（信号与信息处理专业论文）协作通信网络中的机会多天线中继选择算法性能研究.pdf

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s 算法和a b r s 算法在二进制移相键控( b p s k ) 调制方式下平均误码 率的数学表达式。仿真结果表明，在任意信噪比下所给出的中断率闭 式解与仿真结果完全吻合。相比与单天线机会中继( o r ) 算法，由 于所选的多天线中继采用最大比合并和波束赋形技术处理信号，从而 o m r s 算法获得了显著的性能提高，换句话说，o m r s 算法获得了 更多的阵列增益和分集增益。 在n a k a g a m i 衰落信道下，本文研究了基于解码转发模式( d f ) 的多天线多中继协作网络中总功率受限条件下o m r s 算法和a b r s 算法的性能。o m r s 算法在第一跳成功解码集中选择中继节点目的 节点的瞬时信噪比最大的最佳中继，而a b r s 算法在第一跳成功解码 集中选择中继节点目的节点的平均信噪比最大的最佳中继。在考虑 源节点与目的节点直射径的d f 协作网络中，推导出了o m r s 算法和 a b r s 算法精确的中断概率与b p s k 调制下平均误码率的封闭表达 式。仿真结果表明，o m r s 算法为中断最优的中继选择算法，其中断 概率和误码性能均仅次于波束赋形算法，而且o m r s 算法更简单， 更易实现。在非对称信道条件下中低信噪比范围内a b r s 算法的性能 接近于o m r s 算法。 关键词：中继选择，多天线多中继，解码转发，放大转发，协作通信 囊 一 峄i ， k - 北京邮i 乜人学顾i ：学位论文a b s t r a c t p e r f o r m 俊n c ea n a l y s i s0 f0 p p o r t u n i s t i c m u l r i a n t e n n ar e l a ys e l e c t i o ni n c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s a b s t r a c t a sah o ts p o ti nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nd u r i n gt h er e c e n ty e a r s , c o o p e r a t i v e c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y s e r v e st o m i t i g a t e w i r e l e s s c h a n n e li m p a i r m e n t ，e n h a n c ec o m m u n i c a t i o nr e l i a b i l i t ya n di n c r e a s e t r a n s m i s s i o nr a t e a c c o r d i n gt ow h e t h e ri n s t a n t a n e o u ss i g n a l t o - n o i s er a t i o ( s n r ) o r a v e r a g es n r c a nb ee x p l o i t e df o rr e l a ys e l e c t i o n ，t w oo p p o r t u n i s t i cr e l a y s c h e m e s ，o p p o r t u n i s t i cm u l t i a n t e n n ar e l a ys e l e c t i o n ( o m r s ) a n d a v e r a g eb e s tr e l a ys e l e c t i o n ( a s r s ) a r ep r o p o s e d i n v e s t i g a t i o n i sm a d e u p o n t h e o u t a g ep r o b a b i l i t y a n de r r o r p e r f o r m a n c eo fo m r sa n da b r su n d e ra g g r e g a t ep o w e rc o n s t r a i n ti n a m p l i f y a n d f o r w a r d 沁) c o o p e r a t i v en e t w o r k so