（信息与通信工程专业论文）无线合作分集网络中的资源分配研究.pdf

浙江大学硕十学位论文 摘要 在无线网络中，多径衰落严重影响系统性能。我们知道，多输入多输出 ( m i m o ) 系统提供的分集增益可以有效对抗多径衰落的影响，且不会损失频 谱利用率。然而，许多移动终端，如手机、传感器节点等，由于受体积、功耗、 成本等的限制，不适合安装多根天线。合作分集技术是利用其他用户的天线构 成虚拟天线阵( w a ) ，中继传输信息，从而实现分布式空间分集。 中继传输是由信源和中继器共同完成，因此，资源分配是无线合作分集网 络研究的一个重要课题。本文主要研究资源分配的两个方面：功率优化分配和 合作伙伴选择。 在合作通信中，信源传输信息需要消耗功率，中继器传输信息也需要消耗 功率。所以说，分集增益的获得是以信源和中继器消耗的功率之和为代价。本 文分别针对放大中继( a f ) 协议和译码中继( d f ) 协议，在总功率一定的条件 下，以大信噪比时误码率的下界或上界表达式为目标函数，优化分配信源和中 继器的发射功率。仿真结果表明，与信源和中继器均匀分配功率相比，经功率 优化分配后，不仅误码率明显下降，系统的中断概率性能也随之得到提升。 目前，关于合作分集的研究主要集中在两个用户，如果推广到多用户合作 通信，则合作伙伴的选择是影响网络整体性能的重要因素。本文推导了编码合 作( c c ) 协议中大信噪比时用户中断概率的近似表达式，并以此为依据，提出 通过匈牙利算法选择合作伙伴。仿真结果表明，虽然选择依据是中断概率的近 似表达式，但由于匈牙利算法得到的是全局最优解，因而，当信噪比较大或速 率较小时，其中断概率性能优于贪婪算法。 在合作伙伴选择中，如果仅考虑整个网络的平均中断概率最小，则并非所 有用户都能从合作中获利。有些用户可能因选择的合作伙伴不合适，从而导致 自身的中断概率性能比直接传输还要差。另外，由于用户在合作中所处的地位 相同，他们有理由要求其中断概率性能相对于直接传输的改善量尽可能公平。 本文提出利用纳什谈判解( n b s ) 策略选择合作伙伴。仿真结果表明，n b s 策 略在追求整个网络的平均中断概率最小的同时，既能保证每个用户的中断概率 浙江大学硕上学位论文 性能不会比直接传输还要差，又能使得其中断概率相对于直接传输的改善量比 较公平，从而在效率和公平之间达到一个折中。 关键词：合作分集；功率优化分配；误码率；合作伙伴选择；中断概率；公平 性；纳什谈判解 i i 塑望查兰堡主兰竺笙奎 a b s t r a c t i nw i r e l e s sn e t w o r k s ，m u l t i p a t l lf a d i n gs e v e r e l yd e g r a d e st l l es y s t e mp e r f b 彻a i l c e ， a sw ea l ll ( 1 1 0 w ，m i m os y s t e mi sa 1 1e 衢c i e n tw a yt oc o m b a tm u l t i p a t hf a d i n gb y e x p l o i t i n gs p a c ed i v e r s i t y ，a n dd o e s n t l o s ss p e c t r a le m c i e n c y h o w e v e r m a n y m o b i l et e 肌i n a l s ，e g ，m o b i l ep h o n e sa n ds e n s o rn o d e s ，c a j ln o tp r a c t i c a l l ya d o p t m u l t i p l e - a m e m at e c h n i q u e s ，d u et ot 1 1 e i rs i z e ，p o w e r ，c o s tl i m i t a t i o n s t h e r e f o r e ， c o o p e r a t i v ed i v e r s i t yh a sb e e np r o p o s e d ，w h i c he n a b l e ss i n g l e a n t e n n au s e r s t o e x p l o “s p a c ed i v e r s i t yi nad i s 砸b u t c dw a yb ys h a r i n gt 1 1 e i ra n t e r h l aa n dc r e a t i n gt 1 1 e v i n i l a la n t e n n aa r r ；a y ( v a a ) f o rr e l a y e dt r a n s m i s s i o n r e l a y e dt r a n s m i s s i o ni sc o m p l e