（通信与信息系统专业论文）协同中继选择技术的研究与应用.pdf

南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：王堂通信墨信：曼丕统 研究方向：整动通信量玉线挂苤 作者：2 0 0 7 级研究生韩丽 指导教师：黄学军 题目：协同中继选择技术的研究与应用 i i i ii ii i i ii i 1 1 1 1 1i ii il y 17 5 4 9 6 9 英文题目：r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fc o o p e r a t i v er e l a ys e l e c t i o n 主题词：协同分集，机会中继，异构协同，效用函数 k e y w o r d s ：c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y , o p p o r t u n i s t i cr e l a y , h e t e r o g e n e o u sc o o p e r a t i o n ，u t i l i t yf u n c t i o n 南京邮 协同分集技术是无线网络中一种新型的分集技术，通过网络中的中继节点可以实现用 户数据的协同传输，从而获得一定的空间分集增益。中继节点选择问题作为协同分集中的 关键技术，一直以来是研究的热点和难点。同时，协同技术与异构网络的结合也成为一种 新的研究方向。因此，本文主要研究同构及异构协同中的中继节点选择问题。 论文首先阐述了协同分集技术的基本原理，并通过仿真比较了放大前传( a f ) 、译码前 传( d f ) 和编码协同( c c ) 三种协同分集策略的性能。 其次，论文着重研究了同构系统中的协同中继选择。通过搭建分布式系统模型分析了 机会中继中三种不同的中继选择算法：基于最小值的中继选择算法，基于调和平均值的中 继选择算法以及基于最大信噪比的中继选择算法，并且以冲突概率作为衡量指标对三种算 法的中继选择性能进行了仿真。仿真结果表明，基于最大信噪比的中继选择算法可以获得 最低的冲突概率，即中继选择性能最佳。 再次，通过无线中继节点可以实现异构无线网络之间的互联互通，从而实现更加便捷 的通信。论文重点研究了基于效用函数的异构中继选择，而为了降低算法的复杂度，给出 了一种次优的中继选择算法；另外，从用户的平均频谱效率的角度对异构系统的性能进行 了仿真与分析。 最后，论文将协同中继选择引入实际的系统中，针对8 0 2 1 1 d c f ，主要研究了基于协 同中继的自动速率m a c 协议( c r b a r ) ，对实际应用过程中涉及到的问题进行了详细的讨 论，例如，信道检测、中继退避协议、信道预留与撤销等。另外，从饱和吞吐量的角度比 较了不同中继选择方案下系统的性能。 关键字：协同分集，机会中继，异构协同，效用函数 南京邮电 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 yi sa n o v e ld i v e r s i t yt e c h n o l o g yi nw i r e l e s sn e t w o r k ，w h i c hu t i l i z e st h e r e l a y i n gn o d e st ot r a n s m i td a t ac o o p e r a t i v e l y , a n dc o n s e q u e n t l y , a c h i e v e st h es p a t i a ld i v e r s i t y g a i n s r e l a ys e l e c t i o ni sa l w a y sr e s e a r c hf o c u sa n dd i f f i c u l t ya sak e yt e c h n o l o g yi nc o o p e r a t i v e d i v e r s i t y s i m u l t a n e o u s l y , c o o p e r a t i v ed i v e r s i t yi sa p p l i e di nh e t e r o g e n e o u sn e t w o r k ，w h i c h b e c o m e san e wr e s e a r c ht o p i c s t h e r e f o r e ，t h ep a p e rc o n c e n t r a t e so nc o