（通信与信息系统专业论文）协作通信中继选择方案及arq联合优化研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 无线宽带技术使人们摆脱了传统的有线通信的束缚，让人类进入了移动通信 时代。面对广大的应用和研究市场，无线移动通信技术得到了快速发展，促使第 一代移动通信( 1 g ) 到第三代移动通信( 3 g ) 的演进和过渡越来越快，突显了人 们对无线宽带业务越来越高的需求，特别是下一代移动通信技术，即第四代移动 通信技术( 4 g ) ，要求通信系统实现静止时达到1 g b p s 和移动时l o o m b p s 信息传 输速率。但是，频谱资源的有限性成为了下一代无线通信技术发展的“瓶颈”。此 时，多天线技术在不增加带宽的前提下，能够提高系统的信息传输速率和频谱效 率，因此成为无线通信技术的研究热点。尽管如此，由于终端的一些实际限制， 许多终端不能安装多天线，因此，便产生了一种新兴技术：协作通信。 协作通信在多用户环境下能够使单天线终端彼此相互共享天线，形成虚拟的 多天线发射机，从而实现发射分集增益。因此，在无线蜂窝网，m - h o e 网和无线 传感器网络中，协作通信技术在近些年里得到了广泛研究。目前得到广泛认可的 协作协议主要有三种：放大向前( a f ) ，译码向前( d f ) 和码协作( c c ) 。对于中 继节点选择方案的研究一直是协作通信技术的难点和热点，考虑到了实际应用的 多用户环境和网络便产生了三种主要的方案：确定优先级列表( f p l r s ) ，机会中 继( o r s ) 和增加传输( r r i 塔) 中继选择方案。但是，对于协作通信仍然有几个 难题需要解决，比如：如何确定协作中继终端数量，采用什么的适合网络情况的 中继节点选择方案，如何通知网络中目的端中继终端采用了哪种协作协议选择， 如何实现网络内最优的功率分配，基于多方面因素的协作多用户网络联合优化问 题等等。 在系统的学习和掌握协作通信技术一些关键技术之后，本文便根据目前协作 通信发展比较热点和重要的技术进行改进和创新，在给出了系统详细的理论分析 的同时，还给出了大量的性能仿真和相应的分析。 首先，我们主要考虑了单天线终端网络结合空时分组码( s t b c ) 并根据信息 论的互信息和最大流最小割( m f m l ) 算法去分析和计算出整个协作系统的信道 容量，综合考虑信道情况得到整个协作系统的中断概率。开始我们采用f p l r s 选择 山东大学硕士学位论文 “最优 和。次最优中继终端，其中两个中继终端采用译码向前( d f ) 协议和 结合a l a m o u t i s t b c 方案。随后，信源和中继终端间的最优功率分配方案被详细 地研究。最后，协作节点间距离以及协作节点天线间的相关性对整个协作通信系 统中断概率的影响也被综合地考虑。 其次，我们应用o r s 方案于协作多天线( m i m o ) 系统。其中中继终端都安 装有多根天线。中继终端自动检测c s i 并采用m r r c 和b e a m f o r m i n g 。为了最小 化整个系统的中断概率，我们基于o r s 提出了最新的中继选择方案并进行了统计 最优功率分配方案，并给出了中断概率的闭式表达式和分集阶数。最后，针对同 一网络内，具有相同中继终端数分别带有不同数量的天线数和具有不同中继终端 数但每个终端带有相同天线数两种情况给予了详细的仿真和分析。 最后，我们重点研究如何利用a r q 技术进行协作通信系统整体优化去降低无 线分布式网络不可回避的碰撞问题。“基于自适应协作协议转换和中继选择方案的 联合优化方案 不仅比o r s 和i t r s 两个中继选择方案获得更好的中断概率，同 时，还降低了分布式协作网络的碰撞概率，并且对于不同的网络拓扑有很强的鲁 棒性。 关键词：协作通信，中断概率，中继选择，频谱效率，自动请求重传 2 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w h e l e s sw i d e b a n dt e c h n o l o g yl e tp e o p l er e m o v et h el i m i t a t i o no ft r a d i t i o n a lw i r e c o m m u n i c a t i o na n de n t e rt h em o b i l ec o m m u n i c a t i o na g e b e i n gc o n f r o n t e d 、杭mg r e a t r e s e a r c ha n da p p l i a n c em a r k e t , w i r e l e s sm o b i l ec o m m u n i c a t i o no b t a i n r a p i d d e v e l o p m e n ta n dc a u s e t h ef a s te v o l u t i o nf z o mt h ef i r s t g e n e r a t i o n m o b i l e c o m m u n i c a t i o nt ot h