无线物联网中的QPSK调制性能分析

⃝可在www.sciencedirect.com上在线获取ScienceDirectICTExpress 8（2022）419www.elsevier.com/locate/icte无线物联网中QPSK调制的物理层网络编码性能分析Jeong Seon Yeoma，KabSeok Kob，Hu Jinc，Bang Chul Junga，a韩国忠南国立大学电子工程系b韩国江原道国立大学电子工程系c韩国安山汉阳大学电气工程系接收于2021年7月11日;接受于2021年在线预订2021年11月6日摘要在中继节点有多根天线的假设下，对双向中继信道中物理层网络编码（PNC）方案的误码率和分集阶数进行了数学分析。我们假设正交相移键控（QPSK）调制用于物联网应用中的简单数据传输，以及广播（BC）阶段的最大-最小发射天线选择（TAS）方案用于实现全分集增益。特别地，我们获得了在多址（MA）阶段的BER的上界，同时推导出BC阶段的准确BER性能。据我们所知，本文的数学分析是第一次分析结果在文学作品中通过计算机仿真，验证了分析结果2021作者由爱思唯尔公司出版代表韩国通信和信息科学研究所这是一个开放在CC BY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）下访问文章关键词：物联网;物理层网络编码;双向中继信道;误码率;多天线1. 介绍物理层网络编码（PNC）技术被认为是在6G无线通信系统中提供可靠性和减少延迟的最有前途的解决方案之一[1]。PNC技术已经被提出用于双向中继信道（TWRC），其可以被视为智能家居和空间光通信网络中的实际分组中继通信场景[2，3]。PNC已被称为提高两倍的吞吐量性能相比，传统的中继协议，如图所示。1，并且可以实现比TWRC中的非正交多址（NOMA）更高的速率[4]。在文献中已经提出了各种研究来分析PNC技术在各种天线配置中的性能。在[5在[5]中，∗ 通讯作者。电子邮件地址：jsyeom@cnu.ac.kr（J.S.Yeom），ksko@kangwon.ac.kr（K.Ko），hjin@hanyang.ac.kr（H.Jin），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.2021.10.007在TWRC中分析PNC。在文献[6]中，推导了瑞利衰落信道下二进制相移键控（BPSK）调制的精确BER性能。在文献[7]中，提出了一种在两个源节点的发射功率分配策略，以最小化中继节点的BER性能。为了提高PNC技术的可靠性，多天线已被应用于PNC技术。在[8]中，PNC技术被应用于多用户大规模多输入多输出（MIMO）系统。然而，MIMO技术通常需要大量的射频（RF）链，因此会引起显著的信令开销[9]。为了降低MIMO系统的这种实现成本，已经调整了天线选择方案，同时在TWRC中提供全分集增益[10]。在[11]中，针对基于迫零波束成形的MIMO PNC系统，提出了一种天线子集选择技术，该技术最大化MA和BC相位的最小符号错误率。在[12]中，推导了基于MIMO PNC的TWRC采用BPSK调制的BER的上界和下界。通过与空时分组码的性能比较此外，在[13]中，天线选择方案2405-9595/2021作者。由爱思唯尔公司出版代表韩国通信和信息科学研究所这是一CC BY-NC-ND许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。J.S. Yeom，K.高，H.Jin等人ICT Express 8（2022）419420（）下一页X联系我们联系我们√CN∼⏐√√∈∈ ∈ {}r，我R i，tR=（| |）的情况）||))xr=x1x2，x1，x2=arg（x1，x2）∈X2minyr−P1h1x1−P2h2x22，（2）图1.一、 双向中继信道的传输方案。提出了一种在源节点的自适应多址接入算法，并分析了该算法的误码性能，特别是在多址接入阶段。在各种方案中，基于最大-最小准则的发射天线选择（TAS）然而，据我们所知，最大-最小TAS方案的误差性能其中，表示逐符号XOR运算符，去-注意所有候选QPSK符号的集合2.2. 广播（BC）阶段中继节点向两个用户广播检测到的网络编码符号我们利用通过以下方式选择发射天线：不argMaxming1 ， n2 ， g2 ， n2、（ 3）n∈{1，.，N}其中，t表示中继节点的发送天线的索引，并且gn ， i（0， 1）（i1， 2）表示i.i.d.信道系数从第n（n 1，2，. . .，N）中继节点的天线到用户i。在用户i处，接收到的信号yi然后由下式给出：在本文中，我们从数学上分析了每-假设中继节点处有多个天线，利用QPSK调制对PNC进行解调。在（第一）MA阶段中，中继节点通过利用最优联合最大似然（JML）检测器从来自两个源节点的多个叠加信号中检测网络编码符号（XOR）。在（第二）BC阶段中，中继节点利用最大我们分析了两种相位的误码率性能，并推导出yi=Prgi， t xr+ni，（4）其中Pr表示中继节点处的发射功率，并且ni（0，N0）表示用户i处的AWGN。每个接收器用户配备ML检测器，然后网络编码符号xr，i被检测为：x=argminy−Pg X2.（五）xr∈X端到端（E2E）性能（BER和分集）增益2. 系统模型我们认为TWRC由两个用户和一个中继节点组成，其中两个用户希望彼此交换信息。中继节点配备有N个天线，而用户具有单个天线。将PNC的一个周期按时间划分为MA期和BC期。2.1. 多址接入（MA）阶段在MA阶段，用户1和用户2在完全同步的情况下同时向中继节点发送QPSK调制符号，分别为x1和x2然后，在中继节点处的接收信号由下式给出：yr=P1h1x1+P2h2x2+wr，（1）其中，yrCN×1表示接收信号向量，Pi（i1， 2）表示用户i的发射功率，hiCN×1表示从用户i到中继节点的信道向量，假设其遵循独立同分布（i.i.d.）