（通信与信息系统专业论文）基于有限信道信息的分布式中继选择算法研究.pdf

u n i v e r s i t yo fs c i e a n dt e c h n o l o g yo fchinan v e r s i t yo t c i e n c ea n de c h n o l o q y adi s s e r t a t i o nf o rm a s t e r sd e g r e e r e s e a r c ho nd i s t r i b u t e dr e l a y s e l e c t i o nw i t hl i m i t e dc h a n n e l s t a t ein f o r m a t i o n a u t h o r sn a m e ：h a i f a n g j i a n g s p e c i a l i t y ：c o m m u n i c a t i o n sa n di n f o r m a t i o ns y s t e m s u p e r v i s o r ：p r o f w u y a n gz h o u 1 一 f i n i s h e dt i m e ： m a 2 012 中国科学技术大学学位论文原创。 生声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写 过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 作者签名：签字日期：兰竺生丝墨望 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥 有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入中国学 位论文全文数据库等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 口公开口保密( 年) 作者签名：整盟菱 签字日期：型堡生；一堡俎 导师娩( 虱避 签字日期：塑! 皇：笸! 摘要 高频谱效率、高可靠性以及低功耗是无线通信发展的趋势。协作通信技术利 用地理位置上分散的中继节点构成的虚拟天线阵列来实现空间分集，不仅克服了 终端由于尺寸的限制而无法安装多根天线的困难，同时能够有效地抵抗无线信道 衰落的影响，是提高无线通信系统稳定性的一种有效方法。在协作网络中，中继 节点选择是协作通信领域中一个研究热点。 本文针对无线协作系统中的节点选择问题在现有研究中的不足之处，基于有 限的信道状态信息，围绕着系统能量效率、中断性能以及反馈开销等方面，开展 了中继节点选择算法的研究。 在能量受限网络中，节点的能量消耗对于网络生命期具有至关重要的影响。 本文提出了放大转发协作系统中能量有效的分布式中继选择算法，利用统计信道 信息以避免瞬时信道信息带来的反馈开销，在保证系统目标中断概率的前提下， 使得系统有较高的能量效率。采用阈值汇报机制，通过对系统的能量消耗和中断 概率进行折中，以最小化源节点和中继节点的平均消耗总功率为目标确定中继汇 报阈值，各中继节点仅根据与自己相关的链路信息独立地决定是否向源节点汇 报。这是一种分布式的实现方式，无需中继节点间的信息交互，由源节点从汇报 中继集合中按照一定准则选择一个合适的中继节点进行数据转发。理论和实验证 明了提出的算法能有效地提高系统的能量效率。 瞬时信道信息的实时反馈开销会占用较多系统资源，导致系统性能下降，基 于此，本文研究了基于有限信道信息的全反馈式中继选择算法，并分析了算法 的中断性能。我们提出了两种节点选择策略：在最大化统计平均信噪比的算法 中，选择第一跳链路的瞬时信噪比与第二跳链路的平均信噪比乘积最大的中继 节点；而在最小化后验中断概率的算法中，直接从系统中断概率的角度考虑， 选择具有最小后验中断概率的中继节点。分别考虑已知中继节点到目的节点链 路的统计信道信息和量化信道信息两种情况，应用以上两种节点选择策略，得 到具体的中继选择算法，理论分析了各算法的中断概率。仿真结果指出利用越 多的信道信息，算法获得的中断性能越好，基于后验中断概率的算法比基于统 计平均信噪比的算法能够给系统带来更大的性能提升。 为了有效地降低系统中的反馈开销，在基于后验中断概率算法的基础上，研 究了结合部分反馈机制的分布式中继选择算法，作为一种反馈开销与系统性能之 间折中的有效方案。中继节点处设置一个反馈阈值，在已知到目的节点链路的统 计信道信息或量化信道信息的情况下，满足反馈条件的中继节点分别反馈信道 捅要 均值或量化区间索引。进一步推导了算法的近似中断概率表达式，仿真结果表 明，在高信噪比下，部分反馈算法的性能接近于全反馈式算法的性能。另外，基 于量化信道信息的算法比基于统计信道信息的算法获得更低的系统中断概率，而 只需要每个汇报中继节点增加额外的n b i t 量化信息开销。 