et h i r dg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n , w h i c hm a k et h e r e q u i r e m e n to fw i r e l e s ss e r v i c e ss t a n do u t e s p e c i a l l yt h en e x tg e n e r a t i o nm o b i l e c o m m u n i c a t i o n , a s ks t a t i o n a r yt e r m i n a lt oa c h i e v e1g b p si n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o nr a t e w h i l em o b i l et e r m i n a lt oo b t a i n10 0 m b p si n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o nr a t e b u t ，l i m i t e d s p e c t r a lr e s o u r c e sw i l lb e c o m et h ed e v e l o p m e n tb o t d e n e c ko fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n i n t h ef u t u r e f o r t u n a t e l y , m u l t i p l ea n t e n n a st e c h n o l o g ye n a b l e st or a i s et h ei n f o r m a t i o n t r a n s m i s s i o nr a t ea n ds p e c t r a l e f f i c i e n c y , s o ，i t h a sb e e nh o tp o 缸i nw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o na r e a h o w e v e r , o w i n gt ot h ep r a c t i c a ll i m i t a t i o n s ，s o m et e r m i n a l s c a n n o tb ea r r a n g e dw i t hm u l t i p l ea n t e n n a s ，t h e n , t h e r ei san e wc l a s so fm e t h o d sc a l l e d c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o nh a db e e np r o p o s e d c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o ne n a b l e ss i n g l e - a n t e n n at l ：彻访ai si nam u l t i p l eu s e r s n e t w o r k st os h a r et h e i ru n i q u ea n t e n n a 、析t he a c ho t h e ra n dg e n e r a t eav i r t u a lm u l t i p l e a n t e n n a st r a n s m i t t e rt h a tm a k et h e mo b t a i nt r a n s m i td i v e r s i t y s o ，i th a sb e e nw i d e l y i n v e s t i g a t e di nt h i sd e c a d ew i t h i nw i r e l e s sc e l l u l a rn e t w o r k , a d - h o ca n dw i r e l e s ss e n s o r n e t w o r ka n ds oo n r e c e n t l y , t h e r em a i n l ya r et h r e e c o o p e r a t i v ep r o t o c o l sb e i n g a c k n o w l e d g e d ：a f , d fa n dc c f o rc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n , w i t h o u tq l l e s t i o 坞 r e l a ys e l e c t i o ns c h e m ei st h em o s ti m p o r t a n ta n dh o tp o i n t t h r o u g hl a r g en u m b e r so f r