（信号与信息处理专业论文）协作分集网络中伙伴选择问题的研究.pdf

j j 、 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 同期： 丛2 之。丝 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研 究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学 校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段 保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 兰：l 盆 日期： 2 包s ：筵 导师签名： b 塑抽 日期：碰匕： 1 0 p f 、 p 协作分 摘要 移动通信近几十年来得到了广泛的研究，为人类社会的发展进步做 出了巨大的贡献。尽管如此，电磁波在实际传输中却面临着更为复杂的 传播环境。其中多径衰落效应是无线通信质量的最大限制。分集技术可 以通过在接收端分别接收多个各自经历独立衰落的信号副本，以对抗信 道的衰落。近年来提出的多输入多输出m i m o 技术，通过在发射端和 接收端放置多天线，形成空间分集，从而提高系统容量和可靠性。但在 实际应用中，由于移动终端物理条件的制约限制了空间分集技术的应 用。 针对m i m o 技术的缺陷，s e n d o n a r i s 等人提出了协作分集的概念。 使得单天线用户能够通过协作通信的方式形成虚拟的m i m i o 系统，从 而提高了系统性能，并获得了广泛的关注和研究。现有文献多集中于协 作分集的性能分析，而伙伴选择问题作为实现协作分集的重要步骤，也 是不可忽视的研究方向。本文总结现有文献中关于伙伴问题的解决方 法，并针对近年来提出的基于i d m a 叠加调制的方式，分析了该方式 相对于前文提到的传统协作分集方式所带来的进一步增益。并针对该方 式下协作伙伴需要互为中继的限制对传统伙伴选择方式做出了改进， 即：用户公平优先算法和纳什谈判解算法。前者基于用户之间公平性的 考虑，而后者主要考虑系统级的性能最优和用户节点之间公平性两者的 折衷，仿真结果表明这两种算法都获得了预期的效果。 关键词协作分集叠加调制i d m a 伙伴选择 p f 扣 l ，p 讪 北京邮电人学硕上学位 s t u d y o np a r t n e rse l e c t i o np r o b l e mi n c o o p e r a t i v ed i v e r s i t yn e t w o r k s a b s t r a c t m o b i l ec o m m u n i c a t i o n sh a sb e e ne x t e n s i v er e s e a r c hi nr e c e n td e c a d e s ， a n dh a sm a d eag r e a tc o n t r i b u t i o nt ot h ed e v e l o p m e n ta n dp r o g r e s so f h u m a ns o c i e t y b u te l e c t r o m a g n e t i cw a v e sa r ef a c e dw i t hm o r ec o m p l e x p r o p a g a t i o ne n v i r o n m e n t m u l t i p a t hf a d i n ge f f e c tl i m i t st h eq u a l i t yo f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s d i v e r s i t yt e c h n i q u ec a ns e p a r a t et h ei n d e p e n d e n t f a d i n gs i g n a l sa tt h er e c e i v e ri no r d e rt oc o m b a tc h a n n e lf a d i n g m i m o ( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ) t e c h n i q u ew h i c hw a sp r o p o s e di nr e c e n t y e a r sf o r m sas p a t i a ld i v e r s i t yb yp l a c i n gt h em u l t