关键词：无线协作通信中继选择能量效率中断概率有限信道信息部分反馈 i i a b s t r a c t h i 曲s p e c t r a le f f i c i e n c y , h i g hr e l i a b i l i t ya n dl o wp o w e rc o n s u m p t i o n a r et h e d e v e l o p m e n tt r e n do ft h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n s t e c h n o l o g yc a l la c h i e v es p a t i a ld i v e r s i t yg a i nb yu t i l i z i n gg e o g r a p h i c a ld i s p e r s e d s i n g l e - a n t e n n an o d e st h a tf o r mav i r t u a lm u l t i a n t e n n aa r r a y , w h i c h i sa ne f f e c t i v ew a y t oi m p r o v et h es t a b i l i z a t i o no faw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m i ts o l v e st h e d i f f i c u l tp r o b l e mo fs e t t i n gm u l t i p l ea n t e n n a so no n en o d ea n dr e s i s tt h ei m p a c to ft h e d e e p f a d i n gc h a n n e le f f e c t i v e l y i nt h ec o o p e r a t i v en e t w o r k ，r e l a ys e l e c t i o ni s a r e s e a r c hf o c u si nt h ew i r e l e s sc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o nf i e l d b a s e do r lt h ed i s a d v a n t a g e so ft h er e l a ys e l e c t i o ni nt h ec u r r e n tr e s e a r c h ，t h i s p a p e rs t u d i e s u s e f u l a l g o r i t h m so nr e l a y s e l e c t i o n 、) l ，i ml i m i t e dc h a n n e ls t a t e i n f o r m a t i o n ( c s i ) ，a c c o r d i n gt o t h ee n e r g ye f f i c i e n c y , o u t a g ep e r f o r m a n c ea n d f e e d b a c ko v e r h e a d ，e t c i ti sw e l lk n o w nt h a te n e r g yc o n s u m p t i o no fn o d e si si m p o r t a n tf o rt h en e t w o r k l i f e t i m ei nt h ee n e r g y - c o n s t r a i n e dw i r e l e s sn e t w o r k s t h ee n e r g y - e f f i c i e n td i s t r i b u t e d a l g o r i t h mo nr e l a ys e l e c t i o ni sp r o p o s e df o rt h ea m p l i f y a n d - f o r w a r d ( a f ) c o o p e r a t i v e s y s t e mw i t hs t a t i s t i c a lc s i t h ea i mi st om a x i m i z ee n e r g ye f f i c i e n c yo ft h es y s t e mo n t h ep r e m i s eo ft a r g e to u t a g ep r o b a b i l i t y t h et h r e s h o l d - b a s e dr e p o r tm e c h a n i s mi s a d o p t e da n dat r a d e o f fi sm a d eb e t w e e nt h ee n e r g yc o n s u m p t i o na n dt h et a r g e to u t a g e p r o b a b i l i t y t h er e p o r t i n gt h r e s h o l di so b t a i n e db ym i n i m i z i n gt h ea v e r a g et o t a lp o w e i o ft h es o u r c ea n dt h er e l a y s e a c hr e l a yi n d i v i d u a l l yd e c i d e sw h e t h e rt or e