（通信与信息系统专业论文）无线协作通信的网络编码及资源分配的研究.pdf

杭州电子科技大学硕士学位论文 摘要 无线信道的多径衰落是影响下一代无线通信系统的高传输速率和高服务质量的主要因 素。多输入多输出技术作为下一代无线通信系统的关键技术之一，对于克服无线信道的多径 衰落具有很大的作用。但在上行链路中实现多输入多输出技术具有一定的难度，这是由于受 到移动终端的功耗、体积等各种因素的限制。于是，一种称作为“虚拟”多输入多输出的协 作通信技术被提出，该技术中多个单天线的终端通过共享彼此的天线可获得空间分集增益， 从而有效地提高系统容量并改善传输性能。最初运用于有线网络中的网络编码，由于其拥有 提高系统吞吐量、均衡网络负载等优势，也逐渐运用于无线通信系统中。网络编码与协作分 集技术相结合已成为目前研究的热点。无线通信系统是资源有限的系统，如何利用有限的资 源使系统的性能得到进一步的提高是需要考虑的问题。为了提高资源的利用率，本文主要针 对网络编码协作通信系统进行了研究，主要的内容及创新点如下： 首先，研究了协作通信系统的基本网络模型及其转发协议，对各转发协议的性能进行分 析和仿真，并简单介绍了网络编码。对转发协议的性能仿真表明，增量放大中继协议具有最 好的性能，解码转发协议性能最差。 然后，研究了线性网络编码的原理，分析了线性网络编码协作通信系统的性能并对其进 行性能仿真。仿真结果表明，网络编码不仅可提高系统吞吐量，还可提高系统的可靠性。虽 然网络编码协作通信系统具有提高系统有效性和可靠性的优势，但目前的网络编码协作通信 的中继节点都采用固定的转发方式，即中继节点都会参与转发。对于两源的网络编码协作通 信系统来说，如果两直传路径都成功或都失败时，中继节点就没必要再转发经过网络编码后 的数据。基于此，提出了一种新的协作机制：网络编码增量中继。对该算法的原理和流程进 行了说明，从中断概率和资源消耗的角度分析了其性能并对性能进行仿真。仿真结果表明， 在不影响系统性能的情况下，该算法可节约系统资源，提高资源利用率。 最后，针对网络编码协作通信系统的资源优化都是基于一维资源优化的问题，本文对两 源单中继单宿协作通信系统进行了二维资源优化，包括传统的两源协作通信系统和网络编 码协作通信系统。给出了两协作通信系统的系统模型，推导了系统的信道容量，基于信道容 量分别从功率优化、带宽优化及功率带宽联合优化入手进行资源的优化分配，并进行了仿真 分析。仿真结果表明，资源优化可进一步提高系统性能，而功率带宽联合优化可使系统的性 能达到最优。 关键词：协作分集，网络编码，增量中继，资源分配，联合优化 杭州电子科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h em u l t i p a t h f a d i n go fw i r e l e s s c h a n n e li st h em a i nf a c t o rt h a ti n f l u e n c e st h eh i g h t r a n s m i s s i o nr a t ea n dh i g l lq u a l i t yo fs e r v i c eo ft h en e x tg e n e r a t i o 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 m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u tt e c h n o l o g y , a so n e o ft h ek e yt e c h n o l o g i e so ft h en e x tg e n e r a t i o n w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，h a sag r e a te f f e c tt oo v e r c o m et h er a d i oc h a n n e lm u l t i p a t hf a d i n g h o w e v e r ，i ti sd i f f i c u l tt or e a l i z em u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u ti nt h eu p l i n k ，w h i c h i sd u et ot h e c o n s t r a i n t so ft h em o b i l es t a t i o n sp o w e rc o n s u m p t i o n ，s i z ea n ds oo n t h e r e f o r e ，o n ec a l l e da s v i r t u a l ”m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u tc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yh a sb e e np r o p o s e d t h i st e c h n o l o g ya l l o