（信号与信息处理专业论文）无线多跳互联网络的协作技术研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 未来无线通信系统将向宽带化，异构化，自组织化，移动化及个性化等方向发 展。为满足下一代宽带移动通信标准( i m t - a d v a n c e d ) 的高传输速率和高频带宽 覆盖范围的需求，业界将协作通信技术视为未来移动通信系统的关键特征之一。 考虑到移动终端只配置1 到2 根天线，为保证天线数受限的中断用户也能获得 m i m o 增益，提出了协作m i m o 的概念。这是一种通过虚拟天线阵列使用户能够 获得空间分集的协作技术，目的是获得协作分集增益。 无线协作通信理论是目前研究的热点问题。从理论研究的角度，业界研究主要 集中在协作通信的性能和容量界分析，无线协作传输技术，协作资源分配调度优 化，异构协作等方面。从应用的角度，主要的研究方向有基于协作的m a c 协议研 究，协作节点选择问题，协作编码设计等方面。而多跳路由作为无线网络的主要 特点之一，与协作通信的融合技术研究相对较少，对于协作通信技术应用于无线 网络具有重要的意义。 本文首先对协作通信技术的概念、体系结构、特点及应用领域等做了简要介绍； 然后对协作m i m o 技术的主要研究方向和研究成果进行了分析研究。在对协作通 信技术深入了解的基础上，本文提出了基于分节的多跳路由协作方案 s c m ( s e g m e n tc o o p e r a t i o nm e t h o d ) 。本方案的总体思路是在多跳路径中采用协作技 术，以获得分集增益的提高和中断概率的降低。本方案在考虑了开销与复杂度的 基础上，考虑将多跳的路径分为最大跳数为两跳的若干分节( s e g m e n t ) ，并咀此作 为多跳路径的最小单元，在分节采用协作技术，通过定义目标函数，使用协作路 径来优化源到目的节点的中断概率和路径信道容量。本方案的侧重点在于分节的 处理方式和协作伙伴的选取工作。 最后，通过构建场景和仿真，对本文提出方案在局部分节性能和链路整体性能 进行分析，并与直传链路及原始协作策略的性能进行了对比。验证了本文提出的 多跳链路协作方案能改善局部和整条链路的信道容量和中断概率，体现了性能上 的优越性。 关键词：协作通信，多跳路由，分节协作，信道容量，中断概率 a b s t r a c t t h e 内t l l r cw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mw i l lg r o w su pu n d e rt h ed i r e c t i o n so f b r o a db 锄d d i f f e r e n ts t l l l c t u r c ，s e l f - o r g a n i z a t i o n ，m o b i l i t y , a n di n d i v i d u a t i o na n ds o o n f o rs a t i s l y i n gt h ed e m a n do fh i g h - s p e e dt r a n s m i s s i o n a n dh i g h f r e q u e n c yb a n d c o v e r a g eo fi m t - a d v a n c e d ，i n v e s t i g a t o r sc o u n tc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n a so n eo f t h ek e yc h a r a c t e r so ff u t u r em o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m b e c a u s eo ft h e m o b i l e t e r m i n a lo n l yh a v eo n eo rt w oa n t e n n a s ，i n v e s t i g a t o r sb r i n gf o r w a r dt h ec o n c u ro f c o o p e r a t i v em i m o i ti s ak i n do fc o o p e r a t i o nt e c h n o l o g yt om a k eu s e r sg e ts p a c e d i v e r s i t yb yv i r t u a la n t e n n aa r r a yf v a a ) a n dt h ei n t e n t i o n i st og e tc o o p e r a t i v e d i v e r s i t yp l u s t h et h e o r yo fw i r e l e s sc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o ni st h eh o t s p o ta tp r e s e n t i nt h e t h e o r yp o