（通信与信息系统专业论文）协作分集中的中继移动性策略和性能分析.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 利用多天线( m i m o ，m u l t i p l ei n p u ta n dm u l t i p l eo u t p u t ) 技术在不增加系统带宽 和天线发射总功率的情况下，能成倍地提高系统容量，对系统性能的改善十分显著， 是对抗无线信道中多径衰落的有效手段。协作分集使单天线的移动终端也可以实现 m i m o 传输，是目前的研究热点。它的基本思想是在信息的传递过程中，资源节点 可以利用一个或者多个中继节点协助通信，降低中断概率，扩大系统容量，获得协 作分集增益。 在协作通信系统中协作中继节点的选取非常重要，中继节点移动时会大大降低 系统的性能，目前该方面的结果较少。本文主要探讨协作分集中的中继移动性策略 和性能。 在协作分集中的移动中继选择算法方面，对于放大转发( a f , a m p l i f y - a n d - f o r w a r d ) 和检测转发( d f ，d e c o d e a n d f o r w a r d ) 协作通信模式，给出了基 于瞬时信道状态信息的功率分配及中继的动态选择算法。针对单中继情况给出了中 继切换方案，针对多中继情况给出了动态剔除、补充中继的算法，从而提高了移动 中继协作系统的可靠性。通过模拟仿真分析，本文方案能有效的降低中断概率，提 高系统分集增益，扩大系统容量，实现良好的整体性能。 进一步，本文研究了将喷泉编码应用在移动中继的d f 协作分集系统中以改善 系统性能。首先详细说明了将r s 码( r e e d - s o l o m o n ) 作为喷泉编码使用的编译码方 案，仿真分析了喷泉编码在广播通信中的优势，结果显示使用的协作中继数量越多、 系统信噪比越低，喷泉编码对协作系统性能的改善越为明显；在此基础上，将喷泉 编码应用到具有移动中继的d f 协作通信模式中，给出了协作策略，仿真显示喷泉 编码能够改善采用移动中继的d f 协作系统性能。 关键词：协作分集，移动中继，选择策略，功率分配，喷泉编码 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t m m ot e c h n o l o g yi m p r o v e st h es y s t e mp e r f o r m a n c eo b v i o u s l yb ym e a n so f m u l t i p l y i n gi t sc a p a c i t ya n dr e s i s t i n gt h em u l t i - p a t hf a d i n gw i t hs t a b l eb a n d w i d t ha n d t r a n s m i t t i n gp o w e r i ti sah o tr e s e a r c hi s s u et h a tt h em o b i l e t e r m i n a lw i t has i n g l ea n t e n n a c o u l da l s or e a l i z et h em i m ot r a n s m i s s i o nu s i n gc o o p e r a t i o nd i v e r s i t y i t sm a i ni d e ai st h e s o u r c en o d eu t i l i z e st h er e l a yn o d e sd u r i n gt h ec o u r s eo ft r a n s m i s s i o ni no r d e rt or e d u c e t h eo u t a g ep r o b a b i l i t y , i m p r o v et h es y s t e mc a p a c i t ya n do b t a i nd i v e r s i t yg a i n t h em o b i l i t yo ft h er e l a y si nc o o p e r a t i v es y s t e m sw i l lg r c a t l yr e d u c ei t sp e r f o r m a n c e a n ds of a rt h e r ei sn o tm u c hr e s u l to nt h i sp o i n t t h i sp a p e ri sm a i n l ya b o u tt h es e l e c t i o n s c h e m ea n dt h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e mi nc o o p e r a t i v ed i v e r s i t y i nt h em o b i l er e l a ys e l e c t i o n p a