v e rr a y l e i g hf a d i n g c h a n n e l s ，a s s u m i n ga r ea v a i l a b l ea tt h er e l a yn o d e t h eo p t i m a lr e l a yi s c h o s e nb a s e do nt h e s o u r c e - r e l a y - d e s t i n a t i o n e n d - t o - e n di n s t a n t a n e o u s s n ri no m r s ，w h i l ea b r ss e l e c t sr e l a yb a s e do nt h er e l a y - d e s t i n a t i o n a v e r a g es n r 1 n g o n r i n gt h ed i r e c tl i n kb e t w e e ns o u r c ea n dd e s t i n a t i o n ， t h ec l o s e df o r me x p r e s s i o n so fo u t a g ep r o b a b i l i t yo fo m r sa n da b r s a r ed e t e r m i n e d ，a n dt h ee x p r e s s i o n so fe r r o rp e r f o r m a n c ef o rb i n a r yp h a s e s h i f tk e y i n g ( b p s k ) m o d u l a t i o no fo m r sa n da b r sa r eg i v e nu s i n gt h e m o m e n tg e n e r a t i n gf u n c t i o n ( m g f ) o ft h et o t a ls n ra tt h ed e s t i n a t i o n s i m u l a t i o n sa r ep r o v i d e dt ov e r i f yt h ec o r r e c t n e s so ft h e o r e t i c a la n a l y s i s c o m p a r e dw i t hp r e v i o u ss i n g l e a n t e n n ao p p o r t u n i s t i cr e l a y i n g ( o r ) s c h e m e ，o m r sb r i n g sr e m a r k a b l ep e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n to b t a i n e d f r o mm a x i m u mr a t i oc o m b i n i n ga n db e a m f o r m i n g ，w h i c hp r o v e st h a t m u l t i p l e a n t e n n a sa tt h er e l a y sc o u l d p r o v i d em o r ea r r a yg a i na n d d i v e r s i t yo r d e r i n v e s t i g a t i o n i sm a d e u p o nt h eo u t a g ep r o b a b i l i t y a n de r r o r p e r f o r m a n c eo fo m r s a n da b r su n d e ra g g r e g a t ep o w e rc o n s t r a i n ti n i i i 疋 r 北京邮i 乜人学硕i ：学位论文 a b s t r a c t d e c o d e a n d f o r w a r d ( d f ) r e l a y n e t w o r k so v e r i n d e p e n d e n t ， n o n i d e n t i c a l ，n a k a g a m i mf a d i n gc h a n n e l s ，a s s u m i n gm u l t i p l ea n t e n n a s a r ea v a i l a b l ea tt h er e l a yn o d e o m r sc