（通信与信息系统专业论文）非对称中继协作的中断容量与资源分配.pdf

摘要 摘要 随着无线业务的发展，人们对无线网络服务质量的要求也越来越高。同 时，随着集成电路的发展，尽管用户终端的功能越来越丰富，但是其小型化程 度却越来越高，这影响多天线等提高网络容量的技术的应用。中继协作通信被 认为是解决高速率要求和用户终端的小型化这对矛盾的重要技术。2 0 0 1 年以 来，中继协作通信的协作策略、容量、节点选择、资源分配，以及与其他物理 层技术的结合成为通信领域研究的新热点，并取得了许多突出的理论成果。另 一方面，未来的无线通信网络将是一个集通信、娱乐、家居控制于一体，涵盖 无线个域网到无线蜂窝网，移动通信网和无线接入网的混合网络。这种网络 中，用户终端多种多样，其位置、环境、天线资源、能量资源以及业务类型也 各不相同。因此这种网络中，用户终端之间的协作要充分考虑到网络本身的非 对称性。 本文着眼于分析非对称网络中节点位置、链路环境、天线资源、能量资源 等因素对协作系统性能的影响，并探讨了如何充分利用这些因素。本文的主要 贡献有： 1 分析了非对称网络中，n a k a g a m i m 信道下中继协作的中断概率。 作者分析了解码转发协作下，不同中继位置、中继节点环境、中继天线数 以及目的节点的合并方式对中断概率的影响。结果表明，相对于合并方式而 言，节点位置和环境对系统中断性能影响更大。其中节点位置是至关重要的因 素，而中断概率随节点环境的变化是非均匀的，良好的中继目的链路是降低中 断概率的前提。在恶劣环境中，增加中继天线数可以有效的提高系统容量。 2 提出了一种节点位置非对称下的资源分配方法。 作者提出一种部分信息中继的协作策略，这种协作下，中继节点只转发保 护程度弱的信息。同时，根据不同的中继节点位置，优化分级调制的星座图和 源与中继节点之间的功率分配比例因子。结果表明，这种利用中继节点的位置 优势来平衡不对称保护的方法，既可以提高整个系统的可靠性，又可以减小中 继占用的资源。 3 提出了两种在混合终端网络中，节点资源非对称下的资源分配方法。 作者首先在发送端未知信道状态信息、时，以最小化中断概率为目标，利用 源节点和中继节点不同的最大功率限制，通过迭代的方法来寻找最优功率分 配。结果表明，在非对称环境下，最优功率分配比平均功率分配有l 2 d b 的增 益。然后，作者研究了存节点本身能量资源不等时的资源分配。根据发射能量 a b s t r a c t a bs t r a c t w i t hd e v e l o p m e n to fw i r e l e s ss e r v i c e ，q o s ( q u a l i t yo fs e i c e ) r e q u i r e m e n tf o r w i r e l e s sn e t w o r ki sg r o w i n gr a p i d l y m e a n w h i l e ，u s e rt e n n i n a l i sb e i n gm i n i a t u r i z e d w i t hd e v e l o p m e n to fi n t e g r a t e dc i r c u i t s ，w h i c hl i m i t st h e 印p l i c a t i o no fs o m eh i g hr a t e t e c h n o i o g i e s c o o p e r a t i o nc o m m u n i c a t i o ni sc o n s i d e r e da sa ni m p o r t a n tw a y o u to f t i l i sd i l e m m a s i n c e2 0 0 1 ，c o o p e r a t i o ns t r a t e g i e s ，c a p a c i t y ，n o d es e l e c t i o n ，r e s o u r c e a l l o c a t i o na n di t sc o m b i n a t i o nw i t ho t h e rp h y s i c a l l a y e rt e c h n o l o g i e sa r eb e c o m i n go n e o ft h eh o t t e s ta r e a si nc o m m u n i c a t i o nr e s e a r c hw i t ham a s so ft h e o r e t i cr e s u l t s o nt h e o t l l e rh a n d ，f u t u r ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r kw i i lb ea na g g r e g a t i o no f c o m m u n i c a t i o n ，e n t e 渤i n l l l e n t ，h o m ec o n t r o