（信号与信息处理专业论文）基于博弈论的最佳协作中继选择策略研究.pdf

摘要 摘要 协作通信技术克服了传统m i m o 技术不能在移动终端安装多根天线 的问题，能够应用于各种网络结构中，合理地利用资源提高系统性能，满 足人们对高数据传输速率和高频带时宽覆盖范围的需求，具有非常广阔的 应用前景，已逐渐成为无线通信中的研究热点。目前的研究焦点主要集中 于协作通信的性能分析、协作传输编码技术、协作资源的优化与分配等方 面。其中，协作资源分配中的协作中继的选择是指以一定的优化目标选择 最佳中继节点参与协作传输，是协作通信研究的首要环节。然而无线网络 中能量资源有限的移动节点在参与协作时会产生自身资源的损耗，采用何 种激励机制鼓励中继节点参与协作，就可以结合博弈论来解决协作交互中 源节点与协作中继节点的利益冲突。 本文研究重点可以分为以下两个部分： 1 、对协作中继选择策略进行深入的研究，在原有中继选择策略的基 础上充分考虑网络节点之间是否存在直接传输链路，以及综合考虑直接链 路与协作链路的影响，提出一种改进的基于信道状态信息的协作中继选择 策略以及相应的协作m a c 机制与其n a v 机制，分别从源节点、中继节点 和目的节点的角度对算法流程进行了详细的阐述，并对所提算法进行了性 能分析，推算得到新算法中的中继节点定时器设置准则，最后对改进算法 在冲突概率、中断概率与误码率方面进行数值仿真，证明所提算法性能优 于原有算法。 2 、以博弈论为数学工具，提出一种基于博弈论的协作中继选择策略： 结合b e r t r a n d 和s t r a c k e l b e r g 特殊博弈模型对协作中继选择策略中的源节 点与中继节点的效用函数进行分析，引入价格函数的概念，使得各候选中 继节点根据自身需求与信道状态信息来确定是否参与协作中继的竞争然 后提出合适的价格补偿函数；源节点在提出协作传输需求的前提下获得各 节点的价格函数，以最优化自身效用的前提下选择最佳中继节点；整个协 作系统收敛于协作能量需求与价格函数的完美子博弈纳什均衡的最优状 态；证明了所提算法的纳什均衡的存在性与收敛性；最后通过对所提策略 的不同情况下的仿真结果的分析，证明了理论分析的正确性与所提策略的 有效性。 关键词：协作通信，最佳协作中继，博弈论，效用函数，n a s h 均衡 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t c o o p e r a t i v e c o m m u n i c a t i o nc a l lo v e r c o m et h ep r o b l e m t h a tt h e t r a d i t i o n a lm i m ot e c h n o l o g yc a nn o te q u i p p e dw i t hm u l t i p l ea n t e n n a sa tt h e u s e rt e r m i n a l ，a n dc a na p p l yt ov a r i e t yo fn e t w o r k s ，w h i c hc a nm a k eg o o du s e o fr e s o u r c e st oi m p r o v es y s t e mp e r f o r m a n c ea n dt os a t i s f yt h ed e m a n d sf o r h i g l l d a t at r a n s f e rr a t ea n dh i g hf r e q u e n c yb a n d w h e nw i d ec o v e r a g e t h e r e f o r ei tg r a d u a l l yb e c o m e s t h e h o t s p o t i nr e s e a r c ho fm o b i l e t e l e c o m m u n i c a t i o n s c u r r e n t l y , t h er e s e a r c h f o c u s e so nt h ep e r f c i r m a n c e a n a l y s i so fc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n ，t h ec o o p e r a t i v et r a n s m i s s i o nc o d i n g t e c h n o l o g ya n do p t i m i z a t i o na n da p p l i c a t i o no fc o o p e r a t i v er e s o u r c e sa n ds o o n t h ec o o p e r a t i v er e l a ys e le c t i o ni nt h er e s o u r c ea p p l i c a t i o ni st oc h o o s ea b e s tr e l a yu n d e rac e r t a i no p t i