e s e a r c ha n dp r a c t i c a lc o n s i d e r a t i o n , t h e r em a i n l ya r ea l s ot h r e er e l a ys e l e c t i o ns c h e m e s ， t h a ti s ，f p l r s ，o r sa n di t r s u n f o r t u n a t e l y , t h e r es t i l le x i s ts o m ed i f f i c u l tq u e s t i o 璐 n e e d e db eu r g e n t l yr e s o l v e d , s u c ha s ，h o wt od e c i d et h en u m b e ro fc o o p e r a t i v er e l a y s , w h i c hr e l a ys e l e c t i o ns c h e m ea n dc o o p e r a t i v ep r o t o c o lw i l lb em o p t e d , h o wt oa c h i e v e p o w e ra l l o c a t i o na n dn e t w o r kj o i n to p t i m i z a t i o n i nt h i sp a p e r , w ei m p r o v es o m em e t h o d sa n dp r o p o s es o m ei n n o v a t i v et e c h n o l o g i e s ， 3 山东大学硕士学位论文 n o to n l yd i s p l a yt h e o r e t i c a la n a l y s e si nd e t a i l ，b u ta l s ol i s tal a r g en u m b e ro f p e r f o r m a n c es i m u l a t i o n sa n dc o r r e s p o n d i n gr e s u l ta n a l y s e s f i r s t l y ，s i n g l e - a n t e n n at e r m i n a ln e t w o r kc o m b m gw i t hs p a c et i m eb l o c kc o d ew a s t a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o n a c c o r d i n gt os h a n n o nf o r m u l aa n df o r d - f u l k e r s o nt h e o r e m ( m f m d ，w ec a l c u l a t ec h a n n e lc a p a c i t ya n do b t a i nt h eo u t a g ep r o b a b i l i t yo f t h ew h o l e c o o p e r a t i v es y s t e m a l a m o u t is c h e m eb e i n gu s e db yt h e b e s t a n d s u b - b e s t r e l a y s l i s t e db y 钕e dp r i o r i t yt a b l ew a si n v e s t i g a t e d s u b s e q u e n t l y , w ea s s u m em u l t i p l er e l a y t e r m i n a l su s ed f , w h i l e ，w ea l s od e d u c ea no p t i m a lp o w e ra l l o c a t i o ns c h e m e f i n a l l y , w h e t h e rt h ed i s t a n c ea n da n t e n n a s c o r r e l a t i o nb e t w e e nc o o p e r a t i v er e l a y sc a ni n f l u e n c e t h eo u t a g ep r o b a b i l i t yo fw h o l ec o o p e r a t i v es y s t e ma l s oh a db e e ni n v e s t i g a t e d s e c o n d l y , w ea p p l yo r st oc o o p e r a t i v em i m os y s t e m , w h i c he v e r yr e l a yw a s a r r a n g e dw i t hm u l t i p l ea n t e n n a s 。