i - a n t e n n ai nt h e t r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e rt oi n c r e a s e s y s t e mc a p a c i t ya n dr e l i a b i l i t y h o w e v e r , i np r a c t i c a la p p l i c a t i o n s ，t h ep h y s i c a lc o n d i t i o n si nt h em o b i l e t e r m i n a l sl i m i tt h ea p p l i c a t i o no f s p a t i a ld i v e r s i t yt e c h n i q u e s s e n d o n a r i sp r o p o s e dt h ec o n c e p to fc o o p e r a t i v ed i v e r s i t yd u et ot h e l a c ko fm i m 0t e c h n i q u e i tm a k e ss i n g l e a n t e n n au s e r st oc o m m u n i c a t e t h r o u g hac o o p e r a t i v ew a yt oc r e a t ev i r t u a lm i m l 0s y s t e mt oi m p r o v e s y s t e mp e r f o r m a n c e t h ee x i s t i n g l i t e r a t u r ef o c u s e dm o r eo nt h e c o o p e r a t i v ed i v e r s i t yp e r f o r m a n c ea n a l y s i s ，w h i l et h ep a r t n e rs e l e c t i o nt o a c h i e v e c o o p e r a t i v ed i v e r s i t ya s a ni m p o r t a n ts t e pi nt h e c o o p e r a t i v e d i v e r s i t ys h o u l dn o tb ei g n o r e d i nt h i sp a p e r w es u m m a r i z et h ee x i s t i n g p a r t n e rs e l e c t i o na l g o r i t h m ，a n dt h e nw ei n t r o d u c et w ot r a d i t i o n a lr e s o u r c e a l l o c a t i o n s t r a t e g i e sn a m e dm a x - m i na l g o r i t h ma n dn a s hb a r g a i n i n g s o l u t i o n ( n b s ) a l g o r i t h mi n t oc o o p e r a t i v en e t w o r k sb a s e do ni d m a s u p e r p o s i t i o nm o d u l a t i o n ，w h i c hh a sas p e c i a lr e s t r i c t i o nt h a te v e r yt w o c o o p e r a t i v en o d e sh a v et ob em u t u a lp a r t n e r s c o n s i d e r i n gt h i sr e s t r i c t i o n ， w ei n t r o d u c et h en e wm a x m i na l g o r i t h mc o n s i d e r st h ef a i m e s sa m o n g b e t w e e ns y s t e me f f i c i e n c ya n df a i m e s s a m o n gu s e r s 。