毕业论文基于译码转发的多中继协作分集技术研究.doc

计算机与通信学院本科生毕业论文基于译码转发的多中继协作分集技术研究作 者：王 旭 梅学 号：07250310专 业：通信工程班 级：07级3班指导教师：曹 明 华答辩时间: 2011.6.13基于译码转发的多中继协作分集技术研究The research of Multi-relay Cooperative Diversity based on decode forward王旭梅（Wang xumei）07250310摘 要在无线通信领域，多径衰落一直是困扰数据传输质量的重大问题。虽然近几年提出的多输入多输出（MIMO）技术在抵抗信道衰落方面有重大突破，但其受天线尺寸、功耗和硬件复杂度影响，很难应用在实际无线通信终端。为此，人们从中继信道中得到启发，提出了协作分集。本文以实现协作分集在实际无线通信中的应用为目标，对协作分集方案进行了研究与分析。主要研究了：基于译码转发的协作分集技术的原理及相关协议；基于译码转发的协作中继选择方案；基于译码转发的多中继信道的互信息量与中断概率；最后选用MATLAB进行了系统仿真，并对其做了结果分析。关键字：协作分集；译码转发；中继选择；中断概率Abstract In the field of wireless communications, multipart fading has been plagued major problems of data transmission quality. Though the technology of multiple input multiple output (mimo) put forward in resent years has a major breakthrough on the resistance of channel fading, It is difficult to apply in practical wireless communication terminals as the impaction of antenna size, power consumption and hardware complexity. To the end, a cooperative diversity is proposed after people get inspired from the relay channel. In order to achieve cooperative diversity in the actual application of wireless communications, cooperative diversity schemes are studied and analyzed in this paper. The main theme is: the decoding forward cooperative diversity principles and the relevant agreements; forward cooperative relay is based on decoding options; multi-relay channel to forward the mutual information and outage probability is based on decoding options ; Finally, matlab system is used to simulate and analyze the results. Keywords: cooperative diversity; decoding forward; relay selection; outage probability 目 录第一章 概述11.1 研究背景11.2 本文组织结构2第二章 协作分集技术原理及相关协议分析42.1 分集技术42.1.1 分集技术原理42.1.2 分集技术分类及合并方法52.2 协作分集技术62.2.1 协作分集技术的原理62.2.2 协作分集系统模型72.2.3 协作分集的分类82.2.4 协作分集协议92.3 本章小结11第三章 基于译码转发的协作中继选择方案123.1 中继选择策略123.2 动态选择中继123.3 固定选择中继133.3.1 基于位置信息或平均SNR的中继选择方案133.3.2 基于即时信道状况的中继选择方案143.3.3 固定中继选择方案分析比较143.4 增强中继153.5 本章小结15第四章 基于译码转发协作分集技术的性能分析174.1 协作模型建立174.2 DF协作分集的信道容量194.2.1 基于DF的两用户协作分集的信道容量194.2.2 基于DF的多中继协作分集的信道容量204.3 DF协作分集中断概率214.3.1 基于DF的两用户协作分集中断概率214.3.2 基于DF的多中继协作分集的中断概率234.4 本章小结24第五章 系统仿真及结果分析255.1 仿真平台介绍255.2 系统容量仿真265.2.1 两用户协作分集265.2.2 多中继协作分集295.3 中断概率仿真315.3.1 两用户协作分集315.3.2 多中继协作分集32第六章 结 论35参考文献36附录 外文翻译38致 谢52第一章 概述1.1 研究背景人类进行通信的历史已很悠久。