（通信与信息系统专业论文）无线网络中协作分集和中继选择机制研究.pdf

山东大学硕士学位论文 中文摘要 无线信道遭受的衰落会严重降低检测性能。空间分集可以有效地抵抗衰落所 带来的有害作用。空间分集一般是通过从不同位置传输信号使得目的节点可以收 到相同信号独立衰落的不同副本来获得的。为了实现空间分集，无线网络的节点 需要支持多根天线，如多输入多输出( 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 ) 系统。 然而，因为大小，成本，硬件限制等原因，一个无线节点可能支持不了多根天线。 近来，人们提出协作通信( c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n ) 技术来解决这个问题。其 基本思想是无线网络中单天线的节点共享它们的天线并像虚拟m i m o 系统一样协 作传输，进而形成空间分集来有效抵抗多径衰落。在转发接收到的信号时，中继 节点可以采用放大转发( a m p l i f y a n d f o r w a r d , a f ) 和译码转发( d e c o d e a n d f o r w a r d , d f ) 两种转发机制。在译码转发机制中，中继译码并重传接收的信号。然而，在放 大转发机制中，中继仅仅简单地放大并重传接收到的含有噪音的信号。 协作通信中还有许多问题需要去解决。其中一个是协作分集机制，即什么时 候协作并且怎样协作。另外一个重要的问题是多中继节点网络中的中继选择问题， 换句话说，就是如果有多个可用的中继节点，和谁协作的问题。传统方法是邀请 所有可用的中继节点都转发信号，目的节点采用最大比合并( m a x i m u mr a t i o c o m b i n i n g ，m r c ) 技术来结合收到的所有信号。然而，近来一种新的观点认为在每 一次源节点与目的节点的传输中，仅一个最佳的节点应该被选出来作为中继。这 种最佳中继选择机制的性能优于传统的协作网络( 所有可用的中继都转发信号) ，并 可以通过有限反馈以一种分布式的形式实现。试验结果表明，这种最佳中继选择 机制可以和传统的协作网络在中断概率上达到相同的分集阶数。 基于这些问题，本论文着重对无线网络巾协作分集和巾继选择机制进行研究。 论文的主要贡献及创新点有： ( 1 ) 结合增量d f 中继策略和选择d f 中继策略，提出了一种新的协作分集方 案，命名为增量选择d f 中继。同时，推导了增量选择d f 中继和增量d f 中继 两种机制误比特率( b i te r r o rr a t e ，b e r ) 的闭式表达式。进而讨论了信噪比( s i g n a lt o n o i s er a t i o ，s n r ) 门限对b e r 的影响。 山东大学硕士学位论文 ( 2 ) 针对独立不同分布的r a y l e i g h 信道环境，分析了基于s n r 的译码放大混 合转发( h y b r i dd e c o d e a m p l i f y - f o r w a r d , h d a f ) 协作分集机制的性能，推导了h d a f 机制误b e r 的闭式表达式。采用计算机仿真对理论分析进行了验证并调查了s n r 门限和中继节点位置对b e r 性能的影响。 ( 3 ) 分析了d f 协作网络中机会中继( o p p o r t u n i s t i cr e l a y i n g ，o r ) 机制的平均误符 号率( s y m b o le i t o rr a t e ，s e r ) 性能。信道环境是独立不同分布的r a y l e i g h 信道，接 收端采用m r c 技术，调制方式是m - p s k ，推导出了固定译码转发( f i x e dd f , f d f ) 机会中继和自适应译码转发( a d a p t i v ed f , a d d 机会中继两种机制平均s e r 的近似 闭合表达式。最终用仿真结果验证了理论推导的正确性。 ( 4 ) 在采用d f 机制和目的节点采用等增益合并( e q u a lg a i nc o m b i n i g ，e g c ) 的情 境下，研究了选择协作( s e l e c t i o nc o o p e r a t i o n , s c ) 中继选择机制的性能。假设信道经 历独立不同分布的r a y l e i g h 衰落信道，首先推导了目的节点采用等增益合并后总 瞬时s n r 的累积分布函数( c u m u l a t i v ed i s t r i b u t i o nf u n c t i o n , c d f ) 和概率密度函数 ( p r o b a b i l i t yd e n s i t yf u n c t i o n , p d f ) 。接着这些统计函数被用来推导选择协作机制中 断概率和平均s e r 的闭式表达式。此外，在选择协作机制的基础上，为译码转发 中继网络提出一种改进型的选择协作( i s c ) 机制。信道环境是独立不同分布的 r a y l e i g h 信道，接收端采用m r c 技术，推导出了i s c 机制的平均s e r 的闭合表 达式。 