ld e v i c e s ，s p a n so v e rw l a na n dc e l l u l a r n e t w o r k s m o b i l ea n da c c e s sn e t w o r k s u s e rt e n n i n a l si nt h i sn e t w o r kw i l lb ed i f 佗r e n t ml o c a t i o n ， l i n k e n v i r o r u n e n t ， a n t e r u l a ， e n e r g y r e s o u r c ea n ds e r v i c e t h e s e 2 l s y m m e t r i e ss h o u l db ec o n s i d e r e di nr e s e a r c ho fc o o p e r a t i o ni ns u c hn e t w o r k s t h i sp a p e rf o c u s e so na n a l y s i sa n dc o m p 撕s o no fi n f l u e n c eo fs e v e r a lp a r 锄e t e r s t oc o o p e r a t i o n ，s u c ha sn o d ei o c a t i o n ，l i n ke n v i r o 帆e n t ，a n t e 眦aa n de n e r g yr e s o u r c e ， a n dd i s c u s s e sp o s s i b l ea p p i i c a t i o n so ft h e s ep a r a m e t e r s t h em a i nc o n t r i b u t i o n so ft h i s p a p e r a r ea sf o l l o w s ： 1 o u t a g ep r o b a b i l i t y o fc o o p e r a t i o ni nn a k a g a m i mf a d i n ga s y m m e t r i c n e “v o r k si sa n a l y z e d i n n u e n c eo fn o d el o c a t i o n ，r e l a yl i n ke n v i r o n m e n t ，r e l a ya n t e 肌a sa n dc o m b i n i n g m e t h o d sa tt h ed e s t i n a t i o n ，t oo u t a g ec a p a c i t yi sa n a l y z e di nd e c o d e a n d f o r 、 ，a r d c o o p e r a t i o n s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tn o d ep o s i t i o na n dl i n ke n v i r o n m e n t a r e c r u c i a l t op e r f o n n a n c e ，a n dg o o dr e l a y - d e s t i n a t i o nl i n ki st h ep r e m i s et ol o wo u t a g e p r o b a b i l i t y m o r e o v e r ，i n c r e a s i n gr e l a ya n t e r u l a sw i l lb eu s e m l i nw e a ke n v i r o n m e n t 2 r e s o u r c ea l l o c a t i o ni 1 1a s y m m e t r i cn o d ep o s i t i o ni sr e s e a r c h e d an e wc o o p e r a t i o ns t r a t e g y ，n a m e l yp a r t i “b i t sr e l a y i n g ，i sp r o p o s e d ，i nw h i c h o m ys u s c e p t i b l eb i t s i nah i e r a r c h i c a lm o d u l a t e ds y m b o la r ef o r w a r d e db yt h er e i a y i n a d d i t i o n ，a c c o r d i n gt on o d ep o s i t i o nv a “a t i o n ，c o n s t e n a i t i o na n dp o w e r a o c a t i o nr a t i o c a nb eo p t i m i z e dt