p o r tt ot h e s o u r c ew i t ht h ec s ir e l a t e dt oh i so w n t h i si sad i s t r i b u t e dr e a l i z i n gw a ya n dt h e r ei s n oi n f o r m a t i o ne x c h a n g eb e t w e e nt h er e l a y s t h e $ o u c es e l e c t so n e r d a yn o d ef r o m t h es e to ft h er e p o r tr e l a y st of o r w a r dt h ed a t aa c c o r d i n gt oas e l e c t i o nc r i t e r i o n s i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ep r o p o s e da l g o r i t h mh a sg o o dp e r f o r m a n c ei n e n e r g ye f f i c i e n c yo ft h es y s t e m t h er e a l t i m ef e e d b a c ko fi n s t a n t a n e o u s c a u s ep e r f o r m a n c ed e g r a d a t i o no ft h es y s t e m c s iu s e sm o r er e s o u r c e s ，w h i c hm a y b a s e do nt h i s ，w es t u d yt h ea l g o r i t h m s o nr c l a ys e l e c t i o nw i t hc o m p l e t ef e e d b a c ka n da n a l y z et h eo u t a g ep r o b a b i l i t y t w o s c h e m e so fr e l a ys d e c t i o na r ep r e s e n t e d o n ei st h es t a t i s t i c a la v e r a g es n r ( s a s ) b a s e ds c h e m ew h i c hs e l e c t st h er e l a yn o d ew i t ht h el a r g e s tm u l t i p l i c a t i o no ft h e i n s t a n t a n e o u ss n ro ft h ef i r s th o pa n dt h ea v e r a g es n ro ft h es e c o n dh o p t h eo t h e r i i i a 廿6 1 k a 0 1 i st h ep o s t e r i o f io u t a g ep r o b a b i l i t y ( p o p ) - b a s e ds c h e m et h a tt h er e l a yw i t ht h e l o w e s t p o s t e r i o r io u t a g ep r o b a b i l i t yi ss e l e c t e d c o n s i d e r i n gt w oc o n d i t i o n sr e s p e c t i v e l y , t h e s t a t i s t i c a lc s ia n dq u a n t i z e dc s io fr e l a y - d e s t i n a t i o nl i n k s ，w ep r e s e n t c o n c r e t e a l g o r i t h m sa n dd e r i v et h ee x p r e s s i o n so ft h es y s t e mo u t a g ep r o b a b i l i t yf o re a c h a l g o r i t h m t h ec o m p u t e rs i m u l a t i o n sa r ep e r f o r m e dt ov e r i f yt h et h e o r e t i c a la n a l y s i s i t s h o w st h a tt h em o r ec s ii su s e d ，t h eb e t t e ro u t a g ep e r f o r m a n c ei so b t a i n e d b e s i d e s ， t h ep e r f o r m a n c eo fp o p - b a s e da l g o r i t h mi sb e t t e rt h a nt h a to fs a s - b a s e da l g o r i t h m i no r d e rt or e d u c et h ef e e