r e l a y s c a l la u t o m a t i c a l l yd e t e c tt h ec s ia n du s e m r r ca n db e a m f o r m i n gt e c h n o l o g y i no r d e rt om i n i m i z i n gt h eo u t a g ep r o b a b i l i t yo f w h o l ec o o p e r a t i v es y s t e m , b a s e do no r sa n dp r a c t i c a ls i t u a t i o nw ep r o p o s e dan e w r e l a ys e l e c t i o ns c h e m ea n dp r o v i d e da s t a t i s t i c a lo p t i m a lp o w e ra l l o c a t i o ns c h e m e c l o s e f o r me x p r e s s i o no fo u m g ep r o b a b i l i t ya n dd i v e r s i t yo r d e rw e r ea l s od i s p l a y e d i n t h ei n t e r e s t so ff a i r n e s s ，t h e r ea l et w os i t u a t i o nu s e dt os i m u l a t i o n , t h a ti s ，s a m en u m b e r r e l a yt e r m i n a l sw i t hd i f f e r e n tn u m b e ra n t e n n a sa n dd i f f e r e n tn u m b e rr e l a yt e r m i n a l s 、) i ，i t l ls a m en u m b e ra n t e n n a s l a s t l y , w ef o c u so u rr e s e a r c hp o i n to nh o wt ou s e 6 瓜qt e c h n o l o g yt oj o i n t l y o p t i m i z et h ew h o l ec o o p e r a t i v es y s t e ms oa st od e c r e a s et h ec o l l i s i o np r o b a b i l i t yw h i c h i sn o tb ea v o i d e di nd i s t r i b u t e dw i r e l e s sn e t w o r k t h en e ws c h e m e aj o h a t o p t i m i z a t i o ns c h e m eb a s e dr e l a ys e l e c t i o na n da d a p t i v ec o o p e r a t i v ep r o t o c o ls w i t c h w a sn o to n l yo b t a i nb e t t e ro u t a g ep r o b a b i l i t yt h a no r sa n di t r sa n dd e c r e a s et h e c o l l i s i o np r o b a b i l i t yc o m p a r i n gt oo r s ，b u ta l s oo w nt h ep o w e r f u lm b u s m e s st o d i f f e r e n tn e t w o r kt o p o l o g i e s k e yw o r d s ：c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n , o u t a g ep r o b a b i l i t y , r e l a ys e l e c t i o n , s p e c t r a le f f i c i e n c y , a u t o m a t i cr e p e a t - r e q u e s t 4 山东大学硕士学位论文 英文缩略语 l g 2 g 3 g 3 g p p 4 g 1 或g e n e r a t i o ni nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m 2 n dg e n e r a t i o ni nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m 3 r dg e n e r a t i o ni nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m 3 珂g e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t 