i n to fv i e w , t h ei n v e s t i g a t i o nc e n t r a l i z e a tt h ea n a l y s i so fp e r f o r m a n c ea n d c a p a c i t yb a n d ，t h ew i r e l e s sc o o p e r a t i v et r a n s m i s s i o n ，t h e r e s o u r c ed i s t r i b u t i o na n d o p t i m i z a t i o n ，c o o p e r a t i o no fd i f f e r e n ts t n j c t u r ea n ds oo n i nt h ea p p l i c a t i o np o i n to f v i e w , t h ei n v e s t i g a t i o nc e n t r a l i z ea tc o o p e r a t i v em a cp r o t o c o l ，c o o p e r a t o rc h o o s i n g ， c o o p e r a t i v ec o d i n gd e s i g na n d8 0o n h o w e v e r , m u l t i - h o p ，a so n eo ft h ei m p o r t a n t c h a r a c t e r so fw i r e l e s sn e t w o r k ，i s1 c s si nr e s e a r c ht om i xc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n a n dm u l t i h o p c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n i s v e r yi m p o r t a n t f o r t h e u s i n go f c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n i nw i r e l e s sn e t w o r k i nt h i sp a p e r , f i r s t l y , w es i m p l yi n t r o d u c et h ec o n c e p t ，t h es y s t e ms t r u c t l l r e ，t h e c h a r a c t e r sa n dt h ea p p l i c a t i o no fc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n a n ds e c o n d l y , a n a l y z e t h e p r i m a r yr e s e a r c hr e g i o na n df r u i to fc o o p e r a t i v em i m o f r o mt h eb a s eo fi n - d e p t h l e a m i n go fc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n , w ed e s i g nak i n do fc o o p e r a t i o nm u l t i - h o p p r o j e c tb a s e do ns e g m e n t ：s c m ( s e g m e n tc o o p e r a t i o nm e t h o d ) t h ep r o j e c ti s t ou s e c o o p e r a t i v ec o o p e r a t i o n i nm u l t i - h o pr o u t e ，g e tc o o p e r a t i v ed i v e r s i t yp l u s ，i m p r o v e st h e c h a n n e lc a p a c i t ya n do u t a g ep r o b a b i l i t y t h ep r o jc o tb a s e do nd e c l i n et h es p e n d i n ga n d c o m p l e x i t y , d i v i d e st h em u l t i - h o pr o u t ei n t os e v e r a ls e g m e n t s ，m a k e si ta st h e m i n i m a l c e l l ，a n du s e st h et e c h n o l o g yo 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 e nb yd e f i n i n gt a r g e t f u n