s i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tt h en e wm a x - m i n a l g o r i t h mc a na r c h i v eh i g h e rf a i m e s sw i t ht h e c o n c e mo fj a i n sf a i r n e s si n d e x ，a n dt h en e w n b s a l g o r i t h mc a na r c h i v e m o r ef a i m e s sw i t h i n r e d u c i n gs o m es y s t e m 1 e v e lp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y , i d m a ，s u p e r p o s i t i o nr o o d u l a t i o n ， p a r t n e rs e l e c t i o n 专 t p p i r 北京邮电大学硕：t = 学位论文协作分集网络中伙伴选择问题的研究 目录 第一章绪论一l 1 1 选题背景和意义1 1 2 研究内容2 1 3 论文结构。2 第二章无线通信中的分集技术与协作分集4 2 1 无线通信中的分集与合并技术4 2 1 1时间分集4 2 1 2频率分集4 2 1 3空间分集5 2 1 4无线通信中的合并技术5 2 2 协作分集概念7 2 3 常用的协作分集策略8 2 3 1放大转发方式8 2 3 2解码转发方式9 2 3 3编码协作方式1 0 2 3 4几种协作传输方式的比较1 l 2 4 协作分集增益1 2 2 5 本章小结13 第三章无线协作网络中的伙伴选择算法：1 4 3 1 协作分集方式的中断概率分析1 4 3 1 1信道模型1 4 3 1 2直接传输。16 3 1 3 a f 方式17 3 1 4d f 方式17 3 1 5 选择解码转发方式。1 7 3 1 6编码协作方式l7 3 2 集中式伙伴选择与分布式伙伴选择。1 8 3 3 图论与伙伴选择问题1 9 3 3 1图论简介2 0 北京邮电大学硕l ：学位论文 协作分集网络中伙伴选择问题的研究 3 3 2 以图论形式表示的伙伴选择问题2 1 3 4 伙伴选择的常用算法2 l 3 4 1匈牙利算法2 l 3 4 2 w l f 算法2 3 3 4 3贪婪算法2 3 3 4 4仿真结果2 4 3 5 叠加调制技术2 4 3 5 1叠加调制的原理2 5 3 5 2叠加调制的实现方式2 5 3 6 叠加调制技术与i d m a 2 8 3 6 1传统多址方式与i d m a 2 8 3 6 2i d m a 叠加调制3l 3 7 本章小结3 2 第四章基于i d m a 叠加调制的伙伴选择问题的研究3 3 4 1i d m a 叠加调制协作网络的中断概率分析3 3 4 1 1直传中断概率分析3 3 4 1 2d f 方式下的中断概率分析3 4 4 1 3基于i d m a 叠加调制的协作系统中断概率分析3 5 4 2 叠加调制下的伙伴选择问题3 6 4 2 1用户公平优先算法o 3 7 4 2 2纳什谈判解算法( n a s hb a r g a i n i n gs o l u t i o n ) 3 8 4 3 仿真结果4 1 4 4 本章小结4 3 第五章总结与展望4 4 5 1 总结4 4 5 2 展望4 4 参考文献。4 6 致谢4 9 i i t 0 p 、 仙 。 北京邮电大学硕1 ：学位论文协作分集网络中伙伴选择问题的研究 1 1 选题背景和意义 第一章绪论弟一早三百t 匕 移动通信是当前通信技术发展最为迅速的一个领域，但移动通信的起源可以追 溯到无线电通信发明。1 8 9 7 年，马可尼就是在一条拖船上完成与固定站点之间的 无线通信试验，当时的距离为1 8 海里。之后移动通信的发展由于固定电话的迅猛 发展而一度陷于停滞，直到2 0 世纪7 0 年代中期至8 0 年代中期，才又从新进入移 动通信蓬勃发展的时期。1 9 7 8 年底，美国贝尔试验室成功研制了先进移动电话系 统( a m p s ) ，建立了蜂窝移动通信网，从而大大提高了系统容量。到1 9 8 5 年已经 拥有大约1 0 万移动用户。其他西方发达国家也都纷纷建立自己的移动通信系统。 目前实际部署的移动通信系统已经历第一代模拟移动通信系统；第二代窄带数 字通信系统；第三代宽带移动通信系统，正在向l t e ( 1 0 n gt e r me v o l u t i o n ) 演进。 移动通信也正在向宽带化，i p 化，普及化，智能化方向发展。 尽管移动通信摆脱了有线通信的束缚，但是电磁波在实际传输中却面临着更为 复杂的传播环境。如由于建筑等遮挡，在电磁波的接收区域产生半盲区而形成的阴 影效应；由于接收者所处地理环境的复杂性，使得接收到的信号不仅有直射波的主 径信号，还有从不同建筑物反射及绕射过来的多条不同路径信号，从而使这些信号 到达时的时间、相位、强度各不相同，形成路径之间的白干扰即多径干扰。 