协作中继通信网中的分集研究-丁建峰

1、LOGO协作通信网中的分集研究协作通信网中的分集研究n姓名姓名：丁建：丁建峰峰n班级：班级：A1203491A1203491n学号学号：01203490310120349031u 协作分集作为一项新兴研究领域，得到了广泛的关注和应用，协作分集作为一项新兴研究领域，得到了广泛的关注和应用，是当前无线通信研究的热点。是当前无线通信研究的热点。u 本本次研究次研究着重着重分析协作中继通信网中分析协作中继通信网中分集协议的分集复用折中分集协议的分集复用折中（DMT）性能。对半双工通信中两种基本的协作分集协议：放）性能。对半双工通信中两种基本的协作分集协议：放大前传协议（大前传协议（AF）、解码前传协议

2、（）、解码前传协议（DF）进行了）进行了DMT分析，分析，并与其改进的非正交放大前传协议（并与其改进的非正交放大前传协议（NAF）、动态解码前传协）、动态解码前传协议（议（DDF）进行对比。）进行对比。u 在前人研究的基础上，提出了一种基于中继选择的混合在前人研究的基础上，提出了一种基于中继选择的混合NAF、NDF协作中继协议，通过计算其协作中继协议，通过计算其DMT，发现其有着优于，发现其有着优于NAF协议的性能。最后通过协议的性能。最后通过Matlab仿真中断概率验证这一结论。仿真中断概率验证这一结论。研究内容简介研究内容简介研究背景研究背景Diversity-Multiplexing T

3、radeoffDiversity-Multiplexing Tradeoff(DMT) (DMT) 分集复用折中（分集复用折中（DMTDMT）就是讨论分集增益和）就是讨论分集增益和复用增益之间关系的一个标准。复用增益之间关系的一个标准。其本质是通其本质是通信系统传输可靠性（错误概率）和数据率的信系统传输可靠性（错误概率）和数据率的折中。折中。本本次研究的次研究的重点就是讨论在单源单重点就是讨论在单源单宿通信网宿通信网络中协作中继络中协作中继系统的系统的DMTDMT性能。并且性能。并且假设信假设信源、中继节点和信宿只有一个天线，源、中继节点和信宿只有一个天线，整个整个网网络络工作工作在半双工模式

4、（在半双工模式（half-duplex modehalf-duplex mode）下下，信道衰落为瑞利衰落。，信道衰落为瑞利衰落。研究背景研究背景u 分集（分集（diversity） 指在独立的衰落路径上发送相同的数据，由于独立路径在指在独立的衰落路径上发送相同的数据，由于独立路径在同一时刻经历深衰落的概率很小，因此经过适当的合并后同一时刻经历深衰落的概率很小，因此经过适当的合并后，接收信号的衰落程度就会被减小。，接收信号的衰落程度就会被减小。 研究背景研究背景u 协作分集可以分为两步进行：第一步，信源节点向信宿节协作分集可以分为两步进行：第一步，信源节点向信宿节点和中继节点广播发送信号，中继

5、节点接收到信号后对信点和中继节点广播发送信号，中继节点接收到信号后对信号进行处理；第二步，信宿节点采用多址接入的方式接受号进行处理；第二步，信宿节点采用多址接入的方式接受来自中继节点转发的信号，信宿节点采用某种规则对多个来自中继节点转发的信号，信宿节点采用某种规则对多个信号进行合并。在第二步中，信源节点也可以再向信宿节信号进行合并。在第二步中，信源节点也可以再向信宿节点发送信息。点发送信息。研究背景研究背景u 一些重要的定义一些重要的定义(1)信噪比信噪比（2）如果）如果则定义则定义2vElog( ( )limlog( )fb( )bf研究背景研究背景（3）分集增益）分集增益d (divers

6、ity gain)和和 复用复用增益增益r (multiplexing gain)（4）如果）如果 ，则协议，则协议A完全主导完全主导协议协议B。（5）假设）假设g是一个具有零均值、单位方差的高斯随机变量，是一个具有零均值、单位方差的高斯随机变量，定义定义 ，则，则v表示表示 的阶数。的阶数。log( )limlog( )EPd( )limlog( )Rr( )( )ABdrdr2log()limlog( )gv 21g研究背景研究背景（6）考虑一个相干线性高斯信道信道）考虑一个相干线性高斯信道信道 ，其最大，其最大似然接收机的成对错误概率（似然接收机的成对错误概率（PEP)有上界：有上界：（