t e db yt h ec o o p e r a t i o nb e t w e e n s o l l r c ea t l dr e l a y a sar e s u l t ，r e s o u r c ea 1 1 0 c a t i o nb e c o m e sa ni m p o n a n ti s s u ei n 、v i r e l e s sc o o p e r a t i v e d i v e r s i t yn e t w o r k s i nt h i sp 印e r w ei n v e s t j g a t et w o 髂p e c t so fr e s o u r c ea l l o c a t i o n ： o p t i m a lp o w e ra 1 1 0 c a t j o na n dp a r t n e rs e l e c t i o n i nc o o p e m t i v ec o m m u n i c a t i o n ，b a ms o u r c ea n dr e l a yc o n s m ep o w e rw h i l e t r a n s m i n i n g 也es i g n a l s od i v e r s i t yg a i n sa r eo b t a i n e da tt l l ec x p e n s eo ft h et o t a l p o w e ro fs o l l r c ea i l dr e l a y o nt h ea s s 砌p t i o no fc o n s t a n tt o t a lt r a n s m i tp o w e r ，a n o p t i m a lp o w e ra l l o c a t i o ns c b e m eb e t w e e ns o u r c e a j l dr e l a yi sp m p o s e di nt 量l e 砌p l i 母一a n d f o n v a r d ( a f ) p r o t o c 0 1a i l dt h ed e c o d e a 1 1 d f o r v v a r dp r o t o c o l ，u s i n g 也e l o w e r b o u n d0 ru p p e rb o l 】1 1 do fb i te 玎o rt a t e ( b e r ) i nh i 曲s n ra so b j e c t i v e 鼬c t i o n + s i m u l a t i o nr c s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e ds c h e m ep r o m i s e st or e d u c eb e r a n de n h a l l c e st h es y s t e m 耐b n n a l l c eb yd e c r c a s i n gt l l e o u t a g ep m b a b i l i 坝 c o m p a r e dt ou n i f b n np o w e ra l l o c a t i o nb 曲e e ns 涨a n dr e l a y i j n t i ln o w ，t l l er c s e a r c ho fc o o p e m t i v ed i v e r s i t ym a i n l yc o n c e m r a t e so nt w ou s e r s m o d e l s w h e ne x t e n d e dt om u l t i u s e rc o o p e r a t i v ec o m m u i l i c a t i o n ，p a r t n e rs e l e c t i o n p l a y sa ni m p o r t a mm i ei nt h ep e r f 醣【i l a i l c eo f t h cw h o l en e t w o r k s a f i e rg e n e r a l i z i n g t h ec l o s e da p p m x i m a t ee x p r e s s i o no fo u t a g ep m b a b i l i t yi nh 谵hs n r ，、v cp r c s e ma n e ws e l e c t i n gs c h e m ei nt 1 1 ec o d e dc o 叩e r a t i o n ( c c ) p r o t o c o lu s i n gh u n g 撕a i l i l i 浙江大学硕士学位论文 