分集技术可以通过在接收端分别接收多个各自经历独立衰落的信号副本，以对 抗信道的衰落。常见的分集技术主要有：时间分集，空间分集，频率分集，协作分 集。近年来提出的多输入多输丑( 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 ) 技术，通过 在发射端和接收端放置多天线，形成空间分集，从而提高系统容量和可靠性。 但在实际应用中，由于移动终端物理条件的制约，如终端的体积，功耗，多天 线的位置设置等，限制了空间分集技术的应用。 s e n d o n a r i s 等人受到传统中继信道概念的启发，首先提出了协作分集的概念 【l 2 1 ，使得只有单天线的移动接入设备获得类似于m i m o 系统中空间分集的增益。 协作分集的基本思想是在多用户环境中，具有单天线的移动接入设备可以按照一定 的机制来互相使用天线传输，从而形成一个虚拟的m i m o 系统，以获得理想的分 集增益。s c n d o n a r i s 等人运用信息论的知识对协作分集的信道容量，中断概率所做 的分析表明了协作分集在性能上有着广泛的前景。仿真结果表明协作分集能够有效 地提高系统的信息速率，同时还可以降低系统的中断概率【l 】。l a n c m a n 提出了两种 北京邮电人学硕士学位论文协作分集网络中伙伴选择问题的研究 协作分集方案【3 】，放大转发( a m p l i f y a n d f o r w a r d ，a f ) 和解码转发 ( d e c o d e a n d f o r w a r d ，d f ) ，并对解码转发进行了改进，提出了选择解码转发 ( s e l e c t i o nd e c o d e - a n d f o r w a r d ) 和增强放大转发( i n c r e m e n t a la m p l i f y a n d - f o r w a r d ) 协作方案【4 】，进一步提高了整个系统性能。但是由于放大转发和解码转发都没有很 好的利用信道带宽，于是h u n t e r 等人提出了采用信道编码的协作方案，编码协作【5 】【6 】 不需要像放大转发和解码转发一样需重复发送信号，编码协作分集中将所需发送的 码字分为两部分，一部分由发送端发送，另一部分由协作端发送，并由接收端统一 处理。研究表明编码协作分集在牺牲系统复杂度的情况下比放大中继和解码中继具 有更好的性能。 1 2 研究内容 目前大部分研究协作分集的文章主要集中于性能分析和协作机制的思考上，但 是要想实现协作分集，合适的伙伴选择策略就显得十分重要。而目前这方面的研究 相比来说较少，本文总结了当前主要的协作分集技术和协作伙伴选择策略。并以近 年来新提出的基于i d m a 叠加调制的协作分集系统为模型，介绍了该种协作方式 下的系统增益，针对该模型下对中继节点选择的限制，将资源分配中使用的算法引 入其中，改进了一个基于系统公平性和一个基于系统总效用与系统公平性之间折衷 的伙伴选择算法。仿真结果表明，用户公平优先算法在公平性上优于其他算法，而 基于博弈论的纳什谈判解算法则在系统总效用与系统公平性两个评价指标中，在所 有算法中处于居中位置，很好的实现了两个目标的折衷。 1 3 论文结构 本文余下的章节安排如下： 第二章主要介绍无线通信中的分集技术，并引入协作分集的概念。并介绍了几 种常用的分集技术和协作分集策略，以及协作分集所能带来的增益。 第三章介绍了协作分集系统的常用模型，以及常用协作分集策略下的中断概率 的性能。并以图论为基础，介绍了几种常用的伙伴选择算法，并对这几种算法的性 能和复杂度进行了比较。 第四章首先介绍了近年来新提出的将调制引入协作分集系统的理论，并通过将 i d m a 加入叠加调制获得了进一步的增益。并且针对该系统对于协作伙伴的限制， 即协作伙伴需要一互为中继的方式进行协作传输，改进了两种基于不同优化目标的 伙伴选择策略。理论分析和仿真结果显示这两种算法各自实现了优化目标，获得了 2 p ， 北京邮电人学硕士学位论文 协作分集i 勾9 络中伙伴选择问题的研究 较好的性能。 第五章对全文进行总结，并对接下来的工作进行展望。 3 北京邮l u 大学硕j j 学位论文协作分集网络中伙伴选择问题的研究 第二章无线通信中的分集技术与协作分集 2 1 无线通信中的分集与合并技术 无线通信近年来的飞速发展带动了社会的进步，但是无线信道的衰落成为无线 通信中阻碍通信畅通和话务质量的主要原因。无线衰落信道由于遭受多径效应，阴 影效应等使得传输的复杂性很高。