4 血g e n e r a t i o ni nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s i 玎 心 d f c c l o s n l o s b e r s e r f e r c t s r t s a c k n a c k f p l i s o r s i t r s a r q a m p l i f ya n d f o r w a r d d e c o d ea n df o r w a r d c o d ec o o p e r a t i o n l i n eo fs i g h t n o nl i n eo fs i g h t b i te r r o rr a t e s y m b o le r r o rr a t e f r a m ee r r o rr a t e c l e a rt os e n d r e q u e s tt os e n d a c k n o w l e d g e n o n - a c k n o w l e d g e f i x e dp r i o r i t yl i s tr e l a ys e l e c t i o n o p p o r t u n i s t i cr e l a ys e l e c t i o n i n c r e m e n t a lt r a n s m i s s i o nr e l a ys e l e c t i o n a u t o m a t i cr e p e a t - r e q u e s t 第一代移动通信技术 第二代移动通信技术 第三代移动通信技术 第三代合作伙伴计划 第四代移动通信技术 直接传输 信源重传 放大向前重传 译码向前重传 码协作 视线 无视线 误比特率i 误符号率 误帧率 清除发送 请求发送 确认 非确认 确定优先列表中继选择 机会中继选择 增加发送中继选择 自动请求重传 山东大学硕士学位论文 6 h a r q t d m a f d m a c d m a o f d m s t b c a s b f s n r s n r q o s a m c a r m m a c p h y f e c c r c 匝m c m l c o m p m 限r c r s m s b s h y b r i d a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t混合自动请求重传 t a n ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 时分多址 频分多址 码分多址 o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g 正交频分复用 a n t e n n as e l e c t i o n b e a m f o r m i n g 空时分组码 天线选择 波束成形 s i g n a lt oi n t e r f e r e n c ep l u sn o i s er a t i o 信号与干扰加噪声比 s i g n a lt on o i s er a t i o q u a l i t yo f s e r v i c e 信噪比 服务质量 a d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n g 自适应调制编码 异步传输模式 媒体接入控制 物理层 前向纠错 c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k 循环冗余检验 m a x f l o wm i n - c u t最大流最小割 m a x i m u ml i k e l i h o o d最大似然 多点协作通信 m a x i m a lr e c e i v e dr a t i oc o m b i n i n g最大接收比合并 r e l a ys t a t i o n m o b i l es t a t i o n b a s es t a t i o n 中继站 移动台 基站 山东大学硕士学位论文 飘l a n w s n w c n r c p c f e c d l l s s 7 w t r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k无线局域网 l e s sc e l l u l a rn e t w o r k 无线传感器网络 无线蜂窝网 r a t ec o m p a t i b l ep u n c t u r ec o n v o l u t i o nc o d e速率兼容打点卷积码 f o r w a r de r r o rc o d e前向纠错码 d a t al i n kl a y e r数据链路层 s i g n a l i n gs y s t e m77 号信令 w i m a xw o r l dh t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s 