d b a c ko v e r h e a d ，w ep r o p o s ed i s t r i b u t e da l g o r i t h m so n r e l a ys e l e c t i o nw i t l lp a r t i a lf e e d b a c ko nt h eb a s i so ft h ep o p - b a s e da l g o r i t h m s i ti sa n e f f i c i e n ts c h e m ef o rt h et r a d e o f fb e t w e e nt h ef e e d b a c ko v e r h e a da n dt h es y s t e m p e r f o r m a n c e w es e t af e e d b a c kt h r e s h o l da tr e l a yn o d e s l i m i t e dc s io ft h e r e l a y - d e s t i n a t i o nl i n k sa r ek n o w na tt h es o u r c e i far e l a yn o d es a t i s f i e st h ef e e d b a c k c o n d i t i o n ，i tw i l lf e e db a c kt h em e a no ft h ec h a n n e lo rt h ei n d e xo ft h eq u a n t i z e d i n t e r v a lt ot h es o u r c eu n d e rt w oc a s e s ，t h es t a t i s t i cc s ia n dt h eq u a n t i z e dc s io ft h e r e l a y - d e s t i n a t i o nl i n k s ，r e s p e c t i v e l y t h e nt h ea p p r o x i m a t ee x p r e s s i o n sf o rt h es y s t e m o u t a g ep r o b a b i l i t ya r ep r e s e n t e d n u m e r i c a lr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ep e r f o r m a n c eo f t h e a l g o r i t h mw i t hp a r t i a lf e e d b a c ki s c l o s et ot h a tw i t hc o m p l e t ef e e d b a c ku n d e r h i g l l s n r r a n g e 。b e s i d e s ，l o w e ro u t a g ep r o b a b i l i t yi so b t a i n e df o rt h eq u a n t i z e dc s ic a s e c o m p a r e dt ot h es t a t i s t i cc s ic a s e ，w h e r eo n l ya d d i t i o n a ln b i t sf e e d b a c kf o re a c h r e l a y - d e s t i n a t i o nl i n ki sr e q u i r e d k e yw o r d s ：w i r e l e s sc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n ，r e l a ys e l e c t i o n ，e n e r g ye f f i c i e n c y , o u t a g ep r o b a b i l i t y , l i m i t e dc s i ，p a r t i a lf e e d b a c k i v 目录 摘要l a b s t r a c t i i i 目录v 图表目录v i i 缩略词表i x 第1 章绪论l 1 1 研究背景与研究意义l 1 1 1协作通信技术的提出和发展1 1 1 2 协作网络中的中继节点选择3 1 2 研究内容与主要贡献4 第2 章协作通信协议与中继节点选择7 2 1 引言7 2 2 协作通信中的转发协议8 2 2 1 固定中继协议8 2 2 2 自适应中继协议1 0 2 2 3 转发协议性能仿真11 2 。3 基于信道信息的中继节点选择1 2 2 3 1 全转发协作策略- 13 2 3 2 p c i 中继选择算法1 5 2 3 3 f c i 中继选择算法1 6 2 3 4 算法性能仿真1 6 2 4 小结1 7 第3 章基于统计信道信息的能量有效分布式中继选择1 9 3 1 引言1 9 3 2 中继系统模型2 0 3 3 能量有效的分布式中继选择算法一2 2 3 3 1 机会中继选择算法及最优功率分配。