复正态高斯分布，即，hi<$CN（0，IN），且wr∈CN×1<$CN（0，N0IN）是加性白高斯分布由于每个用户都知道其自己的符号xi，在MA阶段，用户i可以解码期望的符号xj， i（j∈{1， 2}，j=i）如下：x<$ j，i=x<$r，i<$xi，（6）其中，表示在用户i处检测到的xj。3. 误码性能分析在这一节中，我们数学分析的上限的误码率在MA阶段和准确的平均误码率在BC阶段，分别。此外，通过对误码率的分析，分析了在TWRC中采用TAS的PNC的E2E分集阶数。3.1. MA阶段我们处理的错误的情况下，当两个用户传输所有的零比特由于对称的其他位组合，我们首先集中在推导的BER的第一个XOR位。第一比特的错误情况是当中继节点检测到指示第一XOR比特为1的八个错误星座点之一时。然后，通过使用8J.S. Yeom，K.高，H.Jin等人ICT Express 8（2022）419421复N维空间中检测错误概率的联合界，对于给定h1和h2的条件BER由下式给出：噪声（AWGN）向量。在中继节点处，通过XOR，Xr，∑ ⎛√δ2 ⎞可以在从yr检测到x1和x2通过利用最佳JML解码：Pr（Eb|h1，h2）≤Qm=12N0，（7）⎝J.S. Yeom，K.高，H.Jin等人ICT Express 8（2022）419422√- kMγZm8 ∫z8和方差Nγ2，其中γm=（P1|a m|2 + P2|B M|2）/（2N0）。我们1−−⎝1−⎠⎥=21−K1+ 2/γ2γ +4k.（八）E2E的PNC在TWRC与中继节点使用TAS方案。∞0γ其中，eEb表示误码事件，δm=ΔP1h1am+Pb，BC⎡P2h2bm∈ {1，2，. . .1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.M）用户的发送符号和错误符号之间的距离1和用户2分别用于第m个误差星座点为了便于记法，令 Zm ≜δ2/（2N0）. 我们可以N=2个k=0N−1K1（一）2（k+1）⎝1−√11+4（k+1）得到Zm服从Erlang分布，平均Nγm1⎧⎨11⎛1⎞⎫⎬⎤导出第一XOR网络编码如下所示[16]：+2k+ 11+22（k+1）1+4（k+1） ⎭ ⎦Pb，MA≤E [∑8 Q（Ω）]=∑Q（Q）fZm（z）dz3.3. TWRC中PNC的分集阶数γ⎩.（十三）J.S. Yeom，K.高，H.Jin等人ICT Express 8（2022）419423⎩γ=√Pb，强=0Qγx，2， 2，（∑（）m=1m=1∑1[∑N−1（2k）<$1 1]J.S. Yeom，K.高，H.Jin等人ICT Express 8（2022）419424在本小节中，我们进一步分析了J.S. Yeom，K.高，H.Jin等人ICT Express 8（2022）419425Pγγ=√√2e−2 dv×e−x（1−e−x（2k+ 1））dxk=02（k+1）1+4（k+1）ρBC）/2。我们将所有发射功率设置为相同的功率，即，P1=P2=Pr.（⎟m=1k=0J.S. Yeom，K.高，H.Jin等人ICT Express 8（2022）419426m（m）J.S. Yeom，K.高，H.Jin等人ICT Express 8（2022）419427首先给出了TWRC中PNC的E2E的误码率J.S. Yeom，K.高，H.Jin等人ICT Express 8（2022）419428=−=+从这些结果可以看出，采用最多中继天线。对于仿真结果，我们定义了MA阶段、BC阶段和通过结合平均BER性能，J.S. Yeom，K.高，H.Jin等人ICT Express 8（2022）419429⎝√⎞2NK2k+ 1K2k+ 12（k+1）一加二3.2. BC阶段假设定义具有最小信道增益的链路和J.S. Yeom，K.高，H.Jin等人ICT Express 8（2022）419430对于所选择的发射天线具有最大信道增益在中继节点处分别作为弱链路和强链路J.S. Yeom，K.高，H.Jin等人ICT Express 8（2022）419431然后，BC阶段中每个用户处的平均BER由下式给出：PbBC=1P b弱+1P b强，（9）J.S. Yeom，K.高，H.Jin等人ICT Express 8（2022）419432MA和BC阶段。注意，PNC的E2E的比特错误事件当在MAJ.S. Yeom，K.高，H.Jin等人ICT Express 8（2022）419433阶段和BC阶段然后给出了PNC的E2E误码率通过J.S. Yeom，K.高，H.Jin等人ICT Express 8（2022）419434P b，E2E = P b，MA（1 − P b，BC）+P b，BC（1 − P b，MA）。（十四）分集阶数通常被定义为高SNR状态中的错误概率其中，Pb，weak和Pb，strong表示具有分别为弱连接和强连接J.S. Yeom，K.高，H.Jin等人ICT Express 8（2022）419435推导了弱信道增益下用户的误码率ηlimγ→∞J.S. Yeom，K.高，H.Jin等人ICT Express 8（2022）419436logPb，E2E对数γ、（十五）J.S. Yeom，K.高，H.Jin等人ICT Express 8（2022）419437在[14]中，N∑N−1（N−1）（−1）k11⎫⎬（十）J.S. Yeom，K.高，H.Jin等人ICT Express 8（2022）419438其中η表示分集阶数，γ P/N0表示