w sm u l t i p l es i n g l e - a n t e n n at e r m i n a l st os h a r et h ea n t e n n a sw i t he a c ho t h e rt o a c q u i r es p a t i a ld i v e r s i t yg a i n ，w h i c he f f e c t i v e l yi m p r o v e st h es y s t e mc a p a c i t ya n dt r a n s m i s s i o n p e r f o r m a n c e n e t w o r kc o d i n 9 0w h i c hi s f i r s tu s e di nc a b l en e t w o r k ，a n dl a t e ri sa l s og r a d u a l l y a p p l i e di nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e md u e t oi t sa d v a n t a g e so fi m p r o v i n gs y s t e mt h r o u g h p u t ， b a l a n c i n gn e t w o r kl o a da n ds oo n t h ec o m b i n a t i o no fn e t w o r kc o d i n ga n dc o o p e r a t i v ed i v e r s i t y t e c h n o l o g yh a sb e c o m eah o t s p o to fc u r r e n tr e s e a r c h w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi sas y s t e m w i t hl i m i t e dr e s o u r c e s ，s ot h eq u e s t i o nt h a ts h o u l db ec o n s i d e r e di sh o wt of u r t h e ri m p r o v et h e p e r f o r m a n c eo ft h es y s t e mw i t ht h el i m i t e dr e s o u r c e s i no r d e rt oi m p r o v et h eu t i l i z a t i o nr a t eo f r e s o u r c e s ，t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e sn e t w o r kc o d i n gc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，a n dt h e m a i nc o n t e n t sa n dt h ei n n o v a t i o n so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y , t h i sp a p e rr e s e a r c h e st h eb a s i cn e t w o r km o d e la n dt h ef o r w a r d i n gp r o t o c o l o f c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，a n a l y z e st h ep e r f o r m a n c eo ft h ef o r w a r d i n gp r o t o c o la n d s i m u l a t e st h ep e r f o r m a n c e , a n di n t r o d u c e st h en e t w o r kc o d i n g 1 1 1 es i m u l a t i o np e r f o r m a n c eo ft h e f o r w a r d i n gp r o t o c o ls h o w st h a t ，i n c r e m e n t a la m p l i f i c a t i o nr e l a yp r o t o c o lh a st h eb e s tp e r f o r m a n c e ， w h i l ed e c o d i n gf o r w a r d i n gp r o t o c o lh a st h ew o r s tp e r f o r m a n c e s e c o n d l y ，t h i sp a p e ra l s or e s e a r c h e st h ep r i n c i p l eo ft h el i n e a rn e t w o r kc o d i n g , a