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(shè)計(jì)論文題 目 協(xié)作通信系統(tǒng)中基于功率分配的研究設(shè)計(jì)論文畢業(yè) 任務(wù)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(dǎo)思想和目的要求 協(xié)作通信是由多個(gè)相鄰的單天線用戶通過彼此共享天線進(jìn)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(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)共同完成的，信源傳輸信息需要消耗功率，中繼節(jié)點(diǎn)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(diǎn)消耗的功率之和為代價(jià)的。目前的資源分配主要集中在對(duì)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(diǎn), 當(dāng)?shù)谝惶溌沸诺罓顟B(tài)較好時(shí)，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(dāng)?shù)谝惶溌沸诺罓顟B(tài)較差時(shí)，直接傳

2、輸?shù)念l譜效率最高。三、主要技術(shù)指標(biāo)l 對(duì)mimo 系統(tǒng)進(jìn)行了解l 對(duì)協(xié)作協(xié)議進(jìn)行分析l 詳細(xì)分析了功率分配協(xié)議四、進(jìn)度和要求03周04周 熟悉環(huán)境，查閱資料05周06周 進(jìn)行總體規(guī)劃，擬定工作計(jì)劃和設(shè)計(jì)方案。07周08周 進(jìn)行系統(tǒng)分析和總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，進(jìn)入該系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)。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(zhǔn)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(dǎo)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(yīng)用.機(jī)械工業(yè)，2009（1）3趙紹剛，李岳夢(mèng)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)作通

3、信電信快報(bào)20054紀(jì)紅，馬書惠無線ad hoc網(wǎng)絡(luò)協(xié)作重轉(zhuǎn)機(jī)制的改進(jìn)北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)20075 美k.j.rayliu 埃及ahmed k.sadek 中weifeng su 阿根廷andres kwasinski著任品毅廖學(xué)文高貞貞徐靜譯，協(xié)作通信及網(wǎng)絡(luò).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(shí)編碼技術(shù)王曉海等譯北京：機(jī)械工業(yè)出版社200489丁盛，嚴(yán)凱等基于矩生成函數(shù)的協(xié)同中繼傳輸誤符號(hào)率性能分析電子與信息學(xué)報(bào)2009年3月第31卷第3期學(xué)生 _ 指導(dǎo)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(shù)72.1無線信道72.2分集技術(shù)72.2.1時(shí)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(yīng)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(diǎn)位置對(duì)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(jié)32第五章 總結(jié)與展望335.1 本文工作總結(jié)335.2 未來工作展望34致 謝35參

6、考文獻(xiàn)36畢業(yè)設(shè)計(jì)小結(jié)37摘 要無線通信技術(shù)在近二十年來獲得了迅猛的進(jìn)步，從3g網(wǎng)絡(luò)的投入使用到未來4g網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)。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(shí)通信的挑戰(zhàn)。同時(shí)，在無線通信系統(tǒng)中，多徑衰落嚴(yán)重影響了無線通信質(zhì)量。多輸入多輸出(multiple input multiple output，mimo)技術(shù)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(duì)抗多徑衰落的影響。但是在實(shí)際的通信系統(tǒng)中，移動(dòng)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(shù)的應(yīng)用。在這種情況下，協(xié)作通信技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，它是由多個(gè)

7、相鄰的單天線用戶通過彼此共享天線進(jìn)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(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)共同完成的，信源傳輸信息需要消耗功率，中繼節(jié)點(diǎn)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(diǎn)消耗的功率之和為代價(jià)的。因此，對(duì)信源和中繼節(jié)點(diǎn)之間的功率優(yōu)化分配有著極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。協(xié)作通信技術(shù)的發(fā)展促使人們對(duì)協(xié)作通信中的資源分配問題進(jìn)行了廣泛的研究。目前的資源分配主要集中在對(duì)功率的分配方面。隨著研究的深入，功率分配方案的著手點(diǎn)也從一開始的系統(tǒng)容量、中斷率和生命周期擴(kuò)展到現(xiàn)在的系統(tǒng)開銷、信道傳輸質(zhì)量指標(biāo)和計(jì)算復(fù)雜度等。關(guān)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(shí)代的烽火臺(tái)到今天的3g通訊，從原來的線話式通信到現(xiàn)在的移動(dòng)通信，現(xiàn)代通訊技術(shù)隨著人類文明的進(jìn)步而迅速發(fā)展。同時(shí)，人們的生活中對(duì)通信技術(shù)的依賴也是日益增加，足不出戶便已知道天下事。然而移動(dòng)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(hào)經(jīng)過惡劣的移動(dòng)信道后在接收端接收到的信號(hào)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的衰落，極大地降低了接收信號(hào)的質(zhì)量，為了提高無線信道中信號(hào)的傳輸質(zhì)量，必須采用對(duì)抗衰落的有效措施。分集技術(shù)是一種典型的抗衰落技術(shù)，在無線通

