβ1和γ−2 = ρβ2分别表示第一跳和第二跳的平均接收信噪比。图3显示了第一跳和第二跳平均接收信噪比对非再生和再生双跳OSTBC系统误码率性能的影响。在图3中，可以观察到，随着平均接收信噪比之差的增大(即中间继电器离最优性能较远)，误码率性能与最优性能相比进一步下降

图4所示。ρ = 12 dB， β1 = 1时，平均信道增益比β2/β1对QPSK非再生和再生系统误码率的影响

源和目标之间的中间位置)。对于所有情况，不可再生系统和再生系统之间的误码率差异随着第一跳平均接收信噪比的降低而变小(即，当中继接近目的地时)。对于N = 4，当第一跳的平均接收信噪比较大时(即当继电器接近源时)，非再生系统比再生系统性能更好。利用平均接收信噪比的误码率结果，可以将最佳发射功率分配给源和中继。图4显示了第二跳与第一跳的平均信道增益之比β2/β1对QPSK非再生和再生系统误码率性能的影响。我们假设ρ = 12 dB， β1 = 1。如图3所示，当N = 2时，不可再生系统和可再生系统之间的误码率差距在图的两端变小，但只有当N = 3和4时，误码率差距较大。β2/β1 =−5 dB和−3 dB之间的差距最大。当N = 3和4时，在较低的比例下，非再生系统比再生系统具有更好的误码率性能，其中第二跳的平均信道增益远小于第一跳的平均信道增益。原因是，在再生系统中，与γRS2(ρ)方程中的天线数N无关，第二跳的码率为1，在低比时，端到端性能由第二跳主导。

结论

该项目研究了采用ostbc发射分集的双跳无线通信系统的端到端性能，其中非再生或再生中继配备了单个天线。我们推导了双跳信噪比的PDF和MGF。然后我们可以得到BERs。数值计算结果表明，文中给出的误码率分析与各种多天线或中继场景下的仿真结果吻合较好。

参考文献

In-Ho Lee, IEEE学生成员，和Dongwoo Kim, IEEE成员，“Rayleigh衰落信道上双跳OSTBC传输的端到端误码率分析”，IEEE通讯学报，vol.56,No. 1。2008年3月3日。
M. O.哈斯纳和M. s。Alouini，“具有固定增益继电器的双跳传输的性能研究”，IEEE Trans。无线第3卷，no。第6页，1963-1968,2004年11月。
M. O.哈斯纳和M. s。Alouini，“瑞利衰落信道中继传输的最佳功率分配”，IEEE Trans。无线Commun。，第3卷，no。第6页，1999-2004,2004年11月。
M. O.哈斯纳和M. s。Alouini，“Rayleigh-faing信道上中继传输系统的端到端性能”，IEEE Trans。无线Commun。，第2卷，no。6，第1126-1131页，2003年11月。
V. Tarokh, H. Jafarkhani，和A. R. Calderbank，“正交设计中的时空分组码”，IEEE Trans。通知。《理论》第45卷，第1456- 1467页，1999年7月。
李X.，罗T.，岳G.，和C. Yin，“一种简化正交空时分组码解码的平方方法，”IEEE Trans。Commun。，vol. 49, no. 10, pp. 1700-1703, Oct. 2001.
I.-M。Kim，“空间相关MIMO通道中ostbc的精确误码率分析”，IEEE Trans。Commun。，vol. 54, pp. 1365-1373, Aug. 2006.