（通信与信息系统专业论文）面向分布式蜂窝网络架构的中继选择技术研究.pdf

摘要 近年来，协作通信因其具有能克服信道衰落、增强可靠性、扩大覆盖能力以 及提高频谱利用率等优势受到了广泛的关注。实现协作传输的前提是挑选合适的 中继节点参与协作传输。由于协作传输会给网络带来额外的传输控制开销，若协 作未能给网络带来增益，那么进行协作就是浪费资源。已有研究表明，若中继节 点选择不当，协作传输未必一定会优于非协作传输。由此可见，协作中继节点选 择是协作通信中一个关键问题。 现有的中继选择技术大都只是针对单端协作：即或只考虑用户( u s e r e q u i p m e n t 。u e ) 端的协作、或只考虑基站端的协作。此外，在大多数分布式中继 选择技术中，需要u e 反馈大量的信道状态信息并参与中继选择的相关计算，因此导 致u e 负担增大、复杂度高。针对以上不足，本文提出了一种面向分布式蜂窝网络 的中继选择技术一基于时频同步约束和信道能量最大化的二次优选算法。二次优 选算法可以同时实现用户端的协作用户的选择和基站端的协作基站的选择，即为 需要协作的用户优选出最佳的多点一多用户协作传输组合。此外，新算法的实施主 要由基站端来完成，因此u e 的复杂度较低。仿真结果表明，该算法中的时频同步 准则对于多点一多用户组合的优选是有效的，而且短时平均信道能量准则的有效性 和优越性也在仿真中得到了验证。 关键字：协作通信中继选择多点多用户协作传输时频同步二次优选 面向分布式蜂窝网络架构的中继选择技术研究 a b s t r a c t a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o nh a sg a i n e dw i d e s p r e a dc o n c e r nd u et o i t sa d v a n t a g eo fo v e r c o m i n gc h a n n e lf a d i n g ，e n h a n c i n gr e l i a b i l i t y , e x p a n d i n gc o v e r a g e a n di m p r o v i n gt h es p e c t r u me f f i c i e n c y t h ep r e r e q u i s i t ef o rc o o p e r a t i v et r a n s m i s s i o ni s t h es e l e c t i o no fa p p r o p r i a t ec o o p e r a t i v er e l a y s s i n c ec o o p e r a t i v et r a n s m i s s i o nw i l l b r i n ga d d i t i o n a ls y s t e mo v e r h e a d ，i fc o o p e r a t i o nc a n n o tp r o v i d ec o o p e r a t i v eg a i n ，a w a s t eo fr e s o u r c e sm a yr e s u l t i th a sb e e nd e m o n s t r a t e dt h a t ，i ft h er e l a yn o d e sa l en o t a p p r o p r i a t e l yc h o s e n ，c o o p e r a t i v e t r a n s m i s s i o n s m a yn o ta l w a y so u t p e r f o r m n o n c o o p e r a t i o nt r a n s m i s s i o n s h e n c e ，o p t i m i z a t i o no fc o o p e r a t i v er e l a y s ，w h i c hi st h e f o c u so ft h i st h e s i s ，i sv i t a lt oc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n m o s te x i s t i n gr e l a t e dw o r ko n l yf o c u s e do n r e l a ys e l e c t i o na tas i n g l ee n d ，i e ，u s e r e q u i p m e n t 叫e ) e n do rb a s e ds t a t i o ne n d m o r e o v e r , u e sa r eu s u a l l yi n v o l v e di nt h e c o m p u t a t i o no fr e l a ys e l e c t i o na n dh a v et of e e dt h ec h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o