（信号与信息处理专业论文）协作通信中的中继选择.pdf

relay selection in cooperative communication a thesis submitted to chongqing university in partial fulfillment of the requirement for the degree of master of engineering by yang xiaofang supervised by prof. zhu binglian major: signal and information processing college of communication engineering of chongqing university, chongqing, china april, 2011 重庆大学硕士学位论文 中文摘要 i 摘 要 随着无线通信的高速发展，人们对无线通信系统提出了更高的业务需求。限 制无线通信速率和质量提高的一个主要因素就是无线信道中的多径衰落。空间分 集技术可以在不增加发射功率或系统带宽的情况下解决这一问题。多输入多输出 （multiple input multiple output, mimo） 技术通过利用无线通信系统中存在的多径 因素提高用户通信性能，但是 mimo 技术在实用化时受到诸多因素的限制。协作 通信是一种新的空间分集技术，多个单天线移动终端共享彼此的天线，实现空间 分集，提高系统的容量。然而在协作通信过程中，源节点通常有很多个候选中继 节点，如何合理地选择中继节点变得尤为重要。 本文首先对无线通信系统中广泛使用的分集技术及其基本原理进行了论述， 引出了协作通信的概念。研究了协作通信的基本原理以及协作通信的各种协议， 并分析了各自的优缺点。介绍了几种具体的中继选择算法，分析了协作通信系统 的中断概率并进行了仿真。 然后，研究了多中继节点存在的协作通信系统模型，利用矩生成函数给出了 多中继协作通信系统的平均误符号率的表达式，得到了系统信噪比、中继节点个 数以及平均误符号率之间的关系。在此基础上，提出了一种基于信道统计特性的 中继节点选择算法，该算法以平均误符号率作为评价准则，在等功率条件下，系 统采用 af 协议，根据当前系统的信噪比确定参与协作的中继节点个数，使得系统 的误符号率最小。经过仿真，在任意信噪比下，该算法的平均误符号率性能都优 于所有中继节点全部参与协作的情况和选择一个最佳中继节点参与协作的情况。 本文还在多中继节点的误符号率性能分析中提出了一种新的简单的确定协作最低 阈值的算法，该算法解决了系统何时协作的问题，即当信噪比低于某一阈值时， 系统采用直传模式的误符号率性能要低于采用协作传输的误符号率性能。最后， 本文在确定了最优协作节点个数的情况下，结合功率分配考虑了系统总功率受限 的条件下，通过对各中继节点的功率分配来优化系统平均误符号率性能。 关键词：关键词：多输入多输出，协作通信，中继选择，误符号率，功率分配 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 ii abstract with the rapid development of wireless communications, people propose the increasing service demanding. a major factor is multi-fading which can limit the improvement of transmission rate and the quality of service in wireless communications. space diversity technology can solve this problem without increasing the transmission power or bandwidth. mimo (multiple input multiple output) technique can make full use of multi-path transmission to increase the performance of the systems, however, it is hardly implemented to real system directly. cooperative communication is a new kind of space diversity, multiple mobile terminals with single antenna relay information for each other, thus the space diversity is formed, and the capacity of the