全球微波接入互操作性 w c d m a g s m e d g e u 匝 w i d e b a n dc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s宽带码分多址 g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n e n h a n c e dd a t ar a t ef o rg s me v o l u t i o n l o n gt e r me v o l u t i o n u m t su n i v e r s a lm 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 i e e e i n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c se n g i n e e r s b p s k 1 6 - q a m m c s i m i m o 全球移动通信系统 增强型数据速率g s m 长期演进 开放系统互连 通用移动通信系统 电气和电子工程师协会 b i n a r yp h a s es h i f tk c y i n g二进制相移键控 1 6 进制正交幅度调制 信道状态信息 m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t多输入多输出 7 山东大学硕士学位论文 1 1 论文的选题背景 第一章绪论 由于无线通信与生俱来的局限性，频谱资源，已不能满足人们的需求成为了 无线通信技术发展的“瓶颈 。因此，如何充分利用现有频谱资源和提高系统频 谱利用率成为了当前通信技术的研究热点。 在1 9 0 8 年m a r c o n i 提出了多天线( m i m o ) 技术，在基站和终端使用多根 天线来抑制信道衰落，由于其能在不增加系统带宽的前提下，利用发射接收天线 的天线分集增益以及结合先进的空时处理技术，提高系统的传输速率和频谱利用 率，一时间成为了4 g 的准核心技术备受业界的关注。m i m o 技术主要是改善了 通信技术中的两个最主要方面，即：系统的有效性和可靠性。有效性：m i m o 技 术充分利用空间复用增益去提高信道容量，提升系统的传输速率；可靠性：m i m o 技术通过发射接收天线间的空间分集增益去提高信道的可靠性，降低系统的误码 率和中断概率，增加整个系统的鲁棒性。目前，利用m i m o 技术的标准有：3 g p p 组织提出的用于3 gu m t s 标准备选方案中3 g p pw c d m a 和g s m e d g e 、应 用于w l a n 的i e e e 8 0 2 1 1 和h i p e r l a n 2 、w i m a x 技术中的i e e e 8 0 2 1 6 以 及m i m o 结合o f d m 技术作为4 g 准技术标准。同时，基于多天线技术的研究 也产生了很多更先进的传输信号的方法，比如空时码( a l a m o u t is t b cs i g n a l t 5 ) 、 智能天线、波束成形等等，都对系统性能提高和稳定性增强起到了明显的改善。 尽管如此，由于移动终端的各种限制( 终端的大小，成本，功率，硬件限制等等) ， 无线移动终端不能够安装多根天线，因此，在2 0 0 2 年a s e n d o n a r i s 提出了一种 方法叫做协作通信【1 1 1 2 1 ，它允许，在多用户环境下使单天线终端彼此共享天线， 形成虚拟的多天线发送终端并达到传输分集。 目前得到广泛认可的协作协议 3 1 主要有三种：放大向前( a f ) ，译码向前( d f ) 和码协作( c c ) 。a f 协议主要是考虑，如果中继终端不能正确译码，那么，就 利用中继终端接收到的掺杂噪声的模拟信号进行功率放大，然后重新发送给目的 端；d f 协议仅适用于必须正确译码的中继终端，然后转发相同的码字给目的端； c c 协议充分利用目前信道编码卷积码的特性和r c p c 编码技术，信源把信息通 8 山东大学硕士学位论文 过编码分成两个部分，然后发送一部分码字，中继终端根据接收的信号来译码出 另一部分码字，最后转发给目的端。 对于中继节点选择方案的研究一直是协作通信技术的难点和热点。起初只针 对3 节点的无线通信系统进行研究，直接忽略了中继选择方案这个难题。后来， 考虑到了实际应用的多用户环境和网络，便有了三种主要的方案：确定优先级列 表( f p l r s ) ，机会中继( o r s ) 和增加传输( i t r s ) 中继选择方案。f p l r s 4 1 主要研究了一个固定数量用户的网络，在通信之前，我们总是先测量各个终端之 间的瞬时信道信息，并根据优劣进行排名，罗列在一张表内，然后，信源根据信 道信息一次选择“不繁忙”的最优中继进行协作；o r s 6 - 9 主要考虑了分布式无 线网络( 各个终端之间没有有线线路或者无线信令信道进行连接) ，每个终端都 安装一个定时器，然后根据信道检测得到的信道衰落系数进行计算得到一个时间 值，信道衰落系数越大定时器的值越小，即最先结束定时，然后告知其他终端该 终端和目的端的信道是最好的，其他终端都回避；i t r s 1 0 l 主要在o r s 技术的基 础上增加了a r q 有限反馈技术，去除了每个终端的定时器降低系统成本，而让 目的端根据目的端和各个网络终端测量的信道衰落系统进行选择最优中继终端 并反馈信息要求协作重传信息。 