協(xié)作通信系統(tǒng)中的選擇DF中繼協(xié)議研究論文

1、 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文題 目協(xié)作通信系統(tǒng)中的選擇DF中繼協(xié)議研究畢業(yè)任務(wù)書(shū)一、題目協(xié)作通信系統(tǒng)中的選擇DF中繼協(xié)議研究二、指導(dǎo)思想和目的要求無(wú)線通信技術(shù)在近二十年來(lái)獲得迅猛的進(jìn)步。它的發(fā)展離不開(kāi)眾多基礎(chǔ)技術(shù)，如集成電路、能量存儲(chǔ)以與天線技術(shù)的發(fā)展。近幾年來(lái)，被認(rèn)為對(duì)通信技術(shù)有巨大推動(dòng)作用的是MIMO技術(shù)。該技術(shù)在接收端和發(fā)射端使用多根天線，從而形成多條路徑，通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對(duì)多條路徑傳送的信號(hào)進(jìn)行形成和合并，提高了接收信號(hào)的質(zhì)量和數(shù)據(jù)傳送速率。協(xié)作通信正是在MIMO的推動(dòng)下產(chǎn)生的，它把MIMO通信技術(shù)推廣到更多的應(yīng)用場(chǎng)景中。協(xié)作通信過(guò)程中一個(gè)很關(guān)鍵的方面就是對(duì)來(lái)自中繼的源節(jié)點(diǎn)的信息處理。不同的

2、處理方案導(dǎo)致了不同的協(xié)作通信協(xié)議。研究協(xié)作通信系統(tǒng)中中繼協(xié)議，使得系統(tǒng)的誤碼率降低，從而使整個(gè)系統(tǒng)的吞吐量增大。通過(guò)對(duì)通信協(xié)議的研究，來(lái)選擇最優(yōu)的通信協(xié)議，從而進(jìn)一步推動(dòng)了協(xié)作通信技術(shù)的演進(jìn)與發(fā)展。本文主要研究協(xié)作通信系統(tǒng)中選擇DF中繼協(xié)議，分析在不同的協(xié)作協(xié)議下，通信系統(tǒng)的性能狀況。三、主要技術(shù)指標(biāo)1.了解MIMO的基礎(chǔ)知識(shí)。2.分析協(xié)作通信系統(tǒng)中的各種協(xié)議。3.對(duì)選擇DF中繼協(xié)議進(jìn)行分析,了解系統(tǒng)的信噪比和最優(yōu)功率分配。四、進(jìn)度和要求第1-2周:查閱資料,整理讀書(shū)筆記。第3-6周：根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)的要求，了解設(shè)計(jì)容，獨(dú)立撰寫(xiě)開(kāi)題報(bào)告。第7-12周：開(kāi)始寫(xiě)論文，進(jìn)行不斷的修改并完成。第12

3、周：進(jìn)行最后的定稿。第13周：準(zhǔn)備論文答辯。五、主要參考書(shū)與參考資料1J.N.Laneman,D.N.C.Tse,and G.W.Wornell.Cooperative diversity in wireless networks:dfficient protocols and outage behavior.IEEE Transactions on Information Theory,50(12):3062-3080,December 2004.2 J.N.Laneman and G.W.Wornell.Distributed space-time coded protocols for

4、exploiting cooperative diversity in wireless networks.IEEE Transactions Information Theory,49(10):2415-2425,October 2003.3 A.Sendonaris,E.Erkip,and B.Aazhang.User cooperation diversity,part I:System description.IEEE Transactions on Communications,51(11):1927-1938,November 2003.4 T.E.Hunter and A.Nos

5、ratinia.Cooperation diversity through coding.In Proceedings of the IEEE International Symposiun on Information Theory,p.220,July 2002.5美K.J.RayLiu，埃與Ahmed K.sadek，中Weifeng Su ，阿根廷Andres Kwasinski著，任品毅譯協(xié)作通信與網(wǎng)絡(luò)M電子工業(yè)2010.8學(xué)生 _ 指導(dǎo)教師 _ 系主任 _49 / 54目 錄摘要1Abstract2第一章緒論41.1協(xié)作通信系統(tǒng)中選擇DF中繼協(xié)議的意義、背景、現(xiàn)狀41.1.1意義4

6、1.1.2背景41.1.3現(xiàn)狀61.2本論文所做的工作8第二章 MIMO技術(shù)以與協(xié)作分集102.1 MIMO技術(shù)的提出與發(fā)展102.2協(xié)作分集技術(shù)102.2無(wú)線信道的分集112.2.1空間分集112.2.2時(shí)間分集122.2.3頻率分集122.3 協(xié)作分集技術(shù)之間的比較132.4協(xié)作通信13第三章協(xié)作通信中各協(xié)作協(xié)議143.1協(xié)作協(xié)議143.2固定協(xié)作策略153.2.1固定放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議163.2.2固定譯碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼協(xié)議163.2.3其他協(xié)作策略173.3自適應(yīng)協(xié)作策略173.3.1選擇性DF中繼173.3.2增量中繼173.4分級(jí)協(xié)作183.4.1網(wǎng)絡(luò)模型183.4.2分級(jí)協(xié)作協(xié)議描述203.

7、4.3 協(xié)議分析23第四章單中繼協(xié)作通信264.1系統(tǒng)模型264.2 DF協(xié)議的誤符號(hào)率分析284.2.1閉式SER分析284.2.2 SER上界與漸進(jìn)近似294.2.3最優(yōu)功率分配304.3AF協(xié)議的SER分析304.3.1利用MGF方法的SER分析304.3.2調(diào)和平均值的簡(jiǎn)單MGF表達(dá)314.3.3 漸進(jìn)緊的近似解314.3.4最優(yōu)功率分配324.4DF與AF協(xié)作增益的比較32第五章協(xié)作通信系統(tǒng)中選擇DF中繼協(xié)議研究345.1 系統(tǒng)模型和協(xié)議描述345.2精確SER性能分析375.3 SER近似375.3.1 一般協(xié)作協(xié)議的SER近似385.3.2分集階數(shù)和協(xié)作增益385.3.3帶寬效率

8、與分集增益的比較395.3.4最優(yōu)功率分配40第六章結(jié)束語(yǔ)426.1對(duì)本論文的總結(jié)426.2對(duì)以后工作的展望42致44參考文獻(xiàn)45畢業(yè)論文小結(jié)46摘 要多天線系統(tǒng)是提高系統(tǒng)容量和可靠性的一種有效手段。但在實(shí)際應(yīng)用中，由于移動(dòng)終端物理?xiàng)l件的制約，如終端的體積、功耗、多天線的位置設(shè)置等，限制了MIMO技術(shù)的應(yīng)用，為了克服這一MIMO應(yīng)用的限制，必須提出超越傳統(tǒng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的新技術(shù)。一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)從通?？梢员豢醋鲆恍┰噲D相互通信的節(jié)點(diǎn)的集合。但是，從一個(gè)角度而言，因?yàn)闊o(wú)線信道廣播特性的存在，我們可以將這些節(jié)點(diǎn)視為無(wú)線系統(tǒng)中一些分布式天線的集合。利用這一觀點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)可以相互協(xié)作進(jìn)行分布式傳輸和信