o p e r a t i v er e l a ys e l e c t i o n i nh o m o g e n e o u sa n dh e t e r o g e n e o u ss y s t e m s f i r s t l y , t h ef u n d a m e n t a lp 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 ya r ep r e s e n t e d ，a n dt h e nt h ep a p e r s i m u l a t e st h et h r e ep r o t o c o l so fr e l a y i n g ( a m p l i f ya n df o r w a r d ，d e c o d ea n df o r w a r d ，a n dc o d e c o o p e r a t i o n ) a n dc o m p a r e st h e i rp e r f o r m a n c e s s e c o n d l y , r e l a ys e l e c t i o ni nh o m o g e n e o u ss y s t e mi sc o n c e m e di nt h i sp a p e r b u i l d i n g d i s t r i b u t e ds y s t e mm o d e la n a l y z e st h r e ed i f f e r e n ta l g o r i t h m so fr e l a ys e l e c t i o ni no p p o r t u n i s t i c r e l a y i n g ：b a s e do nm i n i m u m ，h a r m o n i cm e a na n dm a x i m u ms i g n a lt on o i s er a t i o ( s n r ) ，a n d s i m u l a t e st h e i rp e r f o r m a n c e sb yp r o b a b i l i t yo fc o l l i s i o n p e r f o r m a n c ea n a l y s i ss h o w st h a tt h e a l g o r i t h mb a s e do nm a xs n r c a l lo b t a i nt h el o w e s tp r o b a b i l i t yo fc o l l i s i o n ，t h a ti s ，t h eo p t i m a l p e r f o r m a n c eo fr e l a ys e l e c t i o n t h i r d l y , i n t e r c o n n e c t i o nb e t w e e nh e t e r o g e n e o u sw i r e l e s sn e t w o r k sc a nb er e a l i z e db yt h e r e l a y i n gn o d e s h e t e r o g e n e o u sr e l a ys e l e c t i o ni s ak e yp o i n ti nt h i sp a p e r , a n dt h e r ei sa s u b o p t i m a la l g o r i t h m o fr e l a ys e l e c t i o nf o rr e d u c i n gt h e c o m p l e x i t y ；a d d i t i o n a l l y , t h e h e t e r o g e n e o u ss y s t e mp e r f o r m a n c ei ss i m u l a t e da n da n a l y z e di nt h es i g h to ft h ea v e r a g es p e c t r a l e f f i c i e n c y f i n a l l y , t h ep a p e rs t u d i e sa n o v e lc o o p e r a t i v er e l a y b a s e da u t or a t em a c p r o t o c o l ( c r b a r ) b a s e do nt h e8 0 2 11d c f , a n dd i s c u s s e st h er e l a t e dp r o b l e m si na p p l i c a t i o np r o c e s sd e t a i l l ys u c h a sc h a n n e lp r o b i n g 、r e l a yb a c k o f fp r o c e d u r e 、c h a n n e lr e s e r v a t i o na n dc a n c e l l a t i o n a d d i t i o n a l l y , e v a l u a t et h es y s t e mp e r f o r m a n c e so fd i f f e r e n tr e l a ys e l e c t i o ns c h e m e sb ys a t u r a t e dt h r o u g h p u t k e y w o r d s ：c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y , o p p o r t u n i s t i cr e l a y , h e t e r o g e n e o u sc o o p e r a t i o n ， u t i l i t yf u n c t i o n i i 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 目录 摘要1 第一章绪论l 1 1 本文选题的背景1 1 2 协同分集技术研究现状1 1 3 协同分集在异构网络中的应用2 1 4 本文的主要工作和章节安排3 第二章协同通信系统及其性能分析4 2 1 协同分集原理4 2 2 协同分集策略5 2 2 1 放大前传5 2 2 - 2 译码前传7 2 2 3 编码协同8 2 3 协同分集系统性能分析9 2 3 1 衡量系统性能的指标一9 2 3 2a f 策略的性能分析1 0 2 3 3d f 策略的性能分析。1 1 2 4 系统性能仿真。1 2 2 5 协同分集技术优点及存在的问题1 4 2 6 本章小结。1 5 第三章同构协同中继选择1 6 3 1 分布式系统模型。1 6 3 2 基于位置信息的中继选择方案一1 7 3 3 基于瞬时信道状态的中继选择方案。1 8 3 3 1 机会中继的基本原理1 8 3 3 2 最小值中继选择算法1 9 3 3 3 调和平均值中继选择算法2 0 3 3 4 最大信噪比中继选择算法2 0 3 4 中继选择方案性能分析2 l i 塑塞堕皇查堂堡土婴窒生兰篁笙壅 篓二皇笙垒 3 4 1 不同中继选择方案的比较2 1 3 4 2 中继选择性能的衡量指标2 1 3 4 3 冲突概率的计算2 3 3 5 仿真结果及分析2 4 3 6 本章小结2 6 第四章异构协同中继选择2 7 4 1 异构协同基本原理2 7 4 2 异构协同性能分析。2 8 4 2 1 系统模型2 8 4 2 2 性能衡量指标31 4 2 3 系统性能仿真31 4 3 异构协同中继选择3 2 4 3 1 理论分析3 3 4 3 2 基于效用的异构中继选择3 4 4 3 3 次优中继选择算法3 6 4 4 仿真结果与分析3 8 4 5 本章小结3 9 第五章协同中继选择在8 0 2 1 1d c f 中的应用4 0 5 1 背景介绍4 0 5 2 基于表格的主动中继选择4 1 5 3 基于协同中继的自动速率m a c 协议4 2 5 3 1 接收模型与信道检测4 2 5 3 2 中继自我评估与退避协议4 3 5 3 3 信道预留与撤销4 5 5 4 性能分析模型4 6 5 5 仿真结果及分析5 l 5 6 本章小结5 2 第六章总结5 3 参考文献5 5 至l 谢5 9 研究生期间发表论文6 0 l i 南京邮电大学硕：l ：研究生学位论文 第一章绪论 1 1 本文选题的背景 第一章绪论 无线通信发展至今已有上百年的历史，而近二十年来的发展尤为迅猛，例如蜂窝网已 从上世纪八十年代的模拟系统过渡到第三代移动通信系统，并且正朝着4 g 方向演进。与 有线通信相比，无线通信更富有挑战性，主要的原因在于无线信道的衰落特性，包括发送 端和接收端之间距离引起的路径损耗、建筑物阻挡等引起的阴影衰落以及多径衰落等。