（通信与信息系统专业论文）协作通信系统中的资源分配算法研究.pdf

令 一 声明 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本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中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：尘盈日期： 7o i 爻 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，l i p 研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学 位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论 文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密论文注释： 本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：鸽昏 日期：塑! ：! 叁 导师签名： 辱毛躯 日期： 2 2 乜：2 ：互 j l一 弩+ ， r， 北京邮电大学硕士学位论文协作通信系统中的资源分配算法研究 协作通信系统中的资源分配算法研究 摘要 随着无线移动通信得到了前所未有的发展，以及人们对无线传输数据 速率和q o s 要求的不断提高，如何克服多径效应便成为提高通信质量必需 解决的首要问题。然而，抗多径衰落的m i m o 技术在很多无线环境中由于 受移动终端的尺寸、复杂度和其它一些因素的限制，在移动终端安装多副 天线是不现实的。因此，协作分集作为一种新的空域分集技术，近年来得 到了通信业界的广泛关注。 目前，协作通信的主要方式有放大转发( a f ) 、解码转发( d f ) 、编码 协作( c c ) 等。相比其它协作方式，放大转发实现简单，中继节点只需要 将接收到的源节点的信号放大后转发给目的节点，但性能上却可以获得全 分集增益，因而更得业界青睐。 本论文针对传统的半双工放大转发协作通信系统，研究了中继的“协作 时机 和系统性能的改进问题。论文首先分析了一种以遍历容量上界为目标 函数的近似最优功率分配方案( o p a ) ，即通过对源一目的节点与中继一目 的节点的统计信道增益比较来判定是否采用协作通信模式；然后分别针对 中继选择和功率分配的关键技术，在静态无线网络中，做了详细的理论研 究和性能分析，通过仿真发现近似最优的功率分配方案不仅可以显著提高 系统的遍历容量，而且误码率s e r 也略有改善；在此基础上，论文最后提 出两种改进的联合中继选择和功率分配的算法，即s a r 和s o r 算法。理 论分析和仿真结果表明，与传统的a f 资源分配的方法相比，s a r 算法和 s - o r 算法可以显著提高系统的遍历容量，且s a r 算法的性能要优于s o r 算法。 关键字：协作分集，放大转发，遍历容量，功率分配，中继选择 北京邮电大学硕士学位论文 协作通信系统中的资源分配算法研究 。i i 伊 枣 ， u a 北京邮电大学硕士学位论文协作通信系统中的资源分配算法研究 r e s e a r c h e st oi 己e s o u r c ea l l o c a t i o n a l g o r i t h m so nr e l a yn e t w o r k s a b s t r a c t w 1 t ht h ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e sa n dt h e r e q u i r e m e n t so fw i r e l e s st r a n s m i s s i o nd a t ar a t e sa n dq u a l i t yo fs e r v i c e ，t h ev i t a l p r o b l e mi sh o wt og u a r a n t e et h eq u a l i t yo fc o m m u n i c a t i o nd u et ot h em u l t i - p a t h f a d i n g r e c e n t l y , m u l t i i n p u ta n dm u l t i o u t p u t ( m i m o ) t e c h n o l o g yw h i c hh a s o b v i o u sa d v a n t a g ei nt h ea r e ao f a n t i - m u l t i - p a t hf a d i n gi sb e c o m i n gap r o m i s i n g t e c h n o l o g yt oi m p