（信息与通信工程专业论文）功率分配和网络编码在无线通信协作分集中的应用.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文摘要 摘要 作为无线网络的前沿课题，协作通信在无线a dh o c 网络、无线传感器网络、无线局域 网( w i r e l e s sl o c a ln e t w o r k ，w l a n ) 等新一代网络中具有广阔的应用前景。利用无线网络的 广播特性，协作通信通过协作伙伴的“旁听 及对旁听获得的信息处理、传送等手段，可 以有效地降低无线链路的衰落和不稳定性，提高网络的可靠性和数据传输速率，扩展了网 络的覆盖范围。因此，结合信号处理技术，研究无线网络中协作通信机制、协作方案及其 性能具有重要的理论意义和参考价值。 本文首先介绍了协作分集的基本原理。在此基础上，研究了重复编码协作系统的功率 分配问题。在总功率p 一定的条件下，从误码率( b e r ) f 1 5 发，利用大信噪比条件下误码率 的下界或上界进行功率优化分配，推导出了信源和中继器间分别采用a f 和d f 协议时的 最优功率分配表达式。在所建系统模型基础上，通过m o n t ec a r l o 仿真获得系统性能，结 果表明：所提出的功率优化分配方案可以有效地降低系统误码率，提升系统的中断概率。 其次，探讨了网络编码在d f 协作分集无线通信系统的应用。在静态d f 和自适应d f 协 作系统中，本文进行了有无网络编码的中断概率理论分析和相应的m a t l a b 仿真。结果显示： 当交互信道质量较差时，采用网络编码协作可以改善系统的中断概率性能；在自适应d f 网络编码协作系统中，当信息速率r 和交互信道质量一定时，第一帧分配的功率越多，中 断概率越小。此外，分析并比较了传统的d f 协作和自适应网络编码协作系统的分集一复用 增益性能。结果表明：自适应d f 网络编码协作不仅可以获得二阶分集增益，而且可以提高 系统频谱利用率。 最后，提出了一种基于空时码的协作网络编码方案( c o o p e r a t i v en e t w o r kc o d i n gb a s e d o ns p a c e t i m ec o d e s t c n c ) ，推导出采用s t c n c 的两跳链状网络中端到端信息交换的 误比特率，分析了该方案带来的分集增益和网络编码增益。结果表明；相对于传统的多跳 链路的数据交互策略，该方案能够带来明显的性能增益。 关键词：协作分集空时编码网络编码功率分配 南京邮电大学硕士研究生学位论文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 ec o m m u n i c a t i o ni nw i r e l e s sn e t w o r k se x p l o i t st h en a t u r a lb r o a d c a s t i n g c h a r a c t e r i s t i co fr a d i ot om a k et h es i g n a lt r a n s m i t t e dt ot a r g e tr e c e i v e ro v e r h e a r db yt h e c o o p e r a t i v ep a r t n e r s i tc a r ln o to n l yr e d u c et h ei m p a c to ft h ef a d i n ga n dv a r i e t yo ft h ew i r e l e s s l i n k s ，b u ta l s oi m p r o v et h er e l i a b i l i t y , d a t ar a t e so fn e t w o r k i nt h i sp a p e r , w es t u d yt h e c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o nm e c h a n i s m ，c o o p e r a t i v es c h e m ed e s i g na n di t sp e r f o r m a n c eb a s e d o ns i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n i q u e s f i r s t , t h ep r i n c i p l eo fc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n si si n t r o d u c e d b a s e do ni t , t h ep o w e r a l l o c a t i o ns c h e m ei sc o n s i d e r e d o nt h ea s s u m p t i o no fc o n s t a n tt o t a lt r a n s m i tp o w e r ，a no p t i m a l p o w e r a l l o c a t i o ns c h e m eb e t w e e ns o u r c ea