[信息与通信]协作通信系统中基于多跳协作的协议研究.doc

本科毕业设计论文本科毕业设计论文 题题 目目 协作通信系统中基于多跳协作的协议研究 专业名称 通 信 工 程 学生姓名 XXX 指导教师 毕业时间 2012.6 毕业 任务书 一、题目 协作通信系统中基于多跳协作的协议研究 二、指导思想和目的要求 近年来，在 LTE 系统中，多输入多输出（MIMO）天线技术得到进一步的 发展，考虑到移动无线设备因受尺寸或硬件复杂度的限制，一般为单根天线， 不能使用多天线技术，从而提出协作 MIMO，该技术的实质是利用同伴的天线 与自身天线构成多发射天线，形成虚拟的 MIMO 系统来得到分集增益。从原理 上讲，发送的信号可以被任何其他用户接收到，并进行信息处理。这样，除了 将信号独立传输到各自的目的地外，两个用户还可以互相监听各自的传输，从 而联合传输它们各自的信息，这样就可实现协作通信。 在协作通信中，通过引入一个或多个中继节点，使得信源发出的信息还能 由各中继点进过一定方式处理后在转发至信宿端。这种多跳传输方式通过中继 节点绕开阻碍电磁波传世的建筑物，植被等阻碍物，在一定程度上克服了大尺 度衰落的影响，减小了收发终端见的路径损耗，降低可设备发射功率，提高发 送信号的抗干扰性能，扩大网络的覆盖范围。 因此，对协作通信系统中基于多跳协议的研究具有重要的意义。 三、主要技术指标 （一）首先介绍 MIMO 技术以及分集思想的提出。 （二）对协作分集的两种协议：放大转发(AF)和译码转发(DF)进行了详细 的研究，比较了它们的性能。 （三）介绍多跳信道(意味着在信源和目的之间没有直接链路，即源和目 的间包含了一个或者多个中继节点)，进而说明多跳放大转发协议和多跳译码转 发协议。 设计 论文 四、进度和要求 2012 年 3 月 10 日-2012 年 4 月 8 日整理资料，选题，完成开题报告 2012 年 4 月 9 日-2012 年 4 月 30 日仿真调试 2012 年 5 月 1 日-2012 年 5 月 28 日论文撰写 2012 年 5 月 28 日-2012 年 5 月 30 日修改论文并提交相关材料 2012 年 5 月 31 日-2012 年 6 月 10 日准备答辩 2012 年 6 月 10 日-2012 年 6 月 13 日答辩 五、主要参考书及参考资料 1彭木根，王文博等.协同无线通信原理及应用J.机械工业出社. 2008.10 2美 K.J.Ray Liu 埃及Ahmed K.Sadek中 Weifeng Su 著.任品毅， 高贞贞，徐静译.协作通信及网络J.电子工业出版社.2010.8 3张忠培，魏宁，史治平.协作无线通信导论J.电子工业出版社.2010. 4郑侃，彭岳星，龙航等.协作通信及其在 LTE-Advanced 中的应用J. 人民邮电出版社.2010 5谢显中，雷维嘉，马彬等.认知与协作无线网络J.人民邮电出版社. 2012 6斯托林斯，何军.无线通信与网络J.清华大学出版社.2005 学生 _ 指导教师 _ 系主任 _ 4 目目 录录 摘 要.1 ABSTRACT2 第一章 绪论.3 1.1研究背景与意义.3 1.2 研究内容及本文组织结构 4 第二章 MIMO 技术以及协作分集 6 2.1 MIMO 技术的提出与发展.6 2.2 无线信道及无线信道的分集 .7 2.2.1 无线信道及其分集分类 .7 2.2.2 时间分集 .8 2.2.3 频率分集 8 2.3 协作分集技术与协作通信技术 10 2.3.1 协作分集的提出 10 2.3.2 协作分集基本思想及协作通信 11 2.4 协作协议 .13 2.4.1 固定协作策略 .14 2.4.2 自适应协作策略 .15 第三章 多跳协作的协议研究17 3.1 基础概念介绍 .17 3.2 中断概率性能分析 .18 3.2.1 AF 协议的中断概率性能研究.18 3.2.2 DF 中断概率性能分析21 3.3 误符号率性能分析 26 3.3.1 AF 的误符号率27 3.3.2 DF 的误符号率30 3.3 多跳协作通信协议分析 33 3.3.1 多跳译码转发协议 33 3.3.2 多跳放大转发协议 37 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 第四章 总结和展望40 4.1 全文总结 .40 4.2 展望 .40 致 谢42 参考文献.43 毕业设计小结.44 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 1 摘 要 多输入多输出（MIMO）技术是提高系统容量和可靠性的一种有效手段。 它是无线通信系统能够提供数据传输速率、更好的通信质量以及更快的终端移 动速度的可靠保证。然而，由于受到体积、功率、实现等方面因素的限制，为 移动终端安装多根天线还具有一定的困难，从而限制了 MIMO 技术的应用。