r o v et h ec o m m u t a t i o nr a t ea n dq u a l i t y h o w e v e r , b e c a u s eo f t h el i m i to fs i z e ，p o w e ra n dc o s t ，d i s p o s i n gm u l t i p l ea n t e n n a si nm o b i l et e r m i n a l i su n p r a c t i c a l t h e r e f o r e ，c o o p e r a t i o nd i v e r s i t yw h i c hi san e wf o r mo fs p a t i a l d i v e r s i t yt e c h n o l o g yw a sp r o p o s e d t i l l n o w , v a r i o u sc o o p e r a t i v es c h e m e sh a v eb e e np r o p o s e d ，s u c h a s a m p l i f y - a n d - f o r w a r d 沁) ，d e c o d e a n d - f o r w a r d ( d f ) ，c o d ec o o p e r a t i o n ( c c ) a n ds oo n c o m p a r i n gw i t ho t h e rc o o p e r a t i v es c h e m e ，a fi st h es i m p l e s ts c h e m e t h a te a c hr e l a yo n l yd i r e c t l ya m p l i f i e sa n df o r w a r d st h er e c e i v e ds i g n a l st ot h e d e s t i n a t i o nn o d e f u r t h e r m o r e ，a fc o u l ds t i l la c h i e v ef u l ls p a t i a ld i v e r s i t yo r d e r s t oi n c r e a s et h en e t w o r kr e l i a b i l i t y t h e r e f o r e ，a fh a sb e e na t t r a c t e dal o to f a t t e n t i o n i nt h i sp a p e r ，w ef o c u so nt h et r a d i t i o n a lh a l f - d u p l e xf i x e da f c o o p e r a t i v e s y s t e ma n ds t u d yt h ep r o b l e mo f “w h e nt oc o o p e r a t e a n dr e s o u r c ea l l o c a t i o n f i r s t l y , w ep r e s e n ta l la p p r o x i m a t eo p t i m u mp o w e ra l l o c a t i o nm e t h o d ( o p a ) t o m a x i m i z et h eu p p e rb o u n do fe r g o d i cc a p a c i t y t h e ni ns t a t i cw i r e l e s sn e t w o r k ， w es t u d yt h ep r o b l e mo fr e l a ys e l e c t i o na n dp o w e ra l l o c a t i o n t h es i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a t t h eo p am e t h o dc a ns i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h ee r g o d i c c a p a c i t ya n dr e d u c et h es y m b o le r r o rr a t i o ( s e r ) t h a ne q u a lp o w e ra l l o c a t i o n m e t h o d f i n a l l y , i n s p i r e db yo p am e t h o d ，w ep r o p o s et w on o v e ljo i n t l yr e l a y 。