a l g o r i t ，s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t ，a i t h o u 曲a n 印p r o x i m a t eo u t a g ep r o b a b m t y ， h u n g a r i a na l g o r i m mp r o d u c e sg l o b a lo p t i m a ls o l u t i o n t h u si ti m p r o v e st h eo u t a g e p r o b a b i l i t yp e r f b 珊a j l c ei nh i 曲s n r o rl o wm t e ，c o m p a r e dt og r e e d ya l g o r i t h i np a n i l e rs e l e c t i o n ，i fw e0 1 1 l ya i ma tm i n i m i z i n gm ea v e r a g eo u t a g ep r o b a b i l i t y o ft h ew h o l en e t 、v o r k s ，n o ta uu s e r sc a nb e n e f i tf 如mt b ec o o p e r a t i o n t h eo u t a g e p r o b a b i l i t yp e r f o m l a l l c eo fs o m eu s e r sm a yb ee v e nw o r s et h a i lt h o s ei nd i r e c t t r a i l s m i s s i o n ，d u et ot h ei m p r o p e fs e l e c t i n gp a n n e r s 0 nt h eo t h e rh a n d ，t h ef a i r i m p r o v e m e n to fo u t a g ep r o b a b i l i t yi sr e a s o n a b l e 锄o n gu s e r s ，b e c a u s eo f 廿l e i r s i m i l 捌t i e s i nt l l i sp 印e r w eu s en a s hb a r g a i n i n gs o l u t i o n ( n b s ) s t r a t e g yt os e i e c t p a n n e r s s m l u l a t i o nr e s u l t ss h o wn b ss 饥挂e g yn o to n l ym i n i i l l i z e st 1 1 ea v e r a g e o u t a g ep m b a b i l i t yo ft h ew h o l en e t w o r k s ，b u ta l s om d k e ss u r et h a tt h eo u t a g e p m b a b i l i t yp e o n a n c eo fe a c hu s e ri nc o o p e m t i o no u t p e r f 0 瑚st l l a ti n d i r e c t t m l l s m i s s i o na i l dt h ei m p m v e m e n ti sr e l a t i v e l yf a i ra m o n gu s e r s i nt h i sw a y ，a t 珀d e o f r b e t w e e ne m c i e n c ya 1 1 d 蹦m e s si so b t a i n e d k e yw o r d s ：c o 叩e m t i v ed i v e r s i t y ；o p t i m a lp o w e ra l l o c a t i o n ；b i te r r o rr a t e ；p a n n e r s e l e c t i o n ；o u t a g ep r o b a b i l i t y ；f 甜m e s s ；n a s hb a r g a i n i n gs o l u t i o n i v 篓兰查兰鍪圭篓鳖笙塞 w l a n b s a p s c m r c 嚣g e s n r m i m o a f d f c c n b s f d m a t d m a c d m a m l s 毛) f c r c c s b e 鼗 b p s k f s k g p s m o p m m o p 术语对照表 觅线局域网( w i r e l e s sl o c a ln e