战术移动adhoc网络的中继节点协作和最大比传输技术研究

⃝可在www.sciencedirect.com上在线获取ScienceDirectICTExpress 6（2020）87www.elsevier.com/locate/icte战术移动ad-hoc网络多天线中继节点协作最大比传输Chang Seok You，Jeong Seon Yeom，Bang ChulJung韩国忠南国立大学电子工程系接收日期：2020年1月7日;接收日期：2020年3月22日;接受日期：2020年4月8日在线预订2020年摘要在本文中，我们提出了一个合作的最大比传输（C-MRT）技术与多天线中继节点的战术移动自组织网络（MANDITAL）的位置和中继节点的天线数是任意的。假设每个中继节点为了知道从源节点到其自身的无线信道系数和从其自身到目的节点的无线信道，这被称为局部信道状态信息（CSI）假设。最大比合并（MRC）和MRT技术分别用于中继节点的发射和接收信号的波束成形。此外，我们从数学上分析了所提出的技术与矩生成函数（MGF）的整体中断概率。结果表明，数学分析的整体中断概率的建议C-MRT技术是匹配以及与仿真结果，特别是在高发射功率制度。它也被观察到，所提出的技术优于其他计划，如相位转向（PS）和最佳中继选择（ORS）的中断概率。c2020年韩国通信与信息科学研究所（KICS）。出版社：Elsevier B.V.这是一个开放的访问CC BY-NC-ND许可证下的文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：战术移动自组网;协作中继;多天线;中断概率;最大比传输1. 介绍近年来，由于战场上对实时战场视频或跟踪和定位信息的数据请求爆炸性地增加，战术边缘通信已经变得重要[1如图1所示，单兵或连级单位分布在战场上，任务信息和战场状态信息需要相互沟通。随着先进的无线通信技术和设备，移动ad-hoc网络（MANNETWORK）由于可靠性，灵活性，能量效率和适应性而被认为是此类军事应用的重要网络架构[4，5]。协作通信是利用多个中继节点来改善移动自组网误码性能的最有前途的技术之一。为了获得空间分集和改善误码性能∗ 通讯作者。电子邮件地址：www.example.comchangseok.you @ o.cnu.ac.kr（C.S.You），jsyeom@cnu.ac.kr（J.S.Yeom），bcjung@cnu.ac.kr（B.C.Jung）。同行评审由韩国通信和信息科学研究所（KICS）负责https://doi.org/10.1016/j.icte.2020.04.002合作中继网络[6文献[6]提出了基于门限的自适应中继选择技术.目的地计算最佳信道增益阈值并将其广播给所有中继。然后，在成功解码的中继中，朝向目的地的信道增益高于阈值的中继向目的地发送源信号。在[7]中，针对协作和选择中继方案的效果提出了下行链路蜂窝系统，其中多个中继站配备有单个天线。在文献[8]中，分析了协作中继网络中的相位控制方案，其中所有中继都配备有单个天线。然而，在中继节点配备有多个天线的情况下，则最大比组合/传输（MRC/MRT）技术可以用作中继处的接收和发送波束成形技术[9，10]。在[9]中，配备有多个接收天线的多个中继节点采用MRC波束成形用于信号。 在第一跳从源节点的最终接收，而只有一些已经成功解码来自源节点的分组的中继节点参与利用单个发射天线的第二跳传输。在第二跳，单天线目的节点也采用MRC技术来合并来自多个中继节点的2405-9595/2020韩国通信和信息科学研究所（KICS）。出版社：Elsevier B.V.这是一个开放的访问CC BY-NC-ND许可证下的文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。88C.S. 你J.S.Yeom和B. C.Jung/ICT Express 6（2020）87（）∈（）∈[客户端]||=（）∈−y=hd x+n，（1）is，isisCN刘嘉玲si年代我yi=南苏丹共和国ds−αxs+n<$ i，（2）联系我们我图1.一、战 场 环境下的战术移动自组网通信场景。