论文最后总结了该领域尚待解决的问题以及下一步的研究重点。 关键词：协作分集，中继选择，性能分析，无线网络。 2 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ew i r e l e s sc h a n n e ls u f f e r sf r o mf a d i n g ，w h i c h 咖s e r i o u s l yd e g r a d ed e t e c t i o n p e r f o r m a n c e s p m i md i v e r s i t yc a ne f f e c t i v e l yc o m b a tt h ed e l e t e r i o u se f f e c t so ff a d i n g ， w h i c hi s g e n e r a t e db yt r a n s m i t t i n gs i g n a l sf r o md i f f e r e n tl o c a t i o n s ，a l l o w i n g i n d e p e n d e n t l yf a d e dv e r s i o n so ft h es i g n a la tt h er e c e i v e r t or e a l i z es p a t i a ld i v e r s i t y , t h en o d e si nw i r e l e s sn e t w o r k sn e e dt o s u p p o r tm o r et h a no n ea n t e n n a ( e g ， 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 ) s y s t e m ) h o w e v e r , d u et os i z e ，c o s t , o r h a r d w a r el i m i t a t i o n s ，aw i r e l e s sn o d em a yn o tb ea b l et o s u p p o r tm u l t i p l et r a n s m i t a n t e n n a s c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o ni nw i r e l e s ss y s t e m sh a sr e c e n t l ye m e r g e dt oo v e r c o m e t h i sp r o b l e m t h eb a s i ci d e ai st h a ts i n g l e - a n t e n n an o d e si naw i r e l e s sn e t w o r k ss h a r e t h e i ra n t e n n a sa n dt r a n s m i tc o o p e r a t i v e l ya sav i r t u a lm i m os y s t e m ，t h u sr e a l i z i n g s p a t i a ld i v e r s i t yt om i t i g a t ef a d i n gw i t h o u tr e l y i n go nm u l t i p l ea n t e n n a s b a s e do nt h e l e v e lo fs i g n a lp r o c e s s i n ga tt h er e l a y , c o o p e r a t i v er e l a y i n gs c h e m e sc a nb ec l a s s i f i e d 嬲 a m p l i f y - a n d - f o r w a r d ) r e l a y i n g a n dd e c o d e - a n d - f o r w a r d ( d e ) r e l a y i n g i nd f r e l a y i n g ，t h er e l a yd e t e c t sa n dt h e nr e t r a n s m i t st h ed e t e c t e ds i g n a l ，w h e r e a st h er e l a y j u s ta m p l i f i e sa n dr e t r a n s m i t st h en o i s ys i g n a li na fr e l a y i n g m a n yi s s u e si nc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n ss t i l ln e e dt ob ea d d r e s s e d a ni m p o r t a n t q u e s t i o ni sc o o p e r a t i v ed i v