n a l y z e s p e r f o r m a n c eo fl i n e a rn e t w o r kc o d i n gc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n ds i m u l a t e s t h e p e r f o r m a n c e t h es i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tn e t w o r kc o d i n gn o to n l yi m p r o v e ss y s t e m t h r o u g h p u t ，b u ta l s oi m p r o v e sr e l i a b i l i t yo ft h es y s t e m a l t h o u g hn e t w o r kc o d i n gc o o p e r a t i v e c o m m u n i c a t i o ns y s t e mh a st h ea d v a n t a g e so f i m p r o v i n gs y s t e ma v a i l a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t y , t h er e l a y n o d e so ft h ec u r r e n tn e t w o r kc o d i n gc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o na r eb a s e do naf i x e df o r w a r d i n g , t h a ti s , a l lr e l a yn o d e sw i l lb ei n v o l v e di nf o r w a r d i n g f o rt h et w o - s o u r c en e t w o r kc o d i n g c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，i fb o t ho ft h ed i r e c tp a s s i n gp a t h e so rn e i t h e ro ft h e ma r e s u c c e s s f u l ，i ti sn ol o n g e rn e c e s s a r yf o rt h er e l a yn o d et of o r w a r dt h ed a t at h r o u g hn e t w o r kc o d i n g 1 i b a s e do nt h i s at l e wc o o p e r a t i v em e c h a n i s m ，w h i l ei sn e t w o r kc o d i n g i n c r e m e n t a lr e l a y i n g , 1 5 p r o p o s e d t h i sp a p e re x p l a i n st h ep r i n c i p l ea n dp r o c e s so f t h ea l g o r i t h m ，a n a l y z e st h ep e r f o r m a n c e 舶mt h es t a n d p o i n to ft h eo u t a g ep r o b a b i l i t y a n dr e s o u r c ec o n s u m p t i o n , a n ds i m u l a t e s 1 t s p 柏衄a n c e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t ，t h ea l g o r i t h ms a v e ss y s t e ml e s o t u c e s a n dl m p m v 髑 r e s o u r c eu t i l i z a t i o nw i t h o u ta f f e c t i n gs y s t e mp e r f o r m a n c e f i n a l l y , a i m i n gt ot h ep r o b l e mo f t h a tn e t w o r kc o d i n gc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n ss y s t e mt o r r e s o u r c eo p t i m i z a t i o na r eb a s e do no n e d i m e n s i o n a lr e s o u r c eo p t i m i z a t i o n t h i sp a p e rc 彻e s o n 懈o d i m e i l s i o n a lr e s o u r c eo