在理想的a w g n 信道中，要想使误码率从1 0 下 降到1 0 一，信噪比只需增加1 2 d b 即可，而在无线衰落信道中，快衰落的深度可达 3 0 4 0 d b ，这样一来使得单纯利用增加发射功率克服这种衰落变得难以实现【7 】。从 而引起人的广泛思考。 为了对抗无线信道中的衰落，人们发现分集技术可以很好的克服这一问题。分 集技术就是以提高无线通信系统性能而发展起来的技术。基本思想是通过在发射端 发射多个信号样本，在接收端合并多个经历独立衰落的信号样本，以对抗无线信道 中的衰落。由于在任意给定的瞬间，对于随机信号同时处于深衰落的可能性很小， 而这些信号在时间、频率、空间等方面具有各自独立的衰落特性，因此可以从中选 择至少一个足够好的信号供接收机使用。 理论和实践都证明，无线信号在时间，频率，空间三个维度都可以表现出独立 的衰落特性，因此常见的分集方式主要有时间分集、频率分集和空间分集。时间分 集通过在不同时间上发送信号，在时域内提供信号副本：频率分集在不同频域上发 送信号，在频域内提供信号副本；而空间分集技术由于不会额外占用时间和带宽资 源，并且可与其他分集方式相结合，因而更具吸引力。其基本思想是利用空间上分 离的多个发射信号样本或多个接收信号样本来对抗多径衰落。 2 1 1时间分集 时间分集是相同的信息在不同时隙多次重发，只要时间间隔大于相干时间，接 收端就能收到时域上不相关的衰落信号。在移动通信中，通常使用差错控制编码结 合交织技术以实现时间分集。在这种情况下，发射信号的副本通常以差错控制编码 带来的时域冗余形式到达接收端。由时间交织提供发射信号副本之间的时问间隔， 从而在接收端的译码器获得独立衰落的信号。 2 1 2 频率分集 在频率分集中，通过使用不同的发射频率传输相同信息。发射频率的间隔必须 大于相干带宽，从而使得每个频域上的衰落是独立的。在无线通信中，传输信号通 常以频域冗余的形式到达接收端，这些冗余可以由直接序列扩频，多载波调制和调 4 北京邮电大学硕l 学位论文协作分集网络中伙伴选择问题的研究 频等扩频技术引入。 2 1 3 空间分集 空问分集是利用不同接收地点位置的不同，利用不同地点接收信号在统计上的 不相关性，实现抗衰落。 通常情况下，接收端有个天线。基站接收端天线之间的距离需要满足信号 见不相关的要求才能获得分级的效果。即接收端的分集天线间距离d 一定要大于相 干区间a r 。即 j 尺鱼 ( 2 1 ) 矽 其中，兄为波长；矽为天线扩展角。 空间分集还有两类变化形式： 1 ) 极化分集 极化分集是利用单个天线水平与垂直极化方向上的正交性能来实现分集功能， 即利用极化的正交性来实现衰落的不相关性。 2 ) 角度分集 角度分集利用传输环境的复杂性，调整天线不同角度的馈源，实现在单个天线 上不同角度到达信号统计上的不相关性来实现等效空间分集效果。 近年来提出的m i m o 技术，通过在接收端和发射端同时安置多个天线，从而 充分利用了空间资源，大幅度提高了信道容量。 接收端收到m ( m 2 ) 个分集信号后，如何利用这些信号减小衰落，就产生了 合并问题。一般均使用线形合并器，把输入的m 个独立衰落信号相加后合并输出。 假设m 个输入信号电压为( f ) ，吃( f ) ，( f ) ，则合并表达式如下： ，( f ) = 吼气( f ) ，k = l ，2 ，m ( 2 2 ) k = l 其中，a 。为第k 个信号的加权系数。 2 1 4 无线通信中的合并技术 根据加权系数的不同，我们得到三种常见的合并方式： ( 1 ) 选择式合并 从各接收信号中找到其中信噪比最大的一个作为最终的接收信号。即上式中只 有一项系数取l ，其他项系数为零。 选择式合并的平均输出信噪比为 一s n r = 丽e ( 2 3 ) 5 6 实现，但在移动用户侧，实现多天线的设置比较难以实现。这主要是因为用户终端 的体积，功耗限制较大，如果要实现m i m o ，难度较大；另外为了使得m i m o 系 统的每个信道在统计性能上能够独立，天线之间的距离要远大于波长，对于普通手 机这一点难以实现。这些原因使得m i m o 理论上的优良性能在实际应用中遇到了 困难，无法发挥性能上的优势。 而协作分集则通过将用户终端的单天线，通过协作的方式，产生一个虚拟的多 天线，从而能够实现一个虚拟的m i m o 系统。协作分集技术的思想最早源于中继 信道( r e l a yc h a n n e l ) 的概念，但在中继信道中，中继只是为用户转发信号，自身无信 息传输，而在协作分集中，用户与中继是平等的，只是在某次传输中承担不同的角 色，这使得协作分集性能更为出色【1 4 1 。 s e n d o n a r i s 等人在1 9 9 8 年提出了协作分集的概念【1 】【2 】。协作分集的基本思想是 把系统中的每个用户都分配一个或多个协作伙伴，协作伙伴在发送自己信息的同 时，也帮助所选取伙的伴发送信息。