协作通信系统中的选择DF中继协议研究本科毕业设计论文.doc

本科毕业设计论文题 目 协作通信系统中的选择df中继协议研究 毕业任务书一、题目协作通信系统中的选择df中继协议研究二、指导思想和目的要求无线通信技术在近二十年来获得迅猛的进步。它的发展离不开众多基础技术，如集成电路、能量存储以及天线技术的发展。近几年来，被认为对通信技术有巨大推动作用的是mimo技术。该技术在接收端和发射端使用多根天线，从而形成多条路径，通过数字信号处理技术对多条路径传送的信号进行形成和合并，提高了接收信号的质量和数据传送速率。协作通信正是在mimo的推动下产生的，它把mimo通信技术推广到更多的应用场景中。协作通信过程中一个很关键的方面就是对来自中继的源节点的信息处理。不同的处理方案导致了不同的协作通信协议。研究协作通信系统中中继协议，使得系统的误码率降低，从而使整个系统的吞吐量增大。通过对通信协议的研究，来选择最优的通信协议，从而进一步推动了协作通信技术的演进与发展。本文主要研究协作通信系统中选择df中继协议，分析在不同的协作协议下，通信系统的性能状况。三、主要技术指标1.了解mimo的基础知识。2.分析协作通信系统中的各种协议。3.对选择df中继协议进行分析,了解系统的信噪比和最优功率分配。四、进度和要求第1-2周:查阅资料,整理读书笔记。第3-6周：根据毕业设计任务书的要求，了解设计内容，独立撰写开题报告。第7-12周：开始写论文，进行不断的修改并完成。第12周：进行最后的定稿。第13周：准备论文答辩。五、主要参考书及参考资料1 j.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 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.nosratinia.cooperation diversity through coding.in proceedings of the ieee international symposiun on information theory,p.220,july 2002.5美k.j.rayliu，埃及ahmed k.sadek，中weifeng su ，阿根廷andres kwasinski著，任品毅译协作通信及网络m电子工业出版社2010.8学生 _ 指导教师 _ 系主任 _西北工业大学明德学院本科毕业设计论文目 录摘 要1abstract2第一章 绪论41.1协作通信系统中选择df中继协议的意义、背景、现状41.1.1意义41.1.2背景41.1.3现状61.2本论文所做的工作8第二章 mimo技术以及协作分集102.1 mimo技术的提出与发展102.2协作分集技术102.2无线信道的分集112.2.1空间分集112.2.2时间分集122.2.3频率分集122.3 协作分集技术之间的比较132.4协作通信13第三章 协作通信中各协作协议143.1协作协议143.2固定协作策略153.2.1固定放大转发协议163.2.2固定译码转发中继协议163.2.3其他协作策略173.3自适应协作策略173.3.1选择性df中继173.3.2增量中继173.4分级协作183.4.1网络模型183.4.2分级协作协议描述203.4.3 协议分析23第四章 单中继协作通信264.1系统模型264.2 df协议的误符号率分析284.2.1闭式ser分析284.2.2 ser上界及渐进近似294.2.3最优功率分配304.3 af协议的ser分析304.3.1利用mgf方法的ser分析304.3.2调和平均值的简单mgf表达314.3.3 渐进紧的近似解314.3.4最优功率分配324.4 df与af协作增益的比较32第五章 协作通信系统中选择df中继协议研究345.1 系统模型和协议描述345.2精确ser性能分析375.3 ser近似375.3.1 一般协作协议的ser近似385.3.2分集阶数和协作增益385.3.3带宽效率与分集增益的比较395.3.4最优功率分配40第六章 结束语426.1对本论文的总结426.2对以后工作的展望42致谢44参考文献45毕业论文小结46 摘 要多天线系统是提高系统容量和可靠性的一种有效手段。