p t i m i z a t i o nf o rc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mo ft w o $ o u r c e s - o n e r e l a v - o n et a r g e t ，i n c l u d i n gt h e t r a d i t i o n a lt w o - s o u r c ec o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o ns y s t e l i l a n d n e t 、) r o r k c o d i n gc o o p e r a t i v e c o m m u n i c a t i o n s y s t e m t w os y s t e m m o d e l so fc o o p e r a t i v e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa r ep r e s e n t e da n dc h a n n e lc a p a c i t yi sd e r i v e d t h i sp a p e ra l s om a k e st h e o p t i m a la l l o c a t i o no f r e s o u r c e sa n ds i m u l a t i o na n a l y s i sr e s p e c t i v d yf r o mt h ep o w e ro p t i m i z a t i o n , b 粗d w i d t ho p t i m i z a t i o n ，j o i n tp o w e ra n db a n d w i d t ho p t i m i z a t i o n t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a t n l eo p t i m i z a t i o nf o rr e s o u r c e sc a nf u r t h e ri m p r o v et h es y s t e mp e r f o r m a n c e , a n dj o i n tp o w e ra n d b a n d w i d t l lo p t i m i z a t i o nc f l nm a k et h ep e r f o r m a n c eo f t h es y s t e mt oa c h i e v et h eo p t i m a l 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 , n e t w o r kc o d i n g , i n c r e m e n t a lr e l a y i n g , r e s o u r c e a l l o c a t i o n ，j o i n t o p t i m i z a t i o n 1 1 1 杭州电子科技大学硕士学位论文 第1 章绪论 无线通信的飞速发展正深刻地改变着当今社会，已成为人们生活当中的重要组成部分。 人们希望实现在任何时间，在任何地点，以任何方式，与任何人进行通信的美好愿望，这似 乎已经离我们越来越近。随着人们对无线通信的依赖性与需求性不断的增强，未来的无线通 信则需要支持更高的速率，更大的容量，更好的服务质量，但无线信道所固有的多径衰落效 应已经成为影响信息传输质量与速率的瓶颈。所以，下一代无线通信系统所面临的主要问题 之一是如何有效地克服多径效应。作为空间分集方式的协作分集技术已被证明是对抗无线通 信多径效应的有效方式，它通过在发送端和接收端引入中继节点来协作发送端与接收端之间 的通信。研究证明，协作分集不仅能提高信息发送速率，还可以提高可靠性，它将成为下一 代移动通信的关键技术之一。 本章首先明确了协作分集技术的研究背景及其研究的意义，然后阐述了协作分集技术的 发展过程及其国内外的研究现状，最后列举出了本文研究的主要内容及结构安排。 1 1 研究背景和意义 1 1 1 研究背景 无线通信已是当今通信领域中发展最快、应用最为广泛和最具前沿的通信技术。无线网 络已经从语音、低速率数据业务的窄带网络成长到可以支持语音、高速分组及多媒体业务的 宽带无线网络。从世界范围来看，很多国际标准化组织、各大通信公司及研究机构都在进行 针对未来宽带无线通信的研究工作，且提出了许多方案。目前，欧洲和日本在这方面的研究 处于领先的地位，例如，n t td o c o m o 在2 0 0 2 年便实现了峰值速率达1 0 0 m b p s 的实验系统， 并且在2 0 0 4 年又将该记录提高到了约3 0 0 m b p s 。在2 0 0 1 年，世界无线研究论坛( w i r e l e s sw o r l d r e s e a r c hf o r u m ，w w r f ) 以欧美的5 大通信设备制造商为中心而成立，它作为一个非盈利性的 组织，积极地推进全球范围内对开发、研究超三代移动通信系统( b e y o n d3 1 哇g e n e r a t i o n ，b 3 g ) 的相关技术及标准的制订。 