c t i o n ，u s et h ec o o p e r a t i o nm u l t i - h o pm u t et oi m p r o v e t h ee n d - t o e n dc h a n n e l c a p a c i t ya n do u t a g ep r o b a b i l i t y f o c u so ft h i s c h o o s i n gc o o p e r a t o r p r o j e e ti sd e a l i n gw i t ht h es e g m e n ta n d a tl a s t ，b ye s t a b l i s h i n gs c e n ea n ds i m u l a t i o n , a n a l y z et h ep e r f o r m a n c eo fl o c a l s e g m e n ta n dw h o l em u l t i h o pr o u t e ，a n dt h e nc o m p a r ei tw i t ht h a tu n d e rt h es t r a t e g yo f d i r e c tt r a n s m i s s i o na n do r i g i n a lc o o p e r a t i o n t h eo u t c o m ev a l i d a t e st h ec o o p e r a t i o n m u l t i h o pp r o j e e tc o u l di m p r o v et h ec h a n n e lc a p a c i t ya n do u t a g ep r o b a b i l i t yb o t hi n l o c a la n dt h ew h o l el i n k a n di th a sb e t t e rp e r f o r m a n c e 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 ，m u l t i h o pr o u t e ，s e g m e n tc o o p e r a t i o n , c h a n n e lc a p a c i t y , o u t a g ep r o b a b i l i t y i 重庆邮电大学硕士论文 缩略词表 a c k a d h o c 陋 a o d v 心 b e r b l a s t c c c d c d f c r c c s i c t s d a s d f d s d v d s r d 忙s g p s g h t s l d p c m a c m m o q o s i 江s s s s i s 0 s n r a c k n o w l e d g m e n t 缩略词表 a m p l i f ya n df o r w a r d a dh o eo n d e m a n dd i s t a n c ev e c t o r a c c e s sp o i n t b i te r r o rr a t e b e l ll a b sl a y e r e ds p a c e t i m e c o d e dc o o p e r a t i o n c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y c u m u l a t i v ed i s t r i b u t i o nf u n c t i o n c y c l i c a lr e d u n d a n c yc h e c k c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n c l e a rt os e n d d i s t r i b u t e da n t e n n as y s t e m d c c o d e da n df o r w a r d d e s t i n a t i o ns e q u e n c e dd i s t a n c ev e c t o r d y n a m i cs o u r c er o u t i n g d i s t r i b u t e dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m g r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e h e l p t os e n d l o w d e n s i t yp a r i t yc h e c kc o d e m e d i aa c c e s sc o n t r o l m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t q u a l i t yo fs e r v i c e r e q u e s tt os e n d s h