（信息与通信工程专业论文）无线通信中协作分集关键技术研究.pdf

南京邮电大学硕士学位论文摘要 摘要 协作分集通过移动终端之间分享彼此的天线，构成的虚拟多天线阵列来实现与传统的 m i m o 技术相同的效果。协作路由技术则是物理层的协作分集技术和网络层的路由选择技术 的结合。协作分集和协作路由技术在国内外已引起了广泛的关注，并成为当前无线通信研 究的热点。 本文首先介绍了协作分集基本概念和原理，并在协作分集信道模型的基础上对协作分 集的性能从可达速率域和中断概率两个方面进行了讨论；对几种基本的协作分集：固定中 继协作分集，选择中继协作分集，增量中继协作分集和编码协作分集，进行了简要的分析 和比较；随后介绍了几种常见的协作分集合并方式并给出了它们的性能。 本文着重研究协作路由技术。通过对无线网络中现有的协作路由方案的分析和比较， 在分离路由和功率分配的分布式协作路由算法( d s r p a ) 和联合路由和功率分配的分布式 协作路由算法( d - j r p a ) 的基础上，通过引入剩余变量这一因子，给出了一种新的协作功率 分配方式一最大网络寿命功率分配。随后提出了两种改进的协作路由算法：p d s r p a 算法和 p d j r p a 算法，并对其性能进行了分析和仿真。仿真结果表明，改进的算法相比原来的算 法能够使能量消耗在网络中分配得更加均匀，在很大程度上延长了网络寿命。 关键词：协作分集，协作路由，能量有效，分布式甏磁 南京邮电大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t c o o p e r a t i v ed i v e r s i t yt e c h n o l o g ya c h i e v e st h es a m eg a i na st r a d i t i o n a lm i m ot e c h n i q u e d o e sb ys h a r i n ga n t e n n a sb e t w e e nm o b i l et e r m i n a l s ，w h i c hc a nf o r mv i r t u a la n t e n n aa r r a y s c o o p e r a t i v er o u t i n gi st h ec o m b i n a t i o no ft h ec o o p e r a t i v ed i v e r s i t yi np h y s i c a ll a y e ra n dt h e r o u t i n gt e c h n o l o g yi nn e t w o r kl a y e r c o o p e r a t i v ed i v e r s i t ya n dc o o p e r a t i v er o u t i n gh a sb e c o m ea n e wr e s e a r c hf i e l di nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，w h i c hh a sr e c e i v e dm u c ha t t e n t i o n t h i st h e s i sf i r s ti n t r o d u c e st h ec o n c e p ta n dp r i n c i p l eo fc o o p e r a t i v ed i v e r s i t y , a n dt h e n d i s c u s s e si t sp e r f o r m a n c ei np e r s p e c t i v eo fa c h i e v a b l er a t er e g i o na n do u t a g ep r o b a b i l i t yb a s e d o nt h ec o o p e r a t i v ed i v e r s i t yc h a n n e lm o d e l t h i st h e s i sa l s ob r i e f l ya n a l y z e sa n dc o m p a r e sf i x e d r e l a y i n g ，s e l e c tr e l a y i n g ，i n c r e m e n t a lr e l a y i n ga n dc o d e dc o o p e r a t i o n a f t e rt h a t ，t h i st h e s i s i n t r o d u c e ss e v e r a lc o m m o nc o m b i n i n gt e c h n o l o g i e so fc o o p e r a t i v ed i v e r s i t y , a n da l s os h o w s t h e i rp e r f o r m a n c e i nt h i st h e s i s ，w ef o c u so nt h ec