m i z a t i o no b j e c t i v ep a r t i c i p a t ei nc o o p e r a t i v e t r a n s m i s s i o nt om a k ee f f e c t i v eu s eo fr e s o u r c e sa n dm o r es y s t e mg a i n s ， t h e r e f o r ei ti st h ee s s e n t i a ls t e pi nc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n b u tt h e r ew i l l b eal o s sw h e nw i r e l e s sn o d ec o o p e r a t i v e ，s ot o r e s o l v ec o n f l i c t so f c o o p e r a t i v ei n t e r a c t i o n ，ac o m b i n a t i o no fg a m et h e o r yi sg i v e n t h i sp a p e re m p h a s i si nt w op a r t sb e l o w ： 1 、t h i sp a p e rd i df u r t h e rr e s e a r c ho nc o o p e r a t i v er e l a ys e l e c t i o ns t r a t e g y , b a s eo n t h ee x i s t i n gc o o p e r a t i v er e l a ys e l e c t i o ns t r a t e g y , i tg i v e sf u l l a c c o u n to fw h e t h e ri th a sd i r e c tt r a n s m i s s i o nl i n kb e t w e e nn e t w o r kn o d e s ，a n d c o n s i d e r i n gt h ed i r e c tl i n ko f l i n k sa n dc o l l a b o r a t i o n ，i tp r o p o s e dai m p r o v e d c o o p e r a t i v er e l a y s e l e c t i o n s t r a t e g y a n d a p p r o p r i a t e m e c h a n i s m sf o r c o o r d i n a t i o nw i t hm a ca n dn a vm e c h a n i s m s e p a r a t e l yf r o mt h ep o i n to f s o u r c en o d e ，r e l a yn o d e s ，a n dd e s t i n a t i o nn o d e ，i td e s c r i b e st h ea l g o r i t h mi n d e t a i l ，a n a l y s i si t sp e r f o r m a n c e ，a n dc a l c u l a t e st h es e t t i n gc r i t e r i ao fr e l a y n o d et i m e ro ft h en e wa l g o r i t h m f i n a l l y , i ts i m u l a t et h ep e r f o r m a n c eo f c o n f l i c tp r o b a b i l i t y , o u t a g ep r o b a b i l i t yw i t he r r o rr a t eo fi m p r o v e da l g o r i t h m ， p r o v e si t sb e t t e rp e r f o r m a n c e 2 、u s eg a m et h e o r ya sa m a t h e m a t i c a lt o o lt op r o p o s ean e wc o o p e r a t i v e r e l a ys e l e c t i o ns t r a t e g y , a n dt oa n a l y s i st h eu t i l i t yf u n c t i o no f s o u r c en o d ea n d r e l a yn o d ei nc o o p e r a t i v er e l a y s e l e c t i o ns t r a t e g yi nc o m b i n a t i o no ft h e b e r t r a n da n ds t r a c k e l b e r gg a m et h e o r ym o