近 年来，一种新的空间分集技术协作通信（Cooperative Communication）技术 的出现 MIMO 技术的实用化提供了新的思路。所谓的协作通信是指，在多用户 通信环境中，使用单根天线的各邻近移动终端可按照一定的方式共享彼此的天 线协作发送各自的信息，从而产生一种类似多天线发送的虚拟天线阵列 （Virtual Array）,获得空间分集增益。 本文主要研究协作分集协议的性能问题，特别是在多跳协作下的协议行性 能。首先，介绍了 MIMO 技术和协作通信的基本概念与工作原理，并对现有的 协作分集协议进行分类描述。然后，详细地分析了放大转发（AF）和译码转发 （DF）两个协作分集协议的实现方式、优缺点以及在衰落信道中的中断概率性 能和误符号率性能。最后，基于 AF 和 DF，提出了多跳放大转发协议和多跳译 码转发协议，并对其中断概率性能和误符号率性能进行分析。 关键词：协作通信，协作分集协议，放大转发，译码转发，多跳协作协议 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 2 ABSTRACT In wireless communication, MIMO technology is the most effective way to combat channel fading included by multi-path propagation, and it is also the guarantee for wireless communication system to provide higher transmission rate, better service quality and support faster moving terminals. However, in practical system, the deployment of multi-antenna in a terminal is difficult due to the size, power, and designs limitation. So MIMOs practical application is limited. Recently, a new form of space diversity technology-cooperative communication is proposed, which provides a new method for MIMOs practical application. The central idea of cooperative communication is like this, in multi-user communication environment, the adjacent mobile terminals with single antenna share their antennas in a special way to transmit their information. In this situation, it will create a “Virtual Array”, which is like the physical multi-antenna, and achieve diversity gain. The major efforts of this thesis are focused on the function of cooperative diversity protocols, especially multi-hop protocols. First, the basic idea and system model of MIMO and cooperative communication is illustrated, and the existing cooperative diversity protocols are classified and illustrated. Then, this thesis deeply researches the operating principle, advantage and disadvantage, outage probability, symbol-error-rate(SER) of amplify-and-forward(AF)and decode-and-forward(DF) protocols in fading channel. In the end, multi-hop cooperative communication protocols are researched deeply. KEY WORDS: Cooperative communication, cooperative diversity protocols, amplify- and-forward, decode-and-forward, multi-hop protocols. 