o o p e r a t i v er o u t i n gt e c h n o l o g y b yt a k i n gr e m a i n i n ge n e r g y i n t oa c c o u n t ，w ep r e s e n ta ni m p r o v e ds c h e m eo fp o w e ra l l o c a t i o n ，n a m e dm a x i m u ml i f e t i m e p o w e ra l l o c a t i o n ( m l p a ) b a s e do nt h ed i s t r i b u t e ds e p a r a t er o u t ea n dp o w e ra l l o c a t i o n a l g o r i t h m ( d s r p a ) a n dd i s t r i b u t e dj o i n tr o u t ea n dp o w e ra l l o c a t i o n a l g o f i t h m ( d j r p a ) ，w h i c hh a v e b e e nm e n t i o n e di n t h et h e s i s ，w ep r o p o s et w oi m p r o v e d c o o p e r a t i v er o u t i n ga l g o r i t h m s ：p d - s r p aa n dp d - j r p a ，a sw e l l 船s h o wt h ea n a l y s i sa n d s i m u l a t i o n so ft h e i rp e r f o r m a n c e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a to u ri m p r o v e da l g o r i t h m sc a r l m a k et h ee n e r g yc o n s u m p t i o nm o r eu n i f o r m l yd i s t r i b u t e di nt h en e t w o r k s ，i m p r o v et h en e t w o r k l i f e t i m ec o m p a r e dt ot h eo r i g i n a lo n e s k e yw o r d s ：c o 。p e r a t i v ed i v e r s i t y , c 。p e r a t i v er o u t i n g ，e n e r g y e f f i c i e n t ，d i s t r i b u t e d 叩 i i 南京邮电大学硕士学位论文 缩略语 缩略语 l i s to fa b b r e v i a t i o n s a f a m p l i f y - a n d - f o r w a r d a o m d vo n - d e m a n dm u l t i p a t hv e c t o r c a n c o o p e r a t i v ea l o n gt h em i n i m u me n e r g y n o n c o o p e r a t i v ep a t h c l rc l e a r c o r p c o o p e r a t i v eo p p o r t u n i s t i cr o u t i n gp r o t o c o l c r c c y c l i c a lr e d u n d a n c yc h e c k c s e r c o o p e r a t i v es e c u r i t y e n f o r c e m e n tr o u t i n g c s p c o o p e r a t i v es h o r t e s tp a t h c t n r c o o p e r a t i v er o u t i n ga l o n g t r u n c a t e d n o n - c o o p e r a t i v er o u t e c t sc l e a rt os e n d d d pd a t ad e l i v e r yp r o b a b i l i t y d fd e c o d ea n df o r w a r d d - j r p ad i s t r i b u t e dj o i n tr o u t ea n dp o w e r a l l o c a t i o n a l g o r i t h m d p t d e l i v e r yp r o b a b i l i t yt h r e s h o l d d s d vd e s t i n a t i o ns e q u e n c e dd e s t i n a t i o