d e l i ti n t r o d u c e st h ec o n c e p to f t h ep r i c ef u n c t i o nw h i c he n a b l e sc a n d i d a t er e l a yn o d et oc h o o s ew h e t h e r p a r t i c i p a t ei nc o o p e r a t i v er e l a yc o m p e t i t i o na c c o r d i n g t ot h e i rn e e d sa n d i l l c h 跏e 1s t a t ei n f 0 衄a t i o n ，t h e np r o p o s e t h er i g h tp r i c ec o m p e n s a t l o n f u n c t l o n t h es o u r c en o d eo b t a i nt h ep r i c ef u n c t i o n o fe a c hn o d ei nac o l i a b o r a t l v e c o n t e x to ft r a n s p o r tn e e d s ，a n ds e l e c tt h eb e s tr e l a yn o d e s t oo p t l m l z et h e l r o w nu t i l i t vs u b j e c t t h ec o o p e r a t i v es y s t e m c o n v e r g e n c ei nc o l l a b o r a t i v e 劬c t i o n so f 髓e r g yd e m a n da n dp r i c ef u n c t i o np e r f e c t n a s he q u i l i b r i 啪o f t h e o p t i m “s t a t e s ，p r o v e st h ee x i s t e n c ea n dc o n v e r g e n c e o ft h en a s he q u l l l b n u m o fa l g o r i t b 【m f i n a l l y i ts i m u l a t et h ep e r f o r m a n c eo f t h ep r o p o s e ds t r a t e g yl n d i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，p r o v e s t h ea c c u r a c y o ft h e o r e t i c a la n a l y s l s a n d e f f e c t i v e n e s so ft h es t r a t e g y k e yw 。出c 0 。p e r a t i v ec 。r a m s n i c a t i 。n ，t h e b e s tc 。p e r a t i v er e l a y ，g 锄e t h e o r y , u t i l i t yf u n c t i o n s ，n a s he q u i l i b r i u m 第一章绪论 1 1 协作通信技术简介 1 1 1 协作通信的产生 第一章绪论 在无线通信系统中，衰落效应是影响通信质量的主要因素之一，现在常 用的抗衰落技术有扩频技术、功率控制技术、调制解调技术与分集接收技术 等。其中，分集接收技术很好地解决了无线移动通信网络中的移动终端不适 宜增加天线数量和发射功率等方面限制的问题，可以在不增加功率或信道带 宽的情况下，经过多径传输相同信号，并在接收节点进行合并以获得分集增 益，从而有效的降低衰落的影响，提高系统的可靠性。主要可以分为频率分 集、时间分集和空间分集。 随着人们对于无线网络需求的日益增长，下一代移动通信技术需要提供 更高速的传输速率、更大的系统容量、更强的可移动性以及更好的服务质量。 空间分集技术可以利用空间上分离的多个发射信号或接收信号样本来对抗 无线信道的多径衰落特性从而改善网络性能。近年来提出的m i m o ( 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 ) 天线技术【l 引需要在接收端和发射端同时安 置多根天线进行无线传输，形成m i m o 信道结构，在不增加频谱资源和发射 功率的前提下有效地消除信道衰落的影响，大幅度的提高信道容量和传输速 率，降低误码率。但是在实际应用中，由于无线通信系统中的移动终端具有 体积小，能量资源有限等条件限制，很难在一个移动终端上安置多天线，从 而限制了m i m o 技术的应用与发展。 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作分集( 又称协作 通信) 【3 ，4 】：移动终端之间互为协作伙伴，在传输自己信息的同时也有责任 传输其协作伙伴信息，各单天线用户之间实现资源共享，形成虚拟的多天线 阵列来获得空间分集增益，从而克服了m i m o 技术的不足，有效地抵抗衰落 效应。