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作者姓名 指导教师 卢为党 所在院系 信息工程学院 专业班级 通信工程1002 完成日期 2013年5月20日 协作分集技术中的中继用户选择算法研究摘要：协作通信它是一种新颖的无限通信技术，它的主要思想是通过中继节点参与协作传输在目的端获得两个或多个在空间上的独立的信号样本，实现空间分集，获得分集增益。所以说如何选择合理的的中继节点成为协作通信的关键问题之一，通过在协作通信模型及原理的基础上，对基于信道状态信息的中继选择算法进行了解，另外熟悉对于未来协作分集的技术应用。关键词：协作通信、中继选择、信道状态信息、分集技术的未来1协作通信1.1协作通信的概念协作通信作为一种空间分集技术,因其能够抵抗无线信道的衰落,提升系统性能,成为近年来通信领域最活跃的研究热点之一。而中继技术更是被视为下一代无线通信网络的关键技术。在协作通信中,每个用户都有一个“伙伴”,在通信过程中,用户在传输自己数据的同时还帮助“伙伴”进行数据传输。通过这种方式利用“伙伴”的天线形成一个虚拟的MIMO系统15,通过互助关系来完成彼此到目的端的信号传输,最终获得空间分集增益。理论分析表明,作为一种抵抗信道衰落损耗的有效手段,协作通信可以应用在多种无线通信网络中,如Ad-Hoc14网络、WSN网络、蜂窝网络等。在协作通信中参与协作的中继集合和集合中中继数量都是不确定的。在有多个中继节点环境下,中继节点如何分配,谁与谁协作,在什么条件和情况下进行协作,这些将直接影响协助传输网络的性能。因此如何在多中继条件下选择合适的中继节点以求给系统带来最大的性能提升成为协作通信的一个重要研究方向。1.2协作通信系统模型 图1协作通信系统模型它包括一个源节点(S),一个目的节点(D)和N个中继节点。在模型中,系统采用时分复用模式,将整个中继过程分为两个时隙。在第一个时隙,源节点S向目的节点D发送数据x,由于无线信道的广播特性,中继节点也可以获得该数据。此时,目的节点和中继节点收到的信号可分别表示为： （1） （2）式中分别表示S-D链路的信道增和加性高斯噪声,分别表示S-Ri链路的信道增益和加性高斯噪声,为源节点处的发送功率。在第二个时隙,中继节点对接收到的信号按照某种方式进行处理,然后发送至目的节点。目的节点对来自于源节点和中继节点的信号进行某种方式的合并处理。目的节点接收到的信号可以表示为： (3)式中、分别表示Ri-D链路的信道增益和加性高斯噪声,为中继节点处的发送功率,f为中继节点对接收信号采用的中继转发方式,常用的中继转发方式放大转发(Amplify-and-For-ward,AF)，译码转发(Decode-and-Forward,DF)编码协作(Coded Cooperation,CC)。1.3 协作通信研究现状协作分集与功率分配在无线蜂窝通信中,用户的发射功率与用户自身所处位置有关,而与其他用户所处的位置无关，但在协作通信中,由于用户之间彼此协作,其发射功率不但与自身所处位置有关,还与协作用户的位置有关。如何根据参加协作用户所处位置,为其分配相应的发射功率,以保证所有用户均能获得良好的通信质量,是目前研究的热点。现阶段,主要的优化方法是通过推导不同协作方案的误码率或中断率理论公式,以最小化误码率或中断率为目标进行功率分配。目前,不同的优化方案有不同的假设前提,主要包括假设发射端和接收端已知信道状态和假设只有接收端已知信道 状态两种。对于前一种假设前提下的研究,主要利用与MIMO技术中注水定理相似的方法进行优化,即利用信道条件较好的用户多传输数据,从而提高系统的可靠性。但是在实际通信环境中信道变化较快,发射端若要获得准确信道参数势必增加其复杂度与功率消耗。因此后一种方案更适合实际的通信环境,例如文献10给出的一种适合放大中继方案的功率优化方法,该方法通过计算系统的中断率上界闭式解进行功率优化分配,其优点在于只需要获得信道状态的统计特性,而不需实时信道参数,从而降低实现的复杂度。2.基于信道信息状态的中继选择算法信道的状态信息包括信道增益和相位,目前在进行中继节点选择时一般以信道增益来决定何时协作以及如何协作。并且假设信道为准静态信道,各节点都能获得全部的信道状态信息,以便各节点间信息的反馈。2.1 基于信道增益调和平均的选择算法 文献3以最小化系统误符号率SER为目标提出了一种基于信道增益的修正的调和平均最佳中继选择算法。在单中继协作通信系统中,该算法根据修正的调和均值,从N个候选中继节点中选出一个最好的参与协作传输。考虑各节点间的信道在时分双工模式下是准静态平坦衰落的,中继可以获得信源到中继以及中继到目的节点的瞬时信道状态。中继计算瞬时度量为 (4)其中为常数,表示标准调和平均函数。然后通过反馈信道将发送给信源。