system will be increase. but in the process of cooperative communication, there are several candidate relay nodes for the source node, how to choose appropriate relay node becomes particularly important. firstly, this paper introduces the diversity techniques which are widely used in wireless networks, and then educes the concept of the cooperative communication. this paper describes the basic principles of cooperative communication and the kinds of the technology, and analyzes their advantages and disadvantages. describe the specific types of relay selection algorithm, and analyzes the outage probability of cooperative communication system. then, we focus on the multi-node relay communication system model, making use of moment generating function, we get the expression of the average symbol error rate in multi-node relay communication systems. based on it, we conclude the relationship among the system snr, the number of relay nodes and the average symbol error rate. then we propose a new relay selection algorithm based on the statistical properties of the channels in af cooperation system, in which we adopt the average symbol error rate as evaluation criteria, on the equal power condition, the number of relay nodes making the average of symbol error rate minimum depend on the current snr of the system. the simulation shows that, at any snr, the new algorithm in the performance of average symbol error rate is superior to the case all the relay nodes are involved or only the best relay node is involved. this paper also proposes a new simple algorithm which can determine the minimum snr threshold when the system begin to cooperate with relay nodes, that is, when snr is below a certain threshold, the performance of symbol 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 iii error rate in direct forward system is lower than in cooperative communication system. finally, on the condition that the optimal numbers of cooperative relays are determined, taking the limit of total power into account, we propose an algorithm that can improve the performance of average symbol error rate using power allocation. keywords： mimo, cooperative communication, relay selection, symbol error rate, power allocation 重庆大学硕士学位论文 目 录 iv 目 录 中文摘要中文摘要 . i 英文摘要英文摘要 . ii 1 绪论绪论 . 