16、信中得到廣泛的應(yīng)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(shù)可以提高頻譜利用率，增強(qiáng)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(chǔ)理論，促進(jìn)了協(xié)作通信的發(fā)展，從而拉開了對(duì)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(yuǎn)，嚴(yán)重制約了信號(hào)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(hào)在時(shí)間、頻率和空間上的快速波動(dòng)，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(dá)接收端的時(shí)間、幅度和相位的不同，導(dǎo)致疊加后信號(hào)的幅度急劇變化，從而產(chǎn)生多徑衰落。多徑效應(yīng)是影響無線通信傳輸速率與質(zhì)量的重要因素。分集技術(shù)是抵抗多徑衰落的有效方式，其本質(zhì)是為接收機(jī)提供多個(gè)經(jīng)歷獨(dú)立衰落的信號(hào)樣本，以大大降低信號(hào)分量同時(shí)陷入深衰落的概率。常見的分集類型有時(shí)間分集、頻率分集和空間分集。協(xié)作分集傳輸是指在實(shí)際通信網(wǎng)絡(luò)中，某個(gè)移動(dòng)臺(tái)接收到其他移動(dòng)臺(tái)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(gè)移動(dòng)臺(tái)的信號(hào)受到的衰落是統(tǒng)計(jì)獨(dú)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(diǎn)以廣播的方式發(fā)送信號(hào)，目的節(jié)點(diǎn)和所有的中繼節(jié)點(diǎn)接收信號(hào)，其中中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行處理；第二步，中繼節(jié)點(diǎn)向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號(hào)，源節(jié)點(diǎn)可以不發(fā)送或者重復(fù)發(fā)送信息到目的節(jié)點(diǎn)，最后目的節(jié)點(diǎn)通過某種合并方式合并兩步接收到的信號(hào)。在用戶協(xié)作通信過程中，由于每個(gè)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(gè)用戶的基本發(fā)射功率又可以適當(dāng)?shù)販p小。同樣經(jīng)歷分集后，每個(gè)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(shù)的發(fā)展，人們也開始展開了對(duì)應(yīng)用該技術(shù)系統(tǒng)中的資源分配問題

19、的研究。根據(jù)可實(shí)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(duì)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(guān)注的熱點(diǎn)。如果在中繼系統(tǒng)中采用發(fā)射端和中繼節(jié)點(diǎn)平均分配功率的方法，實(shí)現(xiàn)起來是比較簡單，但是由于系統(tǒng)信道時(shí)變性和不同的信道質(zhì)量的影響，這種方法的應(yīng)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(shí)變性以及結(jié)合不同的調(diào)制方式使系統(tǒng)獲得更好的性能。目前有關(guān)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(diǎn)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(jì)算復(fù)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(duì)af和df協(xié)作分集系統(tǒng)，對(duì)其系統(tǒng)性能進(jìn)行了詳細(xì)地分析，并展開了對(duì)協(xié)作分集系統(tǒng)的功率分配問題和中繼節(jié)點(diǎn)位置選擇方法的研究，通過不同功率分配方法的對(duì)比分析，給出了確定最佳中繼節(jié)點(diǎn)位置的方法，最后通過仿真結(jié)果驗(yàn)證結(jié)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(diǎn)。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(jié)構(gòu)安排。第二章無線信道及分集技術(shù)，介紹了常用的無線通信中的信道特性和分集技術(shù)的分類，并詳細(xì)介紹mimo技術(shù)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(duì)現(xiàn)有的協(xié)作分集協(xié)議按照不同的方式進(jìn)行分類，并對(duì)各自的工作原理和特點(diǎn)進(jìn)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(shè)系統(tǒng)總發(fā)射功率一定時(shí)，如何在源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)之間分配功率可以最優(yōu)化系統(tǒng)性能；本章還針對(duì)af中繼協(xié)作中最優(yōu)分配功率時(shí)如何選擇中繼節(jié)點(diǎn)位置進(jìn)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(duì)不同信道狀態(tài)下的系統(tǒng)頻譜效率進(jìn)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(guān)系，得出了協(xié)作各鏈路支路信道質(zhì)量對(duì)系統(tǒng)性能有著一定的影響。第五章結(jié)論與展望，對(duì)整個(gè)論文進(jìn)行了總結(jié)，剖析了其研究

