协作中继通信网中分集研究-丁建峰

协作通信网中的分集研究姓名：丁建峰班级：A1203491学号：0120349031协作分集作为一项新兴研究领域，得到了广泛的关注和应用，是当前无线通信研究的热点。本次研究着重分析协作中继通信网中分集协议的分集复用折中（DMT）性能。对半双工通信中两种基本的协作分集协议：放大前传协议（AF）、解码前传协议（DF）进行了DMT分析，并与其改进的非正交放大前传协议（NAF）、动态解码前传协议（DDF）进行对比。在前人研究的基础上，提出了一种基于中继选择的混合NAF、NDF协作中继协议，通过计算其DMT，发现其有着优于NAF协议的性能。最后通过Matlab仿真中断概率验证这一结论。研究内容简介研究背景Diversity-MultiplexingTradeoff

(DMT)分集复用折中（DMT）就是讨论分集增益和复用增益之间关系的一个标准。其本质是通信系统传输可靠性（错误概率）和数据率的折中。本次研究的重点就是讨论在单源单宿通信网络中协作中继系统的DMT性能。并且假设信源、中继节点和信宿只有一个天线，整个网络工作在半双工模式（half-duplexmode）下，信道衰落为瑞利衰落。研究背景分集（diversity）

指在独立的衰落路径上发送相同的数据，由于独立路径在同一时刻经历深衰落的概率很小，因此经过适当的合并后，接收信号的衰落程度就会被减小。

研究背景协作分集可以分为两步进行：第一步，信源节点向信宿节点和中继节点广播发送信号，中继节点接收到信号后对信号进行处理；第二步，信宿节点采用多址接入的方式接受来自中继节点转发的信号，信宿节点采用某种规则对多个信号进行合并。在第二步中，信源节点也可以再向信宿节点发送信息。研究背景一些重要的定义(1)信噪比（2）如果则定义研究背景（3）分集增益d(diversitygain)和

复用增益r(multiplexinggain)（4）如果，则协议A完全主导协议B。（5）假设g是一个具有零均值、单位方差的高斯随机变量，定义，则v表示的阶数。研究背景（6）考虑一个相干线性高斯信道信道，其最大似然接收机的成对错误概率（PEP)有上界：（7）引理1考虑一个相干线性高斯信道，其数据速率为R，码长为，当接收信号和发送信号的互信息超过时，只要码长足够大，那么最大似然接收机的错误概率可以任意的小。放大前传放大前传(

Amplify-and-Forward,AF)在AF协议中，中继节点不对信源发送来的信息进行其他操作，直接将其放大后发送给信宿。传统协作分集方案及其改进传统协作分集方案及其改进解码前传解码前传(Decode-and-Forward,DF)在DF协议中，中继节点对信源发送的数据进行解码，然后重新编码，再发送给信宿。传统协作分集方案及其改进尽管DF协议可以有效的利用编码优势来降低噪声对通信的影响，但是如果S-R信道比较差，DF模式可能把解码错误的数据转发给信宿节点，从而造成误码传播。可以想像，如果中继解码错误，那么接收端成功的概率只有1/2。而AF模式下，当S-R信道较差，中继节点只是把噪音传递给目的节点，由目的节点综合处理，性能还不至于太差。可以证明，由于存在误码传播，DF模式不能获得有效的分集增益。NAF协议传统协作分集方案及其改进传统协作分集方案及其改进只有一个中继节点时AF协议的最佳分集复用折中曲线传统协作分集方案及其改进DDF协议

动态解码前传协议（DDF）与一般的解码前传协议的不同点在于，中继节点没有一个特定的参与协同的时刻。在DDF协议中，中继节点一直监听信道，当它接收到的信息与信源节点发送的信息的互信息超过一定值时，中继节点开始参与协同。对于码长为

L符号间隔、信息速率为每信道传输R比特的系统来说，当中继节点接收到的信息与信源节点发送的信息的互信息超过LR时，中继节点进行解码、重编码，再发送给信宿节点。传统协作分集方案及其改进一个中继节点时DDF协议的DMT曲线单中继时AF、NAF、DDF与直传、理想曲线的DMT对比图传统协作分集方案及其改进DDF中继协议已经被证明是目前译码转发中最佳的中继协议。尤其是在单中继并且复用度r小于1/2时，完全可以达到割集界，这充分显示了DDF性能的优越。然而，尽管DDF可以使协作中继节点能正确译码的概率最大化，但是在当下，没有一种相应的编码方案来很好的实现这一中继协议；同时NAF协议的性能不是特别优越，显然可以有很大的改进空间。一种基于中继选择的非正交混合中继协议及其DMT性能首先考虑仅有一个中继节点的情况。假设信源、中继节点和信宿只有一个天线，整个系统工作在半双工模式（half-duplexmode）下，这样保证，在同一时间内，节点只能接收或发送信息，不可以同时进行收发。将通信过程分为两个时隙。在时隙1结束时，中继节点进行判断：如果中继节点可以正确译码，那么中继采用DF模式向信宿转发数据；如果中继节点不能正确译码，那么中继节点采用AF模式向信宿转发数据。直观上可以看出，这样做可以避免高信噪比时AF协议对信道噪声的放大，同时可以克服低信噪比时，DF解码错误带来的误码传播。因此，该协议会有较好的性能。以下简称该协议为NDAF（Non-orthogonalDecode/AmplifyandForward）协议。一种基于中继选择的非正交混合中继协议及其DMT性能工作模式图

一个中继节点时NDAF协议的DMT具体步骤如下：在时隙2开始时的极短时间内，中继进行判断，确定自己是否可以正确解码，并向信宿发送标志信号，表明自己的情况；在时隙2开始前，信宿根据自己得到的标志信号，如果存在可以解码的中继节点，则在可以解码的中继节点中选取

最大的中继节点通知它进行DF前传；如果没有可以正确解码的中继节点则用AF前传。由于发送标志信号的时间与一帧的传输时间相比非常短，因此，可以像在分析DDF协议时一样，忽略这部分的损失。推广到N个中继节点推广到N个中继节点N个中继节点时NAF模式工作示意图

N个中继节点时的DMT及N=5时DMT图像

1个中继节点时NDAF与NAF的中断概率对比图从图中可以看出当只有一个中继节点协同通信时，在信噪比高时，NDAF协议比NAF协议有着更低的中断概率：在中断概率为0.01时，NDAF协议性能比NAF高约1.5dB；在中断概率为0.001时，NDAF协议性能比NAF高约3dB。

5个中继节点时NDAF与NAF的中断概率对比图5个中继节点协同通信时，NDAF的性能比NAF提升的更多。在中断概率为0.01时，NDAF协议的性能比NAF高出约3dB；在中断概率为0.001时，NDAF协议的性能比NAF高出约6dB。

5个中继节点时NDAF与NAF的中断概率对比图因为在高信噪比时，系统以很高的概率工作在NDF模式。而此时每条S-R链路都可以正确解码，因此消除了S-R链