早在远古时期，人们就通过简单的语言、壁画等方式交换信息。千百年来，人们一直在用语言、图符、钟鼓、烟火、竹简、纸书等传递信息，古代人的烽火狼烟、飞鸽传信、驿马邮递就是这方面的例子。在现代社会中，交通警的指挥手语、航海中的旗语等不过是古老通信方式进一步发展的结果。这些信息传递的基本方式都是依靠人的视觉与听觉。19世纪中叶以后，随着电报、电话的发明，电磁波的发现，人类通信领域产生了根本性的巨大变革，实现了利用金属导线来传递信息，甚至通过电磁波来进行无线通信，使神话中的“顺风耳”、“千里眼”变成了现实。从此，人类的信息传递可以脱离常规的视听觉方式，用电信号作为新的载体，同时带来了一系列的技术革新，开始了人类通信的新时代。1864年，英国物理学家麦克斯韦（詹姆斯克拉克麦克斯韦）从理论上证明了电磁波的存在；1876年，德国物理学家赫兹（海因里希鲁道夫赫兹）用实验证实了电磁波的存在；1900年，意大利电气工程师和发明家马可尼（伽利尔摩马可尼）等人利用电磁波进行远距离无线电通信取得了成功，1901年，马可尼又成功地将讯号传送到了大西洋彼岸的美国科学家们发现了可以改变世界的一把“钥匙”，这也标志着此后的时间，这个世界将进入无线电通信时代。虽然移动通信从产生到现在的历史并不长，然而其发展速度却远远超出人们的预料。尤其是最近几十年来，随着微电子技术、计算机和软件工程的发展，移动通信设备在质量、使用方便和可靠性等方面的发展日新月异。纵观移动通信的发展历程，当代移动通信可分为四个阶段：第一代移动通信以模拟调频、频分多址为主体技术，包括以蜂窝网系统为代表的公用移动通信系统、以集群系统为代表的专用移动通信系统以及无绳电话，主要向用户提供模拟语音业务；第二代移动通信以数字传输、时分多址或码分多址为主体技术，简称数字移动通信，包括数字蜂窝系统、数字无绳电话系统和数字集群系统等，主要向用户提供数字话音业务和低速数据业务；第三代移动通信以CDMA为主要技术，向用户提供2Mb/s到10Mb/s的多媒体业务；后三代或第四代移动通信的研究和发展，采用OFDM和多天线等新技术，向用户提供100Mb/s甚至1Gb/s的数据速率。当然无线通信的应用也遇到很多问题。无线通信环境十分恶劣和复杂，存在着大量的直射波、反射波和绕射波等，由于信号经过多条路径到达接收端的时间、幅度和相位不同，导致叠加后信号的幅度急剧变化，从而产生多径衰落。多径效应严重制约了无线通过中信号传输的质量，同时也是影响无线通信传输速率的重要因素，因而成为未来的移动无线通信发展最严峻的挑战之一。对于目前处于火热研究的第四代(4G)移动通信，如何进一步扩大信道容量、改善通信质量成为国内外学术界、产业界普遍关注的问题。针对多径效应，人们曾提出了一系列抗衰落技术以减轻多径衰落的影响，如抗衰落性能好的调制解调技术、扩频技术、功率控制技术、与交织结合的差错控制编码技术以及分集接收技术等。其中分集接收技术是一种有效的抗衰落技术，其基本思想是发送端采取某种方式通过相互独立的衰落信道传送同一信号的多个副本，降低信号分量同时陷入深度衰落的概率；在接收端再对接收到的多个衰落独立的信号进行处理，合理地利用这些信号的能量来改善接收信号的质量。SendonariS等人最早在1998年提出了一种使单天线的移动终端也可以实现空域分集新技术协作分集。系统中的每个移动终端都有一个或多个合作伙伴(Partner)，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，既利用了自己的又利用了其合作伙伴的空间信道，从而获取了一定的空间分集增益。由于协作分集中的合作伙伴共享彼此的天线，从而构成了虚拟的MMIO多天线系统，从这个意义上讲，协作分集为MMIO多天线技术提供了一条新的可选择的实现途径。协作分集是一个崭新的研究领域，在国外刚刚起步，国内已经引起人们的广泛关注。协作分集的思想具有非常广阔的应用前景，可应用于蜂窝移动通信系统、无线Ad-hoc网络、无线局域网以及无线传感器网络等多种场合。1.2 本文组织结构本论文针对协作通信方案的设计及性能分析展开研究，主要研究基于译码转发协作分集协议，重点研究在多中继节点的情况下，采用重复编码和空时编码方式的信道互信息量和系统中断概率。并在此基础上，分析和讨论通过部分信道状态信息，进行基于信道容量增益判决的多中继选择方法。主要内容安排如下：第一章介绍了本课题的研究背景，概括介绍了通信的发展史，无线通信的产生、发展历程及存在的问题，从而引出了分集技术，最后给出了本文的主要结构安排。