22、內(nèi)容中存在的問題，并對(duì)未來的工作進(jìn)行了展望。第二章 無線通信及分集技術(shù)2.1無線信道任何一個(gè)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(dòng)通信信道又是最復(fù)雜的一種。信道是對(duì)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(duì)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(gè)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(gè)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(fù)雜性和用戶的隨機(jī)移動(dòng)性等特點(diǎn)，信號(hào)在傳輸過程中受到各種損耗和衰落的影響，嚴(yán)重降低了接收信號(hào)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(duì)抗這種衰落，人們提出了分集技術(shù)。分集技術(shù)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(shù)措施。分集技術(shù)包括時(shí)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(shù)衰落效應(yīng)是影響無線通信質(zhì)量的主要因素之一，應(yīng)用分集技術(shù)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(shù)是利用兩個(gè)或更多的不相關(guān)信號(hào)進(jìn)行處理，可以通過空域、時(shí)域和頻域采集不相關(guān)信號(hào)來實(shí)現(xiàn)分集。目前在移動(dòng)通信中常見的分集方式有時(shí)間分集、頻率分集、空間分集、極化分集和角度分集時(shí)間分集是將同一信號(hào)

24、在不同的時(shí)間區(qū)間多次重發(fā)，為保證信號(hào)衰落彼此獨(dú)立，同時(shí)要求發(fā)送時(shí)間間隔必須大于信道的相關(guān)時(shí)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(guān)帶寬以保證信號(hào)衰落的獨(dú)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(gè)天線或天線陣列來實(shí)現(xiàn)的，實(shí)際中只要各天線間的距離大于發(fā)送信號(hào)波長的一半，就可以認(rèn)為信號(hào)是經(jīng)歷互不相關(guān)的衰落信道傳輸。其中，時(shí)間分集和頻率分集必須使用額外的時(shí)間或頻譜資源來引入發(fā)射信號(hào)的冗余副本，這將導(dǎo)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(shù)也即合并技術(shù)，就是接收端按照某種

25、方式，將分集方式得到的多個(gè)衰落特性相互獨(dú)立的信號(hào)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(hào)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(quán)系數(shù)合并各路信號(hào)；在最大比合并中，每路信號(hào)的加權(quán)系數(shù)與信噪比成正比，信噪比越大，加權(quán)系數(shù)越大，對(duì)合并后信號(hào)的貢獻(xiàn)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(shí)際應(yīng)用中需要對(duì)信道的衰落系數(shù)進(jìn)行估計(jì)。2.2.1時(shí)間分集時(shí)間分集是利用一個(gè)隨機(jī)衰落信號(hào)，當(dāng)取樣點(diǎn)的時(shí)間間隔足夠大時(shí)，兩個(gè)樣點(diǎn)間的衰落是統(tǒng)計(jì)上相互獨(dú)立的，即利用在時(shí)間上衰落統(tǒng)計(jì)特性的差異來實(shí)現(xiàn)抗衰落(