n d r e l a y i s p r o p o s e dr e s p e c t i v e l y i nt h e a m p l i f y - a n d f o r w a r dp r o t o c o la n dt h ed e c o d e a n d f o r w a r dp r o t o c o lb yu s i n gt h el o w e rb o u n d o ru p p e rb o u n do fb i te r r o rr a t e ( b e r ) i nh i g hs n ra so b j e c t i v ef u n c 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 tt h ep r o p o s e ds c h e m er e d u c e sb e ra n de n h a n c e st h es y s t e mp e r f o r m a n c eb y d e c r e a s i n gt h eo u t a g ep r o b a b i l i t yi nc o m p a r i s o nt ot h a ts y s t e mw i t hu n i f o r mp o w e r a l l o c a t i o n t h e n , t h en e t w o r kc o d i n gt e c h n i q u e si sa p p l i e di nt h ec o o p e r a t i v ed i v e r s i t ys c h e m e t h e p e r f o r m a n c eo fv a r i o u sd e c o d e a n d f o r w a r d - b a s e dc o o p e r a t i v et r a n s m i s s i o np r o t o c o l s 、析t 1 1o r w i t h o u ta d d i t i o n a ln e t w o r kc o d i n ga r ed i s c u s s e d t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n ss h o wm a l ， n e t w o r k - c o d i n g b a s e dp r o t o c o li ss u i t a b l ew h e nt h es o u r c e - r e l a yc h a n n e li su n r e l i a b l e f o rt h e g i v e nv a l u e sra n d f ，t h eo u t a g ep r o b a b i l i t yi s r e d u c e dw h e nm o r ep o w e ri sa l l o c a t e di nt h e f i r s tp h a s e t h ed i v e r s i t y - m u l t i p l e xt r a d e o f fi sf u r t h e ra n a l y z e d ，i ts h o w s t h a tad i v e r s i t yo r d e ro f t w oc a l lb eo b t a i n e du s i n gt h i ss c h e m e ，a n da l s ot h es p e c t r a le f f i c i e n c yi si m p r o v e d a tl a s t , ac o o p e r a t i v en e t w o r kc o d i n gt e c h n i q u eb a s e do ns p a c e - t i m ec o d e ( s t - c n c ) i s p r o p o s e d , w h i c hc o m b a t sc h a n n e lf a d i n ga n di m p r o v e s r e s o u r c ee f f i c i e n c ya n dn e t w o r k t h r o u g h p u t ac l o s et h e o r e t i c a le x p r e s s i o nf o rb e rp e r f o r m a n c eo ft h ei n f o r m a t i o ne x c h a n g ei n t w o - h o pc h a i nn e t w o r ki sd e r i v e da n di t sd i v e r s i t yg a i na n dn e t w o r kc o d i n gg a i ni sa n a l y z e d t h en u m e r i c a lr e s u l t ss h o wt h a tt h eb e rp e r f o r m a n c eo fs t - c n co u