这使得系统中的用户在发送信息的过程中利用 7 北京邮电人学硕_ ：学位论丈协作分集网络中伙伴选择问题的研究 了两条独立的信道，一条是用户自己与基站之间的信道，另一条是协作伙伴与基站 之间的信道，从而形成了一个虚拟的m i m o 系统，获得了一定的空间分集增益。 这使得协作分集技术能够在实际系统中实现m i m o 技术【i4 1 。研究表明：协作分集 系统可以减少功率消耗，减少系统的误码率，扩大系统覆盖范围，提高系统传输速 率，减少用户的中断概率。 协作分集的具体实现过程可以分为两步： 第l 步，源节点以广播方式发送信号，使得目的节点和中继节点都可以接收到 信号，中继节点对接收到的信号进行处理。 第2 步，中继节点将处理后的接收信号发送到目的节点，源节点此时可以发送 重复的信息或者新的信息到目的节点，之后目的节点会按照一定的规则合并所接收 到信号【1 4 1 。 可见，协作分集技术本质上就是通过使用自己的天线与协作伙伴的天线，形成 一个虚拟的多天线系统从而获得相应的空间分集增益。协作分集能够更加有效地利 用网络的信道资源，使网络性能更好。协作分集的思想从中继通信的概念发展而来， 但是在性能方面优于中继通信。但在中继信道中，中继只是为用户转发信号，自身 无信息传输，而在协作分集中，用户与中继是平等的，只是在某次传输中承担不同 的角色，这使得协作分集性能更为出色。另外传统的中继无法实现分集的功能，而 通过协作可以使得只有单天线的用户也可以获得分集增益，而且协作分集不仅仅在 两个用户之间，也可以是多个用户之间的协作，这又进一步提高了系统性能。 2 3 常用的协作分集策略 协作分集经过最近十年的研究和发展，目前主要的协作方式有三种：放大转发 ( a m p l i f y a n df o r w a r d ，a f ) 、解码转发( d e c o d ea n df o r w a r d ，d f ) 与编码协作( c o d e d c o o p e r a t i o n ，c c ) 。 2 3 1 放大转发方式 放大转发方式最早由l a n e m a n 等人提出，是一种较为简单的协作分集方式， 中继节点接收到加有噪声的源节点的信号后，根据自身功率的限制，对接收到的信 号进行简单的放大，然后重新将这加有噪声的信号发送给基站。中继节点一般采取 半双工的工作方式。基站接收到用户和伙伴的信号后再进行联合判决。在这种方案 中，尽管中继节点在放大源节点信号的同时也对噪声进行了放大，但基站可以接收 到两个相互独立的衰落信号，仍然可以起到分集接收的作用，使得最后检测结果的 性能还是可以得到一定的改善。假设只有一个中继节点的情况下，将传输信号分成 j 匕京邮电大学硕十学位论文 协作分集嘲络中伙伴选择问题的研究 持续时间相同的两部分，一部分由源节点发送，另一部分由中继节点发送【1 6 】【1 7 1 。 源节点传输鼍【尼】，k = 1 ，2 ，n 。中继节点接收到的信号七】，k = 1 ，2 ，n ，并 且使得z 尼】- 屏y ， k - n ，k = n + l ，n + 2 ，2 n 。 同时为了满足中继节点的功率限制，放大系数尼必须满足 尼 ( 2 - 9 ) 即展的大小与源节点和中继节点之间的衰落系数彳，。有关。目的节点将接收到 的信号匕【七】，k = l ，2 ，2 n 按照一定的合并准则将两个长度为n 的信号加以合并。 如果存在多个可用中继节点，他们可以单独在各自的信道上进行中继传输，每 个信号可以做到互不干扰；或者同时进行中继传输，此时，这些信号将会互相干扰。 可见，前者获得了较好的分集增益，但是牺牲了频带利用率。 2 3 2 解码转发方式 解码转发方式与传统中继方法很接近。中继用户接收来自源节点的信号后采用 相应的解码算法对信号进行解码，之后对解出的信号重新进行编码。值得注意的是， 采用的解码和重新编码对于信号往往是非线性的转化。我们考虑单中继情况下解码 转发的信号传输情况，同样的将发送信号分成持续时问各一半的两部分，一部分由 源节点发送，另一部分由中继节点发送【1 8 】【1 9 】。 源节点发送信号为x 。【尼】，k = 1 ，2 ，n 。则中继节点接收到该信号信号 e 七】，k = l ，2 ，刀，并通过解码得到估计信号置 纠。当中继节点采用重复编码时， 传输信号： t 詈k k 一刀】，k = n + l ，n + 2 ，2 n ( 2 一l o ) v ( 目的节点则将接收到的信号耻尼】，k = l ，2 ，2 n 按照一定的合并准则将两部分 信号合并为长度为n 的信号。 上文提到的放大转发( a f ) 与解码转发( d f ) 方式是固定的采用分集方式， 可统称为固定中继协作分集。这两种协作传输方式的性能由源节点和中继节点之间 的信道条件决定。