協(xié)作通信系統(tǒng)中基于功率分配的研究畢業(yè)論文

1、本科畢業(yè)設計論文題 目 協(xié)作通信系統(tǒng)中基于功率分配的研究設計論文畢業(yè) 任務書一、題目協(xié)作通信系統(tǒng)中基于功率分配的研究二、指導思想和目的要求 協(xié)作通信是由多個相鄰的單天線用戶通過彼此共享天線進行協(xié)作，從而形成虛擬mimo系統(tǒng)。協(xié)作通信中信息的傳輸是由源節(jié)點和中繼節(jié)點共同完成的，信源傳輸信息需要消耗功率，中繼節(jié)點傳輸信息也需要消耗功率，分集增益的獲得是以信源和中繼節(jié)點消耗的功率之和為代價的。目前的資源分配主要集中在對功率的分配方面。希望通過研究來證明最佳中繼位置稍靠近目的節(jié)點, 當?shù)谝惶溌沸诺罓顟B(tài)較好時，af和df利用這種功率分配方法都可以獲得較高的頻譜利用率；當?shù)谝惶溌沸诺罓顟B(tài)較差時，直接傳

2、輸?shù)念l譜效率最高。三、主要技術指標l 對mimo 系統(tǒng)進行了解l 對協(xié)作協(xié)議進行分析l 詳細分析了功率分配協(xié)議四、進度和要求03周04周 熟悉環(huán)境，查閱資料05周06周 進行總體規(guī)劃，擬定工作計劃和設計方案。07周08周 進行系統(tǒng)分析和總體結構設計實現(xiàn)，進入該系統(tǒng)詳細設計。09周11周 撰寫論文初稿。12周12周 修改論文，整理文檔資料，修改論文并打印論文。13周14周 準備答辯提綱和畢業(yè)論文答辯。五、主要參考書及參考資料1 張忠培，魏寧，史治平.協(xié)同無線通信導論.電子工業(yè)，2010（1）2 彭木根，王文博，協(xié)同無線通信原理與應用.機械工業(yè)，2009（1）3趙紹剛，李岳夢移動通信網(wǎng)絡中的協(xié)作通

3、信電信快報20054紀紅，馬書惠無線ad hoc網(wǎng)絡協(xié)作重轉(zhuǎn)機制的改進北京郵電大學學報20075 美k.j.rayliu 埃及ahmed k.sadek 中weifeng su 阿根廷andres kwasinski著任品毅廖學文高貞貞徐靜譯，協(xié)作通信及網(wǎng)絡.電子工業(yè)，2010（1）6andrea goldsmith著無線通信楊鴻文，李衛(wèi)東，郭文彬等譯北京：人民郵電出版社200767todd ehuntercooperative communication in wireless networksieee communications magazine20041 08 branka vucet

4、ic，jinhong yuan著空時編碼技術王曉海等譯北京：機械工業(yè)出版社200489丁盛，嚴凱等基于矩生成函數(shù)的協(xié)同中繼傳輸誤符號率性能分析電子與信息學報2009年3月第31卷第3期學生 _ 指導教師 _ 系主任 _目 錄摘 要1abstract2第一章 緒 論41.1研究背景及意義41.2文章內(nèi)容安排5第二章無線通信及分集技術72.1無線信道72.2分集技術72.2.1時間分集82.2.2頻率分集82.3 mimo系統(tǒng)9第三章 協(xié)作分集原理及分類113.1協(xié)作通信113.2協(xié)作分集原理概述123.3協(xié)作協(xié)議143.3.1放大轉(zhuǎn)發(fā)143.3.2譯碼轉(zhuǎn)發(fā)153.3.3編碼協(xié)作153.3.4 特

5、殊協(xié)議163.4固定協(xié)作策略173.4.1固定放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議173.4.2固定譯碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼協(xié)議203.5自適應協(xié)作策略213.5.1選擇性df中繼213.5.2增量中繼22第四章 功率分配方案分析244.1系統(tǒng)模型244.2 中繼信道系統(tǒng)模型264.3af中繼模型的功率配方方案274.3.1基于最大化系統(tǒng)容量的最優(yōu)功率分配方案274.3.2中繼節(jié)點位置對系統(tǒng)性能影響294.4 df中繼模型的功率分配方案304.4.1基于最大化系統(tǒng)容量的最優(yōu)功率分配方案304.5優(yōu)化頻譜效率的中繼功率分配方法314.6 本章小結32第五章 總結與展望335.1 本文工作總結335.2 未來工作展望34致 謝35參

6、考文獻36畢業(yè)設計小結37摘 要無線通信技術在近二十年來獲得了迅猛的進步，從3g網(wǎng)絡的投入使用到未來4g網(wǎng)絡的建設。它們都面臨著在保證良好通信質(zhì)量的條件下提供高數(shù)據(jù)傳輸速率和大量用戶同時通信的挑戰(zhàn)。同時，在無線通信系統(tǒng)中，多徑衰落嚴重影響了無線通信質(zhì)量。多輸入多輸出(multiple input multiple output，mimo)技術通過在通信鏈路的發(fā)送端和接收端使用多根天線獲得分集增益，從而有效地對抗多徑衰落的影響。但是在實際的通信系統(tǒng)中，移動終端由于尺寸、功耗、成本等諸多方面的限制，往往不能配置多根天線，這樣就限制了mimo技術的應用。在這種情況下，協(xié)作通信技術應運而生，它是由多個

7、相鄰的單天線用戶通過彼此共享天線進行協(xié)作，形成虛擬系統(tǒng)。協(xié)作通信中信息的傳輸是由源節(jié)點和中繼節(jié)點共同完成的，信源傳輸信息需要消耗功率，中繼節(jié)點傳輸信息也需要消耗功率，分集增益的獲得是以信源和中繼節(jié)點消耗的功率之和為代價的。因此，對信源和中繼節(jié)點之間的功率優(yōu)化分配有著極其重要的現(xiàn)實意義。協(xié)作通信技術的發(fā)展促使人們對協(xié)作通信中的資源分配問題進行了廣泛的研究。目前的資源分配主要集中在對功率的分配方面。隨著研究的深入，功率分配方案的著手點也從一開始的系統(tǒng)容量、中斷率和生命周期擴展到現(xiàn)在的系統(tǒng)開銷、信道傳輸質(zhì)量指標和計算復雜度等。關鍵字：協(xié)作分集，功率分配，放大轉(zhuǎn)發(fā)，譯碼轉(zhuǎn)發(fā)abstractfrom t