移动通信系统的目标和宗旨是为用户提供更高的信息速率，为网络提供更好的覆盖范围 及更大的容量。基于这样的考虑和技术驱动，以w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 及t d s c d m a 为代表 的第三代移动通信系统( 3 mg e n e r a t i o n , 3 g ) 从它诞生的那一刻起，便在第三代伙伴计划( 3 阳 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 ，3 g p p ) 及3 g p p 2 组织内部不断地进行完善和增科啦】。它迈出的第 一步是3 g p p 版本5 当中的高速下行链路分组接入( h i g hs p e e dd o w n l i n kp a c k e ta c c e s s ， h s d p a ) ，随后的高速上行链路分组接x ( h i g hs p e e du p l i n kp a c k e ta c c e s s ，h s u p a ) 也逐渐的 在3 g p p 版本6 中被大家所了解和熟悉【3 】。l t e 作为下一代无线通信系统，希望在2 0 m h z 的带 宽上达到下行速率1 0 0 m b p s 和上行速率5 0 m b p s 。为此，l e t 采用了多输入多输出、正交频分 杭州电子科技大学硕士学位论文 复用等各种先进技术来增强无线接入能力。 由于无线信道固有的多径衰落效应，要达到l t e 期望的速率较为困难，特别是下一代无 线通信系统工作在高的频带上，这种衰落将越加明显。当用户位于小区边缘时，由于信号强 度比较弱，所以很难达到高的服务质量( q u a l i t y o f s e r v i c e ，q o s ) 要求。另外室内覆盖问题也是 影响数据业务发展的瓶颈之一。如果通过布置基站来克服上述问题，不仅增加了网络建设成 本，而且还会带来干扰问题。这就使得传统的蜂窝网络在进一步改善覆盖、提高网络容量和 降低成本方面遇到了限制。 由于上述原因，在传统的无线蜂窝网络结构中引入协作中继【4 j ，它在不增加基站数目的 前提下扩大基站覆盖范围，降低网络建设成本。由于中继的诸多优点，其概念己被广泛引入 到下一代移动通信系统当中，如欧盟在2 0 0 4 年1 月便启动w i n n e r ( w i r e l e s sw o r l di n i t i a t i v e n e wr a d i o ) 项目，该项目的研究重点之一是无线网络中的中继传输模式，它初步考虑了如何 有效地利用中继的协作传输来解决传统蜂窝网络系统中高速传输时开销过大、小区容量受限 的问题【引。 1 1 2 研究意义 协作分集技术作为下一代无线通信系统的关键技术之一，其核心思想是在信源端和信宿 端之间引入中继节点协作信源与信宿端的通信，使其达到所要求i 拘q o s 。它具有如下优点： ( 1 ) 有效的提高系统容量。 通过规划网络结构，可在多个中继节点间合理分配资源，可最大程度实现资源复用，为 更多的用户提供服务，提高系统容量。 ( 2 ) 可有效地改善覆盖范围，提高系统i 拘q o s 质- 量t 6 1 。 受到蜂窝小区覆盖范围的限制，处在蜂窝小区边缘及盲区的用户很难达到服务质量要求。 将协作通信引入到蜂窝系统中可增大蜂窝系统的覆盖范围，以达到更好的实现盲区及小区边 缘用户覆盖的目的，最终提高这些用户的服务质量。 ( 3 ) 在改善蜂窝系统性能的同时，可降低系统的成本 7 1 。 如果通过增加基站的建设来改善蜂窝系统的通信性能，这将带来建设成本的巨大提升。 而如果采用协作通信的方式，即可利用系统中的移动用户作为协作节点，也可在系统中安装 固定的中继节点作为协作节点，将这些中继节点配置在盲区或热点区，可有效地实现无线通 信系统性能的改善和成本的降低。 ( 4 ) 提高频谱效率。 使用协作中继传输系统后，通过采用发送分集增益、空间复用增益、阵列增益、同信道 干扰( c o c h a n n e li n t e r f e r e n c e ，c c i ) 抑制等技术，可有效地提升频谱效率，改善系统传输性能。 在协作通信技术提出以后，关于这方面的研究如雨后春笋般地涌出。虽然协作通信具有 很多优势，且目前的研究也如火如荼，但协作通信技术仍然存在一些问题，主要有以下几个 方面： 。 2 杭州电子科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 同步问题。 要在多个移动终端进行协作的无线通信系统中实现精确的同步是很困难的，现在大多数 的研究都是假设移动通信系统能够实现精确的同步，即使实现了同步，也需要付出很大的代 价，这也是需要考虑的问题。 ( 2 ) 复杂度问题。 在无线协作通信系统中，终端必须有检测上行信道中信号状态的能力。因此，无线协作 通信系统的实现增加了终端接收机的复杂度。事实上，协作分集的一个最大优点是减少数据 速率对于信道变化的敏感性。 ( 3 ) 安全性问题。 在无线协作通信系统中，用户的数据在传输之前必须进行加密，以保证相互协作的移动 终端之间数据的保密性。