h o o s e st h eo p t i m a lr e l a yb a s e do n t h er e l a y d e s t i n a t i o ni n s t a n t a n e o u ss i g n a l t o n o i s er a t i o ( s n r ) f r o mt h e d e c o d i n gr e l a y s e t w h i l ea b r ss e l e c t s r e l a y b a s e do nt h e r e l a y d e s t i n a t i o na v e r a g es n rf r o mt h ed e c o d i n gr e l a ys e t c o n s i d e r i n g t h ed i r e c tl i n kb e t w e e ns o u r c ea n dd e s t i n a t i o n t h ec l o s e df o r me x p r e s s i o n s o fo u t a g ep r o b a b i l i t ya n de r r o rp e r f o r m a n c ef o rb p s km o d u l a t i o no f o m r sa n da b r sa r ed e t e r m i n e d i ti so b s e r v e dt h a to m r si s o u t a g e - o p t i m a la m o n g m u l t i - a n t e n n a r e l a y s e l e c t i o ns c h e m e sa n d a p p r o a c h e s t h e b e a m f o r m i n g s c h e m ek n o w na st h e o r e t i c a l o u t a g e - o p t i m a lv e r yc l o s e l y i ta l s os h o w st h a tt h ep e r f o r m a n c eo fa b r s i na s y m m e t r i cc h a n n e l si sc l o s et oo m r si nt h el o wa n dm e d i a ns n r r a n g e k e yw o r d s ：r e l a ys e l e c t i o n ，m u l t i p l ea n t e n n a sm u l t i p l er e l a y s ， d e c o d ea n df o r w a r d ，a m p l i f ya n df o r w a r d ，c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n i v 知 ， 峄， i 丸 r 北京邮i 乜人学硕i ：学位论文目录 第一章绪论。 目录 1 1 论文的研究背景与研究意义1 1 2 论文的主要上作及研究成果2 1 3 论文的结构安排。2 第二章协作通信 4 2 1 协作通信的提出4 2 2 协作通信的策略。5 2 2 1 放人转发协作模式5 2 2 2 解码转发协作模式5 2 2 3 编码协作模式。6 2 2 4 各种协作方式的优缺比较。6 2 3 本章小结7 第三章协作通信中多天线中继选择算法。8 3 1 协作通信中机会中继算法的研究现状8 3 2 多天线多中继协作网络的研究现状1 0 3 3 协作通信中多大线中继选择算法的提出1 1 3 3 1a f 协作网络中的机会多天线中继选择算法( 0 m r s ) 1 2 3 3 2a f 协作网络中的均值最优多天线中继选择算法( a b r s ) 1 2 3 3 3d f 协作网络中的机会多天线选择中继算法( o m r s ) 1 3 3 3 4d f 协作网络中的均值最优多天线选择中继算法( a b r s ) 1 3 3 4 本章小结1 4 第四章a f 协作网络中多天线中继选择算法的性能研究 1 5 4 1a f 协作网络中多天线中继选择算法的数学建模1 5 4 2a f 协作网络中o m r s 算法的性能分析1 7 4 2 1a f 协作网络中o m r s 算法的中断概率分析1 7 4 2 2a f 协作网络中o m r s 算法的误码率分析1 9 4 3a f 协作网络中a b r s 算法的性能分析2 0 4 3 1a f 协作网络中a b r s 算法的中断概率分析2 0 4 3 2a f 协作网络中a b r s 算法的误码率分析。