r t , t h i sp a p e rp r o v i d e sh a n d o f fa n ds e l e c t i o n a l g o r i t h mb a s e d0 1 1i n s t a n t a n e o u sc h a n n e lg a i nu n d e ra m p l i f y - a n d - f o r w a r d ( a f ) m o d e a n dd e c o d e - a n d - f o r w a r d ( d f ) f o ras i n g l er e l a yt h eh a n d o f fs c h e m ei su s e da n di no t h e r s i t u a t i o n st h er e l a ys e l e c t i o ns c h e m ei su s e dt oe l i m i n a t ea n da d dr e l a y sa u t o m a t i c a l l ys o a st om a i n t a i nt h er e l i a b i l i t yo ft h ec o o p e r a t i v em o b i l er e l a ys y s t e m s i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tt h ep r o p o s e dr e l a yh a n d o f fa n ds e l e c t i o ns c h e m ee f f e c t i v e l yr e d u c e st h eo u t a g e p r o b a b i l i t y , i n c r e a s e st h ed i v e r s i t yg a i na n ds y s t e mc a p a c i t y t oa c h i e v et h ei n t e g r i t yo ft h e w e l lo r g a n i z e ds y s t e m f u r t h e r m o r e ，f o u n t a i nc o d ei su s e di nd fc o o p e r a t i o ns y s t e mw i t hm o b i l er e l a y st o i m p r o v et h es y s t e mp e r f o r m a n c e a tf i r s tt h i sp a p e rd e s c r i b e st h ee n c o d ea n dd e c o d e a l g o r i t h mo fr sf o u n t a i nc o d ea n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t i tc a ni m p r o v et h e p e r f o r m a n c eo ft h es y s t e mi nb r o a d c a s t i n gc h a n n e l ，e s p e c i a l l y 谢mm o r er e l a y sa n dl o w e r s i g n a l t o - n o i s e - r a t i o ( s n r ) b a s e do nt h eu p p e rp r e s e n t a t i o n s ，f o u n t a i nc o d ei su s e di nd f c o o p e r a t i o ns y s t e m s 、析t l lm o b i l er e l a y sa n dg i v e sc o o p e r a t i v es t r a t e g y , s i m u l a t i o nr e s u l t s h o w st h a ti tc a ni m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h ed fc o o p e r a t i o ns y s t e mw i t hm o b i l e r e l a y s k e yw o r d s ：c o o p e r a t i o nd i v e r s i t y , m o b i l er e l a y , s e l e c t i o ns c h e m e ，p o w e ra l l o c a t i o n , f o u n t a i nc o d e 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 1协作分集技术的背景 第一章绪论 随着信息时代的来临，信息产业得到了飞速的发展，并已成为我国国民经济发 展的支柱产业之一。