26、時(shí)間選擇性)的功能。因此，時(shí)間分集是在不連續(xù)的時(shí)隙上發(fā)送信號(hào)完成分集，這就在很大程度上限制了我們對(duì)這種技術(shù)的應(yīng)用。對(duì)于不同的信道衰落特性，它對(duì)信號(hào)傳輸?shù)母纳瞥潭仁遣煌?。如果衰落是慢衰落，此時(shí)信道的相干時(shí)間非常大，那么用于時(shí)間分集的時(shí)隙間的間隔也就非常大，這樣造成了在接收端的巨大時(shí)延?？焖ヂ湫诺老啾雀m于時(shí)間分集。時(shí)間分集雖然對(duì)設(shè)備的數(shù)目要求較少，但是它占用時(shí)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(gè)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(hào)所遭受的衰落就可以認(rèn)為是不相關(guān)的，從而實(shí)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(shè)備。2.3 mimo系統(tǒng)鑒于頻譜資源的寶貴，空間分集技術(shù)由于不需要占用額外的時(shí)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(shù)在通信鏈路的發(fā)射端與接收端使用多個(gè)天線，能夠?qū)鹘y(tǒng)通信系統(tǒng)中的多徑因素變成對(duì)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(shí)際的蜂窩通信系統(tǒng)中，發(fā)射分集只能應(yīng)用于基站端，以提高下行鏈路的通信質(zhì)量；而對(duì)上行信道而言，移動(dòng)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(gè)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(shù)在上行鏈路中的應(yīng)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(dòng)終端按照一定的方式共享彼此的天線，從而產(chǎn)生一個(gè)虛擬的mimo系統(tǒng)以獲得發(fā)射分集增益，為多天線技術(shù)的實(shí)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(yán)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(shù)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(yùn)的是，結(jié)合空時(shí)處理的多天線技術(shù)mimo技術(shù)，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(shí)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(shù)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(duì)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(shí)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(shí)，在每對(duì)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(dá)接收端。只要其中一個(gè)信道足夠強(qiáng)，接收機(jī)就能夠恢復(fù)發(fā)射信息。如果我們假設(shè)不同的信道相互獨(dú)立或者具有非常小的相關(guān)度，那么所有信道鏈路衰落的概率就很小。天線對(duì)越多，接收信號(hào)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(guān)度或者獨(dú)立的假設(shè)可以通過適當(dāng)?shù)姆蛛x收發(fā)器兩端天線來獲得。mimo技術(shù)已經(jīng)成為無線通信領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一，通過近幾年的持續(xù)發(fā)展，mimo技術(shù)將越來越多地應(yīng)用于各種無線通信系統(tǒng)。在無線寬帶移

31、動(dòng)通信系統(tǒng)方面，第3代移動(dòng)通信合作計(jì)劃(3gpp)已經(jīng)在標(biāo)準(zhǔn)中加入了mimo技術(shù)相關(guān)的內(nèi)容，b3g和4g的系統(tǒng)中也將應(yīng)用mimo技術(shù)。mimo技術(shù)對(duì)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(shù)多用于基站端，而對(duì)于移動(dòng)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(gè)收發(fā)天線之間的傳輸信道是獨(dú)立的或至少是不相關(guān)的，移動(dòng)終端對(duì)體積，質(zhì)量和功耗的要求又非?？量?，所以在移動(dòng)終端很難安裝多天線，因而，很難在移動(dòng)終端實(shí)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(dòng)終端實(shí)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(dòng)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(dòng)終端所構(gòu)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(shí)變衰落的影響。協(xié)作分集還可以擴(kuò)大系統(tǒng)容量，提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)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(shù)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(hào)檢測、信號(hào)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(luò)中的節(jié)點(diǎn)資源來幫助有信息需求的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行高速、可靠地?zé)o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(dú)立路徑。中繼信道可以認(rèn)為是源和目的端之間

33、直接信道的一種輔助信道。因?yàn)橹欣^節(jié)點(diǎn)常常距源節(jié)點(diǎn)有幾個(gè)波長的距離，所以中繼信道與直接信道見的衰落獨(dú)立，這就在源和目的端之間引入了一個(gè)滿秩mimo信道。在協(xié)作通信方案中，對(duì)于接收到由其他發(fā)射節(jié)點(diǎn)輻射出的有用能量節(jié)點(diǎn)會(huì)有一些先驗(yàn)的限制。新的用戶協(xié)作范例是這樣的：通過在節(jié)點(diǎn)上執(zhí)行適當(dāng)?shù)男盘?hào)處理算法，多終端能處理從其他節(jié)點(diǎn)偵聽到的傳輸信號(hào)，并且通過彼此的中繼信息進(jìn)行協(xié)作。中繼信息隨后在目的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行組合以產(chǎn)生空間分集。這就產(chǎn)生了這樣一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，它可以被認(rèn)為是一個(gè)執(zhí)行分布式多天線的系統(tǒng)，協(xié)作節(jié)點(diǎn)為彼此產(chǎn)生了不同信號(hào)路徑。 協(xié)作通信是中繼和分集技術(shù)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(gè)固定的或