2 1 4 4a f 协作网络中波束赋形算法的性能分析。2 1 4 4 1a f 协作网络中波束赋形算法的中断概率分析2 2 4 4 2a f 协作网络中波_ 束赋形算法的误码率分析。2 4 4 5 仿真结果与讨论2 4 4 6 本章小结：31 第五章d f 协作网络中多天线中继选择算法的性能研究 5 1d f 协作网络中多天线中继选择算法的数学建模3 3 5 2d f 协作网络中o m r s 算法的性能分析3 5 5 2 1d f 协作网络中o m r s 算法的中断概率分析3 6 v 北京邮i 乜人学帧i ：学位论文 目录 5 2 2d f 协作网络中o m r s 算法的误码率分析3 8 5 3 d f 协作网络中a b r s 算法的性能分析一3 9 5 3 1d f 协作网络中a b r s 算法的中断概率分析3 9 5 3 2d f 协作网络中a b r s 算法的误码率分析。4 0 5 4d f 协作网络中波束赋形算法的性能分析4 1 5 4 1 d f 协作网络中波束赋形算法的中断概率分析4 1 5 4 2d f 协作网络中波束赋形算法的误码率分析。4 2 5 5 仿真结果与讨论4 2 5 6 本章小结4 9 第六章结束语 6 1 论文j ：作总结5 1 6 2 下一步研究方向5 2 参考文献。 附录 致谢 攻读硕士学位期间研究成果 v l 5 3 5 8 。6 2 知 q o ， j 北京邮i 乜人学顾l ：学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文的研究背景与研究意义 协作通信技术( c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n ) 利用网络中闲置的天线资源作 为信源的中继协助转发信息，通过不同天线传输相同的数据达到空间的分集的目 的，以提高通信系统的可靠性。协作通信技术的研究最早可以追溯到1 9 7 9 年， c o v e r 和g a m a l i l j 对中继信道的研究，其研究了由源、中继和目的三节点构成的 中继通信网络模型的信道容量。随后，l a n e m a n 、s e n d o n a r i s 等人对协作分集1 2 1 。1 5 l 的研究正式拉开了对协作通信研究的序幕。 协作通信技术是充分利用了信号在无线媒质中的广播特性，使得多个移动节 点相互共享彼此的天线，形成分布式虚拟天线阵列( v i r t u a lm i m o ) 协作传输数 据，以获得上行发射空间分集。空间分集是一种重要的分集方法，即是从不同的 位置来发射同一传输信号，从而目的节点接收经历相互独立衰落过程后多个信号 的合成信号。协作分集通信技术给无线通信系统提供了一种克服信道衰落、提高 传输容量和可靠性、扩大覆盖能力的很有效的方法。 在协作通信中，合理地选择中继节点协助进行数据传输可以获得性能的增 益。最早由b l e t s a s 6 j 提出了机会中继协作协议，只选择无线信道条件最好的中继 节点协助源节点进行数据传输，其证明了机会中继可以获得与传统协作分集技术 相同的分集增益，其优势在于不需要使用复杂的空时编码技术，并且简化了协作 目的节点之间的信息交互流程。 由于目前射频技术以及价格成本等原因，移动节点一般都是配备单根天线， 因而目前大多数中继选择的理论研究仍然局限于单天线中继的系统模型。然而， 相信随着技术的发展，未来在单个移动节点上配备多根天线完全是有可能的，因 此，中继选择技术在多天线中继的研究具有非常重要的理论意义。 目前几乎没有任何关于多天线多中继协作网络中多天线中继选择算法的研 究。从而，对于在多天线多中继协作网络中多天线中继选择算法进行研究着非常一 重要的理论价值。基于上述原因，本文研究了在多天线多中继协作网络中如何选 择一个最佳的多天线中继进行协作传输，提出了两种多天线中继选择算法以及理 论分析了所提算法的性能。 北京邮i l i 人学硕i ：学位论义第一章绪论 1 2 论文的主要工作及研究成果 本文主要对多天线多中继协作网络场景下多天线中继选择算法进行研究，利 用m a t l a b 仿真工具实现多天线中继选择场景及算法，并进行了相关多天线中继 选择算法的性能分析。本文所作的工作主要分为以下几个方面： ( 1 ) 多天线多中继协作网络中的多天线中继选择算法研究：对协作网络的 三种协作模式进行了相关介绍，并且针对单天线多中继协作网络中的机会中继， 以及多天线多中继协作网络中的中继选择阅读了大量相关文献，对现有的中继选 择算法有了深入的认识和了解，为提出本文提出的算法打下了基础。 ( 2 ) 提出多天线多中继网络中的多天线中继选择算法：深入了解了单天线 多中继协作网络中的机会中继和多天线多中继协作网络中的中继选择的研究现 状后，提出多天线多中继网络中的两种多天线中继选择算法，机会多天线中继选 择法( o m r s ) 和均值最优多天线中继选择法( a b r s ) 。 ( 3 ) a f 协作网络中的多天线中继选择算法：在r a y l e i g h 衰落信道下，不 考虑源节点与目的节点直射径的a f 协作网络中，分别推导出了o m r s 算法和 a b r s 算法的中断概率闭式解，并且利用矩母函数方法分别给出了o m r s 算法 和a b r s 算法在二进制移相键控( b p s k ) 调制方式下平均误码率的数学表达式。 利用m a t l a b 仿真平台实现a f 协作网络中o m r s 算法和a b r s 算法，并进行了 各种算法的中断概率和误码性能比较分析。 ( 4 ) d f 协作网络中的多天线中继选择算法：在n a k a g a m i 衰落信道下，考 虑源节点与目的节点直射径的d f 协作网络中，分别推导出了o m r s 算法和 a b r s 算法精确的中断概率与b p s k 调制下平均误码率的封闭表达式。利用 m a t l a b 仿真平台实现d f 协作网络中o m r s 算法和a b r s 算法，并进行了各种 算法的中断概率和误码性能比较分析。 1 3 论文的结构安排 本文的内容安排如下： 第一章：绪论。本章首先介绍本文的研究背景与研究意义，而后本文的主要 工作及研究成果。 第二章：介绍协作通信的研究背景，对协作网络的三种协作模式进行了相关 阐述，最后给出了这三种模式的优缺点比。 第三章：简述协作通信网络中机会中继和多天线多中继网络的国内外研究现 状。而后本章提出了多天线多中继协作网络中的两种多天线中继选择算法，机会 2 、0 1 0 北京邮电大学硕i ：学位论义 第一章绪论 多天线中继选择法( o m r s ) 和均值最优多天线中继选择法( a b r s ) ，并对a f 协作网络和d f 协作网络中的o m r s 算法和a b r s 算法进行了相应的描述。 第四章：分析了a f 协作网络中o m r s 算法和a b r s 算法的性能。首先给 出了多天线多中继a f 协作网络中的协作通信系统模型，然后理论分析了a f 协 作网络中o m r s 算法和a b r s 算法的误码率和中断概率，最后利用m a t l a b 仿真 平台实现a f 协作网络中o m r s 算法和a b r s 算法，并对各种算法的中断概率 和误码性能进行了详细的阐述和分析。 第五章：分析了d f 协作网络中o m r s 算法和a b r s 算法的性能。首先给 出了多天线多中继d f 协作网络中的协作通信系统模型，然后理论分析了d f 协 作网络中o m r s 算法和a b r s 算法的误码率和中断概率，最后利用m a t l a b 仿真 平台实现d f 协作网络中o m r s 算法和a b r s 算法，并对各种算法的中断概率 和误码性能进行了详细的阐述和分析。 第六章：本文的总结以及下一步研究方向介绍。 3 北京邮i 【1 人学形il ：学位论文第二章协作通信 第二章协作通信 本章首先介绍协作通信的研究背景，对协作网络的三种协作模式进行了相关 阐述，最后还给出了这三种模式的优缺点比较。 2 1 协作通信的提出 无线通信【7 】- 【1 2 1 中由于传播的丌放性，使其信道的传输条件比较恶劣，严重 地影响接收信号的质量，从而使通信系统的性能大大降低。为了提高无线信道中 信号传输质量，必须采用对抗衰落的有效措施。分集技术是一种典型的抗衰弱技 术，通过接收信号在结构上和统计特性上的不同特点来加以区分，并按一定规律 和原则进得集合和合并处理来实现抗衰弱。常见的分集方式有：时域分集，空间 分集和频域分集。其中，空间分集因其不损耗时频资源而被广泛的关注，它利用 不同接收地点( 空问) 位置的不同，利用不同地点接收到的信号在统计上的不相 关性，实现抗衰弱的性能。空间分集的具体结构为在接收节点和发射节点同时安 置多个天线，形成多输入多输出1 1 z h l 5 j ( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ：m i m o ) 系统，充分利用了空域资源，在不额外占用频带资源的前提下就能大幅度提高信 道容量。 然而，理想的m i m o 技术要求相邻天线之问的i e i j 距远大于电波波长，以保 证多个收发天线之问的传输信道是独立的，移动节点由于体积、质量和功耗限制 很难安置多天线，现有的多天线一般都设置在基站端。