nv e c t o r d s r d y n a m i cs o u r c er o u t i n g d - s r p a d i s t r i b u t e d s e p a r a t e r o u t ea n dp o w e r a l l o c a t i o na l g o r i t h m d w c r ad i s t r i b u t e dw e i g h t e dc o o p e r a t i v er o u t i n g a l g o r i t h m e g c e q u a lg a i nc o m b i n a t i o n i s ii n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e m e c pm i n i m u me n e r g yc o o p e r a t i v ep a t h i i i 放大转发 按需多径距离矢量路由 沿最小能量非协作路径协作 清除信号 协作机会路由方案 循环冗余校验 协作增强安全路由 协作最短路径 沿截断非协作路由的协作路由 清除发送 数据递交概率 解码转发 联合路由和功率分配的分布式算 法 递交概率门限 目的序列距离矢量路由 动态源路由 分离路由和功率分配的分布式算 法 分布式加权协作路由方案 等增益合并 码间干扰 最小能量协作路径 南京邮电大学硕士学位论文缩略语 m l - p am a x i m u ml i f e t i m ep o w e r a l l o c a t i o n 最大网络寿命功率分配 m p c rm i n i m u mp o w e r c o o p e r a t i v er o u t i n g 最小功率协作路由算法 a l g o r i t h m o c s a o p t i m a lc h a n n e ls t a t ea l g o r i t h m最佳信道状态方案 m e s am a x i m a lr e m a i n i n ge n e r g ya l g o r i t h m 最大剩余能量方案 p d - s r p ap r o g r e s s i v ed s r p a 改进的d s r p a p d j r p a p r o g r e s s i v ed - j r p a改进的d - j r p a q o sq u a l i t yo fs e r v i c e服务质量 r r pr o b u s tc o o p e r a t i v er o u t i n gp r o t o c o l 健壮的协作路由方案 s cs e l e c t i v ec o m b i n a t i o n 选择性合并 s n c r s h o r t e s tn o n - c o o p e r a t i v ep a t h 。最短非协作路径 s n e rs o u r c ee x p a n s i o n r o u t i n g源扩展协作路由 s n r s i g n a lt on o i s er a t i o信噪比 t d m a t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s时分多址 t d i c o rt r a n s m i t d i v e r s i t y b a s e d a c t i v e 基于发射分集的协作机会路由 o p p o r t u n i s t i cr o u t i n g i v 南京邮电大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它 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。 研究生签名：置蛊 日期：垫! i ：全：! 三 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送 交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论 文。本文电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。 论文的公布( 包括刊登) 授权南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名： 墨堡 导师签名：日期：如，7 j 多 南京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 本章主要介绍了协作分集技术产生的背景，其目前的研究现状以及存在的问题，并阐 述了本论文的结构和和内容安排。 1 1 协作分集技术的研究背景和发展情况 1 1 1 无线信道衰落基本类型 无线通信的主要难题在于无线传输环境中的障碍物对信号产生反射和单设，从而造成 的多径效应会令传输的信号残生衰变和畸变一我们称之为衰落。衰落是影响通信质量的主 要因素，无线衰落信道由于遭受多径衰落、时变性等的影响而使其传输性能变得很差。