1 1.1 研究研究背景及意义背景及意义 . 1 1.1.1 协作通信的研究背景 . 1 1.1.2 协作通信存在的问题 . 2 1.1.3 协作通信的研究意义 . 3 1.2 本文的主要工作和安排本文的主要工作和安排 . 4 1.2.1 论文主要工作 . 4 1.2.2 内容安排 . 4 2 分集与协作通信分集与协作通信 . 6 2.1 分集技术分集技术 . 6 2.1.1 分集原理 . 6 2.1.2 合并技术 . 8 2.2 mimo 技术技术 . 9 2.3 协作通信协作通信 . 9 2.3.1 协作通信模型 . 10 2.3.2 协作通信的优点 . 13 2.3.3 协作通信协议 . 13 2.4 本章小结本章小结 . 16 3 协作通信中的中继选择算法协作通信中的中继选择算法 . 17 3.1 协作通信中的中继选择方案协作通信中的中继选择方案 . 17 3.1.1 基于位置信息或平均信噪比的中继选择 . 17 3.1.2 基于瞬时信道状态信息的中继选择 . 18 3.1.3 中继选择方案的比较 . 19 3.2 几种单中继节点选择算法几种单中继节点选择算法 . 19 3.2.1 单中继节点协作系统模型 . 19 3.2.2 基于中断概率的单中继选择算法 . 19 3.2.3 基于用户频谱效率的单中继选择算法 . 22 3.2.4 基于误符号率的单中继选择算法 . 23 3.3 本章小结本章小结 . 24 重庆大学硕士学位论文 目 录 v 4 基于信道统计特性的中继选择算法基于信道统计特性的中继选择算法 . 25 4.1 多节点协作通信多节点协作通信 . 25 4.1.1 多中继节点协作系统模型 . 25 4.1.2 多中继节点协作系统平均误符号率分析 . 26 4.2 等功率下基于信道统计特性的中继选择算法等功率下基于信道统计特性的中继选择算法 . 29 4.2.1 等功率下多中继节点协作系统模型 . 29 4.2.2 等功率下基于信道统计特性的中继节点选择算法的描述 . 31 4.2.3 仿真结果 . 33 4.3 基于信道统计特性的中继协作门限的确定算法基于信道统计特性的中继协作门限的确定算法 . 34 4.3.1 多节点协作系统模型 . 34 4.3.2 确定协作信噪比阈值的算法描述 . 35 4.3.3 仿真结果 . 36 4.4 本章小结本章小结 . 37 5 结合功率分配的中继节点选择算法结合功率分配的中继节点选择算法 . 38 5.1 结合功率分配多节点协作结合功率分配多节点协作系统模型系统模型 . 38 5.2 结合功率分配中继算则结合功率分配中继算则算法描述算法描述 . 38 5.3 仿真结果仿真结果 . 41 5.4 本章小结本章小结 . 42 6 总结与展望总结与展望 . 43 6.1 论文总结论文总结 . 43 6.2 研究展望研究展望 . 43 致致 谢谢 . 45 参考文献参考文献 . 46 附附 录录 . 50 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 绪论 1.1 研究背景及意义 1.1.1 协作通信的研究背景 无线通信的快速发展，使得用户对无线通信系统的信号传输速率和服务质量 的要求越来越高。无线通信由于传播环境的开放性，信道的传输质量具有不确定 性，源节点发射的信号经过的信道可能是恶劣信道，也可能是处于深度衰落的信 道，这样目的节点接收到的信号可能产生严重衰落，或者接收不到信号，这样就 极大地降低了接收信号的质量。一个减轻信道衰落破坏效应的重要方法就是分集 技术。分集技术1正是利用了无线通信多径传播的特点来对抗多径衰落，从而提高 无线信道中信号的传输速率和传输质量，其基本思想就是通过在发射端和接收端 之间建立多条相互独立或者不太相关的路径来提高系统性能，即利用两个及两个 以上相互独立的信道来传送同一信息，这些独立的信道有着不同的衰落，当需要 传输的信号在某一个信道受到严重衰减时，接收端依然能够利用其它信道发射的 信号解出信息，从而只要保证有任意一条路径的信号足够强就能够保证可靠的通 信。接收端对接收到的多个信号样本采用适当的合并方式处理，这样就可以大大 降低衰落的影响，并能极大的改善系统的性能。常见的分集方式包括：时间分集， 频率分集和空间分集2。时间分集需要将信号重复发送，这就需要消耗更多的信道 时间，同样，频率分集也是用不同的载频重复发送信号，需要额外的信道带宽， 空间分集仅需移动终端能够提供相互独立的多个链路，不会造成频谱效率的降低， 受到越来越多的关注。