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mimo技术的应用，为了克服这一mimo应用的限制，必须提出超越传统点对点通信的新技术。一个无线网络系统从通常可以被看做一些试图相互通信的节点的集合。但是，从一个角度而言，因为无线信道广播特性的存在，我们可以将这些节点视为无线系统中一些分布式天线的集合。利用这一观点。网络中的节点可以相互协作进行分布式传输和信息处理。一个协作节点对于源节点来说可看做作一个中继节点。因为以上的原因，协作通信可以在从在源与目的节点之间产生类似mimo信道的独立传输链路。它是利用无线信道广播特性在节点间相互辅助的一种新的架构，可以以一种分布式的方式来进行通信处理，并能够获得在mimo系统所得的相同的优势。这样的一种观点能够带来不同的新通信技术以提高通信容量、速率和性能；降低电池损耗和延长网路寿命；提高吞吐量和多接入方案的稳定域；扩展传输覆盖范围。近年来，人们对协作通信系统进行了许多研究。本文主要研究协作通信系统中选择df中继协议。本文首先阐述了mimo的概念以及在协作通信系统的应用；其次，对中继信道的概念和不同的中继协议进行了讨论；最后，对本文的重点 ，选择df中继的研究。 关键词：协作分集，协作协议，选择df中继协议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 the 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 of 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 internet. 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 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 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 conducts research on df selection relaying 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 selection relaying which the key is of this paper. key words:cooperative diversity,cooperative protocols,select the df relaying protocol第一章 绪论1.1协作通信系统中选择df中继协议的意义、背景、现状1.1.1意义 无线通信技术在近二十年来获得迅猛的进步。它的发展离不开众多基础技术，如集成电路、能量存储以及天线技术的发展。近几年来，被认为对通信技术有巨大推动作用的是mimo技术。该技术在接收端和发射端使用多根天线，从而形成多条路径，通过数字信号处理技术对多条路径传送的信号进行形成和合并，提高了接收信号的质量和数据传送速率。协作通信正是在mimo的推动下产生的，它把mimo通信技术推广到更多的应用场景中。协作通信过程中一个很关键的方面就是对来自中继的源节点的信息处理。不同的处理方案导致了不同的协作通信协议。协作通信一般可以分成固定中继方案和自适应中继方案。中继的处理根据所采用的协议而不同，有固定放大转发（af）中继协议和固定译码转发（df）中继协议。固定中继具有便于实施的优点，但其缺点是低的频谱效率。为了克服这一问题，可以采用自适应中继协议以提高有效性。