通 常，无线信道的传播模型可分为大尺度衰落模型和小尺度衰落模型两种【，一般而言，大 尺度衰落表征了接收信号在一定时间内的均值随传播距离和环境变化而呈现的缓慢变化； 小尺度衰落表征了接收信号短时间内的快速波动，无线信道中许多物理因素影响小尺度衰 落包括：多径传播、移动台运动速度、环境物体的运动速度、信号的传输带宽。因此，实 际的无线信道衰落因子 2 1 可表示为： 刁o ) = 孝o ) f o ) ( 1 - 1 ) 其中，7 7 0 ) 表示信道的衰落因子，善o ) 表示小尺度衰落，f o ) 表示大尺度衰落。无线信 道衰落中的大尺度衰落主要影响通信覆盖范围，一般通过规划解决，不是信号传输技术的 重点。而小尺度模型主要描述由于无线信号的多径传播或者通信双方相对移动，接收机收 到的信号幅度将有剧烈起伏的现象。下面主要讨论小尺度衰落带来的影响。 ( 1 ) 多径时延扩展引起的衰落 多径特性引起的时间色散，导致发送信号产生平坦衰落或频率选择性衰落。如果移动 无线信道带宽大于发送信号的带宽，且在带宽范围内对于每个频率分量均有恒定增益及线 性相位，则接收信号就会经历平坦衰落过程。在平坦衰落情况下，发送信号的频谱特性仍 能保持不变，然而，由于多径导致信道增益的起伏，使接收信号的强度会随着时间变化。 经历平坦衰落的条件为【l 】：e 色，e o r 。其中，t 为信号周期，毋为信号带宽，q 和毋分别是均方根时延扩展和相干带宽。此时，信号的接收形式为 南京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 y ( o - - 口o ) x ( f ) + 刀( f ) ( 1 2 ) 其中，口( f ) 为衰落因子，z o ) 为加性高斯白噪声。可以得到，口( f ) 通常服从瑞利分布， 其概率密度函数为： p ”；唧( - 鲁 ( o 口酬 3 ， 其中，0 - 2 是多径信号检波前的平均功率，e k 2j _ 2 0 - 2 。 如果信号具有恒定增益和线性相位的带宽范围小于发送信号带宽，则该信道特性会导 致接收信号产生频率选择性衰落。在这种情况下，信道冲激响应具有多径时延扩展，其值 大于发送信号波形带宽的倒数。此时，接收信号中包含经历了衰减和时延的多径信号，因 而，产生接收信号失真，这样信道就引起了码间干扰( i s i ) ，频率中接收信号的某些频率 分量比其他分量获得了更大增益。 ( 2 ) 多普勒频移引起的衰落 由于移动用户与基站的相对运动，接收到的每个多径分量都会有一个明显的频率偏 移，由运动引起的接收信号频率的偏移称为多普勒频移。时间选择性衰落是一种由多普 勒频移现象引起的衰落，是一种由多普勒频移现象引起的衰落过程的频率扩散，单一频率 信号经过时变衰落信道之后会呈现为具有一定带宽和频率包络的信号，多普勒频移可以表 示为： 厶：- - 罢c o s 0 ：堕c o s 口：厶c o s ( 1 4 ) 其中，以为载波频率，c 为光速，厶为最大多普勒频移，v 为移动台速度，0 为移动 台与基站夹角，旯为波长。 多普勒扩展在时域上可以用信道的相干时间z 表示。相干时间是指两个信道冲激响应 维持不变的时间间隔的统计平均，用于在时域描述信道频率色散的时变特性，与最大多普 勒频移成反比，即 疋71(1-5) 根据发送信号与信道变化快慢程度的比较，信道可分为快衰落信道和慢衰落信道。在 快衰落信道中，信道冲激响应在符号周期内变化很快，即信道的相干时间比发送信号的信 号周期短。由于多普勒频移引起频率弥散，从而导致信号失真。从频域可以看出，信号失 南京邮电大学硕士学位论文 第一苹绪论 真随发送信号带宽的多普勒扩展的增加而加剧，因此，信号历经快衰落的条件是 z 互，忍 s o ，其中为多普勒扩展，是信号谱展宽的测量值。 在慢衰落信道中，信道冲击响应变化率比发送的基带信号变化率低得多，因此可假设 在一个或若干个带宽倒数间隔内，信道均为静态信道。在频域中，这意味着信道的多普勒 扩展比基带信号带宽小的多。所以信号经历慢衰落的条件是c 。显然，移动 台的速度及基带信号发送速率，决定了信号是历经快衰落还是慢衰落。 1 1 2 无线通信中的分集技术 无线信道易受噪声、干扰和其他信道因素的影响，而且由于用户的移动和信道的动态 变化，这些因素随时间发生随机变化。分集技术【3 】是一种用相对较低廉的投资就可以大幅 度的改进无线链路性能的强有力技术，它利用自然晃无线传播环境中独立的( 或至少是高 度不相关的) 多径信号来实现。所谓分集，就是为了保障传输质量，发送端采取某种方法 通过相互独立的衰落信道传输同一个信号的多个副本( 也称为分集分支) ，因此有望保证 至少有一个强度足够大的信号副本能被接收端识别，从而提高接收信号的信噪比。分集分 支的个数称为分集级数或分集阶数。 分集广义上分为宏分集( m a c r o s c o p i cd i v e r s i t y ) 和微分集( m i c r o s c o p i cd i v e r s i t y ) 。 宏分集用来对抗楼房等物体的阴影效应，一般是将几个基站或接入点的接收信号进行合 并。微分集是用来对抗多径衰落的分集技术。