协作通信技术通过节点之间的相互协作来实现性能优化目标与资源损 耗之间的折中，为m i m o 技术走向实用提供了新的思路，已经成为移动通信 系统实现可靠传输的关键研究方向。 1 1 2 协作通信的定义 近年来中继通信技术由于能够获得更好的网络性能，比如更经济地提高 网络覆盖范围，更有效的利用功率和带宽资源，提高传输可靠性以及保障系 重庆邮电大学硕士论文 统容量而逐渐成为无线通信领域的研究热点。 中继一般可以分为再生中继和非再生中继【5 】，其中再生中继是指中继节 点将接收到的信号进行解码并重新编码后再发送出去；而非再生中继只是简 单的放大接收到的信号后再重新发送。按照信号处理方式，中继又可以分为 放大中继( a m p l i f ya n df o r w a r d ，a f ) 、解码中继( d e c o d ea n df o r w a r d ，d f ) 、 解码协作中继( c o d e dc o o p e r a t i o n ，c c ) 【6 1 。按照中继节点是否移动，又可 以分为固定中继( 基站或者无线传感器网络节点等) 和移动中继( 移动用户 节点) 。在信号传输过程中，如果直接链路传输已经能够满足传输要求时， 就不需要采用中继传输，避免造成不必要的资源浪费，因此，还存在一种增 强中继，根据节点之间的信道状态信息反馈来决定是否使用中继传输。 典型的中继信道模型如图1 1 所示，由三个终端节点组成，分别定义为 发送信息的源节点( 用s 表示) ，为了增强通信的中继节点( 用r 表示) ， 以及接收信息的目的节点( 用d 表示) 。所有的信息都由s 直接传输或经由r 中继传输到d ，其中，r 仅对接收到的源节点信息进行信号处理后再重新发 送，并不是真正的信源或信宿。 协作通信技术就是把中继技术和空间分集技术相结合，通过节点之间的 协作来获得空间分集增益。 源节 图1 1 三节点中继信道模型 协作通信是指：多用户无线网络系统中的每个节点都有一个或多个协作 伙伴，协作伙伴之间在传输自己信息的同时也有责任帮助对方传输信息，各 单天线节点之间实现资源共享，形成虚拟的多天线阵列来获得空间分集增 益，最终目的端节点对接收到的多个在空间上独立衰落的信号进行合并，从 而获得空间分集增益，有效地抵抗衰落效应。从理论上，发送的信号能够被 网络中的任何节点接收并进行信号处理，这样就要求每个节点除了需要独立 传输自身信息外，还要保持监听其他节点的传输信息，以便能够帮助其他节 点传输信息，实现协作通信。现有研究结果表明【7 s 】：在慢衰落环境下，协 作传输可以扩大系统容量，提高传输速率，明显的改善网络服务质量，比如 2 第一章绪论 误比特率、中断概率等，实现性能优化目标与资源损耗之间的折中。 协作通信由中继通信发展而来，但是它们之间存在本质的区别：协作通 信就是在中继通信的单条链路传输的基础上引入一个或多个具有共同覆盖 范围的节点，目的节点接收经由多条中继链路传输的同一信号后进行合并， 以获得空间分集增益，从而使得数据传输速率和可靠性得到保障；协作通信 中的中继节点即可以是特定的中继站，也可以是终端节点，每个节点既可以 是信息源又可以是中继者。因此，我们又可以把协作通信技术称为协作中继 技术。 协作通信的核心思想就是网络中的多个节点之间的资源共享，主要体现 在物理层，以保证无线传输链路的有效性与可靠性。在传统通信模式下，物 理层只负责将信息从一个节点传输到另一个节点，而在协作通信模式下，信 道不仅仅是一条链路，而是整个网络本身。网络中的各节点互为彼此的协作 伙伴，帮助对方传输信息。只要网络中的终端节点数目超过两个，协作就有 可能发生。因此，在本论文中，我们把中继信道的一个三节点网络模型作为 协作通信中的基本单元，仅考虑节点r 为节点s 的协作伙伴时的情况，节点r 即为协作中继节点。 1 1 3 协作分集方式分类 协作中继采用什么样的信号处理方式对于接收到的信号进行处理后重 新发送是协作通信中的一个关键问题。因此，按照信号处理方式的不同，协 作分集方式一般可以分为以下三种【6 】：放大转发方式( a f ，a m p l i f ya n d f o r w a r d ) 、解码转发方式( d f ，d e c o d ea n df o r w a r d ) 和编码协作方式( c c ， c o d e dc o o p e r a t i o n ) 。 放大转发方式p 1 在a f 协作方式下，每个参与协作的中继节点只是对接收到的带有噪声 的源节点发送信号进行简单的放大，然后再重新发送。尽管在此过程中对于 接收到的信号的噪声部分也进行了放大转发，但对于目的节点来说，接收到 的是源节点和协作中继节点传送的两路经过独立衰落的信号，仍可以运用某 种方式进行合并判决。l a n e m a n 等人提出该机制，并分析了两个移动节点进 行协作时的性能，研究表明在高s n r 时，系统可以获得二阶分集增益【1 0 】。 在这种机制下，需要对信道状态信息进行检测估计以便做出最优判决。 对于模拟信号的采样、放大、重传并不是一个简单的技术，但比较来说，放 大重传方式便于分析与操作，相对比较简单。 