2 2 3 3 2分布式中继选择算法描述2 3 3 3 3 中继汇报阂值2 5 v 目习 3 4 仿真结果及分析2 8 3 5 小结31 第4 章基于有限信道信息的全反馈式中继选择算法3 3 4 1 引言3 3 4 2 系统模型及算法描述3 4 4 3 基于统计信道信息的全反馈式中继选择算法3 6 4 3 1 s a s s 算法3 6 4 3 2 p o p s 算法3 7 4 。3 。3 仿真验证一3 9 4 4 基于量化信道信息的全反馈式中继选择算法4 0 4 4 1 s a s q 算法4 0 4 4 2 p o p q 算法一4 2 4 4 3 仿真验证4 5 4 5 仿真结果及分析4 6 4 6 小结5 3 第5 章基于部分反馈机制的分布式中继选择算法5 5 5 1 引言5 5 5 2 部分反馈机制系统模型5 5 5 3 基于部分反馈机制的分布式中继选择算法5 7 5 3 1p f b s 算法5 7 5 3 2 p w q 算法。5 9 5 3 3 仿真验证一6 1 5 4 仿真结果及分析6 2 5 5 小结6 6 第6 章总结与展望6 7 6 1 研究工作总结6 7 6 2 研究内容展望6 9 参考文献7 l 攻读硕士学位期间的研究成果。7 5 致谢, 7 7 v i 图表目录 图表目录 图1 1 中继网络应用场景“2 图i - 2 本文的结构安排图：4 图2 。1 单中继协作通信模型一8 图2 - 2 各转发协议的系统中断概率1 2 图2 3 多中继协作通信模型1 2 图2 - 4 各中继选择算法的系统中断概率1 7 图3 i 中继系统模型2 0 图3 - 2 分布式中继选择算法描述2 3 图3 3 中继汇报阈值的确定流程伪代码2 8 图3 4 系统平均消耗总功率与目标中断概率的关系2 9 图3 5 中继汇报阈值与目标中断概率的关系3 0 图3 6 系统平均消耗总功率与中继数目的关系3 1 图4 1s a s s 算法与p o p s 算法理论分析仿真验证3 9 图4 - 2s a s q 算法和p o p q 算法理论分析仿真验证4 5 图4 - 3 中继选择算法的系统中断概率比较4 7 图4 4 所提算法与改进算法的系统中断概率比较4 8 图4 。5s a s s 算法和s a s q 算法中断次数统计4 9 图4 - 6 完全相同信道下不同中继选择算法的系统中断概率比较5 0 图4 7 中继节点数目对中继选择算法中断性能的影响5 1 图4 8 随机场景下不同中继选择算法的系统中断概率比较5 2 图5 1 部分反馈中继汇报机制5 6 图5 - 2p f b s 算法和p f b q 算法的理论分析仿真验证( n = 2 ，p = o 5 ) 6 1 图5 3 部分反馈算法与全反馈算法的系统中断概率( n = 2 ，p = 0 2 ) 6 2 图5 4p f b s 算法和p f b q 算法中断次数统计6 3 图5 - 5 部分反馈算法关于不同中断概率阈值的仿真图6 4 图5 - 6p f b q 算法关于不同量化比特数的仿真图6 5 图5 7 随机场景下各种算法的系统中断概率6 6 图6 1t w o w a y 中继工作模式7 0 v i i 图表目录 i i 图6 - 2 全速率协作通信模型7 0 表4 - 1 选择中继不在备选中继集合次数占中断次数比例4 9 表4 - 2 仿真场景参数5 2 表5 - 1p f b s 算法和p f b q 算法的反馈中继个数6 2 v i i i 缩略词表 3 g p p 娅 a p f 心蟠 k 漱g 啜 c q i c s i d f d s t c e p r f c i f d m f d m a i r f m i m o m r c o h c o r s p c i p f b p o p q b r r r s s a s s d f s n r t b r t d m a t h c 缩略词表 第3 代移动通信合作伙伴计划t h e3 r dg 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 放大转发a m p l i f y - a n d f o r w a r d 全转发 甜lp a r t i c i p a t ef o r w a r d i n g 放大全转发 趟lp a r t i c i p a t ea m p l i f y - f o r w a r d i n g 加性高斯白噪声 a d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s e 信道质量信息 c h a n n e lq u a l i t yi n f o r m a t i o n 信道状态信息 c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n 解码转发d e c o d e d a n d f o r w a r d 分布式空时编码d i s t r i b u t e ds p a t i a lt i m e c o d e 等概率随机选择 e q u a lp r o b a b i l i t yr a n d o m 全部信道信息 f u l lc h a n n e li n f o r m a t i o n 频分复用 f r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g 频分多址 