9、息處理。一個(gè)協(xié)作節(jié)點(diǎn)對(duì)于源節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)可看做作一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)。因?yàn)橐陨系脑?，協(xié)作通信可以在從在源與目的節(jié)點(diǎn)之間產(chǎn)生類(lèi)似MIMO信道的獨(dú)立傳輸鏈路。它是利用無(wú)線信道廣播特性在節(jié)點(diǎn)間相互輔助的一種新的架構(gòu)，可以以一種分布式的方式來(lái)進(jìn)行通信處理，并能夠獲得在MIMO系統(tǒng)所得的一樣的優(yōu)勢(shì)。這樣的一種觀點(diǎn)能夠帶來(lái)不同的新通信技術(shù)以提高通信容量、速率和性能；降低電池?fù)p耗和延長(zhǎng)網(wǎng)路壽命；提高吞吐量和多接入方案的穩(wěn)定域；擴(kuò)展傳輸覆蓋圍。近年來(lái)，人們對(duì)協(xié)作通信系統(tǒng)進(jìn)行了許多研究。本文主要研究協(xié)作通信系統(tǒng)中選擇DF中繼協(xié)議。本文首先闡述了MIMO的概念以與在協(xié)作通信系統(tǒng)的應(yīng)用；其次，對(duì)中繼信道的概念和不同的中繼協(xié)議進(jìn)

10、行了討論；最后，對(duì)本文的重點(diǎn) ，選擇DF中繼的研究。關(guān)鍵詞：協(xié)作分集，協(xié)作協(xié)議，選擇DF中繼協(xié)議AbstractMultiple antenna system can improve the reliability and capacity of wireless communication. However, in practical applications, the physical conditions in the mobile terminals limit the application of MIMO technology. For example, the size of t

11、he mobile terminal, the power consumption, the set of multiple antennas locations. To overcome the limitations of the MIMO technology, it should be provided a new technology that beyond the Point-to-Point communications technology. A wireless network system usually is viewed as several collections o

12、f the communication between the nodes.But also,on the other hand, due to the existence of broadcast nature of wireless channel, we could regard the collection of distributed antennas in wireless system. Taking advantage of this point, nodes could be used for transferring and processing on the Intern

13、et. A cooperative node could be regard as a relay node for source node. Because of above of reasons, cooperative communication could be similar with independent transmission link between the source and destination node. It is a new set of architectural that making use of broadcast nature of wireless

14、 channel. It could deal with communication in the pattern of distributed antennas. It also could get the same advantages in the MIMO system. This point could bring different kinds of new communications technology. It could gain the capacity of communication,transmission rate and properties. It also

15、could reduce the deterioration of battery and prolong the life of the Internet, and improve throughput and the stability region of multiply address access project, and expand the coverage of transmission. In recent years, people do a lot of researching in cooperative communication system. This paper

16、 conducts research on DF selectionrelaying in cooperative communication system.At first, this paper explains the definition of MIMO and the application of it in cooperative communication system. In addition, discussing the concept of relay channel, and relaying protocol. Finally, do a research on DF

17、 selectionrelaying which the key is of this paper.KEY WORDS:cooperative diversity,cooperative protocols,select the DF relaying protocol第一章 緒論1.1協(xié)作通信系統(tǒng)中選擇DF中繼協(xié)議的意義、背景、現(xiàn)狀1.1.1意義無(wú)線通信技術(shù)在近二十年來(lái)獲得迅猛的進(jìn)步。它的發(fā)展離不開(kāi)眾多基礎(chǔ)技術(shù)，如集成電路、能量存儲(chǔ)以與天線技術(shù)的發(fā)展。近幾年來(lái)，被認(rèn)為對(duì)通信技術(shù)有巨大推動(dòng)作用的是MIMO技術(shù)。該技術(shù)在接收端和發(fā)射端使用多根天線，從而形成多條路徑，通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對(duì)多條路徑

18、傳送的信號(hào)進(jìn)行形成和合并，提高了接收信號(hào)的質(zhì)量和數(shù)據(jù)傳送速率。協(xié)作通信正是在MIMO的推動(dòng)下產(chǎn)生的，它把MIMO通信技術(shù)推廣到更多的應(yīng)用場(chǎng)景中。協(xié)作通信過(guò)程中一個(gè)很關(guān)鍵的方面就是對(duì)來(lái)自中繼的源節(jié)點(diǎn)的信息處理。不同的處理方案導(dǎo)致了不同的協(xié)作通信協(xié)議。協(xié)作通信一般可以分成固定中繼方案和自適應(yīng)中繼方案。中繼的處理根據(jù)所采用的協(xié)議而不同，有固定放大轉(zhuǎn)發(fā)（AF）中繼協(xié)議和固定譯碼轉(zhuǎn)發(fā)（DF）中繼協(xié)議。固定中繼具有便于實(shí)施的優(yōu)點(diǎn)，但其缺點(diǎn)是低的頻譜效率。為了克服這一問(wèn)題，可以采用自適應(yīng)中繼協(xié)議以提高有效性。自適應(yīng)中繼包括選擇中繼和增量中繼技術(shù)。研究協(xié)作通信系統(tǒng)中中繼協(xié)議，使得系統(tǒng)的誤碼率降低，從而使整個(gè)系

19、統(tǒng)的吞吐量增大。通過(guò)對(duì)通信協(xié)議的研究，來(lái)選擇最優(yōu)的通信協(xié)議，從而進(jìn)一步推動(dòng)了協(xié)作通信技術(shù)的演進(jìn)與發(fā)展。1.1.2背景隨著社會(huì)的進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)、程控交換、數(shù)字通信的發(fā)展，近些年來(lái)，移動(dòng)通信系統(tǒng)以其顯著的特點(diǎn)和優(yōu)越性能得以迅猛發(fā)展，應(yīng)用在社會(huì)的各個(gè)方面。無(wú)線通信的發(fā)展?jié)摿Υ笥谟芯€通信的發(fā)展，它不僅僅提供普通的業(yè)務(wù)功能，并能提供或即將提供豐富的多種業(yè)務(wù)，滿(mǎn)足用戶(hù)的需求，成為20世紀(jì)80年代中期以來(lái)發(fā)展最為迅速的通信方式?，F(xiàn)代移動(dòng)通信技術(shù)從模擬調(diào)制到數(shù)字調(diào)制經(jīng)歷了三代。第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)（1G）以模擬式蜂窩網(wǎng)為主要特征，采用頻分多址（FDMA）模擬調(diào)制方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)用戶(hù)的動(dòng)態(tài)尋址

20、功能，并以蜂窩式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和頻率規(guī)劃實(shí)現(xiàn)載頻復(fù)用，滿(mǎn)足擴(kuò)大覆蓋圍和滿(mǎn)足用戶(hù)數(shù)量增長(zhǎng)的需求。在信道動(dòng)態(tài)特性匹配上，適當(dāng)采用了性能較好的模擬調(diào)頻方式，并利用基站二重空間分集方式抵抗空間選擇性衰落。其主要代表有美國(guó)的AMPS、英國(guó)的TACS、北歐的NMT等。第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)(2G)以數(shù)字化蜂窩網(wǎng)為主要特征，采用時(shí)分多址、碼分多址數(shù)字調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)用戶(hù)的動(dòng)態(tài)尋址功能，以數(shù)字式蜂窩網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和頻率規(guī)劃實(shí)現(xiàn)載頻復(fù)用，并采用獨(dú)立信道傳送信令，從而提高了系統(tǒng)容量，使系統(tǒng)性能大為改善。第二代移動(dòng)通信技術(shù)采用了抗干擾性能優(yōu)良的數(shù)字式調(diào)制；GMSK（GSM）、QPSK(IS-95);采用性能優(yōu)良的抗干擾糾錯(cuò)編碼卷積