8、he widespread use of 3g network to the attempts for building the 4g network, the radio communication technology achieved a rapid development in the past two decades. but no matter 3g network or 4g network, they both need to face the challenge to provide the high speed of data transmission and large

9、number of users simultaneous communicate, at the same time guarantee the high quality of communication. in addition, multipath fading has a significant impact on the quality of communication. multiple input multiple out (mimo) technology by using multiple antennas to obtain diversity gain in the tra

10、nsmitter and the receiver of the communication link, accordingly against the effect of the multipath fading. however, in actual communication process, due to the limitation of the size, power consumption, cost and other aspects for the mobile terminal, it is not possible to configure multiple antenn

11、as. therefore, the use of mimo technology has been restricted. in this condition, collaborative communication technology which is a number of adjacent single-antenna users share a antenna with each other to form a virtual mimo system has emerged. in collaborative communication, the transmission of i

12、nformation is completed by source node and relay nodes. the source would consume the power when they transmit information, so does the relay nodes. the cost power from source and relay nodes contribute to the access to the diversity gain. therefore, it is essential to make a optimal allocation for t

13、he cost power of the source and relay nodes. the development of the collaborative communication technology promote the extensive researches for the resource allocation problem by people. the current problem for the allocation of resources is mainly concentrated in the distribution of power. with the

14、 further research, the start point of scheme for power allocation is from the beginning of the system capacity, the interrupt rate and life cycle extended to the system overhead, quality indicators of the channel transmission and computational complexity.keywords: cooperative diversity, power distri

15、bution, amplify and forward, decode and forward第一章 緒 論1.1研究背景及意義在通信系統(tǒng)發(fā)展的長河中，從商周時代的烽火臺到今天的3g通訊，從原來的線話式通信到現(xiàn)在的移動通信，現(xiàn)代通訊技術隨著人類文明的進步而迅速發(fā)展。同時，人們的生活中對通信技術的依賴也是日益增加，足不出戶便已知道天下事。然而移動通信中由于傳播的開放性，使信道的傳輸條件比較惡劣，發(fā)送出的已調(diào)信號經(jīng)過惡劣的移動信道后在接收端接收到的信號會產(chǎn)生嚴重的衰落，極大地降低了接收信號的質(zhì)量，為了提高無線信道中信號的傳輸質(zhì)量，必須采用對抗衰落的有效措施。分集技術是一種典型的抗衰落技術，在無線通

16、信中得到廣泛的應用。1977年，van der meulen最早提出了無線中繼信道的概念，并證明了中繼技術可以提高頻譜利用率，增強無線通信系統(tǒng)的可靠性。1979年，tmcover和aae gamal提出了協(xié)作通信的基本思想，他們的研究提出了幾種特殊情況下的中繼信道容量和一般情況下的信道容量限，奠定了中繼通信的基礎理論，促進了協(xié)作通信的發(fā)展，從而拉開了對中繼等信道容量研究的序幕。無線通信系統(tǒng)的性能主要受到無線信道的影響。無線通信環(huán)境中存在著各種衰落和干擾，并且隨氣候和地形等因素的變化相差甚遠，嚴重制約了信號傳輸?shù)馁|(zhì)量。無線通信環(huán)境下的衰落主要分為大尺度衰落和小尺度衰落。其中，大尺度衰落是指電波在

17、空間傳播所產(chǎn)生的路徑損耗；小尺度衰落是指接收信號在時間、頻率和空間上的快速波動，通常由障礙物的反射和散射引起，由于反射波和散射波到達接收端的時間、幅度和相位的不同，導致疊加后信號的幅度急劇變化，從而產(chǎn)生多徑衰落。多徑效應是影響無線通信傳輸速率與質(zhì)量的重要因素。分集技術是抵抗多徑衰落的有效方式，其本質(zhì)是為接收機提供多個經(jīng)歷獨立衰落的信號樣本，以大大降低信號分量同時陷入深衰落的概率。常見的分集類型有時間分集、頻率分集和空間分集。協(xié)作分集傳輸是指在實際通信網(wǎng)絡中，某個移動臺接收到其他移動臺的信息，并將監(jiān)聽到的數(shù)據(jù)信息以一定形式和自身數(shù)據(jù)一起發(fā)送出去，如果兩個移動臺的信號受到的衰落是統(tǒng)計獨立的，那么就

18、可以通過這種方式產(chǎn)生空間分集。簡單地說，協(xié)作分集過程可以分為兩步：第一步，源節(jié)點以廣播的方式發(fā)送信號，目的節(jié)點和所有的中繼節(jié)點接收信號，其中中繼節(jié)點對接收的信號進行處理；第二步，中繼節(jié)點向目的節(jié)點發(fā)送信號，源節(jié)點可以不發(fā)送或者重復發(fā)送信息到目的節(jié)點，最后目的節(jié)點通過某種合并方式合并兩步接收到的信號。在用戶協(xié)作通信過程中，由于每個用戶既要傳輸自身信息又要轉(zhuǎn)發(fā)伙伴信息，因此需要更高的發(fā)射功率；但是由于產(chǎn)生了空間分集增益，所以每個用戶的基本發(fā)射功率又可以適當?shù)販p小。同樣經(jīng)歷分集后，每個用戶的頻譜利用率提高，信道碼速率也隨之提高。隨著協(xié)作通信技術的發(fā)展，人們也開始展開了對應用該技術系統(tǒng)中的資源分配問題