下面我们将按照协作通信技术发展的历程进行一下总结。在2 0 0 3 年，文献 5 7 5 75 7 首次提出了协作通信技术，文献【1 5 】【1 6 】描述协作分集和s t b c 性能研究； 在2 0 0 4 年，a f 、d f 和c c 【3 】【3 6 】协作协议下协作系统性能被详细分析，其中， 基于距离( g p s ) 和f p l r s l 4 1 开启了协作通信中继选择方案研究的序幕；在2 0 0 5 和 2 0 0 6 年，调制解调、差分调制和自适应调制结合协作通信瞰】【3 5 】【3 7 】【3 町也是研究的 主要方向。另外，协作通信结合跨层技术也被讨论 4 0 1 。同时，中继选择方案有 了新的突破，针对于分布式网络特性，o r s 被提出和性能分析1 6 】【1 0 1 。在2 0 0 7 年， 协作m i m o 中继 3 9 1 - 4 2 4 8 1 成为了研究热点：2 0 0 8 年，针对中继终端耗费功率传 输信息这个问题，网络寿命【3 0 1 也是一大性能指标；另外，由于协作网络的应用 场景的不同，信道的特性也就不同，为了更好的描述协作系统，n a k a g a m i m 信 道结合协作通信成为了2 0 0 9 年的研究热点【4 3 1 - 1 4 5 1 ；2 0 1 0 年的a r q 有限反馈【1 0 】 和协作系统联合优化方案【3 3 1 1 5 2 1 ，但是，总的看来，协作通信的研究开始面向了 实用化的研究。 9 山东大学硕士学位论文 1 2 论文的主要工作 本文研究了协作通信系统在中继选择方案和联合多种技术下系统性能的理 论分析和实际仿真。 首先，假设在单天线终端网络里，信源和目的端不能直接连接。当信源发送 信息后，协作网络根据确定优先级列表去选择“最优”和“次最优”中继终端， 然后让多个中继终端采用s t b c ( 包括a h m o u t i 方案) ，目的端采用m r r c 和 m l 检测去译码接收到的信号。同时，根据信息论的互信息和最大流最小割 ( m f m c ) 算法去分析和计算出整个协作系统的信道容量，综合考虑信道情况得 到整个协作系统的中断概率。此外，我们还进一步讨论了协作节点选择方案、协 作节点间距离以及协作节点天线间的相关性对整个协作通信系统中断概率的影 响。通过理论分析和系统仿真充分探讨了在实际环境当中采用协作通信系统所要 面临的挑战，以及协作通信系统的优化设计。 其次，假设中继终端都安装有多根天线，比如，无线蜂窝网中的基站，我们 应用o r s 于协作多天线中继( m i m or e l a y ) 系统，。由于中继终端安装了多根 天线且具有自动检测信道状态信息的功能( 通过训练序列或者反馈信道等等技 术) ，在第一协作时隙，中继采用多根天线的最大比接收合并( r c ) ；在第二 时隙，中继采用波束成形( b e a m f o n n i n g ) 的技术去发送信号。其中，为了最小 化整个系统的中断概率，我们基于o r s 提出了适合m i m or e l a y 信道下的中继 选择方案并给出了统计最优功率分配方案、中断概率的闭式表达式和分集阶数。 然后，针对同一网络内，具有相同中继终端数分别带有不同数量的天线数和具有 不同中继终端数但每个终端带有相同天线数两种情况给予了详细的仿真和分析。 最后，虽然协作通信的机会中继选择方案提高了频谱效率，但是，却引入了 无线分布式网络不可回避的碰撞问题。因此，我们将重点研究如何利用自动请求 重传a r q ( a u t o m a t i er e p e a t - r e q u e s t ) 技术进行协作通信系统整体优化。基于自适 应协作协议转换和中继选择方案的联合优化方案不仅比o r s 和i t r s 两个中继 选择方案获得更好的中断概率，同时，还解决了o r s 引入的无线分布式网络的 碰撞问题，并且对于不同的网络拓扑有很强的鲁棒性。 1 0 山东大学硕士学位论文 1 3 论文的内容安排 上面简要介绍了论文的研究背景，研究进展和个人所做的主要工作，下面就 展示了本论文各个章节的安排i 第一章绪论介绍了论文课题的国际形势和研究背景，讨论了本论文的主要 工作以及介绍了全文的结构安排；第二章简单的介绍协作通信的协作协议和中 继选择方案。 第三章研究了一个改进的协作网络，结合a l a m o u t is t b c 码对整个系统的 中断概率进行估计。同时，考虑到实际应用的诸多条件限制，充分研究了协作中 继选择方案、中继终端间的距离和终端间信道相关性对整个协作系统的性能影 响。 第四章本章首次引入了多天线m i m o 终端，基于o r s 方案结合多天线技 术，在修改相应的中继终端选择准则的同时，还计算出了统计最优功率分配方案。 无论理论分析还是实际仿真都充分证明了新方案的优势和正确性。 第五章以前大多数人要么一直研究固定的协作协议，要么研究固定的中继 终端选择方案或者功率分配，因此，我们便想综合地讨论各种协作技术的联合优 化方案。