针 对无线信道的这种特殊性，涌现出许多新的技术，例如高效率的信道编码t u r b o 码 1 】、多 输入多输出技术( m u l t i p l e - i n p u tm u l t i p l e - o u t p u t ，m i m o ) 2 、正交频分复用技术( o r t h o g o n a l 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 ，o f d m ) 3 、多用户检测技术( m u l t i u s e rd e t e c t i o n ，m u d ) 4 】 以及结合媒体接入层与物理层的跨层设计( c r o s sl a y e rd e s i g n ) 5 等，这些技术都极大地提 高了无线通信系统的性能。 m i m o 技术作为对抗信道衰落的一种有效方法，通过使用多根天线实现多发多收，在 不需要增加频谱资源的情况下，可以有效提高信道容量及信号传输的可靠性。但是，移动 终端体积、功耗、工艺等方面的限制，使得m i m o 技术在走向实用的过程中困难重重。为 此，s e n d o n a r i s 等人提出了一种新的空间分集技术协同分集【6 】，其基本思想是通过多 用户之间共享天线和其他网络资源的形式构成“虚拟多天线阵列”，并通过分布式处理产 生协同来获得一定的空间分集增益。为了进一步提高协同分集技术的实用性，制约协同系 统性能的一些关键技术逐渐成为研究的热点：如协同信道容量、协同空时编码、协同中继 节点选择【7 】、协同功率分配 8 】等方面，通过分析协同系统的容量增益、中断概率、抗信道 衰落等特性，来获得协同分集的最佳增益。而协同应用中的一个最基本问题就是如何分配 管理中继节点。 同时，伴随着新技术的诞生，出现许多基于不同协议标准的无线通信网络，例如i e e e 8 0 2 1 1 w l a n 、蓝牙、i m t 2 0 0 0 等。异构无线通信系统可以充分利用这些已有的无线网络， 允许终端在一种模式的前提下接入各种异构无线网，实现便捷通信。协同技术作为异构网 络融合的一种发展方向，其中的中继选择等关键技术被赋予了新的内涵和方法。本文正是 以此为方向，研究同构及异构协同中的中继节点选择问题。 1 2 协同分集技术研究现状 堕室堕皇奎兰堡堕窒生兰垡堡奎蔓二童堕丝 协同分集作为一种虚拟多天线技术，最早源于中继信道的研究。但协同又不同于中继： 中继用户只是为源用户转发数据，而协同用户既是转发者又是数据源。 中继信道的理论最早是在1 9 7 9 年由c o v e r 和g a m a l 提出，该理论主要针对一个三节 点系统的性能进行分析【9 】。随后，s c n d o n a r i s 等学者研究了协同分集与网络容量和中断概 率( o u t a g ep r o b a b i l i t y ) 等系统性能之间的关系，还对采用协同和未协同的系统在不同信道状 态下的可达速率区域作了比较【6 ，1 0 ，1 1 】。l a n e m a n 等人提出了多种协同策略 1 2 1 4 ，包括： 放大前传( a m p l i f ya n df o r w a r d ) ，译码前传( d e c o d ea n df o r w a r d ) 以及两种协同方式间的自适 应切换。与此同时，h u n t e r 将协同传输与信道编码相结合提出了编码协同( c o d e d c o o p e r a t i o n ) 15 。 以上这些研究都为协同分集技术的进一步发展奠定了坚实的理论基础：分布式空频码 方面，文献 1 6 提出了全速率全分集的分布式空频码；文献【1 7 】推导出有部分干扰信道时 o f d m 协同通信系统误比特率，中继采用放大前传方式，并提出了一种叫中继辅助的子波 段转移的干扰消除方法。 1 3 协同分集在异构网络中的应用 同构协同通信中传输性能和实现的瓶颈在于中继节点。因此为了提高协同通信的性 能，文献【1 8 提出采用异构中继节点进行协同通信的方案。基于协同机理的异构无线接入 系统的网络架构中，基础架构型无线接入网络与短距离无线接入网络通过协同中继节点实 现互联互通，而多个协同中继节点可以自适应地组织成一个协同中继子网。协同中继节点 是一种增强的通信节点，可以作为基础架构型无线接入网络的终端，也可以作为短距离无 线接入网络的接入点( 集中控制模式) 或者对等节点( 分布控制模式) ，从而支持协同分集。 异构网络间的协同通信( 如蜂窝通信网络与w l a n 、卫星通信网络与蜂窝通信网络 等) ，尤其是在各种网络自身优势( 如速度、覆盖、移动性等方面的优势) 基础上的协同通信， 使得用户在当前的接入网中可以访问另一种网络的业务。在业务层面实现异构网络的互通 是下一代网络发展的必然趋势，将极大地促进通信网络的发展。