e r s i t ys c h e m e ，i e ，w h e na n dh o wt oc o o p e r a t e a n o t h e r i m p o r t a n ti s s u ei sr e l a ys e l e c t i o nm e t h o di nm u l t i - r e l a yn e t w o r k s i no t h e rw o r d s ，w h o t oc o o p e r a t ei ft h e r em o r et h a no n er e l a y s ? t r a d i t i o n a l l y , a l la v a i l a b l en o d e sf i l e r e q u e s t e dt or e l a ys i g n a l sb e t w e e nt h es o u r c ea n dd e s t i n a t i o n , a n dt h ed e s t i n a t i o nw i l l c o m b i n ea l lr e c e i v e ds i g n a lw i t hm a x i m u mr a t i oc o m b i n i n go v i r c ) t e c h n i q u e i th a s r e c e n t l yb e e np r o p o s e d ，h o w e v e r , t h a tf o re a c hs o u r c e - d e s t i n a t i o nt r a n s m i s s i o n ，o n l ya s i n g l eb e s tn o d es h o u l db es e l e c t e dt oa c t 嬲ar e l a y t h er e s u l t i n gs c h e m eo u t p e r f o r m s m r cs c h e m e sa n dc a nb ei m p l e m e n t e di nad i s t r i b u t e df a s h i o nw i t hl i m i t e df e e d b a c k t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h i ss c h e m eh a st h es a m ed i v e r s i t yo r d e ri nt e r m so ft h eo u t a g e 3 山东大学硕士学位论文 p r o b a b i l i t ya st h er e g u l a rc o o p e r a t i v en e t w o r k s ，w h e r ea l l t h er e l a y sp a r t i c i p a t ei n s e n d i n gt h es o u r c es i g n a lt ot h ed e s t i n a t i o n b a s e do nt h ea f o r e m e n t i o n e di s s u e so fc o o p e r a t i v en e t w o r k s ，w ec o n c e n t r a t eo u r e f f o r t so nt h er e s e a r c ho fc o o p e r a t i v ed i v e r s i t ya n dr e l a ys e l e c t i o ns c h e m e sf o rw i r e l e s s n e t w o r k s t h em a i nc o n t r i b u t i o na n di n n o v a t i o nc a nb es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： ( 1 ) an o v e lr e l a y i n gs c h e m ei nc o n j u n c t i o nw i t hi n c r e m e n t a ld fr e l a y i n ga n d s e l e c t i v ed fr e l a y i n gs t r a t e g i e s ，t e r m e di n c r e m e n t a l - s e l e c t i v ed fr e l a y i n g ，i sp r o p o s e d a n da n a l y z e d c l o s e d f o r m e x p r e s s i o n s f o rb i te r r o rr a t e ( b e r ) o fb o t ht h e i n c r e r n 胁t a l - s e l e c t i v ed fr e l a y i n gs c h e m ea n dt h ei n