nb a c kt o t h eb a s es t a t i o n t h i sr e s u l t si nab i gb u r d e na n dh i g hc o m p l e x i t yf o ru e s m o t i v a t e db y t h ed r a w b a c k s ，w ep r o p o s e dan o v e lt w o - s t e pr e l a ys e l e c t i o na l g o r i t h mw h i c hi sb a s e d o nt i m e - f r e q u e n c y - s y n c h r o n i z a t i o na n dc h a n n e le n e r g yc o n s t r a i n t s i nt h ep r o p o s e d a l g o r i t h m ，b o t hc o o p e r a t i v eu e sa n db a s es t a t i o n sc a nb ed e t e r m i n e ds i m u l t a n e o u s l y a sar e s u l t ，t h eo p t i m a lm u l t i p o i n tm u l t i p l e - u et r a n s m i s s i o np a i ri ss e l e c t e df o rt h e d e s i r e du e m o r e o v e r , s i n c et h ec o m p u t a t i o nb u r d e ni sm a i n l yu n d e r t a k e nb yt h eb a s e s t a t i o n , t h ec o m p l e x i t yo ft h eu e si sg r e a t l yr e d u c e d s i m u l a t i o nr e s u l t sv e r i f yt h e v a l i d i t yo ft h et i m e f r e q u e n c yc o n s t r a i n tc r i t e r i o n a n dt h ee f f e c t i v e n e s sa n ds u p e r i o r i t y o ft h es h o r t t i m e a v e r a g e c h a n n e l e n e r g yc r i t e r i o ni s a l s od e m o n s t r a t e di nt h e s i m u l a t 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 nr e l a ys e l e c t i o n m u l t i p o i n tt om u l t i u ec o o r d i n a t e dt r a n s m i s s i o n t i m e f r e q u e n c y - s y n c h r o n i z a t i o nt w o - s t e po p t i m i z a t i o n 面向分布式蜂窝网络架构的中继选择技术研究 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 下一代无线移动通信系统不再以传统的语音业务为主，将更多地提供高速数 据传输率的多媒体业务和数据业务。按照i t u 的定义，下一代无线移动通信系统 需要在静态或低速运动环境下实现1 g b p s 、在高速运动下实现1 0 0 m b p s 的峰值传 输速率。此外，改善小区( 或扇区) 边缘终端设备的传输质量也是下一代无线移 动通信系统所要实现的重要目标【l j 。 由于远离基站，加之受到来自于临近小区( 或扇区) 共信道干扰的影响，传 统蜂窝网络中位于小区( 或扇区) 边缘的用户对服务质量( q u a l 时o f s e r v i c e ，q o s ) 的需求很难得到满足，经常出现断线或是串扰的情况。近年来新兴的多输入多输 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 ) 技术为提高小区边缘用户的吞吐量和传 输可靠性提供了一条有效的解决途径。m i m o 技术将无线信道中的多径因素变害 为利，通过在收、发端采用空间分集技术，使系统获得空间分集增益或复用增益， 有效地对抗衰落、提高通信链路的通信速率和传输可靠性。但在工程实现中，受 体积、硬件复杂度和功耗等因素的限制，在用户终端上很难安装多副独立的天线， 从而大大限制了m i m o 技术在用户端的应用。因此，在传统集中式基站蜂窝网络 中，小区( 或扇区) 边缘用户的性能很难有较大程度的改善。 近年来，分布式蜂窝网络概念的提出及相关实验平台的出现，为提高小区平 均吞吐量和小区边缘吞吐量提供了一条新的解决方案。