重庆邮电大学硕士论文 解码转发方式【7 】 在d f 协作方式下，中继节点对接收到的信号进行解码，检测出数据比 特后再重新编码发送。这个过程的性能改善是通过在不同路径传输的冗余信 息中得到的。这种方式的优点是比较简单，对各种信道都有较好的适应性； 缺点是需要知道节点间的信道差错特性，当节点间信道状态比较差时，协作 中继可能就因为无法正确解码而导致信号检测失败，影响最后目的节点的信 号接收。 l a n e m a n 等人提出一种混合解码转发方法来避免以上问题【3 , 1 1 1 ：当衰落 信道具有较高s n r 时，协作中继节点对信号进行解码转发；在低s n r 时，则 采用非协作模式，研究表明在s n r 比下采用d f 协作方式不仅可以获得和a f 方式一样的二阶分集增益，而且能够获得更低的误码率。 编码协作方式【1 2 】 将协作信号与信道编码结合，通过两条独立的衰落信道来发送每个用户 码字的不同部分，不需要检测估计节点之间的信道状态信息，同时可以结合 空时编码技术，通过设计信道编码来实现协作分集。假设每个用户要发送k 个信息位，为了使得接收节点能够判断是否正确接收，通常在k 个信息位后 面附加循环冗余校验( c r c 信息) ，将编码后的数据发送周期分为两帧：在 第一帧，每个节点发送包含m 个数据比特的码字，并对接收到的协作伙伴 的数据进行解码( 由c r c 决定) ，如果解码正确，则在第二帧计算并发送协 作伙伴数据的第二部分个比特；如果解码失败，则发送自己数据的个 比特。这样，每个周期发送的都是n = m + 2 个比特。最后目的节点对接收 到的信息进行解码。 s t e f a n o v 证明：在慢衰落信道中，节点的数据传输速率和信号发射功率 不变，编码协作方式依然能够在较差的信道状况下显著降低误码率，获得分 集增益【l3 1 。但是在快衰落信道中，编码协作方式会牺牲上行信道状况较好 的终端性能【l4 1 。为了解决这个问题，j a n a i 提出了空时编码协作的思想，将 空时编码和编码协作结合起来，源节点不是只在自己的多址信道中发送协作 信息，而是每个节点都会同时在自己和协作伙伴的多址信道上发送信息【1 5 】。 众多研究结果表明：对于放大转发方式和解码转发方式，由于系统相当 于重复编码，因此在低s n r 时效率都不高；对于编码协作方式，在低s n r 时 的性能和非协作模式时差不多，在中、高s n r 时的性能远优于其他两种协作 转发方式。 4 第一章绪论 1 2 应用前景 协作通信技术可以应用于蜂窝网、无线传感器网、a dh o c 网络以及无 线局域网等网络结构中，也可以应用于多种网络融合形成的全新网络中，它 能够更合理地利用网络资源以提高通信系统性能，提高服务质量和传输可靠 性，例如有效对抗衰落、提升系统容量、增大数据传输速率、降低系统中断 概率等，是一个崭新的研究领域，具有非常广阔的应用前景，越来越受到人 们的关注。 如何在无线网络中使协作通信技术得到更好的应用，就要考虑以下几方 面问题： 复杂度问题 在协作通信中，节点必须有能力检测协作信号并进行一定程度的信号处 理，这就增加了接收机的复杂度，但是当协作带来的增益较大时，采用协作 传输还是值得的。因此，要对复杂度和性能增益之间进行折中。 安全性问题 为了保证协作伙伴之间的信息的保密性，源节点信息在发送之前必须进 行加密，使得协作中继节点可以检测到信息，却不能读取其中的数据，这样 也会增加系统的复杂性，但是必要的。 协作策略问题 在多节点网络中，协作策略中的协作中继的选择与资源的分配是紧密结 合的：源节点是否需要协作，何时需要协作；中继节点是否有资格参与协作， 以及在何种情况下协作；谁与谁结为协作伙伴以及由谁来决定协作中继；如 何找到一种协作策略，使得参与协作的用户都可以从协作中获益；同时，由 于协作中继参与协作的过程中要牺牲部分自己的数据速率、功率能量等性能 资源，该采取怎样的激励机制使得节点愿意放弃自己一部分利益而为他人作 嫁衣，通常就可以结合博弈论的方法进行分析。 网络结构问题 协作通信除了可以在蜂窝网、无线a dh o e 网络等同构网络中应用， 也可以应用于如无线网状网这类多种网络融合的异构网络中，这就需要克 服两大障碍：节点快速移动带来的网络性能恶化和各种无线网络融合所必 需的各类标准化。目前对于协作中继的研究在i e e e8 0 2 1 6 j 中基本也是基 于蜂窝网的基础架构上大量进行的，要融入无线网状网中并完全标准化还 有待研究。 重庆邮电大学硕士论文 1 3 研究现状 1 3 1 协作通信的发展 协作通信的基本思想最早开始于c o v e r 和g a m a l 基于信息论特性的中继 信道的研究【1 6 】：通过对一个离散无记忆三节点中继信道容量的研究，得出 不同情况下的信道容量界限，拉开了中继通信信道理论研究的序幕。一些学 者将对三节点基础中继信道模型的研究推广到多中继节点网络中，如图1 2 所示，假设所有节点的工作频带相同，将信息的中继分为从源节点s 向中继 节点r 和目的节点发送信息的广播通信阶段，以及在目的节点d 接收来自中 继节点r 发送信息的多址接入阶段两个部分，同时继续对信道容量以及涉及 到的协作问题进行了广泛的研究【1 7 2 7 】。 