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 3 第一章 绪论 1.1 研究背景与意义 自 19 世纪末马可尼的无线电波第一次传至大西洋彼岸至今已逾百年了。一 百多年来，由于无线电的独特优势，无线通信得到了长足发展和广泛应用。纵 观通信发展的历史，移动通信的发展可谓是日新月异。到目前为止，人们已经 经历了第一代模拟移动通信系统（1st Generation,1G）,第二代数字移动通信系统 （2nd Generation,2G）,第三代移动通信系统（3rd Generation,3G）也已经开始广 泛使用，而且后三代移动通信系统（Beyond 3rd Generation,B3G）也在紧张的研 发当中，值得期待！移动通信的发展经历了从模拟制式发展到数字制式，从仅 支持语音业务发展到支持低速数据业务，从支持低速数据业务发展到支持全球 无缝漫游和提供多种综合业务（如多媒体业务，Internet 业务等） ，而且数据传 输速率进一步提高的第三代移动通信。可见，更好的语音质量，更快的数据速 率，更可靠的服务，更丰富多彩的综合业务是人们的普遍的追求，也是移动通 信发展的方向。随着技术的不断进步，移动通信的发展已越来越接近其最终目 标：实现任何人可以在任何时间，任何地点与任何人进行任何方式的通信。 3G 所采用的语音交换仍承袭了第二代（2G）的电路交换，而不是纯 IP 方 式，数据传输率也只是接近于普通拨号接入的水平，流媒体的应用不尽如人意， 以及固有干扰问题限制等缺点，使得 3G 系统的数据速率很难达到 50- 100Mbits/s,且不能实现不同用户对不同服务质量通信要求。为此，世界各通信 强国和业界著名的研究机构和国际公司纷纷投入到 B3G 或者称为第四代移动通 信系统（4G）技术的研究中，并将 4G 的研究作为今后发展的重要方向。2006 年，ITU-R 已经将 B3G 技术命名为 IMT-Advanced 技术，并向各国和各标准化 组织征集 IMT-Advanced 技术提案。IMT-Advanced 将实现热点覆盖场景下 1Gbit/s 以上，告诉移动、广域覆盖场景下 100Mbit/s,并能够融合目前存在的各 种无线接入技术使用户的终端设备能够在不同的制式之间透明地切换。 为了满足多速率多媒体通信的要求，下一代无线系统必须采用更先进的算 法和技术，不仅要提高数据速率，还要使系统能确保不同媒体所要求的服务质 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 4 量。为了达到这一目标，人们已经进行了大量的理论研究，包括先进的信号处 理技术、针对无线环境的编码和调制技术、检测技术以及各种分集技术。 MIMO 技术的提出大大解决了下一代通信系统的难题。MIMO 技术通过在 通信链路的发送端和接收端使用多根天线，能够将无线通信中的多径效应转变 为对通信有利的因素，通过时间域与空间进行信号处理，产生多个并行的不相 关的空间子信道，提高通信的数据速率和信号质量。 目前，由于受到移动终端本身的体积大小、功率、实现等方面的限制，不 适合在一部移动终端上安装多根天线，这在一定程度上限制了 MIMO 技术的实 际应用。然而，协作通信（Cooperative Communication）技术提出了一种新的思 想来获得空间分集增益。以提高数据传输的可靠性。所谓协作通信，就是指在 多用户通信环境中，使用单根天线的各邻近移动用户按照一定方式共享彼此的 天线相互协作发送信息，产生一种类似于多天线发送的虚拟多天线环境，从而 获得空间分集增益，提高系统的传输性能。 在协作通信中，通过引入一个或者多个中继节点，使得信源发出的信息还 能由各中继点经过一定方式处理后再转发至信宿端。这种多跳传输凡是通过中 继节点绕过阻碍电磁波传播的建筑物，植被等阻碍物，在一定程度上克服了大 尺度衰落的影响，减小了收发终端间的路径损耗，降低了设备的发射功率，提 高发送信号的抗干扰性能，扩大了网络的覆盖范围。 协作通信系统作为一种多天线技术的扩展，已经成为近年来通信领域研究 的热点，它将成为未来移动通信系统提高频谱利用率的关键技术之一。协作通 信技术融合了分集技术与中继传输技术的优势，在不增加天线数量的基础上， 可在传统通信网络中实现并获得多天线与多跳传输的性能增益。它可以被应用 于蜂窝移动通信系统、无线 Ad hoc 网络、无线局域网以及无线传感器网络等多 种场合。因而，协作通信具有非常大的研究价值与意义。 