c r e m e n t a ld fr e l a y i n gs c h e m ea 陀 d e r i v e d i na d d i t i o n , t h ee f f e c to fs i g n a l - t o - n o i s er a t i o ( s n r ) t h r e s h o l do nt h eb e ri s d i s c u s s e d ( 2 ) w ea n a l y z et h ep e r f o r m a n c eo fs n r - b a s e dh y b r i dd e c o d e - a m p l i f y f o r w a r d ( h d a f ) r e l a y i n gc o o p e r a t i v ed i v e r s i t yn e t w o r k so v e ri n d e p e n d e n tn o n i d e n t i c a l f l a t r a y l e i g hf a d i n gc h a n n e l sw i t hm r ct e c h n i q u e c l o s e d f o r me x p r e s s i o nf o rt h eb e r o f t h eh d a f r e l a y i n gs c h e m ei sd e r i v e d c o m p u t e rs i m u l a t i o n sa l ec a r r i e do u tt oi l l u s t r a t e a n dv a l i d a t e t h ec o r r e c t n e s so fa n a l y t i c a lr e s u l t s b e s i d e s ，t h ei m p a c t so ft h es n r t h r e s h o l da n dr e l a yl o c a t i o no nt h ep e r f o r m a n c e so fb e ra l ei n v e s t i g a t e d ( 3 ) w ea n a l y z et h es y m b o le r r o rr a t e ( s e r ) p e r f o r m a n c eo fc o o p e r a t i v ed i v e r s i t y n e t w o r k s 、 ，i t ho p p o r t u n i s t i cd fr e l a y i n g a s s u m i n gt h a tc h a n n e l ss u f f e rf r o m i n d e p e n d e n tn o n i d e n t i c a lr a y l e i g hf a d i n ga n ds y m b o l sa r em - p s km o d u l a t e d , t h e a p p r o x i m a t ec l o s e d - f o r ms e re x p r e s s i o n sa 心d e r i v e df o ro p p o r t u n i s t i cr e l a y i n gw i t h a d a p t i v ed f ( a d f ) a n d 血e dd f ( f d f ) p r o t o c o l s ，r e s p e c t i v e l y s i m u l a t i o n sa 北c a r r i e d o u tt ov a l i d a t et h et h e o r e t i c a la n a l y s i s ( 4 ) r 1 1 l ep e r f o r m a n c e so fs e l e c t i o nc o o p e r a t i o n ( s c ) a r ei n v e s t i g a t e di na s c e n a r i o b a s e do nd f r e l a y i n ga n dw h e r ee q u a lg a i nc o m b i n i n g ( e g c ) t e c h n i q u ei sa d o p t e da t t h ed e s t i n a t i o n a s s u m i n gt h a tc h a n n e l s5 a f t e rf r o mi n d e p e n d e n tn o n - i d e n t i c a lr a y l e i g h f a d i n gw ef i r s t d e r i v et h ec u m u l a t i v ed i s t r i b u t i o nf u n c t i o n ( c d f ) a n dp r o b a b i l i t y d e n s i t