o r ti n t e r - f r a m es p a c e s i m p l ei n p u ts i m p l e o u t p u t s i g n a lt on o i s er a t i o v i 请求应答( 消息) 自组织 放大中继 自组网按需平面距离 矢量路由( 协议) 访问接入点 比特错误率 分层空时码 编码协作 协作分集 累积分布函数 循环冗余检验 信道状态信息 清除发送( 消息) 分布式天线系统 解码中继 目标序列距离路由矢 量( 协议) 动态源路由( 协议) 分布式无线通信系统 全球定位系统 图形用户界面 协作发送( 消息) 低密度校验码 介质访问控制 多输入多输出 服务质量 请求发送( 消息) 短帧间间隔 单输入单输出 信噪比 重庆邮电大学硕士论文 缩略词表 s t b c s t c s t t c t c p u d 川 h a n 、m m a n 、脚 s p a c e - t i m eb l o c kc o d i n g s p a c e t i m ec o d i n g s p a c e t i m et r e l l i sc o d e s t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l u s e rd i v e r s i t y v i r t u a la n t e n n a a r r a y w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k s w i r e l e s sm e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k s w i r e l e s sr o u t i n gp r o t o c o l v i i 空时分组码 空时编码 空时格码 传输控制协议 用户分集 虚拟多天线阵列 无线局域网 无线城域网 无线路由协议 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景 无线自组织网络( a dh o e 网络) 是一种不需要基础设施的无线通信网络，在 a dh o e 网络中，节点间的通信可以通过中间节点进行转发完成。该网络是一种 组网方便快捷，可以快速展开，具有高抗毁性的移动信息系统。由于这种网络 具有如上的优点，近年来一直是无线通信中的研究热点之一。 同传统的第二代( 2 g ) 和第三代( 3 g ) 移动通信系统相比，新一代宽带无线接入 网除了在信息传输速率上成数量级增长之外，在网络结构方面也发生了根本性的 变化。新一代宽带无线接入的网络结构更加灵活，具有异构、中继( 多跳) 、泛在 等特点，在提供高速数据传输的同时，需要提供更加灵活的资源管理策略、q o s 保证策略和移动性管理策略，以支持以为特征的各种数据业务、语音业务和 多媒体业务。 网络的异构、中继特性以及无线信道的时变特性使得传统无线接入互联网络 的m a c 机制、路由协议、传输层技术和移动性管理机制在新一代宽带无线接入 网中的性能大大下降，甚至不能正常工作，具体体现在： t c p 网络的中继( 多跳) 特性使得传统单跳无线接入网络( 如无线局域 网、无线蜂窝网) 中的m a c 机制、移动性管理机制不能有效工作，在m a c 机 制方面，需要考虑至少两跳范围内的信道竞争问题，在移动性管理方面，需要考 虑移动终端在中继节点之间的切换问题。在存在多中继节点的情况下，还需要考 虑中继节点的选择以及多跳接入时的路由选择问题。 传统互联网的传输控制协议( t c p ) 主要工作在误码率低、延时带宽积较小 的网络环境中，但在异构的下一代宽带无线接入网络中，误码、路由中断引起的 丢包以及动态的链路特性将大大影响t c p 协议的性能，因此，需要研究新的传 输层差错控制和拥塞控制策略。同时，网络的异构性支持多种多样的无线接入技 术，这大大增加了移动性管理的复杂性，需要同时考虑一种接入网络内部的水平 切换以及不同接入网络之间的垂直切换问题。 无线信道的多样性和动态性也会降低已有m a c 协议、路由协议和传输 层协议的性能，如无线链路的非对称性使得已有的链路层差错控制策略、网络层 的选路方法和传输层基于确认重传的差错控制和拥塞控制机制均不能正常工 作。 网络的异构性同时带来了多主接入( m u l t i h o m i n g ) t 司题，即移动设备同时 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 通过多个无线链路接入到多个不同类型的无线网络的问题，在存在多主接入的情 况，需要同时考虑一种接入网络内部和不同接入网络之间的负载均衡和流量管理 问题。 本课题基于华为合作项目的支持，结合重庆邮电大学移动通信技术重点实验 室在宽带无线接入技术方面的研究基础，针对上述问题展开研究。重点在于研究 无线多跳网络特性及协作通信技术在其中的应用。 1 2 协作通信技术的发展历史及研究现状 1 2 1 协作通信技术的发展历史 协作技术可以帮助生成单一网络或单一技术所不具有的能力，通过协作处理 后的网络或技术的功能大于各单个组成部分的功能之和，即系统理论中的“涌现 效应。