1.2 研究内容及本文组织结构 本文主要研究在协作通信系统中，多跳协作的协议，并对其中断概率性能 和误符号率性能进行分析和仿真，从而说明多跳协作时协议的性能特点。全文 共分四章，具体章节安排如下： 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 5 第一章：概述本文的研究背景与研究意义，以及 MIMO 技术及其发展和协 作通信的基本概念。 第二章：介绍 MIMO 技术的发展过程，介绍无线信道的传播特性，以及常 见 的分集合并技术然后，对现有的协议分集协议按照不同的方式进行分类，并 对各自的工作原理和特点进行简单的描述。 第三章：对于两个基本协作分集协议 AF 和 DF 的中断概率性能和误符号率 进行了详细的分析和比较，并给出各自的优缺点。通过对单中继协作协议的分 析，进而推广到多中继协作，从而对多跳协作的多跳放大转发协议和多跳译码 转发协议进行研究。 第四章，总结和展望，总结全文并指出今后研究需要注意的问题。 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 6 第二章 MIMO 技术以及协作分集 2.1 MIMO 技术的提出与发展 随着无线互联网多媒体通信的快速发展，无线通信系统的容量与可靠性亟 待提升，常规单天线收发通信系统面临严峻挑战。采用常规发射分集、接收分 集或智能天线技术已不足解决新一代无线通信系统的大容量与高可靠性需求问 题。幸运的是，结合空时处理的多天线技术MIMO(多输入多输出)通信技术， 提供了解决该问题的新途径。如图 2-1 所示，MIMO 系统在无线链路两端均采 用多天线，分别同时接受与发射，能够充分开发空间资源，在无需增加频谱资 源和发射功率的情况下，成倍地提升通信系统的容量与可靠性。 图 2-1 MIMO 系统简单示意图 在具有多于一根收/发天线时，在每对发射和接收天线之间将建立不同的信 道。在这类模型中，发射信息能够通过不同的信道到达接收端。只要其中一个 信道足够强，接收机就能够恢复发射信息。如果我们假设不同的信道相互独立 或者具有非常小的相关度，那么所有信道链路衰落的概率就很小。天线对越多， 接收信号的冗余度（分集）就越大，也就是说，收发器检测的可靠性将越高。 信道链路的低相关度或者独立的假设可以通过适当的分离收发器两端天线来获 得。 MIMO 技术已经成为无线通信领域的关键技术之一，通过近几年的持续发 展，MIMO 技术将越来越多地应用于各种无线通信系统。在无线宽带移动通信 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 7 系统方面，第 3 代移动通信合作计划(3GPP)已经在标准中加入了 MIMO 技术相 关的内容，B3G 和 4G 的系统中也将应用 MIMO 技术。 2.2 无线信道及无线信道的分集 2.2.1 无线信道及其分集分类 信道是任何一个通信系统所必不可少的组成部分。无线通信系统主要借助 于无线电波在各种介质中的传播来实现通信，因此无线信道的状况对其性能有 很大的影响。而无线信道不想有线信道那样固定和可预见，它有很大的随机性， 非常复杂，甚至移动台的移动的速度都会对信号的衰减产生影响。无线电波的 传播环境非常复杂，例如，简单的室内传播，几千米或几十千米的视距传播， 以及经历各种复杂的地物后引起的非视距传播。信号在这种复杂的空间中会经 历若干次的反射、折射、散射和衍射，进而带来了各种不同的信号衰落和扩展， 再加上一些未知的干扰，都将影响信号的正确接收。 分集是无线通信系统中对抗衰落最有效的技术之一。分集的基本原理是： 接受来自多个信道（时间、频率或空间）的承载同一信息的多个独立信号副本， 利用接受信号在结构和统计特性上的不同特点加以区分，并按一定的规律进行 信号处理。由于各个信号同时处于深衰落的概率非常小，因此一般而言，在任 一时刻至少有一个强度足够的信号副本可供接收机使用。相比无分集的情况， 可以大大提高多径衰落信道下传输的可靠性。 根据信号的传输方式，分集可分为两类：第一类是显分集技术，可以利用 直接提供的多个信号副本，如时间分集、频率分集、空间分集等，很明显这种 分集技术会降低传输效率或者增加额外的发射功率。另一类是隐分集技术，信 号只被发送一次，但可通过其它途径获得多个副本，如交织编码、CDMA 中的 RAKE 接收技术。利用分集技术时需要对通信链路进行仔细设计。在显分集技 术中，需要利用不同频率、不同时间或者不同极化方式来传输同一信号的多个 副本。在接收端需要接收不同分集路径所得到的多个信号副本，然后再把这些 信号副本进行合并，从而可以提高接收信噪比，达到降低信号的中断概率或者 误码率的目的。 