第二章从分集技术原理入手引入协作分集，接着介绍了协作分集的基本原理，然后给出了协作分集系统的模型，最后介绍了几种协作分集的基本协议，并分析比较了她们的性能和特点。第三章介绍了基于译码转发的多中继协作分集的中继选择方案。分别介绍了在一般情况下基于译码转发的多中继选择策略；在需要考虑在大噪声情况下是否需要进行中继协作的方案动态选择中继方案；最基本的两种中继选择方案基于位置信息或平均SNR的中继选择方案和基于即时信道状况的中继选择方案；为了提高信道利用率，而对选择方案做改良所增强中继。第四章从多中继信道的信道容量和终端概率这两方面来证明协作分集技术对传输系统传输性能的提高。首先建立了系统信道模型，然后，从信噪比入手，根据信息论原理推出了信道容量计算式，最后，介绍了中断概率的计算方法，并分析了影响中断概率的因素。第五章选用MATLAB软件，分别对协作分集信道容量和中断概率做了仿真，通过对直接传输和协作分集传输两种情况下的信道容量的比较及终端概率的比较得出了结论，并且分析了重复编码和空时编码情况下的信道容量和中断概率。第二章 协作分集技术原理及相关协议分析2.1 分集技术在实际的移动通信系统中，移动台常常工作在城市建筑群或其他复杂的地理环境中，而且移动的速度和方向都是任意的。在通信过程中，发送的信号经过反射、散射等的传播路径后，到达接收端的信号往往是多个幅度和相位各不相同的信号的叠加，这就使的接收到的信号幅度出现随机起伏性的变化，这就形成了多径衰落。不同路径的信号分量具有不同的传播时延、相位和振幅，并附加有信道噪声，它们的叠加会使复合信号相互抵消或着相互增强，导致严重的衰落。这种衰落会降低可获得的有用信号功率并增加干扰的影响，使得接收机的接收信号产生失真、波形展宽、波形重叠和畸变，甚至造成通信系统解调器输出出现大量差错，以至完全不能通信。此外，如果发射机或接收机都处于移动状态，或者信道环境一直发生着变化，会引起信道特性随时间随机变化，接收到的信号由于多普勒效应会产生更为严重的失真。在实际的移动通信中，除了多径衰落外还有阴影衰落。当信号受到高大建筑物（例如移动台移动到背离基站的大楼面前）或地形起伏等的阻挡，接收到的信号幅度将降低。另外，气象条件等的变化也都影响信号的传播，使接收到的信号幅度和相位发生变化。这些都是移动信道独有的特性，它给移动通信带来了不利的影响。为了提高移动通信系统的性能，可以采用分集编码，均衡编码和信道编码这3种技术来改进接收信号质量，它们既可以单独使用，也可以组合使用。2.1.1 分集技术原理衰落效应是影响无线通信质量的主要因素之一，其中的快衰落深度可达到3040dB，如果想利用加大发射功率、增加天线尺寸和高度等的方法来克服这种深衰落是不现实的，而且这会造成对其它电台的干扰。而采用分集方法，即在若干个支路上接收相互间相关性很小的载有同一消息的信号，然后通过合并技术再将各个支路信号合并输出，那么便可在接收终端上大大降低深衰落的概率。相应的，还需要采用分集接收技术减轻衰落的影响，以获得分集增益，提高接收灵敏度，这种技术已广泛应用于包括移动通信，短波通信等多种随参信道中。根据信号论原理可知，若有其他衰减程度的原发送信号副本提供给接收机，则有助于接收信号的正确判决。这种通过提供传送信号多个副本来提高接收信号正确判决率的方法被称为分集。分集技术是用来补偿衰落信道损耗的，它通常利用无线传播环境中同一信号的独立样本之间不相关的特点，使用一定的信号合并技术改善接收信号，来抵抗衰落引起的不良影响。空间分集手段可以克服空间选择性衰落，但是分集接收机之间的距离要满足大于3倍波长的基本条件。分集的基本原理是通过多个信道（时间、频率或者空间）接收到承载相同信息的多个副本，由于多个信道的传输特性不同，信号多个副本的衰落就不会相同。接收机使用多个副本包含的信息能比较正确的恢复出原发送信号。如果不采用分集技术，在噪声受限的条件下，发射机必须要发送较高的功率，才能保证信道情况较差时链路正常连接。在移动无线环境中，由于手持终端的电池容量非常有限，所以反向链路中所能获得的功率也非常有限，而采用分集方法可以降低发射功率，这在移动通信中非常重要。分集改善效果指采用分集技术与不采用分集技术两者相比，对减轻深衰落影响所得到的效果。为了定量的衡量分集的改善程度，常用标称改善效果，即用分集增益和分集改善度这两个指标来描述。分集技术包括2个方面：一是分散传输，使接收机能够获得多个统计独立的、携带同一信息的衰落信号；二是集中处理，即把接收机收到的多个统计独立的衰落信号进行合并以降低衰落的影响。因此，如果要获得分集效果，最重要的条件是各个信号之间应该满足是“不相关”的。2.1.2 分集技术分类及合并方法发射分集作为抗衰落的主要方法，已成为近年来讨论的技术热点，并在一些移动通信中得到了很好的应用。此外，发射分集技术还易于与空时编码、OFDM、干扰抑制以及智能天线等技术相结合，最大程度地提高物理层信息传输的可靠性，因此具有非常高的理论价值及深远的现实意义。