基于协同机理的异构无线 接入网络具有以下几个特点： ( 1 ) 可以将现有和未来的蜂窝网络及无线宽带接入技术很好地兼容起来，侧重于异构 无线接入网问的互联互通，对现有的网络结构改动较小； ( 2 ) 以基础架构网络为主体，将各种无线接入技术有机地融合在一起，同时通过物理 层协同、m a c 层协同、网络层协同和应用层协同，显著地提高了系统的性能； 2 南京邮电大学硕+ 研究生学位论文第一章绪论 ( 3 ) 实现了异构无线接入技术在空中接口侧的互联互通，减小了异构接入网间的业务 传输时延，同时简化了网络管理和网络建设等，为便捷和应急通信提供了一种解决方案。 1 4 本文的主要工作和章节安排 本文主要研究了协同通信系统的中继节点选择问题，分别从同构系统和异构系统出 发，研究了提高系统性能的中继选择算法。对于同构通信系统，主要研究了机会中继中三 种不同的中继选择算法，仿真结果表明，基于最大信噪比的中继选择算法下，中继选择的 冲突概率最小，系统的性能最好；而对于异构通信系统，重点研究了基于效用函数的协同 中继选择，推导得出选择最佳中继节点的理论模型，但是考虑到算法的复杂度，给出了一 种次优的中继选择算法。考虑到理论与实际的结合，将协同中继选择应用于实际的系统 8 0 2 11 d c f 中，对整个应用过程进行了详细的介绍。 本文的主要安排如下： 第一章简单介绍了本文选题的技术背景，协同分集技术的研究现状以及协同分集在 异构网络中的应用。 第二章首先介绍了协同分集的基本原理，之后讨论几种常见的协同分集策略并且进 行了仿真，最后讨论了协同分集技术的优点及存在的问题。 第三章首先给出了系统模型，介绍了该模型下两种不同的中继选择方案，之后重点 研究了机会中继中三种不同的中继选择算法，并且以冲突概率作为衡量指标，对不同算法 下的中继选择性能进行了仿真，结果表明，基于最大信噪比的中继选择性能最优。 第四章首先阐述了异构协同的基本原理，并且以中断概率作为衡量指标对异构协同 的系统性能进行了仿真；之后重点研究了基于效用函数的异构中继选择，而为了降低算法 的复杂度，给出了一种次优的中继选择算法；最后从用户的平均频谱效率的角度对异构系 统的性能进行了仿真与分析。 第五章将协同中继选择应用于8 0 2 1 1 d c f 中，详细介绍了基于协同中继的自动速率 m a c 协议，并且重点研究分析了相应的中继选择策略，最后从饱和吞吐量的角度对不同 的策略进行了仿真与分析。 第六章总结全文所做的工作和探讨了有待进一步深入研究的问题。 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章协同通信系统及其性能分析 第二章协同通信系统及其性能分析 无线信道的衰落特性是阻碍信道容量增加和服务质量改善的主要原因之一，而协同通 信技术通过不同网络节点间的资源共享，构成虚拟的多天线阵，可实现多用户间的协同通 信，从而有效地对抗衰落，提高系统效率。本章首先介绍了协同分集的基本原理，并建立 了协同系统模型：之后讨论了放大前传、译码前传及编码协同三种协同分集策略；最后从 系统误码性能的角度对不同协同策略分析，并通过仿真对这些策略进行了比较。 2 1 协同分集原理 协同分集技术的实质就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 m i m o 系统，获得空间分集增益。图2 1 给出了协同分集过程 1 9 ，图中三角形表示源节 点，圆圈表示参与中继的节点，五角星表示目的节点。协同分集的过程可以分为两步：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者新的信息，最后目的节点按照某 种规则合并两步接收到的信号。 第一步 第：步 图2 1 协l 司过程不意图 下面简单介绍一下协同分集的基本概念。如图2 2 所示，t l 和t 2 分别表示无线网络 中的两个终端，传输各自的信息到两个目的地t 3 和t 4 。在蜂窝网络中，t 1 和t 2 表示移 动终端，t 3 和t 4 为同一个设备，表示基站；在无线局域网中，当t 3 和t 4 不是同一个设 备时，终端之间以a dh o c 模式工作，而当t 3 和t 4 是同一个设备时，终端是接入点。在无 线通信中，之所以能够支持协同分集，是因为无线介质的广播特性，即被发送的信号可以 被任何其他终端接收并进行处理。因此，t 1 和t 2 除了独立地传输信息到各自的目的地之 4 南京邮电大学硕j ：研究生学位论文 第- 二章协同通信系统及j 性能分析 外，还可以互相侦听彼此，进行联合传输，从而使协同通信成为可能。 o b 图2 - 2 协同分集的系统模型 一般的情况是信源和中继都有信息需要发送。