协同通信系统中伙伴选择算法比较毕业论文.doc

协同通信系统中伙伴选择算法比较协同通信系统中伙伴选择算法比较作作 者者 姓姓 名名 汪扬汪扬 专专 业业 通信工程通信工程 指导教师姓名指导教师姓名 林霏林霏 专业技术职务专业技术职务 讲师讲师 目目 录录摘摘 要要.1 1第一章第一章 绪论绪论 .31.1 选题意义.31.2 本论文的主要内容.4第二章第二章 协同通信技术概述协同通信技术概述 .52.1 研究背景.52.2 协同通信系统模型.62.3 协同通信中的协作方式.82.3.1 检测转发机制.82.3.2 放大转发机制.92.3.3 编码协作机制.92.4 协同通信中的关键技术.10第三章第三章 伙伴选择算法概述伙伴选择算法概述 .113.1 基于协作区域的中继选择策略.113.2 基于即时信道状况和计时策略的中继选择策略.12第四章第四章 协同通信系统中伙伴选择算法的仿真实现协同通信系统中伙伴选择算法的仿真实现 .134.1MATLAB 简介.134.1.1 引言：.134.1.2 MATLAB 语言的特点：.144.2 几种伙伴选择算法.154.3 仿真操作步骤.16第五章第五章 总结总结 .27参考文参考文献献：.27致谢致谢 . 29附录附录 . 30山东轻工业学院 2010 届本科生毕业设计（论文）1摘摘 要要无线通信采用电磁波传递信息是至今主要的通信方式，但无线信道的衰落特性是制约其发展的主要瓶颈。协同通信技术作为一种虚拟的多天线技术，融合了分集技术与中继传输的优势，为多天线技术的实用化提供了一种有效途径，已引起业界广泛关注。在实际的多用户协同通信系统中，同时存在着多个可供选择的潜在协作中继端。伙伴选择或称作中继选择就是在这些用户中选择最合适的参与协同通信过程，以此获得最大的协同增益。伙伴选择的最佳方案应根据信道状态信息，适时调整协作伙伴集合的组成，进行最优组合，而不是令所有的空闲用户全部参与协同通信，这样会造成巨大的资源浪费。因此，伙伴选择是协同通信系统中的一个重要问题，应该确定哪些用户进行协作，多长时间对协作用户进行重新分配等。本论文从协同通信系统的基本概念入手，首先介绍了协同通信系统的基本模型及其发展，然后针对现有伙伴选择算法进行分类，最后根据三种选择算法（最大-最小算法、平滑算法、随机算法）的基本原理，利用 MATLAB 软件对不同信道参数、不同算法、不同信噪比下的系统误码率性能进行计算机仿真，得出结论：最大-最小算法最优，其次是平滑算法，随机算法最差。关键词：关键词：无线通信 协同通信系统 中继 伙伴选择算法山东轻工业学院 2010 届本科生毕业设计（论文）2ABSTRACTWireless communication, using Electromagnetic waves to transmit information, is by far the main way of communicating, but the fading characteristics of wireless channel have a serious impact on the use of the communicating way. Collaborative communication technology, as a virtual multiple antenna technology, integrate advantages of diversity techniques and the relay transmit. Moreover, this technology provides an effective way for the application of multi-antenna and has attracted industries attention. In practical multi-user cooperative communication system, there are various choices of potential collaboration relay side at the same time. Partner selection or relay selection is to choose the most suitable of these users for participating in collaborative communication process, in order to maximize the synergy gain. According to the channel state information, the best program of partner selection should timely adjust to the composition of a collection of collaborative partners to reach the optimal combination, and not make all the free users participate in collaborative communications, which will