在分布式蜂窝网络中，分 散部署在小区中的多个射频拉远单元( r a d i or e m o t eu n i t ，r r u ) 通过光纤与室内基 带处理单元( b u i l d i n gb a s e b a n du n i t ，b b u ) 相连接，基带数据由b b u 集中处理。 面对分布式蜂窝网络，3 g p p 和i e e e 等标准化组织提出了一系列的先进技术 来改善小区( 或扇区) 边缘u e 性能，包括：多用户一多m i m o 传输技术、协作 m i m o 技术、协作预编码与波束赋形、多点协作( c o m p ) 发送接收、网络m i m o 技术等。此外，一些国际著名的通信公司和研究院相继推出了分布式蜂窝网络试 验平台，如b e l l 实验室、t e r a h e r t zc o m m u n i c a t i o n s 实验室、h e i n r i c hh e r t zi n s t i t u t e 研究院、k a t h r e i n w e r k ek g 公司、华为技术有限公司、中兴通讯、爱立信等。 基于分布式蜂窝网络传输技术的共同点是都采用了协作传输，即在用户端或基站 端采用多个用户或多个基站进行协作发送接收。 众所周知，在非协作传输环境下，可供分配的资源包括时间、频率、功率、 天线和m i m o 模式共5 维资源。而在分布式蜂窝网络中，协作传输又提供了新的 2 面向分布式蜂窝网络架构的中继选择技术研究 一维协作资源一“协作点”资源。因此，分布式蜂窝网络中的资源分配问题可以 看作是一个6 维资源优化的问题。已有研究表明：此问题属于n p h a r d 问题。考虑 到对协作点资源的优化实质就是中继节点选择的问题，因此研究协作网络中的中 继选择技术不仅是完成了对中继节点的选择，更是将协作网络中的6 维资源优化 降至了5 维，从而降低了资源优化算法的复杂度。另外，现有中继选择技术尚未 考虑双端协作，即同时在用户端和基站端进行协作传输。一旦考虑到双端协作， 那么其时间频率同步问题就不得不考虑了。和只在端进行的协作不同，双端协 作时是无法同时在两端进行精确时频补偿的。至今为止，多点一多用户协作时的时 频同步问题仍是一个公开的难题。 由以上分析可见，研究在分布式基站网络架构下的中继选择技术，不仅可以 实现中继选择，还可以为协作网络中的资源优化问题降低复杂度。同时，若中继 选择技术能将多点一多用户协作传输时的时频同步难题考虑进去，则更是对现有中 继选择技术的一大突破。 本论文以提高网络平均吞吐量和小区( 或扇区) 边缘吞吐量为目标，重点研 究分布式蜂窝网络架构下的中继选择技术，并在分布式蜂窝网络架构下提出了适 用于多点一多用户协作传输的中继选择技术一基于时频同步约束和信道能量最大 化的二次优选算法。值得注意的是，二次优选算法中的中继选择不仅包括对用户 端的协作用户的选择，还包括对基站端的协作基站的选择，a p - - 次优选算法首次 考虑了在用户端和基站端同时进行协作时的中继选择问题。而且该算法不仅对分 布式蜂窝网络架构适用，对现有的传统集中式蜂窝网络也适用。其研究成果不仅 对网络中信道质量差的用户群适用，而且还适用于具有高速移动性需求的用户 群，研究成果对于提高下一代宽带蜂窝通信系统的整体性能具有重要的理论参考 价值和工程应用前景。 1 2 研究内容及创新点 本文研究内容主要包括以下几点： ( 1 ) 首先介绍了协作通信的基本概念和关键技术，然后分析中继信道模型和 协作转发协议，为中继选择技术的展开奠定理论基础。 ( 2 ) 按照不同的中继选择的分类标准，对现有中继选择技术进行分类，并对 各种分类下中继选择技术的研究现状进行了研究，主要包括：单中继与多中继选 择、基于平均信道信息与基于瞬时信道信息的中继选择、分布式与集中式中继选 择、考虑用户公平性的中继选择以及基站端中继选择等，并分析了现有中继选择 技术的不足之处。 ( 3 ) 在分布式蜂窝网络架构下，定义了一个统一的研究协作传输的模型一 第一章绪论 “多点一多用户协作传输”模型。在总结现有中继选择技术的不足的基础上，研 究在多点一多用户协作传输环境下的独特难题一时频同步问题，提出了基于时频同 步约束和信道能量最大化的二次优选算法。 ( 4 ) 使用m a t l a b 仿真软件进行仿真验证，验证了算法的正确性，同时也在频 谱利用率上与现有的中继选择技术进行了性能比较。考虑到比较的公平性，将仿 真分三组进行。对于多点一多用户组合，将二次优选算法优选出的最优组合和与最 优组合具有相同成员个数的所有组合进行比较；对于单点一多用户情况，将二次优 选算法和随机选择算法以及机会中继选择算法进行了对比；对于多点一单用户情 况，将二次优选算法和贪婪算法进行了比较。 主要创新点： ( 1 ) 在分布式基站的蜂窝网络架构下，通过将r r u 定义为一个点，提出了 多点一多用户协作传输模型。该模型将单点多用户、多点单用户以及单点多用户 看作是多点多用户情况的特例，从而将这三种情况也统- n 了多点多用户协作传 输模型中，为各种增强型m i m o 技术提供了一个统一的研究模型。 ( 2 ) 与现有中继选择技术仅考虑单端协作不同，本论文中提出的二次优选算 法首次考虑了在u e 端和r r u 端同时进行协作时的中继选择问题，即二次优选算 法能同时实现对协作用户的选择和协作基站的选择。且二次优选算法被证明是正 确有效的。 ( 3 ) 二次优选算法的第一个优选准则就是时频同步约束，该约束不仅为多点 多用户协作传输时的同步问题提供了一个较好的解决方案，提高了其同步成功的 概率，而且它作为一个优选判据具有动态监测用户移动性的功能。因此该算法对 于移动性较强的网络或网络中存在高速移动用户的情况也适用。 ( 4 ) 二次优选的第二个优选准则是平均信道能量最大化，该准则不仅对多点 多用户情况适用，对于单点多用户和多点单用户情况也适用。而且该准则无需 用户反馈信道状态信息，能降低用户复杂度。另外，平均信道能量门限是根据用 户最小q o s 需求设定的，因此对平均信道能量门限的调整就反映了用户对于q o s 需求的变化，从而实现了对用户q o s 需求的动态监测。 ( 5 ) 二次优选算法主要由b b u 来实施完成，无需用户参与反馈信道状态信 息或者计算，因此降低了用户复杂度。 1 3 结构安排 本文具体安排如下： 第一章，作为绪论，介绍了本论文的研究背景和研究意义，简述主要研究内 容、创新点以及论文的组织结构。 4 面向分布式蜂窝网络架构的中继选择技术研究 第二章，介绍了协作通信的概念、关键技术以及中继信道模型，分析了不同 转发协议下的中断概率及其能获得的分集度。 第三章，分析了中继选择技术的评价标准，并根据不同的分类原则对现有中 继选择技术进行分类，对每一类的现有中继选择技术进行了深入的研究。 第四章，首先介绍了分布式基站的蜂窝网络及其应用优势，随后在分布式蜂 窝网络架构下定义了多点一多用户协作传输模型。接着研究在多点一多用户协作传 输时遇到的时频同步问题，给出其解决方案。最后在前面内容的基础上提出了基 于时频同步约束和信道能量最大化的协作组合优选算法一二次优选算法。 第五章，采用m a t l a b 仿真软件对二次优选算法进行仿真，验证其有效性。并 和现有其它中继选择技术进行对比，证明其优越性。 第六章，总结与展望。对本文的设计工作进行总结，并阐述了进一步的工作 计划。 最后是致谢和参考文献。 第二章协作通信与中继技术概述 5 第二章协作通信与中继技术概述 2 1 协作通信的概念及其研究意义 “协作”英文可翻译成c o o p e r a t i v e ，c o o r d i n a t i v e ，c o l l a b o r a t i v e 等，意思就是 相互帮助，使得互助的双方都能通过协作获益。事实上，最早出现协作思想应用 的领域是计算机网络领域，在这个领域，各种协作技术和平台在很早之前就已经 被开发了出来。随后协作的思想被引入到了通信领域中，网络中的多个节点通过 协作，预期可以提高网络的整体性能。 近几年来，协作的思想1 2 1 1 3 在无线通信领域中引起了广泛的研究，属于协作通 信范畴的技术一般都包含有如“协作”、“协同 、“联合”等词汇。与协作思想相 关的众多文献中，对于上行链路，出现最频繁的与协作相关的概念是“协作分集”， 而对于下行链路，则多带有“协作多点传输”、“基站联合 、“基站协作”等关键 词。参与协作的对象包含多种类型，如基站，移动终端、中继站等。 研究协作通信技术的原因大致可以分为以下两种： 第一，网络中存在空闲资源。在传统的蜂窝系统中，移动终端是被当作独立 的通信个体来看待的。而通常情况下，在一段时间内网络中有通信需求的终端只 会是一小部分，大部分终端都处于空闲状态。这样会造成大量的终端资源未被利 用而白白浪费掉。另外，移动终端是有差异的。例如一些终端处理信号的能力强， 而另一些则较差；有一些终端离基站很近，通信能力很好，而另外一些终端由于 距离基站较远，通信能力变差。这些差异也都会导致资源的浪费。这种差异使得 人们开始考虑，将网络中空闲的资源拿来帮助有需要的终端，从而提高它们的性 能。这种想法实质上就是以整体思想代替个体思想来看待网络中的终端，认为它 们寻求的利益是相同的，即提高网络的整体性能，不仅如此，这样还可以节约大 量的空闲资源。 第二，协作通信可以使系统获得增益【4 】。无线信道的天然广播特性使得源节点 在发送信息时，不只是目的节点能接收到信号，网络中的许多其他节点也可以“听” 到和接收到源节点发送的信号。这种情况在方向性传输时也不例外，只不过方向 性传输时只有更少的节点能“听”到和接收到信号。无线信道的这种广播特性在 很长时间内一直被视作是能量的浪费，同时还对其他用户造成干扰。然而后来人 们意识到，可以利用这一点为源节点进行辅助传输，从而变害为利。众所周知， 无线信道是具有突发性的，当信道进入到深衰落的状态时，这种衰落很可能要持 6 面向分布式蜂窝网络架构的中继选择技术研究 续上一段时间。在深衰落的作用下，当一个源节点无法建立起到目的节点的直接 链路时，即使采用类似a r q 这样的重传协议也不见得会带来多大好处。但是，如 果一个第三方节点接收到这个源节点发来的信息，并能够通过一条独立于源到目 的节点的链路进行辅助传输时，这时能够成功传输的概率将会增大，因此整体的 性能可以获得提升。研究表明，由n 个节点参与协作所提供的分集增益和单个具 有- 根天线的节点所获得的分集增益是一样的，即协作通信能提供满分集增益。 