无线通信网络的协作通信研究包含两方面内容：一是单一无线通信网络内 部不同终端或不同技术的协作，以增强单一无线通信系统的性能；二是指不同异 构无线网络相互协作，以提供无线通信网络的“涌现 增益。 协作通信基本的思想可以追溯到c o v e r 和g a m a l 关于中继信道的信息论特性 的研究。他们分析了一个三节点网络的容量，并假设所有节点的工作频带相同， 这样系统便可以分解为一个广播信道和一个多址信道。他们的研究得出了几种特 殊情况下的中继信道容量和一般情况下的信道容量界，奠定了中继通信的基础理 论，促进了协作通信的发展。 近年来，多输入多输生i ( m i m o ) 技术可以提供比单输入单输出( s i s o ) 系统高许 多倍的传输容量，因而受到广泛关注，并从常规m i m o 系统逐渐演变到分布式 天线系统( d a s ) 。根据文献 2 】给出的经典理论，一个似，m 阶m i m o 系统，即 有m 副发送天线和n 副接收天线的m i m 0 系统，其系统容量将随阶数特别是n 的增加线性增长，已有实验表明可以获得高达几十b i t h z s 的信道容量。但是， 一方面，系统容量的提高仅在m i m o 阶数( 收发天线数) 足够高时才比较明显；另 一方面，相关的模型采用“天线集中、处理集中 的模式，在具体实施上还有许 多限制，如要求天线间距离至少入4 以上，以使予信道间相互独立( 不相关) 。 为了便于实施m i m o 技术，人们提出了两种新的m i m o 系统：分布式天 线系统( d a s ，d i s t r i b u t e da n t e n n as y s t e m ) ；分布式无线通信系统( i ) w c s ， d i s t r i b u t e dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 。 为此，m i s c h ad o h l e r 等提出了虚拟多天线阵y u ( v a a ，v i r t u a la n t e n n aa r r a y ) 概念【3 】。在v a a 系统中，若干单天线终端可以进行协作组成v a a 小区，于是基 2 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 站与蛆小区可以组成分布式虚拟多天线系统，即虚拟m i m o 系统，这样一方 面降低了对终端天线数量的要求，另一方面可以充分利用终端间信道的独立性和 分集效果以提高系统容量。 由于认技术能在提高系统容量的同时降低对终端天线数目的要求，具有 更高的灵活性，有望实现低成本的无缝无线覆盖，可能成为未来泛在、易扩展、 分布式移动通信组网及自适应信息传输的主流方式，因此具有一定应用前景。 如前所述，虚拟m i m o 技术实际上是一种基于协作接力的空间分集技术。由 于j l a n e m a n 4 】等的工作，越来越多的文献采用协作分集( c d ，c o o p e r a t i v e d i v e r s i t y ) 【5 】，或者用户分集( u d 。u s e rd i v e r s i t y ) 【6 ，7 】的概念。本文所指的协作通信 技术主要涉及单一无线网络内部不同终端的协作方面，下文中提到的协作通信技 术，如未特别指出，也仅限于协作通信技术的该方面内容。 1 2 2协作通信技术的研究现状 新一代宽带无线接入网正在成为电子信息产业新的经济增长点，但是需要突 破无线带宽资源的有限性，来满足互联网业务所需的高传输带宽需求。 多输入多输出( m i m o ) 技术可以极大地提高无线通信系统的容量，但由于诸 多限制，主要用于基站侧，不能用于日益小型化泛在化的移动终端。基于协作接 力传输的分布式虚拟m o 技术有望降低m i m o 技术的实现复杂度和成本，可 能成为泛在、低成本无线传输的物理层核心技术。自组织( a dh o c ) 组网协议及技 术则在m a c 及以上层次进行终端间协作传输，是w l a n 及未来移动互联网的 组网模式。因此，在移动互联网的异构化、无中心化条件下，二者的充分结合是 实现低成本、易部署、无缝覆盖“新一代宽带无线移动通信网 ( n g w m 的理 想方案之一。 目前除了启用免执照频段并采用全新的接入体制进行宽带传输技术( 如i e e e 系列标准中的w l a n 技术和w m a n 技术等) 以外，提高无线传输带宽的途径包 括： 采用多输入多输出( m i m o ) 技术，及其衍生技术，如分布式多天线( d a s ) 、 分布式无线通信和虚拟m i m o 技术，充分利用空间分集提高系统容量。 采用分布式协作传输机制，在m a c 层及以上层引入终端间的协作、接 力机制，进行所谓协作分集( c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y ) 用户分集( u s e rd i v e r s i t y ) 等。 已有的研究主要集中在物理层的协作编码和协作伙伴的选择上，而很少研究 支持应用于无线多跳网络的协作通信机制。因此，这方面的研究有望产生具有原 创性的研究成果。 