在多天线技术的发展过程中，学者们提出了多种多样发射分集的方案。不同发射分集的系统模型各不相同，性能也存在或多或少的差异。但总结起来，发射分集技术的实质可以认为是涉及到空间、时间、频率、相位和编码多种资源相互组合的一种多天线技术。根据所涉及资源的不同，分集技术可分为如下几个大类：有空间分集、频率分集、角度分集、极化分集、时间分集等。其中应用最广泛的主要是最大比合并，等增益合并和选择式合并三种方式。对这三种合并方式性能进行比较，可以看出，在这三种合并方式中，最大比值合并的性能最好，选择式合并的性能最差。当N较大时，等增益合并的合并增益接近于最大比值合并的合并增益。分集技术是研究如何充分利用传输中的多径信号能量，以改善传输的可靠性，它也是一项研究利用信号的基本参量在时域、频域与空域中，如何分散开又如何收集起来的技术。“分”与“集”是一对矛盾，在接收端抽取若干条相互独立的支路信号以后，可以通过合并技术来得到分集增益。从合并所处的位置来看，合并可以在检测器以前，即在中频和射频上进行合并，且多半是在中频上合并；合并也可以在检测器以后，即在基带上进行合并。合并时采用的准则与方式主要分为四种：最大比值合并（MRC:Maximal Ratio Combining）、等增益合并(EGC:Equal Gain Combining)、选择式合并(SC:Selection Combining)和切换合并（Switching Combining）。2.2 协作分集技术随着日益增长的多媒体业务的出现，大容量和高速率的移动通信系统越来越受到人们的关注，但是由于移动信道具有的多径衰落和多普勒频移等特性，这严重阻碍了信道容量的增加和服务质量的改善，因此如何有效地对抗移动信道中的多径衰落一直都是广大研究工作者的热点讨论问题。近年来提出的多输入多输出(MIMO)天线技术，通过在接收端和发射端同时安置多个天线，形成MIMO信道结构，从而实现充分利用了空间资源，大幅度提高了信道容量的功能。尽管传统多天线传输具有明显的优势，并已逐渐被新一代无线通信系统的主流协议所采纳，但仍然存在问题。具体地讲，现有的多天线都设置在基站端，而移动终端则很难安置多天线。这主要有两方面的原因：一方面，移动终端对体积、质量和功耗的要求远比基站苛刻得多；另一方面，理想的MIMO多天线系统要求相邻天线之间的距离远大于载波波长，并且多个收发天线之间的传输信道必须是独立的，而移动终端由于体积的限制，根本无法做到这一点。为了克服这个问题，Sendonaris，Erkip和Aazhang等人提出了一种新的空间分集技术协作分集，即通过使网络中各单天线用户共享彼此天线，形成虚拟的多天线阵列来实现发射或接收分集，从而有效地抵抗多径衰落以提高网络性能，并且最早研究了网络容量和中断概率等协作分集系统的性能。接着，Laneman，Tse和Wornell则深入研究了分集的实现策略，提出了固定中继、选择中继和增量中继3种协作策略。此后，Babarossa又研究了Tarokh空时分组码在协作分集中应用，并且也对系统的中断概率进行了一定分析。与Laneman等工作时间上几乎同时进行的是Hunter和Nosratinia提出的编码协作(coded cooperation)研究，即将信道编码技术应用到协作分集中。2.2.1 协作分集技术的原理协作分集技术又称虚拟MIMO技术，其思想虽然来源于中继通信，但是它在许多方面却又不同于中继通信。首先，在中继通信中，中继结点的作用是形成主信道，它是单纯作为中继而存在的，本身没有信息要传送，而协作分集的通信机制就更为复杂，其远不止只是一个简单的中继问题，因为每个用户既要中转其合作伙伴的信息，还要传送自己的信息。此时，中继结点的作用是协助、增强主信道等功能。此外，在协作分集中，用户间的信道是有噪声的，也就是说，不能保证每个用户都可以成功的接收，并正确检测到其合作伙伴发送的信息。这其中最关键的是，传统的中继没有分集的功能，而通过协作可以使单天线用户也获得分集增益。协作分集基本原理是：多用户环境中的单天线用户在传输自己的信息的同时，也能传送其所接收到和检测到的临近用户（即伙伴）传送的信息。其实质就是希望利用合作伙伴的天线与自身天线构成多发射的天线系统，从而产生一个虚拟的MIMO系统，以获得分集增益。当然，协作分集不局限于两个用户之间的协作，它可以是多用户之间的相互协作，即就是一个用户可以同时拥有多个合作伙伴。协作分集以多个用户共享天线和其他网络资源的形式构造一个“虚拟天线阵列”，利用分布式传输和信号处理的方法获得分集增益。因此，协作分集不局限于蜂窝系统，同样适用于无线Ad hoc 网络、无线局域网以及无线传感器网络等多种应用环境。2.2.2 协作分集系统模型协作分集的过程可以分为两步：第1 步，源节点以广播方式发送信号，目的节点和所有的中继节点接收信号，中继节点对接收到的信号进行处理，为第2 步做准备；第2步，中继节点将处理后的信号发送给目的节点，此时源节点也可以向目的节点发送重复的信息或者新的信息，最后目的节点按照某种规则合并两步接收到的信号。