2 2 协作通信中的关键技术 实质上，广义m i m o 的概念即是协作通信的本质。协作通信采用一种新的架 构，即利用无线信道的广播特性在节点间实现相互辅助，用分布式的处理方式来 进行通信。其优势便是能够获得在m i m o 系统中的分集增益。采用这种观点来看 待协作通信，带来的好处便是能出现更多能够提高通信性能的关键技术和研究热 点。这些关键技术包括： ( 1 ) 协作协议的设计及性能分析 无线通信协作协议的设计主要包含以下3 个方面：( a ) 用户的多址接入方式， 它包含有时分多址( t d m a ) 、频分多址( f d m a ) 和码分多址( c d m a ) 等三种 类别。( b ) 中继的前传策略，这个主要有放大转发( a f ) 、译码转发( d f ) 和编 码协作( c c ) 三种类别，其他的都是在这三种的基础上进行改进。( c ) 协作网络 的模型，这个模型并没有一个很清晰的划分标准，但经常用到的有多址接入中继 网络、双向中继网络、组播中继网络等。协作的网络模型也都从简单的单用户单 中继扩展到多用户多中继的协作框架，用户和中继的天线数也从单天线扩展到多 天线，用户的双工方式也正由半双工模式向全双工模式扩展。因此，协作的网络 模型正变得越来越复杂。此外，将协作分集和信道编码等技术相结合形成新的协 作方案，也是协作通信领域研究的一个热点。对协作性能的研究主要是研究在不 同协作网络模型下的不同协作方案的错误概率、中断概率、分集增益、分集与复 用的折衷、网络的容量等。 ( 2 ) 协作无线资源分配 在非协作传输环境下，可供分配的资源包括时间、频率、功率、天线和m i m o 模式共5 维资源。而在协作传输环境下，又提供了新的一维协作资源一“协作点 资源。因此，协作传输网络中的资源分配问题可以看作是一个6 维资源优化的问题。 已有研究表明：此问题属于n p h a r d 问题。因此与直接通信相比，协作通信需要更 加合理的资源分配算法，以保证较低的复杂度和较高的资源利用率来获得较好的 通信性能。如何设计先进有效的资源分配算法是目前无线通信领域中热点和难点 问题。 第二章协作通信与中继技术概述 7 ( 3 ) 跨层设计问题 协作能为系统带来好处，那么是否可以将协作引入到协议的不同层次，将协 议的多层联合起来进行考虑呢? 答案是肯定的，近年来研究不同层协议的协作也 是一个研究热点。如将协作分集和链路层的自动重传请求相结合，从而可以有效 减小网络中的重传次数、提高系统的通过率；将协作分集与网络层的路由技术相 结合，可以有效改善多跳网络中的网络容量、用户间干扰和能量受限的影响。可 见，将协作引入到不同层中，进行跨层设计可以进一步提高系统的性能。 ( 4 ) 协作中的同步问题 在实际的通信过程中，源节点与中继节点之间的同步、中继节点与目的节点 之间的同步以及源节点、中继节点与目的节点之间的同步都是很有困难的，特别 是当分布式空时编码协作协议应用于移动性较强的网络时。而当收发两端都采用 协作传输，即多点一多用户协作传输时，精确的时频同步已经是一个公开的难题。 然而现有的大多数协作通信协议都默认这些同步是理想的，即完全没有考虑它们 之间的同步问题。因此，要想让协作传输真正走向实用，同步问题是一个亟待解 决的难题。 ( 5 ) 协作用户的选择和管理 协作传输技术的一个首要问题是如何在多终端网络中分配和管理协作中继， 即对于一次特定的通信过程如何确定由网络中哪些空闲终端协作完成，以及一次 通信中重新分配协作中继的频度。根据协作中继个数可以将用户协作分为单用户 协作和多用户协作，对于单用户协作的情况，只需要根据某种准则选择一个最佳 的中继分配给用户，对于多用户协作的情况，最佳方案应通过自适应地调整协作 中继集合的成员组成和动态调整协作中继集合选择的时间间隔，以实现网络性能 指标最优化。 2 3 中继信道模型 协作通信的概念是建立在中继信道模型的基础上的，它是一种新的空间分集 技术。它利用了无线电波的广播特性，每一个节点都可以接收到其他节点发送的 信号并经过一定的处理后转发到目的节点，这样不同的用户就可以共享彼此的天 线而形成空间分集。如图2 1 所示，协作中继过程是这样的：源节点发送有用信号， 由于无线电波的广播特性，网络中存在一些潜在的中继节点能够侦听到源节点发 送的信号，通过在节点上执行适当的信号处理算法，中继节点将从源节点处侦听 到的传输信号进行相应处理，并且通过中继信道将消息传输到目的节点。中继信 息随后在目的节点进行组合以产生空间分集。这就产生了这样一个网络，它可以 被认为是一个执行分布式多天线的系统，协作节点为彼此产生了不同的信号路径。 8 面向分布式蜂窝网络架构的中继选择技术研究 中继信道【5 】可以认为是源和目的端之间直接信道的一种辅助信道，中继节点通常距 源节点有几个波长的距离，所以中继信道与直接信道之间互相独立，因此源和目 的端之间构成了一个满秩的m i m o 信道。而满秩传输的m i m o 可以提供非常高的 传输速率，这正是现代无线通信所急需的。 源 图2 1 直接传输与协作传输的差别，以及协作传输可能带来的覆盖范围的增大 在这一部分，我们将介绍中继信道模型。为叙述的方便，这里仅考虑一个中 继协助源节点的发送，这个中继可以是网络中众多中继中的任何一个。