自适应中继包括选择中继和增量中继技术。研究协作通信系统中中继协议，使得系统的误码率降低，从而使整个系统的吞吐量增大。通过对通信协议的研究，来选择最优的通信协议，从而进一步推动了协作通信技术的演进与发展。1.1.2背景随着社会的进步、经济和科技的发展，特别是计算机、程控交换、数字通信的发展，近些年来，移动通信系统以其显著的特点和优越性能得以迅猛发展，应用在社会的各个方面。无线通信的发展潜力大于有线通信的发展，它不仅仅提供普通的电话业务功能，并能提供或即将提供丰富的多种业务，满足用户的需求，成为20世纪80年代中期以来发展最为迅速的通信方式。现代移动通信技术从模拟调制到数字调制经历了三代。第一代移动通信系统（1g）以模拟式蜂窝网为主要特征，采用频分多址（fdma）模拟调制方式，实现对网内用户的动态寻址功能，并以蜂窝式网络结构和频率规划实现载频复用，满足扩大覆盖范围和满足用户数量增长的需求。在信道动态特性匹配上，适当采用了性能较好的模拟调频方式，并利用基站二重空间分集方式抵抗空间选择性衰落。其主要代表有美国的amps、英国的tacs、北欧的nmt等。第二代移动通信系统(2g)以数字化蜂窝网为主要特征，采用时分多址、码分多址数字调制方式实现对网内用户的动态寻址功能，以数字式蜂窝网络结构和频率规划实现载频复用，并采用独立信道传送信令，从而提高了系统容量，使系统性能大为改善。第二代移动通信技术采用了抗干扰性能优良的数字式调制；gmsk（gsm）、qpsk(is-95);采用性能优良的抗干扰纠错编码卷积码；卷积码、级联码；采用功率控制技术抵抗慢衰落和远近效应；此阿勇自适应均衡和rake接收抗频率选择性衰落与多径干扰；采用信道交织吗、编码，如采用帧间交织方式或块交织方式抗时间选择性衰落；采用空间或极化分集抗空间选择性衰落。其主要代表有北美的damps、is-95cdma和欧洲的gsm。虽然第二代移动通信系统和对于第一代移动通信系统已经有了很大的改进，但是第二代移动通信系统通常只提供低速率的语言业务。但社会信息化进程越来越快，仅仅通话已不能满足人们对信息交流的需要，除语音外，数据、图形、图像等各种信息都希望能随时获取和彼此相通，多媒体服务就变得越来越有必要。第三代无线通信系统以多媒体业务为主要特征，支持速率100mb/s的多媒体宽带数据业务，在系统适配信道与用户二重动态特性的基础上又引入了业务的动态性。它继续采用第二代所采用的行之有效的措施，对扩频方式中由于扩频码性能的不理想带来的多址干扰、远近效应等采用了多用户 检测、智能天线、发端分集、空时编码等；针对数据业务要求误码率低且实时性要求不高的特点，对数据业务此阿勇了性能更优良的turbo码。第三代移动通信系统及其下一代移动通信系统由于数据传输速率高，对分集技术等抗干扰手段提出了更高的要求。未来的无线通信系统与网络将是无处不在的，能实现任何时间、地点、任何业务的任意接入，能提供不同速率的多媒体业务。近几年无线通信业务的激增是前所唯有的。语音通信不再是人们需要的额唯一业务。高数据率业务、宽带无线internet、游戏和许多其他业务近年来也一一出现。对多数未来无线系统，如移动超宽带、长期演进、ieee802.16e都有希望在高宽带信道上位每个用户提高非常高的数据速率。例如，在未来几年即将开发的第四代无线通信网络中，如移动宽带无线多址，在下行链路长可以达到260mbps的峰值数据速率。然而，只有对满秩mimo用户而言，这些数据速率才可以实现。更明确地说，满秩mimo用户必须在移动终端上具有多天线，并且这些天线必须清楚位于基站出多天线的独立信道的衰落情况。实际中，不是所有用户都能保证如此高的额传输速率，因为它们或者不能在其小型设备中安装多天线，或者由于传播环境限制不能够支持mimo，比如没有足够多的散射。为了克服上述在未来无线网络中mimo增益实现的限制，我们必须考虑在传统点对点通信之上的新技术。而协作通信这种新的通信方式，通过引入中继信道，它在用户和基站之间产生了独立路径。