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 3 本文工作 本文首先系统介绍了无线多跳互联网络和协作通信技术的特点和应用，分析 了协作通信技术应用于该网络的优越性和面临的主要问题，并针对该问题提出了 解决的方案和流程。 本文方案的总体思路是在多跳路径中采用协作技术，以获得信道容量的提高 和中断概率的降低。通过对通信路径和跳数对该通信过程的性能影响分析，发现 路径数和跳数的变化在一定的条件下对通信过程的性能产生了有益的影响，在本 方案的分析中亦即意味着分集增益的提高和中断概率的降低。因此考虑将多跳的 路径分为最大跳数为两跳的若干分节( s e g m e n t ) ，并以此作为多跳路径的最小单 元，每节采用协作通信技术，通过使用协作路径来优化源到目的节点的中断概率 和路径信道容量。本方案的侧重点在于分节的处理方式和协作伙伴的选取工作。 1 4 章节安排 本文共分六章，各章的内容安排如下： 第一章，主要介绍了协作通信技术的发展历史及其研究现状。 第二章，介绍了协作m i m o 技术的基本概念、应用方式和研究重点，并对当 前无线多跳网络特点及在其中应用协作m i m o 技术的主要问题进行了探讨。 第三章，分析协作分集信道容量和中断概率的计算方式，初步构建应用于无 线多跳互联网络的协作技术思想架构。 第四章，提出和完善基于分节理论的无线多跳网络协作技术。设计具体的实 施方案和流程。 第五章，简单介绍仿真工具和其应用方式，建立仿真模型，构建仿真场景， 并对第四章设计的方案进行仿真，验证其性能和优越性。 第六章，总结本文所做工作，并提出未来的工作方向。 4 重庆邮电大学硕士论文 第二章协作m i m o 技术概述 第二章协作m i m o 技术概述 2 1 协作m i m o 的概念 蜂窝移动通信系统的协作m i m o 概念最早在文献 8 】中提出，m i m o 技术通过 在发射和接收端都使用多天线，有效消除无线信道多径、时变衰落的影响。但移 动终端由于受到体积、功率、实现等因素的限制，使得上行链路使用多天线几乎 是不实际的，限制了m i m o 技术的应用【9 】。所以文献【1 0 】提出了新的空间分集技 术，即协作m i m o ( c o o p e r a t i v em i m o ) ，在有的文献中也称为虚拟m i m o ( v i r t u a lm 蹦o ) 。协作m i m o 的基本原理是多用户环境中的单天线用户，在传输 自己的信息时，也能传送所接收和检测到的临近用户( 即伙伴) 的信息。其实质就 是希望利用协作伙伴的天线与自身天线构成多发射天线，得到分集增益，形成虚 拟的m i m o 系统，从而获得发分集增型n 以3 1 。该技术将无线网络中其他空闲节 点的天线进行利用，节点在发送信息到目的节点的同时，也将信息发送给协作伙 伴，协作伙伴再将该信息转发给目的节点。这样节点既利用了自己也利用了协作 伙伴的空间信道，使得通信产生协作分集，虚拟出了一个m i m o 系统，可有效 扩大系统容量，提高网络质量，改善系统性能。一方面降低了对终端天线数量的 要求，另一方面可以充分利用终端间信道的独立性和分集效果以提高系统容量。 u s e r ( s ) o ( 呲i o n u s e r z ( r ) 图2 i 协作中继实例图示 如图2 1 所示，两个用户分别经由独立衰落的信道向目的节点传输本地信息。 在强衰落情况下，例如接收信号的信噪比低于某确定门限时，传输可能会失败。 但如果两节点互相中继对方的信号并且该两节点问信道较为稳定，则通信中断的 情况仅为两节点信道条件都较差时。 协作m i m o 克服了传统m i m o 技术的限制，为m i m o 技术走向实用化提供 新的思路。协作m i m o 允许协作分集的主要特点是无线介质的广播特性，从原理 重庆邮电大学硕士论文 第二章协作m i m o 技术概述 上讲，被发送的信号可以被任何其他用户收到并进行信息处理。这样，除了将信 号独立传输到各自的目的地外，两个用户还可以互相监听各自的传输，从而联合 传输它们的信息实现协作通信。 2 2 协作m i m o 的主要内容 协作m i m o 技术里的中继操作有3 种不同的方案：编码协作方案c c ( c o d e d c o o p e r a t i o n ) ，放大中继方案a f ( a m p l i f ya n df o r w a r d ) 和解码中继方案d f ( d e c o d e da n df o r w a r d ) 1 4 1 。 放大中继方案a f ( a m p l i f ya n df o r w a r d ) ： 在这种模式下，中继终端只是简单地放大转发收到的信号，对输入的信号只 进行线性处理。当然在放大转发的过程中，接收到信号的噪声部分也被放大并转 发出去，但是对于基站而言，它收到的还是两个经过独立衰落的信号，它仍然可 以用一定的准则合并接收信号，从而做出较好的判决。 解码中继方案d f ( d e c o d e da n df o r w a r d ) ： 在这种模式下，中继终端对接收到的信号进行译码，并转发译码后的再生符 号信息给目的节点。这种中继模式的优点是比较简单，且对各种信道都有较好的 适应性。但问题是当用户间的信道条件比较差时，作为中继的移动终端有可能无 法正确解码，从而危害到基站的最终解码。