t p e r f o r m st h et r a d i t i o n a l s t r a t e g i e sw i t hd i s t i n c t i v eg a i n s 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 ys p a c e t i m eb l o c kc o d i n gn e t w o r kc o d i n gp o w e r - a l l o c a t i o n u 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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的地方外，论文中不包括其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它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。 研究生签名：查垒笸l 日期： 南京邮电大学学位论文使用授权声明 细z 髟，户 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文 的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以 公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权南京邮电大学研 究生部办理。 研究生签名：查全凰导师签名：塑蛄日期：兰竺三：堡 产 一一尹 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 论文的研究背景 第一章绪论 近年来提出的基于空间分集的多输入多输出( 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 ) 天线技术，通过在发送和接收两端同时安置多副天线，以获得很高的分集阶数，极大地提 高了信道容量。在无线通信的上行链路中，特别是蜂窝移动通信的上行链路中，由于受移 动终端质量、体积和功耗要求的约束，现有的多天线都设计在基站上，所获得系统性能的 改善与理论上仍有很大差距【1 。2 】。为了使单天线的移动终端也能获得空间分集，s e n d o n a r i s 等t 3 - 5 1 提出了一种新的空间分集技术，即协作分集( c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y ) ，其思想是通过 多用户共享天线和其他网络资源的形式构造“虚拟多天线阵列 ，并通过分布式处理产生 协作来获得一定的空间分集增益。因此，协作分集为m i m o 多天线技术走向实用提供了一 条新的途径。 在无线协作分集网络中，由于中继器要帮助信源传输信息，这必然导致额外功率的消 耗。同时，分集产生的增益可以提高系统性能。因此，在一定程度上协作分集技术可以看 作功率和系统性能之间的折中。本文考虑在信源和中继器总功率一定的条件下，如何优化 分配信源和中继器的功率，使系统误码率性能和中断概率性能达到最佳。 为了充分利用有限的无线资源，提高网络覆盖范围和系统容量，目前无线通信领域引 入了多跳传输机制，如i e e e8 0 2 工作组提出无线自组织网络、无线m e s h 网络以及无线传感 器网络等。在无线多跳通信网络中，信息可以通过中间节点进行复制、放大和转发，使 各接收节点能快速收到完整信息，但是中继节点简单的数据转发能力一般无法实现最大信 息传输。2 1 世纪初基于有线网络提出的网络编码理论 6 1 ，理论上可以实现网络的最大流传 输，能有效解决中继节点传输瓶颈问题。网络编码理论允许中继节点将从多条无线路径接 收的信息进行编码转发，接收节点通过相应的解码得到原始信息，提高节点接收速率。 网络编码强调节点之间相互合作，它从网络信息论的角度出发，将这种节点合作编码 的概念应用到整个通信网络，以提高网络的整体性能。目前，通过对网络编码的理论研究 和仿真实现，已经显示网络编码在网络传输中的优势，它不仅可以提高网络流量，还在信 息可靠性、安全性等方面有极大的应用前景。 协作分集技术中，为获得分集增益，目的节点需要收到来自不同节点、包含同样信息 的多个信号样本：网络编码技术则需要中间节点将来自多个节点的多个信息有选择地合并 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 到一起，目的节点收到多个合并样本后进行解码、还原原始信息。和传统的点到点通信相 区别，协作分集技术和网络编码技术具有共同的通信特征：多个节点参与、通过多次收发 完成通信，因此，协作网络编码技术是协作分集技术和网络编码技术的自然结合。 当前对于协作网络编码技术的研究大多数还停留在基本通信方式的研究上，大致可以 归结为两类：一类是文献 7 1 1 中对基于s r d 的协作网络编码技术所做的研究，另一类研 究主要是文献 1 2 基于多跳无线网络研究的累进网络编码技术，体现了多跳协作网络编码 的基本思想。文献 7 对将网络编码应用于分布式天线系统以及用户协作系统所能获得的 分集增益进行了研究。文献 9 提出被称为自适应网络编码协作( a n c c ) 的协作通信机制。 