在传输路径中各种物体产生的直射波、反射 波和散射波的相互影响，即多径衰落，以及多普勒频移产生的损耗，可通过微分集技术来 改善。在无线通信系统中，一般采用微分集技术。根据获得独立路径信号的方法不同，微 分集可分为：时间分集、频率分集、空间分集、极化分集和角度分集等，其中空间分集、 极化分集和角度分集统称为天线分集。 时间分集：在不同的时刻发送承载相同信息的信号，要求两个传输时刻之间的间隔必 须大于信道相关时间。结合交织的信道编码就是获取时间分集的集的有效方法。在快衰落 环境( 也就是移动台快速移动时) 下这种方法特别有效。但是，在慢衰落时( 也就是移动台缓 慢移动或者固定无线应用时) ，要想获得较大的时间分集，就需要非常大的交织深度，不利 于进行实时性要求高的服务。 频率分集：在频率不同的载波上传输承载相同的信息的信号，要求两个频带之间的间 隔必须大于信道的相关带宽以保证独立性。由于需要使用多个频率，这种方法的频谱效率 比较低。自然的，经常在频率选择性信道上应用这种方法，此时也常被称为路径分集。当 3 堕塞坚皇奎堂堡主兰垡笙壅翌二童堕堕 多径延迟扩展与发射符号间隔可比较时，接收信号可以被认为是多个发射信号的线性叠 加，其权重为各独立信道的衰减系数。因此，通过r a k e 接收机在不同的时刻提取出多径 分量，我们就可以获得路径分集。对于频率选择性信道，这种接收机是最佳的。 空间分集：空间分集是移动通信中使用较多的分集形式，简单地说，就是采用多副接 收天线来接收信号，然后进行合并。典型的空间分集是在发送端接收端由空间上分开排列 的多个天线或天线阵列来实现的。各天线的位置要有足够的间距，使得天线上接收到的信 号基本独立，通常要求在两个天线之间至少间隔数个波长。在空间分集中，发送信号是以 空间域冗余的形式到达接收端的，不会带来带宽效率上的损失，在保证数据传输速率的同 时获得极大的分集增益，是减少多径衰落的有效方法。当系统的频谱资源不充裕时，这种 方法特别有吸引力。空间分集可以分别在发送端和接收端实现，又可分为接收分集和发送 分集。 极化分集：在移动环境下，空中的水平路径和垂直路径是不相关的，因而信号也呈现 不相关的衰落特性。这就可在发送和接收端各装两个天线，一个水平极化天线，一个垂直 极化天线，这就可以得到两个不相关的信号。实际上极化分集是空间分集的特殊情况，但 其优点是费用较低，结构紧凑，节省空间，缺点就是发送功率要分配到两个天线，造成了 3d b 的损耗。这一技术在蜂窝移动用户激增时，在改进链路的传输效率和提高容量方面有 很明显的效果。 角度分集：由于地形、地貌及建筑物等通信环境的不同，到达接收端的信号来自不同 的方向。在接收端安装方向性天线，分别指向不同的方向，则每个方向性天线收到的信号 是弱相关的，方向( 角度) 相差越大，来自不同方向信号的相关性越小。 就时间分集、频率分集和空间分集三者而言，由于在慢衰落情况下，时域交织会导致 信号较大的时延，因此时间分集对时延敏感的业务不太适用；而当信道的相干带宽大于传输 信号的带宽时，频率分集又显得无能为力；时域分集技术和频域分集技术的缺点必须使用 额外的时间或者频谱资源来引入发射信号的冗余副本。这将导致频谱效率的损失。而对于 空间分集，由于充分利用系统的空间域，可以不牺牲信号的频率资源和时间资源。在保证 数据传输速率的同时，空间分集能获得极大的分集增益，是减小多径衰落的有效途径。 1 1 3m i m o 技术 如上文所述，无线信道具有的多径衰落特性是阻碍信道容量和服务质量改善的主 要原因之一，而空间分集能够在不占用额外时间和频率资源的情况下成倍的提高通信系统 南京邮电大学硕士学位论文 第一苹绪论 的容量和频谱利用率，并且通过分集与复用将多径衰落转换为有利因素加以利用。此外空 间分集还能与其他技术( 如o f d m ) 相结合，具有很好的发展前景，是未来移动通信关键 技术之一。 所谓m i m o ，就是指在发射端和接收端均采用多天线( 或者阵列天线) ，使得无线信 号经过多重切割之后通过多通道进行同步收发，从而提高传输效率。接收端接收来自不同 路径的有不同传输时延的无线信号，对它们进行重新计算和组合，从而还原出原来的信号。 m i m o 技术不仅可以提高既有无线网络频谱的传输速度，而且又不用额外占用频谱范围，。 当然，也可以不经过信号分割，此时形成多个信号副本的高阶调制传输，同样也能提高信 号接收的可靠性。所以不少强调信号传输速度与通信可靠性的公司纷纷开始采用m i m o 技 术。m i m o 技术是无线移动通信领域智能天线技术的重大突破，成为新一代移动通信系统 的关键技术。 m i m o 技术的提出最早可以追溯到1 9 0 8 年，马可尼提出采用m i m o 技术抗衰落。7 0 年代有人提出将多输入多输出技术用于通信领域，但是对m i m o 技术在无线移动通信领域 上的应用产生巨大推动的奠基工作则是由9 0 年代贝尔实验室学者完成的。1 9 9 5 年t e l a t a r 等人【4 】【5 】给出了在有衰落情况下的m i m o 容量；1 9 9 6 年f o s c h h i n i l 6 1 给出了一种多输入多输 出处理算法一对角贝尔实验室分层空时( d b l a s t ) 算法；1 9 9 8 年t a r o k h 7 】等讨论了空 时码设计准则，并提出空时格形码；1 9 9 8 年a 1 锄o u t i 【8 】提出了方便编译码的基于正交思想 设计的空时分组码；1 9 9 8 年w o l n i a n s k y t g l 等人采用垂直贝尔实验室分层空时( v - b l a s t ) 算法建立了一个m i m o 试验系统。