第一代移动通信系统以及第二代移动通信系统主要是以传送语音 信息为主，如今人们对于传送大量图像和视频信息的需求日益增长，对于无线传输的 速率以及服务质量的要求越来越高，于是给出并在逐步发展第三代移动通信系统 ( 3 g ) 、无线局域网( 、。a n ，w i r e l e s sl d c a la r e an e t w o r k s ) 、无线城域网( w m a n , w i r e l c s sm e t r o p o l i t a na l e an e t w o r k s ) 、第四代移动通信系统( 4 g ) 等，使其能够支 持高传输速率的多媒体宽带业务【”】。这些无线通信系统的特点各不相同，并且尚未 实现各种网络间的、用户间的相互协作。协作通信系统就是用来协调各种网络以及各 类用户间的相互协作，充分发挥整体优势，提高系统利用率，建设更加强大的网络系 统。协作通信的方式多种多样，其最终的目的都是共享资源，协作分集就是其中之一。 多径衰落对无线通信系统性能影响较大，而分集技术可以在发端发射多个信号 样本，同时在接收端可以采用多种方法来合并经历过独立衰落的信号样本，以此来 对抗信道衰落，因此常采用分集技术来对抗多径衰落，提高信道容量、改善服务的 质量。现在主要的分集方式有时间分集、频率分集、空间分集。 ( 1 ) 时间分集 时间分集就是在不同的时间段内重复发送同样的信号，这样接收端可以获得多 个不相干的衰落信号样本。时间分集要求发射的最小时间间隔大于或者等于信道的 相干时间。由于该方案在时域上引入了冗余，因此其频谱的利用率有所下降。 ( 2 ) 频率分集 频率分集，顾名思义，就是在不同的频率上发送信号，以产生多个信号样本。 频率分集同样要求发射频率间隔足够大，是信道相干带宽的几倍以上，这样才能保 证各个衰落信号之间不会相互干扰。同时间分集类似，由于在频域上引入了冗余， 频谱的利用率同样有所下降。 ( 3 ) 空间分集 空间分集又称为天线分集，它是将发送端天线天线阵列进行物理上的重新排 列，以此实现信号的多路传输；或者同样在接收端对天线天线阵列进行物理重排， 以实现信号的多路接收。天线的位置由天线的相对高度、传播的物理环境以及信号 的发送频率来共同决定。与上述的两种分集方式不同的是，空间分集不会带来频谱 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 利用率的下降。 协作分集是一种新的分集方式。协作分集的概念最早由s e n d o n a r i s 等人给出 4 - 6 1 ， 随后l a n e m a l l 等研究了各种具体的协作通信协议【7 8 1 。它的基本思想是系统中的每个 移动终端都有一个或多个合作伙伴，合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，每个终端在传输信息的过程中既利用了自己又利用了 合作伙伴的空间信道，从而获取了一定的空间分集增益。协作分集的过程可以分为 两步： ( 1 ) 资源节点以广播的形式向目的节点和中继节点发射信号，同时中继节点对 收到的信号进行处理。 ( 2 ) 中继节点将处理过的信号发送到目的节点，与此同时，资源节点向目的节 点发送信息，该过程可以重复发送原来的信息，也可以发送新的信息，最后目的节 点按照一定的合并原则处理接收到的所有信号。 协作分集是一个较新的研究领域，具有良好的研究价值和和广阔的应用前景。 目前协作分集技术已逐步进行了商业化测试。2 0 0 6 年1 0 月，北电网络首次利用虚 拟m i m o 进行了无线传输试验。2 0 0 7 年5 月，诺基亚西门子合资公司与德国 f r a u n h o f e r 电信研究所共同完成了虚拟m i m o 测试，大大提高了手机数据的传输速 率，下一代无线高速长期演进( l t e ，l o n g - t e r m - e v o l u t i o n ) 手机的数据上传速度可以 达到1 0 8 m b s 。这些都为运营商向4 g 过度提供了良好的发展路线。 1 2论文选题背景与意义 利用多天线( m i m o ) 技术在不增加系统带宽和天线发射总功率的情况下，能 成倍地提高系统容量，对系统性能的改善十分显著，是对抗无线信道中多径衰落的 有效手段，协作分集使单天线的移动终端也可以实现m i m o 传输，是目前的研究热 点，它的基本思想是信息的传递过程中，源节点可以利用一个或者多个中继节点协 助通信，降低中断概率，扩大系统容量，带来协作分集增益。 协作通信和中继通信都用于辅助信号的传输，但是它们也存在着许多差异，如 表1 所示： 与中继通信相比，协作通信能够更好地提高网络的利用率，维持网络的稳定性， 但是其系统结构也相对比较复杂；同时由于各用户信道中都存在噪声，在协作通信 时候可能会放大噪声，并且不一定能够保证对每个用户的信号都成功接收并做出正 确的检测，特别是在协作中的各节点都在不断运动时会对系统的稳定性产生较大的 影响。 