因此在某些场合m i m o 技术实用化受到一定的阻碍。a s e n d o n a r i s 等1 2 j 13 】提出了一种新的空域分集技 术一一协作分集( c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y ) ，利用其他用户的天线中继传输信息， 在目的节点通过合并来自信源和中继器的多路独立信号，从而使单天线的移动节 点也可以通过用户问的协作获得分布式空问分集增益。协作分集技术可以解决难 以在移动终端安装多根天线的问题，推进了m i m o 技术的实用化。 协作通信起源于c o v e r 和g a m a l 的中继信道理论研究。协作通信的概念最 早由a s e n d o n a r i s 等1 2 卜1 3 1 提出，通过协作通信可以提高传输速率和通信质量，也 为降低系统的总功率和提高系统容量提供可能。随后，l a n e m a n l 4 h 5j 进一步拓展 和深化了两种简单的协作分集协议：放大转发中继( a m p l i f ya n df o r w a r d ：a f ) 和解码转发中继( d e c o d ea n df o r w a r d ：d f ) ，并对这些协议在各念历经信道和 准静态信道中的性能进行了分析。t e h u n t e r 等在d f 协议的基础上，提出将协 4 鼻 0 q - k “ 北京邮i 乜人学硕i ：学位论文 第二章协作通信 作通信与信道编码结合起来的一种协议，称为编码协作( c o d e dc o o p e r a t i o n ： c c ) ，主要思想是在协作中各用户不是简单的重复接收到的协作伙伴的数据或信 号，而是试图为其协作伙伴传输增加的冗余。 2 2 协作通信的策略 最基本的协作通信方式有三种：放大转发协作模式( a m p l i f ya n df o r w a r d ) 、 解码转发协作模式( d e c o d ea n df o r w a r d ) 和编码协作模式( c o d ec o o p e r a t i o n ) ， 其它形式都是在这三者基础上所做的改进和变形。参考文献【1 8 】，本节将介绍三 种方案及其性能的相互比较。 2 2 1放大转发协作模式 放大转发【4 】f 1 7 j 【1 8 】( a m p l i f ya n df o r w a r dm e t h o d ，a f ) ，是指中继节点直接将 收到来自源节点的加有噪声的信号进行放大，然后将这加有噪声的信号重新发送 给目的节点，而中继节点不对接收到的信号进行解调和解码。目的节点接收到来 自源节点和中继节点的两路信号，并对合并后的信号进行判决。这是采用最早的 一种协作模式。图2 - 1 为a f 协作模式的原理图，参与协作的中继节点r ，也称 为伙伴，直接对于收到的来自源节点s 的信号进行发射幅度调整，然后转发给目 的节点d 。 一， 一一 一一 一一 一一 一一 一一 、 、 l 刊 图2 1 放大转发模式 2 2 2解码转发协作模式 解码转发【2 】【5 】1 1 7 】【1 8 】( d e c o d ea n df o r w a r dm e t h o d ，d f ) ，是指中继节点要先 对接收到来自源节点的信号进行解调，解码和估计，然后将数据进行编码调制后 传输给目的节点。该模式的设计初衷是为了避免a f 模式中中继对噪声功率的放 大，而在中继节点处消去高斯白噪声。但是，中继采用的解码往往是接收信号的 非线性变换，虽然可以减少接收噪声的影响，但是却也会因为引入衰落而使性能 受到限制。另外，如果中继对数据作出了错误的判决，那么这个错误将被前向传 5 北京邮i 乜人学硕一j ：学位论文第二章协作通信 播。d f 的原理如图2 - 2 所示。 以 迥伊几 图2 2 解码转发模式 2 2 3编码协作模式 编码协作1 1 7 1 。【1 9 1 ( c o d e dc o o p e r a t i o n ，c c ) 是将协作技术和信道编码技术相 结合的产物，它是由有校验d f 模式衍生而出。其设计初衷是在协作中提供比有 校验d f 使用的重复码更高效的编码，从而带来更多的编码增益。编码协作有效 性的关键是：所有这些操作都在编码设计下自动实现，中继节点间无需传送反馈 信息，即无需知道中继节点间信道状态信息。其基本思想是：每个源节点都试图 为它的中继传送冗余信息。它通过两条不同的衰落路径发送每个码字的不同部 分。当这一操作无法实现时，中继节点就自动返回到非编码协作模式，传输自己 后续的信息。在编码协作模式下，中继节点则通过重新编码传送了不同的冗余信 息，相当于将空域分集与码域分集相结合，从而改善了目的节点的解码性能。