协作分集的概念最早由s e n d o n a r i s 等人在1 9 9 8 年提出【3 4 】，他们得出一个 两节点协作分集模型的容量限，计算了协作传输对中断概率及其网络覆盖范 围等的影响，最后启发性地提出了协作通信中协作的条件、协作伙伴的选取 等关键问题。与此同时，l a n e m a n 等提出三种不同的协作分集策略【6 28 2 9 】： 固定中继、选择中继和增量中继策略，对各种策略性能进行了研究，比较了 各自在不同的环境下的优越性，这三种协作策略都可以采用放大转发( a f ) 和解码转发( d f ) 两种不同的协作分集方式 3 0 , 3 1 】。在此基础上，h u n t e r 等 学者研究针对两节点协作提出编码协作方案 3 2 , 3 3 , 3 4 】，并不断有研究将编码协 作在两方面进行扩充【3 5 】：b a b a r o s s a 3 6 , 3 7 1 和a n g h e l 【3 8 1 将空时编码与编码协作 相结合；以及利用t u r b o 码进行编码协作。在对基本两节点模型研究的基础 上，l a n e m a n 针对多用户协作提出了分布式空时编码( s t c ) 模型1 3 9 1 。 图1 2 协作通信中继系统网络模型 上面这些研究是协作通信领域的重要里程碑，主要集中在物理层，基于 容量、中断概率和误码率等链路质量的度量，通过信号处理和编码技术，可 以得到与传统多天线系统类似的分集和编码增益。针对无线慢信道衰落，有 学者提出的最小化中断概率的最优功率分配算法【4 0 】、最大化系统容量的最 6 第一章绪论 优功率算法 4 1 , 4 2 】等各类协作资源分配算法都很好的证明了协作通信在硬件 和功率能量等方面也存在优势。因此，协作通信能够改善无线通信的网络传 输性能，不需要增加设备的投入而且灵活度高的特点被学者们普遍看好，相 继涌现了大量的研究成果。 从网络结构的角度来看，各层协议不同，优化目的不同，对协作通信有 着不同的影响。目前对于无线网络中的协作通信，除了在物理层的性能优化 研究外，在网络层、传输层、以及跨层网络设计等方面的研究都有了很大的 进展。 协作通信中一个重要的研究方向就是协作策略选择的研究，包括协作方 式的选择与协作中继的选择。在网络层的路由协议可以对信息进行重传以减 小冲突的发生；应用层可以设置多个节点参与协作以产生较好的增益性能。 k h a n d a n i 等人基于网络层的协作路由算法，给出了一个加权的折衷算法【4 3 1 ； z o r z i 等提出了地理路由的概念，中继节点通过接收源节点在发送数据包的 时候广播的自身和目的节点的路由位置信息，衡量自身和目的节点之间的距 离来决定是否参与协作传输【4 4 】；b i s w a s 等在地理路由的基础上进行改进，提 出机会路由的概念【4 5 l 。 在数据链路层，多节点可以在达到吞吐量要求的情况下达到最小能量损 耗的目的，无线资源的优化分配( 主要指功率资源和信道资源) 能够有效地 提高协作通信的整体性能；m a c 层的功率控制结合传输层的t c p 滑动窗口控 制，可以极大的减少冲突对网络吞吐量的影响；节点还可以通过利用m a c 层的r t s c t s 机制获得节点之间的瞬时信道信息以获得信道的综合度量： b l e t s a s 等人【4 6 , 4 7 , 4 8 】将机会路由的思想引入到协作分集之中，提出了一种基于 瞬时信道信息的协作中继选择策略，利用r t s c t s 机制获得信道的综合量度 来选择最佳协作中继节点，从而在物理层实现协作分集。 1 3 2 协作通信在现有网络中的应用研究 协作通信技术可以应用于各种网络结构中，近年来大多数的研究主要集 中在优化物理层的性能，没有仔细考虑协作传输与网络高层的相互作用影 响。但是无线网络协作通信实际应用研究中，要求的不仅是单个节点的性能 增益，还有整体网络系统的性能增益，而且涉及到了无线通信协议中各层之 间的具体运作，主要包括两个方面：一是单一无线通信网络内部不同节点或 不同技术的协作，由于目前的无线终端设备无法在同一频道同时收发信号以 避免造成严重干扰，所以除了功率的限制外，半双工模式的约束是协作通信 7 重庆邮电大学硕士论文 系统模型不可分割的一部分；二是不同异构无线网络相互协作，随着无线网 状网的发展，a dh o c 网络以及其他短距离无线接入网络和移动蜂窝网络的 不断融合，协作通信技术在异构网络中也得到了广泛的研究。下面我们对协 作通信在现有网络中的应用研究现状进行介绍。 蜂窝移动通信系统下行链路中的协作分集研究 蜂窝移动通信系统中的协作通信概念最早由s c n d o n a r i s 等人提出来：通 过小区内的用户协作以获得空间分集增益来克服上行链路中终端节点不能 安装多天线的限制 4 9 , 5 0 。近年来大多建立在t d m a ，t d d c d m a 网络的基 础上对小区覆盖、系统容量以及吞吐量等方面进行分析 5 1 , 5 2 , 5 3 , 5 4 】，这是因为 中继节点在上行链路发送信号，而m s 在下行链路接收信号的形式在f d d 网 络中难以实现。 一九。 一煳 b s ：二? m 。