例如蜂窝系统的上行链路，t 3 和t 4 为 同一个设备，则传统的通信系统没有利用t 1 和t 2 之间的信道，而协同通信系统中，在给 定的信道或传输时隙内，t 1 和t 2 所具有的信源和中继两种角色进行互换，从而完成协同 通信。 一种极端的情况是无线中继信道。例如t 3 和t 4 为同一个设备，终端t 2 可以贡献它 所有的资源，如功率、带宽等，用来传输t 1 的信息。在这种情况下，t 1 表示信源，t 2 表 示中继，这就是著名的中继信道，c o v e r 等学者给出了其信息论基础 2 0 】。之所以可以提供 分集增益，是因为即使t 1 和t 3 之间的信道质量很差，信息也可以通过t 2 成功地传输。 类似地，t l 也可以作为中继传输t 2 的信息，从而成为另一个无线中继信道。根据协同策 略的不同，中继既可以简单地放大信息信号，也可以译码后重新编码再将信息发送到目的 端。以下将介绍几种不同的协同策略。 2 2 协同分集策略 协同策略在协同分集系统中具有至关重要的作用，不同的协同策略在性能、复杂度等 方面各不相同。目前主要包括三种协同策略：固定中继、选择性中继和增强性中继。 以 下主要讨论由固定中继策略得到的协同通信方法( 为方便讨论，以两用户协同为例，其中用 户l 为源节点s ，用户2 为中继节点r ，并假设基站为目的接收节点d ) 。 2 2 1 放大前传 放大前传( a f ) 的基本原理：中继节点接收到源节点发送过来的数据后并不进行信息的 解码，而是将信号进行简单的放大，再转发给目的节点，由目的节点对源节点与中继节点 的信息进行合并最后判决传输比特，如图2 3 所示。尽管被中继放大的不仅包含有用信号， 5 南京邮电大学硕上研究生学位论文第- 二章协同通信系统及其性能分析 还包含接收信号中的噪声部分，但目的节点还是接收到两个独立衰落路径发送的信号，可 以对传输比特做出较好的判决。 吞 基站 图2 - 3 放大前传机制 假设h ，、h 坩和h 耐分别表示源节点至中继节点、中继节点至目的节点以及源节点至目 的节点的信道增益；、铂和分别为其相应的加性噪声。同时，h s ，、h 坩、h 鲥是均值 为零、相互独立的复高斯随机变量，方差分别为、和；而z s r 、铂和也满足 均值为零、相互独立的复高斯随机变量，方差分别为心、叱。x 表示源节点发出 的信息，则目的节点接收到两个独立衰落路径发送的信号表示如下： 其中= b ：雨+ 知，口为中继的功率调整因子。若在系统中将中继节点发射每个符 号的能量设置为e l ，则调整因子口为 当源节点与中继节点之间的噪声比相对较小时， ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) 目的节点采用最大比合并方法( m r c ) 对y 。和y 。进行分集合并。假设信道为慢衰落环 境，每个传输时间内信道增益保持不变，则可以得到x k 】的估计值如下： 6 o q 幻锄 + 再一 缸助 = = m 南京邮电 其中，= + 虬l k l 2 巨( 毛i k l 2 ) ，表示协同支路路径总的噪声功率。目的节点采 用m r c 的前提是知道h 。，h 耐和心，而这些可以通过发送训练序列来获得。 在两个用户的情况下，放大前传的分集阶数是2 ，这是在高信噪比条件下的最佳结果。 尽管放大前传策略实现过程中放大了噪声，但在技术实现上比较简单，有助于理解整个协 同分集系统。 2 2 2 译码前传 译码前传( d f ) 的基本原理：中继节点接收到源节点发送的信号之后，先将接收到的信 息进行解码，再进行编码然后发送给目的节点，如图2 4 所示。 译码比特 用户l 伽 图2 - 4 译码前传机制 中继节点采用的解码和重编码处理往往是接收信号的非线性变换。根据中继节点对数 据解码后是否对接收数据进行校验，可以将译码自i 传划分为无校验的d f 方案和有校验的 d f 方案( 重点讨论后者) 。参考放大自i 传的假设条件，则目的节点接收到两个独立衰落路径 发送的信号可以表示为： 2 k 坦肿( 2 - 5 ) y i = 4 e , x + z r d 对和y i 进行最大比合并( m r c ) 后，可以得n - 7 若要保证译码前传成功需要满足两个必要条件：首先，中继节点可以正确接收来自源 节点的信息；其次，对于源节点和中继节点发送来的信号，目的节点将其进行合并后可以 j 下确解码。与放大前传相似，译码前传方案实现较为简单，但是时序安排复杂，且频谱效 率低。 2 2 3 编码协同 编码协同( c c ) 的主要思想是在协同通信中各用户不是简单的重复其收到的协同伙伴 的数据或信号，而是试图为其协同伙伴传输增加冗余。编码协同的具体机制如图2 5 所示。 