19、的研究。根據(jù)可實現(xiàn)性和可控制性的限制，目前的資源分配問題主要集中在對系統(tǒng)功率分配的問題上。如果系統(tǒng)資源受到限制，如何合理地分配功率，更好地改善系統(tǒng)性能增益是人們關注的熱點。如果在中繼系統(tǒng)中采用發(fā)射端和中繼節(jié)點平均分配功率的方法，實現(xiàn)起來是比較簡單，但是由于系統(tǒng)信道時變性和不同的信道質(zhì)量的影響，這種方法的應用不能有效地利用系統(tǒng)資源、降低系統(tǒng)開銷。因此需要研究最佳的功率分配方法，可以根據(jù)不同信道狀態(tài)信息和信道時變性以及結合不同的調(diào)制方式使系統(tǒng)獲得更好的性能。目前有關協(xié)作通信系統(tǒng)功率分配方法的研究有很多，研究出發(fā)點包括：系統(tǒng)的容量、中斷率、系統(tǒng)誤碼率、生命期、系統(tǒng)開銷和計算復雜度等。本文主要是從系統(tǒng)

20、的容量來研究功率的分配。1.2文章內(nèi)容安排本文主要針對af和df協(xié)作分集系統(tǒng)，對其系統(tǒng)性能進行了詳細地分析，并展開了對協(xié)作分集系統(tǒng)的功率分配問題和中繼節(jié)點位置選擇方法的研究，通過不同功率分配方法的對比分析，給出了確定最佳中繼節(jié)點位置的方法，最后通過仿真結果驗證結論。論文全文共分為五章，其中第二章的第三節(jié)，第三章的第三、四節(jié)和第四章的全部為本文的重點。第一章緒論，主要介紹了本文的研究背景，即協(xié)作通信的發(fā)展、功率分配方案的國內(nèi)外現(xiàn)狀分析，以及本文的主要研究內(nèi)容和論文結構安排。第二章無線信道及分集技術，介紹了常用的無線通信中的信道特性和分集技術的分類，并詳細介紹mimo技術的發(fā)展過程。第三章協(xié)作通信

21、，介紹了協(xié)作通信的基本思想和系統(tǒng)模型，對現(xiàn)有的協(xié)作分集協(xié)議按照不同的方式進行分類，并對各自的工作原理和特點進行簡單的描述。第四章功率分配協(xié)議分析，主要討論了af和df兩種協(xié)作分集中基于最大化系統(tǒng)容量的條件下，假設系統(tǒng)總發(fā)射功率一定時，如何在源節(jié)點和中繼節(jié)點之間分配功率可以最優(yōu)化系統(tǒng)性能；本章還針對af中繼協(xié)作中最優(yōu)分配功率時如何選擇中繼節(jié)點位置進行了分析；最后分析了優(yōu)化頻譜效率的中繼功率分配方法，對不同信道狀態(tài)下的系統(tǒng)頻譜效率進行了仿真分析，這種方法主要依據(jù)了系統(tǒng)容量和最大傳輸速率的關系，得出了協(xié)作各鏈路支路信道質(zhì)量對系統(tǒng)性能有著一定的影響。第五章結論與展望，對整個論文進行了總結，剖析了其研究

22、內(nèi)容中存在的問題，并對未來的工作進行了展望。第二章 無線通信及分集技術2.1無線信道任何一個通信系統(tǒng)中，信道是必不可少的組成部分之一。相比其他的通信信道，無線移動通信信道又是最復雜的一種。信道是對無線通信中發(fā)送端和接收端之間的通路的一種形象比喻，對于無線電波而言，它從發(fā)送端傳送到接收端，其間并沒有一個有形的連接，它的傳播路徑也有可能不只一條，但是我們?yōu)榱诵蜗蟮孛枋霭l(fā)送端與接收端之間的工作，我們想象兩者之間有一個看不見的道路銜接，把這條銜接通路稱為信道。在無線通信中，由于其傳播的開放性、接收環(huán)境的復雜性和用戶的隨機移動性等特點，信號在傳輸過程中受到各種損耗和衰落的影響，嚴重降低了接收信號的質(zhì)量。

23、因此無線通信面臨的最大挑戰(zhàn)就是無線信道的衰落特性。為了對抗這種衰落，人們提出了分集技術。分集技術是通過兩條或兩條以上途徑傳輸同一信息，以減弱衰落影響的一種技術措施。分集技術包括時間分集、頻率分集和空間分集等，空間分集又可以根據(jù)發(fā)射和接收是否使用多根天線，分為兩類：接收分集和發(fā)射分集。2.2分集技術衰落效應是影響無線通信質(zhì)量的主要因素之一，應用分集技術能夠有效地克服多徑引起的衰落，提高系統(tǒng)的傳輸可靠性。分集技術是利用兩個或更多的不相關信號進行處理，可以通過空域、時域和頻域采集不相關信號來實現(xiàn)分集。目前在移動通信中常見的分集方式有時間分集、頻率分集、空間分集、極化分集和角度分集時間分集是將同一信號

24、在不同的時間區(qū)間多次重發(fā)，為保證信號衰落彼此獨立，同時要求發(fā)送時間間隔必須大于信道的相關時間；所謂頻率分集，就是將信息分別調(diào)制到不同的載波頻率上發(fā)送，要求載波頻率間隔必須大于信道的相關帶寬以保證信號衰落的獨立性，特別適用于頻率選擇性衰落信道；空間分集，也稱為天線分集，是通過發(fā)射端或接收端在空間上分開排列多個天線或天線陣列來實現(xiàn)的，實際中只要各天線間的距離大于發(fā)送信號波長的一半，就可以認為信號是經(jīng)歷互不相關的衰落信道傳輸。其中，時間分集和頻率分集必須使用額外的時間或頻譜資源來引入發(fā)射信號的冗余副本，這將導致頻譜效率的損失，而空間分集則可以避免這一問題。接收分集技術也即合并技術，就是接收端按照某種