i i r s e l e c t i o na n d p o w e ra l l o c a t i o na l g o r i t h m s ：s a ra l g o r i t h ma n ds o ra l g o r i t h m t h et w o j o i n t l ya l g o r i t h m sa i mt oo p t i m i z ee r g o d i cc a p a c i t yi na fc o o p e r a t i v e d i v e r s i t yc o m m u n i c a t i o n t h r o u g hm o n t ec a r l os i m u l a t i o n w ed r a wt h e c o n c l u s i o nt h a tj o i n t l yr e l a ys e l e c t i o na n dp o w e ra l l o c a t i o na l g o r i t h m sh a v e b e t t e rt h r o u g h p u tp e r f o r m a n c et h a nt h a to f p a r a l l e l r e l a ys c h e m e f u r t h e r m o r e ， s a ra l g o r i t h mi sb e t t e rt h a ns o ra l g o r i t h mw h e nt h r o u g h p u to ft h e c o o p e r a t i v e d i v e r s i t ys y s t e mi sc o n s i d e r e d k e yw o r d s ：c o o p e r a t i o n d i v e r s i t y , a m p l i f y - a n d - f o r w a r d ( a f ) ，e r g o d i c c a p a c i t y , p o w e ra l l o c a t i o n ，r e l a ys e l e c t i o n 。i 、广 一，；fa 北京邮电大学硕士学位论文协作通信系统中的资源分配算法研究 目录 第一章绪论l 1 1 研究背景。l 1 2 论文选题2 1 3 论文的工作及章节安排3 第二章协作通信技术概述5 2 1 协作通信的提出5 2 1 1 分集技术的基本原理5 2 1 2 分集合并的准则6 2 2 协作通信的概念7 2 3 协作通信的协作方式8 2 3 1 放大转发模式9 2 3 2 解码转发模式1 0 2 3 3 编码协作模式。1 1 2 4 协作通信中的关键技术1 4 2 4 1 中继选择。1 4 2 4 2 功率分配1 6 2 5 系统性能准则1 8 2 6 协作通信的应用前景1 9 第三章放大转发协作通信系统中的中继选择与功率分配2 l 3 1 基于等功率分配的中继选择2 1 3 1 1 基予位置信息或平均信噪比的中继选择方案2 1 3 1 2 基于瞬时信道状况的中继选择方案。2 3 3 1 3 静态无线网络中中继选择的性能分析比较2 4 3 2 基于单个中继的功率分配2 5 3 2 1 单中继系统数学模型2 6 3 2 2 单中继的功率分配分类2 7 3 2 3 基于遍历容量的功率分配方案性能分析2 8 第四章协作通信系统中的联合中继选择和功率分配3 4 4 1 系统模型3 4 4 2 功率分配3 6 4 3 联合中继选择与功率分配3 8 4 3 1s a r 算法3 8 v 。 北京邮电大学硕士学位论文 协作通信系统中的资源分配算法研究 4 3 2s o r 算法3 9 4 3 3 性能仿真与分析4 0 第五章论文总结。4 5 5 1 本论文的主要工作4 5 5 2 后续工作4 6 参考文献4 8 附录5 2 翌谢5 4 攻读硕士学位期间发表的学术论文5 5 ， a l 北京邮电大学硕士学位论文协作通信系统中的资源分配算法研究 1 1 研究背景 第一章绪论 在过去的十年中，全世界的无线移动通信得到了前所未有的发展，这种发展的势头 仍在继续，今后甚至会发展更快【l 】。与此同时，因特网不论是技术还是业务上，都以空 前的速度向前发展。随着掌上电脑、便携式笔记本以及智能手机等的广泛应用，人们对 以无线方式随时随地接入因特网获取信息，将会有迫切的需求。因此，结合无线通信、 计算机和因特网，能为广大用户提供更丰富的业务种类、更广泛的覆盖范围及更快的数 据速率，这是未来通信系统所必备的能力，也是未来通信与业务发展的必然趋势。 第一代移动通信只提供了模拟话音业务。它采用了蜂窝组网技术，蜂窝概念由贝尔 实验室提出，但鉴于它频率利用率低且各系统间没有公开的接口等致命弱点，妨碍了其 进一步的发展，因此模拟蜂窝移动通信必将会被数字蜂窝移动通信所替代。 