2 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 表1中继通信与协作分集的差异 中继通信协作分集 发送信息类型单纯的转发主用户信息传送自己和合作伙伴的信 息 通信中的作用中转站协助、增强主信道 能否获得分集增益不能 能够 但是在实际情况中，特别是对于蜂窝无线系统、无线局域网、无线城域网等各 种商用的无线系统，中继节点基本上是处于移动中的，而中继节点的移动会大大降 低系统的性能，需要重新选择新的中继并实施切换，但目前该方面的结果很少。 本文探讨协作分集中的移动中继选择算法，并考虑将喷泉编码与协作分集相结 合，以提高协作系统的性能。 1 3 国内外研究现状 s e n d o n a r i s 等【4 叫人对协作分集和网络容量以及中断概率等系统性能指标的关系 进行了分析，并给出了在低速及高速c d m a ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 系统下的 施行方案。在此研究基础上，l a l l e l t l a n 等给出了一些具体的协作分集方式【7 ，8 1 ，主要 包括放大转发模式( a f ) 以及检测转发模式( d f ) ，对系统性能以及系统协议进行 了研究。紧接着t e h u n t e r 等人给出了基于信道编码的协作分集模式，并对协作分 集的网络结构进行了研究【9 - 1 4 】。s t e f a a o v 等人对协作用户间信道不理想时的系统性能 进行了研耕15 1 。 近年来有大量的文献对基于固定中继的协作通信系统的中继选择、功率分配以 及性能进行了研列1 6 - 2 0 1 。z h o uk e n a n 等【1 6 1 给出了检测转发( d f ) 模式下的一个单个 固定中继的选择方案，在理想功率选择p ? 的前提下得出了理想的资源到中继的距 离，该功率分配以及中继的选择方案简单，并且能够满足中断概率的最小化，但是 中继节点最好是随机产生的，不一定都分布在资源和目的节点的连线上。r a m e s h a n n a v a j j a l a 等【17 j 给出了在协作系统中的一种多固定中继选择及功率分配算法，该方 案随机选取m 个中继节点，并假设各数据流的最大功率为。，源节点的功率为 最= 8 0 p m 。，剩下的功率在各中继节点中平均分配，b = ( 1 一磊) 尸眦肘，采用与单 中继相类似的算法可以获得理想的功率分配，由此可以相应的求出中断概率，采用 该方案的确可以获得中断概率的极小值，但是a 0 的计算过程相当复杂，与z h o u k e n a n 等【l6 j 按照距离分配中继功率不同，他们采用平均分配的方法，但是由于各中 继节点的位置不同，其相应的平均信道增益也不尽相同，而该方案给条件好的节点 3 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 和较差的节点都分配相同的功率，不能实现系统效率的最大化，因此并不是最佳的 分配方案。t a ew o nb a n 等【1 8 】给出了在d f 模式下的两种多中继选择策略一固定 中继选择和自适应中继选择( 平均信道增益低于门限值的中继不参与协作) ，功率采 用平均分配的方法且总功率并不受限，在中断概率不断变化的情况下，又是一种d f 协作模式下的中继选择算法，并且设定了一个平均信道增益的门限值，可以较好的 选择中继参与协作，与r a m e s h a n n a v a j j a l a 等【1 7 】算法相比，该方案总是能够使用更 少的中继，达到相同的效果，系统利用率较高，但是该算法门限值的选取比较麻烦， 中继选择的过程也太过复杂，系统消耗较大，同时也未对功率进行合理的分配。 g o l d s m i t h 等【1 9 】给出了在快速瑞利衰落的信道中的d f 模式下的两种单协作中继的功 率分配策略：第一种为平均功率分配，第二种为实际功率分配，在该方案中功率分 配方式简单，计算量较小，能够实现较高的传输速度并提升系统容量。q i u l i n 等【2 0 】 中给出了d f 模式下的中继选择和功率分配策略，其中继选择过程相对比较简单， 只需要对所有节点的平均信道增益值进行比较，能够较好提升网络使用时间，减少 整体功率消耗。 协作分集由于优良性能已经得到了一定程度的应用，但同样存在许多问题有待 解决： ( 1 ) 多用户协作 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，这样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。而对于 像a dh o c 这样的非集中控制网络，它们需要一个分布式的协作协议，用户可以在任 意时间独立的决定与哪一个用户进行协作，该分布式协议的难点是在不增加额外系统 资源的前提下，如何保证所有用户的公平性。 ( 2 ) 同步问题 目前大多数协作分集的文献都假定系统是能够良好同步的，即协作端之间，协 作端和目的端之间都是同步的，但这在实际中是难以实现的。与目前的有线同步网络 不同，协作分集中同一信息是由多个协作端发往目的端的。如果多个协作端到目的端 的时延不同，则协作端之间的同步问题与协作端和目的端的同步问题是相互矛盾的。 以现有的同步机制，如果做到了多个协作端之间的同步，就很难做到目的端与协作端 之间的同步，反之亦然。 