上述过程可以用图2.1描述，其中灰色三角形代表源节点，白色三角形代表目的节点，灰色圆代表有用中继，白色圆代表无用中继。 第一步 第二步图2.1 协作分集过程示意图本论文考虑了一个多中继协作的通信系统模型，含有一个信源、一个信宿及多个中继，如图2.2所示。其中，中继和信宿均配备了多根天线。假设中继和信宿配备的天线数分别为：L和T，那么系统最小可以支持的并行数据流个数为M=min（L,T）。为了方便起见，令L=T=M。若信源与信宿之间没有直接可达的通信路径，信源与信宿间的数据通信将完全通过中继间的协作完成。图2.2将上述多中继协作通信系统建模为一个典型的两跳系统，其中，信源与多个中继间的通信定义为第一跳，多中继与信宿间的通信定义为第二跳，分别称为广播信道(BC)和多址信道(MAC)。在广播信道中，信源首先通过编码、调制，将需要发送的数据同时向L个中继传输，L个中继占用相同的频率和时间资源同时接收由信源发送的信号。在多址信道中，多个中继可以采用匹配滤波接收基站发送的信号，并通过一定的功率放大后将信号发送出去。此时，多个中继与信宿间的数据通信仍然占用相同的频率和时间资源，并通过空间复用并行地传输数据。 中继1 中继2 信源 中继L 信宿图2.2 多中继协作分集系统模型2.2.3 协作分集的分类目前有关协作分集的研究基本上都是基于两个用户之间的协作，但正如上节所说，协作分集并不局限于两个用户之间的协作，它可以是多用户之间的相互协作。并且在现实的应用中，多用户的情况也比较广泛，具有代表性，所以研究多用户情况很必要。与两个用户的协作技术相比较，在多用户情况下，协作方案的设计、信号检测以及多址问题等会更加复杂，当然它提供的增益也更加高。本节就多中继协作分集技术中基于不同编码方式下的分类做一简单介绍。假设系统为源节点集合为M=l,2,m的无线网络，在源节点s(s属于M)向目的节点d(d不属于M)的信号传输过程中，源节点集合内的其他节点充当中继节点协助其信号的传送。1. 多中继重复编码协作分集如表2.1所示，我们将信道在频域上均分为m个子信道，各个子信道两两正交，并且每个中继在这样正交的信道下发送自己和其他用户的信息。由表2.1可以看到，在某一频带上，只有源发送的信息和其他m-1个用户对该信息中继产生的m-1个副本，接收端通过合适的合并方式对源信息和这些副本进行合并，从而获得空间分集增益。从图中可以看到任何一个源节点和它的目的节点之间的总信道自由度为1/m。表2.1 基于重复编码协作分集信道分配方案时间轴第一步第二步频率轴1发射2转发13转发1m转发12发射1转发23转发2m转发2m发射1转发m2转发mm-1转发m2. 多中继空时编码分集表2.2给出了基于空时编码协作分集下的一种信道分配分案。此方案在时域上被分为两个时隙：PHASE I和PHASE II；频域上被分为m个频段。在PHASE I，源节点S使用不同的频段向中继节点s（s属于M）传送信息，其中，D(s)为充当源节点中继的集合。在PHASE II，中继节点使用和接收信号相同的频段，以空时编码的形式转发在PHASE I阶段收到的信息。容易看到，每一个节点利用了总信道自由度的1/2，源节点和目的节点之间的总自由度为l/2。对m比较大的场景而言，这是一个不小的改进。与上述重复编码协作分集技术相比，在高信噪比的情况下空时编码仍能获得m阶的分集增益，而且频谱利用率和总的信道自由度也得到了很大的提高。表2.2 基于空时编码的协作分集信道分配方案时间轴第一步第二步频率轴1发射D(1)转发2发射D(2)转发m发射D(m)转发2.2.4 协作分集协议根据现有的研究，通常可以将分集协议按照信号处理的方式分为放大中继协议(Amp lify - and For2ward, AF) 、译码转发中继协议(Decode - and - Forward,DF)和编码协作协议(Coded Cooperation, CC) 。下面分别介绍这几种协议的内容以及各自特点。1. 放大中继协议在AF协议中，协作用户在第1步接收到其伙伴所发射的带有噪声的信号，并在第2步放大转发这些信号。目的端将用户和其伙伴所发送的信号以一定的准则合并，并进行判决。当信噪比较高时，采用这种协议可以使系统获得二阶分集增益。该方案的优点在于：结构简单，进行转发时不需要对信息进行复杂处理，从而具有速度快、复杂度低的特点。但是其缺点在于：用户间信道中的噪声也被放大转发，当协作用户之间链路较差时，放大的噪声将直接影响基站的判决；此外，由于中继过程中没有对信息进行解调，因此基站如果要进行最佳检测，就必须对用户间信道进行信道估计，从而增加了信道估计的复杂度。2. 译码转发中继协议在AF协议转发过程中，放大的噪声可能导致错误传播，为了避免这种由于噪声产生的影响，研究者提出了译码转发中继协议。