通过假设多个中继节点在诸如正交频带或时隙的正交无线电资源在[10]中，针对多天线源节点和单个多天线中继节点提出了发射波束成形技术，该中继节点在源节点和单天线目的节点之间存在直接链路的情况下以半双工DF策略操作。在第二跳中，多天线中继节点采用MRT波束成形技术，因为它实现了理论上的最佳性能[11]。然而，如图1所示，在实际战场上存在多个中继。因此，我们提出了一种新的协作MRT（C-MRT）技术与多天线中继节点的战术移动自组网，其中已成功解码的数据包从源节点的中继节点同时发送信号与MRT波束成形的目的地节点在相同的无线电资源。特别地，假设中继节点 位于任意点，并具有不同的数量的天线。此外，我们从数学上分析了所提出的C-MRT技术的总体中断概率。使用MGF方法推导出封闭形式的表达式本文的其余部分组织如下。在第2节中，我们描述了我们在本文中考虑的系统模型。在第3节中，我们将详细解释所提出的C-MRT技术在第4节中，它的性能进行了分析的中断概率。模拟结果如第5节所示。最后，在第6节中得出结论。2. 系统模型我们考虑一个两跳协作中继网络，其中有多天线半双工中继节点，如图所示。2，其由单天线源节点、单天线目的地节点和具有多个中继节点的N个图二. 战术网络中多中继多天线协作系统。假设某个发射天线和某个接收天线之间的小尺度衰落信道系数为瑞利衰落，并遵循相同和独立分布（i.i.d.）零均值和单位方差的复高斯分布。因此，从源节点到第i个中继节点的无线信道向量由hs，iCKi×1表示，并且无线信道向量 从第i个中继节点到目的地节点被表示为C1×Ki .所有接收天线处的加性高斯白噪声（AWGN）遵循i.i.d.具有零均值和N0方差的复高斯分布，即， （0，N0）. 中继节点和目的地节点处的噪声CKi×1 和nd。另外，我们假设每个中继节点既知道从源节点到自身的信道状态信息（CSI），也知道从自身到目的节点的CSI，这在文献中被称为局部CSI假设。还假设准静态频率平坦衰落，这意味着无线信道系数在两跳传输时间期间是恒定的，并且对于每个两跳传输时间独立地3. 协同最大比传输在本节中，我们描述了所提出的C-MRT技术的总体过程。在第一跳，源节点将分组发送到中继节点，然后在第i个中继节点处接收的信号由下式给出：α我其中xs表示源节点的发射信号与源节点P的发射功率，即，EXS2P. 术语α表示路径损耗指数。 每个中继节点采用最优MRC技术来最大化接收信噪比。在第i个中继节点处的MRC天线 我们假设中继站hH2在第i个中继节点处的nas由Ki（i1，2，. . . ，N）。、假设第i个中继节点的位置为任意hH从而确定从源节点到目的地节点的距离Whereni年代我南苏丹共和国·ni，然后n<$i<$CN（0，N0）。节点到中继节点彼此不相同的从源节点和目的地节点到 第i个中继节点分别由Ds，i和Di，d表示每个中继节点尝试解码接收到的分组，第一跳处的源节点，并且如果接收到的SNR大于“不一样的，不一样的，不一样的。y<$i=C.S. 你J.S.Yeom和B. C.Jung/ICT Express 6（2020）8789{}{}+ Pr中断D =0.000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000|=−R{}DR]{我，dδs，iδi，d∈D∈DD|D|∑1=−，di，di，dDi∈Di，d均值Kiδs，i和方差Kiδ2的Erlang分布。因此，在本发明中，δs，ii，di∈Di，dδi，d∑∥ ∥ ∥∥-δ一定的门槛。然后，在第一跳处成功进行分组解码的中继节点的索引集合（称为解码集合D）被定义为：我= Pr{中断|D=}Pr {D=}= Pr{中断|D=}Pr {D=}+1·Pr {D=}D={i∈R|γs，i<$ds−α<$hs，i<$2 ≥ γth}，（3）其中，γth（22R1）/ρT，源节点在第一跳处的发送SNR被定义为ρTP/N0，并且R指示=D∑R\[i]/DPr{γs，i<γth}j∈D Pr {γ s，j ≥ γ th}数据速率（假设来自源的直接通信）节点到目的地节点。注意，我们假设从源节点到目的节点的通信是两跳的×Pr {γd<γth|D}+Pr γs，rr∈R<γth}。（ 七）并且每一跳所需的数据速率等于2R。