34、者移動(dòng)的中繼基站對(duì)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(hào)合并達(dá)到分集的目的。無線協(xié)作中繼技術(shù)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(dòng)臺(tái)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(dòng)臺(tái)可以按照一定的方式來共享彼此的天線從而產(chǎn)生一個(gè)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(dòng)臺(tái)，在多用戶環(huán)境中可以共享其他移動(dòng)用戶的天線，這樣可產(chǎn)生多根虛擬發(fā)射天線，進(jìn)而得到相應(yīng)的分集增益，改善移動(dòng)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(yīng)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?？紤]到移動(dòng)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(luò)中，為提高傳輸速率，提出了多用戶協(xié)作分集即多個(gè)用戶相互協(xié)作從而實(shí)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(shù)的重要理論基礎(chǔ)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(guān)注，許多相關(guān)課題已經(jīng)或者正在展開，各種新的技術(shù)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(guān)于中繼的分組委員會(huì)專門開展對(duì)此技術(shù)的研究，并發(fā)表了相關(guān)研究的白皮書。很多知名國際期刊、會(huì)

36、議也單獨(dú)列出了子方向?qū)f(xié)作通信技術(shù)進(jìn)行報(bào)道，世界上已有多所大學(xué)的實(shí)驗(yàn)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(shù)起源于cover和e1 gamal對(duì)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(hào)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(hào)發(fā)送一個(gè)相關(guān)信號(hào)x至目的端c，因此，該模型可以分解為一個(gè)廣播信道(a發(fā)射，b和c接收)和一個(gè)多點(diǎn)接入信道(a和b發(fā)射，c接收)。通過對(duì)中繼信道的信道容量的計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在一定程度上整個(gè)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(gè)用戶作為源的同時(shí)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(shí)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(gè)用戶的上行信道是相互獨(dú)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(shí)發(fā)送和接受信號(hào)。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(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)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(yán)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(shí)現(xiàn)了協(xié)作通信。l 階段1，源發(fā)送信息到目的，同時(shí)，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(hào)分別為： (3.1) (3.2)階段2中，中繼將處理后的源信號(hào)向目的轉(zhuǎn)發(fā)，目的接收到的信號(hào)為 (3.3) 3.3協(xié)作協(xié)議根據(jù)中繼實(shí)現(xiàn)方式，協(xié)作分集技術(shù)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(gè)用戶接收協(xié)作伙伴經(jīng)由衰落信道發(fā)送來的信號(hào)，繼而對(duì)該附加了噪聲的信號(hào)進(jìn)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(hào)，最終對(duì)發(fā)送的各比特信息進(jìn)行判決。盡管該方法在放大信號(hào)的同時(shí)也放大了噪聲，但目的端接收到關(guān)于信號(hào)的多個(gè)獨(dú)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(jì)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(dǎo)了準(zhǔn)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(shí)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(shí)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(shí)

40、際實(shí)現(xiàn)時(shí)，必須考慮信道估計(jì)的最優(yōu)機(jī)制?？傮w來說，af協(xié)議的理論分析相對(duì)簡單，對(duì)于進(jìn)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(shí)向協(xié)作用戶和目的端廣播發(fā)送自身信號(hào)，協(xié)作用戶試圖對(duì)接收到的源用戶信號(hào)進(jìn)行譯碼，然后將重新編碼的信號(hào)發(fā)送至目的端。目的端接收到兩個(gè)獨(dú)立衰落的信號(hào)樣本，按照一定方式對(duì)其進(jìn)行合并，并對(duì)合并信號(hào)進(jìn)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(hào)，可以避免放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議對(duì)噪聲的放大。但是，協(xié)作用戶在譯碼時(shí)有可能出現(xiàn)錯(cuò)誤，轉(zhuǎn)發(fā)至目的端使得錯(cuò)誤累計(jì)，從而導(dǎo)致目的端判決錯(cuò)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(yàn)(cyclic redundancy check，crc)的譯碼轉(zhuǎn)發(fā)模式。在這種模式下，各個(gè)用戶的發(fā)送信號(hào)中引入crc冗余，協(xié)作用戶對(duì)接收到的信號(hào)譯碼判決后進(jìn)行crc校驗(yàn)，若校驗(yàn)結(jié)果正確則轉(zhuǎn)發(fā)該信號(hào)分組，否則不進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。這種模式通過損失一定的頻譜效率避免了錯(cuò)誤的傳播，在高信噪比條件下，其性能優(yōu)于無crc校驗(yàn)的df模式；然而在低信噪比區(qū)域，其性能反而會(huì)比無crc校驗(yàn)的df模式差，其原因是丟棄分組會(huì)損失一定的能量，從而降低了信號(hào)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(jié)合起來，如圖3-4(c)所示，其基本思想是每個(gè)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(dòng)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(hào)的多個(gè)衰落樣本不同，cc模式可以避免協(xié)作伙伴間信息的重復(fù)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(yàn)以避免錯(cuò)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(dá)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(gè)用戶）3.3.4 特殊協(xié)議stcc（空時(shí)編碼協(xié)作）是將空時(shí)編碼思想應(yīng)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(gè)移動(dòng)終端可在自己和其協(xié)作伙伴的多址信道上同時(shí)發(fā)送信息。而在一般編碼協(xié)作方式中，移動(dòng)終端只能在自己的多址信道