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 增量中继转发i n c r e m e n t a lr e l a y i n gf o r w a r d 多入多出 m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t 最大比合并m a x i m a lr a t i oc o m b i n i n g 一跳信道信息 o n eh o pc s i 机会中继选择 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 部分信道信息p a r t i a lc h a n n e li n f o r m a t i o n 部分反馈p a r t i a lf e e d b a c k 后验中断概率p o s t e r i o ro u t a g ep r o b a b i l i t y 信道质量汇报 q u a l i t yb a s e dc h a n n e ls t a t er e p o r t i n g 随机中继选择r a n d o mr e l a ys e l e c t i o n 统计平均信噪比s t a t i s t i c a la v e r a g es n r 选择解码转发 s e l e c t i v ed e c o d e a n d f o r w a r d 信噪比 s i g n a lt on o i s er a t i o 基于阈值汇报t h r e s h o l db a s e dr e p o r t i n g 时分多址timed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 两跳信道信息t w o h o pc s i i x 骀峪例衣 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1研究背景与研究意义 1 1 1 协作通信技术的提出和发展 高频谱效率、高可靠性以及低功耗是无线通信技术发展的趋势，然而，无线 信道的特性直接影响着无线系统的通信质量。众所周知，无线信道的一个重要特 征就是衰落，由于多径衰落的小尺度效应，距离远近引起的路径损耗和障碍物遮 挡引起的阴影衰落等大尺度效应，使得无线信道具有较强的时变特性，信号传输 过程中会经历反射、散射和折射等而导致信号畸变失真。另外，所有用户共享空 口资源，彼此之间存在着严重的干扰。为了抵抗信道的衰落和干扰，通过增大发 送功率，或改变天线高度的方法在实际系统中显然难以实现，甚至会产生负面影 响。为此，许多研究学者针对无线信道的不确定性提出了多种技术，其中分集技 术是实现高效可靠通信的有效技术之一。 分集技术是利用多个独立衰落的发送信号副本，在接收端对其进行合并输出 的技术。由于各信号经过彼此独立的衰落路径，相关性很小，所有路径同时处于 深衰落的可能性也非常小，从而减弱了信号的衰落程度，提高系统抵抗信道衰落 的能力【l 】。分集技术一般分为时间分集、频率分集和空间分集。时间分集要求信 号副本在发送时的时间间隔大于信道的相干时间，这会带来时延问题；频率分集 要求不同副本所占用的频率间隔大于信道的相干带宽，造成频谱资源的浪费；空 间分集不用牺牲时间和带宽，利用多个天线来提供分集增益，对未来无线通信有 着举足轻重的意义。 文献 2 3 讨论了终端安装多个发射天线来实现空间分集的技术，进而获得发 射分集增益。多输入多输出( m i m o ，m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ) 天线技术采 用空间分集的思想，在发射端和接收端安装多个天线实现信号的多路发送和接 收，结合空时编码来同时取得发射分集增益和接收分集增益。t e l a t a r 在文献 4 中给出了m i m o 系统在衰落信道情况下的系统容量，并指出能够极大地提高系统 可靠性和通信数据速率，随着设置天线数目的增加，分集增益也随之增加。但是， m i m o 技术在取得巨大优势的同时也受到一些实际因素的限制。一方面，由于受 到终端体积的限制，不能安装太多天线，否则天线之间的严重耦合导致多天线信 道产生较大的相关性，降低系统的容量和性能；另一方面，终端需要多套信号处 理系统和收发硬件设备，不可避免地增大了终端的功率消耗和成本开销。 第1 章绪论 考虑到现实的无线网络，为了降低功耗和成本，m i m o 技术应用到无线网络 中会存在着一定的困难。尽管网络中每个节点的资源有限，但这样的节点数量却 很多，即网络的总资源很丰富。为了满足移动通信新的发展趋势，提出了一种既 能获得m i m o 技术的好处，又能充分利用网络节点资源的技术中继协作通信 技术，在提高系统的传输速率和可靠性的同时，也能够扩大小区的覆盖范围，以 及实现盲区覆盖，如图1 - 1 所示，具有广阔的应用前景。 角 图1 - 1 中继网络应用场景 协作通信的思想可以追溯到1 9 世纪7 0 年代，c o v e r 和v a n d e rm e u l e n 等人 对中继信道的信息论特性进行了研辩5 】【6 】。他们考虑了一个由单源、单中继和单 目的组成的中继系统，在假设中继节点同时发送和接收数据的全双工情况下，分 析了中继系统的网络容量，他们的工作成为中继协作通信研究的基础。