25、方式，將分集方式得到的多個衰落特性相互獨立的信號合并輸出，從而獲得分集增益。常用的合并方式有三種：選擇合并、等增益合并以及最大比合并。選擇合并是最簡單的合并方式，其選擇所有信號中信噪比最大的一路作為輸出；等增益合并，顧名思義，就是等權系數(shù)合并各路信號；在最大比合并中，每路信號的加權系數(shù)與信噪比成正比，信噪比越大，加權系數(shù)越大，對合并后信號的貢獻也越大。在三種合并方式中，最大比合并的性能最好，但是在實際應用中需要對信道的衰落系數(shù)進行估計。2.2.1時間分集時間分集是利用一個隨機衰落信號，當取樣點的時間間隔足夠大時，兩個樣點間的衰落是統(tǒng)計上相互獨立的，即利用在時間上衰落統(tǒng)計特性的差異來實現(xiàn)抗衰落(

26、時間選擇性)的功能。因此，時間分集是在不連續(xù)的時隙上發(fā)送信號完成分集，這就在很大程度上限制了我們對這種技術的應用。對于不同的信道衰落特性，它對信號傳輸?shù)母纳瞥潭仁遣煌?。如果衰落是慢衰落，此時信道的相干時間非常大，那么用于時間分集的時隙間的間隔也就非常大，這樣造成了在接收端的巨大時延。快衰落信道相比更適于時間分集。時間分集雖然對設備的數(shù)目要求較少，但是它占用時隙資源，增大了開銷，降低了傳輸效率。2.2.2頻率分集頻率分集是利用不同的載波頻率獲得分集。它要求在多個不同的頻率上發(fā)送同樣的信息，頻率間隔必須大于信道的相干帶寬，這樣，幾路信號所遭受的衰落就可以認為是不相關的，從而實現(xiàn)頻率分集。頻率分集

27、和空間分集相比，需要占用更多的頻帶資源，但是在接收端可以配置較少的接收天線和設備。2.3 mimo系統(tǒng)鑒于頻譜資源的寶貴，空間分集技術由于不需要占用額外的時間和頻帶資源，從而成為未來通信發(fā)展的趨勢。作為空間分集方式的一種，mimo技術在通信鏈路的發(fā)射端與接收端使用多個天線，能夠?qū)鹘y(tǒng)通信系統(tǒng)中的多徑因素變成對用戶通信性能有利的因素，在抗多徑衰落、提高通信鏈路的速率和質(zhì)量方面有著明顯的優(yōu)勢。然而在實際的蜂窩通信系統(tǒng)中，發(fā)射分集只能應用于基站端，以提高下行鏈路的通信質(zhì)量；而對上行信道而言，移動終端由于受到體積、功耗、工藝等多方面的限制，在其上安裝多個天線有很大困難，極大地限制了mimo(多輸入多輸

28、出)通信技術在上行鏈路中的應用。為了解決這一問題，誕生了一種全新的分集方式協(xié)作分集(cooperative diversity)，它使得移動終端按照一定的方式共享彼此的天線，從而產(chǎn)生一個虛擬的mimo系統(tǒng)以獲得發(fā)射分集增益，為多天線技術的實用化提供了一條新的途徑。隨著無線互聯(lián)網(wǎng)多媒體通信的快速發(fā)展，無線通信系統(tǒng)的容量與可靠性亟待提升，常規(guī)單天線收發(fā)通信系統(tǒng)面臨嚴峻挑戰(zhàn)。采用常規(guī)發(fā)射分集、接收分集或智能天線技術已不足解決新一代無線通信系統(tǒng)的大容量與高可靠性需求問題。幸運的是，結合空時處理的多天線技術mimo技術，提供了解決該問題的新途徑。它在無線鏈路兩端均采用多天線，分別同時接受與發(fā)射，能夠充分

29、開發(fā)空間資源，在無需增加頻譜資源和發(fā)射功率的情況下，成倍地提升通信系統(tǒng)的容量與可靠性。mimo(multiple-input multiple-out-put)系統(tǒng)，該技術最早是由marconi于1908年提出的，它利用多天線來抑制信道衰落。根據(jù)收發(fā)兩端天線數(shù)量，相對于普通的siso(single-input single-output)系統(tǒng)，mimo還可以包括simo(single-input multiple-output)系統(tǒng)和miso(multiple-input single-output)系統(tǒng)。利用mimo信道可以成倍地提高無線信道容量，在不增加帶寬和天線發(fā)送功率的情況下，頻譜利用

30、率可以成倍地提高。同時也可以提高信道的可靠性，降低誤碼率。在具有多于一根收/發(fā)天線時，在每對發(fā)射和接收天線之間將建立不同的信道。在這類模型中，發(fā)射信息能夠通過不同的信道到達接收端。只要其中一個信道足夠強，接收機就能夠恢復發(fā)射信息。如果我們假設不同的信道相互獨立或者具有非常小的相關度，那么所有信道鏈路衰落的概率就很小。天線對越多，接收信號的冗余度（分集）就越大，也就是說，收發(fā)器檢測的可靠性將越高。信道鏈路的低相關度或者獨立的假設可以通過適當?shù)姆蛛x收發(fā)器兩端天線來獲得。mimo技術已經(jīng)成為無線通信領域的關鍵技術之一，通過近幾年的持續(xù)發(fā)展，mimo技術將越來越多地應用于各種無線通信系統(tǒng)。在無線寬帶移

31、動通信系統(tǒng)方面，第3代移動通信合作計劃(3gpp)已經(jīng)在標準中加入了mimo技術相關的內(nèi)容，b3g和4g的系統(tǒng)中也將應用mimo技術。mimo技術對日益增長的無線通信系統(tǒng)容量和系統(tǒng)可靠性提供了解決問題的新途徑。但是現(xiàn)有的多天線技術多用于基站端，而對于移動終端，由于發(fā)射分集要求相鄰天線之間的間距要大于電波波長并且多個收發(fā)天線之間的傳輸信道是獨立的或至少是不相關的，移動終端對體積，質(zhì)量和功耗的要求又非?？量?，所以在移動終端很難安裝多天線，因而，很難在移動終端實現(xiàn)上行的發(fā)射分集?？紤]到現(xiàn)有的無線通信系統(tǒng)中是由多用戶組成，因而一種新的在移動終端實現(xiàn)分集的思想隨之產(chǎn)生協(xié)作分集。其基本思想是：移動終端之間