cause great waste of resources. Thus, partner selection is an important issue of collaborative communication system. We should determine which users collaborate, how long re-distribution the collaborative users. This thesis begins with the basic concept of the cooperative communication system. Firstly, we introduced the collaborative communication system basic model and development. Secondly, we classified existing partners selection algorithm. Lastly, according to three kinds of basic principles of selection algorithm (Max - Min algorithm, smoothing algorithm, randomized algorithm), we make a computer simulation for different channel parameters, different algorithms, and the system bit error rate performance under different SNR by MATLAB software. It concluded: Max - Min algorithm optimal, followed by smoothing algorithm, random algorithm the worst. Key words：Wireless communication; Collaborative communication systems; Relay; Partner selection algorithm山东轻工业学院 2010 届本科生毕业设计（论文）3第一章第一章 绪论绪论1.1 选题意义1832年莫尔斯发明了电报，它传送的信息是由众所周知的点划码组成的。以后贝尔又发明了电话，一个多世纪以来，以电话服务为主的电信业走了一条成功之路，取得了极大的发展。然而随着人类社会的发展，电信业务也从早期的电报、电话发展到今天多种业务并存的局面，通信的规模也发生了翻天覆地的变化。随着科学技术的发展，现代通信又进入了数字时代。20世纪90年代信息和知识爆炸式的增长，特别是因特网商用化后的迅猛发展，使传统的电信业受到巨大的震动和冲击。在信息和知识已成为社会和经济发展的战略资源和基本要素的时代中，人们更加需要随时随地获取信息，原来点对点的固定电话通信方式已远不能满足需求了。人类需要宽带的无线通信技术，来满足多媒体化、普及化、多样化、全球化和个性化的信息交流。无线通信是指采用电磁波进行信息传递的通信方式。无线通信发展至今，人们对无线传输的数据速率和服务质量的要求不断提高。与主要传送语音业务的第1代、第2代无线通信系统不同，第3代及第4代无线通信系统还将支持速率高达100Mb/s-1Gb/s的多媒体宽带数据业务，因此寻求进一步扩大信道容量、改善通信质量的新技术是国内外学术界、产业界普遍关注的问题。然而无线通信利用无线电波进行信息传输。无线电波会随着传播距离的增加而发生弥散损耗，受到地形、地物的遮蔽发生“阴影效应”，而且信号经过多点反射，会从多条路径到达接收点，这种多径信号的幅度、相位和到达时间都不一样，它们相互叠加会产生电平衰落和时延扩展。无线信道的衰落特性是阻碍信道容量增加和服务质量改善的主要原因之一。分集是抵抗多径衰落的有效方式, 有时间分集、频率分集、空间分集多种方式, 其中空间分集从不同的位置( 天线) 发送信号, 从而在接收端得到经历独立衰落的多个信号副本, 可以有效地消除多径衰落的影响, 并且由于不需要占用额外的时间和频带资源, 并且可以和其他信号处理方式相结合, 因此得到了广泛的关注。多发送多接收天线(Multiple Input-Multiple Output, MIMO) 技术在通信链路的发送端与接收端均使用多个天线, 它能够将传统通信系统中存在的多径因素变成对用户通信性能有利的因素, 在对抗多径衰落, 提高通信链路的通信速率和质量方面有着明显的优势, 它的空域发射分集技术已经成为3GPP的WCDMA标准协议。但应当指出, 虽然发射分集技术可使系统性能得到多方Comment lf1: 误码率是 symbol error rate（SER） ，BER 是误比特率山东轻工业学院 2010 届本科生毕业设计（论文）4面的提升, 但是在实际的蜂窝通信系统它还只能应用于基站端, 以此提高下行链路的通信质量。而对于上行链路或传感器网、自组网(Ad hoc) ,移动终端由于受到体积、功耗、工艺等多方面的限制, 使在其上安装多个天线有很大的困难, 因此也极大地限制了MIMO 技术的应用。