1 图1 3 传统蜂窝网络系统图1 4 协作蜂窝网络系统 如图1 3 所示为一基站两用户的传统蜂窝网络系统简化结构，用户只能 通过自身单根天线分别与基站b s 进行通信；如图1 4 所示为协作蜂窝网络系 统简化结构，两用户互为协作伙伴，相互作为协作中继节点对对方的信号进 行转发，相同的信号分别经过直接链路和转发链路两条衰落相互独立的路径 传输，由目的节点用户接收后进行信号处理。 r s ( 【t j 态 已吼 图1 5 蜂窝网协作通信模型 在协作蜂窝系统中，除了利用其他用户节点作为协作中继进行信号的协 作转发外，还可以通过特定的中继站r s 实现协作传输，如图1 5 所示，其 中中继站r s 仅负责信号的转发而自身不进行信息的发送。在蜂窝网络中引 第一章绪论 入协作中继技术可以减少传播路径损耗，以此提高数据传输速率，同时提高 网络覆盖范围，获得容量增益，保证传输的可靠性和有效性。 在蜂窝移动通信系统中，用户都与基站进行通信，这样可以提供一种集 中控制机制。目前比较流行的集中式分配策略绝大部分都集中在资源的分配 上，假设基站已知用户间所有信道信息，那么就可以根据一个性能优化标准， 如平均误码率来分配协作伙伴。基站最终决定用户协作中继的选择、协作分 集接收以及进行相应的功率控制，需要随时掌握更新所有信道状态信息，或 至少为统计信息，这在建立信道时就造成了额外的复杂度开销和信令交换的 负担。 分布式无线a dh o e 网络中的协作分集研究 与蜂窝网络相比，无线a dh o e 网络不依靠基础设施，每个节点都可以 自适应的与其他任何节点进行通信，根据节点是否移动，可以分为移动a d h o c 网络和传感器网络两种形式。这里我们给出两种可能的协作a dh o c 网络 模型：第一种是依赖于已有的分组基础的系统模型，协作中继是由中心控制 的；第二种采用非中心控制方式，不用分组，源节点传送特殊信息申请随机 选择协作中继以建立协作链接。 1 ) 模型一如图1 6 所示，协作通信是由a p 中心激励的。a p 通过收集 网络状态信息，基于某种性能准则选择协作方式，同时处理分组内节点之 间的通信和以及与其他分组的通信。这里的协作分集不考虑路由，只存在 于m a c 和物理层。在多跳协作网络结构中，a p 组之间使用多个协作中继 传输信息以提供协作分集增益。 图1 6 中心激励的协作a dh o c 网络系统 这种结构的优点在于类似于多层网络，能够提供更可靠、更大范围的 通信链接；缺点是分组的限制。因此该模型的重点是采用何种的分组策略 对网络节点进行分组；a p 如何运用匹配算法选择协作节点；以及其对网络 的互连性的影响。 9 重庆邮电大学硕士论文 2 ) 模型二如图1 7 所示，是一种随机接入的a dh o e 协作网络，源节 点传送特殊的控制信息和链接参数信息随机地选择协作中继建立链接。每 个随机协作组合中的节点可以依赖源节点信息中的同步数据，可以自行决 定的编码方式，但是一般对于同一网络可以统一设定同一编码方式。分组 中的一部分作为协作中继，重新发送信息，以此类推直至形成多段协作。 o 沁 o。 v b o 随机协作中继 图1 7 随机接入的协作a dh o c 网络系统 随机协作分组没有a p 传递信息，所以需要通过重复协作请求来补充 下一分组。为了避免重复选择循环，协作中继选择算法应该在迭代过程中 及时排除已出现过的节点，其中算法可以通过设定信噪比门限等策略来选 择协作中继。该结构的缺点是没有集中控制单元，两节点间的通信是由其 他节点中继完成，而无线通信系统中节点不一定是固定不变的，因此这时 的端到端链路是不可靠的。 异构通信系统中的协作分集研究 多跳蜂窝网络( m c n ) 最早由y i n g d a r 等人提出，是在传统单跳蜂窝网 ( s c n ) 中引入a dh o c 网络【5 5 1 ，这样，不仅基站与用户之间能够进行无线 数据传输，用户之间也可以传输数据。随着a dh o c 网络以及其他短距离无 线接入网络和移动蜂窝网络的不断融合，异构网络技术得到广泛的发展研 究。 异构无线接入网络的融合主要可以分为两种类型：基于通用链路层的异 构网络架构和基于协作中继的异构网络架构。前者通过设置中间链路层实现 多个无线接入网络融合后的资源管理；后者通过设置中继节点构建中间层实 现异构网络融合下的协作无线资源管理。如图1 8 所示为异构无线协作通信 系统，图中多个协作中继节在异构无线接入网间自适应的构成一个协作中继 子网。协作中继节点即可以是基础架构网络的终端，也是短距离无线接入网 的接入节点( 集中控制模式) 或对等节点( 分布控制模式) ；它既可以是固 定节点，也可以是移动节点。 1 0 第一章绪论 协作中继予舟 基础架构型无线接入网 图1 8 异构无线协作通信系统 目前对于协作通信的研究主要集中在同构网络中，在异构网络中的协作 通信研究一般都基于蜂窝基础架构网络类型或假设异构网络为对等网络。在 异构无线通信系统中的中继节点由于可以采用不同的无线接入技术，因此需 要具有两种以上模式：由于中继节点连接的两个不同的网络结构运用不同的 毋 网络协议，经过中继节点传输的数据需要进行一定的格式转换，增加了时延、 信令的开销以及复杂度，因此在网络结构融合的同时也要满足网络协议之间 的融合。 1 3 3 研究焦点 现阶段对于协作通信的研究主要集中在以下几个方面：协作通信中的 m a c 增强方案：协作无线资源的合理优化分配；支持协作通信的多用户 多分集路由技术：协作分集策略中的协作网络编码技术；以及无线异构网 络中的协作传输等。 