为了提高增强型放大转发协同通信系统的性能，对协同中继协议进行了研究，提出了基于竞争策略和自动请求重传机制的增强型放大转发协议.该协议在3节点协同通信系统的基础上通过目的节点的反馈信息对信道进行估计，当直传不成功时，利用源节点与中继节点的竞争来确定转发方式.详细推导了该协议的中断概率闭式结果，给出了高信噪比时的中断概率近似表达，并在此基础上给出了分集复用折中和协同增益.理论分析和数值仿真结果表明，所提出的放大转发协议选择最优的转发方式，能有效改善系统的中断性能.
In order to improve the performance of incremental amplify-and-forward cooperative communication systems, a new protocol based on competition scheme and automatic repeat request was proposed, in which the channel state information was estimated by using the feedback transmitted by the destination. The forward manner was determined by the competition between the source node and relay node in case of direct transmission unsuccessfully. The closed-form expression for the outage probability of the proposed scheme was derived in detail. In high signal-to-noise ratio (SNR) regime, the approximation of outage probability was given as well. Meanwhile, based on approximation analysis in high SNR regime, the diversity-multiplexing tradeoff and cooperative diversity were obtained. Analysis and simulation show that the performance of the considered system can be improved effectively in terms of outage probability when applying the proposed strategy to select the optimal forward manner.
协作分集技术[1-2]能有效地抵抗无线信道的多径衰落.在协同通信中，放大转发(AF，amplify-and-forward)[3-4]作为最简单的协同转发协议，中继信号处理的复杂度较低，从而受到广泛的关注.而在无线网络中采用自动请求重传(ARQ，automatic repeat request)机制可以有效地增强无线系统传输的可靠性. El Gamal等在分析多输入多输出(MIMO，multiple input multiple output)系统时指出，ARQ机制本身能为系统提供ARQ分集增益[5].文献[6]详细描述了一种增强型放大转发(IAF，incremental amplify-and-forward)协议.文献[7]在IAF基础上提出了增强型选择放大转发(ISAF，incremental selection amplify-and-forward)协议.笔者给出了一种源节点与中继节点竞争的IAF协议，并将ARQ机制引入到该协议中.由于该协议在IAF协同通信方式的基础上，源节点和中继节通过竞争的策略来灵活地运用协同转发方式，可以有效改善系统的性能.同时，对该协议的中断概率性能和分集复用折中(DMT, diversity-multiplexing tradeoff)也进行了详细的理论分析和数值仿真.
1 系统模型及所提协议 1.1 系统模型考虑1个3节点的半双工无线协同通信系统，此系统中包括1个源节点S、1个中继节点R和1个目的节点D，各个节点假设都配备单根天线，并假设各信道服从相互独立的准静态Rayleigh慢衰落信道；每个节点只能通过接收数据来对信道进行评估，进而获取信道状态信息(CSI, channel state information)；系统在传输过程中受到独立同分布的加性高斯白噪声(AWGN，additive white gaussian noise)的影响.那么，节点j接收节点i发送的数据信号可以表示为
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(1) |
其中：xi为节点i发送的信号，且发送信号的平均功率P满足P=E{|xi|2}；nj表示均值为0、方差为N0的AWGN；hij为节点i到节点j的信道衰落幅度增益，满足复高斯分布hij~CN(0，
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(2) |
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(3) |
其中
所提出的基于竞争策略和ARQ的IAF协议中，对于反馈过程，整个系统的数据传输过程如图 1所示.每个数据包的传输由以下3个阶段组成.
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图 1 基于反馈的协同通信示意图 |
1) 广播传输阶段.源节点广播发送数据包.目的节点接收数据后，如果解码成功，则目的节点广播发送ACK帧，源节点与中继节点接收到该ACK帧后，中继则不需要参与协同传输，源节点传输该数据包立刻结束；如果解码失败，则目的节点在短帧间距(SIFS)后广播发送NACK帧.
2) 竞争阶段.当源节点和中继节点收到目的节点广播发来的NACK帧时，源节点与中继节点分别通过各自接收NACK帧来估计与目的节点之间的信道值，然后以估计信道值为基础，在一个特定的时间窗口内展开竞争，该时间窗口的最大长度称为中继帧间距(RIFS).两竞争节点都需要等待一段微小的时间后才能发送数据信息，这段等待时间根据各个节点到目的节点信道值的不同而不同[9].于是，在源节点和中继节点内都设定一个定时器[9]，其中源节点定时器的初始时间为
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(4) |
3) 重复转发阶段.在第2阶段竞争胜利者转发数据信息给目的节点.目的节点将收到的来自于竞争胜利者的信息和第1阶段接收到的数据进行MRC合并.若能正确解码，目的节点发送ACK信号，则本数据包的传输过程结束，进入下一数据包的传输；若仍然解码不成功，目的节点发送NACK信号，并进入ARQ重传阶段，如图 2所示.
