（通信与信息系统专业论文）无线协作网络的性能及功率分配研究.pdf

摘要 随着人们对移动通信业务需求的不断增长，移动通信系统正朝着高速、宽带、 多业务和低成本的方向飞速发展。多输入多输出( m i m o ) 技术充分开发空间资源， 利用多个天线实现多发多收，在不需要增加频谱资源和发送功率的情况下，可以 成倍提高信道容量，有效提高通信系统的频谱利用率和可靠性。但是，由于成本、 功耗和体积等因素，在一些移动终端很难安置多根天线，从而严重阻碍了多天线 技术在无线通信系统中的应用。协作分集技术通过天线的协作共享，形成一个虚 拟的多天线系统，从而获得可观的分集增益，为m i m o 技术的实用化提供了一条途 径。本论文完善了无线协作网络相关的性能分析，在此基础上，通过功率优化分 配进一步提高了系统的性能，主要工作概括为： 1 基于放大转发( a f ) 的协作系统 采用a f 协作时，中继不需要译码，支持盲接入，实现复杂度低，可应用到众 多系统。采用a f 协作导致源到目的节点信道为重叠信道，增加了理论分析困难。 论文基于已有研究，重点解决： 其一，多中继系统的最优功率分配问题。首先推导了瑞利衰落信道下传统多 中继a f 协作系统在m - p s k 和m - q a m 调制方式下的平均误符号率( s e r ) 及高信噪比 ( s n r ) 下的s e 砌丘似值，接着，基于此近似值，在总功率一定的条件下，采用l a g r a n g e 乘数法得出了最优功率分配的闭式解。结果表明：与等功率分配相比，功率优化 分配可以降低系统s e r ，且杯p s k 和m - q a m 方式下的最优化功率分配相同，与源 和目的节点之间的直达路径的信道质量无关，仅依赖于与中继相连的信道质量。 其二，针对现有的基于a l a m o u t i 码的放大转发协作协议( a f d s t c ) 频谱效率 较低的问题，提出了一种新的基于a l a m o u t i 码的高效选择性放大转发协作协议 ( s a f d s t c ) ，将协作过程从原来的四个时隙缩短至三个时隙，频谱效率由l 2 提 高到了2 3 。结果表明：在保持相同频谱效率情况下，s a f d s t c 在系统所耗功率， 中断概率和误比特率方面都优于a f d s t c 。 2 基于译码转发( d f ) 的协作系统 采用选择性d f 协作时，中继译码可消除重叠衰落信道的影响，并降低误差传 播，因此可提高协作系统性能。由于理论分析较易，已有相关研究成果较多，论 文主要进一步研究非理想信道估计和机会中继对该系统的性能影响，即： 其一，在非理想n a k a g a m i m 信道下，采用矩母函数的方法，推导 m - q a m 调 制方式下多中继d f 协作系统的近似s e r 表达式以及高s n r 下的渐进s e r 解析式，基 于此渐进解析式，将最小化s e r 的功率分配转化为典型的凸优化问题，得出s e r 最 小准则下的最优功率分配。结果表明：信道估计误差存在时，最优功率分配能显 著提高中低s n r 下的协作系统s e r ，但不能改善高s n r 下的错误平层。 其二，机会中继是为提高传统多中继系统频谱效率而提出的，为了完善关于 机会中继系统的性能分析，推导了统计独立但不同分布的n a k a g a m i m 信道下，机 会d f 协作系统的平均s e r 和中断概率的表达式。 3 基于移动中继辅助的双移动( m e m ) 系统 移动中继辅助通信是未来移动蜂窝网、a dh o c 网以及机车间通信等的一种典 型应用场景，由于适用的信道模型不同，目前，这方面理论分析还比较匮乏。论 文主要基于移动端对移动端( m 2 m ) 信道衰落服从重叠n a k a g a m i m 分布的假设，研 究肛p s k 调制下移动a f 及d f 中继对m 2 m 系统的性能影响。利用矩母函数方法，推 导了移动中继辅助的m 2 m 通信系统的s e r 性能表达式，并结合近似概率密度( p d f ) 的方法，给出了更为逼近的a f 辅助的m 2 m 系统的近似s e r 表达式。结果表明了理 论表达式的准确性以及近似p d f 方法的紧致性。 关键词：协作通信功率分配误符号率中断概率双移动 a b s t r a c t a st h e i n c r e a s i n gr e q u i r e m e n t s o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns e r v i c e s ，m o b i l e c o m m u n i c a t i o n s y s t e m s d e v e l o p r a p i d l y t o w a r d s h i g h s p e e d ， w i d e b a n d ， m u l t i p l e s e r v i c e sa n dl o wc o s t m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ( m i m o ) t e c h n i q u e c a l l i n c r e a s et h ec a p a c i t ya n di m p r o v et h e s p e c t r a le f f i c i e n c y a n dr e l i a b i l i t yw i t h o u t 丘e q u e n c ya n dp o w e ri n c r e a s i n g h o w e v e r d u et op r i c e ，p o w e ra n d s i z el i m i t a t i o n s ，i ti s h a r dt op l a c em u l t i p l ea n t e n n a so ns o m em o b i l et