（计算机应用技术专业论文）协作通信中的功率分配及协作用户选择的研究.pdf

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性能，也优于文献【2 l 】中优化功率分配下的系统误符号率性能。 3 、以三节点中继信道模型为基础，根据用户与协作用户间的归一化距 离、用户与基站间的归一化距离、协作用户与基站间的归一化距离以及归 一化距离与即时信噪比的关系推导出等功率分配下4 p s k 调制的译码转发 和放大转发协作通信基于三者距离归一化值的误比特率的闭环表达式，计 算出最佳协作用户位于用户与基站的垂直平分线上。 关键词：空间分集协作通信切换模型功率分配协作用户选择 i i r e s e a r c h o np o 、v e ra l l o c a t i o na n dp a r t n e r s e l e c t i o ni nc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n a b s t r a c t b e c a u s eo ft h ec o m p l e x i t ya n dt i m ev a r i a n c eo ft h ew i r e l e s sc h a n n e la n d t h ed i v e r s i t yo ft h ep r o p a g a t i o np a t h ，t h e r em u s tb em u l t i p a t hp r o p a g a t i o nw h e n t h es i g n a lt r a n s m i t si nt h ew i r e l e s sc h a n n e l c h a n n e lf a d i n gc a u s e db ym u l t i p a t h p r o p a g a t i o ni nt h et r a n s m i s s i o no ft h es i g n a lb e c o m e st h eb o t t l e n e c ko f i m p r o v i n gt h ed a t at r a n s f e rr a t ea n dq o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) d i v e r s i t yi st h e m o s tp r i m a r ya n de f f e c t i v et e c h n o l o g y , w h i c he f f e c t i v e l ye n h a n c e st h el i n k q u a l i t y a n dc h a n n e lc a p a c i t yu n d e rt h ec i r c u m s t a n c e st h a tt h ep o w e r c o n s u m p t i o na n dc h a n n e lb a n d w i d t ha r en o ta d d e d c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n c a nm a k eu s eo fs p a t i a ld i v e r s i t yt e c h n o l o g ya n dt h eb r o a d c a s t i n gn a t u r eo ft h e w i r e l e s sc h a n n e lt oa c h i e v e d i v e r s i t yg a i n ，a n di m p r o v et h ed a t at r a n s f e rr a t ea n d t h er e l i a b i l i t yo ft h ew h o l es y s t e m p o w e ra l l o c a t i o n ，p o w e ro p t i m i z a t i o na n dp a r t n e rs e l e c t i o nb e t w e e nt h e s o u r c en o d ea n dt h e r e l a y n o d e p l a y a n i m p o r t a n t r o l e i n c o o p e r a t i v e c o m m u n i c