以上提到了几个协作通信的研究焦点，而实际上研究学者们对与协作 通信还有更多方面更广泛的研究，但是无论在哪个方面，源节点的数据信 息都要经过协作中继的转发才能在目的节点获得协作分集增益。在现实网 络中，源节点潜在的候选协作中继可能不止一个，如何合理分配节点资源， 从多个节点中选择一个或多个最佳协作中继，既可以增大协作分集增益， 又可以合理分配协作资源，减少系统复杂度，这就是协作中继选择问题， 它是其他研究的基础，是协作通信研究中首先要解决的问题。 协作通信的性能提高主要依赖于资源的合理分配，例如功率控制、信道 分配以及协作策略的选择。其中协作策略包括协作中继的选取策略和协作方 式的选择策略。对于协作中继的选取策略的研究，主要可以分为以下几个方 重庆邮电大学硕士论文 面： 协作的时机 协作中继的选取是在保证公平性的前提下选择最佳中继参与协作以最 大化通信系统网络性能，但是并不是所有的数据传输都需要协作，因此需要 知道用户在何种情况下才应该采取协作方式，以及采用何种协作方式。 近年来的许多研究都假设潜在的协作中继节点都参与协作传输，这样导 致系统资源的不合理占用，对系统性能的提高非常有限，因此，需要适时地 从网络中的众多潜在中继中选取最佳的一个或几个节点作为协作中继进行 信息的协作传输，既可以得到更好的性能增益，又能有效地利用系统资源， 减少复杂度。 协作的效益 对于协作通信的研究一般都假设协作中继节点都愿意帮助源节点将数 据传送到目的节点以获得更好的传输效果，研究的重点在于中断概率和误码 率等性能参数上。但在实际情况下，节点间协作是有条件的，无线移动终端 的资源有限，中继节点参与协作牺牲部分带宽或功率能量消耗，结果导致差 错率增大，势必要提高调制和编码速率，采取怎样的激励机制使得中继愿意 放弃自己一部分性能参与协作，可以结合博弈论的方法进行分析 5 6 , 5 7 】。 协作中继节点数目 尽管理论上选取更多的协作中继节点将获得更好的网络性能，但随着协 作节点数目的增加所带来的性能增益将减小，协作策略的设计、信号检测估 计的复杂度会增加，节点间干扰会增大，网络成本也会增加，因此要选择合 适数量的协作节点。 协作的网络结构 在实际网络环境下，协作中继节点能同时作为基础架构型无线接入网的 终端( 集中控制模式) 和分布式无线接入网络的接入点或者对等节点存在( 分 布式控制模式) ，来支持协作通信。由谁来决定协作伙伴，源节点、目的节 点、协作中继节点自身，还是由专门的集中通信实体? 基于不同的网络结构， 应该采取不同的协作伙伴选取策略。 目前，基于不同的网络结构，取决于不同的优化目的，协作中继选择的 策略可以分为以下几类：基于协作区域的中继选择策略、基于平均信噪比的 中继选择策略、基于瞬时信道状态的中继选择策略、基于容量的中继选择策 略、基于功率控制的协作伙伴选择策略、基于端到端误码率的协作伙伴选择 策略、基于中断概率的中继选择策略。关于现阶段已有的协作伙伴的选择策 略将在第二章中进行综述介绍。 1 2 第一章绪论 1 4 论文的主要工作 目前对于协作资源分配策略的研究主要集中在蜂窝网等集中式网络中， 基站在统计所有用户的情况后评估协作传输的必要性，然后进行协作中继的 选择与中继传输功率的分配，对于所有信道状态信息的统计造成了额外的开 销和信令交换的负担。 对于分布式网络，用户可以在任意时间独立的决定和哪一个用户进行协 作，但要在不增加额外系统资源的前提下，保证所有用户的公平性。分布式 资源分配有两个主要的问题需要考虑：第一，在大量的节点中，哪些有助于 源节点的信息传输，改善链路质量；第二，基于何种条件可以激励候选中继 节点参与协作。在回答这两个问题时，博弈论是最自然、最可靠、最有效的 工具。 博弈论是分析有利益冲突的决策者之间的交互的理论，在无线网络中认 为自治节点的随机访问和功率控制都是可以研究的，可以用来研究节点之间 的协作交互。我们假设各个节点都是理性的独立个体，从各自的利益出发考 虑协作条件和协作方式，基于博弈论的价格激励机制可以为参与协作的节点 提供相应的补偿来增进协作，从而避免过度的资源分配和资源浪费，通过纳 什均衡解得到各协作伙伴间的资源分配平衡，以改善网络的整体性能。 本文对分布式协作中继选择策略进行深入的研究，在对原有协作中继选 择策略进行改进的基础上，以博弈论为数学工具，建立基于博弈论的协作中 继选择策略模型，主要工作如下： 对目前取决于不同的优化目的的各类协作中继选择策略做了总结和 分类，在机会中继选择策略的基础上进行了算法改进，充分考虑了网络节点 之间的交互状态，以及综合考虑了直接链路与协作链路对于协作传输的影 响，提出基于信道状态信息的改进的协作中继选择策略，对算法进行理论分 析和数值仿真证明改进算法在协作通信的冲突概率、中断概率与误码率等方 面性能优于原有算法。 以往博弈理论一般都是用来判断候选中继节点是否有资格参与协作 或者如何更好的公平的分配网络资源，对于具体的协作中继选择的策略方面 很少涉及。本文研究了协作通信中的博弈论方法，基于特殊博弈模型分析结 合其在协作通信中的应用建立协作中继选择的博弈模型，提出了基于博弈论 的协作中继选择策略，详细阐述了效用函数的构建过程，推导了算法的迭代 公式，并证明了