21、碼；卷積碼、級(jí)聯(lián)碼；采用功率控制技術(shù)抵抗慢衰落和遠(yuǎn)近效應(yīng)；此阿勇自適應(yīng)均衡和RAKE接收抗頻率選擇性衰落與多徑干擾；采用信道交織嗎、編碼，如采用幀間交織方式或塊交織方式抗時(shí)間選擇性衰落；采用空間或極化分集抗空間選擇性衰落。其主要代表有北美的DAMPS、IS-95CDMA和歐洲的GSM。雖然第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)和對(duì)于第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)已經(jīng)有了很大的改進(jìn)，但是第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)通常只提供低速率的語(yǔ)言業(yè)務(wù)。但社會(huì)信息化進(jìn)程越來(lái)越快，僅僅通話(huà)已不能滿(mǎn)足人們對(duì)信息交流的需要，除語(yǔ)音外，數(shù)據(jù)、圖形、圖像等各種信息都希望能隨時(shí)獲取和彼此相通，多媒體服務(wù)就變得越來(lái)越有必要。第三代無(wú)線通信系統(tǒng)以多媒體業(yè)務(wù)為主要特

22、征，支持速率100Mb/s的多媒體寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，在系統(tǒng)適配信道與用戶(hù)二重動(dòng)態(tài)特性的基礎(chǔ)上又引入了業(yè)務(wù)的動(dòng)態(tài)性。它繼續(xù)采用第二代所采用的行之有效的措施，對(duì)擴(kuò)頻方式中由于擴(kuò)頻碼性能的不理想帶來(lái)的多址干擾、遠(yuǎn)近效應(yīng)等采用了多用戶(hù) 檢測(cè)、智能天線、發(fā)端分集、空時(shí)編碼等；針對(duì)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)要求誤碼率低且實(shí)時(shí)性要求不高的特點(diǎn)，對(duì)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)此阿勇了性能更優(yōu)良的turbo碼。第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)與其下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)由于數(shù)據(jù)傳輸速率高，對(duì)分集技術(shù)等抗干擾手段提出了更高的要求。未來(lái)的無(wú)線通信系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)將是無(wú)處不在的，能實(shí)現(xiàn)任何時(shí)間、地點(diǎn)、任何業(yè)務(wù)的任意接入，能提供不同速率的多媒體業(yè)務(wù)。近幾年無(wú)線通信業(yè)務(wù)的激增是前所唯有的

23、。語(yǔ)音通信不再是人們需要的額唯一業(yè)務(wù)。高數(shù)據(jù)率業(yè)務(wù)、寬帶無(wú)線internet、游戲和許多其他業(yè)務(wù)近年來(lái)也一一出現(xiàn)。對(duì)多數(shù)未來(lái)無(wú)線系統(tǒng)，如移動(dòng)超寬帶、長(zhǎng)期演進(jìn)、IEEE802.16e都有希望在高寬帶信道上位每個(gè)用戶(hù)提高非常高的數(shù)據(jù)速率。例如，在未來(lái)幾年即將開(kāi)發(fā)的第四代無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中，如移動(dòng)寬帶無(wú)線多址，在下行鏈路長(zhǎng)可以達(dá)到260Mbps的峰值數(shù)據(jù)速率。然而，只有對(duì)滿(mǎn)秩MIMO用戶(hù)而言，這些數(shù)據(jù)速率才可以實(shí)現(xiàn)。更明確地說(shuō)，滿(mǎn)秩MIMO用戶(hù)必須在移動(dòng)終端上具有多天線，并且這些天線必須清楚位于基站出多天線的獨(dú)立信道的衰落情況。實(shí)際中，不是所有用戶(hù)都能保證如此高的額傳輸速率，因?yàn)樗鼈兓蛘卟荒茉谄湫⌒驮O(shè)備

24、中安裝多天線，或者由于傳播環(huán)境限制不能夠支持MIMO，比如沒(méi)有足夠多的散射。為了克服上述在未來(lái)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中MIMO增益實(shí)現(xiàn)的限制，我們必須考慮在傳統(tǒng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信之上的新技術(shù)。而協(xié)作通信這種新的通信方式，通過(guò)引入中繼信道，它在用戶(hù)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直接信道的一種輔助信道。因?yàn)橹欣^節(jié)點(diǎn)常常據(jù)源節(jié)點(diǎn)有幾個(gè)波長(zhǎng)的距離，所以中繼信道與直接信道間的衰落獨(dú)立，這就再源和目的端間引入了一個(gè)滿(mǎn)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)輻射出的有用能量的節(jié)點(diǎn)會(huì)有一些先驗(yàn)的限制。新的用戶(hù)協(xié)作例是這樣的：通過(guò)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(tīng)

25、到的傳輸信號(hào)，并且通過(guò)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。因此，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)中所有用戶(hù)都產(chǎn)生高數(shù)據(jù)速率的第四代無(wú)線系統(tǒng)而言，協(xié)作通信是一種新的手段，它將會(huì)成為第五代無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)。1.1.3現(xiàn)狀協(xié)作通信是一種新的通信方式，它把MIMO通信技術(shù)推廣到更多的應(yīng)用場(chǎng)景中。在這種新的通信方式中，分散在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的終端可以看做分布式天線。通過(guò)這些節(jié)點(diǎn)的協(xié)作，增加了系統(tǒng)的分級(jí)增益從而獲得了類(lèi)似MIMO系統(tǒng)中的增益。 在文獻(xiàn)1和2中，Laneman等提出了不同的協(xié)作分集協(xié)議并

26、分析了他們的中斷性能。譯碼轉(zhuǎn)發(fā)和放大轉(zhuǎn)發(fā)的概念就出自這兩篇文章。當(dāng)采用譯碼轉(zhuǎn)發(fā)，每個(gè)中繼接收源發(fā)送的信號(hào)并進(jìn)行譯碼，然后將譯碼后的信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)給目的，目的將接受到的所有副本進(jìn)行合理的合并。放大轉(zhuǎn)發(fā)是個(gè)更加簡(jiǎn)單的技術(shù)，中繼放大接收到的信號(hào)并向目的轉(zhuǎn)發(fā)。這種技術(shù)下，盡管噪聲隨著信號(hào)一起被放大，但仍然能夠從來(lái)自空間獨(dú)立的兩個(gè)信道的信號(hào)中獲得空間分集。Sendonaris等在文獻(xiàn)3提出了用戶(hù)協(xié)作分集的概念。另一種獲得分集的技術(shù)是Hunter等在文獻(xiàn)4中介紹的將糾錯(cuò)碼引入?yún)f(xié)作的編碼協(xié)作。 近年來(lái)一些研究者研究了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的容量度量問(wèn)題。Gupta和Kumar的原創(chuàng)工作激發(fā)了很多人對(duì)這個(gè)問(wèn)題的思考。他們所建模型