为了解决这个问题, 一种全新的空域分集技术-协作分集应运而生, 在一个多用户的环境中, 每个单天线的移动终端都有自己的合作伙伴, 每个终端在发送自己信息的同时也帮助其他终端发送信息, 也就是说他们可以共享彼此之间的天线从而形成虚拟的MIMO子信道, 以此来模拟MIMO系统通信。众多研究表明, 这种协作通信方式可以像MIMO系统一样增加系统的信息传输速率, 改善系统性能, 提高通信质量, 更为重要的是这种技术将MIMO技术的实用化推进了一大步。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码率(BER)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。例如，对于协作分集，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，正确解码的中继节点，转发源节点的信息到目的节点;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。在实际的多用户协同通信系统中，同时存在着多个可供选择的潜在协作中继端。伙伴选择就是在这些用户中选择最合适的参与协同通信过程，获得最大的协同增益。伙伴选择的最佳方案应根据信道状态信息，适时调整协作伙伴集合的组成，进行最优组合，而不是把所有的空闲用户全部参与协同通信，这样会造成巨大的资源浪费。因此，伙伴选择作为协同通信系统中的一个关键技术，非常具有研究价值。因此，在源节点正式传输前，确定协作伙伴关系将是急需解决的问题之一。山东轻工业学院 2010 届本科生毕业设计（论文）51.2 本论文的主要内容本论文主要研究的基于不同信噪比与不同伙伴选择算法下的系统误码率性能。第二章介绍协同通信系统及伙伴选择算法的发展现状，其中包括协同通信系统、模型，协作信号的处理方式以及协同通信中的关键技术。第三章对现有的伙伴选择算法进行分类与介绍对几种伙伴选择策略进行介绍。第四章利用MATLAB 软件对协同通信系统中的伙伴选择算法进行计算机仿真，观察比较三种算法（具体算法名称）的优劣。此外，由于在仿真的时候需要用到 MATLAB 软件，因此，在对系统进行仿真之前，对 MATLAB 进行了简单的介绍。 第二章第二章 协同通信技术概述协同通信技术概述2.1 研究背景协作通信基本思想可以追溯到Cover 和El Gamal 关于中继信道的信息论1特性。他们分析了一个三节点网络（源节点、目的节点和中继节点）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（从源节点来看）和一个多址信道（从目的节点来看）。然而，协作通信在很多方面与中继信道存在差异。首先，目前的研究集中在如何产生克服衰落的分集，Cover 和El Gamal 主要分析在加性白高斯噪声信道（AWGN）下的信道容量；其次，中继信道的中继目的是为了帮助主信道，协作通信整个系统资源是固定的，用户既是信息源又是中继者。在协作通信系统中，每个用户既要发送自己的数据，同时也要作为其他用户的协作代理。很明显，协作机制将导致码速率和发射功率的折衷。就功率而言，一方面，在进行协作通信时，由于每个用户既要发射自身数据，又要中继其他用户数据，所以需要更高功率；另一方面，由于产生了分集增益，每个用户基本发射功率可以适当减小。速率也存在同样问题，在协作通信时，虽然每个用户既要发送自身数据，又要中继其他伙伴数据，但由于产生了协作分集，每个用户的频谱效率都得到改善，信道码速率由此提高。这也形成了一个折衷。有人把协作通信看作功率和带宽的联合博弈。协作前提是对用户功率和带宽采取某种分配策略改善系统性能。在资源协作分配中，每个用户都为其他多个用户发送数据。协同通信技术源于中继信道,但在很多方面又区别于中继信道。首先,协同通信技术应用于衰落信道中,主要目的是对抗多径衰落,而中继信道分析的则是Comment lf2: 参考文献，上标，后面类似地方我不再指出，注意自己检查修改山东轻工业学院 2010 届本科生毕业设计（论文）6AWGN 信道的容量;其次,中继信道中的中继节点的唯一目的就是帮助源节点发送信息,而在协同通信中,整个系统的资源是固定的,各用户既可充当中继节点帮助源节点发送信息,又可作为源节点发送自己的信息。因此,协同通信技术研究的侧重点有所不同。协同通信技术的基本思想是在多用户通信环境中,使用单副天线的各临近移动用户可按照一定方式共享彼此的天线协同发送,从而产生一种类似多天线发送的虚拟环境,获得空间分集增益,提高系统传输性能。这种传输方式融合了分集技术与中继传输的技术优势,形成了分布式的虚拟 MIMO 系统,克服了相干距离等的限制,在不增加天线数目的基础上,在传统通信网络中可获得与多天线及多跳传输情况下相近的传输增益。所谓虚拟 MIMO 指的是:在协同通信系统中,多个中继节点本身可自然形成虚拟的天线阵列,节点间通过相互配合和信息互通,模拟传统 MIMO 技术的应用环境,从而实现联合空时编码的传输方案。与此同时,目的节点不仅接收来自源节点直接发送的信号,同时还接收来自中继节点转发的信号,并根据无线链路传输状况和信号质量,选取不同的合并方式进行处理,从而最大限度地利用有效信息,获得分集增益并有效地提高数据传输速率。 