首先，将用户的待发送信息分成块进行编码，然后加上循环冗余校验码( c r c ) ；协同通信 时，之前编码产生的码字被分成两个部分，假设分别含有m 和比特信息，则原始的码 长就是i + 2 比特，其中i 是信息比特，2 是额外的校验码。发送i 和2 两部分的比 特信息需要两个时隙，称其为帧。在第一帧中，每个用户发送各自码字的第一段，即比 特的信息，这部分信息被基站和协同伙伴同时收到。如果同伴能够正确地译出对方的第一 帧信息( 通过c r c 校验得到确认) ，那么其可以计算出对方另外需要传输的2 个校验比特， 产生一个更强的码字，并在第二帧中发送对方码字的第二段，即，比特的信息；如果译码 不正确，则同伴将发送自己码字的第二段，也是，比特的信息。可以看出，在两帧的时间 内，每个用户的信息传输总数都是n = l + 2 。 南京邮电大学硕十研究生学位论文第一二章协同通信系统及其性能分析 用户1 第l 帧 第1 帧第2 帧 图2 - 5 编码协同机制 编码协同对系统性能的改善主要通过在不同空间重复发送冗余来获得。各移动终端通 过重新编码发送了不同的冗余信息，把分集和编码结合起来，从而达到提升系统性能的目 的。慢衰落环境中编码协同性能较为优越 2 1 】，而在快衰落情况下则会牺牲上行信道质量 相对好的用户的性能 1 5 】。为了解决这个问题，j a n a n i 等学者提出了空时编码协同方案【2 2 】： 分布式空时编码协同在快衰落环境下可以获得完全分集增益，并且不会牺牲上行信道质量 相对较好的用户的性能。 由于性能较优，具有较强的信道适应能力，而且提供了比重复传输更大的灵活度，即 在源节点和中继节点之间，以及中继节点和目的节点中间的数据长度分配的灵活度，因此 编码协同方案在目前领域中得到了广泛的研究。 2 3 协同分集系统性能分析 2 3 1 衡量系统性能的指标 本章主要通过误码率对系统性能进行分析：不同的协同策略在相同信噪比下，误码率 越小，系统性能越好；反之，则系统性能越差。 误码率是指在测量期间传输出错的码元数与传输的总码元数之比。通常所说的误码率 指误比特率( b i te r r o rr a t i o ，b e r ) ；当传输码以码组形式出现时，误码率可用误码组率( b l o c k e r r o rr a t i o n ) 表示；当传输码以字符形式出现时，误码率可用误字符率( c h a r a c t e re r r o rr a t i o n ) 表示；而当误码成群出现时，误码率可用误码群率( c 1 u a s t e rb i te r r o rr a t o 或b u r s te r r o r r a t i o ) 表示。基于以上定义，误码率的计算公式如下： f f b e r = 垃= j r , ( 2 - 8 ) 加 9 南京邮电人学硕上研究生学位论文第一二章协同通信系统及其性能分析 其中，以为传输出错的比特数，n b 为传输的总比特数，f 为测量时间，为吞吐率。 在其他参数为常量的情况下，随着时间t 趋于无穷大，b e r 趋于误码概率最，即 b e r = 忍【t jo o ) ( 2 - 9 ) 由此可见，误码率与观测时间有关。通常不仅需要测出误码率的绝对值，还需要 找出误码率随时间的分布规律，如误码是零星出现还是周期性出现，或者成块 出现。一般情况下，短期误码测量与长期误码测量不同：前者只能看出差错结 构，而后者还能找出误码与网络处理过程或环境等因素之问的关系。 2 3 2a f 策略的性能分析 根据公式( 2 4 ) ，目的节点处采用最大比合并方法进行分集合并，最终信噪比可以表示 为 2 3 】： 厂7 = 厂耐+ y 胄 ( 2 一1 0 ) 其中，7 耐= e o l h 耐1 2 硝表示源节点s 与目的接收节点d 之间的信噪比，表示s 经 中继节点r 至d 之间的等效信噪比。系统的平均误码率取决于所。 由公式( 2 1 ) 及( 2 3 ) 可以得到协同支路接收信号为 从而可以得到 27 一 f lk f 卜辱 2 卜 弘嘲 ：鱼刍! 丝! ! 红：纽 岛i 吃，1 2 + 巨i k l 2k+ 其中，= e o h ，f 2 饥表示s 到r 的信噪比，= e ，陋坩1 2 知耐表示r 到d 的信噪 比，可以看出中继支路的总信噪比为与调和平均值的一半。 1 0 + 矿 乃 一一f + 一1 z 一上一悟 玩rlll佩睁 南京邮电大学硕上研究生学位论文第二章协同通信系统及其性能分析 由于k 、h 坩、h 耐是均值为零、相互独立的复高斯分布随机变量，因此容易得出、 、服从独立指数分布，且均值分别为：= e o q 列心，7 盯= e o q ，心， 7 耐= e q 耐“。