oa c h i e v et h el o w e s tb e r r e s u l t si m p l yt 1 1 a tu t i l i z i n gp o s i t i o n a d v a n t a g eo ft h er e l a yn o d et ob a l a j l c et h el u l e q u a lp r o t e c t e db i t s c a nb o t hi m p r o v e s y s t e mr e l i a b i l i t ya n d r e d u c ee n e r g yc o n s 啪p t i o no ft h er e l a y 3 r e s o u r c ea l l o c a t i o ni nr e s o u r c ea s y m m e t r i ch y b r i dt e r m i n a ln e t w o r k si s d i s c u s s e d f i r s t ，ap o w e ro p t i m i z a t i o np r o b l e mi ss o l v e db a s e do no u t a g em i n i m i z a t i o nw i t h u n e q u a ls e p a r a t ep o w e rc 。n s t r a i n t sa tt h es o u r c ea n dr e l a y r e s u l t ss h o wt h a t1 2 d b g a i nc a nb eo b t a i n e dc o m p a r e dw i t he q u a lp o w e ra l l o c a t i o n s e c o n d ，e n e r g ya l l o c a t i o n 中国科学技术大学硕士学位论文 、v i t h 吼e q u a le n e r g yc o s tw e i 曲ti sr e s e a r c h e d w e i g h t e de n e r g yc o s t ( w e c ) i s m i n i m i z e dc o n s i d e r i n gr e q u i r e ds p e c t r a le m c i e n c y n u m e r i c a lr e s u l t si n d i c a t et h a t t r e b l es o u r c en o d ed u r a t i o ni sa c h i e v e dw i t ho n i y10 r e d u c t i o na t r e i a yn o d e m e a l l w h i l e ， o 2 5 b i t s h z g a i n i n s p e c t r a le m c i e n c y i so b t a i n e di no u rw e c m i n i m i z a t i o nc o m p a r e dw i t ht o t a le n e 唱ym i n i m i z a t i o n ，o nc o n d i t i o no ft h es a m e o u t a g ep r o b a b i l i t y a sc o m p l e m e n tt oa v a i l a b l ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s ，c o o p e r a t i o nw i l lb em o r e m a t u r ei fr e a l i s t i cn e 觚o r k sa n de n v i r o n m e n t sa r et a k e ni n t oa c c o u l l t m u l t i p l e e n v i r o n m e n t s ， n o d e c a t e g o r i e s ，c o o p e r a t i o ns t r a t e g i e s a n dr e s o u r c ea ll o c a t i o n a 】g o r i t h m sr e s e a r c h e dj nt h j sp a p e rw i 】jb eu s e 如l 打1f u l u r ea p p i i c a t i o n s k e yw 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 ，a s y m m e t r i c ，h y b r i d t e r m i n a ln e t w o r k ， c o o p e r a t i o ns t r a t e g y ，o u t a g ep r o b a b i l