中继信道可以认为是源和目的端之间直接信道的一种辅助信道。因为中继节点常常据源节点有几个波长的距离，所以中继信道与直接信道间的衰落独立，这就再源和目的端间引入了一个满秩mimo信道。在协作通信方案中，对于接收到由其他发射节点辐射出的有用能量的节点会有一些先验的限制。新的用户协作范例是这样的：通过在节点上执行适当的信号处理算法，多终端能处理从其他节点侦听到的传输信号，并且通过彼此的中继信息进行协作。中继信息随后在目的节点进行组合以产生空间分集。这就产生了这样一个网络，它可以被认为是一个执行分布式多天线的系统，协作节点为彼此产生了不同信号路径。因此，对于网络中所有用户都产生高数据速率的第四代无线系统而言，协作通信是一种新的手段，它将会成为第五代无线网络的关键技术。1.1.3现状 协作通信是一种新的通信方式，它把mimo通信技术推广到更多的应用场景中。在这种新的通信方式中，分散在无线网络中的终端可以看做分布式天线。通过这些节点的协作，增加了系统的分级增益从而获得了类似mimo系统中的增益。 在文献1和2中，laneman等提出了不同的协作分集协议并分析了他们的中断性能。译码转发和放大转发的概念就出自这两篇文章。当采用译码转发，每个中继接收源发送的信号并进行译码，然后将译码后的信号转发给目的，目的将接受到的所有副本进行合理的合并。放大转发是个更加简单的技术，中继放大接收到的信号并向目的转发。这种技术下，尽管噪声随着信号一起被放大，但仍然能够从来自空间独立的两个信道的信号中获得空间分集。sendonaris等在文献3提出了用户协作分集的概念。另一种获得分集的技术是hunter等在文献4中介绍的将纠错码引入协作的编码协作。 近年来一些研究者研究了无线网络的容量度量问题。gupta和kumar的原创工作激发了很多人对这个问题的思考。他们所建模型的局限在与不允许网络之间的协作，因此，如果节点接收到的信号不是自己需要的信号，则将其作为干扰。而协作则受益于信道的广播特性，利用这个优势，它将不再把监听到的信号当做干扰。在另外一篇论文所总结的最近的工作中，aeron和saligrama提出了分布式合作方案，该方案带来了比传统多跳方案更高的吞吐量。 任何一种新技术的出现，必然会带来一些新的问题，协作通信业不例外。虽然协作通信的研究已取得很多的突破，但仍有不少问题需要进一步探讨和改进，以达到更好的性能。 第一，同步问题。目前大多数协作通信的文献都假定系统能够实现精确同步，即协作者之间、协作者和目的端之间都是同步的，但这在实际中是难以做到的。与有线同步网络不通，协作通信中同一信息是由多个协作者发往目的端的。如果多个协作者到目的端的时延不同，则协作者之间的同步问题与协作者和目的端的同步问题是相互矛盾的。以现有额同步机制，如果做到了多个协作者间的同步，就很难做到目的端与协作者间的同步，反之亦然。 第二，功率分配问题。现在的研究大多数采用等功率分配法，认为各个移动终端有着相同的发射功率。如果使移动终端根据上行信道或者协作伙伴的信道状态自适应地调整发送功率，从而更好地提升性能呢？更进一步，如何在已有基础的协作网络中进行功率控制，使干扰最小化这些问题仍未有令人满意的解决方案。 第三，频率选择性衰落信道下的协作通信问题。到目前为止，绝大多数的协作通信研究工作都假设信道是平坦衰落的。然而，在实际的通信系统中，特别是对于搞数据率和高移动性的通信系统，信道是频率选择性衰落的。能否将现有研究成果移植到频率选择性衰落信道中，频率选择性信道中的协作通信有什么特殊的研究内容，这些问题都急待解决。 第四，基站的改进。协作通信技术的引入会导致基站的接收复杂度提升，因此开展关于协作方案中的信道估计和先好检测等方面的研究很有必要。 第五，伙伴选择问题。在一个多用户的环境中怎样划分各个终端的协作伙伴，既然是移动终端，当它们的相对位置改变时又该如何或者说应该隔多久的时间重新划分一次协作伙伴这方面虽然已经有了一些相关的解决方案，但选用的网络模型相对比较简单，有待补充和扩展。