另外，在这种模式下，基站为了能实 现最优化解码需要预先知道两个移动终端间信道差错特性。 编码协作方案c c ( c o d e dc o o p e r a t i o n ) ： 这是将协作技术和信道编码技术结合起来的一种技术【1 3 】。它通过两条不同的 衰落路径发送每个用户码字的不同部分。首先对接收到的协作伙伴的信息进行正 确解码，再按照原编码方式重复发送。这时系统性能的改善是通过在不同空间重 复发送冗余获得的。各移动终端通过重新编码发送了不同的冗余信息，把分集和 编码结合起来，从而达到提升系统性能的目的。这种模式下，系统的运行完全由 事先的编码确定好，它不需要协作终端问的信息反馈，并且中继终端不能正确解 码时可自动切换到非协作模式，从而保证了系统的效率。 6 重庆邮电大学硕士论文 第二章协作m 1 m o 技术概述 用户 图2 2 编码协作原理图示 如图2 2 所示【l3 1 ，用户将信源数据分为若干块，每一块中增加一个循环冗余 校验码( c i ) ，假设每一块中包含k b i t 信息，然后每一数据块进行码率为r 的 纠错编码，则一个数据块中包含n = k rb i t 信息。两协作用户将含有n b i t 码字 的数据发送周期分为两帧，第一帧中，每一用户发送包含m b i t 信息的码字，每 一用户都接收并尝试对伙伴的数据进行正确译码。若正确，则第二帧中用户将计 算并发送其伙伴的第二部分，包括，b i t 。否则将在第二帧传送自己的第二部分， 也包括b i t 。这样每用户每周期都发送n = m + b i t 。 c c 方案是将协作信号与信道编码相结合，通过正确解码伙伴的信息后，重 新编码并发送出去，从而可以同时获得分集和编码增益。对于a f 方案来说，中 继节点直接放大并转发从基站收到的信号，也就是说，中继节点只是一个简单的 转发器，它对输入的信号只进行线性组合。而对于d f 方案来说，中继节点对接 收到的信号进行译码，并转发译码后的再生符号信息给目的节点。a f 和d f 的研 究主要集中在不同的天线配置下的协作方案及其性能，包括中继时隙的复用以 及中继节点和中继功率的选择等。 当多用户共享中继时隙时，有两种不同的策略：基于博弈论的分布式策略和 半中央集权策略。基于博弈论的分布式策略是根据博弈论纳什均衡的原理选择中 继节点和中继功率以达到一个平衡点，在这个平衡点上各个用户达到各自的单 位功率容量极限。半中央集权策略则是基站最终决定特定的用户选择中继进行协 作接收以及其相应的中继功率，对于多用户系统，基站将基于整个系统评估这些 用户使用协作传输的可能性，也就是基站在统计所有用户的情况后进行中继与 中继功率选择。 协作分集的基本思想是：系统中的每个移动终端都有一个或多个协作伙伴 ( p a r t n e r ) ，协作伙伴之间有责任在传输自己信息的同时，帮助其伙伴传输信息。 这样每个终端在传输自己信息的过程中既利用了自己的空间信道又利用了协作 7 重庆邮电大学硕士论文 第二章协作m i m o 技术概述 伙伴的空间信道，从而获得一定的空间分集增益。由于协作分集中的协作伙伴共 享彼此的天线，从而构成了虚拟的m i m o 多天线系统。研究结果表明，协作分 集技术能够提高传输速率，降低移动终端对信道变化的灵敏度。 分集增益的概念是，在同样接收条件以及规定的某一时间概率下，采用分集 接收较不采用分集接收系统所获得的改善程度。例如，信噪比，接收功率，传输 损耗或误码率等。本质上，协作分集就是希望借助协作伙伴的天线，与自身天线 一起，传输两条或多条在空间上独立衰落的信号样本，利用信道独立衰落的特性， 在合并中利用冗余的信息，获得空间分集增益，改善传输的性能。 2 3 协作m i m o 的主要研究方向 2 3 1 协作伙伴选取问题 在实际网络的应用中，每个用户都至少有一个伙伴来为它提供第二条路径， 从而形成分集【1 4 1 。一个重要的问题是在多用户网络中协作伙伴如何分配和管理。 换句话说，怎样去确定与哪些用户进行协作，多长时间对协作的用户进行重新分 配。对于蜂窝系统，用户都与一个中心基站进行通信，这可以提供一种集中控制 机制。假设基站已知用户间的所有信道信息，那么就可以根据一个性能优化标准， 比如平均误块率来分配协作伙伴。 现在提出的和可能的解决方案主要分为： 基于功率限制条件的协作节点选择策略： 功率分配的主要目标就是总功率受限，即只+ 只e o 的情况下，求出最优的 只和只值，从而最大化目标节点d 处的服务质量( q o s ) 性制1 5 】。在功率分配 问题中，q o s 可以用很多不同的指标表示，包括中断概率，容量，信噪比( s n r ) 和误比特率( b e r ) 等。 在图2 1 所示的三点协作模型中，如果采用d f ，而且节点s 到d 之间的链 路存在，也就是存在分集合并的情况下，由于s 发送的信号对于r 和d 都可以利 用，因此可以很直观的认为应该将更多的功率分配给s 【1 5 】。在这样的场景下： 中继节点r 只在能够正确译码时才参与协作通信，而且只有当合并之后信号满足 一定条件后才表示信号成功接收。