同时假设 中继为半双工模式，即中继不能同时进行发送和接收。通常一个中继策略可以分 为两个正交的阶段：阶段1 ，源发送信息到目的，同时，中继也接收到源发送的信 息；阶段2 ，中继通过转发或者重新发送源的信息来帮助源。通常采用t d m a 或 f d m a ，以避免两阶段之间产生干扰。 图2 2 描述了一个简化的协作模型。源的发射功率为眉，而中继发射功率为罡。 为简单起见，这里假设源和目的采用相同的发射功率p 。阶段l ，源节点向目的节 点和中继节点广播信息。目的节点和中继节点接收到的信号分别为儿，d 和只， 第二章协作通信与中继技术概述 9 置 源 中继 的 图2 2 简化协作模型 只d = 尸忽，d x + 依。d ( 2 一1 ) 儿，= 4 e h , ，x + 仫， ( 2 - 2 ) 其中，尸是源的发射功率，x 是发送的信息符号，以d ，馋，是加性噪声。噍d 和 绣，分别是源到目的和源到中继的信道系数。它们分别为零均值且方差为0 - 叫2 和仃i ， 的复高斯随机变量。噪声。d 和，为零均值且方差为0 的复高斯随机变量。 阶段2 ，中继将处理后的源信号向目的转发，目的接收到的信号为： ”。d = 绋。d g ( 儿。，) + l l r ，d ( 2 3 ) 其中，函数g ( ) 取决于中继节点所采用的处理方式。 2 4 协作转发协议 在协作通信过程中一个很关键的方面就是中继节点对来自源节点的信息的处 理，不同的处理方案导致了不同的协作转发协议。协作转发协议一般可以分成固 定协作转发协议和自适应协作转发协议。 在固定协作转发协议方案中是以固定的方式划分源到中继的信道资源的，中 继的处理根据所采用的协议而有所不同。固定放大转发( a f ) 协议只能起到放大 接收到的信号之后转发出去的作用。固定译码转发( d f ) 协议可以将接收到的信 号进行译码并重新编码之后转发给目的节点。固定中继策略便于实施，但是由于 一半的信道资源被用来进行中继转发，从而降低了整个系统的速率和频谱效率， 尤其是在源到目的的信道不是特别差的情况下，目的信道能正确接收到源发送的 大部分信息，这时中继的转发就成为一种资源浪费。 为避免固定中继转发协议中的资源浪费，自适应协作转发协议被提出，它包 括选择中继转发协议和增量中继转发协议。在选择中继转发协议中，只有在中继 接收的信噪比超过了某个门限的时候，中继节点才会对信号进行译码转发。否则， 如果源到中继的信道经历严重的衰落以至于信噪比低于该门限，则中继不进行任 1 0 面向分布式蜂窝网络架构的中继选择技术研究 何操作。更进一步，如果源知道目的节点的译码出现错误，则源或中继再重复发 送第一阶段的信号给目的节点，这种方式即为增量中继转发协议。这种情况下， 系统需要一个从目的到源的反馈信道。 2 4 1 固定协作转发协议 在固定协作转发协议中，源到中继的信道资源以固定的方式划分，中继的处 理根据采用的协议不同而不同。最常用的技术是固定放大转发协议和固定译码转 发协议。 ( 1 ) 固定放大转发协议 固定放大转发协议通常被简称为a f 协议。当采用此协议时，中继将接收到的 信号放大后转发给目的端。放大转发中继信道可以建模如下，如图2 3 所示。 m 囱 s 图2 3 固定放大转发原理图 在第一阶段，源发送信号给中继和目的，它们接收到的信号分别为： y s 。，= p 绣，s + n s ， ( 2 4 ) 儿j = 4 p h , d s + n s ，j ( 2 5 ) 其中，绣。d 和玩，分别是源到目的和源到中继的信道衰落系数，为瑞利平坦衰 落信道。噪声。j 和体，为零均值且方差为0 的复高斯随机变量。在a f 协议下， 中继将源的信息放大后转发给目的，中继节点的放大因子卢，与接收功率成反比， 可表示为： 舻赤 ( 2 6 ) 在第二阶段，中继发送的信号为卢，儿- ，发射功率与源的发射功率相同。目的 接收到的信噪比是来自源和中继两个链路的信噪比之和。源到目的的信噪比为： 以，d = r i 绣，d 1 2 ( 2 7 ) 其中，f = p | nqe 在阶段二，中继放大接收到的信号并以发射功率p 发送给目的。根据式( 2 4 ) ， 第二章协作通信与中继技术概述 目的在阶段二接收到的信号为： ”，j = i 等辟，d 儿，+ 伟，d ( 2 8 ) ”2 了司丽d 儿，+ 伟一 2 。8 其中，巧d 是中继到目的的信道系数，怫。d 是信道噪声。具体来讲，这种情况 下接收信号”d 为： 西 以厂丽 吩，d 忽，儿，+ 嘭，d ( 2 9 ) 舯一广赤乜d 。 假设噪声体，和体，d 是独立的，则等效噪声形，d 是零均值的复高斯随机变量，其 方差为 “_ ( 糕“ o 协 通过源和中继两条链路，目的接收到了信号x 的两个副本。最大化总信噪比的 最优方法是最大比合并。采用最大比合并输出的瞬时信噪比计算出高信噪比下的 中断概率为 吼叫：( 赫 ( 竿) 2 协 其中，2 r 的因子2 是因为协作将一半的带宽分给了中继，因而丧失了一半的 带宽。中断概率随着r 五的变小而减小，这意味着a f 协议可以获得的分集为2 。 ( 2 ) 固定译码转发协议 除放大转发协议外，中继节点还有另外一种转发协议。中继将接收到的信号 进行译码和再编码，然后发送给接收机。