t w o r k ) 基站( b a s cs t a t i o n ) 接入点( a c c e s sp 函醯) 选择合并( s e l e c t i o nc o m b i n i n g ) 最大比合并( m a x i m 啪r 撕oc o m b i n i n g ) 等增盏台著( e q u a l ( 遗濂c o m b 两珏g 信噪比( s i g n a l t o - n o i s er a t i o ) 多输入多输出( m u l 垃p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ) 放大牵继( a m p l 每一醐奎f o 涨a 蟠) 译码中继( d e c o d e 一艄d 。f o n v a r d ) 编码合作( c o d e dc p e f a t i o n ) 虚叛天线箨( v i r t 粥l a n 掩赫a a 玎雏) 纳什谈判解( n a s hb a 昭a i l l i n gs o l u t i o n ) 频分多址( f 诧q u e n e yd 如e r s i 毋m u l 潮ea c c e s s ) 时分多垃( 董擞e 静i v e r s i t ym u l 蛀p l e a c c e s s ) 码分多址( c o d ed i v e r s 畸m u l t i p l e a c c e s s ) 最大似然( m a 越m u ml i k e l 逊o o d ) 选择译码中继( s e l e c t i o nd e c o d e a n d 零o n v a r d ) 循环冗余校验( c y c l i cr e d l h l d a n c yc h e c k ) 信遴状态信息( c h a 魏n e ls 滋el n f o 黜a 矗o n ) 误码率( b 妞e r r o rr a e ) 二进制移相键控( b i n a r yp h a s es h mk e y i n g ) 移菝键控( f e e n e ys 赫拽论猡i n g ) 全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 最小中断概率( m i n j m 啪o u t a g ep r o b a b i l 时) 修正最，l 、中断概率( m o d i 萎e dm i n 黼u mo u 翅l ep 鳓b a b i l i 每) v 一 浙疆火学硕士学位论文 第1 章绪论 随辫社会的快速发展，政治、经济、文化活动范围的日趋扩大以及科学技 术的不断进步，人们遗切希望能够随时随地、及时可靠、不蹙限制的进行信息 交流，鞫露对遥蓓豹豢求越来越嵩。按黄辕豢分，通信可分为有线逶售( 镪括 光纤通信) 和无线通俗。无线通信因其具有方便、灵活、迅遴的信息交流方式， 在当今通信领域发展最为活跃和迅遽，并对社会发展和人类生活产生了重大影 瘸。 1 1 无线通信的发展历程 电磁波是无线邋信的主要载体。1 8 3 1 年，英国物理学家法拉第发现了电磁 感应现象。1 8 6 5 年，英国物理学家发可斯韦从理论上预言了电磁波的存在，并 且涯明了瞧磁波簧撵熬速度等予光遮，毽缝搴人寒缝亲蠡骰爨实验验证。1 8 8 7 年，德豳物理学家赫兹利用静电的火花放电实验，证明了电磁波的存在。然而， 赫兹英年早逝，未能在电磁波的应用方面开展科研工作。 最早将电磁渡瘸予无线逶倍戆楚意大列人骂霹尼。1 8 9 7 年，玛霹趸送行横跨 布里斯托尔海峡的无线电通信试验取得成功，通信距离为1 4 公里。1 9 0 1 年，他 成功实现横跨大西洋的无线电通信试验。 然瑟，夔轰弱咒 每凌，无线潺绩懿发震魄较缓攫，哭在冗令频段上开发 出专用移动通信系统，而且一般只用于军队和政府部门，其典测代表是2 0 世纪 4 0 年代奖国底特律警察使用的车载无线电系统。 壹列2 0 整纪7 冬代，美国豹受尔实验室撵滋了蜂窝( c e l l u l a r ) 系统麴壤 念，以及随后超大规模集成电路( v l s i ) 和数字信号处理( d s p ) 等技术的广 泛应用，无线通信，尤其移动通信进入快速发展时期，并逐步成为大众群体的 瀵费晶。缓至2 0 0 6 零l 嚣瘾，我鬻手瓿矮户鼗达至l3 。9 9 亿产，已经超遥辫定 电话用户数。 到目前为止，移动通信系统已经推出了三代。第一代移动通信系统( 1 g ) 是足支撩语音整务豹壤接逶接系统，懿美豳静先送移动魄话系统a m p s ( a d v a n c e dm o b i l ep h o n es y s t e m ) 。第二代移动通信系统( 2 g ) 是全数字通信 浙江夫学硕士学位论文 系统，1 日对于1 g 有了很大的进步，除了能提供语音业务之外，还能够提供短消 惠等低速数攥监务。