其做法是将网络图和码图相匹配，以构建可有效描述无线网络的传播环境变化特性的线 性网络编码。文献 1 3 对无线传感器网络中采用自适应解码前传协议的网络编码系统的分 集复用权衡和覆盖率进行了分析和仿真，不过前提是要有可靠的信源中继信道，使它们都 能够正确解码接收到的信息。 目前关于协作分集技术的研究很多，包括信道建模、信息论和编码、信号处理、天线 设计、固定网和移动网的多天线蜂窝设计等等。但是许多相关问题还有待于解决，如协作 策略选择，协作用户终端间的资源分配等等问题。只有解决了这些问题，才能使得这项技 术逐渐走向实用。本课题正是以此为研究方向，研究如何进行功率分配才能达到最优功率 分配，使得系统误比特率和中断概率最小化。然后讨论网络编码在协作通信系统中的应用 中断性能和分集一复用折衷性能的理论分析和数值仿真表明，较之已有未采用网络编码的 协作方案，我们提出的方案在获得满空间分集增益和有效对抗多径衰落的同时，能够实现 更高的频谱效率。相对于传统的编码协作，空时编码协作在快衰落信道情况下不仅可以获 得完全分集增益和编码增益，并且不会牺牲上行信道质量相对较好的用户的性能，因此本 文最后进一步研究了基于空时编码的网络编码协作技术，针对协作节点有一定判决误码的 情况，分析了分布式a l a m o u t i 空时码的误比特率，在此基础上对基于空时码的网络编码协 作的性能进行了讨论。 1 2 本论文的主要工作 本论文结构安排及主要内容如下： 第2 章：本章首先介绍了分集合并的一些基本概念，然后给出了协作分集思想提出的 背景和概念。中继信道是协作分集思想产生的基础。因此，本章详细了中继信道的模型、 容量和三种随机编码方法。而目前的协作分集协议主要来自其中一种随机编码方法。接着 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 给出了协作分集系统模型，重点讨论了采用几种主要的协作分集协议一放大中继、译码中 继和编码合作( c o d e dc o o p e r a t i o n ，c o ) 的中断概率性能。 第3 章：探讨协作分集网络中的功率优化分配。在协作通信中，信源传输信息需要消 耗功率，中继器帮助信源中继传输信息也需要消耗功率。本章讨论在总功率一定的条件下， 如何优化分配信源和中继器的发射功率，从而使得系统的误码率最小。由于前向放大 ( a m p l i f y - a n d - f o r w a r d ，a f ) 协议和解码前传( d e c o d e - a n d - f o r w a r d ，d f ) 协议中系统误码 率的表达式比较复杂，这里利用大信噪比时误码率的下界或上界表达式进行功率优化分 配。利用m a t l a b 对该优化方案进行仿真分析，并建立了相关的系统平台。数值仿真结果表 明当中继器和信源距离较远时，系统误码率和中断概率明显下降，性能得到较大改善。 第4 章：本章主要研究了确定性网络编码( 模2 和) 在基于不同的d f 协议的协作分 集系统中的应用，文中假设用户间是对称的交互信道，且具有相同的上行信道，对静态d f 和自适应d f 协议中有无网络编码的中断概率性能进行了理论分析与计算机仿真，结果表 明当交互信道质量较差时，网络编码协作可以改善系统中断概率性能。接着进一步考虑了 不同的功率分配策略对网络编码协作系统中断概率的影响，当第一帧分配功率较多时，中 断概率明显降低。最后通过m a t l a b 仿真比较了网络编码协作与传统d f 协作系统中分集与 复用增益性能，自适应网络编码协作可以获得二阶的分集增益。 第5 章：本章主要研究网络编码在空时协作分集系统的应用。首先建立了基于空时 编码的协作网络编码系统模型，对间隔两跳的节点间信息交换可采用通常的策略、网络编 码的策略、空时协作策略以及本文提出的基于空时码的协作网络编码策略，分析对比上述 几种策略的端到端信息交换的误比特率性能。计算机仿真结果表明：相对于传统的多跳链 路的数据交互策略，该技术能够带来明显的分集增益和网络编码增益。 第6 章：总结与展望 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章协作分集技术基础 2 1 引言 第二章协作分集技术基础 无线信道的多径衰落是阻碍信道容量增加和服务质量改善的主要原因之一。协作分集 ( c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y ) 是一种新的空间分集技术，其基本思想是通过多个用户之间共享天 线和其他网络资源的形式构造“虚拟的多天线阵列”，并通过分布式处理产生协作来获得 空间分集增益。 协作分集的思想来源于中继信道。与中继信道所不同，在协作分集网络中，每个用户 不仅要传输自己的信息，还要帮助其合作伙伴中继传输信息。也就是说，每个用户既要充 当信源的角色，又要扮演中继器的角色。三端中继信道模型首先由v a nd e rm e u l e n l l 4 】给出。 c o v e r 等【u 】研究了离散无记忆中继信道和高斯中继信道，并确定了退化中继信道的容量。 同时，他们提出了三种不同的随机编码方法，并得到了中继信道的三个可达速率。l a n e m a n 等【1 6 l 基于其中一种随机编码方法，发展了两种简单的合作分集协议：放大中继( a f ) 和译 码中继( d f ) 。