27、的局限在與不允許網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)作，因此，如果節(jié)點(diǎn)接收到的信號(hào)不是自己需要的信號(hào)，則將其作為干擾。而協(xié)作則受益于信道的廣播特性，利用這個(gè)優(yōu)勢(shì)，它將不再把監(jiān)聽(tīng)到的信號(hào)當(dāng)做干擾。在另外一篇論文所總結(jié)的最近的工作中，Aeron和Saligrama提出了分布式合作方案，該方案帶來(lái)了比傳統(tǒng)多跳方案更高的吞吐量。 任何一種新技術(shù)的出現(xiàn)，必然會(huì)帶來(lái)一些新的問(wèn)題，協(xié)作通信業(yè)不例外。雖然協(xié)作通信的研究已取得很多的突破，但仍有不少問(wèn)題需要進(jìn)一步探討和改進(jìn)，以達(dá)到更好的性能。 第一，同步問(wèn)題。目前大多數(shù)協(xié)作通信的文獻(xiàn)都假定系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)精確同步，即協(xié)作者之間、協(xié)作者和目的端之間都是同步的，但這在實(shí)際中是難以做到的。與有線

28、同步網(wǎng)絡(luò)不通，協(xié)作通信中同一信息是由多個(gè)協(xié)作者發(fā)往目的端的。如果多個(gè)協(xié)作者到目的端的時(shí)延不同，則協(xié)作者之間的同步問(wèn)題與協(xié)作者和目的端的同步問(wèn)題是相互矛盾的。以現(xiàn)有額同步機(jī)制，如果做到了多個(gè)協(xié)作者間的同步，就很難做到目的端與協(xié)作者間的同步，反之亦然。 第二，功率分配問(wèn)題?，F(xiàn)在的研究大多數(shù)采用等功率分配法，認(rèn)為各個(gè)移動(dòng)終端有著一樣的發(fā)射功率。如果使移動(dòng)終端根據(jù)上行信道或者協(xié)作伙伴的信道狀態(tài)自適應(yīng)地調(diào)整發(fā)送功率，從而更好地提升性能呢？更進(jìn)一步，如何在已有基礎(chǔ)的協(xié)作網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行功率控制，使干擾最小化這些問(wèn)題仍未有令人滿(mǎn)意的解決方案。 第三，頻率選擇性衰落信道下的協(xié)作通信問(wèn)題。到目前為止，絕大多數(shù)的協(xié)作通

29、信研究工作都假設(shè)信道是平坦衰落的。然而，在實(shí)際的通信系統(tǒng)中，特別是對(duì)于搞數(shù)據(jù)率和高移動(dòng)性的通信系統(tǒng)，信道是頻率選擇性衰落的。能否將現(xiàn)有研究成果移植到頻率選擇性衰落信道中，頻率選擇性信道中的協(xié)作通信有什么特殊的研究容，這些問(wèn)題都急待解決。 第四，基站的改進(jìn)。協(xié)作通信技術(shù)的引入會(huì)導(dǎo)致基站的接收復(fù)雜度提升，因此開(kāi)展關(guān)于協(xié)作方案中的信道估計(jì)和先好檢測(cè)等方面的研究很有必要。 第五，伙伴選擇問(wèn)題。在一個(gè)多用戶(hù)的環(huán)境中怎樣劃分各個(gè)終端的協(xié)作伙伴，既然是移動(dòng)終端，當(dāng)它們的相對(duì)位置改變時(shí)又該如何或者說(shuō)應(yīng)該隔多久的時(shí)間重新劃分一次協(xié)作伙伴這方面雖然已經(jīng)有了一些相關(guān)的解決方案，但選用的網(wǎng)絡(luò)模型相對(duì)比較簡(jiǎn)單，有待補(bǔ)充

30、和擴(kuò)展。第六，協(xié)作的時(shí)機(jī)問(wèn)題?，F(xiàn)在的文獻(xiàn)往往只關(guān)注協(xié)作帶來(lái)的增益，極少有考慮協(xié)作通信的必要性，似乎協(xié)作在任何場(chǎng)景下都能帶來(lái)好處。事實(shí)上，無(wú)論什么技術(shù)都有它難以克服的缺陷，只有使用得當(dāng)才能充分發(fā)揮其積極作用。第七，協(xié)作通信的推廣和應(yīng)用。今后協(xié)作通信還可用于異構(gòu)融合的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，形成一種全新的智能化的網(wǎng)絡(luò)，這其中存在多用戶(hù)、多網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)作問(wèn)題，問(wèn)題的關(guān)鍵在于采用什么樣的策略盡可能公平地對(duì)待所有用戶(hù)和網(wǎng)絡(luò)，如何盡量減少系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)，以與如何更靈活地去適應(yīng)各類(lèi)網(wǎng)絡(luò)的接入?yún)f(xié)議等。這些相關(guān)的研究目前仍然處在初級(jí)階段，有很多的工作等待開(kāi)展和討論。1.2本論文所做的工作 本文主要研究協(xié)作通信系統(tǒng)中選擇DF中繼協(xié)議

31、。分析在不同的協(xié)作協(xié)議下，通信系統(tǒng)的性能狀況。 本文所做的工作分為以下幾個(gè)方面：1.討論本次研究的意義、背景、現(xiàn)狀。2.了解MIMO的基礎(chǔ)知識(shí)。3.分析各協(xié)議的基本原理,主要研究選擇DF中繼協(xié)議。第二章 MIMO技術(shù)以與協(xié)作分集分集技術(shù)提供多個(gè)理想獨(dú)立的信號(hào)路徑，通過(guò)在源和目的端提供多個(gè)信號(hào)路徑可減輕衰落影響的一種技術(shù)。分集技術(shù)已廣泛應(yīng)用無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中。本章主要對(duì)空間分集、頻率分集、時(shí)間分集這三種典型的分集技術(shù)進(jìn)行分析。2.1 MIMO技術(shù)的提出與發(fā)展無(wú)線通信已經(jīng)經(jīng)歷了飛速的發(fā)展演進(jìn)，其發(fā)展離不開(kāi)眾多基礎(chǔ)技術(shù)。近幾年，被公認(rèn)為對(duì)通信技術(shù)有巨大推動(dòng)作用的是MIMO技術(shù)。MIMO技術(shù)在接收端和發(fā)射

32、端使用多根天線，從而形成多條路徑，通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對(duì)多條路徑傳送的信號(hào)進(jìn)行形成和合并，提高了接收信號(hào)的質(zhì)量和數(shù)據(jù)傳輸速率。 由于傳播媒介帶來(lái)的有害因素，無(wú)線通信成為一種極具挑戰(zhàn)性的工作。無(wú)線衰落信道所呈現(xiàn)的挑戰(zhàn)隨著時(shí)間的推移不斷發(fā)生變化。在通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，源和目的端之間的單一信號(hào)路徑可能出現(xiàn)嚴(yán)重衰落，因此需要通過(guò)增加信道編碼部分的糾錯(cuò)能力、降低傳輸速率、使用更精密的探測(cè)器等技術(shù)進(jìn)行解決。然而，這些解決辦法對(duì)于許多實(shí)際路徑的實(shí)現(xiàn)來(lái)講遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。2.2協(xié)作分集技術(shù)無(wú)線通信發(fā)展至今,隨著人們對(duì)高速率數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和服務(wù)質(zhì)量的需求不斷提高要求下一代的無(wú)線通信系統(tǒng)能夠提供更高的傳輸效率和質(zhì)量更高的無(wú)線覆蓋