宅戆典鍪我袭怒鬟蔻广泛後瘸静g s m ( g l o b a ls y s t e mf o r m o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ) 和i s 一9 5 。篇三代移动通信系统( 3 g ) 是国际电信联盟 ( i t u ) 在1 9 8 5 年首先提出的，当时被称为朱来公用陆地移动通信系统，即 f p l m t s ( f u t u r ep u b l i cl a n dm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ) 。t 9 9 6 年i t u 将其更名为全球移动通信系统i m t 一2 0 0 0 ，其含义是工作在2 0 0 0 m h z 频段，预 期在2 0 0 0 年左右商用的系统，它的特征是频谱利用率高，支持高速率的多媒体 帮数据效务。1 9 9 8 年6 月，各国拣准经缓缀囱i t u 提交了各秘静无线传输技术 候选方案，共有1 6 种，包括1 0 种地面技术和6 种卫星技术。在上述技术中， 码分多址( c d m a ) 成为第三代移动通信的主要候选多址技术。其中最有代表 往豹三大主滚援零标准分象蔗酸溯瓣w c d m a 、美国懿c d m a 2 0 0 0 帮我潮豹 t d s c d m a 。 除了蜂窝网络外，无线通信领域还涌现出许多新兴的网终，如无线局域网、 a d h o c 潮络等。 随着i n t e m e t 的发展，手提电脑、移动设备的逐步普及，人们渴望随时随地 联网访问备种信息。纛线局域网( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ，w l n ) 作为 有线隧络瓣延枣荤和替筏，透过无线接入耱方式谊入稻麓够随辩髓圭遣接入两终共 享资源。它的发展起源于1 9 7 1 年夏威夷大学的研究课题a l o h a n e t ，该课题 首次将嘲络技术和无线氓逼信技术结合起来。a l o h a n e t 使分散在4 个岛上戆 7 个校茜蘩豹计算租可戮稳磊薪秘方式窥位于嚣胡岛酌中心 簿祝通信，褥蠢不 使用已有的低质高价的电话线路。1 9 8 5 年，美国联邦通信委塌会( f c c ) 授权 普通用户可以使用i s m 频段。这里i s m 分别取鬓i n d u s t r i a l 、s c i e n t i f i c 积m e d i c a l 豹第一个字母，诲多工渣、辩磅和暇疗设备辐射豹麓量集孛予该频段。由于使 用i s m 频段无须向f c c 提出专门的申请，许多觅线局域网就选用该频段，从而 促使无线厨域网向商用优发展。1 9 9 0 年1 1 月国际电子电气工稳颊协会( 聪e e ) 召开了i e e e8 0 2 1 1 委员会，开始镣l 订无线届域瞬络标准。1 9 9 7 年6 胃2 6 霸， i e e e8 0 2 1 1 标准制定究成，1 9 9 7 年1 1 月2 6 日正式发布。1 9 9 8 年各供应商推 出了大量蒸于8 0 2 。1 l 标准的无线眩繁和访闯节点，其经刚刚遴军无线市场的商 家当然受为支持8 0 2 11 大力舞发符合8 0 2 + 11 搽漩的产品。 浙江人学硕士学位论文 图1 1 有基础设施网络 图1 2a dh o c 网络 4 渐江大学硕士学位论文 1 。3 无线通信面临的主要困难 与赫于全封闭式传输线进行信息传输的有钱通信相比，无线通信因典传播 的开放性主要面临两大困难： ( 1 ) 多径衰落。在无线逄渡袋疆繇凌中，囊予接浚蓑掰憝笼理整藿戆复杂 性，使得接收的信号中不仅有直射波，还有反射波、衍射波和散射波等。如果 无线电波在传播过程中遇到了障碍物，并且此障碍物的大小与波长相比很大， 箨么裁会发生爰= 鸯重。反慧主要来鑫t - 逡蚕、建镱貔窝墙覆等。强莱发麓瀵秘接 收端之间的障碍物有比较尖锐的断丽，无线电波会发生衍射，因而，即便在收 发天线之间没有直达路径时，无线电波仍然可以绕过障碍物到达接收天线。衍 麓豹特毪取决于障礴秘蕊凡蔼形状、绣藜点毫波豹箍度、键像淡及辍纯获杰。 如果无线电波传播的介质中分布有很多几何尺寸与波长相比很小的障碍物，就 会发生散射。无线信邋中粗糙的物体表面、树叶、街头标志牌以及电线杼麓都 霹麓发生教隽季。 由于各路无线电波到达接收端的时间、幅度和相位都不同，叠加导致的结 果是同相爨加而加强，反相叠加而减弱。因而，接收信号的幅度将急剧变化， 瑟产生衰落。由于这秘衰落是由多强雩| 起豹，鬻藏称秀多径滚落。分集援术是 一种对抗多径衰落的常用技术。 ( 2 ) 频谱资源鸯隈。无线遂铬蠹予不司簧疆路径之蓠豹穰号耱互于撬，频 谱资源非常有限，而用户数越来越多。为了解决这个问题，除开辟和启用新的 频段外，疆研究各种灏技术和薪措施，压缩信号占用的频带搬度和提高频谱利 霜率。 1 。4 分集与合并 1 4 1 分集 在无线逶信孛，攀采惩努集搜零寒对撬多经衮落豹影响，握裹簧埝懿霹靠 性。