第六，协作的时机问题。现在的文献往往只关注协作带来的增益，极少有考虑协作通信的必要性，似乎协作在任何场景下都能带来好处。事实上，无论什么技术都有它难以克服的缺陷，只有使用得当才能充分发挥其积极作用。第七，协作通信的推广和应用。今后协作通信还可用于异构融合的无线网络，形成一种全新的智能化的网络，这其中存在多用户、多网络之间的协作问题，问题的关键在于采用什么样的策略尽可能公平地对待所有用户和网络，如何尽量减少系统开销，以及如何更灵活地去适应各类网络的接入协议等。这些相关的研究目前仍然处在初级阶段，有很多的工作等待开展和讨论。1.2本论文所做的工作 本文主要研究协作通信系统中选择df中继协议。分析在不同的协作协议下，通信系统的性能状况。 本文所做的工作分为以下几个方面：1.讨论本次研究的意义、背景、现状。2.了解mimo的基础知识。3.分析各协议的基本原理,主要研究选择df中继协议。第二章 mimo技术以及协作分集分集技术提供多个理想独立的信号路径，通过在源和目的端提供多个信号路径可减轻衰落影响的一种技术。分集技术已广泛应用无线通信网络中。本章主要对空间分集、频率分集、时间分集这三种典型的分集技术进行分析。2.1 mimo技术的提出与发展无线通信已经经历了飞速的发展演进，其发展离不开众多基础技术。近几年，被公认为对通信技术有巨大推动作用的是mimo技术。mimo技术在接收端和发射端使用多根天线，从而形成多条路径，通过数字信号处理技术对多条路径传送的信号进行形成和合并，提高了接收信号的质量和数据传输速率。 由于传播媒介带来的有害因素，无线通信成为一种极具挑战性的工作。无线衰落信道所呈现的挑战随着时间的推移不断发生变化。在通信系统的设计中，源和目的端之间的单一信号路径可能出现严重衰落，因此需要通过增加信道编码部分的纠错能力、降低传输速率、使用更精密的探测器等技术进行解决。然而，这些解决办法对于许多实际路径的实现来讲远远不够。2.2协作分集技术无线通信发展至今,随着人们对高速率数据业务和服务质量的需求不断提高要求下一代的无线通信系统能够提供更高的传输效率和质量更高的无线覆盖。然而无线信道固有的衰落特性会导致信号传输质量严重下降。为了对抗无线信道的衰落,提高系统的传输可靠性,在无线通信系统中广泛使用分集技术。分集的基本原理是发送端通过多个信道,如时间、频率或者空间发送信息和接收端接收到承载相同信息且在统计上相互独立或近似独立的多个副本,对多个副本加以有效且可靠的利用从而对抗信道衰落。多输入多输出mimo系统通过发送端和/或接收端配置的多根天线，可以实现空间分集，并且可以有效地提高系统的频谱效率和数据传输速率,已经被认为是新一代无线通信系统的关键技术之一。然而令人遗憾的是,在实际无线通信系统中,通常只在基站端配置多根天线,而对于移动终端,由于体积、重量以及功耗等方面的限制,在其上配置多根天线难以实现。 为了解决这个问题实现移动终端的发送分集,产生了一种新的空间分集形式协作分集。分集增益通过网内移动终端的相互协作获得网内多个移动终端组成协作伙伴,协作伙伴之间对数据进行中继转发,即每个移动终端都不仅发送自己的信息,还要发送协作“伙伴”的信息。通过使用“伙伴”的天线来发送经历独立衰落的副本,从而使单天线的移动终端也可以实现空间分集。 对于协作“伙伴”之间如何相互处理自己和“伙伴”的信息问题,需要设计具体的协作协议,以尽可能地利用有用信息,消除干扰,在处理复杂度较低的情况下有效提高系统的可靠性。然而,由于不同的协作协议具有不同的差错性能,且侧重点以及适合的场景不同,有必要对各种协作协议进行具体的分析研究。2.2无线信道的分集2.2.1空间分集我们知道在移动通信中，空间略有变动就可能出现较大的场强变化.当使用两个接收信道是,它们受到的衰落影响是不相关的,因此这一设想引出了利用两幅接收天线的方案,独立接收同一信号,再合并输出,衰落的程度能被大大地减少,这就是空间分集. 空间分集分为空间分集发送和空间分集接收两个系统.