目前广泛应用的第二代移动通信系统主要有g s m 系统、i s 9 5c d m a 系统等【2 j 。 它实现了模拟话音数字化，并用时分多址代替了频分多址接入方式，大大增加了系统的 用户量。但即使如此，g s m 系统也只能提供2 4 9 6k b p s 甚至1 4 4k b p s 的电路交换语 音业务以及通过g p r s 和e d g e 分别提供1 4 4k b p s 和3 8 4k b p s 的分组交换数据业务； i s 9 5 系统能够提供可变速率接入，其峰值速率可以分别达到9 6k b p s 和1 4 4k b p s ，并 且可以通过使用蜂窝分组数据网络来提供1 9 2 k b p s 的数据业务。很显然，第二代移动 通信系统仍然不能满足用户对多媒体业务的需要p j 。 第三代移动通信系统基于c d m a 技术，由i m t - 2 0 0 0 2 制定的5 种3 g 标准，其中 有三个主流标准分别是欧洲的w c d m a 、北美的c d m a 2 0 0 0 以及中国的t d s c d m a 标准。它们能够提供如下的需求：能提供高速传输( 室内可达2 m b p s 、步行可达3 8 4 k b p s 、 车速可达1 4 4 k b p s ) ；支持不同服务质量要求的全业务；根据不同的带宽需求支持可自 适应变比特速率；满足从对时延敏感的实时业务到相对灵活的尽力而为分组数据的时延 要求；高频谱利用率；支持f d d 和t d d 两种模式的共存。 3 g 系统从理论来讲可以达到2 m b p s 的数据传输速率，即使在高速移动环境中，也 能够实现1 4 4 k b p s 的数据速率。而且3 g 系统后续推出的增强型技术( h s p a - h i g hs p e e d p a c k e ta c c e s s ) 更是将峰值数据传输速率提高到了1 0 m b p s 左右。即使如此，目前的3 g 技术也不能满足不断出现的新业务所需的高速传输速率和可靠的业务质量需求。 另外，与基于封闭式传输的有线通信相比，无线通信具有很多不确定性。无线信道 对信号传输的影响主要有传输衰落、多径衰落引起的频率选择性衰落、多普勒效应引起 的时间选择性衰落等。这些影响可以总结为以下两大困难。 北京邮电大学硕士学位论文协作通信系统中的资源分配算法研究 ( 1 ) 无线信道的衰落。在无线电波传播环境中，由于接收端所处地理位置的复杂 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，那么就会发生反射。 反射主要来自于地面、建筑物和墙面等。如果发射端和接收端之间的障碍物有比较尖锐 的断面，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。衍射的特性取决于障碍物的几何形状、衍射点电波 的幅度、相位以及极化状态。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。无线信道中粗糙的物体表面、树叶、街头标志牌以及 电线杆等都可能发生散射。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叠加而加强，反相叠加而减弱。这些传输路径的长度、信号传输 中的障碍以及发射端和接收端之间的相对运动，都会引起不同的无线信道衰落。 ( 2 ) 频率资源有限。无线通信由于不同传播路径之间信号的相互干扰，频谱资源非 常有限，而用户数却越来越多。为了解决这个问题，除启用新的频段外，还需要研究有 效的新技术，利用这些方法使信号占用最少的频带宽度达到最大的可靠性传输，从而提 高频谱利用率。 为了解决以上两个问题，我们提出了分集技术。分集技术是抵抗多径信道衰落和提 高频谱利用率的有效方式，分为时间分集、频率分集、空间分集等多种方式，其中空 间分集是从不同的位置( 天线) 发送信号，从而在接收端得到经历独立衰落的多个信号 副本，可以有效地消除多径衰落的影响，由于不需要占用额外的时间和频带资源，并且 可以和其他信号处理方式相结合，因此得到了广泛的关注。多输入多输出( m u l t i p l e i n p u t - m u l t i p l eo u t p u t ，m i m o ) 技术在通信链路的发送端与接收端使用多根天线，它能 够将传统通信系统中存在的多径效应变成对用户通信性能有利的因素，在对抗信道衰 落，提高通信链路的数据速率和质量方面有着明显的优势，是近年来研究的热点之一。 1 2 论文选题 为了克服各种衰落，提高无线传输系统性能，研究者提出了m i m o 天线技术即通 过在发射端和接收端上分别安置多个天线，形成m i m o 信道结构，从而充分利用了空 域资源，大幅度提高了信道容量。但是在实际的蜂窝网中，现有的多天线都设置在基站 端，而移动终端则很难安置多天线。