43、發(fā)送協(xié)作信息。若對(duì)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(shí)編碼協(xié)作方式下，各用戶則是同時(shí)發(fā)送雙方的信息。研究表明，空時(shí)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(huì)犧牲信道質(zhì)量相對(duì)較好的移動(dòng)終端的性能。ncc（網(wǎng)絡(luò)編碼協(xié)作）是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)將接收到的信息進(jìn)行編碼后再轉(zhuǎn)發(fā)出去的多點(diǎn)傳送技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)編碼的核心思想：中間節(jié)點(diǎn)不再是簡單的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，而是將接收信息進(jìn)行編碼后再發(fā)送，從而可提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的容量和健壯性。網(wǎng)絡(luò)編碼概念的提出以及現(xiàn)在大部分相關(guān)的工作都是基于有線網(wǎng)絡(luò)的，但無線信道的廣播特性為網(wǎng)絡(luò)編碼的應(yīng)用提供了有利條件，且無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的信息交互

44、也完全可以運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)編碼理論來實(shí)現(xiàn)。因此，網(wǎng)絡(luò)編碼和協(xié)同通信技術(shù)相結(jié)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(fù)雜度高，涉及到了各種編碼技術(shù)，使得中繼節(jié)點(diǎn)信號(hào)處理的時(shí)間增長、時(shí)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(shí)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(shù)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(dāng)采用此協(xié)議時(shí)，中繼量化將接收到的信號(hào)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(hào)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(gè)協(xié)議下，中繼將源的信息放大后轉(zhuǎn)發(fā)給目的，目的對(duì)源到中繼的信道衰落進(jìn)行理想均衡。中繼只是簡單地將接收信號(hào)用一個(gè)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(hào)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(gè)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(jì)算估計(jì)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(hào)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(hào)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(hào)為 (3.8)其中 (3.9)假設(shè)噪聲和是獨(dú)立的，則等效噪聲是零均值的復(fù)高斯隨機(jī)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(hào)x的兩個(gè)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(gè)已知所有信道系數(shù)的相干接收機(jī)。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(yīng)該設(shè)計(jì)來最大化合并信噪比。這個(gè)問題可以通過構(gòu)成一個(gè)優(yōu)化問題并選擇相應(yīng)的因子來解決。一個(gè)簡單的方法是通過信號(hào)空間和檢測原理來設(shè)計(jì)。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(yīng)該將接收信號(hào)映射到目的信號(hào)空間。因此，在對(duì)接收信號(hào)歸一化噪聲方差后，應(yīng)該分別沿著方向映射。因此，為 (3.12)通過假設(shè)式(3.1)發(fā)送的符號(hào)的平均能量為1，mrc輸出的瞬時(shí)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(shí)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(duì)指數(shù)分布的信道增益進(jìn)行平均后獲得: (3.19)計(jì)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?yàn)閰f(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(diǎn)的另外一種處理方式可能是將接收到的信號(hào)譯碼并重新編碼后發(fā)送給接收機(jī)。這種中繼方式叫做固定譯碼轉(zhuǎn)發(fā)，通常在不會(huì)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(hào)表示為，并假設(shè)具有單位能量，則中繼發(fā)送的信號(hào)可以表示為。注意中繼譯碼可能不正確。如果譯碼錯(cuò)誤的信號(hào)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?yàn)橄到y(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(cuò)誤的信號(hào)，這就導(dǎo)致錯(cuò)誤傳播，進(jìn)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(shí)才轉(zhuǎn)發(fā)這個(gè)事實(shí)，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(gè)單調(diào)函數(shù)，中斷實(shí)踐就等價(jià)于 (3.22)中斷概率為(3.23)因?yàn)樾诺朗侨鹄ヂ涞?，則上述變量都是參數(shù)為1的指數(shù)隨機(jī)變量。對(duì)信道進(jìn)行平均， (3.24)從上面分析可見，固定中繼具有易于實(shí)施的優(yōu)勢，但是也是存在頻譜效率低的劣勢。這是因?yàn)橛幸话氲?/p>