其中空间分集接收时在空间不同的垂直高度上设置几幅天线,同时接收一个发射天线的微波信号,然后合成或选择其中一个强信号,这种方式称为空间分集接收.空间分集接收时利用多幅接收天线来实现的。在发射端采用一副天线发射，而在接收端采用多幅天线接收。接收端天线之间的距离d ，以保证接收天线输出信号的衰落特性是相互独立的，也就是说，当某一幅接收天线的输出信号很低时，其它接收天线的输出则不一定在这同一时刻也出现幅度低的现象，经相应的合并电路从中选出信号幅度较大、信噪比最佳的一路，得到一个总的接收天线输出信号。这样就降低了信道衰落的影响，改善了传输的可靠性。空间分集接收的优点是分集增益高，缺点是还需要另外单独的接收天线。为了克服这个缺点，近年来又生产出定向双极化天线。2.2.2时间分集信道想干时间等于或者超过几个符号传输时间的通信环境相当普遍。这意味着在远大于相干时间的独立时间内，两个符号将经历高度相关的信道实现，因此可以用来获得分集。时间分集就是将同一信号在不同的时间区间多次重发，只要歌词发送的时间间隔足够大，则各次发送信号所出现的衰落将是相互独立的，接收端可以收到不相干的衰落信号。时间分集正是利用这些衰落在统计上互不相关的特点。2.2.3频率分集类似于时间分集，在那些可用带宽超过相干带宽的宽带系统中个，通过使用被分割为可用带宽，而且在信道带宽一致性基础上相互分开的信道可以实现频率分集。在频率分集中，使用许多不同的频率发射相同的信息。实现可以将待发送的信息分别调制在频率不相关的载波上发射，所谓频率不相关的载波是指当不同的载波之间的间隔大于频率相干区间，即载波频率的间隔应满足 (2.1)式中，为载波频率间隔，为相关带宽，为最大多径时延差。如果发射频率的间隔是信道相干宽带的几倍以上，这样就能保证不同频率的衰落统计特性是互不相关的，不同传播环境的相干带宽不同。当信道的相干带宽较小时，频率分集效果明显。2.3 协作分集技术之间的比较时间分集与空间分集相比较，优点是减少接收天线及相应设备的数目，缺点是占用时隙资源增大了开销，降低了传输效率。频率分集与空间分集相比较，其优点是在接收端可以减少接收天线及相应设备的数量，缺点是要占用更多的频带资源。频率分集和时间分集技术虽然可以对抗无线信道的衰落，提高系统的性能，但并不是在任何情况下，这两种分集方式都是有效的。如对于时延敏感的慢衰落系统，时间交织会引入较大的信号处理时延，所以对时延敏感的业务不适合采用时间分集。当信道的相干带宽大于传输信号的带宽或信道的多径时延扩展远小于信号周期时，频率分集又显得无能为力。虽然空间分集具有优良的性能，但也有它的缺点，需要在分集端假设多跟天线，并且对天线之间的距离有一定的限制，这对体积较小的移动终端来讲是一个难题。2.4协作通信近几年无线通信业务的激增是前所未有的,为了满足高速率多媒体通信的需求,不仅要提高数据的传输速率,还有调高系统的稳定性,避免衰落.其中,无线通信中的环境的特殊性决定了协作分集的重要性.其中空间分集技术由于无需占用额外的时间和频率资源的特性,而受到广泛的关注,使用空间分集技术的mimo系统的优点已经被广泛的应用。协作通信的产生,它把mimo通信技术推广到更多的应用场景中.在这种新的通信方式中,分散在无线网络中的终端可以看做分布式天线.通过这些节点的协作,增加了系统的分集增益从而获得了类似mimo系统中的增益。第三章 协作通信中各协作协议协作分集技术不仅可以克服移动终端配置单天线无法实现空间分集的限制,还可以有效地增大系统容量、扩大无线通信的覆盖范围。对于无线通信系统中的通信终端，存在两种基本的工作模式，即半双工模式和全双工模式。在半双工模式下，节点通过不同的时隙或频率接收和发送数据，但节点不能同时接收和发送数据；而在全双工模式下，节点可以同时接收和发送数据。在实际的协作通信系统中，工作在半双工模式下节点相对于公仔全双工模式下的节点实现更简单，相应的协作协议实现更容易，复杂度也比较低，但全双工通信系统比半双工通信系统有更大的系统容量。