e r m i n a l s ，w h i c hb l o c k st h ea p p l i c a t i o n o fm i m oi nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s b yf o r m i n gv i r t u a lm i m ot h r o u g h s h a r i n ga n t e n n a so fd i f f e r e n tt e m a i n a l s ，c o o p e r a t i v ed i v e r s i t yc a na c h i e v es i g n i f i c a n t d i v e r s i t yg a i n , w h i c hp r o v i d e saw a yo fa p p l i c a t i o no fm i m o i np r a c t i c a ln e t w o r k s t h i st h e s i si n v e s t i g a t e st h et h e o r e t i c a lp e r f o r m a n c ea n a l y s i so fw i r e l e s sc o o p e r a t i v e n e t w o r k s ，a n db a s e d o nt h ep e r f o r m a n c e a n a l y s i s ，o p t i m a lp o w e r a l l o c a t i o ni s p e r f o r m e dt of u r t h e ri m p r o v et h ep e r f o r m a n c e t h em a i nc o n t r i b u t i o no ft h i sw o r kc a n b es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 c o o p e r a t i v es y s t e m sb a s e do na m p l i f y - a n d - f o r w a r d w i t h o u td e c o d i n gt h er e c e i v e ds i g n a l ，a m p l i f y - a n d f o r w a r d ) r e l a yc a nb e a p p l i e di nm a n ys y s t e m si nv i e wo f i t sl o w c o m p l e x i t ya n db l i n da c c e s s h o w e v e r , f o r a f - b a s e dc o o p e r a t i v es y s t e m s ，t h ec a s c a d e df a d i n gc h a n n e l sb e t w e e nt h es o u r c ea n dt h e d e s t i n a t i o nn o d e sb r i n gg r e a td i f f i c u l t i e si nt h et h e o r e t i c a lp e r f o r m a n c ea n a l y s i s b a s e d o nt h ep u b l i s h e dr e s u l t s ，w ef o c u so nt h ef o l l o w i n gt w oq u e s t i o n s ： t h ef i r s tq u e s t i o ni st h ed e s i g no fo p t i m a lp o w e ra l l o c a t i o nf o rm u l t i p l e r e l a y s y s t e m s f i r s t l y , t h ea v e r a g es y m b o le r r o rr a t e ( s e r ) a n dt h ea s y m p t o t i cs e r i nh i g h s n r r e g i m ea r ed e r i v e df o rm - p s ka n dm - q a mm o d u l a t i o n s e c o n d l y ，t h ec l o s e d s o l u t i o n so fo p t i m a lp o w e ra l l o c a t i o na r eo b t a i n e db yu s i n gl a g r a n g em u l t i p l i e rb a s e d o nt h ea s y m p t o t i cs e ru n d e rt h et o t a lp o w e rc o n s t r a i n t r e s u l t ss h o wt h a to p t i m a l p o w e ra l l o c a t i o nc a l li m p r o v es e rp e r f o r m a n c ec o m p a r e dw i t he q u a lp o w e r a l l o c a t i o n g i v e nm - p s ko rm - q a m ，t h ed e r i v e do p t i m a lp o w e ra l l o c a t i o ni si d e n t i c a l ，w h i c hi s o n l yd e p e n d e n tw i t ht h ec h a