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 8 2.2.2 时间分集 时间分集是将同一信号在不同的时间区间多次重发，只要各次发送的时间 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，接收机端可以收 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， 即时间上衰落统计特性上的差异来实现抗时间选择性衰落的功能。为了保证重 复发送的数字信号具有独立的衰落特性，重复发送的时间间隔所需的最小时间 间隔要大于或者等于该信道的相干时间，相干时间是信道衰落过程中相干的时 间周期的统计测量值。公式表示为 （2.1） 1 2 = 1 2(/) 式中，为衰落频率， 为移动台运动速度， 为工作波长。 若移动台是静止的，则移动速度 =0，此时要求重复发送的时间间隔为无 穷大。这表明时间分集对于静止状态的移动台是无效果的。 2.2.3 频率分集 频率分集是采用两个或两个以上具有一定频率间隔的微波频率同时发送和 接收同一信息，然后进行合成或选择，利用位于不同频段的信号经衰落信道后 在统计上的不相关特性，即不同频段衰落统计特性上的差异，来实现抗衰落频 率选择性的功能。在频率分集中，使用许多不同的频率发射相同的信息。实现 时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 （2.2） = 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带宽的几倍以上，这样就能保证不同频率 的衰落统计特性是互不相干的，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。 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 9 当采用两个微波频率时，称为二重频率分集。同空间分集系统一样，在频 率分集系统中要求两个分集接收信号相关性较小即频率相关性较小，只有这样， 才不会使两个微波频率在给定的路由上同时发生深衰落，并获得较好的频率分 集改善效果。在一定的范围内两个微波频率与相差，即频率间隔越大，两个不 同频率信号之间衰落的相关性越小。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时，它们受到的衰落影响是不 相关的，且二者在同一时刻经受深衰落谷点影响的可能性也很小，因此这一设 想引出了利用两副接收天线的方案，独立地接收同一信号，再合并输出，衰落 的程度能被大大地减小，这就是空间分集。空间分集是利用场强随空间的随机 变化实现的，空间距离越大，多径传播的差异就越大，所接收场强的相关性就 越小。这里所提相关性是个统计术语，表明信号间相似的程度，因此必须确定 必要的空间距离。经过 测试和统计，CCIR建议为了获得满意的分集效果，移动单元两天线间距大于 06个波长，并且最好选在14的奇数倍附近。若减小天线间距，即使小到 14，也能起到相当好的分集效果。 2.2.4 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 是在空间不同的垂直高度上设置几副天线，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 是利用多副接收天线来实现的。在发射端采用一副天线发射，而在接收端采用 多副天线接收。接收端天线之间的距离d 2( 为工作波长)，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，当某一副接收天线的输出信 号很低时， 其他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，缺点是还需另外单独的接收天线。为 了克服这个缺点，近来又生产出定向双极化天线。两个在同一地点、极化方向 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 10 相互正交的天线发出的信号呈现出互不相关衰落特性。利用这一特点，在发射 端同一地点装上垂直极化和水平极化两副发射天线，在接收端同一地点装上垂 直极化和水平极化两副接收天线，就可以得到两路衰落特性互不相关的极化分 量和，所谓定向双极化天线就是把垂直极化和水平极化两副接收天线集成 到一个物理实体中，通过极化分集接收来达到空间分集接收的效果，所以极化 分集实际上是空间分集的特殊情况。这种方法的优点是它只需一根天线，结构 紧凑，节省空间，缺点是它的分集接收效果低于空间分集接收天线，并且由于 发射功率要分配到两副天线上，将会造成的信号功率损失。分集增益依赖于天 线间不相关特性的好坏，通过在水平或垂直方向上天线位置间的分离来实现空 间分集。空间上的位置分离保证两面接收天线分别接收不同路径来的微波信号， 同时也使两面天线间满足一定隔离度的要求。若采用交叉极化天线，同样需要 满足这种隔离度要求。