分鬃技术是指接牧端接收发射信号的多个样本，虽然每个接收信号携带的 浙江大学硕十学位论文 信息相同，但在衰落统计特性上相互独立。分集的基本思想是：如果接收的信 号是经历不相关模式的衰落，那么它们同时低于给定门限电平的概率要比单一 信号低于给定门限电平的概率小得多。因此，采用合理的方式合并这些接收信 号可以大大降低衰落的影响，相应地，也就提高了传输的可靠性。 常见的分集方式包括：时间分集、频率分集和空间分集。 ( 1 ) 时间分集 时间分集是相同的信息在不同时隙多次重发，只要时间间隔足够大( 大于 相干时间) ，接收端就能收到不相干的衰落信号。在移动通信中，一般使用差错 控制编码结合交织技术来实现时间分集。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 本之间的时间间隔，从而在译码器的输入端得到独立的衰落。该方案的缺点是 由于在时间域上引入了冗余，使得频谱利用率受到损失。 ( 2 ) 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。发射频率的间隔必 须足够大( 大于相干带宽) ，从而保证每个频率的衰落是独立的。在移动通信中， 发射信号副本通常按频域冗余的形式到达接收端，这种频域冗余是由直接序列 扩频( d s s s ) 、多载波调制和调频等扩频技术引入的。和时间分集一样，由于 频率域上引入的冗余，频率分集也使得频谱利用率受到损失。 ( 3 ) 空间分集 空间分集是发射端接收端在空间上分开排列的多根天线或天线阵列来实 现的。多根天线在物理空间上分开一定的距离，使得各根天线接收的信号互不 相关。天线间隔的大小随天线高度、传播环境和频率的不同而不同。一般间隔 几个信号波长就能获得不相关的信号。在空间分集中，发射信号副本是以空间 域冗余的形式到达接收端的。与时间分集和频率分集不同，空间分集不会带来 频谱利用率上的任何损失。这一特性对于未来的高速无线数据通信是很有吸引 力的。 落 江夫学硬i 学垃论文 1 4 2 合并 镬焉分集狡米戆逶信系统往麓逶鬻取决于接姨麓翔鹰合著多令信号副奉来 提高总的接收s n r 。根据所采用的准则和方式，合并可以分为选择合并( s c ) 、 竣大比合并( m r c ) 和等增益台并( e g c ) 。 ( 1 ) 选耩合并 选择合并是接收端在每个符号间隔从所有分集支路中选择具有最大即时信 噤比的一路体为输出，因此输出信号的s n r 等于最好输入信号的s n r 。 ( 2 ) 最大比合并 最大比合并是一种线性合并方法，它将各个分集支路的输入僚号按照权重 耩翱在一超褥黉翡输出信号 n r r = q i ( 卜1 ) t = l 式( 1 一1 ) 中，i 楚第f 禳接收天线的接收僚号，晤是第f 横接收天线豹如权因予， 是接收天线数。在最大比合并中，选择每个天线的加权因子与篡信号电压和 臻声凌率宠残歪院e 莰毒帮礁分羁饯表搂浚信号懿幅发藉耪位。霰设每穰天线 黩有相同的平均噪声功率，可以得到相威的加权因予 g = 4 e 一艚 ( 1 - 2 ) 最大比合并输出信号斡s n r 等于所有输入信号s n r 之和，为锻大的输出 信噪比。但是，最大比合并需要知道信邋的衰落的幅度和相位信息，因而只能 爝予耀于检测，焉不整塌予程子硷测。 ( 3 ) 等增益合并 等瑷盏会著是一耪次臻褥缝较楚攀豹线性会莠方法，它不霉蚕继诗蚤令分 檠支路的衰落幅度，而是将加权因子的幅度设为l 。 口= 8 埔 ( 1 3 ) 等增盏会并虽然经麓魄缀大磁合并臻差，健萁复杂度晓最大 l 合并低诲多。 浙江人学硕上学位论文 1 5 合作分集 从1 4 节知道，多输入多输出( m i m o ) 系统提供空间分集的同时，不会 使频谱利用率受损，是对抗无线信道中多径衰落的有效手段。f o s c h i n i 和g a n s “1 以及t e l a t a r ”1 从信息论角度出发，研究了m i m o 系统的信道容量。他们指出： 在一定条件下，采用m i m o 系统可以极大地提高信道容量，且信道容量的增长 与收发天线数目较小值成正比。例如对单链路高斯信道，在1 0d b 信噪比下容 量近似为3b i t s h z ；而当收、发端各有1 0 根天线时，m i m o 系统容量几乎提 高一个数量级，达到2 5b i t s h z 。 然而，m i m o 系统对许多无线网络并不适用。例如，对于蜂窝网络，要使 发射信号的相对独立，手机上的各根天线之间需保持一定的空间问隔。但是， 手机由于受体积的制约，不能安装多根天线。如果仅是基站采取多天线，则收 效甚微。对于无中心的传感器网络，传感器节点由于受成本、功耗的限制，也 不能安装多根天线。为此，s e n d o n a r i s 等“1 提出一种新的方法，利用其他用户的 天线中继传输信息，目的端合并来自信源和中继器的多路独立信号，从而实现 分布式空问分集，见图1 3 。