这主要有两方面的原因：1 ) 移动终端对体积、质 量和功耗的要求远比基站苛刻得多；2 ) 理想的m i m o 多天线系统要求相邻天线之间 的间距要远大于电波波长，并且多个收发天线之间的传输信道是独立的，而移动终端由 于体积限制，根本无法做到这一点。为此，许多研究者过去一方面提出了相应等效天线 阵等概念，另一方面则致力于研究相关信道下的信号设计。然而，这些解决办法收效甚 微，实际可获得的信道容量比理想值大打折扣，因此极大地限制了m i m o 技术在实践 2 一 a 北京邮电大学硕士学位论文协作通信系统中的资源分配算法研究 中的应用。 为了解决传统空间分集中移动终端的制约，s 饥d o n a r i s 等人【4 】提出了一种新的概念 一协作通信，其基本思想是在多用户通信环境中，使用单个天线的各临近移动用户可按 照一定方式共享彼此的天线协作发送，从而产生一种类似多天线发送的虚拟环境，获得 空间分集增益，提高系统传输性能。这种技术的传输方式不仅仅是传统意义下的基站和 移动用户间的直接通信，它融合了分集方案与中继传输的技术优势。协作通信技术以分 布式方式形成虚拟的多天线传输( x r m u a lm i m o ) ，克服相干距离限制等问题，在不增 加天线数目的基础上，在移动终端实现了多天线传输增益。 研究表明，这种协作通信技术可以像m i m o 技术一样增加系统的信息传输速率，改 善系统性能，提高通信质量，更为重要的是协作通信为m i m o 技术的走向实用化提供 了一个新的途径。它可应用于蜂窝移动通信系统、无线a dh o c 网络、无线局域网以及 无线传感器网络等多种场合，非常具有研究的价值与意义。 在协作通信中，如何提高通信系统的性能是我们研究协作通信的重点，即研究“何 时协作 ，“怎么协作”的问题。无线资源的优化分配能够有效提高协作通信系统的整体 性能，具有重大的意义，无线资源分配主要是指功率资源分配和中继选择。而现有的资 源分配中只是简单地针对功率资源分配进行研究，这就有了局限性。因此本论文提出了 以功率资源分配为契合点，结合中继选择方案，联合考虑这两项技术以提高协作通信系 统的整体性能。 1 3 论文的工作及章节安排 本文的所有工作都是基于放大转发( a f ) 方式的协作通信系统来研究的，主要针 对协作通信系统中的两种关键技术：中继选择和功率分配进行算法研究与分析。针对中 继选择，在等功率分配的情况下，研究了基于位置信息或平均s n r 中继选择和基于即 时信道状况的中继选择方案，并对这两种方案进行对比分析。针对功率分配，基于单中 继的系统模型，研究了以遍历容量作为目标函数的功率方案，并作了理论推算，同时也 对这种以遍历容量为优化目标函数的功率分配方案和等功率分配两种方案进行了比较 分析。最后，在总功率受限的情况下，为了使遍历容量最大化，提出联合中继选择和功 率分配的两种算法，即s - a r 和s - o r 算法。s - a r 算法是在近似最优功率分配方式的情 况下，使得目的节点接收s n r 最大化的中继选择算法。s - o r 算法则是先利用机会中继 方式选择中继，然后对中继进行近似最优功率分配的算法。通过m o n t ec a r l o 仿真可以 得出如下结论：联合考虑中继选择和功率分配的算法要比并行中继算法的吞吐量要好； s - a r 算法要比s - o r 算法的吞吐量要好。 本文的结构如下： 第一章主要介绍了论文的研究背景和选题原因，阐述了本论文的研究内容、研究意 3 北京邮电大学硕士学位论文 协作通信系统中的资源分配算法研究 义以及论文的章节安排。 第二章概述了协作通信的基本原理、协作方式、系统性能准则以及协作通信的应用 前景，是本论文的理论基础。 第三章分别介绍了放大转发协作通信中的两个关键技术：中继选择和功率分配，并 对中继的选择方式和功率分配算法分别做了详细的研究对比。将中继选择归纳为两类： 基于位置信息或平均信噪比中继选择方案和基于瞬时信道信息状况的中继选择方案。利 用m o n t ec a r l o 方法仿真，在等功率分配的情况下，得到基于平均s n r 中继选择方案比 基于瞬时信道状况的中继选择方案的遍历容量性能好的结论。基于单中继系统模型对遍 历容量性能的功率分配进行了理论研究，并通过仿真对该功率分配算法和等功率分配算 法进行进一步的研究。 第四章是在总功率受限的情况下，以遍历容量最大化为目标，提出两种联合中继选 择和功率分配的算法：s - a r 算法和s o r 算法，并利用m o n t ec a r l o 仿真针对这两种联 合考虑中继选择和功率分配的算法与并联中继模型的联合算法进行了深入研究。 第五章是对全文进行了总结，并指出协作通信技术下一步研究的方向。 4 ， 崔 一 北京邮电大学硕士学位论文协作通信系统中的资源分配算法研究 2 1 协作通信的提出 第二章协作通信技术概述 无线通信中用户闻协作通信最初可以追溯到c o v e r 和e 1 g a m a l 在1 9 7 9 年关于中继 信道的研究工作5 1 。