一般情况下，在发射机和接收机上同时安装多根天线的多 输入多输出 （multiple input multiple output, mimo） 技术通过对多根天线进行正交 设计，使得不同的天线发射的信号彼此正交，这样便可以产生空间分集，从而提 高信号传输的可靠性，而且随着安装天线数目的增加，系统容量也会显著提高3。 目前，mimo 技术已经成为下一代无线通信技术研究的最热门专题之一。然而， mimo 技术应用到无线网络中时却存在一定的困难。例如从实际工程角度考虑， 对于蜂窝通信系统上行信道而言，由于受到移动终端尺寸、功耗、天线设置等因 素的限制，很难在一个移动终端上装置多根天线，这样 mimo 技术就很难直接应 用到实际的通信系统中。协作通信技术就是在这样的背景下产生的，协作中继技 术是改进未来移动通信系统性能的传输手段之一。 利用无线信道的广播特性，在协作通信技术中，源节点发射信号给目的节点 时，多个在地理上分离的无线节点也可以接收到信号，并能将接收到的信号处理 之后转发给目的节点，这样目的节点接收到经过多个独立衰落信道的信号，通过 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 2 中继转发与协作实现了空间分集，减弱了信道衰落的影响，使得协作中继成为了 研究热点45。van der mulen6最早提出了无线中继信道，并证明了中继能够提高 频谱利用率，增强无线网络的可靠性。随后，cover7等提出了高斯信道下中继容 量的上限，并推导了在不同通信场景下可达到的最大通信速率。telater8分析了一 种各态历经的 mimo 信道性能增益，并证明了无线信道容量会随着收发天线数目 的增加而显著提高。在文献9中，laneman 等深入的研究了经典的协作策略，包 括放大转发（amplify-and-forward, af） 、解码转发（decode-and-forward, df）以 及它们的结合选择转发（selection-and-forward, sf） ，全面分析了它们的中断性能。 laneman 又将分布式空时编码引入无线中继信道，使系统获得了很好的性能改善 10。hunter 等1112针对传统 df 策略效率低下的问题，将信道编码和协作结合起 来提出了编码协作（code cooperation, cc）策略，从而可以得到和节点数相等的 分集度。 gupta 和 kumar13从统计学角度分析了中继网络信息吞吐量的理论值。 文 献1415讨论了协作系统的系统容量，但仍未能得到协作通信系统确切的系统容 量。文献16和17分析了协作通信系统在各种中继方式下的系统误符号率性能。 在文献18和文献19中研究了高斯信道下中继网络中功率分配的问题。文献20 则分析了 nakagami 模型下协作系统的性能。 协作中继技术利用无线通信的广播特性，提高了系统的频谱效率、吞吐量以及 容量，增加了系统的覆盖范围，同时还能降低移动终端的功耗、带宽，为未来无 限网络性能的改进提供了一种新的解决思路。协作中继技术的本质是一种新型的 空间分集技术，多个分布式的节点共享彼此的天线，这种相互协作构成了一个虚 拟的分布式天线阵列，获得了 mimo 的特性21-23。无线中继节点可以看成是基站 和用户之间的信息传输的桥梁，一般情况下，在一个蜂窝小区中，中继节点和用 户之间的信道衰减程度远低于基站和用户之间的信道衰减程度，中继节点和用户 之间的通信速率远高于基站和用户之间的通信速率，中继节点和用户之间的通信 耗能更少。同时，由于中继节点的存在，系统还能获得额外的空间分集增益，通 信可靠性更强。无线协作中继技术在无线传感器网络（wsn） 、无线 ad hoc 网、 无线 mesh 网以及蜂窝网等系统中有着广泛的应用前景， 并将成为下一代无线通信 系统融合多种异构网络的关键技术。 1.1.2 协作通信存在的问题 协作通信系统可以在提高数据传输速率的同时，降低信道变量的敏感性。协 作通信产生的分集增益使得系统中的每个节点的频谱效率得到改善，提高了传输 速率，同时也能减小每个节点的发射功率。也就是说，协作的通信系统较不协作 相比，能以更低的发射功率达到相同的数据速率，从而延长了移动终端电池的寿 命。 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 3 协作通信技术要得到很好的应用，还面临着以下几个问题。 复杂度的问题 在协作通信系统中，用户设备需要有检测其他用户发送信号的能力，这将提 高用户设备中接收机的复杂度。虽然通过协作能为系统带来如数据速率的提高、 覆盖范围的扩展等增益24，但是用户协作会给系统带来额外的复杂度。但是在某 些特定的方案中，与复杂度的增加相比，当用户协作带来的增益较大时，采用协 作还是值得的。 