33、。然而無(wú)線信道固有的衰落特性會(huì)導(dǎo)致信號(hào)傳輸質(zhì)量嚴(yán)重下降。為了對(duì)抗無(wú)線信道的衰落,提高系統(tǒng)的傳輸可靠性,在無(wú)線通信系統(tǒng)中廣泛使用分集技術(shù)。分集的基本原理是發(fā)送端通過(guò)多個(gè)信道,如時(shí)間、頻率或者空間發(fā)送信息和接收端接收到承載一樣信息且在統(tǒng)計(jì)上相互獨(dú)立或近似獨(dú)立的多個(gè)副本,對(duì)多個(gè)副本加以有效且可靠的利用從而對(duì)抗信道衰落。多輸入多輸出MIMO系統(tǒng)通過(guò)發(fā)送端和/或接收端配置的多根天線，可以實(shí)現(xiàn)空間分集，并且可以有效地提高系統(tǒng)的頻譜效率和數(shù)據(jù)傳輸速率,已經(jīng)被認(rèn)為是新一代無(wú)線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。然而令人遺憾的是,在實(shí)際無(wú)線通信系統(tǒng)中,通常只在基站端配置多根天線,而對(duì)于移動(dòng)終端,由于體積、重量以與功耗等方面

34、的限制,在其上配置多根天線難以實(shí)現(xiàn)。 為了解決這個(gè)問(wèn)題實(shí)現(xiàn)移動(dòng)終端的發(fā)送分集,產(chǎn)生了一種新的空間分集形式協(xié)作分集。分集增益通過(guò)網(wǎng)移動(dòng)終端的相互協(xié)作獲得網(wǎng)多個(gè)移動(dòng)終端組成協(xié)作伙伴,協(xié)作伙伴之間對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行中繼轉(zhuǎn)發(fā),即每個(gè)移動(dòng)終端都不僅發(fā)送自己的信息,還要發(fā)送協(xié)作“伙伴”的信息。通過(guò)使用“伙伴”的天線來(lái)發(fā)送經(jīng)歷獨(dú)立衰落的副本,從而使單天線的移動(dòng)終端也可以實(shí)現(xiàn)空間分集。 對(duì)于協(xié)作“伙伴”之間如何相互處理自己和“伙伴”的信息問(wèn)題,需要設(shè)計(jì)具體的協(xié)作協(xié)議,以盡可能地利用有用信息,消除干擾,在處理復(fù)雜度較低的情況下有效提高系統(tǒng)的可靠性。然而,由于不同的協(xié)作協(xié)議具有不同的差錯(cuò)性能,且側(cè)重點(diǎn)以與適合的場(chǎng)景不同,

35、有必要對(duì)各種協(xié)作協(xié)議進(jìn)行具體的分析研究。2.2無(wú)線信道的分集2.2.1空間分集我們知道在移動(dòng)通信中，空間略有變動(dòng)就可能出現(xiàn)較大的場(chǎng)強(qiáng)變化.當(dāng)使用兩個(gè)接收信道是,它們受到的衰落影響是不相關(guān)的,因此這一設(shè)想引出了利用兩幅接收天線的方案,獨(dú)立接收同一信號(hào),再合并輸出,衰落的程度能被大減少,這就是空間分集. 空間分集分為空間分集發(fā)送和空間分集接收兩個(gè)系統(tǒng).其中空間分集接收時(shí)在空間不同的垂直高度上設(shè)置幾幅天線,同時(shí)接收一個(gè)發(fā)射天線的微波信號(hào),然后合成或選擇其中一個(gè)強(qiáng)信號(hào),這種方式稱(chēng)為空間分集接收.空間分集接收時(shí)利用多幅接收天線來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在發(fā)射端采用一副天線發(fā)射，而在接收端采用多幅天線接收。接收端天線之間

36、的距離d ，以保證接收天線輸出信號(hào)的衰落特性是相互獨(dú)立的，也就是說(shuō)，當(dāng)某一幅接收天線的輸出信號(hào)很低時(shí)，其它接收天線的輸出則不一定在這同一時(shí)刻也出現(xiàn)幅度低的現(xiàn)象，經(jīng)相應(yīng)的合并電路從中選出信號(hào)幅度較大、信噪比最佳的一路，得到一個(gè)總的接收天線輸出信號(hào)。這樣就降低了信道衰落的影響，改善了傳輸?shù)目煽啃浴？臻g分集接收的優(yōu)點(diǎn)是分集增益高，缺點(diǎn)是還需要另外單獨(dú)的接收天線。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，近年來(lái)又生產(chǎn)出定向雙極化天線。2.2.2時(shí)間分集信道想干時(shí)間等于或者超過(guò)幾個(gè)符號(hào)傳輸時(shí)間的通信環(huán)境相當(dāng)普遍。這意味著在遠(yuǎn)大于相干時(shí)間的獨(dú)立時(shí)間，兩個(gè)符號(hào)將經(jīng)歷高度相關(guān)的信道實(shí)現(xiàn)，因此可以用來(lái)獲得分集。時(shí)間分集就是將同一信號(hào)在

37、不同的時(shí)間區(qū)間多次重發(fā)，只要歌詞發(fā)送的時(shí)間間隔足夠大，則各次發(fā)送信號(hào)所出現(xiàn)的衰落將是相互獨(dú)立的，接收端可以收到不相干的衰落信號(hào)。時(shí)間分集正是利用這些衰落在統(tǒng)計(jì)上互不相關(guān)的特點(diǎn)。2.2.3頻率分集類(lèi)似于時(shí)間分集，在那些可用帶寬超過(guò)相干帶寬的寬帶系統(tǒng)中個(gè)，通過(guò)使用被分割為可用帶寬，而且在信道帶寬一致性基礎(chǔ)上相互分開(kāi)的信道可以實(shí)現(xiàn)頻率分集。在頻率分集中，使用許多不同的頻率發(fā)射一樣的信息。實(shí)現(xiàn)可以將待發(fā)送的信息分別調(diào)制在頻率不相關(guān)的載波上發(fā)射，所謂頻率不相關(guān)的載波是指當(dāng)不同的載波之間的間隔大于頻率相干區(qū)間，即載波頻率的間隔應(yīng)滿(mǎn)足 (2.1)式中，為載波頻率間隔，為相關(guān)帶寬，為最大多徑時(shí)延差。如果發(fā)射頻