通过将信源与目的节点间的瞬时信道增益与进行比较,可以决定是否采用该中继进行协作。相应地,最佳中继节点选择策略为 (5)即从N个候选中继节点中选择一个具有最大修正调和平均值的中继节点参与协作。该算法的中继节点选择过程可以描述为：在第一个传输阶段,信源计算值,并将其与协作门限值A进行比较。若,则源节点采用直接传输模式发送信息至目的节点。相反,如果,源节点选择信道增益的调和平均为的中继节点参与协作传输。2.2 机会中继选择算法在实时协作通信系统中,各链路的信道增益会随着时间的变化而改变,各节点间需要相互交换信息,系统的开销比较大,复杂度高。文献4提出了一种基于瞬时信道状态信息的机会中继选择算法(Opportunistic Relay Selection, ORS)。它的基本思想是先从多个候选中继节点中选出一个最优的中继,然后将此节点作为源节点和目的节点的协作对象。图2 ORS中继选择模型首先源节点S向中继节点R和目的节点D发送RTS包(Ready to Send)；D在收到RTS包后向中继节点R和源节点S发送CTS包(Clear to Send)。中继根据RTS包和CTS包来分别获得相应的瞬时信道状态信息和。每个中继在收到CTS包后,根据获得的和启动一个初始值为的定时器。其中,参数由下式决定: （6）其中是一个具有时间单位的常数,的值将影响中继选择的速度和碰撞发生的概率。对于的判断有两种准则：(I) 最小准则: （7）(II)调和平均准则: （8）从式(6)可知,信道质量最好的中继节点具有最小的起始时间,将会最先被选出,成为最优中继。最优中继节点向源节点、目的节点和其余的中继节点发送flag包,以标记自己的存在,收到flag包的中继将定时器清零并退出竞争。文献4中提出的机会中继策略中,各中继间不需要相互交换信息,比较简单。但所有的候选中继节点为了接收RTS和CTS分组,都必须保持监听状态,会过多消耗节点能量,进而缩短网络的生命周期。另外,当在同一时间间隔内有两个或者多个中继器同时计时到零时,系统就会发生碰撞冲突,从而导致中继选择失败。为此,文献5提出了一种次优的中继选择算法,通过在中继节点和目的节点设置合适的信噪比门限,将源节点和中继节点的信噪比,以及中继节点和目的节点的信噪比,分别与门限值比较,从而能选择出中继节点。该算法可以获得与机会中继相同的系统性能,同时降低了功耗和系统的复杂度。3.未来可能的研究方向通过现有的研究不难发现,协作分集技术有着非常诱人的前景,但距离实际应用也还有许多关键问题需要解决。3.1针对同步问题的研究现有的研究大多假设用户与用户,用户与中继都能够精确同步,但是这在实际通信环境中难以到达特别是在多用户协作下,由于其位置具有随机分布的特性,使得每个用户信息到达目的端的时延都不同,因此一些基于同步发送的方案,例如空时转发协议就很难实现。此外,用户与协作伙伴同步后,再与目的端同步的就变得非常 困难。因此,在未来的研究中需要考虑与传统同步方法不同的新手段,采用一套综合考虑用户、协作伙伴与目的端的新同步方法。3.2结合中继系统的研究众所周知,采用中继技术可以有效扩大通信区域、覆盖盲点以及增加系统吞吐量,因此该技术已经成为LTE-Advanced标准中的重要备选技术之一；并且中继设备较一般用户设备可以拥有更好的电源供应、更高的复杂度以及更好的通信链路,因此中继协作更容易应用于实际无线通信系统中。目前关于中继协作的研究大多只考虑了中继只具备单天线的情况,在未来的实际系统中,为了提高传输有效性和可靠性必将采用多天线系统,因此MIMO中继将会成为一个研究热点。现阶段的中继协作大多采用与用户协作相似的协议,而对于MIMO中继,因其具有不同的上下行链路特征,就需要设计更适合它的转发协议。此外,中继并不需要为自己传输过多的信息,故可以考虑采用网络编码或迭代调制等手段使中继同时为多个用户服务以增加系统的吞吐量与传输效率。3.3无线网络编码与信道编码的研究由于线性网络编码自身的特性,使其与现有的信道编码技术很容易结合,可进一步获得更好的编码增益。但现阶段的研究通常只考虑简单的网络结构,而实际系统中的用户数量远超出了其假设的范围,如何将联合网络与信道编码的技术应用于复杂的网络场景是一个难点。此外,这项技术需要复杂的译码技术支持才能完成,而随着用户的增加,译码复杂度将会大大增。4 结束语协作分集技术的出现，使多天线技术应用于无线通信系统成为可能,给分集技术带来的好处是能够应用于实际,利用广阔的空间资源来提高通信系统的性能、增大传输速率、提高系统的质量。文中介绍了协作分集技术的特点和其中的主要协议,分析了协作分集技术的研究现状,并讨论了该技术今后可能的发展方向。参考文献1J. 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