32、共享各自的天線，利用自己和小區(qū)內(nèi)其他移動終端所構成的虛擬的多發(fā)射天線陣傳輸信息，從而獲得空間分集增益的分集方式，有效消除無線信道多徑和時變衰落的影響。協(xié)作分集還可以擴大系統(tǒng)容量，提高網(wǎng)絡服務質(zhì)量，改善系統(tǒng)性能。在一定的意義上講，協(xié)作分集思想為mimo技術走向?qū)嵱锰峁┝艘粭l新的途徑。第三章 協(xié)作分集原理及分類3.1協(xié)作通信協(xié)作通信可以有效的解決無線通信中低信噪比信號檢測、信號編碼和斷續(xù)的通信問題。協(xié)作通信的目的就是充分利用網(wǎng)絡中的節(jié)點資源來幫助有信息需求的節(jié)點進行高速、可靠地無線通信。協(xié)作通信是一種新的通信方式，通過引入中繼信道，它在用戶和基站之間產(chǎn)生了獨立路徑。中繼信道可以認為是源和目的端之間

33、直接信道的一種輔助信道。因為中繼節(jié)點常常距源節(jié)點有幾個波長的距離，所以中繼信道與直接信道見的衰落獨立，這就在源和目的端之間引入了一個滿秩mimo信道。在協(xié)作通信方案中，對于接收到由其他發(fā)射節(jié)點輻射出的有用能量節(jié)點會有一些先驗的限制。新的用戶協(xié)作范例是這樣的：通過在節(jié)點上執(zhí)行適當?shù)男盘柼幚硭惴?，多終端能處理從其他節(jié)點偵聽到的傳輸信號，并且通過彼此的中繼信息進行協(xié)作。中繼信息隨后在目的節(jié)點進行組合以產(chǎn)生空間分集。這就產(chǎn)生了這樣一個網(wǎng)絡，它可以被認為是一個執(zhí)行分布式多天線的系統(tǒng)，協(xié)作節(jié)點為彼此產(chǎn)生了不同信號路徑。 協(xié)作通信是中繼和分集技術的融合，為了在無線通信環(huán)境中獲得分集增益，可以選擇一個固定的或

34、者移動的中繼基站對接收到的信源端數(shù)據(jù)處理并轉(zhuǎn)發(fā)給信宿，通過在終端的信號合并達到分集的目的。無線協(xié)作中繼技術主要包括放大轉(zhuǎn)發(fā)af協(xié)議、譯碼轉(zhuǎn)發(fā)df協(xié)議和編碼協(xié)作cc等。協(xié)作通信可以使具有單根天線的移動臺獲得類似于mimo系統(tǒng)中的某些增益，其基本思想是在多用戶環(huán)境中，具有單根天線的移動臺可以按照一定的方式來共享彼此的天線從而產(chǎn)生一個虛擬mimo系統(tǒng)，從而獲得發(fā)分集增益。該方法使用帶有一根天線的移動臺，在多用戶環(huán)境中可以共享其他移動用戶的天線，這樣可產(chǎn)生多根虛擬發(fā)射天線，進而得到相應的分集增益，改善移動通信系統(tǒng)的性能。協(xié)作通信在無信通信系統(tǒng)中有多種應用，主要有固定中繼的協(xié)作通信（協(xié)作mimo)和用戶

35、終端間的協(xié)作通信（多用戶協(xié)作）兩種方式。考慮到移動終端只配置1到2跟天線，為了保證天線數(shù)受限的終端用戶也能獲得mimo增益，提出了協(xié)作mimo的概念。另外，在多跳無線通信網(wǎng)絡中，為提高傳輸速率，提出了多用戶協(xié)作分集即多個用戶相互協(xié)作從而實現(xiàn)類似mimo的傳輸方案以獲得分集增益。而目前非常熱門的無線中繼技術的重要理論基礎也包含協(xié)作通信理論。圖 3-1協(xié)作通信的簡單模型目前，協(xié)作通信已經(jīng)受到了國內(nèi)外廣泛的關注，許多相關課題已經(jīng)或者正在展開，各種新的技術不斷出現(xiàn)。在國際上，無線世界研究論壇（wwrf）已經(jīng)成立了關于中繼的分組委員會專門開展對此技術的研究，并發(fā)表了相關研究的白皮書。很多知名國際期刊、會

36、議也單獨列出了子方向?qū)f(xié)作通信技術進行報道，世界上已有多所大學的實驗室開展看這方面的研究。3.2協(xié)作分集原理概述協(xié)作分集技術起源于cover和e1 gamal對中繼信道的研究。中繼信道模型如圖3-2所示，發(fā)射端a發(fā)送信號x至中繼端b和目的端c，之后中繼端b根據(jù)其接收信號發(fā)送一個相關信號x至目的端c，因此，該模型可以分解為一個廣播信道(a發(fā)射，b和c接收)和一個多點接入信道(a和b發(fā)射，c接收)。通過對中繼信道的信道容量的計算發(fā)現(xiàn)，在一定程度上整個中繼信道(信道ab和bc)的容量性能優(yōu)于直接傳輸信道(信道ac)的性能。圖3-2 中繼信道模型從某種意義上說，協(xié)作通信與中繼信道模型類似，所不同的是每