i t y ，r e s o u r c ea l l o c a t i o n ，n a k a g a m i mc h a 衄e l ， h i e r a r c h i c a lm o d u i a t i o n i v 中国科学技术大学硕士学位论文 图5 4 珑鞠= 所r d = 2 时，不同中继位置下中断概率与总功率的关系5 2 图5 5 聊豫= 3 ，聊j r d = 2 时，不同中继位置下中断概率与总功率的关系5 2 图5 6 中断概率等高线示意图5 3 图5 7 对称环境( m 鞭= m 肋= 1 ) ，源和中继的发送能量与频谱效率的犬系5 8 图5 8 非对称环境( 坍职= 垅r d = 2 ) ，源和中继的发送能最与频谱效率的关系5 8 图5 。9 对称环境( ，= 朋舳= 1 ) 时，总能量代价与频谱效孝的关系5 9 图5 1 0 非对称环境( 聊职= 棚n d = 2 ) ，总能量代价与频谱效率的犬系6 0 图5 1 l 对称环境( ，= m 足d = 1 ) 时，中断概率与频普效率的关系6 l 图5 1 2 非对称( ，= 脚肋= 2 ) 时，中断概率与频皆效率的关系6 1 图5 1 3 对称环境( = 臃r d = 1 ) 时，节点持续时间与中继节点位置关系6 3 图5 1 4 非对称( 脚肼= 小凡d = 2 ) 时，节点持续时间与中继节点位置关系6 3 v i i i 表格f 1 录 表格目录 表1 1 两种不同类型的终端比较5 表4 1 不同中继位置下对应的最优研和口3 8 表5 1 仿真参数表5 0 i x 中国科学技术大学学位论文相关声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作 所取得的成果。除己特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任 何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学 校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名：j 望遗垒苎二 净岁月扣日 第1 幸绪沦 第1 章绪论 1 1 中继协作的历史发展与现状 在过去三十多年里，无线通信进入了蓬勃发展时期。从第一代的模拟蜂窝 系统，第二代的数字蜂窝系统到第三代的宽带无线系统，无线通信正朝着能在 任何时间、任何地点、向任何人提供可靠、高速、低成本的通信服务的目标而 前进。在这一过程中，无线业务的发展和新业务的涌现及其对服务质量要求的 增加是推动无线通信发展的原动力。以w c d m a 及其演进为例，w c d m a 最初 版本r 9 9 的速率为3 8 4 k b p s ，而h s d p a ( p 1 ) 的上行为7 2 m b p s ，下行为 1 4 4 m b p s ，未来l t e 的期望速率为1 0 0 m b p s 1 g b p s 。 无线通信容量需求的不断增加，系统设计也面临着越来越大的挑战。首 先，无线信道环境本身非常恶劣。路径损耗、由于建筑物的遮挡而产生的阴影 衰落、以及由周围物体表面散射而产生的多径都限制着无线通信系统容量的增 加。此时，布网困难也会大大增加，要达到任何地点都能进行可靠、高速、低 成本通信的目标会变得困难。其次，各种无线通信系统的出现使频域上变得非 常拥挤，可用频段资源非常稀缺。 随着通信技术的进步，人们提出了多种应对这些挑战的方法。一是采用多 天线，不同天线间近似独立的路径可以给系统提供分集增益【l 】。现在，基站侧的 多天线已经得到应用，而用户终端侧的多天线则受到限制，因为为了保证同一 终端上的天线各信道不相关，要求各天线之间在空间上市耳隔一定的距离，而用 户终端受自身尺寸的限制，通常难以满足这个要求。二是采用中继，它可以有 效地降低路径损耗，增强布网灵活性。 1 1 1传统中继的发展 中继的应用已经有很长的历史。早在古代中国，烽火中继就用来作为传递 边关战报的信号。在移动通信蜂窝系统中，中继也很早就得到应用。在2 g 系统 中，为了解决路径损耗和阴影带来的小区覆盖问题，直放站( r e p e a t e r ) 已经得到 广泛的应用。这种直放站是由网络运营商提供的，它实际上是一个射频信号功 率增强器，只对接收信号简单地放大，再转发给目标接收器。这种中继设备很 好地解决了部分地区的阴影问题，有效地降低了网络覆盖的成本，但是它的功 能比较单一，直放转发时不对干扰信号和噪声进行处理，难以进一步提高系统 容量。 中国科学技术大学硕士学位论文 随着无线业务的发展，家庭、办公室和酒店会所等室内环境将逐渐成为高 速无线应用的重心。在3 g 、w i m a x 以及l t e 等宽带无线嘲络中，用来解决高 速室内覆盖的热门概念是毫微微小区摹站( f e m t o c e l lb a s es t a t i o n ) 。2 0 0 7 年成立 的f e m t of o m m l 2 j 是推动家用基站的研究与应用的重要组织，已经吸引了 a l c a t e l l u c e n t 、c i s c o 、n e c 、华为等设备商和v o d a f o n e 、a t & t 、b t 等运营商 参加。