38、率的間隔是信道相干寬帶的幾倍以上，這樣就能保證不同頻率的衰落統(tǒng)計(jì)特性是互不相關(guān)的，不同傳播環(huán)境的相干帶寬不同。當(dāng)信道的相干帶寬較小時(shí)，頻率分集效果明顯。2.3 協(xié)作分集技術(shù)之間的比較時(shí)間分集與空間分集相比較，優(yōu)點(diǎn)是減少接收天線與相應(yīng)設(shè)備的數(shù)目，缺點(diǎn)是占用時(shí)隙資源增大了開(kāi)銷(xiāo)，降低了傳輸效率。頻率分集與空間分集相比較，其優(yōu)點(diǎn)是在接收端可以減少接收天線與相應(yīng)設(shè)備的數(shù)量，缺點(diǎn)是要占用更多的頻帶資源。頻率分集和時(shí)間分集技術(shù)雖然可以對(duì)抗無(wú)線信道的衰落，提高系統(tǒng)的性能，但并不是在任何情況下，這兩種分集方式都是有效的。如對(duì)于時(shí)延敏感的慢衰落系統(tǒng)，時(shí)間交織會(huì)引入較大的信號(hào)處理時(shí)延，所以對(duì)時(shí)延敏感的業(yè)務(wù)不適合采用

39、時(shí)間分集。當(dāng)信道的相干帶寬大于傳輸信號(hào)的帶寬或信道的多徑時(shí)延擴(kuò)展遠(yuǎn)小于信號(hào)周期時(shí)，頻率分集又顯得無(wú)能為力。雖然空間分集具有優(yōu)良的性能，但也有它的缺點(diǎn)，需要在分集端假設(shè)多跟天線，并且對(duì)天線之間的距離有一定的限制，這對(duì)體積較小的移動(dòng)終端來(lái)講是一個(gè)難題。2.4協(xié)作通信近幾年無(wú)線通信業(yè)務(wù)的激增是前所未有的,為了滿(mǎn)足高速率多媒體通信的需求,不僅要提高數(shù)據(jù)的傳輸速率,還有調(diào)高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,避免衰落.其中,無(wú)線通信中的環(huán)境的特殊性決定了協(xié)作分集的重要性.其中空間分集技術(shù)由于無(wú)需占用額外的時(shí)間和頻率資源的特性,而受到廣泛的關(guān)注,使用空間分集技術(shù)的MIMO系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用。協(xié)作通信的產(chǎn)生,它把MIMO

40、通信技術(shù)推廣到更多的應(yīng)用場(chǎng)景中.在這種新的通信方式中,分散在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的終端可以看做分布式天線.通過(guò)這些節(jié)點(diǎn)的協(xié)作,增加了系統(tǒng)的分集增益從而獲得了類(lèi)似MIMO系統(tǒng)中的增益。第三章 協(xié)作通信中各協(xié)作協(xié)議協(xié)作分集技術(shù)不僅可以克服移動(dòng)終端配置單天線無(wú)法實(shí)現(xiàn)空間分集的限制,還可以有效地增大系統(tǒng)容量、擴(kuò)大無(wú)線通信的覆蓋圍。對(duì)于無(wú)線通信系統(tǒng)中的通信終端，存在兩種基本的工作模式，即半雙工模式和全雙工模式。在半雙工模式下，節(jié)點(diǎn)通過(guò)不同的時(shí)隙或頻率接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，但節(jié)點(diǎn)不能同時(shí)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)；而在全雙工模式下，節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。在實(shí)際的協(xié)作通信系統(tǒng)中，工作在半雙工模式下節(jié)點(diǎn)相對(duì)于公仔全雙工模式下的節(jié)點(diǎn)

41、實(shí)現(xiàn)更簡(jiǎn)單，相應(yīng)的協(xié)作協(xié)議實(shí)現(xiàn)更容易，復(fù)雜度也比較低，但全雙工通信系統(tǒng)比半雙工通信系統(tǒng)有更大的系統(tǒng)容量。協(xié)作通信過(guò)程中一個(gè)很關(guān)鍵的方面就是對(duì)來(lái)自中繼的源節(jié)點(diǎn)的信息處理.不同的處理方案導(dǎo)致了不同的協(xié)作通信協(xié)議。3.1協(xié)作協(xié)議在本章，我們僅考慮網(wǎng)絡(luò)中只存在一個(gè)中繼協(xié)助源節(jié)點(diǎn)的發(fā)送。多中繼情形將在后面的章節(jié)中進(jìn)行討論。通常一個(gè)中繼策略可以被建模成啷個(gè)正交的階段，或者通過(guò)TDMA，或者通過(guò)FDMA，以避免兩階段之間產(chǎn)生干擾。階段1，源發(fā)送信息到目的，同時(shí)，中繼也接收到源發(fā)送的信息。階段2，中繼2通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)或者重新發(fā)送源的信息來(lái)幫助源。圖3.1 簡(jiǎn)化協(xié)作模型(3.1)(3.2)其中，p是源的發(fā)射功率；x是

42、發(fā)送的信息符號(hào)；，是加性噪聲。在式(3.1)和式(3.2)中，分別是源到目的源和源到中繼的信道系數(shù)。他們分別被建模成零均值且方差為和的復(fù)高斯隨機(jī)變量。噪聲和被建模為零均值且方差為的復(fù)高斯隨機(jī)變量。階段2，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)為其中，函數(shù)取決于中繼節(jié)點(diǎn)所采用的處理方式。3.2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方式劃分.最常用的技術(shù)是固定AF中繼和固定DF中繼.3.2.1固定放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議AF協(xié)議(固定放大轉(zhuǎn)發(fā)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。 中斷概率為(3.3) 高信噪比下的中斷概率為(3.4)3.2.2固定譯碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼

43、協(xié)議DF協(xié)議(固定譯碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼協(xié)議):將接收到的信號(hào)譯碼并重新編碼后發(fā)送給接收機(jī).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(shì)，但是它有可能向目的端轉(zhuǎn)發(fā)錯(cuò)誤的信號(hào)，這就導(dǎo)致了錯(cuò)誤傳播，進(jìn)而降低系統(tǒng)性能。中斷概率為(3.5)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，則在高信噪比下，譯碼轉(zhuǎn)發(fā)的中斷概率為(3.6)固定中繼具有易于實(shí)施的優(yōu)勢(shì)，但是也存在頻譜效率低的劣勢(shì)。這是因?yàn)橛幸话氲男诺蕾Y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)源到目的的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。3.2.3其他

44、協(xié)作策略除了這兩種最常用的固定中繼技術(shù),還有其他的中繼技術(shù)也值得關(guān)注,例如壓縮轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議和編碼協(xié)作壓縮轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作和譯碼/放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作最主要的區(qū)別在與后者的中繼轉(zhuǎn)發(fā)的是接收信號(hào)的副本,而壓縮轉(zhuǎn)發(fā)的中繼轉(zhuǎn)發(fā)的是接收信號(hào)量化與壓縮后的版本. 編碼協(xié)作不同于前述方案的地方在于這種協(xié)作應(yīng)用在信道編碼這個(gè)層面上。3.3自適應(yīng)協(xié)作策略3.3.1選擇性DF中繼選擇性DF中繼:如果中繼接收到的信號(hào)的信噪比超過(guò)了某個(gè)門(mén)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.反之,如果源和中繼之間的信道遭受到了嚴(yán)重的衰落,以至于接收信噪比落到門(mén)限值以下,則中繼不進(jìn)行任何操作.選擇DF中繼的中斷概率為(3.7) 上式中所有的隨即