对于极化分集的双极化天线来 说，天线中两个交叉极化辐射源的正交性是决定微波信号上行链路分集增益的 主要因素。 该分集增益依赖于双极化天线中两个交叉极化辐射源是否在相同的覆盖区 域内提供了相同的信号场强。两个交叉极化辐射源要求具有很好的正交特性， 并且在整个扇区及切换重叠区内保持很好的水平跟踪特性，代替空间分集天 线所取得的覆盖效果。为了获得好的覆盖效果，要求天线在整个扇区范围内均 具有高的交叉极化分辨率。双极化天线在整个扇区范围内的正交特性，即两个 分集接收天线端口信号的不相关性，决定了双极化天线总的分集效果。 2.3 协作分集技术与协作通信技术 2.3.1 协作分集的提出 3G及其以后的无线通信系统，为了满足多速率多媒体通信的需求，不仅需 要提高数据的传输速率，还要提高系统的服务质量。受到无线通信环境的多径 衰落的影响，任何通信的过程中移动用户数据都受到严重的信号衰落。为了对 抗无线信道的多径衰落，人们不仅采用了改进的信号处理元件如编码、调制、 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 11 检测还运用各种形式的分集方法。其中，无线环境的特殊性决定了分集方法的 重要性。通过在相互独立的信道发送信号样本，分集能有效地对抗衰落，某些 特定的发送分集技术已经被列入了无线标准。其中空间分集技术由于其无需占 用额外的时间和频率资源的特性，而受到广泛关注，使用空间分集技术的 MIMO系统的优点已经被广泛认识。 但是，从实际工程角度考虑，对于蜂窝通信系统上行信道而言，由于受到 移动终端物理条件(如体积、功率开销、天线位置设置等)的限制，在一个无线 移动终端上无法设置多根天线，因此无线通信的上行链路中不能实现发送分集， 如何更好地将分集的强大优势和具体实现结合起来一直是一个值的研究的问题。 为了克服这一限制，Coverh和Gamal曾提出中继信道模型给出了由一个信源， 一个中继，一个接收端的中继情况的信道容量。虽然协作分集的思想起源于中 继信道，但是还是与其有很大的区别。中继信道中，中继节点只中继其信源节 点的信号，并不发送自己的信号，但是在协作分集中每个用户既作为中继协作 其伙伴用户进行通信，也发送自己的信号。而且传统的中继没有分集功能，而 通过协作可以使单天线用户也获得分集增益。 Sendonaris等人受到中继信道的启发，首先提出了协作分集的概念，使具 有单根天线的移动台获得空间分集增益，这分集增益是通过用户间的协作获得 的。网内的每个用户都有一个“伙伴?用户。每对用户协作通信，它们不仅发 送自己的信息，还发送其“伙伴“用户的信息，通过共享天线来获得空间分集增 益。这种用户间的协作不仅可以应用在蜂窝网络中还可以应用在无线对等网络 中。 2.3.2 协作分集基本思想及协作通信 MIMO 技术对日益增长的无线通信系统容量和系统可靠性提供了解决问题 的新途径。但是现有的多天线技术多用于基站端，而对于移动终端，由于发射 分集要求相邻天线之间的间距要大于电波波长并且多个收发天线之间的传输信 道是独立的或至少是不相关的，移动终端对体积，质量和功耗的要求又非常苛 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 12 刻，所以在移动终端很难安装多天线，因而，很难在移动终端实现上行的发射 分集。考虑到现有的无线通信系统中是由多用户组成，因而一种新的在移动终 端实现分集的思想随之产生协作分集。其基本思想是：移动终端之间共享 各自的天线，利用自己和小区内其他移动终端所构成的虚拟的多发射天线阵传 输信息，从而获得空间分集增益的分集方式，有效消除无线信道多径和时变衰 落的影响。协作分集还可以扩大系统容量，提高网络服务质量，改善系统性能。 在一定的意义上讲，协作分集思想为 MIMO 技术走向实用提供了一条新的途径。 协作分集概念如图 2-2 所示，用户 user1 和 user2 为某两个单天线用户，它 们通过协作，共享彼此天线，形成一个虚拟的两天线发射系统。 图 2-2 协作通信的简单模型 从本质上说，协作分集就是借助于合作伙伴的天线，与其身天线共同构造 多发射天线，通过形成虚拟的MIMO系统来获得空间分集增益。如果在某个时 段用户没有信息要传送，那么在没有协作时其资源只能闲置，而协作分集则可 以实现用户资源的充分利用。另外，在用户资源没有闲置时，用户既要传送自 己的信息，又要传送其合作伙伴的信息，会牺牲一部分自己的资源，但另一方 面，用户也通过协作分集利用了其合作伙伴的空域资源。只要合理地设计协作 方案，完全可以做到协作分集带来的增益大于其所付出的代价。综合来讲，协 作分集可以更有效地利用整个网络的资源，使网络性能更稳定。 协作通信是一种新的通信方式，通过引入中继信道，它在用户和基站之间 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 13 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。