毫微微小区基站主要置于室内，覆盖半径小于1 0 0 m ，其上行链路是基站 接收用户终端的信号，经过一定物理层甚至m a c 层的处理后，通过d s l 等固 定有线网络将信号转发给r n c 。这种中继设备可以有效地解决室内覆盖问题， 具有较丰富的功能，可以提供家用手机和无线宽带接入等服务。 w i m a x 是一种面向无线宽带接入的低成本网络，其小区半径大，以便实现 更低成本的覆盖。同时，w i m a x 可能会采用更高的频段，比如5 g h z 。载频越 高导致路径损耗越严重，雨衰现象也更明显，被植被吸收的能量也越大。因 此，w i m a x 比以往的任何无线系统都容易产生盲区或微弱信号区，而要在这些 区域另建基站又会大大增加成本。为了提供盲区覆盖和小区扩展，增加系统容 量，2 0 0 6 年3 月，i e e e8 0 2 1 每im m r 工作组( m o b i l em u l t i h o pr e l a yt a s kg r o u p ) 成立【3 】。m m r 可以提供室内、阴影地区、移动车辆的覆盖，也可以实现小区扩 展，还可以为应急事件通信的中继转发点【引，如图1 1 。在协议上，m m r 还提 供许多更高级的功能，以进一步提高系统容量，如h a r q ，a m c ，多跳中继， 移动性管理等。虽然协议将协作作为一个可选功能，但是它与本论文所研究的 协作中继仍然有很大区别。 图1 18 0 2 16 j 的典型应用场景 1 1 2中继协作的发展 2 0 世纪6 0 年代，t m c o v e r 【5 】分析了中继通信的信道容量，指出退化中继 信道的信道容量可以通过无限的块m a r k o v 方式达到，并给出了中继信道的上 第1 幸绪硷 界和下界，但是准确的中继信道容量一直没有得到解决。2 i 世纪初，无线业务 的发展和无线网络速率需求的增加，中继协作的概念重新得到重视，并目有了 更新的涵义。s e n d o n a r i s 和l a j l e m a n 分别在 6 】 8 】中提出了一种实际的分布式中 继协作，其出发点是将网络中周围已有的终端作为中继。这种网络是基于互惠 协作的，也就是说任何想要其他终端协作的用户，自己也必需先乐意给其他用 户提供协作【l 。随着有线网络领域的p 2 p 概念得到大家的广泛认可，这种互惠 协作的方式也被人们在无线领域寄予厚望。 中继协作网络中，信息的起始点称之为源节点( s ) ，信息的终点称之为目的 节点( d ) ，提供协作的节点称之为中继节点( r ) 。中继协作与以前的多跳 ( m u l t i h o p ) 、中继等概念的不同之处还在于，中继协作的目的节点既收集中继节 点的信息也可以直接收集源节点的信息，并且以某种方式合并，比如最大比合 并( m r c ) 、选择性合并( s c ) 等【1j 。由这种合并而带来的分布式空间分集 ( d i s t r i b u t e ds p a t i a ld i v e r s i t y ) 可以很好地解决小型化移动终端天线数不够的问 题，提高系统的吞吐量，因此这种中继协作又被称为v i n u a l m i m o 。与现有中 继方式相比，中继协作可以更充分地利用现有刚络资源，降低剐络覆盖的成 本，增加网络的容量归j 。 1 2 中继协作的研究内容 自l a n e m a n 研究协作的容量和协议以来，协作成为无线通信研究的热点之 一。主要研究领域有以下几个方面： 1 协作策略 协作策略是协作通信从理论迈向应用的前提，它也结合了分集技术、空时 码、信道编码等当前主要的物理层技术。l a n e m a n ( 8 】归纳了几种基于重复转发的 协作策略，其中放大转发和解码转发是最典型的两种。与重复信息转发不同， 分布式空时码 i l 】【1 3 】是一种编码协作，它能很较好地将空时码与协作通信结合， 得到与m i m o 系统相似的分集增益。另一类编码协作将信道编码，比如卷积码 【1 4 】，t u r b o 【1 5 】【16 1 、l d p c 【1 7 】等，与协作技术结合起来。还有一些协作策略将协作 视为一种广义的h a r q 【1 8 】【1 9 】，采用与h a r q 相似的重传和合并方式，其不同之 处在于，承担重传任务的可能是中继节点。由于各种协作策略的特性不一样， 协作策略的适用范围也成为研究的课题之一【z 。 2 中继协作容量 遍历容量是衡量高斯和快瑞利信道下的中继系统容量的主要方法。在最大 流最小割定理基础上【2 l 】，t m c o v e r 【5 1 给出了退化中继信道( 即中继能完全无误 中国科学技术大学硕士学位论文 的解调信息) 的容量。g 心a m e r 等【2 2 1 给出了多种情况下解码转发和压缩转发下 的容量域，包括多个中继节点、发送节点靠得很近、接收端只知相位信息等情 况。结果表明，解码转发在这些情形下可以达到和分布式天线阵一样的容量。 