协作通信过程中一个很关键的方面就是对来自中继的源节点的信息处理.不同的处理方案导致了不同的协作通信协议。3.1协作协议在本章，我们仅考虑网络中只存在一个中继协助源节点的发送。多中继情形将在后面的章节中进行讨论。通常一个中继策略可以被建模成啷个正交的阶段，或者通过tdma，或者通过fdma，以避免两阶段之间产生干扰。阶段1，源发送信息到目的，同时，中继也接收到源发送的信息。阶段2，中继2通过转发或者重新发送源的信息来帮助源。图3.1 简化协作模型 (3.1) (3.2)其中，p是源的发射功率；x是发送的信息符号；，是加性噪声。在式(3.1)和式(3.2)中，分别是源到目的源和源到中继的信道系数。他们分别被建模成零均值且方差为和的复高斯随机变量。噪声和被建模为零均值且方差为的复高斯随机变量。阶段2，中继将处理后的源信号向目的转发，目的接收到的信号为其中，函数取决于中继节点所采用的处理方式。3.2固定协作策略在固定中继中,源到中继的信道资源以固定的方式划分.最常用的技术是固定af中继和固定df中继.3.2.1固定放大转发协议af协议(固定放大转发协议):当采用此协议时,中继量化将接收到的信号放大后转发给目的。 中断概率为 (3.3) 高信噪比下的中断概率为 (3.4)3.2.2固定译码转发中继协议df协议(固定译码转发中继协议):将接收到的信号译码并重新编码后发送给接收机.尽管固定df中继相比af中继有降低中继处加性噪声的优势，但是它有可能向目的端转发错误的信号，这就导致了错误传播，进而降低系统性能。中断概率为 (3.5)因为信道是瑞利衰落的，则上述变量都是参数为1的指数随机变量。对信道进行平均，则在高信噪比下，译码转发的中断概率为 (3.6)固定中继具有易于实施的优势，但是也存在频谱效率低的劣势。这是因为有一半的信道资源分配给中继进行转发，这就降低了整个信道的速率。特别是当源到目的的信道并不是很差的时候，这是源发送给目的的数据大部分都可以被正确译码，中继的转发就浪费了。3.2.3其他协作策略除了这两种最常用的固定中继技术,还有其他的中继技术也值得关注,例如压缩转发协议和编码协作压缩转发协作和译码/放大转发协作最主要的区别在与后者的中继转发的是接收信号的副本,而压缩转发的中继转发的是接收信号量化及压缩后的版本. 编码协作不同于前述方案的地方在于这种协作应用在信道编码这个层面上。3.3自适应协作策略3.3.1选择性df中继选择性df中继:如果中继接收到的信号的信噪比超过了某个门限值,则中继解码接收信号并将解码信息转发给目的.反之,如果源和中继之间的信道遭受到了严重的衰落,以至于接收信噪比落到门限值以下,则中继不进行任何操作.选择df中继的中断概率为 (3.7) 上式中所有的随即变量都是独立的指数随机变量，这就使得中断概率的计算很直接，高信噪比下中断概率的表达式可以写成 (3.8)3.3.2增量中继增量中继:对于增量中继,假设目的到中继间存在一个反馈信道.如果目的端能够在阶段1正确接收码源的信息,则向中继发送一个确认信号,这样中继就不用转发.在增量中继时，如果源在阶段1发送成功，则没有阶段2，源将在下一个时隙发送新的信息。反之，如果源在阶段1发送失败，中继可以使用任何一种固定中继协议来转发源在阶段1的信息。在这里，我们主要关注中继采用af协议。中断概率为 (3.9)高信噪比下，中断概率为 (3.10)总的来说,自适应中继技术性能优于固定中继技术,应为它需要额外的信息来完成协议.例如,选择中继需要知道接收信噪比,增量中继需要知道来自目的端的反馈.另一方面,相比于自适应中继,固定中继更易于实施,因为前者需要额外的开销.因此,这最终是一个性能和复杂度的折中。3.4分级协作因为频谱资源的珍贵，未来无线系统力争达到高的带宽效率，例如在单位信道资源上传输更多的比特。一个评估通信方案效率的好的标准时：随着网络中用户密度的增大，如何对网络容量进行衡量。这一小节将研究协作通信对网络容量的影响。