yf u n c t i o n ( p d f ) f o rt h et o t a li n s t a n t a n e o u ss n r a tt h ed e s t i n a t i o na f t e re g c t h e n , t h e s es t a t i s t i c a lf u n c t i o n sa r eu s e dt od e r i v ec l o s e d - f o r me x p r e s s i o n sf o ro u t a g e 山东大学硕士学位论文 s e ro fs e l e c t i o nc o o p e r a t i o n b e s i d e s ，a l li m p r o v e ds e l e c t i o n c o o p e r a t i o n ( i s c ) s c h e m ef o rd fr e l a y i n gi sp r o p o s e db a s e do ns e l e c t i o nc o o p e r a t i o n ( s c ) s t r a t e g y a s s u m i n gt h a tc h a n n e l ss u f f e rf r o mi n d e p e n d e n tn o n i d e n t i c a lr a y l e i g h f a d i n g ，w ed e r i v ec l o s e d - f o r me x p r e s s i o nf o rt h ee x a c ts e ro fl s cs c h e m e f i n a l l y , p r o b l e m st ob es o l v e di n t h i sf i e l da n df u t u r er e s e a r c ht o p i c sa r es u m m a r i z e d k e yw o r d s ：c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y , r e l a ys e l e c t i o n , p e r f o r m a n c ea n a l y s i s ，w i r e l e s s 5 山东大学硕士学位论文 蛏 d f h d a f a d f f d f 眦 b e r s e r c r c c s i c d f p d f m i m o 瓜c e g c o r s c b p s k q p s k 8 p s k 1 6 - p s k l 昏q a m 6 缩略语简表 a m p l i f y a n d f o r w a r d d e c o d e a n d f o r w a r d h y b r i dd e c o d e - a m p l i f y - f o r w a r d a d a p t i v ed e c o d e - a n d - f o r w a r d f i x e dd e c o d e a n d f o r w a r d s i g n a lt on o i s er a t i o b i te r r o rr a t e s y m b o le r r o rr a t e c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c kc o d e c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n c u m u l a t i v ed i s t r i b u t i o nf u n c t i o n p r o b a b i l i t yd e n s i t yf u n c t i o n m u l t i p l em p u tm u l t i p l eo u t p u t m a x i m a lr a t i oc o m b i n i n g e q u a lg a i nc o m b i n i n g o p p o r t u n i s t i cr e l a y i n g s e l e c t i o nc o o p e r a t i o n b i n a r yp h a s e - s h i f tk e y i n g q u a d r a t u r ep h a s e - s h i f tk e y i n g 8p h a s e - s h i f tk e y i n g 16p h a s e s h i f tk e y i n g 16q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n 放大转发 译码转发 译码放大混合转发 自适应译码转发 固定译码转发 信噪比 误比特率 误符号率 循环冗余校验码 信道状态信息 累积分布函数 概率密度函数 多输入多输出 最大比合并 等增益合并 机会中继 选择协作 二进制相移键控 四相相移键控 八相相移键控 十六相相移键控 十六符号正交幅度调制 山东大学硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 日益增大的无线多媒体和交互式因特网服务需求，加上小型通信和计算设备 的快速繁殖，促使我们去为高速、可靠和经济的传输方案设计新颖的无线通信系 统架构。