从另个角度来说，可以将协作信道视为广播信道( b c ) 和多址信道( m a c ) 的结 合。通常在a w g nm i m o 信道容量分析中，由b c 和m a c 的对偶性，可以从 m a c 得到b c 的容量域1 】【2 引。b w a n g 等【2 4 1 推导了在m i m 0 中继时，当接收端 已知信道信息时，瑞利信道下遍历容量的上下界，并且指出存某些条件下，上 下界可以重合，即容量域是可达的。 中断容量是描述慢衰落信道下协作性能的重要方法。l a n e m a n 博j 分析了瑞利 信道下几种协作策略下的中断概率，并且证明了除解码转发外，其他协作方式 都可以获得分集增益。其他各种信道条件和协作策略下的中断性能分析仍然是 协作通信研究的一个热点。 3 中继协作节点选择 协作系统的性能与中继节点本身的位置和环境有很大的关系，因此好的协 作的前提就是要选择好的中继协作节点。中继节点选择有小同的准则，比如中 断容量【8 1 、信噪比【2 5 】、即时信道信息或误帧率( f e r ) 等。z l i n 等基于f e r 准则，分析了编码协作中的协作区域和协作伙伴选择，并指出尽管用户协作的 增益依赖于s r 链路，但是是否协作并不取决于s r 信道，而只是s d 和r d 链 路信道的函数。由于协作区域和最佳协作伙伴因具体环境而异，虽然很多文献 给出各自的结果，但非对称环境中的选择问题还没有得到解决。 4 中继协作的资源分配 协作通信中涉及的参数有很多，需要按照一定的准则对这些参数进行优 化。中继协作中的资源主要有功率 2 8 】、时隙或者0 f d m 子载波等，而资源分 配的准则有最小化中断概率或s n r 【2 8 】、最大化能量效率1 3 0 】1 3 1 1 等，资源分配的条 件有接收端已知c s i 、发送端已知全部c s i 吲或有限反馈【3 4 】等。非对称网络 中，如何在充分考虑网络中的位置、环境和资源等非对称性的前提下对网络进 行优化是一个新的课题。 1 3 非对称网络中的中继协作 非对称( a s y 眦l e t r i c ) 在不同文献中的涵义不一样。比如，l a n e m a n 8 将s r 和r d 链路的不一致称之为非对称，a a d i n o y i 将多中继协作中各中继的位置 和信道不一致称为非对称。本文中，将节点之间的位置、链路环境以及各自的 4 第l 章绪论 资源不一致的网络称之为非对称网络。具体来说，在三节点网络的基础上，本 文讨论三种非对称类型中的中继协作。 一方面，源节点、中继节点以及目的节点所处的地理位置和环境可能不 同，导致三者之间的信道也不同。这些非对称性主要体现在：( 1 ) 节点的相刘 位置不一样。通常中继离目的节点更近，路径损耗也就更小，我们称这类非对 称为节点位置非对称。事实上，绝大部分中继网络都有这种非对称性；( 2 ) 节 点的环境不一样。比如在上行链路中，源因被建筑物阻挡而处于阴影当中，而 中继没有，或者中继到源和目的节点都有直达路径，而源和目的节点之间却没 有直达路径，因此s d 链路和r d 链路的衰落类型就不一样。我们称这类非对称 为节点环境非对称。非对称的链路环境导致不同的链路性能，如何分析非对称 环境下的中继网络性能以及如何充分利用链路之间的差异是非对称网络中的一 个重要问题。 另一方面，未来的无线通信网络( 如w i m a x ) 是一种混合终端网络，既有 携带方便、尺寸较小的手机和p d a 等，也有功能较强、尺寸稍大的笔记本和游 戏机等娱乐设备。显然，相对手机来说，笔记本可以装更多天线，无线接入所 消耗的能量占其总能量的比值也小，此外，笔记本的信号处理能力也要比于机 强得多，比较如表1 1 ，我们称这种非对称为节点资源非对称。因此，在这种节 点资源非对称网络中，资源弱势终端如何更好的利用资源强势终端的天线、能 量、处理能力等优势，是非对称网络的中继协作中的具有挑战性而又很有意义 的课题。 本论文所研究的非对称网络将涵盖这这两个方面，在对中继系统做性能分 析时，考虑到节点位置、环境和天线数的差异，而存讨论非对称刚络中的资源 分配时，考虑不同类型节点的天线和能量资源差异。 表1 1 两种不同类型的终端比较 手机笔记本 典型尺寸( m m ) l1 0 幸5 0 木2 03 3 0 术2 5 0 木2 8 天线数l 2 根 2 4 根 能量 8 0 0 3 0 0 0 m a h 3 7 v3 0 0 0 ，6 0 0 0 m a h ，i4 8 v 和电源线 移动性以移动为主 以固定为主 业务类型 语音业务占重要比例数据业务为主 信号处理能力比较弱 很强 中国科学技术大学硕士学位论文 1 4 论文的主要贡献 本文研究了非对称网络中继协作的容量和资源分配，解决了几种典型情况 下的协作区域、节点选择以及功率分配。 本文的主要贡献有： 1 分析了非对称刚络中，n a k a g a m i m 信道下中继协作的中断概率。 作者分析了d c f 协作策略下，不同中继位置、中继节点环境、中继天线数 以及目的节点的合并方式对中断概率的影响。结果表明，相对于合并方式，节 点位置和环境对系统影响吏大。其中节点位置是全关重要的因素，而中断概率 随节点环境的变化是非均匀的，好的r d 链路是降低中断概率的前提。