a t i o n u n d e rt h ec i r c u m s t a n c e st h a tt h et o t a lp o w e rb e t w e e nt h e s o u r c en o d ea n dt h er e l a yn o d ed o e sn o tc h a n g e ，b i te r r o rr a t e ( b e r ) i s d e c r e a s e da n dt h es y s t e m sd a t at r a n s f e rr a t ei si n c r e a s e d ，w h i c hi sv i t a lt op o w e r o p t i m i z a t i o n ；p a n n e r s e l e c t i o n s h i g he f f i c i e n c y c a nr e d u c et h e p o w e r c o n s u m p t i o no f t h ew h o l es y s t e m i l l n o n c o o p e r 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 wt h a tt h e i rr e s p e c t i v ep e r f o r m a n c e i sb e t t e rt h a nt h a to fn o - c o o p e r a t i o n 2 b a s e do nc l a s s i c a lc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o nm o d e lw i t ht h r e en o d e s ， o nt h ec o n d i t i o no fo p t i m u mp o w e ra l l o c a t i o n ( o p a ) b e t w e e nt h es o u r c en o d e a n dt h er e l a yn o d e ，b e rf o r m u l a so fc 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 mw i t h a f ( a m p l if ya n df o r w a r d ) a n dd f ( d e c o d ea n df o r w a r d ) ，a sw e l la so p t i m u m p o w e ra l l o c a t i o n f a c t o ro cw h i c hm a k e sb e rt h el e a s ta r ed e d u c e d t h e i r c h a r a c t e r i s t i c sa r es i m u l a t e da n dc o m p a r e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e p e r f o r m a n c eo ft h es y s t e mu n d e ro p a i sb e r e rt h a nt h a tu n d e re p a ，a n db e t t e r t h a nt h a to fs e ru n d e ro p a ，t o o 3 o nt h eb a s i so ft h er e l a yc h a n n e lm o d e lw i t ht h r e en o d e s ，a c c o r d i n gt o t h ep o s i t i o ni n f o r m a t i o na m o n gu s e r , p a r t n e ra n db a s es t a t i o n ( b s ) ，c l o s e d l o o p e x p r e s s i o n o ft h e i rn o r m a l i z e dd i s t a n c et h a tm a k e sb e rt h el e a s tc a nb e a c q u i r e d t h eb e s tp a r t n e ri sl o c a t e do nt h ev e r t i c a lb i s e c t o r k e yw o r