n n e ll i n k sc o n n e c t e dt ot h er e l a y sa n di n d e p e n d e n tw i t ht h e c h a n n e ll i n k sb e t w e e nt h es o u r c ea n dt h ed e s t i n a t i o nn o d e s t h es e c o n di st h el o ws p r e c t r a le f f i c i e n c yo ft h ec o n v e n t i o n a ld i s t r i b u t e da l a m o u t i s p a c e - t i m es c h e m e ( a f d s t c ) w i t ha m p l i f y - a n d - f o r w a r dr e l a y i n g an e ws e l e c t i v e d i s t r i b u t e da l a m o u t is p a c e t i m es c h e m ei sp r o p o s e d ，w h i c hc a ni n c r e a s et h es p e c t r a l e f f i c i e n c yf r o m1 2t o2 3b ys h o r t e n i n gt h ec o o p e r a t i v ep e r i o df r o mf o u rt i m es l o t st o t h r e es l o t s t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t so no u t a g ep r o b a b i l i t ya n db i t e r r o rr a t es h o wt h a tt h ep r o p o s e dp r o t o c o li sb e t t e rt h a na f d s t ci nt e r m so ft h et o t a l p o w e rc o n s u m p t i o n , o u t a g ep r o b a b i l i t y a n db i te r r o rr a t eu n d e rt h es a m es p e c t r a l e f f i c i e n c y 2c o o p e r a t i v es y s t e m sb a s e do nd e c o d e - a n d f o r w a r d s e l e c t i v ed e c o d e a n d - f o r w a r dr e l a y sc a ni m p r o v ep e r f o r m a n c eo fc o o p e r a t i v e s y s t e m sb e c a u s et h e yc a ne l i m i n a t et h ec a s c a d e df a d i n gc h a n n e l sb e t w e e nt h es o u r c e a n dt h ed e s t i n a t i o nn o d e sa n dd e c r e a s ee r r o rp r o p a g a t i o n s i n c ei ti se a s i e rt oa n a l y z e t h ep e r f o r m a n c eo fc o o p e r a t i v es y s t e m sb a s e do nd e c o d e - a n d - f o r w a r dp r o t o c o l ，m a n y v a l u a b l et h e o r e t i c a lr e s u l t sh a v eb e e nr e p o r t e d t h et h e s i sf u r t h e ri n v e s t i g a t e st h e i m p a c t so fi m p e r f e c tc h a n n e le s t i m a t i o ne r r o ro nt h ec o o p e r a t i v es y s t e m sb a s e do n d e c o d e - a n d - f o r w a r dp r o t o c o la n do p p o r t u n i s t i cr e l a y , i e f i r s t l y ，t h ea p p r o x i m a t es e r a n da s y m p t o t i cs e rf o rm - q a ma r ep r o v i d e db y u s i n gt h em o m e n tg e n e r a t i n gf u n c t i o n ( m g f ) u n d e ri m p e r f e c tn a k a g a m i - 朋f a d i n g c h a n n e l s b a s e do nt h ec o m p a c ta s y m p t o t i cs e rf o r m u l a , t h eo p t i m a lp o w e ra l l o c a t i o n c a nb et r a n s f o r m e dt ot h et y p i c a lc o n v e xo p t i m i z a t i o np r o b l e m t h u s ，t h eo