通过加密，使得移动终端虽然可以检测到协作伙伴的数据，但不能 理解协作伙伴传输的数据。这也会增加无线协作通信系统的复杂度。 ( 4 ) 上层的设计问题。 协作方案的设计不仅涉及物理层，而且也涉及更上层的研究( 例如网络层等) ，特别是 对于多移动终端之间的协作。如协作伙伴的选择、协作策略的选择、协作伙伴选择的决定者 是基站还是移动终端以及参与协作的各终端的公平性等。 综上所述，协作通信技术具有很多优势，但也存在很多问题，所以对协作通信的研究具 有很大的现实及理论意义。 1 2 协作分集通信的发展和研究现状 1 2 1 协作分集的提出 未来无线通信系统需要达到高传输速率和高服务质量的要求，但无线信道中存在着影响 这一要求的多径衰落。因此，未来移动通信系统的主要问题之一是如何克服多径衰落。 分集技术被证明是对抗多径衰落的一种有效方式。它的原理【8 】是：接收端将接收到的各 自的衰落特性相互独立，并且强度具有可比性的多个信号按照合理的规则进行合并，以使得 合并后得到的有用信号达到能量最大化。主要的实现方法有以下几个： ( 1 ) 时间分集：它是通过在不同时间区间将同一信号进行多次重发，只要满足每次发送 信号的时间间隔足够大，那么就可保证各次发送信号的衰落特性是相互独立的。 ( 2 ) 空间分集：也称天线分集，是采用多付接收天线来接收信号，然后再进行合并。 ( 3 ) 频率分集：它是通过使用许多不同的频率将相同的信息进行多次发送。同样只需要 满足各发射频率的间隔足够大，则可保证每个频率衰落是相互独立的。 ( 4 ) 极化分集：它是通过在发送端和接收端各自安装两付天线，一付为垂直极化天线， 一付为水平极化天线，于是便可得到两个不相关的信号。 ( 5 ) 角度分集：通过在接收端安装方向性天线得到不相关的信号进行合并。 其中空间分集技术通过不同的天线发送相同信号，在接收端就可以得到经过独立衰落的 杭州电子科技大学硕士学位论文 多个信号副本，然后将这些副本进行合理地合并，便可有效地消除无线信道多径衰落的影响， 且这种方式不占用额外的时间与频带资源，所以一直以来得到了广泛的关注，也成为了消除 多径衰落的有效方式。多输入多输出( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ，m i m o ) p 】作为空间分集技 术，在对抗多径衰落上具有明显的优势，它能够成倍地提高无线信道的容量与可靠性，从而 已被普遍认为是未来无线通信系统将会采用的关键技术之一。但m i m o 技术的应用也存在一 些现实的问题，例如在蜂窝通信网络中，多天线一般只能安置在基站端，而移动终端很难安 装多个天线。这主要是因为m i m o 系统要求相邻天线之间的距离远大于电磁波的波长，以此 来确保多收发天线之间的无线传输信道相互统计独立。但是在移动台上实现多个天线的安装 存在很大困难，这主要是因为移动台受到体积、工艺等因素的限制，因此m i m o 的应用受到 很大的限制。 因此，为了有效解决上述问题，一种新的空间分集一协作分集【lo 】被提了出来。它的基本原 理是：在一个多用户的无线通信环境下，拥有单天线的相邻移动终端可根据合理的方式使用 安置的固定中继节点或共享彼此的天线进行协作发送，从而实现类似于多天线进行发送的虚 拟环境，可有效地获得空间分集增益，大大提高系统的有效性和可靠性。在无线协作通信系 统中形成的分布式虚拟天线阵习j c v i r t u a j a n t e n n a a r r a y , v a a ) 1 1 1 l ，不但解决了m i m o 系统中天 线安置的独立性问题，而且可避免m i m o 系统中尺度阴影效应和大尺度路径损耗会同时对所 有的天线产生相似作用的这一事实对系统性能的影响。所以协作通信已成为研究热点。 1 2 2 协作分集的研究现状 在协作通信系统中，目前业界研究较多的有：中继策略的选择、资源分配、网络编码和 分布式空时编码等。下面主要介绍中继策略的选择、资源分配及网络编码目前国内外的研究 现状。 1 2 2 1 中继策略 是否采用中继传输，中继的转发方式，及中继节点的选择是协作策略研究中的关键【1 2 , 1 3 】。 对于是否采用中继传输的研究比较典型的有增量中继( i n c r e i _ n e n t a lr e l a y i n g ，i r ) 1 4 , 1 5 】，这 种协作方式是利用接收端的比特反馈信息来明确直接传输是否成功，如果不成功，通过中继 节点进行重传。在文献 1 6 1 q b ，张鸿涛等分析了单中继系统的自适应中继策略的选择和多中 继系统的自适应中继策略的选择。它为不同用户分别选择不同数目的中继节点，并根据当前 无线信道的状况，在兼顾信息传输的可靠性及有效性的前提下，判断是否使用中继，并为每 个选中的中继节点选择最佳的转发方式。 中继节点的转发方式主要有解码转发( d e c o d i n gf o r w a r d i n g , d f ) 、放大转发( a m p l i f y f o r w a r d i n g ，a f ) 和编码协作( c o d i n g c o o p e r a t i o n ，c c ) 3 种中继处理方式。这些中继处理方式均 起源于c o v e r 等提出的随机编码方法【1 7 1 。