37、個用戶作為源的同時也作為另一用戶的中繼，即協(xié)作模型中的用戶在協(xié)助其他用戶的同時也可以傳輸其自身數(shù)據(jù)，如圖3-3所示。在該模型中，兩個用戶的上行信道是相互獨立的衰落信道，系統(tǒng)采用半雙工工作模式，即用戶不能同時發(fā)送和接受信號。圖3-3協(xié)作分集模型通常情況下，用戶1和用戶2可以統(tǒng)一分配系統(tǒng)功率和帶寬資源，相互幫助以實現(xiàn)對基站的傳輸；在極限情況下，用戶2用分配給它的所有資源幫助用戶1傳輸信息，此時用戶l成為信源，而用戶2成為中繼，即使用戶1到基站的上行信道衰落很嚴重，用戶l的信息也可以通過用戶2的上行信道成功傳輸，從而實現(xiàn)了協(xié)作通信。l 階段1，源發(fā)送信息到目的，同時，中繼也接到到源發(fā)送的信息。l 階

38、段2，中繼2通過轉(zhuǎn)發(fā)或者重新發(fā)送源的信息來幫助源。目的和中繼接收到的信號分別為： (3.1) (3.2)階段2中，中繼將處理后的源信號向目的轉(zhuǎn)發(fā)，目的接收到的信號為 (3.3) 3.3協(xié)作協(xié)議根據(jù)中繼實現(xiàn)方式，協(xié)作分集技術主要分為三類：放大轉(zhuǎn)發(fā)(amplify and forward，af)、譯碼轉(zhuǎn)發(fā)(decode and forward，df)以及編碼協(xié)作(coded cooperation，cc)等多種協(xié)議。3.3.1放大轉(zhuǎn)發(fā)放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議是最簡單的協(xié)作分集協(xié)議，如圖3-4(a)所示。每個用戶接收協(xié)作伙伴經(jīng)由衰落信道發(fā)送來的信號，繼而對該附加了噪聲的信號進行放大，并重新轉(zhuǎn)發(fā)至目的端。目的端接

39、收并按照一定方式合并來自源用戶和協(xié)作用戶的信號，最終對發(fā)送的各比特信息進行判決。盡管該方法在放大信號的同時也放大了噪聲，但目的端接收到關于信號的多個獨立衰落樣本，因此能夠獲得分集增益。放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議最早由j nlaneman提出，其計算了未編碼放大轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)的誤碼率，并且證明了即使放大了來自協(xié)作伙伴的噪聲，放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議的性能也顯著優(yōu)于非協(xié)作的直接傳輸方式；繼而lanemen，womell等推導了準靜態(tài)瑞利衰落信道下放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議的中斷概率，證明了兩用戶協(xié)作系統(tǒng)可以實現(xiàn)二階完全分集，比非協(xié)作傳輸模式獲得更大的增益。在放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議中，為實現(xiàn)最佳譯碼，假定目的端己知各用戶間的信道狀態(tài)信息(csi)，而在實

40、際實現(xiàn)時，必須考慮信道估計的最優(yōu)機制。總體來說，af協(xié)議的理論分析相對簡單，對于進一步理解協(xié)作通信系統(tǒng)非常有用。3.3.2譯碼轉(zhuǎn)發(fā)譯碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議與傳統(tǒng)中繼協(xié)議方式最為接近，如圖3-4(b)所示。源用戶同時向協(xié)作用戶和目的端廣播發(fā)送自身信號，協(xié)作用戶試圖對接收到的源用戶信號進行譯碼，然后將重新編碼的信號發(fā)送至目的端。目的端接收到兩個獨立衰落的信號樣本，按照一定方式對其進行合并，并對合并信號進行最終的譯碼判決。譯碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議由于在協(xié)作用戶處發(fā)送重新編碼的信號，可以避免放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議對噪聲的放大。但是，協(xié)作用戶在譯碼時有可能出現(xiàn)錯誤，轉(zhuǎn)發(fā)至目的端使得錯誤累計，從而導致目的端判決錯誤。為了避免這一問題的出現(xiàn)

41、，衍生出一種基于循環(huán)冗余校驗(cyclic redundancy check，crc)的譯碼轉(zhuǎn)發(fā)模式。在這種模式下，各個用戶的發(fā)送信號中引入crc冗余，協(xié)作用戶對接收到的信號譯碼判決后進行crc校驗，若校驗結果正確則轉(zhuǎn)發(fā)該信號分組，否則不進行轉(zhuǎn)發(fā)。這種模式通過損失一定的頻譜效率避免了錯誤的傳播，在高信噪比條件下，其性能優(yōu)于無crc校驗的df模式；然而在低信噪比區(qū)域，其性能反而會比無crc校驗的df模式差，其原因是丟棄分組會損失一定的能量，從而降低了信號在接收端的信噪比。3.3.3編碼協(xié)作編碼協(xié)作最早由hunter提出，它將信道編碼與協(xié)作分集結合起來，如圖3-4(c)所示，其基本思想是每個用戶試

42、圖轉(zhuǎn)發(fā)其協(xié)作伙伴數(shù)據(jù)的冗余信息，如果不成功則自動轉(zhuǎn)為非協(xié)作傳輸模式。與af和df模式中目的端合并同一信號的多個衰落樣本不同，cc模式可以避免協(xié)作伙伴間信息的重復發(fā)送，在相同條件下可以獲得更大的編碼增益。協(xié)作用戶同樣采用crc校驗以避免錯誤的累積傳播。編碼協(xié)作模式在完全協(xié)作條件下能夠達n-階完全分集，并且可以獲得更大的編碼增益。圖3-4 協(xié)作分集的三種模型（只考慮單個用戶）3.3.4 特殊協(xié)議stcc（空時編碼協(xié)作）是將空時編碼思想應用到編碼協(xié)作的一種方式,與一般編碼協(xié)作方式最大的不同，每個移動終端可在自己和其協(xié)作伙伴的多址信道上同時發(fā)送信息。而在一般編碼協(xié)作方式中，移動終端只能在自己的多址信道