这些工作受到了各国学者的极大注意，并使多输入多输 出的研究工作得到了迅速发展。空时编码是适用于多天线阵信道的一种编码方案。它综合 了空间分集和时间分集的优点，同时提高分集增益和编码增益。现有的研究表明，空时码 能够获得远远高于传统单天线系统的频带利用率。目前，许多标准组织以及科研机构已经 着手研究空时处理技术在未来移动通信系统中的应用。例如，i e e e 8 0 2 1 6 3 宽带固定无线 接入标准的物理层把空时码作为内码，r s 码作为外码；欧洲w i n d f l e x 项目研究空时 处理用于室内6 4 - - l o o m b i t s 的无线自适应m o d e m ；数据速率2 0 m b i t s 、带宽效率提高 2 0 的空时码是超3 g 系统的重要技术之一。 1 1 4 协作分集技术的提出和发展 尽管m i m o 技术具有明显优势，并且以被下一代通信系统所采纳，但是其在实现方式 上仍存在一些问题。空间分集是利用场强随空间随机变化实现的，空间距离越大，多径传 5 塑塞墅皇奎兰堡主堂垡堕壅蔓二皇堕笙 播的差异就越大，所接收场强的相关性就越小。理想的m i m o 系统为了提高分集性能，要 求相邻天线之间距离要远大于电磁波波长，保证天线的传输信道是独立的，或至少是不相 关的。所以，在基站端采用多天线收发信号可以比较容易的实现，但是在移动终端，由于 其对体积，质量和功率的要求远比基站苛刻得多，很难安置多天线，使得m i m o 技术在实 践中的效果大打折扣。 为了解决这个问题，人们提出了一种新的空间分集模式协作分集，使单天线的移 动终端也可以实现空域分集。它的基本思想是系统给每个移动终端寻找一个或多个合作伙 伴( p a r t n e r ) ，合作伙伴有责任在传输自己信息的同时协助其伙伴传输信息。这样，每个终 端在传输信息的过程中既利用了自己的又利用了合作伙伴的空间信道，几个协作伙伴相当 于组成一个多天线系统，从而获得一定的空间分集增益，为m i m o 的实际应用提供了一条 新途径。 协作分集的基本思想源白c o v e r 和e ig a m a l 关于中继信道信息理论开拓性的工作【1 0 】 和v a nd e rm u e l e n 在文献【l l 】 1 2 】中对各种信道模型的总结。他们分析了一个包括发送节点、 中继节点和接收节点的三端网络的信道容量，假设所有节点的工作频带相同，系统便可以 分解为一个广播信道( 从源节点来看) 和一个多址信道( 从目的节点来看) 。然而，虽然 协作通信领域中的很多思想都在其中首次被提出，但协作通信和中继通信还是有着本质区 别的。首先，协作通信都假定是在衰落信道环境，而中继通信则研究a w g n 信道下的问 题；其次，传统中继信道中继节点的功能只是辅助源节点通信，本身并没有通信的需要， 而协作通信中整个系统的资源是固定的，各用户既作为信源，同时又辅助其它用户发送信 息。 此后，s e n d o n a r i s 【1 3 】1 1 4 1 研究了协作分集与网络容量、中断概率等系统性能的关系，给 出了适合无线网络节点相互协作以获取分集增益的编码方案及其在c d m a 传输系统中的 实现。而后的研究是其工作的延续，即采用通用的干扰信道模型研究各种系统算法结构和 性能分析。l a n e m a n 1 5 - 1 7 1 研究了协作分集的实现策略，提出了固定中继、选择中继、和增 量中继三种策略，并对这些策略在各态历经信道和准静态信道中的性能进行了分析。其中 固定中继包括：a f ( a m p l i f ya n df o r w a r d 放大转发) ，d f ( d e c o d ea n df o r w a r d 解码转发) ， l a n e m a n 的工作证明了放大转发，和自适应方式在两用户协作中实现了两阶分集。与 l a n e m a n 的工作同一时期，h u n t e r 将信道编码与协作分集相结合提出了c c ( e o d e d c o o p e r a t i o n 编码协作) 的方法【1 8 2 1 】，并对编码协作的性能进行了分析。编码协作的主要思 想是在协作中各用户不是简单的重复其收到的协作伙伴的数据或信号，而是试图为其协作 伙伴传输的信息增加冗余。因为a f 和d f 的协作方式，从编码的角度来看，是一种效率 f ； 南京邮电大学硕士学位论文 第一苹绪论 较低的编码，而编码协作的本质是将码字分成两个部分，通过两个用户传输出去。除去编 码增益以外，编码协作还提供了比重复传输更大的灵活度，即在源和中继之间，以及中继 和信宿中间的数据长度分配的灵活度。 为了进一步提高协作通信的分集增益和频谱效率，人们试着把各种优秀的码引入协作 分集。如l a n e m a n 等人把空时码引入到协作分集中来，进一步提高了系统的性能【2 2 彩1 。