对于蜂窝移动通信系统下的协作分集而言，有可能做到用户的准同步。但是， 对于自组织网络和无线传感器网络而言，多个用户间的同步就更为困难。目前，只有 4 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 少量文献研究了准同步环境下和异步环境下的协作分集，但是其频谱利用率和性能还 不尽如人意。 ( 3 ) 复杂度问题 协作分集技术的引入会导致基站的接收复杂度提升，因此开展关于协作方案中 的信道估计以及信号检测等方面的研究很有必要。当然，在特定的方案中，需要对复 杂度和性能增益之间取得折衷。与复杂度增加相比，当用户协作带来的增益较大时， 采用协作方案还是值得的。事实上，减小数据速率对信道变化的敏感性是用户协作分 集的一个最大的优点。这是因为，对一些实时业务要求的最小数据速率( 如话音和视 频) ，协作分集可以降低中断概率，因此能获得更好的服务质量。 总而言之，协作端如何利用空域信息还需要进一步的探究。本文探讨协作分集 中的移动中继选择算法，并考虑将喷泉编码与协作分集相结合，以提高协作系统的 性能。 1 4论文结构 本文主要研究放大转发( a f ) 以及检测转发( d f ) 协作通信模式下的移动中继 选择算法，并将喷泉编码应用在译码转码模式中，缩短资源节点对中继节点的广播 时间，提高系统效率。全文共分为五章，各章的内容安排如下： 第一章首先介绍了协作的背景和选题的意义，给出了中继通信与协作分集通信 的比较，以及国内外研究进展。 第二章讨论了本文研究工作中需要的关于协作分集方面的技术基础，包括协作 分集的系统模型、分类、信号的合并技术以及合并技术的比较等。 第三章在协作分集的a f 模式下，给出了基于瞬时信道状态信息的功率分配及 中继的动态选择策略。针对单中继情况给出了中继切换方案，针对多中继情况给出 了动态剔除、补充中继的方案，导出了分集增益及系统容量的计算公式，并进行了 计算机仿真和详细的结果分析。 第四章为d f 模式中的移动中继选择策略。在d f 模式下，给出了基于瞬时信 道状态信息的功率分配及中继的动态选择策略。针对单中继情况给出了中继切换方 案，针对多中继情况给出了动态剔除、补充中继的方案，并分析了相应的系统容量。 第五章介绍了将r s 码作为喷泉编码来使用的编译码方法，并将喷泉编码与协 作分集中的检测转发模式相结合，提高资源节点对中继广播时的效率，并对采用和 不采用喷泉编码的协作系统进行了计算机仿真和结果分析。 第五章概括性地总结了本文所做工作，并探讨了进一步的研究方向。 5 重庆邮电大学硕士论文 第二章协作分集技术基础 第二章协作分集技术基础 本章首先介绍了协作分集的信道模型，然后给出了协作分集的分类方式，其中 详细阐述了放大转发模式、检测转发模式及编码协作模式，最后介绍了信号的合并 技术。 2 1 协作分集的信道模型 图2 1 为两用户协作分集的信道模型【5 期。设两个互相协作的移动终端为巨，最， 要发送的信息为彤， 图2 1 协作分集的信道模型 图中两个用户都接收其协作伙伴的经过信道衰落的加噪信号，并将接收信号与 自己要发送的数据按照某种方式进行合并后发到接收端，接收端再按相应的准则进 行信号处理。 这一过程的数学模型表示为： t o ( t ) = k 。五o ) + 局。五( f ) + z o o ) ( 1 ) x o ) = 叠置( f ) + z l o ) ( 2 ) ( 2 1 ) k o ) = 墨：五( f ) + z 2 ( f ) ( 3 ) 式中：y o ( t ) 、y l ( t ) 和e ( f ) 分别为接收端、用户l 和用户2 接收信号的基带模 型；鼍( f ) 是用户i 的发射信号；z f o ) 分别是接收端、用户l 和用户2 接收端的噪声， 6 重庆邮电大学硕士论文第二章协作分集技术基础 服从均值为0 、方差为历o = l ，2 ) 的正态分布； 巧) 是各信道的衰落因子，在一个 符号周期内保持不变。 2 2 协作分集的分类 协作分集的分类方式多种多样，可以按照网络结构分为双跳协作和多跳协作， 双跳协作即从发送端发出的信号经过一次协作即到达接收端；而多跳协作则是从发 送端发出的信号经过多次协作才到达接收端。按照系统是否要求精确的同步分，协 作分集可以分为同步协作系统和异步协作系统。按照多址方式，协作分集也可以分 别在码分多址( c d m a ) 、时分多址( t d m a ，t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 和频分 多址( f i ) m 八f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s s ) 等模式下实现。按照接入方式， 协作分集也可以分为正交协作分集和非正交协作分集。另外也可以按照对信号的处 理方式对协作分集进行分类。 按照信号处理方式把协作分集分为：放大转发模式( a f ) 、检测转发模式( d f ) 和编码协作模式( c c ，c o d e dc o o p e r a t i o n ) 1 l 】。 2 2 1 放大转发模式 放大转发模式在概念上是最简单的协作方式。