p t i m a lp o w e r a l l o c a t i o nf o r m u l a sc a nb er e a c h e dt om i n i m i z et h es e r s i m u l a t i o n ss h o wt h a to p t i m a l p o w e ra l l o c a t i o ns c h e m ec a ns i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fc o o p e r a t i v e s y s t e m si nt h el o wt om e d i u ms n rr e g i o n h o w e v e r ，i tc a l ln o ti m p r o v et h ee r r o rf l o o r u n d e rt h ei m p e r f e c tc h a n n e le s t i m a t i o nw h e ns n ri sh i g h s e c o n d l y , o p p o r t u n i s t i cr e l a y i n gi sa d o p t e dt oi m p r o v et h es p e c t r a le f f i c i e n c yo f m u l t i p l e r e l a ys y s t e m s i no r d e rt ou n d e r s t a n dt h ep e f o r m a c eo fo p p o r t u n i s t i cr e l a y i n g s y s t e m s ，t h ec l o s e df o r mo fa v e r a g es e ra n do u t a g ep r o b a b i l i t ya r ed e r i v e du n d e r s t a t i s t i c a l l yi n d e p e n d e n tb u tn o t - i d e n t i c a ln a k a g a m i - ，竹f a d i n gc h a n n e l s 3m o b i l e - t o - m o b i l es y s t e m sa s s i s t e db ym o b i l er e l a y s m o b i l er e l a y - a s s i s t e dc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa r et h et y p i c a ls c e n a r i o e si nt h en e x t g e n e r a t i o n m o b i l ec e l l n e t w o r k s ，a d h o cn e t w o r k sa n dv e h i c l e - t o - v e h i c l e c o m m u n i c a t i o n s d u et ot h ed i f f e r e n tc h a n n e lm o d e l si nt h e s es c e n a r i o s ，f e wr e s u l t s h a v eb e e nr e p o r t e df o rt h et h e o r e t i c a la n a l y s i so fm o b i l er e l a y - a s s i s t e dm 2 ms y s t e m s b a s e do nt h ea s s u m p t i o no fc a s c a d e dn a k a g a m i - mc h a n n e l s ，t h i st h e s i si n v e s t i g a t e st h e i m p a c t so fm o b i l er e l a y sw i t hm - p s km o d u l a t i o n b yu s i n gm g fm e t h o d ，s e r e x p r e s s i o n sa r ed e r i v e df o ra fa n dd fm o b i l er e l a y s f o ra fp r o t o c o l ，am o r ec o n c i s e a p p r o x i m a t e ds e re x p r e s s i o ni s a l s od e r i v e db yu s i n ga na p p r o x i m a t e 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 s i m u l a t i o ns e rr e s u l t sv e r i f yt h et i g h t n e s so fo u rd e r i v e dl o w e r b o u n da n da p p r o x i m a t e ds e re x p r e s s i o n s k e y w 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 s p o w e ra l l o c a t i o n s y m b o le r r o rr a t e o u t a g e m o b i l e - t o - m o b i l e 作者简介 张南，湖北天门人。2 0 0 3 年毕业于西安电子科技大学、 获通信工程专业学士学位。2 0 0 6 年毕业于西安电子科技大 学、获通信与信息系统工学硕士学位。