h u n t e r 等1 7 】在d f 协议的基础上，引入信道编码，提出了编码合作( c c ) 协议。 本章具体内容安排如下：第二节介绍了分集与合并的基本概念；第三节介绍了中继信 道模型及三种随机编码方法：第四节介绍了协作分集提出的背景和基本原理，给出了合作 分集系统模型，阐述了三种合作分集协议：第五节分析了这些合作分集协议的中断概率， 并进行了计算机仿真和比较；第六节是本章的小结。 2 2 分集与合并 在无线通信中，常采用分集技术来对抗多径衰落的影响，提高传输的可靠性。分集技 术是指接收端接收发射信号的多个样本，虽然每个接收信号携带的信息相同，但在衰落统 计特性上相互独立。分集的基本思想是：如果接收的信号是经历不相关模式的衰落，那么 它们同时低于给定门限电平的概率要比单一信号低于给定门限电平的概率小得多。因此， 采用合理的方式合并这些接收信号可以大大降低衰落的影响，相应地，也就提高了传输的 可靠性。 常见的分集方式包括：时间分集、频率分集和空间分集。 ( 1 ) 时间分集 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章协作分集技术基础 时间分集是相同的信息在不同时隙多次重发，只要时间间隔足够大( 大于相干时间) ， 接收端就能收到不相干的衰落信号。在移动通信中，一般使用差错控制编码结合交织技术 来实现时间分集。在这种情况下，发射信号的副本通常以差错控制编码带来的时域冗余形 式到达接收端。由时间交织提供发射信号副本之间的时间间隔，从而在译码器的输入端得 到独立的衰落。该方案的缺点是由于在时间域上引入了冗余，使得频谱利用率受到损失。 ( 2 ) 频率分集 在频率分集中，使用许多不同的频率发射相同的信息。发射频率的间隔必须足够大( 大 于相干带宽) ，从而保证每个频率的衰落是独立的。在移动通信中，发射信号副本通常按 频域冗余的形式到达接收端，这种频域冗余是由直接序列扩频( d s s s ) 、多载波调制和调 频等扩频技术引入的。和时间分集一样，由于频率域上引入的冗余，频率分集也使得频谱 利用率受到损失。 ( 3 ) 空间分集 空间分集是发射端接收端在空间上分开排列的多根天线或天线阵列来实现的。多根 天线在物理空间上分开一定的距离，使得各根天线接收的信号互不相关。天线间隔的大小 随天线高度、传播环境和频率的不同而不同。一般间隔几个信号波长就能获得不相关的信 号。在空间分集中，发射信号副本是以空间域冗余的形式到达接收端的。与时间分集和频 率分集不同，空间分集不会带来频谱利用率上的任何损失。这一特性对于未来的高速无线 数据通信是很有吸引力的。 使用分集技术的通信系统性能通常取决于接收端如何合并多个信号副本来提高总的 接收s n r 。根据所采用的准则和方式，合并可以分为选择合并( s e l e c t i o nc o m b i n i n g ，s c ) 、 最大比合并( m a x i m u mr a t i oc o m b i n i n g ，m r c ) 和等增益合并( e q u a lg a i nc o m b i n i n g ， e g c ) 。 ( 1 ) 选择合并 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大即时信噪比的一 路作为输出，因此输出信号的s n r 等于最好输入信号的s n r 。 ( 2 ) 最大比合并 最大比合并是一种线性合并方法，它将各个分集支路的输入信号按照权重相加在一起 得到的输出信号 ，= q ( 2 1 ) i - - i 式( 2 1 ) 中，是第f 根接收天线的接收信号，口，是第根接收天线的加权因子，是 s 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章协作分集技术基础 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 和谚分别代表接收信号的幅度和相位。假设每根天线具有相同的平均噪声功率， 可以得到相应的加权因子 a j = 4 p 吖一 ( 2 2 ) 最大比合并输出信号的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。但 是，最大比合并需要知道信道的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。 ( 3 ) 等增益合并 等增益合并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 。 a i = p 一朋 ( 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。 2 3 衰落中继信道 中继信道 4 鸣，p ( y ，乃i x , ，而) ，b 4 的一般模型如图2 i 所示。信道的输入变量五， 置和输出变量】，k 的取值范围分别为4 ，4 和b ，墨。中继信道的一个( 2 脯，”) 编码组 成如下： ( 1 ) 消息集合缈= ( 1 ，2 ，l2 积) ，消息变量w 在上均匀分布； ( 2 ) 编码函数矸( w ) 为w 到群的一个映射： ( 3 ) 中继函数 z ，i21 , 2 ，l ，刀) ，其中 而。- z ( r , l ，x 2 ，l ，x ，一i ) 1 ，刀 是中继器码字霹的第i 个分量，m 。