这种协议是在用户接收并检测伙伴的信息后，重传判决后的信息。由于这种方式在转发信息时进行了判决，从而避免了噪声放大。但是在用户间信道条件较差的情况下，用户可能将其伙伴的信息判决错误，此时也可能对系统的性能造成影响，不能得到完全分集。由此， 进一步提出了选择解码中继协议，也就是根据用户间信道的信噪比条件决定是否转发伙伴的信息，其中选择中继( Selection Relay)和增强中继( Incremental Relay)均是解码中继的改进方案。选择中继是根据中继信道的增益低于一定门限时，取消中继节点的传输，由源节点直接传输信号；增强型中继是在目的端处对源信号解码，并反馈1比特的解码判决信息到用户端，由用户端根据反馈信息决定是否继续进行协作；实际中还经常采用循环冗余校验码(CRC)来完成这项工作，即中继用户接收到伙伴的信息后进行检测和判决，并对判决后的信息进行CRC校验， 如果CRC校验正确则转发信息，校验失败则不转发信息。以上几种改进方案的好处在于避免了用户间信道较差时引起的错误传播，同时也节省了系统的功率开销， 提高了频谱利用率。译码转发中继的优点是在转发过程中消除了噪声的干扰，有利于目的端的最终判决，提高了系统传输的可靠性。但协作伙伴也需要精确估计用户间信道信息，增加了用户端信号处理的复杂度。3. 编码协作协议由于上述协作协议都是基于重复转发的，因此有研究者提出了编码协作分集的概念。TDMA方式下的编码协作可以分为4步。假设两个用户协作需要的时间为N。以穿孔卷积码为例，进行协作时，第1个N/4时隙，用户1传送打孔过的信息位到目的端和用户2，用户2解调译码并通过CRC校验判断接收到的信息是否正确，如果正确则在第2个N/4时隙对信息重新编码，并发送相应的校验位信息到目的端。如果不正确则发送自己的校验位信息。用户1中继用户2的情况与之相似。由于编码协作是利用不同的信道传送了编码冗余信息，相当于将空间分集与编码分集结合起来，不但获得了空间分集增益还可获得编码增益，从而进一步提高了系统传输的可靠性。虽然编码协作在快衰落信道中性能较好，即使用户间信道状况很差，协作用户的性能依然能够得到较大的改善。但是在快衰落信道中，编码协作不能获得较好的误码率和中断率性能，并且在用户间信道状况较差时，系统性能还有可能降低。编码协作的优点在于能够直接利用现有的信道编码技术，将协作与信道编码结合起来提高系统的传输性能。但由于需要进行信道译码，这就增加了协作用户的编译码的复杂度，以及相应的功率开销。2.3 本章小结分集技术是用来补偿衰落信道损耗的，它通过多个信道（时间、频率或者空间）接收到承载相同信息的多个副本，由于多个信道的传输特性不同，信号多个副本的衰落就不会相同。接收机使用多个副本包含的信息能比较正确的恢复出原发送信号。在现在研究领域，分集技术主要应用于多输入多输出（MIMO）技术中，它能够利用无线通信中的多径提供分集增益，从而提高通信速率和质量。虽然MIMO技术能够使系统的性能得到提升，但是移动终端由于受到体积和成本的限制，安装多个天线变得非常困难，这就限制了M IMO技术的应用。因此人们提出了协作分集技术，即在多用户环境下，每个单天线用户在发送自己信息的同时也为自己的协作伙伴发送信息，这样就形成了虚拟多天线系统。研究表明协作分集同样可以达到完全分集的效果，从而可以在不改变用户天线数目的情况下，提高系统的传输可靠性。本章从分集技术入手，简单的介绍了分集技术的分类及分集合并方法。接着引出了协作分集发展的必然性，着重从以下几方面介绍了协作分集技术：首先介绍了协作分集技术的原理。协作分集就是在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合作伙伴的天线与自身天线构成多发射天线，从而产生一个虚拟MIMO系统，以获得分集增益。然后介绍了协作分集系统模型。本文以一个多中继协作的，含有一个信源、一个信宿及多个中继的通信系统为模型，给出了协作分集实现的两个步骤，并画出了系统模型图。接着介绍了协作分集的分类。本文主要介绍了基于多中继协作分集情况下的分类：重复编码协作分集和空时编码协作分集。对两类协作分集的原理及信道分配做了介绍。最后介绍了协作分集的协议。分集协议按照信号处理的方式分为放大中继协议、译码转发中继协议和编码协作协议。本文给出了各分集协议的原理，分析了各协作分集协议在应用过程中的利弊。第三章 基于译码转发的协作中继选择方案3.1 中继选择策略协作通信使得用户可以利用协作伙伴的天线，产生空域分集效果，来对抗无线信道的衰落。然而，现有大多数研究工作都在假定协作伙伴已经选定，在此基础上研究具体的协作方案如何实现空域分集，提高系统性能。研究重点放在以中断概率和误帧率F(ER)等性能参数的分析和系统性能方面。事实上，协作关系的形成也是一个很重要的问题。