2 0 1 2 年3 月获西安 电子科技大学获通信与信息系统工学博士学位。导师：葛 建华教授。 主要研究方向：无线协作通信和无线数字传输等。 代表性成果及经历：已在通信学报、西安电子科 技大学学报、华南理工大学学报等权威、核心刊物上发表学术论文1 0 多篇。 申请专利2 项。参与国家级科研项目2 项。 n a nz h a n g ，w a sb o mi nt i a n m e n , h u b e ip r o v i n c e ，c h i n a s h er e c e i v e dh i sb a i n t e l e c o m m u n i c a t i o ne n g i n e e r i n gf r o mx i d i a nu n i v e r s i t y , x i a 玑c h i n a , i n2 0 0 3 ，t h e m s d e g r e ea n dt h ep h d d e g r e ei nt e l e c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e mf r o m x i d i a nu n i v e r s i t y , x i 矾c h i n a , i n2 0 0 6a n dm a r c h , 2 0 1 2 ，r e s p e c t i v e l y h e rp h d s u p e r v i s o ri sp r o f e s s o rj i a n h u ag e h e rr e s e a r c hi n t e r e s t si n c l u d 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 na n dw i r e l e s s d i g i t a lt r a n s m i s s i o n s h eh a sp u b l i s h e do v e rt e np a p e r so nc o r ej o u r n a l s ，s u c h 嬲j o u r n a lo n c o m m u n i c a t o n s ，j o u r n a lo fx i d i a nu n i v e r s i t ya n dj o u r n a lo fs o u t hc h i n au n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g ye t c s h eh a sa l s oa u t h o r e d2c h i n ap e n d i n gp a t e n t s a n ds h eh a si n v o l v e d t w on a t i o n a lp r o j e c t s 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 通信作为信息传输和交换的手段，其为信息化社会的建设做出了巨大且积极 的贡献。通信已渗透到各行各业中，成为现代化人类生活不可或缺的交流方式。 其中，移动通信已经成为通信的主流【1 】【2 1 。从2 0 世纪8 0 年代开始，短短3 0 多年 间，移动通信系统已经从第一代模拟技术发展到目前的b 3 g ( b e y o n dt h e3 r d g e n e r a t i o n ) 宽带移动通信技术，同时，第四代移动通信标准已在制定之中。 第一代移动通信系统基于模拟传输，其代表有美国的高级移动电话系统 ( a m p s ，a d v a n c e dm o b i l ep h o n es y s t e m ) ，英国的全接入移动通信系统( t a c s ，t o t a l a c c e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 等，特点是业务量小、质量差、安全性差、没有加 密和速度低。到了9 0 年代初期，随着数字技术的发展，数字移动通信系统得到了 大规模应用，其代表是欧洲的采用时分多址( t d m a ，t t m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 技术的全球通系统( g s m ，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 ) 和美国的采用 码分多址( c d m a , c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 技术的i s 一9 5 系统，也就是通常所 说的第二代移动通信技术( 2 g ，t h e2 n dg e n e r a t i o n ) 。通用分组无线业务( g p r s ， g r o u pp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 和增强型数据速率( e d g e ，e n h a n c e dd a t ar a t ef o rg s m e v o l u t i o n ) 技术的引入，可使g s m 数据传输速率达1 1 5 3 8 4 k b p s ，初步具备了支持 多媒体业务的能力。 尽管2 g 技术在发展中不断得到完善，但随着用户规模和网络规模的不断扩 大，频率资源已接近枯竭，数据通信率太低，无法在真正意义上满足移动多媒体 业务的需求。为此，世界各国的电信管理部门早在上世纪末就展开了第三代移动 通信系统1 3 ( 3 g ，m e3 r dg e n e r a t i o n ) 的标准制定，静止传输速率最大可达2 m b p s ， 用户高速移动时最大支持1 4 4 k b p s 。