d f 最早由s e n d o n a r i s 掣1 8 】提出，h a s n a 等也将采用 d f 的中继称为可再生中继( r e g e n e r a t i v er e l a y ) 【l9 1 。其基本思想是：在第1 阶段中继节点接收 到源节点发送的信号后，须先对该信号进行解码，然后再重新进行编码并转发给目的节点。 4 杭州电子科技大学硕士学位论文 由于中继节点可能会译码错误，所以将循环冗余校验( c r c ) 运用于中继节点。a f 是协作通信 中最简单的一种中继处理方式，它由l a n e m a n 掣2 0 】首先提出。其基本的思想是：中继节点收 到第1 阶段信源节点发送的信号后，并不对该信号进行解调解码，而是进行简单地放大后直 接转发给目的节点。a f 存在的不足之处是，中继节点不仅仅放大了接收的信号，而且也放大 了接收的噪声，并且转发给了目的节点，最终目的节点要进行最优检测，还需知道s - r 信道 的状态信息。h u n t e r 等f 2 l 捌将信道编码引入到无线协作通信中，提出编码协作( c c ) 。其基本 的思想是：中继节点先将收到的源节点信息正确解码之后，再利用信道编码对其进行重新编 码，于是得到与源节点所发的信号具有不同的校验信息的编码信号，然后转发给目的节点。 目前，人们已经提出了多种信道编码与协作通信相结合的方式，如t u r b o 码【2 3 1 、l d p c 码i z 制、 网络编码【2 5 1 和空时编码【2 6 】等。近年来，又有文献提出了混合解码转发( h y b r i d d e c o d e a n d f o r w a r d 。h d f ) 【2 刁，压缩转发( c o m p r e s s a n d f o r w a r d ，c f ) 【2 8 j 以及预估转发 ( e s t i m a t e a n d f o r w a r d ，e f ) 2 9 1 。在h d f 模式下，中继节点对接收到的信号先进行线性预处理， 然后再将处理后的信号转发到接收端，这种模式又可以称为中继端的预编码策略。在c f 模 式之下，中继节点先将收到的信号进行量化，即完成了“压缩”，然后对压缩后的信号进行编 码再转发至接收端。而对于e f 的定义在学术界仍然存在着争论，有的研究者认为e f 就等同 于c f 模式，而另外一些研究所提出的e f 方法是中继节点进行预判断，先解析来自源端的信 号，并对解析后的信号再进行重新编码发送至接收端。 中继节点的选择是协作通信中的关键技术之一。根据中继选择的依据不同，目前主要有 两种中继节点的选择方式：一种是基于距离或位置信息，另一种是基于信道状态信息。 文献【3 0 】提出了一种基于地理位置( g e o g r a p h i c a ll o c a t i o n ) 的中继选择算法。该算法根据 位置信息进行每一跳中继节点的选择，如果节点数目足够多，那么总能够找到合适的路径将 信息转发到目的节点。但该算法的所有节点都需要能够获得自身的位置信息，这便带来了较 大的开销。在文献 3 l 】中，作者假定所有节点的位置都已知，以获得最大分集增益为目标， 根据平均接收信噪比及阈值比来选择中继节点。 基于信道状态的中继选择，文献【3 2 中作者提出分布式的中继选择算法。该算法采用了 类似c t s r t s 的机制。但这种机制在分布式系统中实现具有一定的挑战，这是由于它需要满 足每个中继节点在时间上的同步。在文献 3 3 】中介绍了一种基于部分信道状态信息的中继选 择算法，它假定中继选择者已知信源与中继间的理想信道状态信息，但未知中继与接收节点 间的信道状态信息。该算法的仿真表明，它极大地限制了系统性能的提高，不管有多少个中 继节点，系统所能获得的分集增益始终为l 。在文献 3 4 中，针对使用解码传输协议的无线协 作通信网络，提出了基于部分信道状态信息的中继选择算法，文中的分析结果表明，该算法 通常只需少量的反馈信息便可以获得较好的系统性能。在文献 3 5 】中，作者结合发送节点与 已选中继间的功率分配，提出基于信噪比( s n r ) 上界的多中继选择算法。文献 3 6 1 针对无线协 作通信网络中存在着共道干扰影响了中继的选择，提出了存在干扰的中继选择方法。该算法是 通过竞争的方式完成数据的传输，不需中继节点之间交互信息，从而节省了系统的开销，具有 杭州电子科技大学硕士学位论文 较好的实用性。文献【3 7 忡，作者对基于有限反馈信息的最佳编码协作方式的中继选择进行 了研究。在瑞利信道和莱斯信道条件下，作者仿真了该协议的中断概率及其误码率性能，并 进行了进一步细化和优化。结果表明，该中继选择协议的中断概率和误码率性能与传统的中 继选择策略相比有较大提升。文献 3 8 1 提出了一种中继未知任何信道信息时的中继选择方案， 该算法首先提出了基于信噪比最大的单中继的选择方案，并推导出单中继选择的成对错误概 率表达式，然后提出了基于中继排序的多中继选择，推导出选择2 个中继的成对错误概率的下 界。该方法进行2 个中继节点的选择的错误概率高于1 个中继节点的选择的错误概率。还有将 博弈论引入协作通信中的应用。