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图 2 ARQ重传阶段示意图 |
在ARQ重传阶段，S节点或者R节点在竞争结束之后，若S节点竞争胜利，则S节点重复发送数据信息；若R节点竞争胜利，则R节点重复转发从源节点接收的信息. 2种重复发送都直到目的节点反馈ACK信号时立即结束.
2 中断概率性能与DMT分析考虑发射功率，令γSRD≈min{γSR, γRD}，由于γij服从指数分布，于是γSRD也服从参数为γ = 
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(5) |
因此，系统的最大平均互信息量可以表示为
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(6) |
其中：g=2ρ－1，ρ为频谱效率；n为ARQ轮数.
2.1 中断概率性能分析中断性能是衡量无线通信系统可靠性传输的一项重要考核指标.在此，采用瞬时SNR来定义中断概率，即接收信号的瞬时SNR低于某一预设阈值时这一事件发生的概率.
在直接传输阶段，目的节点不能正确解码源信息，中断事件的发生分为以下2种情况.
情况 1 在γSD < g、γSD > γSRD条件下，采用源节点重复发送数据信息，因此其中断概率表示为
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(7) |
情况 2 在γSD < g、γSD < γSRD条件下，采用中继节点重复转发数据信息，因此其中断概率表示为
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(8) |
对于Pout2的计算，分γ SD=n γ和γ SD≠n γ两种情况进行讨论.
① 当γ SD=n γ时，有
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(9) |
② 当γ SD≠nγ时，有
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(10) |
由式(7)~(10) 可得出整个系统的中断概率为
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(11) |
由以上分析可知，由于采用γSRD≈min{γSR, γRD}，而在实际采用AF协议中
分集度描述了系统传输可靠性，复用度表征了系统能传输的最大数据速率DMT给出了数据传输速率与可靠性之间的折中标准，其定义可见文献[10].由于x较小时满足ex≈1+x+x2，所以在高SNR时，式(11) 可以重新表示为
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(12) |
假设P/N0=η，在高SNR条件下，由文献[10]可知σ(η)=rlnη，则2σ－1≈ηr，将其代入式(12)，可得
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(13) |
其中
根据式(13)，利用DMT的定义，可得
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(14) |
其中(x)+=max{x, 0}.由式(14) 可以看出所提协议的最大分集度为2.
另由式(13) 可得系统的协同增益为
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(15) |
由式(15) 可以看出，随着重复转发次数n的增大，协同增益增大，因此系统的中断性能越好.
3 性能比较与仿真 3.1 高SNR下的性能比较当n=1时，由式(12) 得出
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(16) |
由式(16) 可以看出，与文献[7]中所提的ISAF协议在高SNR下的中断概率相同，此证明在n=1时所提的协议和ISAF协议的中断概率逼近.
当n≥2时，由式(12) 得出
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(17) |
由式(17) 可以看出，中断概率在此条件下要优于ISAF协议.但由于实际传输过程中，重复传输次数过多，会在一定程度上影响系统的传输速率，所以应尽量减小重复发送次数.
3.2 数值仿真在仿真过程中，假设任意两节点之间的信道性能服从大尺度路径损耗模型[11]，即
图 3~5分别给出了所提协议在
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图 3  |
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图 4  |
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图 5  |
从图 3~5中可以看出，在低SNR时所提协议中断概率的蒙特卡洛仿真结果逼近理论值；而在高SNR时，两者完全重合，且高SNR下近似表达式也能很好地逼近理论闭式解.与IAF和ISAF协议相比，所提协议的中断概率性能在整个SNR范围内都有很大程度的提高.由图 3~5可知，随着n的增大，所提协议的中断概率在一定程度上有所降低.
图 6给出了SNR为20 dB时中断概率性能的变化.从图中可以明显看出，中继节点越是接近S与R的中点，系统的中断性能相比其他距离时更优，且随ARQ转发次数n的增多，其中断概率越小，这也证明了理论推导的正确性.
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图 6 中断概率随dSR变化的性能曲线 |
在3节点协同通信模型的基础上，提出了一种基于竞争策略和ARQ的IAF协议，通过源节点与中继节点竞争来选择转发方式.通过推导所提协议的中断概率闭式表达，给出了在高SNR时中断概率的近似结果，还分析了DMT性能和协同增益性能.理论分析和仿真结果表明，当ARQ转发次数多于1次时，有效地改善了协同通信系统的中断概率性能；而且在高SNR时，所提协议的性能也优于IAF和ISAF协议.由于运用了ARQ机制，系统在提高可靠性和分级增益的同时，也存在一定的时延.这里只讨论了存在单个中继节点的情况，但所提协议同样适用于多个AF中继节点的情况.因此，下一步可研究存在多个中继节点时基于节点竞争和ARQ结合的协同AF协议，并讨论时延和可靠性的折中关系.
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