对于基于译码转发(DF)协作分集，在多个中继节点可用的情况下，可进行如下的协作：第一步，源节点向中继节点和目的节点广播其信息，此时候选中继节点试图解码源节点的信息；第二步，成功译码的所有中继节点进行分布式空时编码，然后发射到目的节点，其中中继节点是否成功译码可以采用CRC等方式来进行判断，目的节点根据两步接收到的信号进行合并。第二步中正确解码的候选中继节点作为源节点的中继来工作，这本身就是一种协作伙伴形成的过程。然而，因为所有中继节点只有在接收了源节点第一步传输的信息且进行相应解码处理后，才能决定自己是否适合作为协作伙伴为源节点中继信息，这对网络资源是一种浪费。以上只是在一般情况下中继选择过程，在实际情况下，中继的确定需要考虑很多因素的影响。首先，需要考虑在大噪声情况下是否需要进行中继协作，如果需要，应该如何选择中继。然后，在中继选择完成后，还要对选择方案做改良，以提高信道利用率。3.2 动态选择中继近年来很多文献在对协作通信进行研究的时候都是基于所有潜在中继节点参与协作的场景，这样做的缺点是信道条件恶劣的中继占用系统资源，而对系统性能提高的贡献十分有限。因此，如何选取参与协作的中继，从而有效利用系统资源，成为一个值得关注的问题。放大转发协作协议(AF)和译码转发协作协议(DF)是所有协作协议中最简单的，中继节点的复杂度最低。然而，在用户间信道状况较差时，对于AF方案，中继节点放大的主要是自己接收端的噪声，此时，协作带来的分集效果不明显；与此类似，在DF方案中，在用户间信道状况较差时，中继节点会将接收信息比特的错误估计发往目的端，导致错误的传播。并且，因为这两种协作方式的中继节点都工作在半双工模式，信道或带宽利用率不高。为了解决以上问题，提出了动态选择中继方案。对于放大转发中继和译码转发中继，我们假设相应接收方已知衰落系数，这样协作终端可以很准确的测量两终端r，s之间的衰落、阴影和路径等带来的损耗系数Ars因此，它们可以根据了解到的Ars值来相应的改变它们的传输形式。这一发现使得选择中继算法产生。如果测得|Ars|2小于某一特定门限时，源节点就简单的采用重复形式或者空时编码方案继续往目的端传输信息而不进行协作。如果测得|Ars|2大于这一特定门限时，中继节点就转发它从源节点接收到的信息，采用放大转发(AF)方式或者译码转发(DF)方式，以获得分集增益。这种形式的选择动态中继(selection and Dynamic Relaying)协作分集，应该会获得分集增益，原因是：无论哪种情况，衰落系数都必须足够小，以免传输信息丢失。特别的，如果|Ars|2很小，那么当中继节点采用放大转发(AF)或译码转发方式时|Ads|2和|Adr|2必须足够小以免信息的丢失。进一步改进的解码中继模式是由Aazrain及Mrtina等提出的动态解码中继模式。在动态解码中继模式中，中继节点首先接收从源节点传输的信息，但是并不马上传输，直到它确信自己正确接收了源节点的信息。在准静态环境下，在中继节点的重传时间可以认为是一个随机变量，编码方法必须考虑该因素。3.3 固定选择中继在目前的研究领域，单个中继节点的最佳中继选择方法应用最为广泛，尽管这种中继方法能提高系统性能，但是由于只采用一个中继节点，无法获得多个中继节点的分集增益。为了获得更大的分集增益，提出了多中继选择方法。对于多个中继节点，下面就基于平均SNR和瞬时信道状态信息的两种最基本中继选择方案进行介绍。在本设计中假设系统由一个源节点、一个目的节点和M个中继节点构成。3.3.1 基于位置信息或平均SNR的中继选择方案在基于位置的中继选择策略中，需要知道源节点目的节点、源节点中继节点、中继节点目的节点的距离，或者相当于需要知道相应的平均信噪比(SNR)。Z.Lin等在编码协作分集情况下，分析给出了协作使用户受益的区域用户协作区域的概念。在各移动终端及目的节点已知各自位置信息的条件下，用户协作区域决定于源节点到目的节点的距离，并且是一个以目的节点为中心的圆。当源节点远离目的节点时，用户协作区域变大，反之，当源节点靠近目的节点时，用户协作区域变小。仅当用户的协作伙伴在此圆中时，用户将通过协作受益，否则，用户不采用协作模式传输。当候选中继节点到源节点距离一定时，最佳中继节点为到目的节点的距离足够近的中继节点。在后续的研究中，提出了只需知道源节点目的节点、中继节点目的节点之间的平均信噪比(或相应的距离)的中继选择方案，该方案的具体实施步骤如下：候选中继节点的天线数不仅限于一个，中继选择由目的节点做出。一旦中继节点R被选为源节点S的中继，R就一直做S的中继，直到S与R之间的即时信道状况变得不可靠，无法充当中继才重新选择中继。具体选择算法有两种：盲选算法BSA(BlindSelectionAlgorithm)和信息选择算法ISA(InformationSelectionAlgorithm)。对于算法的法则和具体实现过程，我们在这里就不做详细的介绍了。根据研究得出，基于译码转发的多中继协作分集的中继选择方案的具体实现过程为：首先给出不同协作增益g的情况下对应的以目的节点为圆心，与中继节点天线数有关的增益环，g越大增益环越小，中继节点天线数越多，增益环越大。