是第k 时刻中继器收到的符号； ( 4 ) 译码函数d ( ) ：矽- - - a ) ，即根据接收到的y ”，译码器输出f c = d ( y “) 。平均错 误概率巧”= p r ( 矿矽) 这里讨论的中继信道是离散无记忆的，第i 时刻的输出( r ，圪) 仅和( 五。，置。) 有关。 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章协作分集技术基础 圈2 1 中继信道模型 对于图2 1 所示的中继信道，若存在一系列码( 2 脯，疗) ，使得当，l 专时，曩”_ o ， 则称速率月是可达的。可达速率的上确界称为中继信道的容量。 迄今为止，一般中继信道的容量问题尚未解决。通过最大流、最小截原理可以得到 它的一个上界， c s ，u p 、m i n ，( 五，五iy ) ，( 五；l 巧i 五) ( 2 4 ) 如果中继信道满足p ( y ，乃i 而，屯) = p ( 朔i 而，x 2 ) p ( y l 乃，x 2 ) ，则称为退化中继信道。从 退化中继信道的定义可知，五，( 五，x ) 和y 可构成马尔可夫链，即五寸( 丘，x ) 一y 。 其容量为1 0 l c = s ，u p 、i n i n ，( 五，码iy ) ，i ( x j ；y ii 置) ) ( 2 5 ) 对于中继信道，c o v e r 等【1 5 1 提出了三种不同的随机编码方法，包括：使易( f a c i l i t a t i o n ) ， 合作( c o o p e r a t i v e ) 和观察( o b s e r v a t i o n ) ，并通过非规则编码逐次译码、分组马尔可夫编 码等技术证明了它们的速率是可达的。这些随机编码方法成为协作分集协议产生的源泉。 其中，合作发展成为译码中继，而观察发展成为压缩中继( c o m p r e s s a n d f o r w a r d ) 【1 8 1 。 ( 1 ) 使易中继器不是积极帮助信源，而是尽可能通过减少中继信道的干扰，使信源和 目的端通信更容易。使易的可达速率 贝 c 。 1 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章协作分集技术基础 值得注意的是，这里的信道容量是指延时受限的中断容量( o u t a g ec a p a c i t y ) ，而不是各态 历经容量( e r g o d i cc a p a c i t y ) 。 由于中断概率是误帧率的下界，且与编码、调制方式无关，本节以此衡量上述各种协 作分集协议( a f 协议、d f 协议、s d f 协议和c c 协议) 的性能。这里，为了方便起见， 假定信源和中继器之间的信道是对称的，即墨：= k 2 。 ( 1 ) 直接传输( d t ) 直接传输的信道容量为 = 去l 0 9 2 ( 1 + 2 乃d ) ( 2 1 7 ) 其中，由于信源前后两个时隙均发送同样的信息，且目的端采用最大比合并，因此，瞬时 信噪比乃d 前面有个系数2 。其中断概率为 聊兰p r 【月 c o r 】= p r 7 】- p r 卜羔心2 肛l j 嘭 】= p r l 乃d + 等 】_ p r 1 1 1 i n 乃：，乃d + 儿d ) 2 球一1 = p r 乃： 2 2 r - 1 + p r 乃：2 拍一1 p r 乃d + 托d 2 扑1 ( 4 ) s d f 协议 ( 2 z 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章协作分集技术基础 s d f 协议的信道容量需分以下两种情况进行讨论： a 、如果中继器对信源发送的信息译码正确，即r c s z w = p r 乃： 2 2 r l i p r 2 乃d 2 2 尺一1 + p r ：2 2 r 1 p r 乃d + 托d 2 2 r - 1 ( 2 2 6 ) ( 5 ) c c 协议 同样，c c 协议的信道容量也需分以下两种情况进行讨论： a 、如果中继器对信源发送的信息位译码正确( 由c r c 检测) ，即r c c c 】= p r 乃： 2 胄- l i p r 阮 1 2 ) 其中，r = ：。= r i ； + r 艺k 的取值与调制方式有关。例如，相干b p s k 调制，k = 4 ；相 干f s k 调制时，k = 2 。 在总功率p 一定的条件下，如何分配信源和中继器的发射功率，使系统误码率最小， 问题转换为 r n i n 壶= 去皓+ 壶)咖e i 2 丽l 硒+ 砺j j j 丑+ 最= p ( 3 3 ) 利用l a g r a n g e 乘数法，取目标函数为 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章功率分配在协作通信中的应用 ，= 壶( 壶+ 矗h 舅母尸， 4 ， 分别对眉，昱求偏导数，得优化分配后的信源发射功率军只和中继器的发射功率最： 日= 坠等害孽导鱼尸， g l ：g 2 d 4 ( g l ：一g 2 d ) 一 一 争 g l z 咆 i 塾掣霉要鱼只 g l ：吒 只： 4 ( g l z g 2 d ) 。 ( 3 5 ) 【1 3 e , g 1 1 2 - - - - 吒 值得注意的是，a f 协议的功率优化分配结果仅与信源和中继器以及中继器和目的端 之间的信道状况有关，而与信源和目的端之间的信道状况无关。 3 3 2d f 协议 当平均信噪比r 1 2 、f 2 d 、f i a 足够大时，d f 协议中系统误码率的上界表达式为口9 1 矿志+ 毛， r 1 2 如l 圳 ( 3 6 ) 式( 3 6 ) 可理解如下：前一项是中继器译码错误的概率，后一项是当中继器正确译码 时，目的端按照分集接收的方式合并来自信源和中继器的信号所产生的译码错误概率。由 于中继器错误译码并不意味着目的端也会译码出错，因此两项之和是d f 协议中系统误码 率的上界。 在发射总功率p 一定的约束条件下，优化分配信源和中继器的功率，使得误码率最小。 此时的问题为 13 m l n 一+ = 一 k f l 2k 2 f l d f 2 d 13 = 一一i - = 一 ，g l ：毋k 2g i d g 2 d 弓最 s j 眉+ 罡= p 利用l a g r a n g e 乘数法，取目标函数为 1 8 ( 3 7 ) 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章功率分配在协作通信中的应用 几南+ 丽鑫鬲+ 叩( 眉十最叩) 。8 妈：眉k 2 g l d g 2 j 墨最1 。2 、。 分别对露，昱求偏导数，得优化分配后的信源发射功率露和中继器的发射功率b 只：2 堡! 堑! 鱼g 垡竺二璺 。 k r l d r 2 d ( 3 9 ) 眉= p 一片 3 4 性能仿真 本节在总功率p 一定的条件下，对经功率优化分配( 式( 3 5 ) 和式( 3 9 ) ) 后的系统性能 进行了m o n t ec a r l o 仿真，并与功率均匀分配的系统作了比较。 信道衰落系数与网络的拓扑结构有关。假定信源、中继器和目的端分列同一直线上， 且信源和目的端之间的距离归一化为1 ，信源和中继器之间的距离为d ，中继器和目的端 之间的距离为l d ，见图3 1 所示。d 0 表示中继器离信源较近，d = 0 5 表示中继器位于 信源和目的端中间，d l 表示中继器离目的端较近。因路径损耗的影响，信道衰落系数的 方差露与路径长度吃的次方成反比，即2 芘町，( 3 5 ) 口9 1 。这里，取城市环境中 的典型值4 。 l 1 1 一 u工u 信源中继器闩的端 图3 1 节点位置分布 3 4 1 误码率性能 图3 2 分别对中继器位于三种不同位置( d = 0 1 、o 5 和0 9 ) 的系统误码率性能进行了 仿真。调制方式采用b p s k ，发送信号为双极性，即x = + l 或一1 。假定信源和目的端的信道 衰落系数的方差吒= 1 。从图中可以看出，无论是a f 协议，还是d f 协议，经功率优化 分配后，系统误码率均有所下降。同时，当中继器离信源较近( d = o 1 ) 时，功率优化分配 接近于均匀分配：而中继器离信源越远，功率优化分配的效果越明显。这可解释如下：当 中继器离信源较近时，信源与中继器之间的信道状况较好，即畦 屯，中继器可以看作 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章功率分配在协作通信中的应用 另一个“信源”，故两者均分功率；而当中继器离信源较远时，信源和中继器之间的信道 状况较差，即蠢“元，由于信源不仅向目的端发送信息，还要向中继器发送信息，为了 使中继器接收的信息尽可能“不失真”，故需给信源分配更多的发射功率。 叱 山 m ( a ) d = o 1 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章功率分配在协作通信中的应用 比 山 叱 山 p n o ( d b ) ( b ) d = 0 5 p i n o ( d b ) ( c ) d - - - 0 9 图3 2 中继器处在不同位置时的误码率性能 2 l 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章功率分配在协作通信中的应用 另外，当中继器离信源较近时，a f 协议和d f 协议的误码率性能几乎相同；而当中继 器离信源较远时，a f 协议的误码率性能要优于d f 协议。这是由于中继器离信源较远，信 源和中继器之间的信道状况较差，导致中继器译码出错。 图3 3 给出了功率优化分配后，信源的发射功率e 与中继器所处位置的关系曲线。可 见，当中继器由信源逐渐向目的端移动的过程中，a f 协议和d f 协议中信源的发射功率只 d 均由：j r - 逐渐变为p 。可见，信源分配的发射功率总是大于中继器的发射功率。 冬 r 乱 d 图3 3 信源分配的功率与中继器所处位置的关系 3 4 2 中断概率性能 为了验证3 2 节的功率优化分配方案不仅可以降低系统误码率，还可以提升系统中断 概率的性能。图3 4 分别对中继器位于三种不同位置( d - - - 0 1 、0 5 和0 9 ) 的系统中断概率 性能进行了仿真。仿真中，a f 协议和d f 协议中系统中断概率的表达式分别为式( 2 1 8 ) 和( 2 2 0 ) 。从图中可知，尽管功率优化分配是从误码率的角度出发，但功率优化分配仍然 可以使系统中断概率下降。