43、發(fā)送協(xié)作信息。若對協(xié)作伙伴的信息解碼成功的話，編碼協(xié)作方式下，各用戶均只在自己的信道上發(fā)送同伴的信息；而空時編碼協(xié)作方式下，各用戶則是同時發(fā)送雙方的信息。研究表明，空時編碼協(xié)作方式在快衰落環(huán)境下也可以獲得滿分集增益，并且不會犧牲信道質(zhì)量相對較好的移動終端的性能。ncc（網(wǎng)絡編碼協(xié)作）是網(wǎng)絡節(jié)點將接收到的信息進行編碼后再轉(zhuǎn)發(fā)出去的多點傳送技術。網(wǎng)絡編碼的核心思想：中間節(jié)點不再是簡單的存儲轉(zhuǎn)發(fā)，而是將接收信息進行編碼后再發(fā)送，從而可提高整個網(wǎng)絡的容量和健壯性。網(wǎng)絡編碼概念的提出以及現(xiàn)在大部分相關的工作都是基于有線網(wǎng)絡的，但無線信道的廣播特性為網(wǎng)絡編碼的應用提供了有利條件，且無線網(wǎng)絡節(jié)點間的信息交互

44、也完全可以運用網(wǎng)絡編碼理論來實現(xiàn)。因此，網(wǎng)絡編碼和協(xié)同通信技術相結合可有效提高無線通信系統(tǒng)的性能。cc、ncc與stcc的性能要優(yōu)于af與df方式；它們的算法復雜度高，涉及到了各種編碼技術，使得中繼節(jié)點信號處理的時間增長、時延較大，不利于現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)。綜合考慮多種因素，af與df兩種方式更實用一些。3.4固定協(xié)作策略在固定中繼中，源到中繼的信道資源以固定的(確定的)方式劃分。中繼的處理根據(jù)采用的協(xié)議不同而不同。最常用的技術是固定af中繼和固定df中繼。3.4.1固定放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議固定放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議常被簡稱為af協(xié)議，當采用此協(xié)議時，中繼量化將接收到的信號放大后轉(zhuǎn)發(fā)給目的。放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼信道可以建

45、模如下。中繼和目的接收到的源發(fā)送的信號為： (3.4)其中，分別是源到目的和源到中繼的信道衰落，并被建模成瑞利平坦衰落信道。表示零均值且方差為的加性高斯白噪聲。在這個協(xié)議下，中繼將源的信息放大后轉(zhuǎn)發(fā)給目的，目的對源到中繼的信道衰落進行理想均衡。中繼只是簡單地將接收信號用一個因子量化，該因子與接收功率成反比，可表示為 (3.5)因此，中繼發(fā)送的信號為，發(fā)射功率與源的發(fā)射功率相同。目的接收到的信噪比是來自源和中繼兩個鏈路的信噪比之和。源到目的信噪比為 (3.6)其中下面我們計算估計中繼到目的的接收信噪比。在階段2，中繼放大接收到的信號并以發(fā)射功率p發(fā)送給目的。根據(jù)式（3.5），目的在階段2接收到的

46、信號為 (3.7)其中，是中繼到目的信道系數(shù)，是加性噪聲。具體來講，這種情況下接收信號為 (3.8)其中 (3.9)假設噪聲和是獨立的，則等效噪聲是零均值的復高斯隨機變量，其方差為 (3.10) 通過源和中繼兩條鏈路，目的接收到了信號x的兩個副本。最大化總信噪比的最優(yōu)方法是最大比合并（mrc）。注意，mrc合并需要一個已知所有信道系數(shù)的相干接收機。mrc輸出的信噪比等于所有分支信噪比之和。在已知下，目的mrc檢測器的輸出可以寫成 (3.11)合并因子應該設計來最大化合并信噪比。這個問題可以通過構成一個優(yōu)化問題并選擇相應的因子來解決。一個簡單的方法是通過信號空間和檢測原理來設計。高斯白噪聲存在所

47、有的空間，為了最小化噪聲的影響，檢測器應該將接收信號映射到目的信號空間。因此，在對接收信號歸一化噪聲方差后，應該分別沿著方向映射。因此，為 (3.12)通過假設式(3.1)發(fā)送的符號的平均能量為1，mrc輸出的瞬時信噪比為 (3.13)其中 (3.14)及 (3.15)由上式看出，放大轉(zhuǎn)發(fā)下順時互信息量是衰落系數(shù)的函數(shù)，為 (3.16)將兩條鏈路的信噪比代入，則互信息量可以寫成 (3.17)其中 (3.18)中斷概率可以通過對指數(shù)分布的信道增益進行平均后獲得: (3.19)計算上式的積分，可得到高信噪比下的中斷概率如下 (3.20)其中，2中的因子2是因為協(xié)作將一半的寬帶分給了中繼，因而喪失了

48、一半的寬帶。中斷概率隨著的變小而減小，這就意味著af協(xié)議可以獲得的分集為2。3.4.2固定譯碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼協(xié)議中繼節(jié)點的另外一種處理方式可能是將接收到的信號譯碼并重新編碼后發(fā)送給接收機。這種中繼方式叫做固定譯碼轉(zhuǎn)發(fā)，通常在不會與選擇性譯碼轉(zhuǎn)發(fā)混淆的情況下采用，也簡稱為譯碼轉(zhuǎn)發(fā)（df）方案。如果中繼譯碼后的信號表示為，并假設具有單位能量，則中繼發(fā)送的信號可以表示為。注意中繼譯碼可能不正確。如果譯碼錯誤的信號被轉(zhuǎn)發(fā)到了目的端，在目的端驚醒譯碼就沒有意義了。顯然這種方案的分集為1，因為系統(tǒng)的性能被源到中繼和源到目的中最差的鏈路所限制。盡管固定df中繼相比af中繼有降低中繼處加性噪聲的優(yōu)勢，但是它可能想目

49、的端轉(zhuǎn)發(fā)錯誤的信號，這就導致錯誤傳播，進而降低系統(tǒng)性能。源到目的之間的相互信息量受限于源到中繼的鏈路及源到目的，中繼到目的的聯(lián)合鏈路的較小互信信息。更具體地，譯碼轉(zhuǎn)發(fā)傳輸?shù)幕バ畔⒘孔鳛樾诺浪ヂ涞暮瘮?shù)可以完成 (3.21)其中，操作是考慮到中繼只有在譯碼正確時才轉(zhuǎn)發(fā)這個事實，因此性能受限于源到目的和源到中繼鏈路中的最弱者。固定df中繼概率由給出。因此1b是個單調(diào)函數(shù)，中斷實踐就等價于 (3.22)中斷概率為(3.23)因為信道是瑞利衰落的，則上述變量都是參數(shù)為1的指數(shù)隨機變量。對信道進行平均， (3.24)從上面分析可見，固定中繼具有易于實施的優(yōu)勢，但是也是存在頻譜效率低的劣勢。這是因為有一半的