协作系统中的每个用户都接收其 协作伙伴发送过来的带有噪声的信号，并将该信号同自己的信号按照一定的方式结 合起来，发送到基站，基站再对收到的信号进行合并判决。虽然协作伙伴都放大了 对方的带有噪声的信号，但是基站接收到了两个经过了独立衰落的信号样本，能够 按照信号处理准则对其做出较好的判决。 用户i 图2 2 放大转发模式 7 站 重庆邮电大学硕士论文 第二章协作分集技术基础 两用户a f 系统等价信道模型如图2 3 所示，图中只画出了用户1 的传送过程。 图2 3 两用户a f 系统等价信道模型图 经过a f 系统之后，基站接收到的信号可用式( 2 2 ) 表示： k2 毛红d 五+ z l d ( 2 2 ) 【e = 吃d 五+ z 2 d 其中五= ：飘：五+ z l ：，百为用户1 发射信号符号能量，岛：，j l i d ，h ：d 分别表 示用户1 到用户2 、用户1 到基站、用户2 到基站的信道衰落系数；z 1 ：，z i d ，z 2 d 分 别表示用户1 到用户2 、用户1 到基站、用户2 到基站的噪声。卢为用户2 处的放 大倍数，如式( 2 3 ) 所示。 9 = ( 2 3 ) 该模式由l a n c m a n 给出并进行了详细的分析【7 别。其研究表明，在高信噪比时， 在两个用户的情况下，该模式可以获得的分集阶数为2 1 7 , s 。在放大转发模式中，假 设该模式已知用户间信道系数，从而可以进行最优译码，所以该模式必须进行必要 的信道估计和信息交换。对该模式而言另一个挑战是对于模拟信号的抽样、放大、 重传并不是一个简单的技术。但是总的来说该机制还是一个比较简单的协作机制， 它便于分析，对于进一步理解后面的协作通信系统是非常有帮助的。 2 2 2 检测转发模式 如图2 4 所示，在检测转发模式中，各协作伙伴都首先尝试检测出对方发送过 来的数据比特，于此同时发送自己的数据比特，最后将检测出的比特重新发送与自 己的比特数据发送到基站。 8 重庆邮电大学硕士论文 第二章协作分集技术基础 用户l 用户2 d 酗e c 埘b i 协 站 图2 4 检测转发模式 该模式首先由s e n d o n a r i s ，e r k i p 和a a z h a n g 4 叫三人给出。他们首先在一个 c d m a 系统中使用检测转发模式来发送协作信号。每个协作用户都的扩频码分别为 q ( t ) 和岛( f ) 。两个用户的数据比特分别是包加) ，其中i = l ，2 为用户索引号，z 表示 信息的时间标记。”表示其伙伴对用户i 的检测估计。因子a i ，表信号的幅度，体 现了对各个部分的功率分配。每个信号周期包括三比特间隔。我们用五( f ) 表示用户 l 的信号，而用置( f ) 表示用户2 的信号。于是可以表示为： 五( f ) = q 1 6 f 1 q ( f ) 置( f ) = 口2 。噬1 c 2 ( f ) 换句话说，在第一和第二个时间间隔内每个用户都发送自己的比特信息。每个 用户都检测另外用户的第二比特( 表示为并”) 。而在第三个时间间隔内，两个用户均 发送自己第二比特和伙伴第二比特的线性组合，每一个用户的比特信息都乘以自己 的扩频码。对于第一、二、三时间间隔，其发送的功率是可变的，根据上行信道和 用户间信道之间的条件可以对相关的发射功率进行优化，该方法对信道的状态具有 自适应能力。功率分配是通过因子a ，进行的，这样可以保持平均发射功率不变。 简单的说，当用户之间的信道状态较好时，更多的功率将分配用于协作，反之，当 用户之间的信道状态不好时，用户协作的功率将减小。 这种协作方式比较简单，但当用户间信道质量比较差时，用户有可能对其伙伴 的信息做出错误判决，此时协作分集传输不能达到完全分集。为了避免上面提到的 差错传播问题，l a n c m r l l 等给出了一种选择解码转发方法，当衰落信道具有较高的 信噪比( s n r ) 时，用户可以对其伙伴的数据进行译码，而当信道具有低s n r 时，用 户返回到非协作模式【7 捌。l a n c m a n 给出的这种方案在信噪比较高时，两用户的检测 转发模式不仅和放大转发模式一样，可以达到二阶的分集增益，而且可以获得更低 的误比特率( b e r ) 和误块率( b l e r ) 。 9 删啪：蟛 帕 卅确拌幽黧 重庆邮电大学硕士论文第二章协作分集技术基础 以上放大转发模式和检测转发模式有一些局限性。第一，两种模式都包括一定 形式的重发，都没有实现信道利用率的最大化。第二，放大转发模式会放大其协作 伙伴的带有噪声的信号，而检测转发模式有可能转发错误的检测信息，这样都会降 低整个系统性能。第三，这两种模式为了在接收端得到最佳的最大似然检测需要知 道用户间信道的误比特率( b e r , b i te r r o rr a t e ) 和信噪比( s h 艮s i g n a l t o - n o i s e r a t i o ) 。最后，用户在发送其伙伴的模拟信号时有一定的延时，在实际中，存储足够 的信息来复制模拟信号是比较困难的。编码协作模式( c o d e dc o o p e r a t i o n ，c c ) 可 以解决上述问题。 2 2 3 编码协作模式 编码协作模式是信道编码思想和协作的综合【9 。