这样，每个用户不仅传输自己的信息，还帮“合作 伙伴”中继传递信息。l a n e m a n 等”1 称这种方法为合作分集( c o o p e m t i v e d i v e r s i t y ) ，并给出了放大中继( a m p l i f y a n d f o r w a r d ，a f ) 和译码中继 ( d e c o d e a n d f o r w a r d ，d f ) 两种低复杂度的合作分集协议及其改进协议。他 们证明除d f 协议外，其他合作分集协议均能实现完全的分集增益。 图1 3 合作分集示意图 浙江大学硕十学位论文 第二章介绍了中继信道的基本理论、合作分集系统模型和合作分集协议， 并比较了不同合作分集协议的中断概率性能。中继信道是合作分集思想产生的 基础。因此，本章首先分析了中继信道的模型、容量和三种随机编码方法。而 目前的合作分集协议主要来自其中一种随机编码方法。然后，给出了由信源、 中继器和目的端三个节点组成的合作分集系统模型，以及三种合作分集协议一 一放大中继、译码中继和编码合作( c o d e dc o o p e r a t i o n ，c c ) 。本文后续章节的 讨论都是基于这三种合作分集协议。最后，通过计算机仿真，比较了三种合作 分集协议的中断概率性能。 第三章探讨合作分集网络中的功率优化分配。在合作通信中，信源传输信 息需要消耗功率，中继器帮助信源中继传输信息也需要消耗功率。本章讨论在 总功率一定的条件下，如何优化分配信源和中继器的发射功率，从而使得系统 的误码率最小。由于a f 协议和d f 协议中系统误码率的表达式比较复杂，这罩 利用大信噪比时误码率的下界或上界表达式进行功率优化分配。 第四章介绍了一种新的合作伙伴选择算法。合作伙伴选择是合作通信研究 的一项重要课题。针对c c 协议，h u n t e r 等通过贪婪算法选择合作伙伴，使 整个网络的平均中断概率最小。然而，这是一种局部最优算法，而且由于得不 到用户中断概率的闭合表达式，需通过数值积分的方式求解，计算量较大。同 时，对整个网络中所有用户的中断概率求平均也增大了计算量。为了降低计算 量，本章对大信噪比时用户中断概率的近似表达式进行了推导。由于大信噪比 时用户中断概率的近似表达式只与 x 浙江大学硕1 “举位论文 第2 章合作分集基础 合作分集的恩想来源于中继信道。与中继信道所不同，在合作分集网络中， 每个用户不仅要传输自己的信息，还要帮助其合作伙伴中继传输信息。也就是 濒，每个用户既要充当傣源的角色，又熨扮演中继器的角色。三溃中继信道模 型首先由v a i ld o r m e l l l e n “7 3 给出。c o v e r 等“”研究了离散光记忆中继信道和高斯 中继鑫遂，著确宠了退化中继痿遴豹客熬。嗣霹，毽翻撵出了三零孛不同豹照规 编码方法，并得到了中继信道的三个可达速率。l a n e m a n 等“1 基于其中一种随机 编码方法，发展了两释麓萃的合箨分集协议；放大孛缝 消怠集台声矿= l ，2 ，2 “ ，清崽变量在匕国匀分蠢； ( 2 ) 编码鬣数j 譬渺 为到”的一个映射； ( 3 ) 中继函数u ，f = l ，2 ，拧) ，其中 屯，= z ( 墨l ，x 2 ，一，巧) l f 楚中继嚣码字静第f 个分量，是第_ j 潜帮中继器收到的符号； ( 4 译玛蝤数矗( ) ：少“心拶，靼根据接鼓 辫援大学预士掌垃福等 贯一嚣鲤。g i 誊鬯丽囊鳊群 嚣麓一奠基黧“ 嚣象銎盛怒篷蠢潮藩豁参嚣癸瑟攀鑫。嚣i 臻醒癸霪蠹! 季器i 漆瀑 i 凄? j 墓；i 嚣露! 萋：j l 翼羹篓雾鎏蚕 篓薅黪k = 霪夔攀嚣鹱嚣转，黼携驺一轻刊l 攀二弘；燮鐾鬟叶枣t 蠢i 雾岬整耩；羹鬟毳酶薹鬣甄氍娶。瑟并旌编环枣f 羲始攫甏巍囊蹩囊妻翥； 囊鬻迥；一蘩囊羹耍滚蠢鋈美象爹氢嚣醋翻i 场环境下数据通信中的应 用。 p r n e t 矮疆完戒之嚣，d a r p a 又农1 9 8 3 年盛渤了骞残夺瞧鑫适应网络壤嚣 s u r a n ( s u r v i v a b l e a d a p t i v e n e t w o r k ) 。研究如何将p r n e t 的成果加以扩展， 以支持熨大规模的网络。此外，还臻开发能够遗虑战场快速变化环壤需要的岛 逶应两络协议。t 9 9 4 年，d a r p a 又疟动了全球移动售怠系统g l o m o ( g l o b a l mo b i l ei n f o r m a t i o ns y s t e m s ) 项目。对能够满足军凑应用需要的、可快速展开、 高抗毁性的移动信息系统进行全面深入的研究。成立于1 9 9 1 年5 月的i e e e 80 2 。1 1 栋漆委员会采瓣了“a d h o c 潮终”一透采描述这静褥辣的鑫缍绞、对等 式、多跳獗线移动通信网络，a dh o c 网络就此诞生了。 。2 无线逶绩麓网络结构 按照有无中心控制器，无线网络可分为：有錾础设施网络和a dh o c 网络。 