第三代移动通信系统的通信标准包括 w c d m a ( w i d e b a n dc d m a ) 、 c d m a 2 0 0 0和t d - s c d m a ( t i m e d i v i s i o n s y n c h r o n o u sc d m a ) 等，标准间存在相互不兼容的问题，因此已有的移动 通信系统不是真正意义上的个人通信和全球通信；再者，3 g 还存在频谱利用率较 低、传输速率不够高、不能提供动态范围多速率业务等诸多问题。因此，为满足 用户更高的需求，也为了抢占技术的制高点，b 3 g 第四代【4 】【5 l o g , m e4 t 1 1g e n e r a t i o n ) 移动通信系统的标准研究也已取得了众多进展。4 g 要求峰值速率在静止条件下达 到1 g b p s ，在高速移动条件下达到1 0 0 m b p s ，如此高的数据速率对物理层技术提出 了极高的要求高可靠性、高频谱效率以及低功耗。 2 无线协作网络的性能及功率分配研究 目前高级国际移动通信全球标准( i m t - a d v a n c e d , i n t e r n a t i o n a lm o b i l e t e l e c o m m u n i c a t i o n s a d v a n c e d ) 采用载波聚合【6 】【7 l 、t u r b o 码【8 】【9 】和多输入多输出 ( 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 ) t 1 0 1 【1 2 】技术来提高信道容量。目前，在不能 大幅增加可用频谱带宽的条件下，4 g 系统主要是通过增加收发天线数进行空间复 用【1 3 】【1 4 】来实现，如第3 代合作伙伴计划( 3 g p p , 3 坷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 ) 组 织提交的l t e a ( l o n gt e r me v o l u t i o n a d v a n c e d ) 设计下行支持多达8 个流的空间复 用、上行支持多达4 个流的空间复用。用这种方法来大幅度提高频谱效率以达到 i m t - a d v a n c e d 要求的下行1 g p b s 峰值速率和1 5 b p s h z 的峰值频谱效率要求，但当 前这种方案多适合在实验室中演示，在实际通信场景下应用有限，其一是因为实 际环境中收发天线之间的信道经常具有很强的相关性，达不到空间复用的要求， 可达速率一般远小于实验室速率；其二，目前只能在基站端配置多根天线，移动 终端设备或者网络节点由于自身体积、功耗和成本的因素，极大地限制了m i m o 技术的应用。协作分集技术【”】【1 8 】就是在这种背景下产生的，该技术利用无线信号 的广播特性，通过终端天线的协作共享，形成一个虚拟的多天线系统，从而获得 可观的分集增益。目前，协作通信技术已经成为l t e a 系统的重要候选技术之一， 有着广阔的发展前景和重要的研究价值。 1 2 协作分集技术的国内外研究现状 1 2 1 协作分集技术的应用 下一代移动通信的特点是低成本、高速率、大容量、广覆盖，因此不仅需要 采用先进的信号处理方式，还需要具有革新意义的空中接口技术和网络体系结构 作为支撑。已有理论研究表明：通过引入协作分集技术，融合网络本身的特性， 可降低投资和运营成本，改善网络性能，从而为用户提供更为灵活多样的自适应 接入服务。目前，各大标准组织都对协作分集产生了浓厚的兴趣，无线局域网 8 0 2 1 l s 标准【1 9 1 ，低速无线个人区域网i e e e 8 0 2 1 5 3 t 2 0 1 ，i e e e 8 0 2 1 5 4 2 1 1 ， i e e e 8 0 2 1 5 5 【2 2 1 ，无线城域网8 0 2 1 6 标准【2 3 1 ，下一代移动通信系统b 3 g 4 g 等均 将协作技术作为其候选技术。下面简要介绍一下协作分集技术在移动蜂窝网、a d h o e 网络以及机车通信中的应用。 ( 1 ) 协作分集技术在未来蜂窝网络中的应用【2 4 卜1 2 6 1 下一代移动通信系统支持低速用户l o o m b p s ，高速用户1 g b p s 的传输速率。 由于频谱资源的紧张，下一代移动通信系统很可能工作在3 g h z 以上的频点来满足 高速率需求。高频段无线电信号的衰减比现有的i 2 g h z 频段要严重很多，使小区 边缘用户的服务质量得不到保证。为了保证传输速率，只能大幅降低小区的覆盖 第一章绪论 3 范围，增加小区的数目。然而，公众对无线电辐射的关注程度越来越高，大幅增 加站点不现实。而且增加基站数必定提高系统建设成本，同时增加干扰。因为无 线中继是在不增加基站数目，充分利用原有网络设施的前提下，低成本扩大基站 覆盖的一种方法，无线中继可视为基站的延伸，因此，上述矛盾促进了无线中继 在蜂窝网络中应用的研究热潮。协作传输在蜂窝网络中的典型应用场景包括： 1 ) 固定覆盖场景 该种应用模式中，无线中继对某一区域提供长期、稳定的覆盖，无线中继可 以作为基站的补充，提高基站的覆盖范围，或提高小区的容量。固定中继可以安 置在屋顶、铁塔、路灯柱上或其他能保证基站与中继之间无线链路质量的位置上。 中继的位置最好能保证基站与中继之间的视距( l o s ，l i n e o f - s i g h t ) 信道，但是在实 际布网时也可能出现只有非视距( n l o s ，n o n - l i n e o f - s i g h t ) 信道的情况，这时可以 用其他技术手段保证基站与中继之间的链路质量。这种对无线中继的应用可以以 较低的成本解决小区边缘覆盖和阴影区覆盖问题。相对于基站直接与终端建立连 接，使用中继可以通过提高用户终端与中继、中继与基站这两条链路的质量来增 加小区的容量，扩大小区覆盖。 。” 