存在以下几个问题：1 ) 中继节点处对源节点信号的解码可能会有 较大的误码情况，使得基站进行最后解码时不能正确还原信号；2 ) 为了获得最优译 码，基站需要知道源节点和中继节点之间的信道状态，这将提高系统的复杂性。为 了避免该机制的不足之处，i , a n e m a n 等人提出了一种选择解码转发( s e l e c t i o nd f ) 机制，主要思想是当协作用户间的信道瞬时信噪比较高时，中继节点才检测并转发 其协作伙伴的信号，而当协作用户间的信道瞬时信噪比较低时，用户之间不采用协 9 北京邮电人学硕? t = 学位论文协作分集网络中伙伴选择问题的研究 作的方式。仿真结果表明，当信噪比较高时，选择解码转发方式不仅可以和放大转 发方式一样具有空间分集增益，另外还可以获得误比特率( b e r ) 上的增益。选择中 继( s e l e c t i o nr e l a y ) 可以看作是解码转发的延伸，这种方式是根据协作用户问的信道 状态以决定是否进行协作传输，也可以应用与放大转发方式中。除了选择中继模式 之外，还有另外一种改进方式，即增强中继( i n c r e m e n t a lr e l a y i n g ) 。增强中继是根据 用户与基站间的信道质量来决定是否进行中继，一般的实现方式是，基站以广播的 形式发送一个反馈信息，然后用户和其伙伴根据反馈信息决定是否协作。若基站认 为信道质量较好，不需要进行协作，则用户发送下一部分信息，从而提高了频谱效 率。这种协作分集方式可以看成是对传统中继传输增加了冗余度。具体传输方式如 下：源节点首先将信号发送到目的节点。目的节点通过向源节点和中继节点广播的 方式来表明信号是否成功得到传输，并且假定该广播信息可以得到正确解码。如果 源节点和目的节点之间的信道条件较好，信噪比( s n r ) 足够高，则广播直接发送 成功的反馈信息，此时中继节点不参与协作传输；如果源节点和目的节点之间的信 道条件较差，信噪比( s n r ) 不够高，则广播要求中继节点协作传输的反馈信息。 这种方式类似于混合自动重传请求( h a r q ) 的方式，充分利用了信道的不同状态。 2 3 3 编码协作方式 编码协作【5 j 是将协作和信道编码结合起来的方法，它的基本思想是将每个用户 的码字的不同部分在两条相互独立的衰落信道上分别传输，并且每个用户试图为自 己的协作伙伴发送冗余信息。当他们之间的信道条件较差，这种协作无法实现时， 用户们会自动回到非协作的模式。因此，编码协作的高效性的关键就是通过码字的 设计自动完成所有操作，而无需用户间互相发送反馈信息，也就是说无需知道用户 问的信道状态信息。 1 0 北京邮电大学硕上学位论文 协作分集网络中伙伴选择问题的研究 第一帧第二帧 肿夕- 参耽 n l 用户l 比特n 2 用户2 比特 n l 用户2 比特 n 2 用户1 比特 腑夕奖夕肿 n l 用户1 比特 n 2 用户1 比特 n l 用户2 比特 n 2 用户2 比特 胴夕买毋牌 n l 用户l 比特n 用户1 比特 n i 用户2 比特n 2 用户1 比特 用户1 洫9 用户2n l 用户l 比特 n 2 用户2 比特 n i 用户2 比特n 2 用户2 比特 图2 - 2 解码分集的四种情况 编码协作分集的传输方式如下【6 】： 每个用户使用不同的纠错码。用户将自己所要发送的信息分成不同的分组，每 个分组经过循环冗余校验编码( c r c ) 后生成k 比特数据。这样每个分组经过纠错 编码后，生成码率为r 的n 比特数据，其中r = k 。再将此n l l 特信息分为两部 分，第一部分码率为墨，第二比特码率为尼。使得 - 川+ 22 筹+ 簧( 2 - 1 1 ) 如上图所示，存在四种可能的协作传输方式。中继节点对接收到的源节点信号 的第一帧进行解码，如果解码正确，则中继节点有计算得到源节点的后一部分信息 即2 比特，并通过第二帧发送到目的节点。如果中继节点未能对第一帧解码成功， 则源节点不采用协作方式，独自传输剩余的m 比特。 2 3 4 几种协作传输方式的比较 放大转发( a f ) 与解码转发( d f ) 协议相对来说较为简单，实现复杂度较低。 但是这两种协作方式各有不足之处，在a f 方式下，中继节点在放大源节点发送信 号的同时也放大了噪声信号，使得信噪比没有得到控制。而在d f 方式下，一旦源 节点与中继节点之间信道条件较差时，中继节点可能将接收信号错误解码，使得发 送到目的节点的信号发生错误。另外，在以上两种协作方式中中继节点采用半双工 模式，使得信道利用率较低。 选择中继方式则避免了上述两种协作方式的不足之处，仅当源节点与目的节点 北京邮电大学硕 ：学位论文 协作分集网络中伙伴选择问题的研究 之间信道条件较好时，采用协作方式传输，此时中继节点将采用a f 或d f 模式将 接收到的信号发送到目的节点；如果源节点与目的节点之间信道条件较差时，源节 点不再寻求协作传输，而是重传之前发送的信号。 