有基磁设藤嬲络遴褰是寿线网终瓣一秘扩震。翔霆1 1 爱示，有线圈络接 用作骨干网，连接到中心控制器，如蜂窝网络中的基站b s ( b a s es t a t i o n ) 域无 线局域嗣中的接入点a p ( a c c e s sp o i n t ) 。中心控制器负责协调覆盖区内的移动 渣江大学颈士学位建支 ( 5 ) c c 协议 同样，c c 协议的信邋容量也需分以下两神情况进行讨论： a 、如栗中继器辩信源发送豹傣纛位译弱正确( 由c 粥捡濂) ，瑟 艘 】= p r ： 2 8 一1 p r 防。 一态翁条侔下，扶谟鸦率( b e r ) 的角度漤 发，优化分配信源和中继器的发射功率。由于c c 协议中系统误码率与信道编 鹦方式有关，本章的讨论纹铮对a f 秘议秘d f 协议。 具体内容安封 如下：第一节是对系统建模；第二节分剐针对a f 协议和d f 协议，从误码率角度优化分配信源和中继器的发射劝率；第三节对功率优化分 熬黥结果进行了诗算扭仿真，著将功率垂| | 己纯分配豹续袋愆予提秀系统豹中断援 率；第四节怒本章的小缩。 3 1 系统横邋 假设信邋斑平鳃磺利衰落信道，健输一个符号分为弧个时隙，信道衰落系 数衣一个时隙内保持不变。在第一个时涨，信源向中继器翱目的端发送信息。 在繁二令彗孪涨，孛继嚣将接收戆穗想经照遐( 袋大竣译璐 爱巍秘懿螓转发。 目的端采用最大比台并( m r c ) 方式组合采自信源羊h 巾继器的信息，然后进行 麓大麓然( 醚) 洚褥。盍予零章懿系缀溪蘩露2 2 节，余下聱分不褥豢述。 浙江大学硕士学位论文 中继器离信源较近( d = o 1 ) 时，功率优化分配接近于均匀分配；而中继器离 信源越远，功率优化分配的效果越明显。这可解释如下：当中继器离信源较近 时，信源与中继器之间的信道状况较好，即西。，中继器可以看作另一个 “信源”，故两者均分功率；而当中继器离信源较远时，信源和中继器之间的信 道状况较差，即砣匠。，由于信源不仅向目的端发送信息，还要向中继器发 送信息，为了使中继器接收的信息尽可能“不失真”，故需给信源分配更多的发 射功率。 ( a ) d = o 1 p n o ( d b ) ( b ) d = o 5 p j i n o ( d b ) ( c ) d = 0 9 图3 2 中继器处在不同位置时的误码率性能 浙江人学硕士学位论文 ( a ) d = o 1 3 4 本章小结 辟 鞋 监 导 ( b ) d = 0 5 p ，n o ( d b ) ( c ) d = o 9 图3 4 中继器处在不同位置时的中断概率性能 对于合作分集网络，本章分别针对a f 协议和d f 协议两种情况，在总功率 一定的条件下，利用大信噪比时系统误码率的下界或上界表达式对信源和中继 器的功率进行了优化分配。仿真结果表明，与信源和中继器均匀分配功率相比， 经功率优化分配后的网络，误码率和中断概率明显下降，系统性能得到提升。 浙江天学颁士学位论文 第4 章合作饮伴选择算法 目附，关于合作分集的研究主要集中在两个用户相互作为合作伙伴，中继 绩羲露爨。遣藏是浚，弼户懿台终饮嫠是霞定鹣。l a 萎e 懿l 囊等8 ”将台 蕈分集羯 于多用户网络的研究中，证明了分集增益等于网络中的用户数。不过，他们假 设每个用户的合作伙伴为其他所有用户，因而，也不存在合作伙伴选择问题。 查票麓定每令熏户哭筑选择一令含雩# 捩斧中继传臻信感，并疆只爱作为熨一个 用户的合作伙伴，那么合作伙伴的逡择将是影响网络整体性能的重要因素。 本章合作伙伴选择的目标是使艇个网络的平均中断概率最小。对于肖溅础 设藏跨绻( 螽蜂窝藏终、w l a n 等) ，珏u 珏眩簿4 湖在中心按潮器已知掰套绩道 状态信息( c s i ) 的情况下，通过贪婪算法逐个交换合作伙伴，比较整个阿络中 所有用户的平均中断概率，从而寻求最佳合作伙伴。然而，这是一种局部最优 算法，巍盈麦予褥不至l 霜户中甄概率静闽合表达式，需逶过数蓬积努秘方式隶 解，计算量较大。同时，对整个网络中所有用户的中断概率求平均电增大了计 算量。 经壤簿，可褥大僚嗓毙嚣季瑟户中断穰率豹避叛表达式。本章潋踅为依掇， 提出了种新 x 濒狂大学磺七学垃适文 ，1 目的端1 、 ? 1 。 南，：目的端1 、 j 鼍，弼一0 繁爱： 用户1 目的端3f - _ - 卜l 用户1 毯? 、| 、! 目的端3 。j 慕：乒烹瓠土x j ? 、糟户3 、嗣；净， 用户f 和用户，之间( 肖，= d 时表示用户j 和目的端之间) 的即时接收信噪 比 舴，= l 穗f p ，o ( 4 一1 ) 其中，协，i 为瑞利衰落的幅度，且e i 囊j 2 = 吒。平均接收信噪比 r ；，= p 蕊 ( 4 2 式( 4 2 ) 中，p 为用户发射功率( 假定所有用户的发射功率均相同) ，氓为目 的溃戆热性寒麓鑫爨声功率。塞于薅径撰栽静影凌，餐遴衰落系鼗瓣方差与 用户f 和用户，之间的距离砖，的次