而 在d f 模式下，中继节点对于其协作传输的信号j 下确解码后，使用原来的编码方 式在下一时段向目的节点传送，此时系统性能的改善是通过在不同空间重复传送 冗余获得的。c c 模式的原理如图2 3 所示。 一， 一， 一， 吐刚 图2 - 3 编码协作模式 2 2 4各种协作方式的优缺比较 ( 1 ) 放大转发( a f ) 模式是最简单的一种方法。其优点是中继节点的复杂 6 弦 o j o p 、 一 j 、 几、 i o 北京邮电火学硕i ：学位论文第二章协作通信 度最低，而且在高信噪比时可以达到满分集增益。其缺点是在节点间信道条件较 差时，中继节点主要放大了其收到的噪声，而有用的信号被噪声淹没了，此时分 集增益不明显。 ( 2 ) 解码转发( d f ) 模式相对a f 模式较复杂。其优点是中继节点可以在 转发前消去高斯白噪声。其缺点是在低信噪比时，丢帧将损失一定的能量，从而 降低信号接收端的信噪比。 ( 3 ) 编码协作( c c ) 是三种模式中最复杂的。其优点是c c 模式的信道利 用率较高，而a f 和d f 模式都存在重复传输，导致其信道利用率不高。c c 模 式是在协作中提供比重复码更高效的编码方式，从而带来更多的编码增益。c c 模式通过编码来控制第二步协作，无需估计用户间的信道状况，在性能上有很大 优势。然而a f 和d f 模式都假设协作双方均知道节点问的信道状态信息( c s i ) ， 这意味着需要使用特定的信道估计方案。c c 模式的缺点是由于中继节点要先解 码后编码，从而导致其复杂度最高，此外，中继节点处的信号处理也导致时延增 大。 2 3 本章小结 本章介绍了协作通信的发展，同时介绍了协作通信的几种主要协议：a f 协 议，d f 协议，c c 协议，最后给出了这三种模式的优缺点比较。 7 北京邮l 【1 人学硕l ：学位论文第三章协作通信中多天线中继选择算法 第三章协作通信中多天线中继选择算法 本章介绍目前国内外对单天线多中继协作网络中的机会中继，以及多天线多 中继协作网络中的中继选择的相关研究现状，并且提出了多天线多中继协作网络 中的多天线中继选择算法。 3 1 协作通信中机会中继算法的研究现状 在多用户协作网络中，为了使得多个协作用户协同传输，则需要各节点交换 信道边信息。但是当节点数增加时，这种信息交互将使系统不堪重负。另外，并 非所有用户都能够或愿意参与协作传输。因此面临着中继如何选择的问题。当前 已有大量的文献针对中继节点选择算法进行了研究。而比较有代表性的研究为 b l e t s a s 提出的基于机会的方式选择中继节点的算法i 州，这种方法是根据瞬时网络 状态选择中继，也称为机会中继。其基本思想是：在n 个侯选中继中，选取使 得在源节点和目的节点之间的端到端路径最好的一个节点作为中继。中继节点监 听源节点到目的节点的瞬时信道状况，并且以一种分布式的方式，在信道状况改 变之前，决定哪一个中继具有最好的信息中继路径。在这样的情况下，中继节点 没有必要知道整个网络的拓扑信息，选择的过程完全取决于无线信道的物理特 性。研究表明，机会中继不仅能获得一定的协作分集增益，而且能获得相应的分 集复用增益。 到目前为止，对中继选择和机会中继的研究有： ( 1 ) 基于位置信息的中继选择方案 z l i n 等提出了利用相对距离选择中继的策略【2 0 1 【2 1 1 ，它需要己知源节点目 的节点、源节点中继节点、中继节点目的节点问的距离。根据源节点、中继节 点及目的节点的位置信息选择出最佳中继，而这就要求对所有中继节点和目的节 点之间的距离进行估计，这可以通过安装距离或位置估计装置来获得，例如给各 个目的节点配备g p s 接收机，虽然这种方法可行，但是其成本比较高。 ( 2 ) 基于平均信噪比的中继选择方案 文献【2 2 】提出一种基于平均信噪比的伙伴选择方案。其在c c 协作模式下， 选择使得已知的源节点目的节点、伙伴节点目的节点之问的基于平均信噪比最 大的节点作为候选伙伴节点。由目的节点来选择伙伴，而且候选伙伴节点的天线 数目可以为多个。一旦源节点s 的伙伴节点被选为节点p ，那么节点p 就一直做 8 t ， 北京邮i 乜人学硕十学位论文 第三章协作通信中多天线中继选择算法 s 的伙伴，直到s 与p 之间的信道状况变得非常差。其具体有两种选择算法：其 一是盲选择算法( b l i n ds e l e c t i o na l g o r i t h m ，b s a ) ，其二是信息选择算法 ( i n f o r m a t i o ns e l e c t i o na l g o r i t h m ，i s a ) 。 文献 2 3 1 给出一种由源节点做出中继选择的方案。