安全问题 在协作通信系统中，为了保证用户信息的安全性，用户的信息在传输之前需 要进行加密处理，用户的协作伙伴能够检测并接收信号，但无法获得该用户发送 的信息内容，这将进一步提高用户接收机的复杂度。没有一种调制技术能够确保 传输信息的安全，未来无线系统将会额外采用一些增强的上层加密机制24。 容量问题2526 目前协作通信系统确切的系统容量还没有结论，因此，如何从信息论角度出 发，推导出协作通信系统的确切容量限也是协作通信系统存在的一个问题。 中继选择问题272829 协作伙伴的选择是影响协作系统性能的重要因素，选择好的协作伙伴能进一 步提高协作系统性能。对于存在多个中继节点的无线网络，随着参与协作的节点 数目的增加，伙伴选择的主要目标变为如何合理地取舍协作节点提高系统的性能。 同步问题30 现在的研究工作大多建立在系统能够实现精确同步的假设之上，但在实际通 信中，尤其是多个终端进行协作的通信系统中，要事先精确的同步是很困难的， 而且即使实现了同步，其付出的代价问题也是在设计分集方案时要考虑的一个问 题。 功率分配问题283132 目前的研究大都假定各个移动终端有着相等的发射功率，但是当移动终端根 据自身信道或者协作伙伴的信道状态分配不同发射功率时，能更好地提升系统性 能。研究如何提升协作通信系统性能的时候，还可以考虑对协作系统中的各节点 进行功率分配。 跨层设计问题33 协作通信不仅涉及物理层的设计，同时网络层或更上层也存在许多问题有待 研究。 1.1.3 协作通信的研究意义 协作通信技术利用无线网络的广播特性，使得协作伙伴也能接收到源节点发 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 4 射的信号，协作伙伴对接收到的信号进行一定处理后转发给目的节点，目的节点 将接收到的各路信号合并处理，从而可以降低由于无线链路的衰落和不稳定性给 系统带来的影响，提高网络的可靠性和数据传输速率，扩展网络的覆盖范围。无 线网络中协作通信的研究是一个崭新的课题。 协作通信的基本思想是允许多个单天线用户通过彼此之间的相互合作，从而 获得 mimo 系统的性能，以解决 mimo 技术实用化所受到的体积等限制的问题， 是一种很有前途的空间分集技术。换句话来说，协作通信可以使 mimo 技术的各 种优势在实际系统中得到发挥，能够切实地利用空间资源来提高通信系统的各种 性能。 1.2 本文的主要工作和安排 1.2.1 论文主要工作 本论文主要对协作通信中的一些关键技术和理论进行了较为深入的研究，重 点研究了参与协作的中继节点的选择问题，对中继节点的选择算法的平均误符号 率性能进行了深入的分析，发现了目前算法的不足之处，并提出了改进的中继节 点选择算法。论文工作取得的主要成果包括： 首先，通过分析多中继协作通信系统的平均误符号率性能， 得到了多中继协作 通信系统中系统信噪比、系统平均误符号率和参与协作的中继节点个数之间的关 系，提出了一种多中继节点协作系统中选择不同中继节点集合的中继选择算法。 其次，通过比较直传链路与中继链路的平均误符号率性能，证明了协作最低 信噪比阈值的存在，为协作最低阈值的求解提供了一种新的计算方法。 最后，结合系统总功率受限的条件，对源节点和参与协作的各中继节点进行 功率分配优化，进一步降低了多节点协作通信系统的平均误符号率性能。 1.2.2 内容安排 本文的主要内容安排如下： 第一章，介绍了协作通信的研究背景和意义，并分析了协作通信中目前存在的 问题。 第二章，对移动通信中广泛使用的分集技术进行了介绍，同时对协作分集所用 到的空间分集技术进行了详细的描述，包括时间分集、频率分集和空间分集。接 下来介绍了三种常用的合并方式，即选择合并、等增益合并、最大比值合并。在 简单概述 mimo 系统的基础上，详细描述了协作通信的系统模型，具体研究了三 种协作中继协议，放大转发中继协议、解码转发中继协议和编码协议，并对三种 协议进行了比较。 第三章，分析了几种中继选择方案，包括基于位置信息或平均信噪比的中继选 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 5 择方案和基于瞬时信道状态信息的中继选择方案。剖析了几种具体的单中继选择 算法，重点分析了通信系统的中断概率性能，并对采用直接传输、放大转发和解 码转发三种协作协议下的系统中断概率做了仿真。 第四章，首先提出了一种在等功率条件下基于信道统计特性的中继选择算法， 这种算法从平均误符号率的角度出发，根据系统具体的信噪比情况确定选择合适 的中继节点个数。该算法的计算量以及复杂度均低于穷举法。在此基础上，考虑 直接传输链路的误符号率性能，提出了一种确定协作最低信噪比的算法。 第五章，考虑功率分配对系统性能的影响，采用拉格朗日乘数法求解系统总功 率受限的情况下各节点的最优功率分配，使得系统的平均误符号率最小。 第六章，对全文的研究工作进行了总结，并对下一步研究方向进行了展望。 