因为中继节点常常距源节点有几个波长的距离，所以中继信道与直接信道 见的衰落独立，这就在源和目的端之间引入了一个满秩 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。 目前，协作通信已经受到了国内外广泛的关注，许多相关课题已经或者正 在展开，各种新的技术不断出现。在国际上，无线世界研究论坛（WWRF）已 经成立了关于中继的分组委员会专门开展对此技术的研究，并发表了相关研究 的白皮书。很多知名国际期刊、会议也单独列出了子方向对协作通信技术进行 报道，世界上已有多所大学的实验室开展看这方面的研究。 今后协作通信还可用于异构融合的无线网络，形成一种全新的只能化的网 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的用户和网络，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任然处在初级 阶段，有很多的工作等待开展和讨论。 2.4 协作协议 图 2-3 描述了一个简单的中继信道，由源，中继和目的地构成。 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 14 图 2-3 简化协作模型 根据中继端的广播信号的处理方式不同，协作分集又可分为固定性中继 （Fixed Relaying） 、选择性中继（Selection Relaying） 、增强型中继（Incremental Relaying） 、编码协作（Coded Cooperation , CC） 、空时编码协作（Space-Time Coded Cooperation, STCC）等。 2.4.1 固定协作策略 首先介绍放大转发协议（AF 协议） 图 2-4 放大转发协议（AF）工作原理 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 15 在AF 协议中，中继节点直接放大并转发从源节点收到的信号，如图2-4所 示。中继节点只是一个简单的转发器，它对输入的信号只进行线性处理。中继 节点接收并放大源节点发送的带有噪声的信号，再将经放大后的带有噪声的信 号重新发送给目的节点。而目的节点对相继从源节点和中继节点接收到的数据 进行合并判决。尽管在AF 协议中，中继节点在放大信号的同时也放大了噪声， 但是由于接收节点可以收到两个独立的衰落信号，所以能够得到比较好的判决 结果。AF也被称作非再生中继协议，它本质上式一种模拟的信号处理方式。 其次介绍译码转发协议（DF） 图 2-5 译码转发协议（DF）工作原理 对于DF 协议来说，中继节点对接收到的信号进行完全解码，并将正确解 码后的数据经过重新编码发送给目的节点，而在目的节点处采用的判决方式和 AF 协议相类似，如图2-5所示。如果中继节点不能够正确解码源节点发送的数 据，那么该中继节点将不会发送数据给目的节点。由于DF 协议要求中继节点 将接收到源节点的数据进行完全解码，这对中继节点的数据处理能力带来了更 大的要求。但是完全解码的好处是滤除了噪声信号，这样在转发数据的时候不 会放大噪声。DF也被称为再生中继协议，其本质上式一种数字的信号处理方式。 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 16 2.4.2 自适应协作策略 首先介绍选择性中继： 由于 DF 的性能在很大程度上受制于用户间信道的传输特性，这样中继端 R 通过译码恢复出来的信号将会出现很多的差错，把这些已经出错的信号再转发 到目的端 D，就会对目的端 D 正确恢复原始信号产生副作用，为了改进固定型 中继的缺点，人们提出来选择性中继的概念。 由于中继段 R 可以很容易获得用户间信道状况 hSR,那么根据 HSR的具体取 值情况，对中继端 R 参与协作的时机进行选择。例如，如果|hSR|2低于设定的门 限值，中继端 R 就不参与协作。此时源端 S 向目的端 D 重复发送信号即可。反 之，中继端 R 参与协作，对接收到的信号采用 AF 或 DF 的方式进行处理并转 发到目的端 D。 因此，选择性中继又可以分为选择 AF（SAF）和选择 DF(SDF)。 其次介绍增强型中继 从以上可以看出，固定型中继和选择性中继都不能充分利用信道的自由度，因 为在这些协议中，中继端 R 或者源端 S 总是重复发送信号。增强型中继的基本 思想是，利用目的端 D 的反馈信号来判断源端 S 发送到目的端 D 的信号是否被 成功恢复。如果恢复成功，中继端 R 将不再参与协作。这样，源端 S 就可以继 续发送新的信号。反之，中继端将参与协作，将接收到的信号进行相应的处理 后在转发到目的端 D。