目 前把网络编码 2 6 1 和协作分集结合起来，对网络编码协作系统 2 7 3 0 进行研究已经成为一个 相当热门的研究方向。研究表明【2 7 】【2 羽，利用网络编码的协作分集能显著降低系统的中断概 率。同时人们不再满足于仅仅采用线性编码的异或加的方式，文献 2 9 中，赫建军结合网 络编码、空时编码和协作通信技术，提出了一种空时网络编码协同通信系统，并结合网络 编码、卷积编码和协作通信系统，提出了一种网络卷积编码协作通信系统，并进行了改进。 同时动态网络编码的机制【3 0 】开始出现，并拥有比固定中继时更好的性能。 协作分集提出伊始，应用场景主要是蜂窝网络，随着研究的深入，协作的概念被推广 n - 无线局域网( w l a n ) 、a dh o e 网络、无线传感器网络、无线m e s h 网络【3 4 】等多种场 合。目前，物理层的协作分集技术已为人们广泛而深入地研究，基于协作分集的诸多好处， 人们开始试着把协作的概念推广到无线网络协议栈的上层，出现了协作m a c t 3 5 - 3 8 、协作 路由【4 0 5 8 1 之类的新协议。m a c 层协作的实现主要是利用了无线信道的广播特性，在文献【3 5 】 中，l i u 等人针对无线局域网( w i ，a n ) 最先提出了协作m a c 的概念，研究表明，协作 m a c 协议有利于提高系统吞吐量，降低平均时延。随后协作m a c 又被推广到其他的网络 中，并被人们不断的改进。 目前a dh o c 网络、无线传感器网络、m e s h 网络等自组织网络开始引起人们的广泛重 视。传统的路由协议【3 9 】只支持单点的通信而无法获得协作分集的好处，因此有必要进行改 进，而协作分集技术和网络层的路由的结合就称为协作路由。协作路由技术是近年来随着 网络安全性问题和能量有效问题而出现的一种新技术，协作路由技术的提出最初是为了解 决网络的安全性问题【4 0 1 1 4 1 1 ，但随后的研究发现，协作路由的方式还可以节省网络中节点的 能耗，所以基于能量有效的协作路由算法也应运而生 4 9 - 5 8 】。同时，协作路由算法在网络q o s 保障方面也大有所为，基于经典路由协议的协作路由方案【4 2 - 4 4 矛n 基于机会路由的协作路由 方案【4 6 郴】开始出现。其中，基于能量有效的协作路由方案是最热门的一个方向。目前，协 作路由技术是一个崭新的研究领域，在国外刚刚起步，在国内也已开始引起人们的关注。 7 南京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 论文主要工作及内容安排 本文首先介绍了协作分集基本概念和原理，并在协作分集信道模型的基础上对协作分 集的性能从可达速率域和中断概率两个方面进行了讨论：对几种基本的协作分集：固定中 继协作分集，选择中继协作分集，增量中继协作分集和编码协作分集，进行了简要的分析 和比较；随后介绍了几种常见的协作分集合并方式并给出了它们的性能。本文着重研究协 作路由技术。通过对无线网络中现有的协作路由方案的分析和比较，在分离路由和功率分 配的协作路由算法( d s r p a ) 和联合路由和功率分配的协作路由算法( d j r p a ) 的基础上，通 过引入剩余变量这一因子，给出了一种新的协作功率分配方式一最大网络寿命功率分配。随 后提出了两种改进的协作路由算法：p d s r p a 算法和p d j r p a 算法，并对其性能进行了 分析和仿真。仿真结果表明，改进的算法相比原来的算法能够使能量消耗在网络中分配得 更加均匀，在很大程度上延长了网络寿命。 第二章主要阐述了协作分集的基本概念和理论，并基于协作分集的信道模型对协作分 集的性能从可达速率域和中断概率两个方面进行了分析研究；介绍了几种基本的协作协 议：固定中继协作分集、选择中继协作分集、增量中继协作分集和编码协作分集，并对它 们性能进行了简单的分析比较；随后总结了几种常见的协作分集合并方式，并对它们进行 了性能分析比较。 第三章对无线网络中现有的几类协作路由算法一基于安全的协作路由算法、基于经典 路由协议的协作路由算法协作机会路由算法和能量有效的协作路由算法( 包括集中式和分 布式两类) 进行综述，并分析了它们的性能。 第四章从能量有效的角度出发，在分离路由和功率分配的协作路由算法( d s r p a ) 以及 联合路由和功率分配的协作路由算法( d - j r p a ) 的基础上，通过引入剩余变量因子，给出了 一种新的协作功率分配方式一最大网络寿命功率分配，随后提出了两种改进的协作路由算 法：p d s r p a 算法和p d - j r p a 算法，并对其性能进行了分析和仿真。 第五章是全文的总结和未来研究的展望。 8 南京邮电大学硕士学位论文第= 章协作分集技术基础 第二章协作分集技术基础 本章主要阐述了协作分集的基本概念和理论，并基于协作分集的信道模型对协作分集 的性能从可达速率域和中断概率两个方面进行了分析研究；介绍了几种基本的协作协议： 固定中继、选择中继、增量中继和编码协作，并对它们性能进行了简单的分析比较：随后 总结了几种常见的协作分集合并方式，并对它们进行了性能分析比较。 