d s ：s p a t i md i v e r s i t y ； c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n ；h a n d o f f m o d e l ；p o w e ra ll o c a t i o n ；p a r t n e rs e l e c t i o n 第一章绪论1 1 1 研究背景及意义1 1 2 国内外研究现状及存在的问题2 1 2 1 协作通信协议的研究进展3 1 2 2 信道容量方面的研究进展3 1 2 3 功率分配的研究进展4 1 2 4 协作用户选择的研究进展4 1 2 5 协作通信研究存在的问题5 1 3 本文的研究内容5 1 4 论文的组织6 第二章无线蜂窝通信网络中的协作通信8 2 1 中继通信8 2 。2 协作通信1 1 2 2 1 协作通信模型1 1 2 2 2 协作通信协议1 3 2 2 2 1 放大转发协议1 3 2 2 2 2 再生转发协议1 4 2 2 2 3 编码协作协议1 4 2 2 3 协作通信协议下的性能比较1 6 2 3 中继通信与协作通信的异同1 6 2 4 本章小结1 6 第三章分集技术1 8 3 1 分集技术的划分1 8 3 1 1 时间分集( t i m ed i v e r s i t y ) 1 8 3 1 2 空间分集( s p a c ed i v e r s i t y ) 1 8 3 1 3 频率分集( f r e q u e n c yd i v e r s i t y ) 1 9 3 2 分集合并技术1 9 3 2 1 选择合并( s e l e c t i o nc o m b i n i n g ，s c ) 2 0 3 2 2 最大比合并( m a x i m a lr a t i oc o m b i n i n g m r c ) 2 0 3 2 3 等增益合并( e q u a lg a i nc o m b i n i n g , e g c ) 2 1 3 3 本章小结2 1 第四章移动通信系统的切换技术2 3 4 1 协作通信切换模型的提出及建立2 3 4 2e p a 下的协作通信误比特率公式推导及性能分析( d f ) 2 5 v i u v i 2 5 2 8 2 8 2 9 3 0 3 0 3 3 3 4 3 6 3 7 3 7 3 8 3 9 4 1 4 1 4 1 ( d f ) 4 2 4 2 4 6 析4 7 5 1 2 4 4 p s k 调制下的误比特率公式推导及性能分析4 9 5 1 3 o p a 下的协作通信系统的公式推导及性能分析( a f ) 5 1 5 1 - 3 1 m q a m 调制下的误比特率公式推导5 1 5 1 3 2 m q a m 调制下的优化功率分配公式推导5 4 5 1 3 3 m q a m 调制下的误比特率仿真及其性能分析5 6 5 1 3 44 p s k 调制下的误比特率公式推导及性能分析5 8 5 2 协作用户选择6 0 5 2 1 协作用户选择的方案6 l 5 2 1 1 基于位置信息的协作用户选择6 l 5 2 1 2 基于平均s n r 或者即时信噪比s n r 的协作用户选择6 1 5 2 1 3 基于瞬时信道状况的协作用户选择6 l 5 2 2 模型6 2 5 2 3 译码转发协作通信的协作用户选择的公式推导及性能分析6 3 5 2 4 放大转发协作通信的协作用户选择的公式推导及性能分析6 4 5 3 本章小结6 5 第六章总结与展望6 7 6 1 论文研究工作总结6 7 6 2 展望6 8 参考文献6 9 致谢7 2 攻读硕士学位期间发表和录用的论文情况7 3 v i 协作通信中的功率分配及协作用户选择的研究 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 随着信息技术的快速发展和信息量爆炸性增长，以及未来数字化、多媒体化、无缝 连接和快捷生活方式、信息获取对无线通信的需求不断扩大，目前无线通信系统所能达 到的传输数据速率( 无线通信系统的有效性) 和服务质量( q o s ，q u a l i t y o f s e r v i c e ，即无 线通信系统的可靠性) 已经不能够满足人们的需求，这就给下一代无线通信系统提出了 更高的要求，包括高速的数据传输速率、清晰的语音通话以及高分辨率的视频图像。由 于无线信道环境的复杂性、时变性以及传播路径的多样性，信号在无线信道中传输必然 存在多径传播现象，而信号在传输过程中的多径传播造成的信道衰落( 即多径衰落) 是 提高数据传输速率和服务质量的瓶颈。