然后，目的端 D 对接收到的两路信号进行适当合并和译 码。另外，根据中继端参与协作的方式不同，增强型中继又可以分为增强型 AF(IAF)和增强型 DF(IDF)两种。 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 17 第三章 多跳协作的协议研究 本章从中断概率性能和误符号率性能两个方面，先对单中继时的放大转发 协议（AF）和译码转发协议（DF）两个分集协议进行详细的分析和研究，进而 对其性能有了进一步的了解。进而对多跳放大转发协议和多跳译码转发协议进 行详细的分析和研究。 3.1 基础概念介绍 A多跳信道：指在信源和目的之间没有直接链路，即源和目的之间的信 道路径包含了一个或者多个中继节点。 B信道容量（Channel Capacity）:信道容量的最早由香农建立。他将信道 容量定义为：信道输入和信道输出指甲你的互信息量在不同的信道输入分布下 的最大值，即最大平均互信息量（Maximum Average Mutual Information） 。编码 定理证明，一定存在这样的一种编码方案，其数据传输速率接近信道容量而误 码率可忽略；同时编码定理的逆定理证明，对于任何编码方案，若传输速率大 于信道容量，则误码率必不可能接近于零。信道带宽为 B，接受信噪比为 的 AWGN 信道的容量，可以由香农公式给出： C=B (3.1) log2(1 + ) 而衰落信道的信道容量可表示为： (3.2) = log2(1 + |2 ) 其中，h 表示收发端之间的信道衰落情况。 C中断概率（Outage Probability）:在无线通信中，当数据传输速率 R 大 于信道容量 C 时，将会出现中断事件（Outage Event） 。而中断概率就定义为中 断事件发生的概率，而中断概率就定义为中断事件发生的概率，记为 Pr 。 0, (3.37) =(1 2)2+ 2(1+ 2) + 2 而且，在式（3.36）中，当时，可以得到的近似值： 1 ， 20 () (3.38) () 1+ 2 由式（3.34）-式（3.36）可以得到，AF的误符号率的闭合表达式 = 1 ( 1)/ 0 1 1 + 02 (1 2)2+ (1+ 2) 2 2 + 212 3 2 ln (1+ 2+ 2 + )2 412 (3.39) 其中，, 0=0( 2 ) 1= 0 ( 2 ) 2= 0 ( 2 ) 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 29 可以看出，式（3.39）仍然不能够清晰地反映出AF的性能（例如，分集度） 。为了得到一个能够清晰地反映出AF性能特点的简单SER表达式，本文采用 式 (3.38)对式(3.34)进行化简，从而得到在高信噪比的条件下，AF误符号 率的近似表达式： = 1 ( 1)/ 0 1 1 + 02 1+ 2 2 = 1 ( 1)/ 0 (1+ 2)4 2 + 0 (3.40) 2 0(1+ 2) 其中，。另外，因为在高性噪比的条件下，与 = 1 ( 1)/ 0 4 2 相比完全可以忽略不计，所以将上式中的近似为 02 +0 以简化计算。 0 将，代入式（3.40）得到，在M-PSK调制方式下，AF的误符号率 012 的近似表达式： (3.41) 2 2 + 2 2 2 2 1 2 2 0 为了说明式（3.41）所示的AF的误符号率近似表示式的正确性。下面将它 于AF误符号率的系统性能仿真结果进行比较，如图3.6所示。仿真参数的设置如 下：所有信道均为Rayleigh衰落信道，且，调制方式为 2 = 2 = 2 = 1 QPSK,源端与中继端之间采用等功率分配，即另外，横坐标轴 = = 2， 为目的端D的平均接收信噪比。 = /0 由图3-6可以看到，在高信噪比区域，AF的误符号率近似表达式和反震结果 是非常吻合的，但是在地信噪比区域存在一些误差。这主要是因为，在推导AF 的SER近似表达式的过程中，对接受信噪比和矩生成函数都使用了高 2 2() 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 30 信噪比近似的计算方法。另外，AF的仿真结果和误符号率近似表达式都再一次 证明了，在两用户相互协作时，AF可以获得分集增益。 图3-6 AF的高信噪比近似SER与仿真结果比较 3.3.2 DF 的误符号率 DF的误符号率性能的分析方法与AF有所不同。对于DF，中继端R要对第一 个时隙内受到的信号进行解码，那么中继端R能否正确解码，对于目的端D能否 正确恢复原始信号有着至关重要的影响。假如中继端R解码出错，就会进一步 导致目的端D的解码出错；反之，若中继端R能够正确解码，那么目的端D的误 符号率性能还将取决于SD两条路径的传输情况。 首先，中继端R对接收到的信号采用相干检测，其接受信噪比为： (