增强中继在上述三种协作方式存在重复传输的情况下，通过在目的节点加入反 馈信号来通知直接传输是否成功，使得中继节点仅当源节点直传失败时才为源节点 协作发送信号。但是由于中继节点在接收到源节点的信息后需要等待目的节点的反 馈信号，所以中继节点需要对源节点信号进行暂时的存储。 上述四种协作方式都需要假设协作用户知道用户间的瞬时信道状态( c h a n n e l s t a t ei n f o r m a t i o n ，c s i ) ，这无疑增加了系统的复杂性。而编码协作方式( c c ) 则 无需用户知道信道状态信息，而是通过编码方式控制第二阶段的协作方式，这样在 性能上占优，尤其是在加入空时编码后。但是，尽管编码协作无需知道用户间的信 道状态，由于中继节点需要对信号进行解码并重新编码，又加大了系统的复杂度以 及时延。 因此，我们需要根据系统的实际情况和要求选择合适的协作分集方式，以获得 最佳性能。同时更为实用的协作方式也在进一步研究之中。 2 4 协作分集增益 根据前文分析，协作分集可带来以下增益： 1 ) 减少能量的消耗 对于传感器网络来说，由于主要采用电池供电，无法提供持续能量，所以在整 个网络周期内，尽可能减少能量的消耗是必须加以考虑的事情。在协作分集中，中 继节点帮助源节点发送信号，使得目的节点在接收源节点信号时获得了空间上的分 集增益，从而间接提高了信道质量，使得接收信噪比提高，降低了误码率。这样， 使得网络在满足一定信噪比要求的情况下，可以减少功率的消耗，从而节省了能量 消耗，延长了整个网络的使用寿命。 另外，在传统的无线通信网络中，节点间通过直传方式发送信号，使得源节点 消耗的功率较大；在协作分集网络中，源节点和中继节点在传输过程中可以共同承 担消耗的功率，相对于传统网络来说，使得单个节点消耗的能量不会过大。由于传 感器网络消耗能量的最佳方式是每个节点都能消耗相同的能量，这使得整个传感器 网络的生命周期获得延长，使得整个网络不会因为某一些节点传输的信息过多，从 而提前消耗完所有能量使得网络的存在时间提前结束，而另一部分节点即使还有较 多能量也无法形成可用的传感器网络。 1 2 北京邮电大学硕十学位论文 2 ) 降低误码率 与上文原因相似，在协作分集中，中继节点帮 点在接收源节点信号时获得了空间上的分集增益， 接收信噪比提高，降低了误码率。 3 ) 提高系统传输速率 文献 1 3 】的研究表明，当网络中两个用户到基 这两个用户之间的信道条件较好时，协作分集能够大幅度提高信息传输速率，从而 提高系统性能；当两个用户到基站的信道特性不同时，协作分集仍能在一定程度上 提高信息传输速率，其中信道条件较差的用户获得增益较大，信道条件较好的用户 的通信质量也不会受到影响，仍然可以增加可达速率区间。 4 ) 增加系统覆盖范围 文献 1 5 】的研究表明，协作分集能够提高网络的覆盖范围。在协作分集网络中， 可以通过采用放置移动或固定中继的方式提高上下行速率，使得处于小区边缘外侧 的用户达到小区的接入要求。 可见，当采用协作分集技术之后，整个无线网络的覆盖范围相对于采用传统通 信方式的网络有所提高。更为重要的是，当用户由于阴影效应无法直接与基站通信 时，协作分集可以通过中继实现与基站的通信，从而减少了通信盲区的出现。可见， 协作分集对于提高小区覆盖率是有帮助的。 5 ) 降低用户中断概率 实际系统中，我们把瞬时信道容量小于所需的传输速率时，称为传输中断。此 时，系统传输的信息不能满足无差错的要求，我们认为这样的传输是不可靠的。中 断概率表示传输中断发生的概率，也成为衡量系统性能的一个重要参数。 由文献【1 5 】可得，当两个用户传输速率相等时，采用协作分集的通信系统的中 断概率都要小于不采用协作分集的通信系统的中断概率。使得系统的健壮性得到较 大的提高。 2 5 本章小结 本章主要介绍了常用的分集技术以及协作分集的概念，并介绍了常用的协作分 集策略以及协作分集所带来的增益。 择问题的研究 y o 文献 1 】提出了协作分集的信道模型，如上图所示，其中局，巨表示两个协作用 户。每个用户接收到协作伙伴带有噪声的信号，并与自己所要传输的信号结合构成 自己所要传输的信号。基站最后接收到的信号包含两个用户所要传输的信息。数学 表达式如下： y o ( t ) = k i o 五( f ) + k o 置( f ) + z o ( f ) ( 3 - 1 ) y l ( t ) = k 2 i x 2 ( f ) + z i ( f ) ( 3 2 ) y 2 ( t ) = k j 2 x i ( f ) + z 2 ( f ) ( 3 - 3 ) t