结果，基于自适应协作协议转换和中继选择的联合优化协作系统方案， 不仅获得了更高的中断概率性能，提高了频谱效率和功率增益，而且还降低了分 布式网络引入中继终端间的碰撞概率，并对系统的复杂度要求更低。 第六章总结与展望，对本论文进行了总结，并对未来的研究工作进行了展 望。 山东大学硕士学位论文 第二章协作通信中的协作协议与中继选择方案 下一代无线通信不同于以前的技术，它要应对多速率多媒体、高数据传输速 率和更好的q o s 的性能限制。但是，在事实上，在每一次建立通信链路时，终 端间的信道经常遭受着恶劣的信道衰落。因此，下一代通信技术需要引入分集传 输的概念，比如说：时间、空间、频率等。a n d r e ws e n d o n a i i s 【1 】【2 】便在2 0 0 2 年提 出了一种新型的空间分集技术，即：协作通信。随后，经过近1 0 年的研究演进 了很多新颖的分支细节技术。本章将主要介绍一些基础的和我们用到的技术知识 以供后续部分的讨论。 2 1 协作协议 协作协议也是协作方案，就是如何让中继终端协作转发信源发送信息和中继 终端采用什么方式去转发信源信息。在本文中，我们主要讨论3 种主要的协作协 议，即：放大向前协议( a f ) 、译码向前重传( d f ) 和码协作协议( c c ) 。 2 1 1 放大向前协议( a f ) 信 图2 - 1 放大向前协议原理框图 a f 中，如图2 1 ，协作中继终端仅对接收到的遭受噪声污染的模拟信号进 行放大重传给目的端。 假设，信源发送信号为而，信源和中继发射功率为和。同时，令第一 1 2 山东大学硕士学位论文 时隙，中继和目的端接收到的模拟信号为y ，y d 1 ，第二时隙，目的端接收转发信 号为y d 2 ，表达式为： y ，= 玩，屉。+ ” y 砧= 玩，d 屈l + 啊； 那么，中继转发的信号吃经放大为： x 22 y d ，2 = 绋一j r 2 + 甩2 = 绋，dl + 以2 最后，目的端在通过结两个时隙( l o s ) 或者第二时隙( n l o s ) 分析和译码。 2 1 2 译码向前重传( 昨) 信 图2 2 译码向前协议原理框图 d f 中协作中继终端近似于传统意义上的纯中继终端。在d f 协议下，如图 2 2 所示，第一时隙时，信源广播经过编码和调制以后的数字信号给信宿和中继， 不繁忙的中继终端就监听信号，把经历了信道衰落和噪声污染的信号进行采样、 解调和译码后，根据循环冗余检验( c r c 1 6 或者c r c 3 2 ) 来判断是否正确译 码，如果正确译码，那么在第二时隙，中继终端将按照相同的码书和调制方式重 传转发信号给信宿；如果译码不正确，那么，该中继终端将退出协作系统，否者， 1 3 山东大学硕士学位论文 将会造成错误传播。 那么，我们就用数学方式来表示一下协作系统的流程。假设，信源发送信号 x t ，由于采用d f 协议，所以，我们可以得到中继终端通过译码一定能译码得 出信号为而。同时，令第一时隙，中继和目的端接收到的模拟信号为y ，y d 1 ，第 二时隙，目的端接收转发信号为y 啦，表达式为： ”= h a 。，而+ 甩，； y d 。l = 吃，d x l + 刀l ； y d 。2 = 一。d x l + n 2 目的端结合两个时隙( 信源和目的端之间有l o s ) 或者只接收到中继转发 信号( 信源和目的端之间n l o s ) 来译码信息。 2 1 3 码协作协议( c c ) 信 图2 - 3 编码协作协议原理框图 码协作 2 6 1 1 2 - q 码主要结合了信道编码技术，比如：卷积码、t u r b o 码、l d p c 码等等，如图2 3 所示。但是，为了保持频谱效率，码协作引申出来了一个新的 技术：速率兼容打点卷积码( r c p c ) 凶，其原理如图2 _ 4 。 假设信源把信息分割成帧，然后每帧都经过码率为l 2 卷积码和c r c 编码。 1 4 山东大学硕士学位论文 信息比特 帚一鄙万俏子 r- c l 配r c p c 铤一瓤锌弛宰 7 1 7 一h p j 了丁 图2 4r c p c 编码原理和流程图 为了达到和d f 、a f 相同的信息传输速率，我们要用l 2 的r c p c 技术来获得一 半码字用于传输。中继终端根据接收到的信号，通过采样、解调、译码、反r c p c 技术、c r c 来验证中继终端是否正确译码。如果正确，中继终端将传输r c p c 后的另一半码字；如果译码不正确，那么，信源继续发送另一半码字进行传输。 可见，码协作不仅引入了信道编码技术，而且还引入了码分集。 2 2 中继选择方案 自从协作通信技术提出以来，许多学者都一直认为中继终端的选择是协作通 信技术的核心技术，它不仅要选择“优良 的中继终端，而且还要考虑到网络的 平衡性，以及电信收费业务等等一系列问题。目前，中继选择方案的确定必须考 虑两个问题：怎样去分配终端区协作别的终端以及对整个协作系统的性能的影 响；协作节点的数目对协作增益带来的提高的幅度是怎样的? 不过，本文仅考虑 中继终端的选择对整个协作系统性能的影响。 近年来出现了很多关于中继终端选择方案，主要有基于距离( 考虑路径损 失) 、有确定协作中继的网络方案( 固定3 点协作系统) 、有确定优先级列表中继 选择方案( f p l r