集合定义为1，2，. . . ，N，因此。在第二跳，属于解码集合D的具有多个天线的每个中继节点将分组发送到目的地。对于中断概率分析，首先我们获得cumu-线性分布函数在第一跳和第二跳处的每个节点的信道增益。在此之前，为了便于记法，δs，i ：= ds−α和δi，d：= di−α和随机与建议的C-MRT技术同时进行假设i，第i个中继节点的发送向量由下式给出：d−αhH变量（RV）Z Ki<$δs，ihs，i2和RV Z Ki<$δi，dhi，d2。对于联合通信中中断概率的性能分析在多中继系统中，我们首先需要知道中继的有效信道增益的概率分布每跳都有接收器在该系统中的第一跳，由于第i个中继si=<$γd xs，（4）节点配备有Ki个天线，位于距离di处从源节点开始，其有效信道增益ZKi如下：其中γ=∑d−αh2和γ被假定为δs，i已知的所有中继节点。所有中继节点在第一跳对接收到的数据包进行解码后，通过预先分配的非下行链路向源节点反馈ACK或NACK数据包。重叠时隙。当某个中继节点向源节点反馈ACK分组时，中继节点包含美国儿童发展基金会Erlang分布的定义如下：-zK∑i−11（z）kk=0 国王！δs，i年代我ACK中从自身到目的地的无线信道增益包裹。例如，第i个中继节点包含d−αh∈D在接收器接收C-MRT信号的第二跳，来自（6）的有效信道增益被给出为ZdΣZKi。在其ACK分组中，如果，而第i个中继节点包含0在其NACK分组中，如果i/.解码中的所有中继节点集合可以通过监听所有ACK/NACK分组来以分布式方式计算γ。通常，ACK或NACK分组与数据包相比，时间非常短，并且我们假设在本文中ACK或NACK包的时间消耗与包括[12]的许多研究一样可以忽略不计。通过使用γd进行功率归一化，属于的中继节点的发射功率之和变为P，其与源节点在第一跳处的发射功率在第二时间段中在目的地节点处接收的信号我们在下面的小节中通过使用MGF方法。4.1. 广义C-MRT注意，在该系统模型的第二跳，每个中继节点具有任意数量的天线，并且位于从广义C-MRT的目的地的任意距离。根据RVZd的定义，我们需要知道c.d. f。不同的和独立的RV之和服从Erlang分布。如（8），c.d.f.的跳跃由下式给出ZKi被给定为i，dy=di−αhS+nK−1zDi∈D∑，di，d id2FZKi（z）1eδi，dzi，d我k=0国王！（一）Kδi，d.（九）=−2√i，dDFZKi（z）1eδs，i.（八））90C.S. 你J.S.Yeom和B. C.Jung/ICT Express 6（2020）87δid∞ ∑=L≈i∈D4. 中断概率分析l=0FZKi（z）δi，dk=0国王！（K我+l−k）！δi，d.（十）在本节中，分析了所L+我k=0在中断概率方面总中断概率国王！ （Ki+l-k）！1项，（10）近似为{中断}FZKi（z）δi，dω（l，Ki）.（十一）∑=i∈Ddi−αhi，dxs+ nd.（五）Zd的CDF可以从使用MGF ap导出。方法[13]。Zd的MGF可以从MGF导出然后，目的节点处的接收SNR由下式给出：关于ZKi使用泰勒级数展开到（9），它可以是C.S. 你J.S.Yeom和B. C.Jung/ICT Express 6（2020）8791、（∑−α2）92C.S. 你J.S.Yeom和B. C.Jung/ICT Express 6（2020）87表示为C.S. 你J.S.Yeom和B. C.Jung/ICT Express 6（2020）8793ρd=di，d hi，d·ρT。（六）Ki−194C.S. 你J.S.Yeom和B. C.Jung/ICT Express 6（2020）87P输出=Prl=0δi，d（−1）k+1+l+Ki（z）Ki+l设函数ω（l， K）为∑Ki−1（−1）k+1 +l+Ki . 限于在目的地节点处，由下式给出∑（z）Ki+1C.S. 你J.S.Yeom和B. C.Jung/ICT Express 6（2020）8795JM=LL（）++i∏−L（）下一页∑×th∑可以获得C.D.F.的Zd。然后，ZKi的MGFFZKi（γth）FKZ（γth）FZd（γth）ZKi（s）sδi，deFZKi（z）dzδi，dδs，rω（l，Ki）SF<$X（x）=1−FX（x）。