中继信道模型是以三个节点为基础，并结合m i m o 技术而提出来的 信道模型。不论是中继信道理论还是m i m o 系统模型，它们的本质思想都是分集技术。 因此，本节我们以分集技术为导线，介绍协作通信是如何提出的。 2 1 1 分集技术的基本原理 分集技术是为了对抗多径衰落，提高移动通信系统性能而发展起来的一项重要技 术。其基本思路是：接收来自多个信道承载同一信息的多个独立信号副本，由于多个信 道传输特性的不同，其信道相关性较少，利用接收信号的统计特性上的不同特点加以区 分，并按一定的规律进行信号处理。由于各个信号同时都深衰落的概率非常小，因此可 以保证至少有一个强度足够大的信号副本可以提供给接收机使用，从而提高接收信号的 信噪比。 分集广义上可以分为宏分集和微分集。宏分集是用于不同地点的多个接收机和发 射机实现的分集方式，以对抗慢衰落为目的。微分集是以对抗快衰落为目的，采用同一 天线方式的分集技术。在传输路径中各种物体产生的反射波、衍射波和散射波相互影响 即多径衰落，以及多普勒频移产生的损耗，都可以通过微分集技术来改善。在移动无线 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： 空间分集、极化分集、频率分集、时间分集等怛j 。 1 空间分集。也称天线分集，简单的说，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。为保证接收信号的不相关性，这就要求天线之间的距离足够大，在理想 情况下，接收天线之间的距离只要波长入的一半就可以了。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，因此空间分集是移动通 信中使用较多的分集形式。 2 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。因此可以在发射端和接收端上分别安装两副天线，一个水平 极化天线，一个垂直极化天线，从而得到两个不相关的信号。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。 3 频率分集。采用两个或两个以上具有一定频率间隔的微波频率同时发送和接收 5 北京邮电大学硕士学位论文协作通信系统中的资源分配算法研究 同一信息，然后进行合成或选择，利用位于不同频段的信号经衰落信道后在统计上的不 相关特性，即不同频段衰落统计特性上的差异，来实现抗频率选择性衰落的功能。实现 时可以将待发送的信息分别调制在频率不相关的载波上发射，所谓频率不相关的载波是 指当不同的载波之间的间隔大于频率相干区间。这一技术比空间分集节省天线数目，缺 点是不仅需要占用更多的频谱资源，而且需要有和频率分集中采用的频道数相等的多个 接收机。 4 时间分集。将同一信号在不同时间区间多次重发，只要各次发送时间间隔足够 大，则各次发送降格出现的衰落将是相互独立统计的。时间分集正是利用这些衰落在统 计上互不相关的特点，即时间上衰落统计特性上的差异来实现抗时间选择性衰落的功 能。时间分集的性能基本由移动台的运动速度决定，若移动台是静止的，时间分集就失 效了。实践证明，当移动台的运动速度大于4 0 k m h ，时间分集能获得很好的效果。这 一技术已经被大量应用于扩频c d m a 的r a k e 接收机中，以处理多径信号。时间分集 与空间分集相比较，优点是减少了接收天线及相应设备的数目，缺点是占用时隙资 源增大了开销，降低了传输效率。 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；但对于空间分集，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。上述分集方式中，空间分集用得较 多，当然还有其它的分集方法。需要指出的是，分集方法均不是互相排斥的。在实际使 用时可以是组合式的。比如，可以采用二重空间分集、二重频率分集来构成四重分集。 2 1 2 分集合并的准则 使用分集技术的通信系统性能常常取决于接收端将如何合并多个信号副本来提高 总的接收端的s n r 。根据所采用的准则和方式，合并一般可以分为最大比合并( m r c ： m a x i m a lr a t i oc o m b i n i n g ) 和等增益合并( e g c ：e q u a lg a i nc o m b i n i n g ) 、选择式合并 ( s c ：s e l e c t i o nc o m b i n i n g ) 。 ( 1 ) 最大比合并 最大比合并是一种线性的合并方法，在接收端由多个分集支路，经过相位调整后， 将各个分集支路的输入信号按照可变增益的权重相加在一起得到的输出信号，可表示 为： 卫 s 2 艺q 墨 ( 2 。1 ) 式( 2 1 ) 中，墨是第i 根接收天线的接收信号，q 是第i 根接收天线的加权因子，刀，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其信号电压和噪声功率比成 正比。