50、信道資源分配給中繼進行轉(zhuǎn)發(fā)，這就降低了整個信道的速率。特別是當源到目的低信道并不是很差的時候，這是源發(fā)送給目的的數(shù)據(jù)大部分都可以被正確譯碼，中繼的轉(zhuǎn)發(fā)就浪費了。3.5自適應協(xié)作策略固定中繼在傳輸速率上遭受著確定性的損失，例如，在倆個階段的傳輸中，頻譜效率存在50%的損失。而且，固定df中繼的性能受限于源到中繼到目的信道的較弱者，這就導致它能獲得的分集為1。為了克服這些問題，可以研究自適應中繼協(xié)議以提高有效性。我們要考慮兩種策略：選擇性df中繼和增量中繼。3.5.1選擇性df中繼在選擇性df中繼方案中，如果中繼接收信號的信噪比超過了某個門限值，則中繼解碼接收信號并將解碼信息轉(zhuǎn)發(fā)給目的。 源到中繼

51、鏈路的信噪比超過了門限，中繼成功解碼信號的可能性很大。這種情況下，目的端最大比合并的信號的信噪比是從源和中繼接收到的信噪比之和。因此，選擇df中繼的互信息為 (3.25)其中，選擇中繼的中斷概率如下。利用全概率公式，以中繼是否轉(zhuǎn)發(fā)源的信號為條件，我們得到從式(3.25)中，選擇df中繼的中斷概率為從上式中，源可以獲得的分集階數(shù)為2，因為上面和式的第一項是倆個概率的乘積，每個可以提供分集1，第二項也是兩個各概率的乘積，而第一個可以提供分集2。上式中所有的隨機變量都是獨立的指數(shù)隨機變量，這就使得中斷概率的計算很直接，高信噪比下中斷概率的表達式可以寫成 (3.26)這跟af情況的分集增益相同。這就意

52、味著，在高信噪比下，選擇df中繼和af中繼具有相同的分集增益。3.5.2增量中繼對于增量中繼，假設目的到中繼間存在一個反饋信道。如果目的端能夠在階段1正確接收解碼源的信息，則向中繼發(fā)送一個確認信號，這樣中繼就不用轉(zhuǎn)發(fā)。這個協(xié)議是前面描述的所有協(xié)議中頻譜頻率最高的，因為中繼不用始終轉(zhuǎn)發(fā)，因此階段2就變成隨機的了，它依賴于源和目的之間直接鏈路的信道狀態(tài)。而且，正如下面所示，增量中繼可以獲得的分集階數(shù)位2。在增量中繼時，如果源在階段1發(fā)送成功，則沒有階段2，源將在下一個時隙發(fā)送新的信息。反之，如果源在階段1發(fā)送失敗，中繼可以使用任何一種固定中繼協(xié)議來轉(zhuǎn)發(fā)源在階段1的信息。中斷概率可以計算為 (3.2

53、7)直接傳輸和af中繼的中斷表達式已在前面計算過。中斷概率作為信噪比和速率的函數(shù)，可以寫成 (3.28)其中，如果源到目的的信道沒有中斷，則頻譜效率，否則為平均頻譜效率為 (3.29)對高信噪比，我們有 (3.30)第四章 功率分配方案分析4.1系統(tǒng)模型本章討論的系統(tǒng)模型假設信道為平坦瑞利衰落信道，信號傳輸經(jīng)歷兩個時隙，符合中繼信道模型組成和節(jié)點工作原理。目的節(jié)點利用最大比合并(mrc)和等增益合并(egc)兩種方法。下面的功率分配方案是基于af和df協(xié)議的三節(jié)點模型實現(xiàn)的，在研究過程中主要考慮兩種情況：第一，源節(jié)點s、中繼節(jié)點r和目的節(jié)點d三點位置連線組成一個三角形；第二，中繼節(jié)點r位于源節(jié)

54、點s和目的節(jié)點d的連線上，即三點共線的情況。如圖4-1和圖4-3所示。圖4-1 s、r、d三點位置連線構成一個三角形圖4-1是本章討論的中繼模型的第一種情況，此時的信源節(jié)點s、中繼節(jié)點r和目的節(jié)點d的位置連線構成一個三角形，其中一種特殊的位置是s到r、r到d和s到d的距離相等，即該三角形是一個等邊三角形。討論研究過程中，我們定義中繼節(jié)點的位置范圍是在圖4-1中的橢圓內(nèi)部及邊界上，其中源節(jié)點s和目的節(jié)點d分別為橢圓長軸上的兩個焦點，對于等邊三角形srd中的頂點r與橢圓中心的連線垂直于長軸?，F(xiàn)假定以節(jié)點s為原點，和分別為橫軸和縱軸，根據(jù)實際通信理論和環(huán)境，理想的中繼節(jié)點位置應該在第一象限和第四象限和兩條直線之間的橢圓內(nèi)部及其邊界上，因為節(jié)點s和節(jié)點d落在橫軸上，所以這兩個象限具有對稱性，為簡化分析，我們只討論中繼節(jié)點在第一象限時的情況。假定信源節(jié)點s與目的節(jié)點d之間的距離定義為，源節(jié)點s與中繼節(jié)點r之間的距離記作，中繼節(jié)點r與目的節(jié)點之間的距離記作，直線rs與直線sd之間的夾角記為，則可以根據(jù)余弦定理表示出三點之間距離的關系， (4.1)其中，的取值范圍是。在現(xiàn)實通信環(huán)境中，如果信