3.4.1网络模型 我们考虑一个具有n个节点的网络，这些节点均匀分布在单位面积内。网络中的每个节点要能发送自己的信息，也能接收别的节点的信息，即每个节点即是源也是目的。这些源和目的随即配对，并且该配对在整个通信过程中保持不变。假设每个节点具有相同的流量r（n），平均发射功率为p。假设信道是平坦的，带宽为w hz且载波频率。节点i和k之间的信道建模如下： (3.11)其中， 是均匀分布的随机过程，取值在0和2 之间。假设相移 是平稳的和各态历经性的，且各个节点的相移是互相独立的。这里 表示节点i和k之间的距离，假设它是与相位 相互独立的，并且在整个通信过程中保持不变。同样， 表示路径衰落指数，g表示发射与接收端的天线增益。上面的信道模型符合远场假设。因为任何节点的小的位移不会对间距产生大的影响，因此假设固定是合理的。另一方面，相移是根据波长来测量的，因此任何小的节点位置的移动都会改变接收到的信号的相移。节点i在时隙m接收到的信号为 (3.12)其中， 是节点k在时隙m发射的信号， 是方差为的加性高斯白噪声。因为网络中的每个节点都有r(n)的流量要发送，则网络总的吞吐量为 (3.13)两个有趣的问题是，最大可达的总吞吐量是多少？它随着节点个数是怎么变化的？更进一步，什么样的通信方案能够达到这个总吞吐量。最近已有证明显示，多跳传输的网络容量上界如下所示： (3.14)这意味着每条链路的流量可以测量为 (3.15)因此每个节点的吞吐量随着节点密度的增大而减少。这样的网络测量是否是最佳的呢？或者这是不是最邻近多跳传输的极限呢？答案是，在最邻近多跳传输的假设下，式中的网络测量确实是最邻近多跳传输的一个结果，这是因为这样的度量导致了干扰有限。3.4.2分级协作协议描述首先，我们考虑一个具有n个均匀分布节点的单位面积网络的最有网络测量的上界。对于具有n个节点的网络，总的网络吞吐量上界为 (3.16)这就意味着一个具有n个节点的网络容量的度量的上界与节点个数呈对数关系。话说，如果存在一个方案能够得到线性容量度量，那么该方案是最优的。现在我们讨论本节关注的分级协作协议。分级方案是基于分簇和簇间的远距离mimo传输。这可以达到两个目标：使用分簇能够获得空间重用。这是因为分离的簇可以并行工作。并行工作时，各簇的节点可以根据他们对别的簇产生的干扰来降低发射功率。使用远距离mimo、我们可以达到高的空间复用增益。网络被分成每个包含m个节点的簇。节点s首先将自己的比特发送给本簇里的其他m-1个节点。簇中m个节点构成分布式mimo传输，把源s的比特发送给它的目的端，这个目的端有可能在另外的簇中。目的端所在的簇构成一个mimo接收机。接收簇中的每个节点将量化接收到的观察值，并把它转发给目的。阶段1：建立发送协作在这个阶段，每个节点奖信息发布给本簇的其他节点，如图3.1所示，源节点将自己的比特发送给本簇的邻居节点。图3.2 阶段1的描述。每个源将自己的比特分发给同簇的节点我们考虑一个具体的源节点。该源将lm个比特分成m块，每块l个比特。源如何将这m块分发给簇内的其他节点依赖于目的和源的相对距离。具体来讲：如果源节点和它的目的节点要么在同一簇内要么它们分别所在的簇没有相邻，那么源保留1个比特块并将其它m-1个块发送给同簇内其它m-1个节点。如果源节点和它的目的节点在相邻的簇，那么源所在的簇被分成两部分，一部分离目的节点所在的簇较近，另一部分离目的节点所在的簇较远。源节点的m块比特就在远离目的簇的m/2个节点间分发。因此，在极限情况下，我们发送lm个比特块需要2m次会话。阶段2：mimo传输 这一阶段采用了远程mimo传输，如图3.2 所示。每个节点将阶段1从源节点接收到的l个比特进行独立编码。编码后的码字包含c个符号，每个符号是高斯分布。平均发射功率上限为，其中是源簇及目的簇的中心间距。目的簇的节点量化所接收到的信号并存储，他们并没有进行译码。这一步mimo传输需要c或者2c次传输，具体取决于阶段1中描述的目的与源之间的之间。所有的节点都完成这一步最多需要2nc次