在这种场景下，功率分配问题就可以表示为 c d f = m a xm i n - 专l o g ：( 1 + i 1 2 马) ，- 导l o g ：( 1 - i - l | 2 最+ l 1 2 最) ) 式( 2 1 ) v 一 - 其中，k 和j j l 置d 为表示信道状况的复数，全部c s i 的情况下，上述三个 信道参数都是可以获得的。该问题最优解的存在条件是括号中的各项相等，从而 8 重庆邮电大学硕士论文 第二章协作m 1 m o 技术概述 得到 马= 蜀厩j 尚，足= 忍瓦= 赫 式q 2 ) 对于a f 方式，也可以采用类似的方式分析端到端的容量，然后将容量作为 优化目标来进行功率分配。由于在a f 模式下，中继节点尺不会对接收到的信号 进行译码，而是简单地进行放大转发，所以a f 下的功率分配除了与只和各信道 系数有关外，还与噪声方差0 有关。存在分集时，功率分配的存在条件是。豫链 路和r d 链路质量远好于s d 链路，否则就应当将所有功率都分配给s 。当上述 功率分配条件满足时，举例来说，当l k l i l 并且远大于i l 时，存在如下的 近似比例关系： 墨随! ：竖丝旺墨i 堑嬖! 堑墨l 堑塾 式( 2 3 ) 最i k l 2l 1 2 昂一l k l 2i 隅一l 1 2 0 。 在已有的文献资料中，部分工作选择协作节点来实现最优的功率分配。在文 献 1 6 】中，作者使用买卖模型理论，设计了一种分布式协议选择协作节点。这种 理论可以选择合适的协作点( 中继) 并改善系统的性能。在协作中以发送结点作 为买方，协作伙伴作为卖方，都想最大化自己的利益。买方以最少的花费获取最 多的收益为目的，卖方以最高的价格得到最大的利益为目的。这样就可以解决哪 一个中继节点将被选取，最优的功率是多少。应用买卖模型可以使源节点在选取 中继时更合理，同时使中继节点在竞争时提供合理的报价来使其效用最大化。离 发送节点较近的中继节点在竞争转发时具有一定的优势，因此中继节点需要采取 薄利多销的策略。这也体现了分布式系统可以在具有较少c s i 情况下具有与集中 式系统相似的性能。在文献 1 7 】中，作者考虑在总功率和节点功率约束下，使用 协作节点最大化系统吞吐量情况下，协作节点的最优功率分配问题，并设计了一 种选择机制称作s - a f ( s e l e c t i o na m p l i f y - a n d f o r w a r d ) 。该机制下仅有一个协作节 点可被选择来中继源节点的信号。在【1 8 中，作者讨论了在多中继d f 网络中， 通过设定信道增益和地理信息的门限，利用功率约束的中继选择问题。 另一些工作选择协作节点来降低总功率的损耗。在文献 1 9 】中，作者将重点 放在“何时中继 和“如何中继 问题上，建立两种拍卖机制：s n r 拍卖和功 率拍卖来确定中继选择和在分布式系统中的中继功率分配。通过这两种拍卖机 制，在完全异步的模式下，分布式的最优响应支付全局收敛于唯一的纳什均衡。 在 2 0 1 中，作者设计了m a c 层的发信方式，通过隐藏协作点，确定在协作通信 中它们需要的传输功率，以选择最优模式来降低总的能量消耗。在文献 2 1 1 r 扣， 作者将协作问题定位于能量被约束的节点，赋予每节点生存时间约束和合理的行 为假设。并以此设计了分布式的，可升级的算法来确定每节点可获得的最优吞吐 9 重庆邮电大学硕士论文第二章协作m i m o 技术概述 量。 基于中断概率或误码率的中继选择策略： 当链路容量不能满足所要求的用户速率时，就会产生中断事件，这个事件是 呈概率分布的，取决于链路的平均信噪比及其信道衰落分布模型【1 5 】。当要求速率 为r 时，中断概率表达式为 2 置= l 匕，= r c ( ，) = l 0 9 2 ( 1 + r ) = ， 2 置- 1 = jp ( r ) d r 式( 2 。4 ) 6 式中，为瞬时信噪比；c ( r ) 表示链路容量；p ( 厂) 表示信噪比概率分布密度。 考虑到实际中信道满足瑞利快衰落的情况下，即信道瞬时信噪比满足参数为1 f 的指数分布的情况下( i 。为经过快衰落的平均信噪比) ，则其中断概率的表达式 可以表示为 。碚1x p ( 一小e x p ( 一争 ， 在图2 1 所示的三节点模型中，其错误比特率的表达式为 = 。唧+ ( 1 一) ，西 式( 2 6 ) 其中气表示中继解码转发的概率；。唧表示终端在收到源节点和协作中继 的两路信号后，联合解码出错的概率。( 1 一) 表示中继没有正确解码的概率， e 衍表示终端只能依靠源节点的信号解码时出错的概率。 在中继端，只要收到的源节点信号大于某阈值，中继就会解码转发，假设信 噪比的概率分布密度为p ( ，) ，则气= i p o 沙 当采用瑞利衰落的信道模型时，哆( ，) = 1 f e x p ( 一r f ) ，则 气= 1 e x p ( 一争办= e x p ( 一争) 式( 2 7 ) 信道调制方式采用m p s k 时，错误比特概率可以表示为 ( p i ，) = h x e r f c ( ，五) 式( 2 8 ) 式中允= g s i n 2 ( z c m ) ，对于不同的调制维数m ，j l 和g 是不同的。例如二 进制移相键控( b p s k ) 方式下，m - 2 ，h = 1 2 ，g - - 1 。 。咖= hip ( r ) e r f c ( x r 2 , ) d r 式( 2 9 ) 在只。一的计算