另外，移动环境自身具有的特性，如节点移动性带来网络拓扑的变化、 节点自身的资源和能力有限、移动网络带宽受限、网络连接不稳定等，使得高速 传输与覆盖的矛盾也日益尖锐。在上个世纪，通信理论领域一个显著的发展就是 多输入多输f l ( m i m o ) 通信，其已经有了实际方案如空时码和空间复用。m i m o 系 统通过在发射端或者接收端采用多天线明显提高了链路可靠性和频谱效率。蜂窝 系统中基站采用多天线技术是非常有吸引力的，第三代蜂窝标准中已经包含了这 项技术。m i m o 技术的一些变种也已经成为了已存在和新兴的无线标准的一部分， 例如i e e e8 0 2 1 1 ( w i f i ) ，i e e e8 0 2 1 6 ( w i m a x ) ，和i e e e8 0 2 2 0 ( m b w a ) 。 然而，由于无线设备的大小和能量等限制，m i m o 技术的部署并一定总是可 行的，例如蜂窝网络的移动设备和近些年来日益流行的无线传感器网络和自组织 网络。协作分集( c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y ) ，也叫做协作通信( c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n s ) 是一种不需要采用多天线技术而能获得空间分集的新颖方法。协作通信的概念是 对基于点对点通信的传统网络设计的根本性转变。代替了经典网络中孤立的通信 对，协作通信的网络架构是节点之间互相帮助转发信息从而实现空间分集，进而 提高节点自身的性能以及整个网络的性能。协作通信技术充分利用了无线传输的 广播特性，通过节点之间的协作有效地形成了虚拟天线阵列。这种新的传输方式 使得链路稳定性、频谱效率、系统容量和传输范【同等性能郡有了明显提高。 协作通信可以被应用于基于基础设施的网络，例如蜂窝系统，无线局域网 ( w l a n ) 和无线城域网( w m a n ) ，同样也可以应用于无基础设施的网络，例如移动 自组织网络( m a n e t ) ，车辆自组织区域网络( v a n e t ) 以及无线传感器网络( w s n ) 。 因为拥有很大的潜在目标市场和无可置疑的优点，协作通信已经成为了无线通信 领域的一大研究热点。 7 山东大学硕士学位论文 协作分集的研究起初源于蜂窝网络，与蜂窝网络相比，协作技术更适用于自组 织网络( a dh o e ) 无线网络和无线传感网络( o c s n ) ，因为在自组织网络和无线传感器 网络中，每个终端近围存在丰富的邻居终端，这些邻居终端为协作分集技术的实 现提供了天然的中继。协作通信作为一种新兴的技术，许多相关问题有待于解决。 如“如何协作 ，“在什么情况下协作 等协作分集机制问题：“和谁协作 ，即协 作中继的选择等问题。只有解决了这些问题，才能使得这项技术逐渐走向实用。 这对于实现新一代无线宽带通信系统具有重要的意义。 本论文主要对无线协作通信网络中协作分集和中继选择机制进行研究并对不 同机制进行性能分析。主要以信息论与概率统计为数学工具，深入地研究已存在 的协作通信系统模型，针对不同的协作模型和中继节点转发方式等条件，推导性 能评判准则的数学表达式，详细讨论和比较了各协作系统性能、各种参数对系统 性能的影响，由此为进一步的理论研究和工程设计提供理论依据。 1 2 国内外研究现状 近年来，从事于无线通信研究的学者将大量的精力投入到协作分集机制和协 议的发展上。起初，大家的研究主要基于一个三节点的系统模型，即一对源节点 和目的节点之间通过一个中继节点的帮助进行通信【1 】- 【5 】。文献【l 】介绍了三种协作 通信网络中中继节点转发信号的方案，包括放大转发( a m p l i f y a n d - f o r w a r d ，a f ) ，译 码转发( d e c o d e a n d f o r w a r d , d f ) 和编码协作( c o d e dc o o p e r a t i o n ) 。在a f 方案中，中 继节点适当放大接收信号之后转发到目的节点，有用信号被放大了同样噪声也被 放大了。在d f 中继转发方式中，中继节点先对接收到的信号进行译码处理，然后 再进行编码调制并转发到目的节点。相对于a f 方式，d f 方式可以避免第一跳中 引入的噪声，然而如果巾继节点译码错误并将错误信号转发到口的节点，这样很 有可能会导致目的节点译码错误，性能甚至比不合作的情况还要差。另外一种编 码协作策略结合了d f 方式和信道编码，中继节点将正确译码的合作伙伴的信号重 新编码，从而传送了不同的冗余信息，增强了目的节点的译码能力。