自 Sendonaris 等从 1998 年提出协同通信的概念以来,各国相关的研究方兴未艾。 (1)国际上,许多相关课题已经或正在展开。例如无线世界研究论坛(WWRF)已经成立了关于中继的分组委员会专门开展对此技术的研究,并发表了相关研究的白皮书。2004 年 1 月 1 日,欧盟在第六个框架程序中启动了 WINNER 项目,其目的是研究一个无处不在的无线系统,在性能、效率和覆盖灵活性上更加优于目前的系统,项目中也包含了基于中继的概念。很多知名国际期刊、会议也单独列出子方向对协同通信技术进行报道,如 IEEE 主办的 Communication Magazine 等杂志,ICC、WCNC、GlobleCom 等会议。2006 年,Springer 也出版了由众多学者合作的关于协同通信技术的专著。(2)世界已有多所大学的实验室开展了这方面的研究,例如瑞士皇家科学院通信技术实验室无线通信课题组的研究项目“Cooperative MIMO Wireless Network”、欧洲通信委员会组织的项目“IST-ROMANTIK”等。当然,还有更多大学的教授学者在协同通信技术方面做出了卓越贡献,如麻省理工大学的 J N Laneman 博士、美国 Polytechnic University 的 E Erkip 副教授、英国伦敦大学 King 学院的 M Dohler 副教授、美国德州大学多媒体通信实验室的 T E Hunter 博士和明尼苏达州大学的 M O Hasna 博士等。 (3)近年来,协同通信技术在中国也引起了广泛关注,国家自然科学基金委、教育部等均设立多个资助项目,众多高校也已展开研究,如北京邮电大学、浙江大学、西安电子科技大学等。山东轻工业学院 2010 届本科生毕业设计（论文）72.2 协同通信系统模型图 2-1 给出了由一个源端 S，n个中继端 R 与一个目的端 D 组成的并联中继模型，中继端利用 AF 方式转发源端信息。协同通信过程分两阶段完成，所有用户通过正交信道发送信息，正交信道可由 TDMA、FDMA 或 CDMA 方案得到1-5，简单起见，选择了时分模式。假设总的发送功率为P，与（）分sPirP1,in别表示源端与第i个中继端的发送功率，满足。1insriPPP第一阶段，源端广播信息给目的端与n个中继端，目的端与第i个中继端的接收信号分别为： 式(2-1),ss ds ds dPyhx Z 式(2-2),iiiss rs rs rPyhx Z式中，x是源端的发送信号，与分别表示源目的端与源第i个中继, s dh,is rh端的信道衰落系数，与表示方差为的加性高斯白噪声。, s dZ,is rZ0N图 2-1： 具有 n 个并联中继的信道模型第二阶段，n个中继端分别将接收到的源端信号放大后转发给目的端，则目的端接收到的第i个中继端的信号为： 式(2-3),()=iiiiiiiiiis rs,rs riiir dr dr dr dr dr dZyhyZhhxhZZ 式中，放大倍数，是第i个中继相关两信道的等效噪声。iiri2s,rs0P=hP +NiZ表示第i个中继目的端的信道衰落系数。,ir dh山东轻工业学院 2010 届本科生毕业设计（论文）8最后目的端利用直接与转发n1 条路径得来的信息进行接收合并。假设所有信道遭受窄带频率非选择性衰落与加性高斯白噪声。以上式（2-1）（2-3）中的（, ）表征信道衰落系数，均为满足,m kh , ims r , ikr d独立、循环对称复高斯分布的随机变量，均值为零，方差为，其包络2,m k满足瑞利（Rayleigh）分布，包络平方满足参数为的指数分布。,m kh2,m kh2,1m k假定接收端确知信道状态信息，但发送端仅知道统计信道状态信息。2.3 协同通信中的协作方式2.3.1 检测转发机制该方法与传统中继方法很接近。这里考虑两个用户伙伴相互协作情况，用户首先尝试检测出用户伙伴的数据比特，然后将检测出的比特重新发送。用户伙伴可以通过基站或其他技术进行指定。这样在实际中，每个用户都有一个伙伴为它提供第二条路径，从而形成分集。目前，协作伙伴的分配也是比较热的研究课题。这种译码转发机制的实例可以参考Sendonaris发表的专著，它给目前这方面的研究带来了很多灵感。Sendonaris在专著中分析了码分多址（CDMA）系统的译码转发协作机制。在该机制中，两个用户成对地进行相互协作。每个用户都具有各自的扩频码和。两个用户的数据比特分别是 1tc 2tc，其中i= 1，2，为用户索引号，n为信息的时间标记。因子表示信号 nib, i ja幅度，体现了对各部分的功率分配。每个信号周期包括3bit 间隔。这里表示用户1 的信号，表示用户2 的信号。于是可以表示为： 1tX 2tX 式（2-4） 21221111112111311142,2ttttta b ca b ca b cacXb 式（2-5） 2212221222222231242,21ttttta b ca b cacacXbb在第一和第二时间间隔内，每个用户都发送自己的比特信息和检测其他用户的第二比特（表示为） ；在第三时间间隔内，两个用户均发送自己第二比特和ib伙伴第二比特的线性组合。对于第一、二、三时间间隔，其发送功率可变，根据上行和用户信道之间的条件，可以对相关发射功率进行优化，该方法对信道状态具有自适应能力。