设4 和办分别代表接收信号j ，的幅度和相位，假设每根天线具有相同的平均噪声 6 北京邮电大学硕士学位论文协作通信系统中的资源分配算法研究 功率，可以得到相应的加权因子 q=4e-埔(2-2) 最大比合并输出的s n r 等于所有输入信号s n r 之和，为最大的输出信噪比，且译 码过程简单、易实现。但是，最大比合并需要知道信道衰落的幅度和相位信息，因而只 能用于相干检测，而不能用于非相干检测。 ( 2 ) 等增益合并 等增益合并也称为相位均衡，仅对信道的相位偏移进行校正而幅度不做校正，是一 种次优而比较简单的线性合并方法，它不需要估计各个分集支路的衰落幅度，而是将加 权因子的幅度设为1 。 q = p m( 2 3 ) 等增益合并虽然性能比最大比合并略差，但其复杂度比最大比合并低许多。对于 c d m a 系统，它维持了接收信号中各用户信号间的正交性状态，即认可衰落在各个信 道间造成的差异，也不影响系统的信噪比。等增益合并实现比较简单，并且其设备也简 单。 ( 3 ) 选择式合并 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高基带信噪比的 基带信号作为输出，因此输出信号的s n r 等于最好输入信号的s n r 。 2 2 协作通信的概念 协作通信，它既不同于传统意义的空间分集技术，也不同于以往的无线中继技术， 而是目的终端借助一个或多个协作终端天线形成虚拟多天线结构或借助一个或多个协 作终端中继转发信息而完成通信的技术。采用协作，是因为协作通信可以兼具多天线分 集和中继通信的多种优势，克服阴影衰落、多径衰落并且扩展系统覆盖，尤其是在将协 作通信技术实用化等方面具有极大应用价值。 简单地说，协作通信的基本思想就是源节点通过中继节点的帮助向目的节点发送信 息。它的过程基本可以分为两步：第一步，源节点以广播方式发送信号，目的节点和所 有的中继节点收信号，中继节点对接收到的信号进行处理并且为第二步做准备；第二步， 中继节点将第一步处理后的信号发送到目的节点，同时源节点也可以向目的节点直接发 送信号，然后目的节点按照某种合并规则将这两步接收到的信号进行合并，上述协作通 信模型可以用图2 1 来描述。 7 北京邮电大学硕士学位论文协作通信系统中的资源分配算法研究 腙弦，丫 x一，杏赫0 a s ) 眦缸一一一一一一丛 圃 2 3 协作通信的协作方式 图2 - 2两用户协同原理图硼 协作通信有多种分类方式，除了以通信环境为分类依据，按照多址方式或信道的正 交方式，协作通信可以分别在码分多址( c d m a ) 、时分多址( t d m a ) 和频分多址( f d m a ) 等模式下实现。此外，协作通信还可以按照是否要求精确的同步分为同步协作系统和异 步协作系统等【6 j 。 本文按照信号处理方式，将协作通信分为最基本的三种方式：放大转发模式 ( a m p l i f y - a n d f o r w a r d ，a f ) 、解码转发模式( d e c o d e a n d f o r w a r d ，d f ) 和编码协作模式 2 3 1 放大转发模式 放大转发模式( a f ) 最早由l a n o m a n 8 1 等提出，相对于其他两种协议实施起来最简单。 其在中继节点不对接收到的信号进行解调和解码，而是直接将收到的信号进行模拟放大 处理后转发。a f 模型的原理如图2 3 所示，直接进行发射幅度( 功率) 调整，然后转 发给基站。a f 模型的不足之处在于中继节点不光放大了接收到信号，连同接收的噪声 也一起放大，并发送给目的端。 蚊一v 泛d 一一一- 一，而 图2 - 3 放大转发模式 在放大转发模型中，中继节点对接收到源节点发来的附加噪声信号放大： x 2 = 夕儿， ( 2 - 4 ) 并发送给目的节点，目的合并来自源节点和中继节点的信号进行最终判决。为了使中继 节点发射功率相同，根据中继节点类型的不同，放大系数通常取 9 1 或者【1 0 】 届= 屈= ( 2 5 ) ( 2 6 ) 由于届随着源节点到中继节点的瞬时信道响应而变化，而屈则始终是常数，且他们分 别被称为中继节点的可变增益与固定增益。 9 北京邮电大学硕士学位论文协作通信系统中的资源分配算法研究 当多个中继节点可用时，它们可以各自在自己分配的子信道上进行中继传输，此时 它们的传输在目的节点互不干扰；或者它们可以同时进行中继传输，此时它们的传输在 目的节点互相干扰。前者获得相对较好的分集增益，但是降低了频带利用率。 2 3 2 解码转发模式 解码转发模式与c o v e r 等【1 1 】提出的合作随机编码方法最接近。它是指中继要先对接 收信号进行解调，解码和估计，然后将数据进行编码调制后传输到目的节点。该模式的 设计初衷是在中继节点处消去高斯白噪声，从而避免a f 模式中中继对噪声功率的累积 放大。