文献【3 9 】采用买方卖方博弈( b u y e r s e l lg 锄e ) 的方法提出了 一种分布式中继节点的选择与功率控制算法，该算法具体实现是将源节点建模为买方，决定 其所购买的功率量，将中继节点建模为卖方，决定功率的价格，经过若干次博弈之后，达成 买卖协议，但是它没有涉及到对源节点的发送功率的优化。 1 2 2 2 资源分配 资源的合理分配对无线信号的传输有很大的影响。如对功率的分配，如果功率过大，不 仅辐射严重，而且对于终端的能量消耗也是一个挑战；如果功率过小，无线信号经历衰落信 道后将达不到预想的速率。在无线协作中继网络中，不仅要考虑终端的功率分配，还要考虑 各中继的功率分配。 文献 4 0 以系统中断概率最小为目标，提出两种最优的功率分配方法，同时这两种功率 分配方法也可使得系统的符号错误概率达到最小。其中第一种是接收端知道完全的信道状态 信息的情况，在总功率与单独功率联合控制下，进行合理的功率分配使得系统容量最大化， 即中断概率最小化，然后接收端把这些最优的功率分配反馈给各个中继。另外一种是基于信 道统计信息，在中继端进行的功率分配。并提出了将中继选择与这种功率分配相结合的方法， 结果表明这种方法相对于单独的中继选择方法可使中断概率更小。在文献 4 1 1 中，作者提出 了一种基于m c p a i - 限的功率分配方法，它是以b 3 g 4 g 无线协作通信系统为基础，对平均信 道功率衰减因子进行了定义，且基于m c p a 门限设定了协作节点的选择阈值。文中的仿真结 果表明，与已经存在的全平均分配与门限平均分配相比较，该功率分配方法在各种信道状况 下都获得了较好的性能，尤其是对于信道状况恶劣的环境，该方法对系统性能的改善更为明 显。文献 4 2 】首先提出了分别基于完全信道信息与统计信道信息，a p a f 中继下以中断概率最 小化为目标的功率分配方案。然后，提出了一种机会a f 的中继方案，采用了源节点一中继节 点一目标节点的链路容量作为选择最优的中继节点的判别准则，本质与基于s i n r 的中继选择 相同，并分析了其中断概率。文献【4 3 】分析了其b e r 性能。最后，把基于完全信道信息功率分 配和机会a f 中继相结合，结果表明功率分配的优化可提高a f 中继的性能。文献 4 4 1 将非合作 博弈论运用于协作中继网络中，对发射功率与数据速率进行联合优化，优化的目标分别为数 据速率最大化与消耗能量最小化。该算法用定价函数来表示用户使用系统资源所需付出的代 价，每个用户都会在效用与代价之间寻找最佳的平衡点，即用户获得的效用和产生的干扰之 间进行折中，此时，系统可达到最优。文献 4 5 以最小化系统误帧率为目标，提出了在源节 6 杭州电子科技大学硕士学位论文 点和中继节点之间的功率分配方案。作者以误帧率下界作为目标函数，使用拉格朗日定理求 得系统的功率分配最优解。文献【4 6 】研究了多源多中继协作通信网络的最优功率分配。该文 假设中继节点知道所有的信道状态信息，基于不动点迭代框架，很好的解决了在保证服务质 量的情况下中继节点的总功率最小的问题。 1 2 2 3 协作通信中的网络编码 从广义上来讲，网络编码( n e t w o r kc o d i n g ) 是一种网络中的各节点对接收到的来自发送端 的信息先进行编码然后再进行转发的技术。通过对网络节点接收到的信息进行编码，可以实 现网络多播速率的最大流限，即网络资源利用的理论上限，但传统的路由机制与简单复制转 发方式并不能够获得该最大流限。此外，将网络编码应用于通信网络中，还可以获得优化网 络的能量消耗、平衡链路负载、节省网络的带宽等各种好处。由于网络编码本身也包含协作 的思想，因此把它与协作中继结合起来进行研究，对系统性能会有更大的提高。 文献 4 7 】中，作者提出了联合网络编码与信道解码的无线协作通信技术，该协作机制只 需2 个时隙便可实现数据的传输。时隙1 ，用户1 和用户2 同时将数据发送给接收端，接收 端和中继节点都接收到两用户的数据。时隙2 ，中继节点将接收到的两用户数据通过联合网 络编码与信道解码的处理，可直接得到异或后的数据包b l a b 2 ，然后将该数据包发送给接收端。 当接收端接收到该数据包后，结合之前接收到的两用户数据进行适当的处理即可恢复出两用 户的数据。这样便实现了使用2 个时隙完成两个用户数据的传输，相对于简单的线性网络编 码的协作通信减少了一个时隙的使用，从而有效提高了传输效率。文献 4 8 中，提出了空时网 络编码协作通信系统。文中的仿真结果证明，当用户的上行信道对称，且两用户间的协作信 道理想的情况下，相对于仅使用空时编码，且p e 为1 0 - 2 的协作通信方案，有大约4 - 5 d b 的编 码增益。由于使用传统网络编码的中继对于同时到达的多用户混合信号不能进行处理，所以 针对这一情况，在文献 4 9 ，5 0 】中，作者提出了能直接在物理层进行调制解调的网络编码，称 为物理层网络编码( p h y s i c a ln e t w o r kc o d i n g , p n c ) 。p n c 利用合理的调n 解调技术，对中 继接收到的来自发送端自然叠加的电磁信号进行映射，将其映射到比特流叠加的高斯域中， 然后对此高斯域的信号进行调制，再进行转发。在文献 5 l 】中，在不考虑直传链路的情况下， 对于r a y l e i g h 衰落信道中，作者分析比较了3 时隙物理层网络编码