山东轻工业学院 2010 届本科生毕业设计（论文）9通过因子进行功率分配，可以使平均发射功率保持不变。简言之，当, i ja用户之间信道状态较好时，将分配更多协作功率；反之，当用户之间信道状态不好时，将减小用户协作功率。这种信号处理机制非常简单，但还存在以下问题：a）用户对伙伴信号的检测可能失败，这时协作对在基站进行的最后检测是有害的；b）为了获得最优译码，基站需要知道用户之间信道的差错特性。为了避免上述差错传播问题，Laneman 提出了混合译码转发方法，当衰落信道具有较高信噪比（SNR）时，用户可以对其伙伴数据进行译码，当信道具有低SNR 时，用户返回到非协作模式。12.3.2 放大转发机制在该机制中，每个用户接收并放大其伙伴发送的带有噪声的信号，再将已放大的带有噪声的信号重新发送。基站对用户及其伙伴发送的数据进行合并判决。尽管协作者在放大信号的同时也放大了噪声，但基站能接收到两个独立的衰落信号，并能作出较好的判决。该机制由Laneman提出并进行了详细分析。研究表明，在两个用户和高信噪比情况下，该机制获得的分集阶数为2。在放大转发机制中，如果用户间信道系数已知，就可以进行最优译码，所以该机制必须进行必要的信道估计和信息交换。对该机制而言，另一个挑战是对模拟信号进行抽样、放大和重传，但这种技术并不简单。总之，该机制还是较简单的协作机制，方便分析，对进一步理解后面的协作通信系统非常有帮助。12.3.3 编码协作机制编码协作机制是信道编码思想和协作的综合。编码协作机制通过两条独立的衰落信道发送每个用户码字的不同部分，其基本思想是每个用户都将增加的冗余信息发送给其伙伴。当他们之间的信道非常恶劣时，该机制自动恢复到非协作模式。该机制的突出特点是通过信道协作编码设计实现，无须用户之间的反馈。用户发送的源数据包括有效信息和循环冗余校验（CRC）信息。在编码协作机制中，每个用户数据发送周期都分为两个阶段，每个阶段称为一帧。对于第一帧，每个用户发送的码字包括个bit。每个用户都尝试对伙伴数据进行正1N确译码，如果译码正确（由CRC 决定） ，在第二帧，用户将计算并发送其伙伴的第二部分，包括个bit。否则，用户将在第二帧传送自己的第二部分，也是2N 个bit。这样，每个用户每个周期都发送N（ + ）个bit。可将协2N1N2N作水平定义为，即用户为伙伴传送的比特数目与总传输比特数的比值。2NN编码协作网络结构如图2-2 所示。山东轻工业学院 2010 届本科生毕业设计（论文）10图2-2通常，各种信道编码方法都可以用于编码协作网络中。例如，整个码字可以是分组码，也可以是卷积码，或者是二者的结合。本文使用速率匹配凿孔卷积码（RCPC） ，第一帧是把码长为N 的码字凿成码长为 得到的，第二帧由1N凿掉的比特组成。12.4 协同通信中的关键技术传统中继器通常用于深度阴影衰落区域以提高无线覆盖，如今，协同中继传输已演变成为一项具有智能意义的前沿技术，无线协同通信系统也不只是简单的多跳传输，而是能够实现泛在高数据速率覆盖和流量的低成本网络构架，有区别于传统直传系统的显著特点和需要解决的问题。具体为：（1）信道复用问题。中继端在转发信息时需要占用信道，而预先为中继端预留信道是不现实的。现在协同通信中大都采用 TDMA 方式，无疑会降低信道的利用率。因此，选择合适的“协同时机”显得尤为重要；（2）中继端处理方式带来的问题。如前所述，AF 方式会造成噪声传播，而且其前后信道是相关的。DF 方式会造成误差累积。这些都会使得中继信道有别于传统无线信道，增加了分析的复杂度；（3）中继端的移动性。现在协同通信系统中，中继端往往是不停运动的，例如蜂窝网中的手机用户。因此，假设中继端固定不动未免具有片面性，而且不符合实际情况，现有文献鲜有涉及到中继端运动的情况。因此，选择合适的运动模型以及考虑移动性对系统性能的影响是极为重要的；（4）无线资源管理问题。这主要涉及到功率分配与伙伴选择。协同通信在研究之初，大都假设源端与中继端之间等功率分配，这种方式虽然简单，但众多研究表明，它显然不是最优的，因而构造一种有效的功率分配方案是必要的。伙伴选择与“协同时机”的问题有些类似，而中继的移动性也加剧了伙伴选择的难度；山东轻工业学院 2010 届本科生毕业设计（论文）11（5）与其它技术的结合。前面已经简单介绍了协同通信技术与编码、空时编码的结合。现在研究的一个热点是与 OFDM 技术的结合问题45-46，可以同时发挥协同通信与 OFDM 的优势，既可以得到分集增益，又能够抵抗频率选择性衰落。而协同通信与认知无线电技术的结合仅处于起步阶段，在国内未见相关文献发表，本文将其作为一个研究方向，在第六章中进行了详细的分析。因此，针对以上关键技术，结合本文所关注的方向，下面对协同通信系统中的功率分配、伙伴选择以及信道估计等关键技术进行较为系统的描述。第三章第三章 伙伴选择算法概述伙伴选择算法概述在实际的移动通信系统中，同时存在着很多个可供选择的协同用户。中继选择就是在这些用户中选择最合适的参与协同，获得最大的协同增益。目前中继选择策略主要有：基于协作区域的中继选择策略和基于即时信道状况和计时策略的中继选择策略。3.1 基于协作区域的中继选择策略如图3-1所示，协同区域就是：在用户和采用编码协作的条件下，如1S2S果用户和目的节点之间的距离已经确定，那么的协同区域(协同增益1S1D1S大于1的区域)是以目的节点为圆心，为半径的一个圆。