在恶劣 环境中，增加中继天线数可以有效地提高系统容量。 2 提出了一种在位置非对称下的资源分配。 作者提出一种部分信息中继的协作策略，这种协作下，中继节点只转发保 护程度弱的信息。同时，根据不同的中继节点位置，优化分级调制的星座图和 源与中继节点之间的功率分配比例因子。结果表明，这种利用中继节点的位置 优势来平衡不对称保护的方法，既可以提高整个系统的可靠性，又可以减小中 继占用的资源。 3 提出了两种在混合中断网络中，资源非对称下的资源分配方法。 作者首先在发送端未知c s i 时，以最小化中断概率为目标，利用源节点和 中继节点不同的最大功率限制，通过迭代的方法来寻找最优功率分配。结果表 明，在非对称环境下，最优功率分配比平均功率分配有1 2 d b 的增益。然后， 作者研究了在节点本身能量资源不等时的资源分配。根据发射能量在总能量中 所占的比例，以加权的方式来最小化能量代价函数。仿真结果表明，在链路环 境较好时，中继节点持续时间只需降低1 0 ，就可将源节点的持续时间增加3 倍。同时，在相同中断概率的条件下， 化的频谱效率要高o 2 5 b i t s h z 。最后， 点选择区域和最优节点位置。 加权能量代价函数最小化比总能量最小 分别给出了两种资源分配方式的中继节 1 5 论文的主要内容安排 本论文共有六章。 第一章简要介绍中继协作的历史和现状，包括现有系统中的中继以及他们 的发展，中继协作的研究方向。然后分析了非对称删络的特性，归纳出未来中 第l 章绪论 继协作网络的三类非对称以及他们对于中继协作的作用。最后说明了本论文的 主要贡献和主要内容安排。 第二章首先总结几种常用的无线信道模型，包括小尺度哀落、大尺度哀落 和阴影衰落，然后为本论文建立一种简单的三节点中继模型。为了便于比较各 种系统的性能，本章还介绍了无线通信系统的两种容量准则：香农容量和中断 容量。最后，结合现有文献，总结中继协作的几种中继策略。 第三章分析了n a k a g a m i m 信道下，解码转发中继的中断概率。首先介绍了 协作中的中断概率背景和现有的一些分析方法。然后分别推导了选择性合并单 天线和两天线中继的中断性能，并以此为依据仿真了不同中继节点位置和环境 下的中断性能，并分析了天线资源对中断性能的影响。在最大比合并下，作者 还推导了n a k a g 锄i ，m 信道下的中断概率，分析了目的节点的合并方式对中断的 影响。 第四章基于节点位置非对称，首先提出一种部分信息中继的协作策略。这 种协作方式是基于分级调制的，中继只转发保护性差的比特。为了得到最终信 噪比，作者推导了瑞利衰落下分级调制中各比特的错误概率。基于总误码率最 小准则，作者通过优化星座图以及源与中继节点的功率分配比例因子，得到最 佳中继协作参数。最后通过数值仿真，比较了星座图和功率分配因子在优化中 的作用，并且对比了这种协作系统与非协作参考系统的性能，最后给出了协作 区域，并对中继节点选择问题给予指导。 第五章研究了混合终端网络中，在节点资源刁i 对称时的两种资源分配方 法。首先作者以最小化解码转发的中断概率为目标，在源节点和中继节点最大 功率限制不相等的前提下，同时考虑分节点功率控制和总功率控制，最后通过 迭代得到最优功率分配方案。在此基础上，通过数值仿真分析比较了不同环境 和中继节点位置下最优功率分配的性能，并且给出了协作区域和节点选择。然 后，考虑源节点和中继节点的总能量，通过以加权的方式最小化能量代价函 数。通过仿真给出了在不同中继位置和n a k a g a m i 信道的不同成形因子下，分配 给源和中继的能量对比，以及中断性能的对比。最后比较了不等权系数和相等 权系数下，源节点和中继节点的持续时间，同时给出了在这种功率分配下，中 继节点的位置选择问题。 第六章总结全文，并讨论了非对称协作通信中一些进一步研究方向。 第2 幸r 一继系统樘j 弘年t ，l 继策略 第2 章中继系统模型和中继策略 2 1 无线信道模型 无线系统设计面临的主要挑战在于信号经过无线信道后的衰落，这种衰落 与地理空间位置、移动台的运动、发射信号的频率、周围环境甚至障碍物的材 质等都有关，人们对无线信道的研究也从无线通信一出现就没有停止过。 如今，比较普遍的观点是把无线信道的衰落的分为路径损耗、阴影衰落和 多径衰落三个部分。路径损耗是由发射功率的辐射扩散及信道的传播特性造成 的，一般认为只与收发节点之间的距离有关。阴影衰落是由发射机和接收机之 间的障碍物造成的，这些障碍物通过吸收、反射、散射和绕射等方式哀减信号 功率，严重时甚至会阻断信号。多径哀落则是由于经过各种路径到达接收天线 的信号之间互相干涉而造成的。路径损耗引起长距离上( 1 0 0 m 1 0 0 0 m ) 接收功率 的变化，而阴影引起障碍物尺度距离上( 室内环境l o m 1 0 0 m ，室外更小) 的 变化，这两者都被称之为大尺度衰落，而多径衰落引起的接收功率则在波长数 量级距离上变化，被称之为小尺度衰落。在路径损耗、阴影哀落和多径哀落的 综合影响下，接收功率和发送功率比值的分贝值与距离对数值的关系如图2 1 所 示【1 1 。 