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章功率分配在协作通信中的应用 胬 鞋 蔷 廿 p n o ( d b ) ( a ) d = o 1 p n o c d b ) ( b ) d = 0 5 瓣鞋争 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章功率分配在协作通信中的应用 3 5 本章小结 ( c ) d = 0 9 图3 4 中继器处在不同位置时的中断概率性能 对于合作分集网络，本章分别针对a f 协议和d f 协议两种情况，在总功率一定的条 件下，利用大信噪比时系统误码率的下界或上界表达式对信源和中继器的功率进行了优化 分配。仿真结果表明，与信源和中继器均匀分配功率相比，经功率优化分配后的网络，误 码率和中断概率明显下降，系统性能得到提升。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第四章网络编码在协作通信中的应用 4 1 引言 第四章网络编码在协作通信中的应用 协作分集技术通过节点间的协作，以虚拟天线阵的形式来克服无线信道衰落、获得分 集增益，能够有效提高无线通信系统的性能。协作通信中的协议从广义上可分为静态和自 适应两种。自适应解码前传协议( a d a p t i v ed e c o d e a n d f o r w a r d ，a d d f ) 是d f 协议的一种， 它是指合作伙伴如果对接收到的信源信息译码错误，则在第二阶段发送自己的信息或者不 发送如何信息。 网络编码【6 】【3 4 刁s 】的概念最初产生于有线网络，采用网络编码技术可以达到提高无线通 信系统的吞吐量、提高频谱利用率和增强系统健壮性的目的。对于无线网络来说，一方面， 无线信道的广播特性为网络编码的应用提供了有利条件；另一方面，无线信道衰落、干扰 及噪声等因素又给网络编码的应用带来了新的挑战。网络编码技术允许在网络的中间节点 对接收到的信息进行网络编码操作。 传输的可靠性和有效性是通信系统的两大性能指标，对于协作通信系统也不例外。自 从协作分集技术作为克服多径衰落的有效手段引起学术界的重视，开发设计出既能够有效 克服衰落从而提高传输的可靠性，又能够获得较高的频谱效率从而提高传输的有效性的协 作分集方案，成为协作分集技术面临的巨大挑战。在标识系统传输可靠性的分集增益和标 识系统传输有效性的复用增益之间，无可避免的存在着折衷。为了得到具有更高频谱利用 率的协作分集方案，本文将网络编码技术引入协作通信系统，提出了一种改进的协作分集 方案。 本文首先介绍了网络编码的基本原理，然后针对d f 各种协议分别讨论了在有网络编码 ( 采用模2 和) 和无网络编码情形下的两用户协作通信系统的中断概率，结果表明，网络 编码协作在用户交互信道质量较差时可以降低系统中断概率，当信道质量较好时，无网络 编码的协作系统性能优于网络编码协作。 4 2 网络编码概述 2 0 0 0 年，香港中文大学的r w y e u n g 和n c 2 l i 首次提出了网络编码【6 1 ，其核心思想是在 网络中参与传输的节点，其输出边上传输的数据可以通过该点多条输入边上传输的数据的 某种线性或非线性变换得到，而参与传输的所有节点对数据的变换应保证最终所有接收节 2 5 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第四章网络编码在协作通信中的应用 点可以正确恢复出信源所发送的信息。 ， ( 口) ( 6 ) 彩 图4 1 网络编码原理图 图4 1 是网络编码中经典的网络图。图中箭头代表有向链路，假设每条链路容量为l ， 信源节点s 向接收节点，和甜同时发送两个比特信息6 l 和6 2 。m 4 1 ( a ) 中采用传统的广播 技术，节点s 分别向节点l 和2 发送6 l 和如，节点l 和节点2 再分别将接收到的数据转发给其 他节点。这样节点l 可以直接获得轨，节点2 可以直接获得6 2 。但是当6 l 和6 2 准备通过节点3 进行转发时，由于节点3 ，节点4 之间的链路容量为l ，6 i 或6 2 必须在此排队等候一个单位时 间。这样每个接收节点在单位时间内收到的比特数为1 5 。图4 1 ( b ) 则采用了网络编码技 术，中间节点3 将两条输入链路上收到的信息轨和6 2 进行线性编码，得到6 l + 6 2 ( 异或和) ， 然后送出。在接收节点f 处，根据接收到的2 j l 和6 l + 6 2 ，即可恢复出来6 2 ：i g 样，在接收节 点z ，处也可以恢复处岛。由于不需要排队，每个接收节点在单位时间可以收到2 个比特，即 此时的编码增益为3 3 ，并达到了广播的最大流量。 网络编码按照节点输出和输入的关系可划分为线性网络编码和非线性网络编码，根据 编码系数生成的随机性可划分为随机网络编码和确定网络编码。 ( 1 ) 确定的编码方案 y c u n g 【3 5 1 提出了线性网络编码的叠代实现方法，通过分析网络结构，根据节点的输入 输出个数设计相应的局部编码向量，用迭代的方式得到全局编码向量，从而实现网络编码； k 0 咖r 削则提出了较为完备的线性网络编码的代数实现。但他们的方法运算量太高。于是 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第四章网络编码在协作通信中的应用 j a g g i l 3 6 1 等人又提出了一种确定多项式一时间的编码设计