首先，每个节点必须测量 其到目的节点的平均信噪比，当该信噪比大于指定门限时，即为候选中继，然后 所有的候选中继告知源节点其到目的节点的平均信噪比信息，据此，源节点选择 其中一个平均信噪比最好的节点作为中继，并给所有其它候选中继节点广播该决 定。此方案要求节点能够估计它们之间的平均信噪比，而这并不是个简单的问题。 该方案对于静态无线网络是可行的，但是在移动网络中，估计平均信噪比需要花 费很大的开销。 ( 3 ) 基于瞬时信道状况的中继选择方案。 此方案是当前研究的热点。文献 2 4 1 研究了分布式和集中式网络中的协作中 继选择算法。其研究结果表明对集中式和分布式协议，机会中继算法获得了全分 集增益，其分集度为用户数m 。但由于相同信息的重复传输，复用增益却很小， 只有1 m 。文献1 2 5 1 分析了d f 网络中三种先验的信道边信息对机会中继选择算 法的影响，并表明利用先知信息可提高协作分集的频谱效率，尤其在低信噪比时。 b l e t s a s 掣6 】【2 6 】【2 8 j 提出了分御式机会中继，其为基于瞬时信道条件下中继选 择，即中继仅需要估计本地信道，不需要获得拓扑估计或拓扑信息，可使得协作 开销最小化，实现多个中继协作的潜在增益。文献【2 6 】分别分析了机会在a f 和 d f 模式下中继算法的中断概率性能，其中在d f 网络下，机会中继算法的选取 原则为选择中继目的节点瞬时信道强度最大且第一跳正确译码的中继；在a f 网络下，其选取原则为选择使端到端的互信息最大的中继。研究表明，d f 机会 中继是中断最优的，即在中断行为上，它与采用所有中继的最优中继策略是等效 的；a f 机会中继在单中继选择方法中是中断最优的，并显著地优于基于本地信 道信息的平均能量多中继传输。文献【2 7 】提出了一种基于瞬时信道状况的伙伴选 择策略。在d f 协作模式下，能够正确解码的节点即作为伙伴节点。具体实现方 案为：潜在的伙伴节点测量其与目的节点之间的瞬时信噪比，当该信噪比大于指 定门限时，它就属于候选伙伴。然后，所有的侯选伙伴在源节点传输的下一步， 与源节点协作传输信息。文献【2 8 】分析了在a f 模式下总功率受限下机会中继算 法的中断概率性能。 基于b l e t s a s 的工作，很多文献做了更深入的研究。在文献【6 1 的基础上文献 【2 9 1 署d 文献【3 0 】研究了采用h a r q ( h y b r i da u t o m a t i er e p e a tr e q u e s t ) 策略选择 中继节点的情况。文献【3 1 】提出了一种选择协作( s e l e e t i o nc o o p e r a t i o n ，s c ) 的 方法。它与机会中继算法的最大不同在于在广播阶段，所有潜在的中继节点都监 9 北京邮i 乜人学颀j ：学位论义第三章协作通信中多天线中继选择算法 听源节点的数据传输，但是只有那些与源节点的信道质量大于一定门槛值的中继 节点才会对接收到的信号进行解码，这样可以大大缩小中继选择的对象。而在协 作阶段，在所有正确解码源节点数据的中继节点中，只有与目的节点信道质量最 好的中继节点被选中。文献【3 2 】提了基于选择解码转发( s e l e e t i o n d e c o d e a n d f o r w a r d ，s d f ) 协议的中继节点选择法，并分析通过机会的方式选 择中继节点算法的性能，得出的结论为，在具备一定的错误容忍能力的情况下， 这种算法可以获得最大的无线信道容量。文献 3 3 】比较了基于机会的中继节点选 择算法和选择协作的中继节点选择算法的性能。文献【3 4 】提出了利用节点的地理 位置协助进行中继节点的选择的办法。文献 3 5 1 提出了采用源节点至中继节点和 中继节点至目的节点的最大的瞬时平均调和函数值最大为选取中继节点的依据。 文献 3 6 1 提出了一种基于信道容量增益的中继节点选取策略。文献1 3 7 j 丕提出进 行中继节点选择时有必要考虑中继节点处的报文阻塞情况，尽量选择负荷较轻的 中继节点。文献 3 8 1 介绍了一种基于半分布式方式下的中继选择算法：每个潜在 的中继节点独立的做出决定，但是由目的节点根据实际的情况做出最终的选择。 文献 3 9 1 提出具有更充足的无线信道资源的节点更适合被选中作为中继节点。文 献 4 0 1 提出采用一种叫“精灵协助”的中继节点的选择协议。在“精灵协助”协 议中，首先确定最优中继节点的位置，并假定一个“精灵”将一个中继节点放置 在了最优中继节点的位置上。 文献【4 1 1 研究了a f 协作网络中机会中继的误码符率( s e p ) ，指出机会中继 略优于正交多中继传输时m r c 。