2 1 协作分集的概念 协作分集的过程基本可以分为两步：第1 步，源节点以广播方式发送信号，目的节点 和所有的中继节点接收信号，中继节点对接收到的信号进行处理，为第2 步做准备；第2 步，中继节点将处理后的信号发送给目的节点，此时源节点也可以向目的节点发送重复的 信息或新的信息最后目的节点按照某种规则合并两步接收到的信号，上述过程可以用图 2 1 描述： 阶段i 源节点 中继节点 阶段i i 一目的节点o 其它节点 图2 1 协作分集2 阶段通信过程 以蜂窝系统环境下的两用户协作为例，如图2 - 2 所示，两个用户m 1 和m 2 互为合作伙 伴，m 1 除了要向基站( b s ) 传送自己的信息外，还要把从m 2 接收到的信息发送给基站。 同时，m 1 的一部分信息也由m 2 接收，并转发给基站。这样，用户1 与基站间就产生两 条独立衰落路径，一条是m 1 与b s 之间的直接传输路径，另一条是m i 至m 2 至b s 的间 接传输路径。从本质上说，协作分集就是希望借助合作伙伴的天线，与其自身天线麸同构 舅 。髻 堕室坚皇奎堂堡圭兰垡笙奎笙三皇堡堡坌叁垫查苎壁 造成多发射天线系统，并通过模拟传统的多发射天线分集来获得空间分集增益，如果在某 个时间段用户没有信息要传送，那么在没有协作时其空间资源只能闲置，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，用户也可以通过协 作分集利用其合作伙伴的空间资源。只要合理的设计协作方案，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的利用整个网络的资源， 使网络性能更稳定。 图2 2 两用户协作原理 有一点需要注意，协作分集的思想虽然来源于中继通信，但是在许多方面却不同于传 统的中继通信。首先，在中继通信中，中继节点的作用是形成主信道，是单纯作为中继而 存在的，本身并没有信息要传送；而协作分集的通信机制更为复杂，远不止是一个简单的 中继问题，因为每个用户既要转发其合作伙伴的信息，还要传送自己的信息，协作分集中 中继节点的作用是协助增强主信道。此外，在协作分集中，用户间的信道是有噪声的，也 就是说不能保证每个用户都可以成功的接收并正确检测到其合作伙伴发送的信息。从本质 上来说，最主要的区别是传统的中继没有分集的功能，而通过协作通信可以使单天线用户 也获得分集增益。 当然，协作分集并不局限于两个用户之间的协作，还可以是多用户之间的相互协作， 即一个用户可以同时拥有多个合作伙伴，协作分集以多个用户共享天线和其他网络资源的 形式构造虚拟阵列，利用分布式传输和信号处理获得分集增益。 2 2 协作分集系统性能分析 本节用信息论的方法，从信道容量、中断概率两个方面来对协作分集技术的性能进行 了理论与仿真分析。 为了分析协作分集的性能，文献 1 3 】【1 4 给出了一个简单的两用户协作系统的通信信 1 0 南京邮电大学硕士学位论文第二苹协作分集技术基础 道模型，如图2 3 所示，图中e l 和e 2 代表互为伙伴的两个用户，每个用户都接收其伙伴 发射的经过信道衰落的加噪信号，并用该信号和自己传输的数据构成新的信号向目的端传 输，目的端接收到的信号则是这两个用户所发射信号的叠加。这一过程可以用如下的数学 模型表示： t o ( f ) = k 。五( f ) + 如五( f ) + z o ( f ) ( 2 1 ) z ( f ) = 恐- 五( f ) + z i ( f ) ( 2 2 ) 五( f ) = k l ：墨( f ) + z 2 ( f ) ( 2 3 ) 式中，k ( f ) ，x ( f ) 和砭( f ) 分别为目的端，用户1 和用户2 接收信号的基带模型；五( f ) 是用户i 的发射信号，其平均功率为只( i = 1 ，2 ) ：2 1 ( t ) ( i = o ，1 ，2 ) 分别是目的端，用户1 和用 户2 接收端的噪声，服从均值为0 ，方差为蜀( i = l ，2 ) 的正态分布； 是各信道的衰落 因子，在一个符号周期内保持不变，形成非频率选择性衰落。 图2 3 两用户协作系统的信道模型 这里注意的是每个用户接收的信号其实都是两个用户信号的混合。为了简化分析，假 定每个用户不会接收到自己发射的信号，例如式中五( t ) 蔽j y i ( f ) 没有贡献。另外，假定整个 系统同步良好，且各接收端可以获得相应的信道信息。 2 2 1 可达速率域 首先从信息论的角度，讨论两用户协作下的可达速率区域( a c h i e v a b l er a t er e g i o n ) ，目 的在于给出具体的两用户协作分集方案的性能极限。 为了便于分析，假定用户1 将其信息彤分为两部分：彤。直接发向目的端，彤：通过用 户2 发向目的端。这样，用户1 可通过下式构造自己的发送信号： l l 南京邮电大学硕士学位论文 第二章协作分集技术基础 并将其总功率划分为 五= 五。+ 五2 + u 只= 层o + 弓2 + 易i ( 2 4 ) ( 2 - 5 ) 式中，u 为信号中携带协作信息的部分，这样，丑。的功率分配给五。，以r 。的速率向 目的端发送形。；日：的功率分配给五：，以- g ：的速率向用户2 发送彤：；尼。的功率分配给u ， 以向目的端发送协作信息，用户2 的发送信息的构造与用户1 类似。于是可得到如下定理 来描述协作系统的可达速率区