1 4 1 。该协作模式将每个用户的码 字分成多个不同的部分，然后通过两个独立的衰落信道进行发送。根据信道条件的 好坏判定是否进行协作。这个模式将信道编码与协作的思想融合在了一起，不再需 要用户之间的反馈信息。 用户1 用户2 c o 捌州t y 图2 5 编码协作模式 信源数据被分成了许多数据块，每一个数据块都增加了一个循环冗余校验码 ( c r c ，c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k ) ，假设每一数据块包含足比特的信息( 包括c r c 比特信息) ，然后每一个数据块与码率为r = r 足的纠错码编码后，每个数据块就 有n = k r 个符号的信息。两个协作用户将含有个符号码字的数据发送周期分 为两个阶段，每个阶段为一帧。在第一帧中，每一个用户发送一个包含n = 髟足 符号信息的码字，每一个用户都接收并尝试对伙伴的数据进行正确的译码，如果译 码正确，则在第二帧中，用户将计算并发送其伙伴的第二部分 = k 足个符号； 1 0 重庆邮电大学硕士论文 第二章协作分集技术基础 否则用户将在第二帧传送自己的第二部分，也是2 个符号。这样每个用户每个周期 都是发送= m + 2 个符号。图2 6 是编码协作传输结构图。 用户l 用户2 第一帧 o 胪些竺 用户2 第二帧 o 图2 6 编码协作传输结构图 定义，定义为协作水平，即用户为伙伴传送的比特数目与总传输比特数的 比值。一个小的比值意味着在第一帧中有更多的码字被传输，并增加了对其伙伴成 功译码的可能性。同时也意味着一个较小的值，使分集增益减小。 用户在第二帧中的行为是独立的，并不知道它们自己的第一帧是否被正确译出。 因此在第二帧的传输过程中，可能出现以下四种协作方案，如图2 7 所示。 在情形1 中的第一帧时，两个用户都成功的译出了对方发送的数据信息，因此 在第二帧时，他们都发送协作伙伴的第二部分从个符号信息，两用户均可达到完全 协作。情况2 则刚好相反，两用户在第一帧都没有解码出对方的用户信息，所以在 第二帧的时候都发送自己的数据信息。情况3 、4 则是在第一帧时一个用户成功解码 了对方的消息，而另一个用户则解码失败，紧接着成功解码的用户在第二帧时就发 送对方用户的信息，另一个用户在此时也发送自己的信息，被成功解码的用户信息 通过两条独立的衰落路径进行传递，达到了完全协作。 为了在基站端正确解码，基站需要知道用户在第二阶段发送的是那个用户的数 据，即两用户间究竟发生了了上面四种情形中的哪一种情况，从而来正确的对其所 收到的信息进行解码。h u n t e r 在其博士论文中给出了两种解决方法【9 j 。 第一种方法是用户向基站发送一个附加位来说明第二帧发送的数据属于哪一种 情况。为了避免附加位出现错误导致基站的错误译码，必须对其进行严格的保护， 这从某种程度而言增加了系统的开销，但是并未对系统性能产生较大的影响，系统 复杂度提升也较小。 另一种方法是，基站根据这四种情况发生的相对概率，对这四种情况进行连续 的解码，直到译码正确( 由c r c 决定) 。这种方法对整个系统的性能和码率并不产 生影响，但在接收端将会增加一些复杂度。 重庆邮电大学硕士论文 第二章协作分集技术基础 用户l 用户i 用户2 情形l 用户2 情形3 o o 胪1 一o 用户2 符号信息 用户2 肿1 一o | |j 。，? i 。 用户2 符号信息 用户2 图2 7 第二帧传输中四种可能的协作方案 另一种方法是，基站根据这四种情况发生的相对概率，对这四种情况进行连续 的解码，直到译码正确( 由c r c 决定) 。这种方法对整个系统的性能和码率并不产 生影响，但在接收端将会增加一些复杂度。 2 3 信号的合并分类 协作分集技术通过使接收端获得经历不同路径衰落的信号样本来消除多径衰落 对通信系统的影响，然后这些衰落信号在接收端会按照一定的准则进行信号合并。 根据接收端的复杂度以及合并所需要的信道状态信息，信号的合并方式主要可以分 为选择合并( s c ，s e l e c t i o nc o m b i n a t i o n ) 、最大比合并( m r c ，m a x i m u mr a t i o c o m b i n a t i o n ) 以及等增益合并( e g c ，e q u a lg a i nc o m b i n a t i o n ) 。 1 2 重庆邮电大学硕士论文 第二章协作分集技术基础 2 3 1 选择合并 选择合并是一种比较简单的信号合并方式。如图2 8 所示，对于经历多个信道 衰落的信号样本，该系统会选择信噪比( s n r ) 最大的信号作为输出，但是实际上 s n r 很难测量，一般采用( s + o n 最大的支路作为输出。 ( 射频前端 _i | 7 射频前端 l 射频前端 rrr 铭程“弩4 7 4 妒7 甲坼獬”掣? ? 他一攀 张”? j 冀 j “pj “锄 目 逻辑选择器 g 1 琵揪? 一r，；ti 嘣。i 。，。毙弧| t + t 揣。 。扎a 毒矗“_ 掘溉。t 溉。缸。渤 2 3 2 最大比合并 图2 8 选择合并 最大比合并是一个线性合并方法。