为克服此瓶颈，多种抵抗多径衰落的技术被采纳， 包括分集技术、自适应均衡技术、扩频通信、发射机功率控制技术、交织以及纠错编码 技术等，理论上发射机功率控制技术是抵抗多径衰落最有效的技术，但实际上功率控制 技术因要通过调整每个发射机的功率来达到接收信号在接收机处的相位差最小的目的 而不易实现，因而分集技术实际上就成为抵抗多径衰落最主要且最有效的技术，在不增 加功率消耗或信道带宽的情况下可有效提升链路质量和增加系统容量。分集技术可以分 为时间分集、频率分集、编码分集以及空间分集。其中，空间分集包括发射分集和接收 分集，不额外占用时间、编码和信道频带等资源，可以有效提高链路质量和系统容量， 因而在无线蜂窝移动通信系统中得到了广泛的应用。 在单天线链路中，在使用诸如t u r b o 码和l d p c 码等高效信道编码技术后，数据的 传输速率可以接近香农定理理论上的极限( 即理论上的信道最大传输速率) ，因而使用 信道编码技术提升数据传输速率的空间非常有限；而在多天线链路中可以通过增加发射 机和接收机的天线数量来提高空间分集增益。只有发射机端设置的天线数量多于一副才 可能形成发射分集，而发射分集则可以提高系统的数据传输速率。然而对于无线蜂窝通 信系统上行信道而言，许多无线移动终端，比如说手机，由于受到其尺寸大小、功耗、 成本以及硬件复杂度等因素的限制，只能设置一副天线。而在体积较大的无线通信设备 ( 如基站) 上使用多天线已经普遍实现，但在体积较小的无线移动终端上面部署多天线 还存在一些瓶颈，而只有一副天线的单个移动终端自己无法形成空间分集。如果一个移 动终端可以接收到其他移动终端的信号，并将此信号与自身的信号一同发送出去，且这 两个信号所经历的信道衰落是统计独立的，那么这两个移动终端就可以实现空间分集。 这样就可以利用多个具有单天线的移动终端的这种性质来形成空间分集从而提高数据 传输速率。协作通信的概念就由此而产生。 协作通信是在三节点( 包括源节点、中继节点和目的节点) 中继信道的基础上发展 起来的，其基本思想：在具有多个移动用户的无线通信网络中，多个具有单天线的移动 协作通信中的功率分配及协作用户选择的研究 用户按照一定的协作方式( 即协作通信协议) 来共享彼此之间的天线从而形成诅 ( v i r t u a l a n t e n n a a r r a y ，虚拟天线阵列，又称为c o o p e r a t i v em u t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t r e l a y i n gn e t w o r k ，协作多输入多输出中继网络) ，进而获得发射分集增益，提高系统的 数据传输速率和可靠性。协作通信将分集技术与中继通信技术二者的优势结合起来，在 不增加无线通信设备天线数量的基础上，可实现并获得在传统无线通信中多天线m i m o 系统同等的空间分集增益。 现代通信系统，尤其是诸如蜂窝移动通信系统等的无线通信系统在我们的日常生活 中发挥着巨大的作用，给我们提供了即时的无处不在的通讯服务。下一代无线通信系统 要求提供高速的i n t e m e t 接入以及其他无线多媒体业务，但面临着有限的频谱资源和复 杂的无线信道环境( 如信道衰落) 等不利因素，协作通信能够有效地抵抗衰落，解决这 些不利因素，提高频谱效率和数据传输速率。 协作分集可以使协作中的移动用户实现发射分集，获得分集增益。通过协作分集， 可以减小协作用户间的功率消耗，实现与非协作用户一样的数据速率和带宽，可以延长 移动用户的待机时间，增加移动用户的使用寿命，提高网络的信道容量和覆盖率。 怎样对中继节点与源节点之间的资源( 包括时间、带宽、功率和频率等) 进行有效 分配，是协作通信中的一个关键问题，时间、带宽、频率分配在已有的文献中的研究比 较常见。在协作通信中，源节点发送自身的信息给中继节点和目的节点需要消耗功率， 中继节点发送自身的信息和转发来自源节点的信息给目的节点也要消耗功率，因此，怎 样在源节点和中继节点之间进行功率分配和优化对协作通信非常重要。但对功率分配来 说，大部分文献都基于等功率分配的研究，而对源节点与中继节点之间进行优化功率分 配的研究较少，也相对复杂。在实际的协作通信中，并非所有的移动用户在整个通信过 程中都参与信号的传输，因此参与协作的用户的选择就显得尤为重要。基于源节点与中 继节点间的功率分配以及最佳协作用户选择的问题便应运而生。 协作用户的选择对系统资源的分配起着至关重要的作用，根据信道的瞬时信息状 态、用户及协作用户和基站问的位置信息以及平均信噪比s n r 等来确定潜在的协作用 户，而不是让所有的空闲用户都参与协作，这样可以减少不必要的资源浪费，提高协作 用户选择的效率。 