但是，中继节点采用的解码往往是接收信号的非线性变换，虽然可以减少接收噪 声的影响，但是也会因为引入衰落而使性能受到限制。另外的缺点是，如果中继节点对 信息做出了错误的判决，那么错误将被迸一步传输。为了避免这种现象的发生，我们可 以采用循环冗余校验( c y c l i cr e d u n d a n c yc h e e k , c r c ) 技术。d f 模式的原理如图2 4 所示。 d 铽o d e db 晦【氍0 d ea n d fo , * , a f d 图2 _ 4 解码转发模式 在解码转发模式中，中继节点对源节点发送的信号进行译码，然后再对检测 = y s ， ( 2 7 ) ， 、 到的信号进行编码后转发至目的节点，目的节点合并来自源节点和中继节点的信号联合 解码。 由文献 9 】可知，采用d f 方法时，系统最大平均互信息为： k - _ 1 凼 螂+ 姗叫2 ) ，l o g ( 1 + 叫划2 + k 1 2 ) ) ( 2 - 8 ) 1 0 北京邮电大学硕士学位论文协作通信系统中的资源分配算法研究 其中，参数 是由于采用半双工模式造成，使得频谱效率降低。 2 所以，高s n r 下，中断概率为f l o l ： p 。 d 罗( s n r , r 眦陬 r 卜去崭 ( 2 - 9 ) 由( 2 9 ) 式可见，该方法的分集阶数为l ，这是因为要求中继节点必需完全解码源节点信 息，而用户间信道质量未必符合要求，差时势必影响d f 方法性能。 这种模式的优点是比较简单，且对各种信道都有较好的适应性。但问题是当用户间 的信道条件比较差时，作为中继的移动终端有可能无法正确解码，从而危害到目的节点 的最终译码。另外，在这种协议下，基站为了能实现最优化解码需知道两个移动终端间 信道差错特性。 为了避免这个问题，l a n 睨 n f l l l 等提出了选择译码转发( s e l e c t i o nd e c o d e a n d - f o r w a r d ， s d f ) 协议【l o l 。s d f 方法根据用户间信道质量来决定中继节点是否发挥作用，如果质量好， 则在第二阶段由中继节点转发源节点的信息，差的话源节点重复发送信息。 最大平均互信息与中断概率近似表达式依次为【l o 】： 2 3 3 编码协作模式 a f 模式和d f 模式都是采用重复编码的方式，效率较低。h u n t e r 等【1 2 】将信道编码 引入协作通信中，提出了编码协作模式( c c ) 。其基本思想是：每个用户都试图为它的 中继传送冗余信息。编码协作模式是通过两条不同的衰落路径发送每个用户码字的不同 部分。首先对接收到的协作中继的信息进行正确解码，再按照原编码方式重复发送，这 时系统性能的改善是通过在不同空间重复发送冗余获得的。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。c c 模 式的原理如图2 5 所示。 北京邮电大学硕士学位论文协作通信系统中的资源分配算法研究 r e - e n c o d e c lp 柳：咄d o o p 岢永i o n 图2 5 编码协作模式 编码协作的具体方法如图2 6 所示，首先把移动终端要发送的信息比特化成块进行 编码，然后加上循环冗余校验( c r c ) 码。在协作通信时将要发送的信息编成码后分成 两段，分别含有川和2 比特，那么原始的码数就是m + m 比特。其中m 比特就是想要 的信息比特，比特是穿孔信息比特。 辫l 馥维2 铁 l 瓶用户l 昀比特l 憋粥户2 酶吃褥i 翔婿“量 翔户l 哦 一。少u 。、，一：，主么 心蟛；多 删 国，匾匝预殛亚亟巫圃 1 2 北京邮电大学硕士学位论文 协作通信系统中的资源分配算法研究 是在快衰落的条件下，编码协作会牺牲上行信道质量相对较好的终端的性能。为了解决 这个问题，j a n a i 在文献【1 4 l 中提出了空时编码协作的思想。 空时编码协作是将空时编码应用到编码协作中去，它与一般的编码协作最大的不同 是在一般的编码协作中，移动终端只在自己的多址信道发送协作信息，空时编码协作中 每个移动终端会同时在自己和其协作伙伴的多址信道上发送信息。 空时编码分集基本思想：在第二阶段中继节点同时发送本节点在第一阶段所发送的 信息和中继源节点所传送的信息到目的节点。具体通信过程如图2 7 所示。 c h 1 c h 2 嘶l 蝴a 口u 蝌ld a t a n o c o o p e r a t i o nc o o p e r a t i o ns p a c e - t i m ec o o p e r a t i o n 图2 7 空时编码分集与编码协作分集、无分集的比较 图2 7 为空时编码分集与编码协作分集，无分集的比较。横轴为时间轴，纵轴为频 率轴，采用2 用户的频分复用( f d m a ) 方式。在编码协作分集和空时编码分集中，将原 本无分集时所占用的时间分为2 个时隙，分别对应为阶段1 和阶段2 。其中，阶段1 的