重庆大学硕士学位论文 2 分集与协作通信 6 2 分集与协作通信 2.1 分集技术 在无线通信系统中， 电磁波的物理特性导致了无线信号的多径传输， 由于收发 机的位置和频率的不同造成了接收信号强度的不同。又由于收发机的运动特性， 共同导致了无线信道在空间、频率和时间上的变化，由此可见，无线信道因为传 播环境的开放性具有不确定性。信道的不确定性表现为信道衰落。无线信道中传 输的信号受衰落的影响，使得接收端能够正确解码信息的能力下降，影响了通信 系统的质量。在无线衰落信道中，为了降低误符号率可以增加发射信号的功率， 但是发射信号的功率不能无限制地增加，这种方法也是不现实的，而且还容易造 成对其他信号的干扰。利用分集技术可以有效地处理衰落的影响。 2.1.1 分集原理 分集技术可以有效对抗无线通信系统的多径衰落， 降低误符号率。 由于无线信 道的多径传播，无线衰落信道中的信号会受到严重衰落，这种衰落使得目的节点 很难正确接收或者根本接收不到信号。分集是将需要发射的信号通过其他节点转 发给目的节点，这样目的节点接收到发射信号的多个样本，其中每个接收信号携 带相同的信息，某些信号的样本可能存在严重的衰落，而另外一些样本的衰落可 能相对较小一些，因此在任意给定瞬间，接收到的所有样本信号同时处于深度衰 落的概率要比任一单个信号处于深度衰落的概率小的多，所以，只要保证至少有 一条路径的信号足够强就能保证可靠地通信。目的节点对接收到的多个信号样本 采用适当的合并方式处理，可以大大降低衰落对系统的影响，并能极大地改善衰 落信道的性能34。移动通信系统中，根据接收信号在时间、频率或者空间方面表 现的独立的衰落特性分为时间分集、频率分集和空间分集。 时间分集 时间分集是将信号以一定的时间间隔重复地发送， 从而达到分集效果的一种分 集技术，且时间间隔的选取必须大于信道的相干时间，以保证接收端接收到的信 号经过了独立的衰落。在移动通信系统中，一般采用差错控制编码结合交织技术 来实现时间分集34。时间交织提供了实现分集所需的时间间隔，从而使得各样本 信号经过了独立的衰落信道。同时时间交织会造成译码延迟，因此时间分集适用 于信道相干时间很小的快衰落环境中。时间分集的缺点之一就是时域上的重复传 输造成了冗余，使得带宽的利用率受到损失。 频率分集 频率分集就是用不同的载频将信号发射出去， 从而达到分集效果的一种分集技 重庆大学硕士学位论文 2 分集与协作通信 7 术，要求发射频率的间隔大于信道相干带宽，通常发射频率的间隔是信道相干带 宽的几倍以上，以保证每个频率的衰落是独立的，利用不同信道的衰落不相关且 强度不同的性质，对接收到的信号进行重复提取，来减少或消除衰落的影响。在 无线通信系统中，可采用直接序列扩频、多载波调制和调频等扩频技术来达到频 率分集的目的。频率分集适用于信道相干带宽较小的系统。频率分集由于在频率 域上引入了冗余，也使得带宽的利用率受到损失。频率分集的缺点是既需要占用 更多的频谱资源，又需要有和频率分集中采用的频道数相等的若干个接收机。 空间分集 空间分集将需要传输的信号通过位于不同地理位置上的发射机发送，并（或） 通过多个处于不同地理位置上的接收机对信号进行接收，这样需要传输的信号通 过多条独立的信道发送，达到分集传输的效果。典型的空间分集就是在发送端和 （或）接收端上安装多根天线形成天线阵列，接收天线或者发射天线之间的间隔 必须大于相关距离，从而确保各天线上处理的信号经过了独立的衰落信道。在空 间分集中，信号的传输不需要占用额外的信道时间和带宽，不会造成带宽效率的 损失，可以有效地对抗无线信道的衰落，提高无线系统的性能，是移动通信系统 中使用较多的分集技术。 发射天线1 发射天线2 接收天线 接收天线2 发射天线 接收天线1 发射天线1 发射天线2 接收天线1 接收天线2 a 发射分集 b 接收分集 c mimo（22） 图 2.1 空间分集模型 fig.2.1 spatial diversity model 如图 2.1 所示， 在发射端安装多根天线提供多个接入链路并行发射信号就实现 了发射分集，同理，在接收端安装多根天线接收多个链路的信号就实现了接收分 集，如果在发射端和接收端都安装多根天线，就形成了 mimo 系统。在发送端选 择多个链路发射信号，接收端合并多个链路的信号，可以获取空间分集增益。传 统的空间分集方法主要以接收分集为主，但移动台体积、功耗和成本等因素限制 了接收分集技术的应用。由于基站可以安装多根天线供信号发射，发射分集技术 成为人们研究的热点。基站的多天线发射和接收终端的单天线接收就满足了发射 分集所需的条件，能够实现发射分集，从而利用分集增益提升系统的容量，降低 重庆大学硕士学位论文 2 分集与协作通信 8 系统的误符号率等。发射分集现实方式简单，具有很好的应用前景。分集就是充 分利用无线信道中的多径，选择其中信道质量较好的信道避免恶劣信道或者深度 衰落信道对系统性能的影响。 2.1.2 合并技术 当目的节点接收到 n(2n )个经过独立衰落的信号后，目的节点利