尽管协作通信的研究处于理论研究阶段，还有一些实际的问题尚未解决，但随着研 究的不断深入和细化，协作通信离实际应用的日子会越来越近。协作通信的研究将会对 现有的无线蜂窝通信系统起着巨大的推进作用。 1 2 国内外研究现状及存在的问题 协作通信研究的主要内容有协作通信的协议和算法、通信信道的信道容量、功率分 配与优化以及协作用户的选择等，国内外的研究现状主要从以下四个方面展开： 2 广西大学硕士掌位论文协作通信中的功率分配及协作用户选择的研究 1 2 1 协作通信协议的研究进展 协作分集的思想于1 9 7 9 年由c o v e r 和e 1g a m a l 首次提出，在中继信道的基础上他 们分析了由三个节点( 源节点、中继节点和目的节点) 组成的三节点( 其中中继节点可 被看作是协作节点) 网络的中继信道容量问题【l 】。 文献 2 】首次提出了用户协作分集的思想，通过小区内用户之间的协作，用户不仅发 送自己的信息，并且接收和检测协作用户的信息，然后再转发处理过的协作用户的信息 获得分集增益，从而增加上行链路的信道容量。 对于用户协作的研究，文献 3 ，4 】从信息论的角度对其概念作了较详细的分析，指出 了其局限性以及如何构建用户协作方案并实施，分析了可达速率区、中断概率和小区覆 盖率等方案，并得出：用户协作策略可以获得比非协作策略更大的增益。文献 5 ，6 提出 了三种协作通信协议，即固定中继协议( 包括放大转发协议和译码转发协议) 、选择中 继协议以及增强中继协议，分析了各种中继协议下的中断概率，并证明了除了译码转发 协议获得分集级数为1 以外，所有其他的中继协议都可以获得完全的分集增益，但完全 的分集增益的获得是以降低频谱效率为代价的。为了解决频谱利用率不高的问题，文献 【7 9 提出了一种新的用户协作方案，叫做编码协作，是用户协作跟信道编码方案相结 合的一种中继通信协议，用速率匹配删截卷积( r a t ec o m p a t i b l ep u n c t u r e dc o n v o l u t i o n a l c o d e ，r c p c ) 码以及循环冗余检验( c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k ，c r c ) 作为有效协作用 户编码的方案，在保持原来的信息传输速率、发射功率以及带宽不变的情况下可以获得 比非编码协作更大的增益。文献 1 0 提出了编码协作的两种拓展方案，即空时编码和 t u r b o 码与用户编码相结合，空时编码协作实现了快衰落环境下的空时分集，t u r b o 编 码协作利用编码协作的天然二码结构获得分集增益。文献 1 1 从中断概率的角度分析了 编码协作在准静态瑞利和两个协作用户条件下的性能，仿真结果表明了在高信噪比区域 编码协作获得了完全的分集增益。文献 1 2 提出了空时编码协作分集协议，利用一系列 分布式的用户转发信息而获得空间分集，可有效利用频谱效率并获得与协作用户数量相 同的完全空间分集增益。文献 1 3 ，1 4 进一步分析了空时编码协作分集协议，提出了正 确的空时编码方案的选择原则，分析了在衰落中继信道条件下，采用放大转发协议( a f ) 的分布式空时编码方案。文献 1 5 提出了基于l d p c 的带有一个或两个非再生中继的分 布式空时协作通信系统。 以上文献都是假设在中继之间的严格的定时同步条件下实现的协作分集协议，而实 际的系统很难达到同步要求，为实现异步协作分集，设计出一种最小均方误差( m m s e ) 接收机【1 6 】。 1 2 2 信道容量方面的研究进展 文献 1 分析了一般中继信道的信道容量问题，并由此求解出高斯中继信道和离散 中继信道的信道容量，找出了一般中继信道可达的信道容量的下限。在此基础上，文献 3 广西大掌硕士掌位论文协作通信中的功率分配及协作用户选择的研究 1 7 提出了多中继信道的可达速率区和相应的编码方案。文献 1 8 进一步研究了加性高 斯白噪声信道无记忆中继网络的可达速率区，当中继节点位于接近源节点的区域时，可 获得无线中继网络的信息论容量。对于三个用户的高斯多址信道，文献 1 9 提出了一种 新的基于编码协作方案的叠加分组马尔可夫编码，获得比两个用户协作的多址信道性能 更优的可达速率区。 1 2 3 功率分配的研究进展 文献 2 0 分析了在多中继信道条件下最优功率分配问题，并证明了在最优功率分配 情况下信道容量达到最优的条件。文献 2 1 分析了在放大转发协议( a f ) 和译码转发协议 ( d f ) 下误符号率( s y m b o le r r o rr a t e ，s e r ) 与优化功率分配的关系，并证明了优化功率分 配与信道链路质量有关。