45、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(xiě)成(3.8)3.3.2增量中繼增量中繼: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).在增量中繼時(shí)，如果源在階段1發(fā)送成功，則沒(méi)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(lái)轉(zhuǎn)發(fā)源在階段1的信息。在這里，我們主要關(guān)注中繼采用AF協(xié)議。中斷概率為(3.9)高信噪比下，中斷概率為(3.10)總的來(lái)說(shuō),自適應(yīng)中繼技術(shù)性能優(yōu)于固定中繼技術(shù),應(yīng)為它需要額外的信息來(lái)完成協(xié)

46、議.例如,選擇中繼需要知道接收信噪比,增量中繼需要知道來(lái)自目的端的反饋.另一方面,相比于自適應(yīng)中繼,固定中繼更易于實(shí)施,因?yàn)榍罢咝枰~外的開(kāi)銷(xiāo).因此,這最終是一個(gè)性能和復(fù)雜度的折中。3.4分級(jí)協(xié)作因?yàn)轭l譜資源的珍貴，未來(lái)無(wú)線系統(tǒng)力爭(zhēng)達(dá)到高的帶寬效率，例如在單位信道資源上傳輸更多的比特。一個(gè)評(píng)估通信方案效率的好的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)：隨著網(wǎng)絡(luò)中用戶(hù)密度的增大，如何對(duì)網(wǎng)絡(luò)容量進(jìn)行衡量。這一小節(jié)將研究協(xié)作通信對(duì)網(wǎng)絡(luò)容量的影響。3.4.1網(wǎng)絡(luò)模型 我們考慮一個(gè)具有n個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)，這些節(jié)點(diǎn)均勻分布在單位面積。網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)要能發(fā)送自己的信息，也能接收別的節(jié)點(diǎn)的信息，即每個(gè)節(jié)點(diǎn)即是源也是目的。這些源和目的隨即配對(duì)，并

47、且該配對(duì)在整個(gè)通信過(guò)程中保持不變。假設(shè)每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有一樣的流量R（n），平均發(fā)射功率為P。假設(shè)信道是平坦的，帶寬為W Hz且載波頻率。節(jié)點(diǎn)i和k之間的信道建模如下：(3.11)其中， 是均勻分布的隨機(jī)過(guò)程，取值在0和2 之間。假設(shè)相移 是平穩(wěn)的和各態(tài)歷經(jīng)性的，且各個(gè)節(jié)點(diǎn)的相移是互相獨(dú)立的。這里 表示節(jié)點(diǎn)i和k之間的距離，假設(shè)它是與相位 相互獨(dú)立的，并且在整個(gè)通信過(guò)程中保持不變。同樣， 表示路徑衰落指數(shù)，G表示發(fā)射與接收端的天線增益。上面的信道模型符合遠(yuǎn)場(chǎng)假設(shè)。因?yàn)槿魏喂?jié)點(diǎn)的小的位移不會(huì)對(duì)間距產(chǎn)生大的影響，因此假設(shè)固定是合理的。另一方面，相移是根據(jù)波長(zhǎng)來(lái)測(cè)量的，因此任何小的節(jié)點(diǎn)位置的移動(dòng)都會(huì)改變接

48、收到的信號(hào)的相移。節(jié)點(diǎn)i在時(shí)隙m接收到的信號(hào)為(3.12)其中， 是節(jié)點(diǎn)k在時(shí)隙m發(fā)射的信號(hào)， 是方差為的加性高斯白噪聲。因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有R(n)的流量要發(fā)送，則網(wǎng)絡(luò)總的吞吐量為(3.13)兩個(gè)有趣的問(wèn)題是，最大可達(dá)的總吞吐量是多少？它隨著節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)是怎么變化的？更進(jìn)一步，什么樣的通信方案能夠達(dá)到這個(gè)總吞吐量。最近已有證明顯示，多跳傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)容量上界如下所示：(3.14)這意味著每條鏈路的流量可以測(cè)量為(3.15)因此每個(gè)節(jié)點(diǎn)的吞吐量隨著節(jié)點(diǎn)密度的增大而減少。這樣的網(wǎng)絡(luò)測(cè)量是否是最佳的呢？或者這是不是最鄰近多跳傳輸?shù)臉O限呢？答案是，在最鄰近多跳傳輸?shù)募僭O(shè)下，式中的網(wǎng)絡(luò)測(cè)量確實(shí)是最鄰近多跳

49、傳輸?shù)囊粋€(gè)結(jié)果，這是因?yàn)檫@樣的度量導(dǎo)致了干擾有限。3.4.2分級(jí)協(xié)作協(xié)議描述首先，我們考慮一個(gè)具有n個(gè)均勻分布節(jié)點(diǎn)的單位面積網(wǎng)絡(luò)的最有網(wǎng)絡(luò)測(cè)量的上界。對(duì)于具有n個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)，總的網(wǎng)絡(luò)吞吐量上界為(3.16)這就意味著一個(gè)具有n個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)容量的度量的上界與節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)呈對(duì)數(shù)關(guān)系。話(huà)說(shuō)，如果存在一個(gè)方案能夠得到線性容量度量，那么該方案是最優(yōu)的?，F(xiàn)在我們討論本節(jié)關(guān)注的分級(jí)協(xié)作協(xié)議。分級(jí)方案是基于分簇和簇間的遠(yuǎn)距離MIMO傳輸。這可以達(dá)到兩個(gè)目標(biāo)：使用分簇能夠獲得空間重用。這是因?yàn)榉蛛x的簇可以并行工作。并行工作時(shí)，各簇的節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)他們對(duì)別的簇產(chǎn)生的干擾來(lái)降低發(fā)射功率。使用遠(yuǎn)距離MIMO、我們可以達(dá)到高

50、的空間復(fù)用增益。網(wǎng)絡(luò)被分成每個(gè)包含M個(gè)節(jié)點(diǎn)的簇。節(jié)點(diǎn)s首先將自己的比特發(fā)送給本簇里的其他M-1個(gè)節(jié)點(diǎn)。簇中M個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成分布式MIMO傳輸，把源s的比特發(fā)送給它的目的端，這個(gè)目的端有可能在另外的簇中。目的端所在的簇構(gòu)成一個(gè)MIMO接收機(jī)。接收簇中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)將量化接收到的觀察值，并把它轉(zhuǎn)發(fā)給目的。階段1：建立發(fā)送協(xié)作在這個(gè)階段，每個(gè)節(jié)點(diǎn)獎(jiǎng)信息發(fā)布給本簇的其他節(jié)點(diǎn)，如圖3.1所示，源節(jié)點(diǎn)將自己的比特發(fā)送給本簇的鄰居節(jié)點(diǎn)。圖3.2 階段1的描述。每個(gè)源將自己的比特分發(fā)給同簇的節(jié)點(diǎn)我們考慮一個(gè)具體的源節(jié)點(diǎn)。該源將LM個(gè)比特分成M塊，每塊L個(gè)比特。源如何將這M塊分發(fā)給簇的其他節(jié)點(diǎn)依賴(lài)于目的和