2 ) 大型建筑物室内覆盖 无线电信号在较高的频段( 如4 g h z 以上) 的穿透损耗会很大，这时可以在建筑 物内部、隧道或者地下建筑物添加无线中继对其进行覆盖。中继可以安放在建筑 物的外墙、隧道的出入口等位置，保证中继与基站之间的信号强度，终端则通过 中继接入系统，终端和基站直接不存在直接通路。 3 ) 临时性覆盖和应急通信 为了满足一些区域临时性或突然增加的通信需求，可以使用临时安置的中继 来提供覆盖。这种情况下，除了一般的固定中继外，还可以使用安装在运输工具 上的游牧中继。如在大型赛事的赛场通常会集中出现突发的大量话务或数据业务 的需求，中继也可以协助将业务负载平衡到临近的基站上。 4 ) 对交通工具的覆盖 对于某些公众交通工具( 如地铁、火车、轮船) 上的用户，由于他们是群体移 动的，在经过不同的小区时可能产生大量的切换请求，大量用户分别进行链路调 整也会加重沿途基站的负担。如果通过交通工具上安置的中继接入网络，则需要 切换和调整的仅为中继与基站之间的链路，而终端与中继之间的链路相对稳定。 ( 2 ) 协作分集技术在a dh o c 网络中的应用 无线中继传输技术最早的应用就是在移动a dh o c 网络中。移动a dh o c 网络 建立在共享无线信道上，使用动态多跳中继作为传输方式，相邻节点之间可以通 过互通共享信息。由于节点的移动性使得网络具有快速变化的动态拓扑结构。移 动a dh o c 网络具有组网灵活，无需中心节点控制，抗毁性强，易于快速部署等特 4 无线协作网络的性能及功率分配研究 点，所有节点共同参与并完成网络的维护和传输工作，每一个节点都是潜在的中 继节点。在移动a dh o c 网络中，由于节点传输能力的限制以及网络拓扑结构的不 断变化，节点只能通过协作中继以多跳的方式相互建立连接。因此，在移动a dh o c 网络中，协作中继是其实现的技术基础，其中相关的节点选择技术、多跳传输技 术和功率分配技术等对a dh o c 网络尤为重要。 ( 3 ) 协作分集技术在机车通信中的应用 随着自动化程度的不断提高，目前出现了一种较新的通信场景机车间通 信2 vv e h i c l e - t o v e h i c l e ) ，可以用以避免交通事故、减少交通拥堵、交换交通信 息以及为机车提供无线接入等，从而引起了广泛关注。但是，一方面，v 2 v 通信 系统中，通信双方都处于移动，其信道衰落更严重，将协作分集技术引入到机车 间通信系统中，可以提高系统的通信可靠性和覆盖范围，研究该场景下的协作理 论性能有着重要的指导意义；另一方面， 成本等方面限制很小，可以部署多天线， 有应用价值。 1 2 2 协作分集技术的研究现状 和传统移动通信不同，机车由于在体积、 因此基于多天线节点的协作通信技术很 正是由于协作分集技术在下一代移动通信中具有的广泛应用前景，因此受到 了越来越多的关注。 协作分集技术的产生最早可追溯到c o v e r 和e 1g a m a l 2 7 关于中继信道的工作， 利用非规则的块状马尔科夫链重叠编码和连续译码，分析了一个包括发送端、中 继端和接收端的三节点网络的信道容量，在所有节点的工作频带相同的情况下， 系统可分解为一个广播信道( 从源节点看) 和一个多址信道( 从目的节点看) 。在协作 领域出现的很多思想都在文献 2 7 1 中首次提出，但是，由于当时对蜂窝系统的关注 和实现无线中继网络面临的复杂度方面的挑战，除了少数文献【2 8 】 2 9 l 提供了编译码 方法和对其进行了扩展，中继信道并没有受到太多的关注。 大约2 0 年之后，s e n d o n a r i s ，e r k i p 和a a z h a n g 将重点转回到中继信道，发表 了一系列高影响的文章，提出了一种两用户协作的c d m a 系统【1 5 】【1 6 1 ，分析表明协 作不仅能提高网络吞吐量、增大覆盖区域，还能有效降低系统对信道变化的敏感 度，提高通信的可靠性。之后，越来越多的学者意识到了协作分集技术蕴藏的巨 大发展潜力，纷纷加入到协作分集技术的研究中来，成果也如雨后春笋般涌出。 物理层及以上各层的研究工作主要集中在以下几个方面：协议设计与协作传输的 方式；资源优化；中继节点选择；协作技术与现有其他技术、网络的融合等等。 ( 1 ) 协议设计与协作传输的方式 对于协作分集的研究，首先就是要解决协作伙伴之间如何相互处理自己和伙 第一章绪论 5 伴信息的问题，即具体的协作协议设计，以尽可能地利用有用信息，消除干扰， 在处理复杂度较低的情况下有效提高系统的可靠性。目前，提出的协作协议可以 分为两种p o j ：一种是透明中继协议，既不改变所传的信息比特也不改变其波形， 仅仅是功率放大或者是相位旋转，称为非再生性中继协议；另一种是再生性中继 协议，通过复杂的基带信号处理修改基带源信号或波形。透明中继协议包含放大 转发( a ea m p l i f y a n d f o r w a r d ) ，线性处理转发和非线性处理转发【3 0 1 ，而再生性中 继协议包含译码转发( d f ，d e c o d e a n d f o r w a r d ) ，估计转发 3 1 】【3 2 】( e f , e s t i m a t e a n d f o r 眦u d ) 和压缩转发【3 3 儿3 卅( c f ，c o m p r e s s a n d f o r w a r d ) 。a f 和d f 是 l a n e m a n 等i l7 j 学者首先提出的，属于固定中继的范畴，中继采用a f 协议时只是简 单放大转发接收到的信号，并不做任何处理，因此简单易实现，但是会放大噪声； 采用d f 协议时，中继对接收到的信号先译码然后转发，消除了噪声的影响，但是 中继可能存在译码错误，会造成错误传播，不能获得分集增益。a f 和d f 没有考 虑信道条件，缺乏对信道的自适应性，考虑到源节点和中继节点之间的信道条件 时，出现了选择性中继( s a f s d f , s e l e c t i v ea m p l i f y a n d f o r w a r d