在文献 2 2 中，建立了一个简单形式的误符号率( s e r ) 的上界， 在此基础上找到使误符号率最小化的功率分配方案。文献 2 3 分析了m p s k 调制下的 s e r 封闭表达式与相应上界，提出一个最优功率分配方案，并与等功率分配方案做比 较，在等功率分配方案下，精确最优中继位置恰在源节点与目的节点的中点处，但是在 最优功率分配方案下最优位置距离目的节点更近，最优功率分配方案都能得到比等功率 分配更好的误符号率性能。文献 2 4 分析了优化星座图和优化源节点与目的节点之间的 功率分配比例，证明了当中继位于源与目的节点的中点附近时，在消耗相同能量和带宽 资源的条件下，这种最优化的协作方法比非协作系统有3 _ 4 d b 的性能增益。文献 2 5 证明了功率优化分配与传输性能之间有很好的均衡。 综上所述，现有的协作通信研究大多基于源节点与中继节点之间进行等功率分配的 原则，如何设计有效的算法对协作分集网络进行功率分配和优化非常重要。 1 2 4 协作用户选择的研究进展 文献 2 6 证明了非等功率条件下协作分集的最优功率分配方案，分析了最小化能量 消耗条件下最优的协作用户的位置的条件。文献 2 7 提出了一种协议：给每个发射节点 足够多的协作用户以便能够使之以足够高的概率译出来自发射节点的信息。文献 2 8 ，2 9 定义了用户协作增益来衡量协作对非协作的相对性能改善，引入了协作决策参数根据用 户到目的信道的信噪比来决定协作的等级。文献 3 0 提出一种离散随机优化算法自适应 选择最好的协作用户集合以实现误码率性能或系统容量性能最优。文献 3 1 在机会中继 方案的基础上提出了一种新的中继选择方案一s d t r s ( s o u r ed o m i n a n tt i m i n gr e l a y s e l e c t i o n ) ，理论分析和仿真结果表明，s d t r s 相对机会中继方案，碰撞概率更小，中 继节点的选出速度更快，且避免了在中继节点选择不成功的时候源节点会一直等待的问 题。 目前协作通信中对协作用户的研究大都基于协作用户已经选定的假设，不必考虑协 作用户的选择问题，即在选定协作用户的基础上研究协作通信的实现问题，但实际上应 4 协作通信中的功率分配及协作用户选择的研究 该在研究协作通信的实现之前就要首先解决协作用户的选择问题。对协作用户选择的研 究，目前还没有统一的算法或协议。 1 2 5 协作通信研究存在的问题 协作通信研究中存在的问题主要包括： 第一，同步问题。目前协作通信的研究大部分基于用户( 相当于中继通信中的 源节点) 之间、用户与基站( 相当于中继通信中的目的节点) 之间以及协作用户( 相当 于中继通信中的中继节点) 与基站之间严格的定时同步的假设，可以获得准确的信道状 态信息，但由于协作通信的三节点复杂的协作机制，因而实际上很难真正实现用户之间、 用户与基站之间以及协作用户与基站之间的同步。 第二，功率分配问题。现有的协作通信对功率分配的研究大都基于用户与协作用 户之间等功率分配的原则，达不到使系统性能最优的目的，如何根据协作用户的信道状 态信息来自适应地调整用户和协作用户之间的功率分配，如何优化功率以提高系统的性 能，这些问题仍待有效的解决。 第三，协作用户选择问题。由于移动终端的位置经常发生变化，可能会使本来处 于良好通信状态的移动终端的通信条件发生恶化，因而可能会使协作通信中断；由于移 动终端的通话时长与被协作者的通话状态不一致，可能会发生协作用户的通话已经结束 而被协作者还在通话的情况，因而也可能会造成协作通信中断；由于协作通信是在协作 用户不知情的情况下发生的，因而保证协作用户的安全性应该考虑。综上，在多用户环 境下如何选择协作用户，何时选择协作用户，选择多少个协作用户等还需要进一步研究。 第四，信道条件问题。目前协作通信对信道的研究大部分集中于便于理论研究的 平坦衰落信道，而实际的信道状况会非常复杂，对复杂信道的研究还不多。 1 3 本文的研究内容 本文对协作通信协议、信道容量、功率分配、中断概率和误比特率以及协作用户选 择策略等方面进行了较全面的研究；在研究三节点中继信道模型的基础上，研究了无线 蜂窝通信系统的切换协议，首次提出并建立了四节点的协作通信切换的通用模型，并对 其性能进行分析和仿真；分析了在4 p s k 调制下误比特率性能最优的协作用户的选择问 题；研究了等功率分配和优化功率分配下系统的误比特率性能，提出了一种功率分配算 法；具体地讲，本文的研究工作主要包括： ( 1 ) 在三节点中继信道的基础上，首次提出并建立小区切换的协作通信系统的通用模 型，在源节点和目的节点等功率分配情况下，分别在m q a m 