51、源的相對(duì)距離。具體來(lái)講：如果源節(jié)點(diǎn)和它的目的節(jié)點(diǎn)要么在同一簇要么它們分別所在的簇沒(méi)有相鄰，那么源保留1個(gè)比特塊并將其它M-1個(gè)塊發(fā)送給同簇其它M-1個(gè)節(jié)點(diǎn)。如果源節(jié)點(diǎn)和它的目的節(jié)點(diǎn)在相鄰的簇，那么源所在的簇被分成兩部分，一部分離目的節(jié)點(diǎn)所在的簇較近，另一部分離目的節(jié)點(diǎn)所在的簇較遠(yuǎn)。源節(jié)點(diǎn)的M塊比特就在遠(yuǎn)離目的簇的M/2個(gè)節(jié)點(diǎn)間分發(fā)。因此，在極限情況下，我們發(fā)送LM個(gè)比特塊需要2M次會(huì)話(huà)。階段2：MIMO傳輸 這一階段采用了遠(yuǎn)程MIMO傳輸，如圖3.2 所示。每個(gè)節(jié)點(diǎn)將階段1從源節(jié)點(diǎn)接收到的L個(gè)比特進(jìn)行獨(dú)立編碼。編碼后的碼字包含C個(gè)符號(hào)，每個(gè)符號(hào)是高斯分布。平均發(fā)射功率上限為，其中

52、是源簇與目的簇的中心間距。目的簇的節(jié)點(diǎn)量化所接收到的信號(hào)并存儲(chǔ)，他們并沒(méi)有進(jìn)行譯碼。這一步MIMO傳輸需要C或者2C次傳輸，具體取決于階段1中描述的目的與源之間的之間。所有的節(jié)點(diǎn)都完成這一步最多需要2nC次傳輸。圖3.3 階段2的遠(yuǎn)程MIMO傳輸?shù)拿枋鲭A段3：協(xié)作譯碼前一階段，每個(gè)觀察值都被量化成Q個(gè)比特。因?yàn)槊總€(gè)節(jié)點(diǎn)從前一階段接收到了CM個(gè)符號(hào)，最后傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)為CMQM。每個(gè)節(jié)點(diǎn)需要將自己的流量分散給同簇的其他節(jié)點(diǎn)，這個(gè)可以通過(guò)階段1中描述的方案實(shí)現(xiàn)。注意，取決于源和目的是否在相鄰的簇，我們每2C次觀察包含的M/2個(gè)節(jié)點(diǎn)，或者每C次觀察包含的M個(gè)節(jié)點(diǎn)。當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)與源節(jié)點(diǎn)在同一

53、個(gè)簇例外。在這種情況下，簇的每個(gè)節(jié)點(diǎn)有L比特的原始數(shù)據(jù)但是沒(méi)有MIMO接收信號(hào)，因?yàn)檫@里沒(méi)有階段2.假設(shè)L2.節(jié)點(diǎn)i接收到的信號(hào)為(3.17)假設(shè)是一組不相關(guān)的零均值且各態(tài)歷經(jīng)的平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程,功率上界為 (3.18) 常數(shù)與n獨(dú)立.我們有下面的結(jié)論. 對(duì)于某個(gè)常數(shù),其獨(dú)立于n,如果存在一個(gè)方案能夠以至少的概率達(dá)到總吞吐量 (3.19)且每個(gè)節(jié)點(diǎn)所需要的平均功率的上界為P/n,則能夠構(gòu)造出另外的一種方案是,網(wǎng)絡(luò)達(dá)到一個(gè)更高的總吞吐量,為(3.20)第二個(gè)方案失敗的概率上界為.然而,每個(gè)節(jié)點(diǎn)所需要的平均功率上界仍然為P/n.階段1的分析 正如之前描述的,一簇中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)將自己的數(shù)據(jù)分成LM比特,因

54、此每簇的總流量為L(zhǎng)MM比特,對(duì)于源和目的處于相鄰的特殊情況,源需要2M次會(huì)話(huà)來(lái)完成傳輸.每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)簇的大小調(diào)整自己的功率:.這樣做的主要原因是為了允許簇的并行操作,這就導(dǎo)致了每個(gè)節(jié)點(diǎn)處的有限干擾,然后根據(jù)引理（3.11），對(duì)某個(gè),達(dá)到每次會(huì)話(huà)的總吞吐量的所有條件都能滿(mǎn)足。這個(gè)總吞吐量能夠以高于的概率達(dá)到。因?yàn)槊總€(gè)簇和n/M簇最多有2M次會(huì)話(huà)，通過(guò)一致界，這個(gè)吞吐量能以的概率達(dá)到。 在這樣的總吞吐量下，每次會(huì)話(huà)所需要的最多信道利用數(shù)位=(3.21) 因?yàn)槲覀冏疃嘤?M次會(huì)話(huà)，考慮到9-TDMA方案，完成具有n個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)在階段1中的全部傳輸總共需要的信道利用數(shù)為(3.22)階段2的分析這一階段

55、產(chǎn)生遠(yuǎn)程MIMO傳輸。正是這一步使得該協(xié)議能夠達(dá)到高的容量度量。因?yàn)椴捎昧薓IMO傳輸，所以，吞吐量與最小發(fā)射和接收天線個(gè)數(shù)呈線性關(guān)系。在階段1，每個(gè)源的信息向目的端發(fā)送的時(shí)候其他源都是靜止的。因?yàn)檫@表示了一種TDMA方案，即網(wǎng)絡(luò)中的所有源順序發(fā)送，但是該方案與單純TDMA的主要區(qū)別在與發(fā)送的時(shí)候，其所在簇的其他節(jié)點(diǎn)會(huì)通過(guò)發(fā)送前一階段接收到的源的信息來(lái)協(xié)助源的發(fā)送。這就在源簇構(gòu)成了一個(gè)虛擬的M維天線陣。同時(shí)，目的簇的所有M個(gè)節(jié)點(diǎn)協(xié)助接收所發(fā)送的信息。每個(gè)節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)量化后接收信息，以便稍后轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點(diǎn)。因此就構(gòu)成了分布式的接收天線陣列。正如前面所述，每個(gè)源簇的節(jié)點(diǎn)將階段1接收到的L比特編碼成C個(gè)

56、符號(hào)。這個(gè)碼字的平均功率限制是，其中是源簇與目的簇的中心距離。在源和目的處于相鄰簇的特殊情況下，源簇中只有一半的節(jié)點(diǎn)有信息。在這種情況下，每個(gè)節(jié)點(diǎn)將信息編碼成2C個(gè)符號(hào)。因此，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)需要C或者2C個(gè)信道利用來(lái)發(fā)送信息。因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)中有n個(gè)節(jié)點(diǎn)，階段2所需要的最大信道利用數(shù)為(3.23)階段3的分析該階段，每個(gè)節(jié)點(diǎn)將自己在階段2接收到的觀察值發(fā)送給目的節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)中要么是M個(gè)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生C個(gè)符號(hào)，要么是M/2個(gè)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生2C個(gè)符號(hào)，這取決于源和目的是否屬于相鄰的簇。節(jié)點(diǎn)將每個(gè)符號(hào)量化成Q比特。因此，最后最多會(huì)有2MQCM比特的流量。類(lèi)此與階段1，各簇采用9-TDMA方案去并行工作。這就意味著在兩個(gè)激活的簇之間至少要有2個(gè)空閑的簇。因?yàn)榇刂械墓?jié)點(diǎn)根據(jù)簇的大小調(diào)整它們的功率，來(lái)自其他激活簇的干擾受限于一個(gè)獨(dú)立于n的常數(shù)。因此，類(lèi)似于階段1，應(yīng)用引理（3.11）的限制