如图2 9 所示，该方案对多路信号进行加权， 而权重由各路信号对应的信号电压与噪声功率的比值决定。由于最大比合并的s n r 等于各路s n r 之和，各路信道都是单独解调后再进行合并，所以即使在某些链路信 道条件较差时，也不会对信号的处理产生太大的影响。 一； 射频前端 习d ， 射频前端 i a t - ， 射频前端 i b 。，羽b 一 t 锨? j- = i 。p 。，! j 一4 ，j ，2 _ t _ k 牡? m ：t “”j t 。 。：i 戚t 、。一，_ 。?十l 池i一! 锄 l 检顿啦器j 输出 1 图2 9 最大比合并 1 3 重庆邮电大学硕士论文 第二章协作分集技术基础 2 2 3 等增益合并 等增益合并是一种次优的信号合并方式，它就是加权值为单位值1 的最大比合 并，其并不对各支路的衰落幅度进行考虑，复杂度比最大比合并低很多。 2 2 4 合并方式的比较 选择合并是一个比较简单的信号合并方式，但是其无法以瞬时的s n r 作为基础 进行工作，因此并不是最优的设计方案；采用最大比合并时，即使各路信号都很差， 使得没有一路信号可以单独解调，它仍然有可能合并出一个达到s n r 要求的可解调 信号。在所有已知的线性分集合并方式中，这种方法的抗衰落统计特性是最佳的。 等增益合并是最大比合并的一种特殊情况，在某些较难获取可变权值的情况下可以 考虑此法，其性能略微差于最大比合并。 9 - 1 4 2 4 本章小结 本章首先介绍了协作分集系统的信号模型，然后将协作分集的分类方式，并详 细说明了放大转发模式、检测转发模式以及编码协作模式，最后简单的介绍了三种 分集信号的合并方式。 1 4 重庆邮电大学硕士论文 第三章a f 模式中的移动中继选择策略 第三章a f 模式中的移动中继选择策略 在实际情况中，特别是对于蜂窝无线系统、无线局域网、无线城域网等各种商 用的无线系统，中继节点基本上是处于移动的过程当中的，而中继节点的移动会大 大降低系统的性能，需要重新选择新的中继并实施切换，但目前该方面的结果很少。 本章主要探讨协作分集中的移动中继选择算法，在放大转发( a f ) 协作通信模式下， 给出了基于瞬时信道状态信息的功率分配及中继的动态选择策略。针对单中继情况 给出了中继切换方案，针对多中继情况给出了动态剔除、补充中继的方案，并分析 了相应的分集增益及系统容量。最后是仿真及性能分析。 3 1单中继节点选择策略 在采用固定中继进行通信时，一旦中继被选定以后，系统的误码率( b e r ) 以 及中断概率也随之固定下来，整个单中继协作系统的性能也相对稳定，不会产生大的 波动；而在协作系统中采用移动中继时，中继与源节点以及目的节点之间的距离会随 之发生变化，如果继续适用原固定中继进行通信，系统的误码率( b e r ) 和中断概率 会随之逐渐上升，这会大大降低系统的性能，此外资源节点、中继节点以及目的节点 都有各自的覆盖范围，一旦中继运动到该范围之外，通信就会中断，因此在单个移动 中继的协作系统中，需要考虑协作中继的切换问题。中继移动时，其周围环境会随时 发生变化：无线电信号的反射、绕射以及散射，会带来信号的大尺度损耗，而无线信 道的多径传播将会带来小尺度衰落，具体表现为：经过短距和短时传播后信号强度 的急剧变化；存在时变的多普勒频移，引发随机的频率调制；多径传播时延会引 起时间弥散。这就严重影响了无线系统的可靠性。本文假设资源节点( 源节点) 和目 的节点都处于静止状态，只有协作中继处于运动中，因此衰落只与空间路径有关【l 2 。 这里主要基于协作系统中的瞬时信道增益的变化情况来研究移动中继的问题，制定出 相应的中继选择策略以及功率分配方式，以获得理想的中断概率。 假设在一个无线通信网络中，发送信息的资源节点集合为s = l ，2 ，m ) ，对于 资源节点i ( i 回而言存在着多个中继节点，如果中继数量较大，则不可能对所有的 中继信息都进行比较，因此源节点只从中继节点中随机选取几个进行比较，选择条件 最好的节点进行协作，然后向中继节点及目的节点发送信息。 假设系统的总带宽为口；带宽归一化的传输速率为r ；互信息量同样用带宽归一 化；假设节点之间的信道为相互独立的频率非选择性信道，信道慢衰落，某一时刻源 1 5 重庆邮电大学硕士论文 第三章a f 模式中的移动中继选择策略 点的发送功率为只，源点对目的节点的发送功率为只7 ，源点对中继的发送功率为爿， 中继节点，的发送功率为耳；源点与目的节点之间的瞬时信道增益为0 均值循环对 称复高斯随机变量，用q ，表示，源点与中继之间瞬时信道增益为q ；，中继_ ，与目 的节点的瞬时信道增益为q ：；假设基带信号为独立的高斯分布的随机变量，均值为 0 ，方差等于各自的瞬时发射功率，因此源点对目的节点和中继j 的瞬时信噪比分别 为，i 、r 2 ，百= e ，i 】= 只q ，o 2 和瓦= 研吃】- 只q 仃2 ，中继对目的节点的瞬时信噪 比为r 3 ，亏= e r 3 】= 耳q ；仃2 ，其中仃2 加性高斯白噪声的功率，仃2 = n b ；n 为单 边谱密度，s n r 为系统信噪比。【1 7 l 在a f 模式下使用单个协作中继策略，目的节点采用最大比合并的方法对接收信 号进行处理，系统的瞬时互信息量为