和4 p s k 两种调制下推导 了放大转发和译码转发通信系统的误比特率公式，对编码协作通信系统的中断概率公式 进行了改进，并在此基础上进行了仿真和性能比较分析； 5 协- f i r 通信中的功率分配及协作用户选择的研究 ( 2 ) 以经典的三节点中继信道为模型，在源节点和目的节点等功率分配以及优化功率 分配的情况下，主要在在m q a m 和4 p s k 两种调制下从放大转发、译码转发两种协议 下推导了协作通信系统的误比特率公式，并进行了仿真，对等功率分配及优化功率分配 的误比特率性能进行比较以及参考文献中的误符号率性能进行比较，找出误比特率最优 的优化功率分配系数； ( 3 ) 以三节点中继信道为模型，根据用户与协作用户问的归一化距离、协作用户和基 站间的归一化距离、用户和基站的归一化距离和即时信噪比等条件推导出等功率分配下 在4 p s k 译码转发协和放大转发作通信系统与归一化距离有关的误比特率公式，找出了 误比特率最优的协作用户的位置。 1 4 论文的组织 第一章介绍了协作通信的研究背景、研究意义及研究现状，由此提出了协作通信中 的切换、功率分配及协作用户选择的研究问题，阐述了本文的主要研究工作。 第二章主要介绍中继通信与协作通信。从中继信道的模型入手介绍了其分类及各种 中继通信协议，在中继信道的基础上讨论了协作通信的模型以及三种不同的协作通信协 议，尤其是编码协作协议，最后介绍了中继通信与协作通信的异同。 第三章主要介绍了对抗多径衰落的有效技术分集技术及协作分集的基本原理， 介绍了分集合并技术并对它们的性能优劣进行了分析。分集技术尤其是空间分集技术在 不占用时间和频率资源的前提下可以获得空间分集增益。空间分集技术使得多个具有单 天线的移动终端共享彼此的天线，形成虚拟天线阵列( v a a ) ，从而获得与m i m o 多天 线系统等效的空间分集增益，能够充分利用空间资源提高通信系统的数据传输速率和服 务质量。 第四章介绍了现代通信中的切换技术及其应用；重点分析了切换技术在协作通信中 的应用，在三节点中继信道模型的基础上，首次提出并建立了四节点的协作通信切换的 通用模型，并在等功率分配下推导了4 p s k 和m q a m 调制的译码转发及放大转发协作 通信的误比特率公式，在编码协作协议下改进中断概率公式，并在此基础上进行仿真及 性能分析，实现了切换技术在协作通信中的应用。 第五章主要探讨协作通信网络中的功率分配优化以及最优协作用户选择。协作通信 中，用户向协作用户和基站广播信息需要消耗功率，协作用户向基站发送自身的信息和 转发来自用户的信息也要消耗功率。在用户和协作用户消耗的总功率不变的情况下，如 何优化分配用户和协作用户的发射功率，使系统的误比特率最小。在优化功率分配下推 导了4 p s k 和m q a m 调制的译码转发及放大转发协作通信的误比特率公式，在用户与 协作用户之间不同的优化功率分配系数的情况下，推导了译码转发协议和放大转发协议 下使误比特率最小的优化功率分配系数，并在此基础上进行仿真及性能比较分析；根据 位置信息和即时信噪比等信息推导了等功率分配下4 p s k 调制的译码转发协作通信和放 6 7 广西大学硕士学位论文协作通信中的功率分配及协作用户选择的研究 第二章无线蜂窝通信网络中的协作通信 协作通信可以跟多种无线技术结合，实现与其他无线资源的有效整合，可以广泛用 于无线蜂窝通信网络、无线局域网( w l 埘) 、无线a dh o c 网络、无线m e s h 网络以及 无线传感器网络等，也可以与认知无线电以及车载通信网等无线技术整合。本文主要研 究协作通信在无线蜂窝通信网络中的应用。 2 1 中继通信 中继通信( 包括源节点、中继节点和目的节点) 对我们研究协作通信起着举足轻重 的作用，因为协作通信是在中继通信的基础上发展起来的，是中继通信的拓展和演化。 中继通信是指发送者通过一个或多个中继节点的辅助而实现的与接收者之间的通信，通 常由广播信道( 从源节点的角度看) 和多址信道( 从目的节点的角度看) 组成。中继通 信与一般通信的区别在于中继通信有一个确定的被称为中继的特殊终端。当发送者和接 收者之间的信道存在严重的衰落时，这二者之间的通信会受到严重的干扰甚至二者之间 不能进行正常通信，而当与发送者距离较近的中继与接收者之间有很好的信道条件时， 可以利用中继接收来自发送者的信息然后再转发给接收者，这样可以避开发送者与接收 者之间的直接通信，中继对整个系统的通信起着桥梁和纽带的作用，其作用是接收、处 理并转发来自发送者的信息，从而避开信道严重衰落时发送者与接收者信号的直接传 输，将发送者的信息以较好质量地发送给接收者，提高系统的传输性能。