这便是固定译码转发( d f ) 协议，其原 理图如图2 4 所示。 1 2 面向分布式蜂窝网络架构的中继选择技术研究 m 国 图2 4 固定译码转发原理图 假设圣为中继译码后的信号，且其具有单位能量，则中继转发信号为尸曼。 由于中继不一定能正确译码，一旦中继译码出现错误，那么转发到目的端的信号 就是错误的，造成了错误传递。如果译码错误的信号被转发到了目的端，那么在 目的端进行译码就没有意义了。因此，这种转发协议的性能受源到中继和中继到 目的中较差链路的限制，其能获得的分集重数为l 。 一方面，和a f 转发协议相比，d f 转发协议具有能降低中继处加性噪声的优 势，但另一方面它转发给目的端的信号有可能是错误的，这就导致了错误传播， 进而降低系统性能。译码转发传输的互信息量取决于源到中继的链路及源到目的、 中继到目的的联合链路中的较小互信息量，其作为信道衰落系数的函数可以写为： k = 吉m i n l 。g ( 1 + rh , ，1 2 ) ，l 。g ( 1 + r k l 2 + r h l 2 ) ( 2 1 2 ) 其中，m i n 操作是考虑到中继只有在译码正确时才转发这个事实，因此性能受 限于源到目的和源到中继链路中的较差者。 固定d f 转发协议的中断概率e l ，肼 r l 为 1 9 2 r 一1 引 尺 = 砉j 一 ( 2 - 1 3 ) u j ， - 固定中继转发协议的好处是易于实施。但是它需要将信道资源分一半出来进 行中继转发，从而降低了整个信道的速率。因此，其频谱利用率降低了。当源与 目的之间的信道质量很好的时候，目的完全能正确接收源发送的信号。这时候中 继的转发就显得没有必要，更是对资源的浪费了。 ( 3 ) 其他协作转发协议 除了这两种最常用的固定协作转发协议，还有其他的转发协议也值得关注， 例如压缩转发协议和编码协作转发协议。 压缩转发协议和a f 、d f 转发协议最主要的区别在于后者的中继转发的是接 收信号的副本，而压缩转发协议的中继转发的是接收信号量化及压缩后的版本。 因此，目的节点将由源发送的信息和中继发送的量化压缩后的版本进行联合操作。 第二章协作通信与中继技术概述 1 3 中继节点的量化压缩过程是进行信源编码的过程，即将每个可能接收到的信息用 一系列符号进行表示。在目的节点，通过接收到的一系列比特进行解码得到量化 压缩后信息的估计值。这个译码操作只是简单地将接收到的比特映射为一系列的 值，从而估计出发送的信息。映射过程通常会引入失真，它可以看作是一种噪声。 编码协作转发协议不同于前述方案的地方在于这种协作应用在信道编码这个 层面上。前面介绍的放大转发和译码转发都是基于中继对源比特进行重复的方案 之上。在编码协作中，中继发送增量冗余，当在接收机与源发送的码字结合后， 就产生了更大的冗余。编码协作中，一个码字被分成两部分发送，每一部分是用 不同的路径或者信道。其基本思想是：每个用户都试图为自己的伙伴传输冗余的 信息。编码协作之所以有效是因为其所有的操作都是在编码设计下自动实现的， 中继节点不需要通过反馈互通信道状态信息。当它们之间的信道质量变得很糟糕 的时候，中继节点会自动恢复到非编码协作模式，继续传递自己的后续信息。 2 4 2 自适应协作转发协议 固定转发协议在传输速率上遭受着确定性的损失，例如，在两个阶段的传输 中，频谱效率存在5 0 的损失。不仅如此，固定d f 转发协议的性能受限于源到中 继及中继到目的信道的较差者，这就导致它能获得分集为l 。为了克服这些问题， ； 可以研究自适应的转发协议以提高有效性。通常主要考虑两种策略：选择性d f 转 发协议和增量中继转发协议。 ( 1 ) 选择d f 转发协议 ， 在选择d f 转发协议中，系统会预先设定一个信噪比门限。只有当中继接收信 号的信噪比超过了该值，中继才开始解码接收信号并将解码信息转发给目的。相 反，如果源和中继之间的信道质量变差，使得中继的接收信噪比落到门限值以下， 则中继不进行任何操作。通过设定门限值，选择性转发协议避免了转发译码错误 的符号这一存在于固定d f 中的严重问题，提高了d f 的中继性能。如果源到中继 链路的信噪比超过了门限，中继成功解码源信号的可能性很大。这种情况下，目 的端最大比合并的信号的信噪比是从源和中继接收到的信噪比之和。因此，选择 d f 中继的互信息为 r一 l去l o g ( 1 + 2 r i 绣，d 1 2 ) ，i 唿，1 2 g ( r ) i s d f = z ( 2 一1 4 ) l 去l o g ( 1 + r l 绣，d 1 2 + r i b , ，d 1 2 ) ，魄，1 2 g ( r ) 鼽g ( r ) = 字。 1 4 面向分布式蜂窝网络架构的中继选择技术研究 在高信噪比条件下，选择d f 转发协议的中断概率表达式为 叫：( 南禹 ( 竿) 2 协 可以看出，在高信噪比情况下，选择d f 转发协议与a f 协议具有相同的分集 增益。 ( 2 ) 增量中继转发协议 增量中继转发协议是这样进行的。第一阶段源给目的端发送信息，目的端若 能正确接收该信号，则通过反馈信道向源节点发送一个确认信息，以告知中继无 需再在阶段二转发信号了。可以看出，对于增量中继转发协议来说，中继无需一 直进行转发，它的转发是随机的。