利用矩母函数m g f ( m o m e n tg e n e r a t i n gf u n c t i o n ) ，可以得到平均符号错 只= ：- - 参伽k mmr砌7鼢d(p(u-ou)#封缈 亿 = 三fm 砌( 蔫m 翥卜 其中g 肿= s i n 2 m ) ，m ，g ) = p p , ( r ) a r ，e ) 是随机变量7 的概率密度函数。 只= 扩。川”( + 爵 - 。兰三l鲁鼍等手三二4孚7h三峄+歹，c缈，一4歹p 1 2 ( 缈) 一p (2 y ，j 7 1 2 ( 伊) 一4 7 p 式中，g 芦女= s i n 2 ( z m ) ，( 缈) = 7 ，+ 7 p ，y ，= 厂，+ 7 坩，7 p = 7 y 耐。 2 3 3d f 策略的性能分析 d f a ( 2 - 1 4 ) 对于有c r c 校验的d f 策略，假设m 表示每帧的数据比特数，忍表示比特错误概率， 则瑞利衰落信道下当调制方式采用b p s k 时 2 5 】，有： 忍：舡 ( 2 - 1 5 ) 其中，屹= ( e 6 n o ) e a 2 】表示平均信噪比，色o 为每比特信息的信噪比，口为瑞利 分布中接收信号幅度的包络。则中继节点r 处接收的误帧率为： 弓= 戢户( 1 _ 秽一陋峋 = l 一( 1 一只) m 当中继接收数据正确时，根据公式( 2 6 ) ，接收端采用最大比合并进行分集接收。两条 支路的信噪比分别表示如下： 南京邮电 f ，监且+ 刚至1 2 y = 哥磊导= 警+ 警 陋埘 7 i k l 2 岛。i 1 2 巨 屹 p 7 根据文献 2 6 中公式( 9 1 2 ) 及表9 1 可以推导得出当信噪比为随机变量时，瑞利信道 下误符号率为： 氏。r = y o y ( y ) d y ：蝌毒n 岳卜 q 。1 假设y 耐= y 耐= 厂，贝0 有： p u o - e o = - - 了1 - o j r ( ，+ 南卜 当中继接收数据错误时误符号率表示为： ：扎 因此，瑞利信道下总的误符号率为： ( 2 2 0 ) ( 2 - 2 1 ) b 一曲c = 弓木。+ ( 1 一弓) 民一 ( 2 - 2 2 ) 其中，0 可以根据公式( 2 - 1 6 ) 求得。 2 4 系统性能仿真 采用不同的协同策略所得到的系统误码率不同。仿真条件及相关参数设置如下：在两 用户协同的情况下，信道均服从r a y l e i g h 衰落；源节点发送信号的长度为2 1 0 比特，采用 b p s k 调制方式；接收节点采用m r c 对接收到的信息进行合并。 1 2 南京邮电大学硕上研究生学位论文 第二章协同通信系统及其性能分析 1 0 0 l l豳! = n oc o o r p e r a t mf 10 1 ：警蝥谍 a f ( 1 s i m u 。l a t i o n ) 爷趣、j 嶝 l ) 熙嵌1 、爵叫 缶1 0 2 警j 、n 。巡 ：尚 、一、 一n i 、 y r 弋 段一：， 、 、i j j 。 10 3 = = ：魏j ；! i 蹲、一、 i 、qi 、诛 一 1 0 0 山r r1 0 2 024681 01 21 41 61 82 0 s n r ( d b ) 图2 - 6 a f 协同系统在r a y l e i g h 衰落信道卜的性能 7 i y uo w l p c i d u u ii 再一d fw i t hc r c ( a n a l y s i s ) 蕞囊纛 d fw i t hc r c ( s i m u l a t i o n ) 。鬻芝 ! ：翻j 、咄；i 、卜：”l ： 围 羔套 ，啼c 、 对j 。汰 k 、：i 、 “： k ：、攀 0 246 81 0 1 2 1 41 6 1 82 0 s n r ( d b ) 图2 7d f 协同系统在r a y l e i g h 衰落信道下的性能 放大前传策略下，系统的误码率曲线如图2 - 6 所示：信噪比较低时，采用放大前传时 的系统误码性能比非协同系统要差；而在 优。图2 7 为采用译码前传策略时，系统 高信噪比时，放大前传的分集阶数是2 ，性能较 的误码率曲线：当信道条件更好时，译码前传才 1 3 。1 1 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - 。 南京邮电火学硕士研究生学位论文第二章协同通信系统及其性能分析 能获得较优的性能。 缶，0 - 2 - vu w ，口a u v l l 一一a f 惑曩、i 。； 一一 d f w i t h c r c 一 c c 。零融i 。i i 7 、二 “o 卜、i 、p 、嚣、暮0 ， l 。、婶、k i ： i 立强、：霉、 ?