中继既可以作 为接受者( 接收来自发送者的信息) ，又可以作为发送者( 把自己的信息或者接收到的 另一个发送者的信息发送出去) ，在功能上相当于一个简化的小型基站。中继信道的概 念最初是由v a nd e rm e u l e n 3 2 ，3 3 提出并进行初步研究的，后来又有许多信息论领域的学 者进行了深入的研究，其中c o v e r 和e 1g a m a l 1 以此为基础于1 9 7 9 年提出了经典的三 节点中继信道模型，在离散无记忆信道条件下分析、计算并证明了中继信道的信道容量 定理，奠定了中继通信的理论基础。 中继信道的原型是v a nd e rm e u l e n 于1 9 7 1 年提出的三终端信道模型( 终端1 、终端 2 和终端3 ，三个终端的地位和作用是相同的) ，是由三个无记忆的独立的无噪声的单 向信道组成的，其模型如图2 1 所示。c o v e r 和e 1g a m a l 后来以三终端的信道模型为 基础，经过进一步的完善和发展，提出了经典的三节点中继信道模型，是由三个独立无 噪声的单向子信道组成的，其模型如图2 2 所示。其模型从网络属性上看，是由源节点 s 、中继节点r 和目的节点d 组成，中继节点与源节点一起为目的节点服务；从信道的 接入特性来看，可以分为广播信道和多址信道，从源节点的角度来看，源节点到中继节 点的信道和源节点到目的节点的信道形成广播信道，从目的节点的角度来看，源节点到 目的节点的信道和中继节点到目的节点的信道形成多址信道。 研究 源节点s 图2 - 2 中继信道模型 目的节点d f i g 2 - 2t h er e l a yc h a n n e lm o d e l 另外，还有一种两跳信道模型。其信道模型如图2 3 所示。两跳信道也是由源节点 s 、中继节点r 和目的节点d 组成，在这一点上与中继信道完全相同，不同的是两跳信 道不存在源节点到目的节点的直接传输信道。两跳信道是中继信道最简单和最原始的形 式。两跳信道只是由一系列从源节点到目的节点的链路构成的3 4 1 。 中继节点r 源节点s f i g 2 3t w o - h o pc h 锄e lm o d d 目的节点d 9 中继节点r 2 源：肖点s目的节点d 图2 舶只有两个中继节点参与源节点与目的节点通信的多中继信道 f i g 2 - 4 bm u l t i - r e l a yc h a n n e lw i t ho n l yt w or e l a yn o d e sl i n kt os o u r c en o d ea n dd e s t i n a t i o nn o d e 中继信道按照中继节点的数目可以分为单中继信道( 只有一个中继节点的中继信 道) 和多中继信道( 大于或等于两个中继节点的中继信道) 。单中继信道的模型如图2 2 所示。多中继信道又分为所有中继节点都参与与源节点和目的节点通信的多中继信道和 只有两个中继节点参与与源节点和目的节点通信的多中继信道，其中应用最广、最常见 的模型是图2 4 a ，这种模型易于实现，中继节点的选择比较灵活；在实际通信中，图 2 4 b 中的模型考虑到衰落和功率损耗一般不用于实际的通信中，仅用于理论模型研究， 其中继节点互相影响比较大，因而中继节点的选择要求比较苛刻。 中继信道还可以按照双工方式分成全双工中继信道和半双工中继信道，全双工中继 1 0 广西大学硕士掌位论文协作通信中的功率分配及协作用户选择的研究 信道的中继节点同时接收和发送信息，其信道模型仍可以用图2 2 来表示；实际系统由 于受射频电路的限制，中继节点在同一频段内不可能同时接受和发送信息，因而采用半 双工模式。 2 2 协作通信 协作通信的思想源于c o v e r 和e 1g a m a l 关于典型的三节点中继信道的信息性能研 究，因此可以说中继通信是协作通信的基础。协作通信的基本思想：在具有多个移动用 户的无线通信网络中，多个具有单天线的移动用户按照一定的协作方式( 即协作通信协 议) 来共享彼此之间的天线从而形成蚺( v i r t u a la n t e n n aa r r a y ，虚拟天线阵列，又 称为c o o p e r a t i v em u t i p l e i n p u tm u l t i p l e - o u t p u tr e l a y i n gn e t w o r k ，协作多输入多输出中继 网络) ，形成多条独立的链路来实现空间分集进而获得发射分集增益，在不增加系统发 射功率和带宽的基础上提高系统的数据传输速率和可靠性。协作通信是用户相互利用各 自对方的天线以获得有效的空间分集。协作用户采用不同的处理方式( 是否经过译码或 者再编码) 处理来自用户的