由路径损失系rDrD数，每比特发送能量，信道编码码字和决定。1D山东轻工业学院 2010 届本科生毕业设计（论文）12图3-1：图片说明用户协作区域的位置和大小与源节点和目的节点有关，具体地说是以目的节点为圆心的一个圆，半径由源节点与目的节点的距离决定。如果协同用户位于这个圆内则可以通过采用协同的方法获得增益，反之则不能。编码协作理论指出，如果协同用户能够正确地对源用户解码，则向基站传送源用户的码字，如果不能正确解码则向基站传送协同用户自己的码字。结合协同区域的分析，可以得出：当源节点和目的节点的距离已经确定时，协同策略是否奏效由协同用户和目的节点之间的距离决定。如果在协同区域内有大于一个的用户可供选择，则需要根据用户间信道的性能来决定到底选择哪一个作为协同用户。文献5给出了一种选择中继的方法。由其中一个用户与目的节点的距离以及信道的参数可以求得一个门限值 ，*D如果第二个用户与目的节点的距离大于门限值则选取第一个用户作为协同对象，反之则选取第二个。23.2 基于即时信道状况和计时策略的中继选择策略然而在实际应用中，各个用户是不断运动的，所以及时地确定用户之间的距离是一件很困难的事情。正因为如此基于协作区域的中继选择策略只适合于静态的网络。对于动态的网络需要采用基于即时信道状况和计时策略的中继选择方法。按照机会中继的理论，根据各个中继提供的源节点和目的节点之间的路径选择性能最好的那个。从源节点到中继i之间的信道参数为， 从中继i到目sia山东轻工业学院 2010 届本科生毕业设计（论文）13的节点之间的信道参数为 。这些参数体现的是信道的传播环境的模型并随ida着时间而改变。所以机会选择的过程必须在信道参数改变之前迅速地完成。在这样的情况下，中继节点没有必要知道整个网络的拓扑信息。选择的过程完全基于无线信道的物理特性。更加具体地说，中继会收到RTS(ready to send)和CTS(clear to send)两个包。各个中继一旦收到CTS包，就会根据瞬间估计的， ，启动参数为siaidah的定时器。拥有最好的端到端信道特性的那个中继的定时器首先到时。在到时后该中继会广播发送一个短时长的标志包。在中继节点之间相互可见的情况下，定时器还没有到时的中继节点在收到这个包后把各自的定时器置为初始值。在各个中继可以与源节点和目的节点通信但是中继节点相互不可见的情况下，中继将会向目的节点发送一个定时器到时的信号，然后由目的节点向其它各个中继广播这个消息。 信道会在每个中继对sia，ida进行估计来评价源中继目的地之间的无线信道的质量。因为两跳都对信道的端对端特性有着很大的影响，所以每个中继都会估计本身是否适合作为被使用的那个，可以利用一个包含两跳性能的函数来衡量。这个函数有两种表达形式，一种是选取两者中比较小的一个，另一种是取两者的调和平均。形式1： 式（3-1）22min,isiidhaa形式2： 式（3-2）2222222211isiidsiidsiidaahaaaa研究表明，基于即使信道状况和计时策略的中继选择方法不但能获得一定的协同增益而且能简化协同过程中空时编码的使用。山东轻工业学院 2010 届本科生毕业设计（论文）14第四章第四章 协同通信系统中伙伴选择算法的仿真实现协同通信系统中伙伴选择算法的仿真实现4.1MATLAB 简介4.1.1 引言：在科学研究和工程应用中，往往要进行大量的数学计算，其中包括矩阵运算。这些运算一般来说难以用手工精确和快捷地进行，而要借助计算机编制相应的程序做近似计算。目前流行用Basic、Fortran和c语言编制计算程序,既需要对有关算法有深刻的了解，还需要熟练地掌握所用语言的语法及编程技巧。对多数科学工作者而言，同时具备这两方面技能有一定困难。通常，编制程序也是繁杂的，不仅消耗人力与物力,而且影响工作进程和效率。为克服上述困难，美国Mathwork公司于1967年推出了“Matrix Laboratory” （缩写为Matlab）软件包，并不断更新和扩充。目前最新的7版本（windows环境）是一种功能强、效率高便于进行科学和工程计算的交互式软件包。其中包括：一般数值分析、矩阵运算、数字信号处理、建模和系统控制和优化等应用程序，并集应用程序和图形于一便于使用的集成环境中。在此环境下所解问题的Matlab语言表述形式和其数学表达形式相同，不需要按传统的方法编程。不过，Matlab作为一种新的计算机语言，要想运用自如，充分发挥它的威力，也需先系统地学习它。但由于使用Matlab编程运算与人进行科学计算的思路和表达方式完全一致，所以不像学习其它高级语言-如Basic、Fortran和C等那样难于掌握。实践证明，你可在几十分钟的时间内学会Matlab的基础知识，在短短几个小时的使用中就能初步掌握它.从而使你能够进行高效率和富有创造性的计算。Matlab大大降低了对使用者的数学基础和计算机语言知识的要求，而且编程效率和计算效率极高，还可在计算机上直接输出结果和精美的图形拷贝，所以它的确为一高效的科研助手。自推出后即风行美国，流传世界。4.1.2 MATLAB 语言的特点：1.