0 i o g ( d ) 图2 1 路径损耗、阴影和多径与传输距离之间的关系 现在已有多种多径统计信道模型，比如瑞利( r a y l e i g h ) 衰落模型和莱斯( r i c e ) 哀落模型，以及比较通用的n a k a g a m i m 哀落模型。 假设发送信噪比( s n r ) 为以，信道衰落系数为办，则接收的即时信噪比为 y = 忻一 ( 2 i ) bd 斥一r 中f i j 科学技术大学顾上学能论文 当收发之间没有直达路径科l o s ) 时，瑞利衰落模型可以很好地和测量数据 吻合，它是一种很严重的衰落。其接收信噪比的概率密度函数( p d f ) 为 岛( ) = 古e x p ( 一号) ，o ( 2 2 ) 其中，歹为每符号的平均接收信噪比。 当收发之间有直达路径( l o s ) 时，衰减程度会降低很多，莱斯分布是这种情 况下的一种模型，其接收信噪比的概率密度函数为 以小学唧( _ 半比 ( 2 3 ) 其中k 为莱斯因子，用来表征l o s 分量与甲均散射分量的比值，厶( x ) 为第二类 零阶修正b e s s e l 函数。 n a k a g a m i m 信道是一种可以很好地描述多径信道信号统计特性的两参数模 型，信道衰落系数向的概率密度函数为： 州俨焉唧( 斟删 陋4 ， 其中r ( 肌) = ir ”1 p 叫衍为g a m m a 函数。不同的m 可以用来表征不同的信道环 境，当m = 1 时，n a k a g a m i m 信道退化为瑞利信道，当m 斗+ o 。时，退化为无哀 落的高斯信道。信号经过n a k a g a m i m 信道，接收端的信噪比服从g a m m a 分 布： 咖) = 焉唧b ) ，倒 陋5 ， 令b = 上，g a m m a 分布又可表示为 引小氚唧( 一考) ，例 协6 ， 其中b 称为尺度因子( s c a l i n gf a c t o r ) ，聊为成形因子( s h a p i n gf a c t o r ) 。 n a k a g a m i m 分布可以用来存一定程度上对( 2 3 ) 的莱斯分布进行近似【1 1 ，参 数髟，俄的映射关系为： 】o 第2 常山继系统模型帛lq j 继策略 m ：坠堕k o，卵= = l 2u 1 + ，堡二( 2 7 ) k ：一旦车兰，肌1k = 7 = = = = ，竹2l 加一脚2 一脚 另一方面，根据图2 1 ，在不同地点歹是不同的。根据 1 】，歹是与阴影哀落 和路径损耗相关的随机变量，它的分布可以根据阴影衰落用对数正态阴影模型 来表示： 以咖南唧( _ 掣 亿8 ， 其中f = 1 0 l n l o = 4 3 4 2 9 ，( d b ) ，盯( d b ) 分别是1o l o g 。o 歹的均值和均方根。 式( 2 8 ) 中，是随空间距离而变化的，为了得到阴影哀落在空间上的自相 关性，人们在不同传播环境、不同频率下进行了大量测量，其中g u d m u i l d s o n 【3 8 】 等根据实测结果，将阴影衰落假设为一阶自回归过程，对于距离为万的两个点 处的阴影衰落，假设他们有相同的均值( d b ) ，其协方差为 卸脚5 ( 鼍，“船) ( ( m 删) ) ( 2 9 ) = 畦d 8 砖d 一 其中岛是距离为，d 是两点的归一化协方差，它与传播环境和载波频率有关， 只能通过实测得到。如果置d = x 。处，岛，= 1 p ，此模型可以简化为不依赖实 测数据的形式： 彳( 万) = 仃乞p 邓麒。 ( 2 - l o ) 其中只叫做去相关距离，它的大小近似等于阻挡物大小或者障碍物聚集体的大 小。对于室外系统【l 】 x 的典型值范围是5 0 m 1 0 0 m 。 信号经过阴影衰落后的平均功率( d b ) 又和路径损耗有关，可以用如下模 型来表征两者之间的关系， 小卟瓦( 讣m l o g ( 2 1 1 ) 其中或是近地参考距离，p ( 蟊) 是在距离为时的路径损耗，y 是路径损耗因 中国科学技术大学硕士学位论文 2 2 中继协作系统模型 在支持中继的网络中，源节点和目的节点之间往往有多个中继节点可选 用，当前也已有很多文献分析多节点中继的性能以及关于多个候选中继节点的 选择问题 1 1 】 3 2 】。另外一些文献采用两用户成对协作的方法【j 4 】，将网络中需要协 作的节点组成对，统一为两协作节点对分配资源。这种协作方式可以实现真正 意义上的对等协作，但是在非对称网络中，一方面这种协作方式很难找到两个 相互匹配而且对等的节点，另一方面协作的两节点之间的同步也是一个很难的 问题。 本文假定中继节点只有一个并且已经被预先选定，并采用比较典型的三节 点中继模型，如图2 2 所示。假设源节点发送符号为s 。，中继接收信号为 ，中继发送的符号为s 。，目的接收的来自源的信号为，来自中继的信号为 d ，源到中继的距离为蟊。，信道系数为纹凡，源到目的的距离为，信道系 数为，中继到目的的距离为( 7 凡d ，信道系数为_ 。 与传统的网络不同的是，非对称网络由于各节点所处位置不同，向、 向。p 、乃。d 虽然可以看作是独立分布的，但其分布函数并不一定相同，甚至其分 布类型都不同，本论文在对非对称网络做性能