在BSA中，根据要求的协作增益g，目的节点仅在天线数最少的中继节点限定的增益环中选取中继节点。第一步，目的节点在相应的增益环中，随机的选取一个中继节点；第二步，若没有合适的节点，将g减1，当g-1大于等于1时，回到第一步，否则，没有中继节点选出，源节点工作于非协作模式。在ISA中，中继节点(包括多天线中继节点)的天线数已知，目的节点采取与BSA相似的方法，首先在天线数少的中继节点限定的增益环中选择，不成功，则增大天线数，再不成功，减小增益要求。当然中继选择不一定只有目的节点可以做出，它还可以由源节点做出。每个节点必须测量其到目的节点的平均信噪比，当该信噪比大于指定门限时，即为候选中继节点，然后所有候选中节点将自己的平均信噪比信息告知源节点，源节点选择其中具有最好平均信噪比的一个节点作为中继节点，之后广播该选择决定给所有候选中继节点。3.3.2 基于即时信道状况的中继选择方案在基于译码转发中继DF协议下，能够正确解码的节点即为中继节点。具体实现为：潜在中继节点测量其与目的节点之间的即时信噪比，当该信噪比大于指定门限时，他就属于候选中继节点。所有侯选中继节点，在源节点传输的下一步，为源节点中继信息。机会中继也是一种基于即时信道状况的中继选择策略，其基本思想是：在M个侯选中继节点中，选取单个在源节点和目的节点之间，具有最好端到端路径的节点作为中继。具体过程如下：源节点发送RTS分组，目的节点听到后，回复CTS分组。潜在中继节点监听该RTS和CTS分组，所有能够正确接收RTS和CTS分组的节点即为候选中继节点。候选中继节点根据接收到的RTS和CTS分组估计其到源节点的信道状况Asd及其到目的节点信道状况Adr，再根据Asd和Adr设置自己的定时器，定时器届满后，候选中继节点向目的节点发送标志分组，标志分组最先到达的即为具有最佳路径的中继节点。最佳中继选出以后，就可以用来往目的端转发信息。不管最佳中继是否与源节点同时传输信息，这与中继选择过程是无关的。中继节点监听源节点到目的节点的即时信道状况，并且在信道状况改变之前以一种分布式的方式，决定哪一个中继具有最好的进行信息中继的路径。这样的话，每个中继节点处的拓扑信息(尤其是在每个中继节点处的源节点和目的节点的位置信息)是不必要的。3.3.3 固定中继选择方案分析比较基于位置信息或平均SNR的中继选择，最佳中继节点的选择依赖于源节点、中继节点及目的节点的位置信息，需要知道或者估计所有中继节点和目的节点之间的距离，这就要求系统有距离估计结构(如各终端安装CPS接收机)，或者能够估计他们之间的平均SNR，而这并不是很简单的问题，并且更适于静态网络，不适于移动网络，因为在移动网络中，平均SNR需要花费足够的开销来估计。而基于即时信道状况的中继选择方案，只需要知道用户间的即时信道状况，这一参数估计起来不困难，且不需要距离或位置估计结构CPS等，但是即时信道状况是变化的，这就要求协作伙伴需要实时更新，更新也会增加开销。目前，也有一些跨越物理层、MAC层及网络层的设计思想被提出，这种设计相对更为复杂。3.4 增强中继在固定中继和选择中继协作分集方案中，因为中继节点总是重传(放大重传或者解码重编码重传)，因此信道的自由度没有充分利用，尤其在高速率情况下。为了改善信道自由度的利用，提出了增强中继协作分集。增强中继(Incremental Relaying)协作分集利用目的端有限的反馈信息，比如说用1比特信息来标明直接传输(源节点到目的节点的传输)的成功或失败。增强中继协作分集可以认为是对中继方法增加了冗余或者混合自动检测重传(ARQ)。在ARQ中，当目的端通过反馈给出否定确认时，源节点就重传，否则不重传。在增强中继协议中，用中继节点重传而不是源节点，这样就可以获得空域分集。例如，假定协议采用反馈和译码转发中继传输。首先，源节点将其信息发往目的端。目的端通过向源节点和中继节点广播1比特信息来标明传输是否成功。我们假定，该信息比特被中继节点正确检测。如果源节点和目的节点的信噪比（SNR）足够高，反馈信息比特就标明直接传输成功，此时中继节点什么都不做；如果源节点和目的节点间的信噪比（SNR）不够高，反馈信息比特要求中继节点放大重传它从源节点接受的信息。这种形式的协议更充分的利用了信道的自由度，因为它们只在需要时重传，即只在目的端无法正确接收信息时发生。3.5 本章小结协作分集是一个全新的思想，它能抵抗信道衰落的影响，提供分集增益，是目前研究热点之一。然而对于它的实现和最后应用，现在还处于研究阶段。现有的大多数研究工作都在假定协作伙伴已经选定，在此基础上研究具体的协作方案如何实现空域分集，提高系统性能。研究重点放在以中断概率和误帧率F(ER)等性能参数的分析和系统性能方面。事实上，协作关系的形成也是一个很重要的问题。本章就基于译码转发的多中继协作分集的中继选择方案做了简单的讨论。首先，介绍了在一般情况下基于译码转发的多中继选择策略