编程效率高它是一种面向科学与工程计算的高级语言，允许用数学形式的语言编写程序，且比 Basic、Fortran 和 C 等语言更加接近我们书写计算公式的思维方式，用 Matlab 编写程序犹如在演算纸上排列出公式与求解问题。因此，Matlab 语言也可通俗地称为演算纸式科学算法语言由于它编写简单，所以编程效率高，易学易懂。山东轻工业学院 2010 届本科生毕业设计（论文）152.用户使用方便Matlab 语言是一种解释执行的语言（在没被专门的工具编译之前） ，它灵活、方便，其调试程序手段丰富，调试速度快，需要学习时间少。人们用任何一种语言编写程序和调试程序一般都要经过四个步骤：编辑、编译、连接以及执行和调试。各个步骤之间是顺序关系，编程的过程就是在它们之间作瀑布型的循环。Matlab 语言与其它语言相比，较好地解决了上述问题，把编辑、编译、连接和执行融为一体。它能在同一画面上进行灵活操作快速排除输入程序中的书写错误、语法错误以至语意错误，从而加快了用户编写、修改和调试程序的速度，可以说在编程和调试过程中它是一种比 VB 还要简单的语言。具体地说，Matlab 运行时，如直接在命令行输入 Matlab 语句（命令） ，包括调用 M 文件的语句，每输入一条语句，就立即对其进行处理，完成编译、连接和运行的全过程。又如，将 Matlab 源程序编辑为 M 文件，由于 Mat1ab 磁盘文件也是 M 文件，所以编辑后的源文件就可直接运行，而不需进行编译和连接。在运行 M 文件时，如果有错，计算机屏幕上会给出详细的出锗信息，用户经修改后再执行，直到正确为止。所以可以说，Mat1ab 语言不仅是一种语言，广义上讲是一种该语言开发系统，即语言调试系统。3.扩充能力强高版本的 Matlab 语言有丰富的库函数，在进行复杂的数学运算时可以直接调用，而且 Matlab 的库函数同用户文件在形成上一样，所以用户文件也可作为Matlab 的库函数来调用。因而，用户可以根据自己的需要方便地建立和扩充新的库函数，以便提高 Matlab 使用效率和扩充它的功能。另外，为了充分利用Fortran、C 等语言的资源，包括用户已编好的 Fortran，C 语言程序，通过建立 M 文件的形式，混合编程，方便地调用有关的 Fortran，C 语言的子程序。4.语句简单，内涵丰富Mat1ab 语言中最基本最重要的成分是函数，其一般形式为a，6，c = fun（d，e，f，） ，即一个函数由函数名，输入变量d，e，f,和输出变量 a，b，c组成，同一函数名 F，不同数目的输入变量（包括无输入变量）及不同数目的输出变量，代表着不同的含义（有点像面向对象中的多态性。这不仅使 Matlab 的库函数功能更丰富，而大大减少了需要的磁盘空间，使得 Matlab 编写的 M 文件简单、短小而高效。5.高效方便的矩阵和数组运算Matlab 语言像 Basic、Fortran 和 C 语言一样规定了矩阵的算术运算符、关系运算符、逻辑运算符、条件运算符及赋值运算符，而且这些运算符大部分可以毫无改变地照搬到数组间的运算，有些如算术运算符只要增加“”就可用于数组间的运算，另外，它不需定义数组的维数，并给出矩阵函数、特殊矩山东轻工业学院 2010 届本科生毕业设计（论文）16阵专门的库函数，使之在求解诸如信号处理、建模、系统识别、控制、优化等领域的问题时，显得大为简捷、高效、方便，这是其它高级语言所不能比拟的。在此基础上，高版本的 Matlab 已逐步扩展到科学及工程计算的其它领域。因此，不久的将来，它一定能名符其实地成为“万能演算纸式的”科学算法语言。6.方便的绘图功能Matlab的绘图是十分方便的，它有一系列绘图函数（命令） ，例如线性坐标、对数坐标，半对数坐标及极坐标，均只需调用不同的绘图函数（命令） ，在图上标出图题、XY轴标注，格（栅）绘制也只需调用相应的命令，简单易行。另外，在调用绘图函数时调整自变量可绘出不变颜色的点、线、复线或多重线。这种为科学研究着想的设计是通用的编程语言所不及的。总之，Matlab语言的设计思想可以说代表了当前计算机高级语言的发展方向。我们相信，在不断使用中，读者会发现它的巨大潜力。4.2 几种伙伴选择算法在本节中，各中继不断测量S-Ri和Ri-D端的瞬时信道状态信息，并将此信息反馈给源端，由源端按不同的方案确定最佳的中继。若源端和中继平均分配功率，则S-R和R-D链路对总的接收SNR的影响等效，即这两跳对端对端的性能影响一样重要。下面给出考虑这两跳的链路质量的两种伙伴选择算法。方案一，选择两跳中瞬时链路质量最小的；方案二，选择两跳的调和平均。而方案三则采用随机选择方式。方案一： 式（4-22,min,iiis rr dhhh1）取（） ，即取使最大的那个中继作为S-D间端到端的最佳max( )bihh1,2inih中继，将这种方案叫AF协同通信系统中的Max-Min方案。方案二： 式（4-22,22,22,2211iiiiiis rr dis rr ds rr dhhhhhhh2）也取（） ，即取使最大的那个中继作为S-D间端到端的最max( )bihh1,2inih佳中继，将这种方案叫AF协同通信系统中的平滑方案。方案三：随机选择，由源端随机选择一个中继作为最佳中继。山东轻工业学院 2010 届本科生毕业设计（论文）174.3 仿真操作步骤1、打开MATLAB 7.0，在桌面会弹出一个命令窗口（如图4-1）图 4-12.