插塞（8）∑⎨ ∏K∑i−11（γ）k⎣⎩Γ我我国王！δs，r∑！1998年，使用Zd的MGF的逆拉普拉斯变换，我们获得δi，d可以∑[{}]我的天i∈R\Dδs，ij∈Dδj，d∫∞−sz0+FZKr（γth），（19）∑（1）Ki+l[Σ∞l=0δi，d0]其中F<$X（x）是互补累积分布RVX的函数，即，和（18）到（19），=∑ω（l，Ki）l=01Ki+1Γ（Ki 第一章Ki +l。（十二）P出=阿吉假设是独立的，Z=∑的MGFZKi可以我的天i∈R\DJk=0年代我获得作为di∈Dδi，d01 -02 - 0）（L（1）K+1 （K（l1））中国大陆γthδs，j1γthk⎠MZd （s）=i∈D∑l=0ω（1，Ki）δi，diΓi++sKi+lj∈DLKk=0δs，j ⎤= ∑· · ·∑[ω（li，Ki）1Ki+liδi，d（D）（γ）l（D）Γ（π（D）+1）10- 11 -1|D|）=0i∈DγKr−1（k）（K+1+1）]+1−e−δth1γth.（二十）−L=r∈R≈e−szzKi +ldzδi，dSγthδ日由于从所有中继到目的地的所有信道都是1 −e年代我国王！δs，r×sKi+ li、（十三）⎬⎭96C.S. 你J.S.Yeom和B. C.Jung/ICT Express 6（2020）87∑[]D≤≤|D|DLLLLr∈R（D）：=i∈Dω（l，Ki）δi，di∈Di∈D其中函数（x）的输出是第x个最小的在输入x（1x）的集合中的索引当量（13）可以压缩表示为LMZd（s）=（D）s−（D），（14）l（D）哪里k=0C.S. 你J.S.Yeom和B. C.Jung/ICT Express 6（2020）8797如下目标速率被设置为1.5比特/赫兹/秒，即，R=噪声频谱密度N0设置为−174 dBm/Hz，10 log（P）−N0−10 log 107（dB）。 在模拟中，我们5. 仿真结果在本节中，我们展示了所提出的C-MRT技术的中断概率，通过前，密集的计算机模拟。此外，拟议的C-MRT技术-将nique与诸如PS方案的其他方案进行比较，ORS技术。对于ORS，目的地节点选择∑：=∑∑. . .∑，（15）98C.S. 你J.S.Yeom和B. C.Jung/ICT Express 6（2020）87联系我们+=联系我们、、链路最好与中继节点通信作为传输继电器. 只有一个具有最佳链路的中继选择性地传输[7]。C.S. 你J.S.Yeom和B. C.Jung/ICT Express 6（2020）8799r∈RΓ（Ki+1i+1），（16）（17）互动。最后，Z可以通过DZ=∑（）D+l（D）lD（1）=0lD（2）=0∏lD（|D|）=0（1）Ki+liPS方案是使每个接收到的信号来自多个中继节点通过预调整相位差[8]。模拟参数如下所示：（D）：= ∑Ki+ ∑li。（十七）100C.S. 你J.S.Yeom和B. C.Jung/ICT Express 6（2020）871 .一、5并且路径损耗指数被设置为3，即，α=3。C.S. 你J.S.Yeom和B. C.Jung/ICT Express 6（2020）87101j∈D相同的符号，例如对于（13）、（15）、（16）和（17）中的所有i102C.S. 你J.S.Yeom和B. C.Jung/ICT Express 6（2020）87（系统带宽（BW））被设置为10MHz。则ρT=C.S. 你J.S.Yeom和B. C.Jung/ICT Express 6（2020）87103DMZd/s的逆拉普拉斯变换如下104C.S. 你J.S.Yeom和B. C.Jung/ICT Express 6（2020）87LF（z）<$Dz<$（D）.（十Γ（π（）1）l（D）C.S. 你J.S.Yeom和B. C.Jung/ICT Express 6（2020）87105假设一个线性拓扑，这意味着ds，idi，d4km对于所有i1，2，. . . 、N. 与分析相关的参数L106C.S. 你J.S.Yeom和B. C.Jung/ICT Express 6（2020）87准确度为10。图3显示了该技术的总体中断概率，