基于三节点 协作模型，i , a n e m f l $ 1 等 2 】深入研究了协作分集的实现策略，提出了一些低复杂度 的协作策略，包括固定中继( f i 】x e dr e l a y i n g ) 、选择中继( s e l e c t i o nr e l a y i n g ) 和增量 8 山东大学硕士学位论文 中继( i n c r e m e n tr e l a y i n g ) 。在固定中继策略中，中继节点采用a f 或d f 中继机制 始终转发接收到的信号。选择中继策略建立在固定中继策略的基础上，只有在接 收信号的质量满足预先设定的准则时中继节点才会前传信号。增量中继策略比前 两种策略的频谱效率都高，只有在需要的时候，目的节点才会通过有限反馈通知 中继节点前传信号。文献【3 】综述了协作无线通信的分布式调制技术，描述了四种 不同的机制，并讨论了中继策略，结合方法和b e r 分析等问题。在独立不同分布 的n a k a g a m i m 信道环境下，文献【4 】分析和比较了固定d f 和选择d f 的误比特率 性，推导了固定d f 和选择d f 两种机制误比特率的闭式表达式。在文献【5 】中，作 者基于源中继、中继目的、源目的等链路的s n r 分别研究了选择d f 机制的性 能。 然而现实网络中在源节点和目的节点之间可能存在多个作为中继的节点，三 节点协作系统模型有点过于理想。因此，学者们提出了一个更加实际的多中继协 作系统模型( 一对源节点和目的节点在多个中继节点的帮助下进行通信) 。随着这个 系统模型的出现，一个很自然的问题也随之出现了：应该有多少个节点对源节点 和目的节点之间的数据传输进行帮助呢? 最直接的方法就是邀请所有的可用的节 点进行协作【6 】- 【1 1 】。目的节点将接收到的所有信号进行最大比合并( m r o 。这种 合并一般有三种方式：预编码 1 2 】【1 3 、正交传输和一个最大比合并器【1 4 】、分布 式空时编码 8 1 5 1 。然而，正交传输的效率很低并且会造成频谱利用率的下降，预 编码和分布式空时编码需要准确的信道信息( c s d 和严格的符号级的同步。从实现 的角度来看，这些方式都存在一定的困难。为了克服这些困难，最佳中继选择被 提出来作为分布式系统中实现协作分集的一种实际且有效的方法。最佳中继选择 将协作限制一个最佳的节点上，解决了多个节点传输的问题。因为在每次c s i 发 生改变的时候仅仅一个最佳的节点会被选为中继，所以很明显最佳中继选择机制 的分集阶数和m r c 方式是一样的。 机会中继( o p p o r t u n i s t i cr e l a y i n g , o r ) 【16 和选择协作( s e l e c t i o nc o o p e r a t i o n , s c ) 1 7 是两种典型的最佳中继选择方案。o r 机制在选择最佳节点时需要所有中继 节点相邻两跳的瞬时信道信息，所有可用节点中两跳瞬时信噪比最小值最大的节 点被选为中继节点。在s c 机制中，所有可以正确解出源节点信息的中继节点组成 一个集合，在这个集合中，后一跳瞬时信噪比最大的节点被选为中继节点。o r 机 9 山东大学硕士学位论文 制适用于a f 和d f 两种中继策略，而s c 机制一般只适用于d f 协议。近几年， 有大量的文献对这两种最佳中继选择机制进行了性能分析，包括中断概率、误符 号率( s e r ) 、误比特率( b e r ) 、遍历系统容量和系统分集阶数等等。在文献【1 8 】中， 作者调查了放大转发机会中继机制在n a k a g a m i m 信道下的中断概率。文献 1 9 1 分 析了放大转发机会中继机制的准确平均s e r 性能。文献 2 0 1 针对独立不同分布 r i c i a n 衰落信道，推导了放大转发机会中继机制s e r 的紧致近似表达式。另外， s l e e 等学者研究了r a y l e i g h 衰落信道下译码转发机会中继的性能 2 1 1 ，分析了端 到端的准确平均s n r 和遍历容量。在文献【2 2 】中，q ez h o u 等学者推导了信道信 息( c s r ) 协助的放大转发机会中继协作网络的性能上下界，包括中断概率、遍历可 达到的速率和平均s e r 。文献 2 3 1 的作者在多源节点的协作网络模型下分析了译码 转发选择协作机制的中断概率性能。在目的节点采用m r c 接收机和n a k a g a m i m 信道环境的条件下，文献 2 4 1 调查了译码转发选择协作机制中断概率准确值和上限 值。s s i k k i 等作者在独立非同分布的r a y l e i g h 信道环境下推导了s c 机制中断概 率和平均信道容量的闭合表达式 2 5 】。 此外，考虑到最佳中继节点到目的节点信道的信道状态不一定优于源节点到 目的节点的直接路径的信道状态，文献 2 6 1 对o r 机制进行了改进，结果表明改进 机制的性能优于原始的机制。另外，在一些应用比如a dh o e 和w s n 网络，不断 监控不同链路之间的全局连通性不仅消耗宝贵的电池能量还给网络引进了额外的 延时，因此前两种经典的最佳中继选择方案并一定不适合这些网络。为了解决这 些问题，在文献【2 7 】中，作者为a f 方案提出了种次优的最佳中继选择方案，命 名为部分中继选择( p a r a a lr e l a ys e l e c t i o n ) 。