在弹出的命令窗口中依次单击 File|New|Mfile(见图 4-2)打开编辑窗口 山东轻工业学院 2010 届本科生毕业设计（论文）18图 4-23.在编辑窗口中编程 以下是主程序：clear all;close all;Numsymbols=input(输入符号的个数：);NumOfRelay=5; %中继个数Relay_Number=0; %初始化所选中继端的号码SNR=0:2.5:30; %以分贝表示的信噪比PN0=10.(SNR/10); %转换成十进制表示的信噪比N0=1; %噪声功率是 1Powertemp=N0.*PN0; %信号功率sigmasquare=1 10 10;1 10 1;1 1 1; %设置参数SymsErrorRatio=zeros(NumOfRelay,length(SNR); %初始化误码率BitsErrorRatio=zeros(NumOfRelay,length(SNR); %初始化误比特率for k=1:length(SNR) Power=Powertemp(k); if(mod(Numsymbols,2)=0) error(the num of bits for QPSK must be multiple of 2); else山东轻工业学院 2010 届本科生毕业设计（论文）19 BitsTransmit=randint(1,Numsymbols); SymbolsTransmit,NumberSymbols,DecSymbolsTransmitted=QpskModulate(BitsTransmit); %设置瑞利衰落系数 sigmasquare_S_D=sigmasquare(1,1); sigmasquare_S_R=sigmasquare(1,2).*ones(1,NumOfRelay); sigmasquare_R_D=sigmasquare(1,3).*ones(1,NumOfRelay); h_S_D=(randn(1,NumberSymbols)+j*randn(1,NumberSymbols)*sqrt(sigmasquare_S_D/2); h_S_R_W=zeros(NumOfRelay,NumberSymbols); h_R_D_W=zeros(NumOfRelay,NumberSymbols); for n=1:NumOfRelay h_S_R_W(n,:)=(randn(1,NumberSymbols)+i*randn(1,NumberSymbols)*sqrt(sigmasquare_S_R(1,n)/2); h_R_D_W(n,:)=(randn(1,NumberSymbols)+i*randn(1,NumberSymbols)*sqrt(sigmasquare_R_D(1,n)/2); end h_S_R_W1=abs(h_S_R_W).2; h_R_D_W1=abs(h_R_D_W).2; for m=1:3 switch m case 1 %Max-Min 选择算法 for n=1:NumOfRelay if(sum(h_S_R_W1(n,:)目的端 noise_S_D=sqrt(N0/2)*(randn(1,NumberSymbols)+j*randn(1,NumberSymbols); %源端-目的端的噪声 useful_signal_S_D=sqrt(Power/2).*SymbolsTransmit.*h_S_D+noise_S_D; %源端-目的端的合成信号 %源端-中继端 noise_S_R=sqrt(N0/2)*(randn(1,NumberSymbols)+j*randn(1,NumberSymbols); %源端-中继端的噪声 useful_signal_S_R=sqrt(Power/2).*SymbolsTransmit.*h_S_R+noise_S_R; %源端-中继端的合成信号 %中继端-目的端 noise_R_D=sqrt(N0/2)*(randn(1,NumberSymbols)+j*randn(1,NumberSymbols); %中继端-目的端的噪声山东轻工业学院 2010 届本科生毕业设计（论文）21 amplify_Relay=sqrt(Power/2./(Power/2.*abs(h_S_R).2+N0); %relay 的放大系数 useful_signal_R_D=amplify_Relay.*useful_signal_S_R.*h_R_D+noise_R_D; %中继端-目的端的合成信号 % MRC 合并 % 直接链路的合并系数:a_EPA % relay 链路的合并系数:b_EPA a_EPA=sqrt(Power/2).*(conj(h_S_D)/N0; b_EPA=sqrt(Power/2)*amplify_Relay.*(conj(h_S_R).*(conj(h_R_D)./(amplify_Relay.2.*(abs(h_R_D).2)+1)./N0; y_final=a_EPA.*useful_signal_S_D+b_EPA.*useful_signal_R_D %接受端收到的符号received_signal_relay_for_demodu=y_fina