50、信道資源分配給中繼進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，這就降低了整個(gè)信道的速率。特別是當(dāng)源到目的低信道并不是很差的時(shí)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(fèi)了。3.5自適應(yīng)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(gè)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(dǎo)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(yīng)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(hào)的信噪比超過了某個(gè)門限值，則中繼解碼接收信號(hào)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(hào)的可能性很大。這種情況下，目的端最大比合并的信號(hào)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(hào)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?yàn)樯厦婧褪降牡谝豁?xiàng)是倆個(gè)概率的乘積，每個(gè)可以提供分集1，第二項(xiàng)也是兩個(gè)各概率的乘積，而第一個(gè)可以提供分集2。上式中所有的隨機(jī)變量都是獨(dú)立的指數(shù)隨機(jī)變量，這就使得中斷概率的計(jì)算很直接，高信噪比下中斷概率的表達(dá)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(duì)于增量中繼，假設(shè)目的到中繼間存在一個(gè)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(gè)確認(rèn)信號(hào)，這樣中繼就不用轉(zhuǎn)發(fā)。這個(gè)協(xié)議是前面描述的所有協(xié)議中頻譜頻率最高的，因?yàn)橹欣^不用始終轉(zhuǎn)發(fā)，因此階段2就變成隨機(jī)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(shí)，如果源在階段1發(fā)送成功，則沒有階段2，源將在下一個(gè)時(shí)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(jì)算為 (3.2

53、7)直接傳輸和af中繼的中斷表達(dá)式已在前面計(jì)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(duì)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(shè)信道為平坦瑞利衰落信道，信號(hào)傳輸經(jīng)歷兩個(gè)時(shí)隙，符合中繼信道模型組成和節(jié)點(diǎn)工作原理。目的節(jié)點(diǎn)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(diǎn)模型實(shí)現(xiàn)的，在研究過程中主要考慮兩種情況：第一，源節(jié)點(diǎn)s、中繼節(jié)點(diǎn)r和目的節(jié)點(diǎn)d三點(diǎn)位置連線組成一個(gè)三角形；第二，中繼節(jié)點(diǎn)r位于源節(jié)

54、點(diǎn)s和目的節(jié)點(diǎn)d的連線上，即三點(diǎn)共線的情況。如圖4-1和圖4-3所示。圖4-1 s、r、d三點(diǎn)位置連線構(gòu)成一個(gè)三角形圖4-1是本章討論的中繼模型的第一種情況，此時(shí)的信源節(jié)點(diǎn)s、中繼節(jié)點(diǎn)r和目的節(jié)點(diǎn)d的位置連線構(gòu)成一個(gè)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(gè)等邊三角形。討論研究過程中，我們定義中繼節(jié)點(diǎn)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(diǎn)s和目的節(jié)點(diǎn)d分別為橢圓長軸上的兩個(gè)焦點(diǎn)，對(duì)于等邊三角形srd中的頂點(diǎn)r與橢圓中心的連線垂直于長軸?，F(xiàn)假定以節(jié)點(diǎn)s為原點(diǎn)，和分別為橫軸和縱軸，根據(jù)實(shí)際通信理論和環(huán)境，理想的中繼節(jié)點(diǎn)位置應(yīng)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?yàn)楣?jié)點(diǎn)s和節(jié)點(diǎn)d落在橫軸上，所以這兩個(gè)象限具有對(duì)稱性，為簡化分析，我們只討論中繼節(jié)點(diǎn)在第一象限時(shí)的情況。假定信源節(jié)點(diǎn)s與目的節(jié)點(diǎn)d之間的距離定義為，源節(jié)點(diǎn)s與中繼節(jié)點(diǎn)r之間的距離記作，中繼節(jié)點(diǎn)r與目的節(jié)點(diǎn)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(diǎn)之間距離的關(guān)系， (4.1)其中，的取值范圍是。在現(xiàn)實(shí)通信環(huán)境中，如果信