这种策略使得增量中继转发协议在所有协议中 具有最高的频谱效率，它所能获得的分集重数为2 。 2 5 本章小结 本章首先简要介绍了协作通信的概念及关键技术，接着详细分析了中继信道 模型和各种协作转发协议及相应协议下的中断概率。中继的协作转发协议包括： 固定协作转发协议和自适应协作转发协议，其中固定转发协作协议又可分为放大 转发、译码转发以及编码转发和压缩转发。最为著名的便是放大转发和译码转发。 放大转发协议简单易行，具有较低的处理时延，但容易引起错误传递。译码转发 不存在错误传递的问题，但是它相对于放大转发协议稍显复杂，且有着较大的处 理时延。自适应转发协作协议其实就是固定转发协议的变形。它是为解决固定转 发协议有着5 0 的频谱资源浪费的问题而提出的，主要包括选择中继转发协议和 增量中继转发协议两类，其中增量中继转发协议在所有转发协议中频谱利用率是 最高的，因为它能够将目的节点是否正确接收信号的消息反馈回去。 第三章中继选择技术研究现状 第三章中继选择技术研究现状 3 1 中继选择技术的评价标准 在协作通信系统中一个至关重要的问题就是如何选择合适的中继节点，它决 定了协作系统是否可以带来增益。在这方面已有研究人员做出了贡献，但是每种 系统和技术都用来解决不同的问题并且有不同的实际应用场景，那么该如何评价 在特定系统中所采用的特定中继选择技术是否恰当呢? 虽然各种技术都有不同， 但检验其性能的标准却都是一样的，接下来在本部分给出不同的协作中继选择技 术的性能评价标准【7 j 。 ( 1 ) 算法的效果 对于协作通信来说，如何选择中继节点是一个很关键的问题。协作通信的目 的是提高用户服务质量、降低能耗、提高网络容量，这样一来算法的有效性，即 算法是否能达到提高容量或降低能耗的预期目的，自然也就成为了关键的评价标 准。同时，在众多能达到同一预期目的算法中，算法到底能为性能带来多大的提 升也是一个重要的衡量指标。 ( 2 ) 复杂度 协作通信中，节点间需要交互更多的信息来共同完成信息传递，例如信源信 息、信道信息、能量信息等，而这些会增加系统的开销，给系统性能带来了负面 影响，因此中继节点选择算法也要充分考虑这一点。仅当协作增益大于额外开销 的性能损失时才选择协作。同时，为了达到优化网络、增加系统容量等优势，必 须引入更多的优化元素来完成，而更多优化元素的引入必然导致计算复杂度的提 升，这在另一方面增加了系统算法的复杂度。因此，如何使算法的复杂度最低的 情况下达到性能的最优化是中继选择技术的一个重要标尺。 ( 3 ) 自适应性及容错性 协作传输可以使网络中的用户通过彼此共享天线形成虚拟多天线阵列，从而 显著的提高系统容量，然而由于网络动态变化以及无线信道的时变特性，仅靠协 作传输并不能十分有效的解决这个问题，必须结合考虑相应的自适应性，并对信 道环境变坏以及节点无法及时响应等的状况具有容错性。 ( 4 ) 软硬件支持 可以从空间和时间来评价算法的代价。空间代价包括该算法需要的基础设施 和网络的节点数量、节点尺寸等。时间代价包括一个系统的安装时间、配置时间、 1 6 面向分布式蜂窝网络架构的中继选择技术研究 算法执行时间。协作中继选择技术根据需求不同会选择不同的软硬件支持，例如 有的需要节点具有强大的存储和计算能力，有些则必须在额外的硬件支持( g p s 等) 下才能完成。在选择协作中继选择技术时，应该在需求和应用背景的基础上，综 合考虑实现技术、成本等因素。 3 2 中继选择技术的分类 目前协作网络中的中继选择技术的研究主要集中在以下几个方面。 3 2 1 单中继选择与多中继选择 按所选的中继个数来分，中继选择技术可以分为单中继选择与多中继选择。 对于单中继协作的情况，只需要根据某种最优准则在多个候选中继节点中， 选择一个最佳的中继分配给源用户，这种最优准则可以是接收信噪比最大、中断 概率最小等，目前这种最优准则的确定有很多种方法，可根据不同研究需要确定。 y e e j u nk i m 等人瞵】提出了一个基于最大信噪比和最小移动性的中继选择技术。它的 特点是将用户的移动性考虑了进去，能够降低中继选择频度，从而减小额外的控 制开销和节点的能量消耗。d i o m i d i s 等人【9 】基于组合优化理论和背包理论，考虑了 两种情况下的协作中继选择，在总功率消耗一定的情况下使端到端误比特率最小 化以及在满足一定的误比特率门限的情况下使总的功率消耗最小，并分别给出相 应的优化问题的效用函数模型，然后用相关理论进行求解。 对于多中继协作的情况，主要有两种情况。一种是事先就已经确定了采用几 个中继来进行协作的固定中继个数的选择算法，这种固定中继个数的选择算法的 好处是简单易操作，但是其性能会受中继个数固定的影响。还有一种情况是自适 应中继个数选择算法，中继个数并非事先确定，而是由算法在进行优化的过程中 确定的。这种自适应算法的好处是，可以根据网络变化情况动态地调整协作中继 个数的最优值，从而为协作带来更多的增益，以实现网络性能指标最优化。另外， 对于协作来说，并不是协作中继个数越多，对协作增益的提高越有帮助。因为随 着协作中继个数的增加，一方面增益的增加越来越小，另一方面，因中继个数增 加带来的协作方案设计、同步问题、信号检测以及多址等问题，将会变得越来越 复杂，