在这种方案中，中继选择仅仅需要第一 跳的c s i 。文献 2 8 1 - 【3 l 】对这种次优的选择方案进行了各种性能分析。文献 2 8 1 分 析了采用部分中继选择时半盲a f 协作网路的性能，给出了中断概率和b s r 的闭 式表达式。在文献 2 9 1 中，作者推导了采用部分中继选择的半盲a f 协作网络端到 端信噪比的相关统计函数的闭式表达式。文献【3 0 】研究了目的节点采用多天线对部 分中继选择a f 协作网络性能的影响，通过系统中断概率的上下限，文章给出了系 统的分集阶数。在文献【3 l 】中，作者针对n a k a g a m i m 信道环境，研究了固定增益 a f 网络采用部分中继选择时的分集和编码增益。另外，之前对于各种最佳中继选 择机制的性能分析都是在理想条件下进行的，即假设信道实时状态的估计是准确 1 0 山东大学硕士学位论文 的而且在每一次源节点和目的节点的通信过程中信道状态是保持不变的，然而实 际的环境中并不是这么理想的，考虑到这些，最近，有学者开始在更实际的环境 下对各种中继选择方案进行性能分析【3 2 】- 【3 7 】，这些工作中考虑到了信道估计的误 差以及考虑到从中继选择到开始传输数据期间的信道状态可能已经发生变化等。 1 3 本论文的研究内容和主要贡献 本文研究内容主要集中在两个大方面。一方面，基于三点协作模型研究了协作 分集机制，即什么时候协作并且怎样协作等问题。结合了选择中继和增量中继两 种方案，提出了一种增量选择译码转发中继协作机制并对此机制的误比特率性能 进行了分析。另外，在更加实际的系统模型中分析了译码放大混合转发( h d a f ) 策 略的误比特率性能。另外一个方面，对多中继协作网络中的中继选择方案进行了 研究。推导了译码转发机会中继机制平均s e r 性能的近似闭式表达式。此外，调 查了目的节点采用等增益合并( e g c ) 情况下选择协作机制的性能，并为译码转发中 继方案提出了一种改进型选择协作机制。 本论文的主要贡献分为以下四个部分： ( 1 ) 结合增量d f 中继策略和选择d f 中继策略，提出了一种新的协作分集方 案，命名为增量选择d f 中继。同时，推导了增量选择d f 中继和增量d f 中继 两种机制b e r 性能的闭式表达式。进而讨论了s n r 门限对b e r 的影响。 ( 2 ) 针对独立不同分布的r a y l e i g h 信道环境，分析了基于s n r 的h d a f 协作 分集机制的性能，推导了h d a f 机制误b e r 的闭式表达式。采用计算机仿真对理 论分析进行了验证并调查了s n r 门限和中继节点位置对b e r 性能的影响。 ( 3 ) 分析了d f 协作网络中机会中继( o r ) 机制的平均s e r 性能。信道环境是独 立不同分枷的r a y l e i g h 信道，接收端采用m r c 技术，调制方式足m - p s k ，推导 出了固定译码转发( f d f ) 机会中继和自适应译码转发( a d f ) 机会中继两种机制平均 s e r 的近似闭合表达式。最终用仿真结果验证了理论推导的正确性。 ( 4 ) 在采用d f 机制和目的节点采用e g c 的情境下，研究了选择协作( s c ) 中继 选择机制的性能。假设信道经历独立不同分布的r a y l e i g h 衰落信道，首先推导了 目的节点采用等增益合并后总瞬时s n r 的累积分布函数( c d f ) 和概率密度函数 山东大学硕士学位论文 ( p d f ) 。接着这些统计函数被用来推导选择协作机制中断概率和平均s e r 的闭式表 达式。此外，在选择协作机制的基础上，为译码转发中继网络提出一种改进型的 选择协作( i s c ) 机制。信道环境是独立不同分布的r a y l e i g h 信道，接收端采用m r c 技术，推导出了i s c 机制的平均s e r 的闭合表达式。 1 4 论文的章节安排 第一章为绪论，主要介绍了协作通信技术的研究现状，论文的研究背景及主 要研究内容。 第二章结合了增量译码转发中继和选择译码转发中继两种机制，提出了增量一 协作译码转发中继方案，并对新方案的误比特率进行了分析。 第三章分析了基于信噪比的译码放大混合转发协作分集机制的误比特率性 能，并调查了信噪比门限和中继节点位置对误比特率性能的影响。 第四章推导出了固定译码转发机会中继和自适应译码转发机会中继两种机制 平均误符号率的近似闭合表达式。 第五章研究了等增益合并下选择协作的中断概率和平均误符号率性能。此外， 在选择协作机制的基础上，为译码转发网络提出一种改进型的选择协作策略。 第六章总结了本论文，提出了下一步的研究重点，并对研究方向进行了展望。 山东大学硕士学位论文 第二章基于增量选择协议的译码转发机制及其性能分析 2 1 引言 在文献【2 】中，作者为无线协作网络提出了一些低复杂度的协作分集协议，例 如，选择d f 机制和增量d f 机制。在选择d f 机制中，中继通过评估的信号质量和事 先预定的度量标准之间的比较来决定是否译码并转发当前接收到的信号( 例如，接 收信号的s n r 大于预定的门限) 。这种机制和固定d f 方式( 中继始终检测并转发收到 的信号) 相比，可以明显地提高b e r 性能。在增量d f 机制中，目