实现全双 工天线的设备在实际中很难实现，因此大多以半双工模型的中继系统作为研究对 象。s e n d o n a r i sa 等人从空分多路的角度出发，首次提出了用户协作分集的概念， 通过一个用户对相互转发对方的数据从而实现协作分集，进一步分析了信道容量 和中断概率等性能【7 】【8 1 。l a i l e m a nj n ：等人给出了最常见的两种中继方式做大 转发( a f ，a m p l i f y - a n d f o r w a r d ) 方式和解码转发( d f ，d e c o d e - a n d f o r w a r d ) 方式，并将分布式空时编码( d s t c ，d i s t r i b u t e ds p a t i a lt i m ec o d e ) 的概念引入到 多中继网路中，进一步分析了固定中继( f i x e d r e l a y i n g ) 和自适应中继( a d a p t i v e r e l a y i n g ) 等多种转发协议的误码性能和分集增益，指出除固定解码转发中继协 议外，其它中继协议都可达到满分集【9 】【1 0 】。 中继协作通信技术的可行性已在w i m a x ( w o r l di n t e r o p e r a b i l i t yf o r m i c r o w a v ea c c e s s ) 、3 g p p ( t h e3 r dg 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 ) 等通信标准中 进行了深入的研究，i e e e8 0 2 1 6 j 标准中给出了采用透明中继( t r a n s p a r e n t 第1 苹绪论 r e l a y i n g ) 和非透明中继( n o n t r a n s p a r e n tr e l a y i n g ) 两种工作模式的中继站的实施 方案。 1 1 2 协作网络中的中继节点选择 协作通信技术是利用地理上分散的单天线中继节点来实现空间分集的技术， 能够有效地抵抗无线信道衰落的影响，是提高无线通信系统稳定性的一种有效方 法。在无线多中继网络中，中继节点在什么情况下参与协作，如何协调协作节点 间的数据转发，采用集中式还是分布式管理策略，这些都是需要关注的问题，中 继节点选择是协作通信领域中一个研究热点。 合理的中继选择能够有效地提高系统性能【l l 】【2 6 ， 4 舛。b l e t s a s 等人提出一种依 靠本地瞬时信道信息测量的基于定时器机制的分布式机会中继选择( o r s ， 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 ) 方案，并指出该方案可达到满分集【l l 】【1 4 】。i b r a h i ma s 等人研究了多节点解码转发协作场景中的中继选择问题，并指出最优的中继节点 为两跳链路的瞬时信道信息所确定的具有最大调和函数值的节点【1 9 】【2 1 1 。y z h a o 分析了全转发( a p f ，a l lp a r t i c i p a t ef o r w a r d i n g ) 方案节点的功率分配问题，使 系统性能进一步提升【2 3 1 。y i n d ij i n g 提出了一种次优的多中继选择算法，并分析 了可获得的分集增型2 4 1 。j t m g - b i nk i m 提出了分别基于第一跳链路的瞬时信噪比 和基于两跳瞬时信噪比的机会中继选择算法，并分析了系统中断概率【4 9 】。然而， 这些算法却没有考虑以下问题： ( 1 ) 大部分算法只考虑了系统的中断性能，而忽略了系统能量效率，在能量 受限系统中，节点的生命期会受限于节点的功率消耗； ( 2 ) 算法都是基于瞬时信道信息的，需要实时获取，不仅增加了系统的信令 开销，也使系统时延增大： ( 3 ) 为了选择一个最佳中继节点，节点问的信息交互是必要的，当系统中节 点数目较多时，过多的信息交互可能会导致反馈信道阻塞而使系统性能下降。 已有学者针对上述算法中存在的某一问题展开了研究，但仍存在局限性。考 虑系统能量效率或功率消耗的中继选择算法对于延长能量受限网络的生存期有 着重要影响【2 7 】【3 7 1 ，但大部分研究仍然需要瞬时信道信息。研究基于有限信道信息 的分布式中继选择算法在应用中更具有实际意义 3 8 】【4 2 1 ，有限信道信息指链路的统 计信道信息( 如信道增益的均值和方差) 或者量化信道信息( 如信道增益所在量 化区间的索引) 。文献 4 2 】研究t * o 用统计信道信息的基于分布式空时编码的中 继功率分配，但仅限于两中继( t w o r e l a y ) 网络。为了降低系统反馈开销，文献 4 3 1 一 5 0 提出了基于阈值汇报( t b r ，t h r e s h o l db a s e dr e p o r t i n g ) 、信道质量汇 报( q b r ，q u a l i t yb a s e dc h a n n e ls t a t er e p o r t i n g ) 以及机会反馈h a r q 机制的中 第1 章绪论 继选择算法，却是依赖于瞬时信道信息作出中继选择。基于以上调研和分析，本 文将结合考虑能量效率、信道信息和反馈开销等问题展开研究。 1 2 研究内容