7、7）引理）引理1 考虑一个相干线性高斯信道，其数据速率为考虑一个相干线性高斯信道，其数据速率为R，码长为，码长为 ，当接收信号和发送信号的互信息超过当接收信号和发送信号的互信息超过 时，只要码长时，只要码长 足足够大，那么最大似然接收机的错误概率可以任意的小。够大，那么最大似然接收机的错误概率可以任意的小。ysn111det()2PENsnPI llRlu 放大前传放大前传放大前传放大前传( Amplify-and-Forward,AF)在在AF协议中，中继节点不对信源发送来的信息进行其他操作，直协议中，中继节点不对信源发送来的信息进行其他操作，直接将其放大后发送给信宿。接将其放大后发送给信宿

8、。传统协作分集方案及其改进传统协作分集方案及其改进2(1 2 )dr传统协作分集方案及其改进传统协作分集方案及其改进u 解码前传解码前传解码前传解码前传(Decode-and-Forward,DF)在在DF协议中，中继节点对信源发送的数据进行解码，然后重协议中，中继节点对信源发送的数据进行解码，然后重新编码，再发送给信宿。新编码，再发送给信宿。传统协作分集方案及其改进传统协作分集方案及其改进u 尽管尽管DF协议可以有效的利用编码优势来降低噪声对通信的协议可以有效的利用编码优势来降低噪声对通信的影响，但是影响，但是如果如果S-R信道比较差，信道比较差，DF模式模式可能把解码错误可能把解码错误的数

9、据转发给的数据转发给信宿信宿节点，从而造成误码传播。节点，从而造成误码传播。可以可以想像，想像，如果中继解码错误，那么接收端成功的概率如果中继解码错误，那么接收端成功的概率只有只有1/2 。u 而而AF模式下，当模式下，当S-R信道较差，中继节点只是把噪音传递信道较差，中继节点只是把噪音传递给目的节点，由目的节点综合处理，性能还不至于太差。给目的节点，由目的节点综合处理，性能还不至于太差。u 可以证明可以证明，由于，由于存在存在误码传播，误码传播，DF模式不能获得有效的分模式不能获得有效的分集集增益增益。u NAF协议协议传统协作分集方案及其改进传统协作分集方案及其改进1(1 2 )drr 传

10、统协作分集方案及其改进传统协作分集方案及其改进只有一个中继节点时只有一个中继节点时AF协议的最佳分集复用折中曲线协议的最佳分集复用折中曲线传统协作分集方案及其改进传统协作分集方案及其改进u DDF协议协议 动态解码前传协议（动态解码前传协议（DDF）与一般的解码前传协议的不同）与一般的解码前传协议的不同点在于，中继节点没有一个特定的参与协同的时刻。在点在于，中继节点没有一个特定的参与协同的时刻。在DDF协议中，中继节点一直监听信道，当它接收到的信息协议中，中继节点一直监听信道，当它接收到的信息与信源节点发送的信息的互信息超过一定值时，中继节点与信源节点发送的信息的互信息超过一定值时，中继节点开

11、始参与协同。对于码长为开始参与协同。对于码长为 L符号间隔、信息速率为每信符号间隔、信息速率为每信道传输道传输 R比特的系统来说，当中继节点接收到的信息与信比特的系统来说，当中继节点接收到的信息与信源节点发送的信息的互信息超过源节点发送的信息的互信息超过LR时，中继节点进行解码时，中继节点进行解码、重编码，再发送给信宿节点。、重编码，再发送给信宿节点。12(1),02( )1(1)/ ,12rrd rrrr传统协作分集方案及其改进传统协作分集方案及其改进u 一个中继节点时一个中继节点时DDF协议的协议的DMT曲线曲线单中继时单中继时AFAF、NAFNAF、DDFDDF与直传、理想与直传、理想曲

12、线的曲线的DMTDMT对比图对比图传统协作分集方案及其改进传统协作分集方案及其改进uDDF中继协议已经被证明是目前译码转发中最佳中继协议已经被证明是目前译码转发中最佳的中继协议。尤其是在单中继并且复用度的中继协议。尤其是在单中继并且复用度r小于小于1/2时，完全可以达到割集界，这充分显示了时，完全可以达到割集界，这充分显示了DDF性能的优越。然而，尽管性能的优越。然而，尽管DDF可以使协作可以使协作中继节点能正确译码的概率最大化，但是在当下中继节点能正确译码的概率最大化，但是在当下，没有一种相应的编码方案来很好的实现这一中，没有一种相应的编码方案来很好的实现这一中继协议；同时继协议；同时NAF

13、协议的性能不是特别优越，显协议的性能不是特别优越，显然可以有很大的改进空间。然可以有很大的改进空间。一种基于中继选择的非正交混合中继协一种基于中继选择的非正交混合中继协议及其议及其DMT性能性能u首先考虑仅有一个中继节点的情况。假设信源、中首先考虑仅有一个中继节点的情况。假设信源、中继节点和信宿只有一个天线，整个系统工作在半双继节点和信宿只有一个天线，整个系统工作在半双工模式（工模式（half-duplex mode）下，这样保证，在）下，这样保证，在同一时间内，节点只能接收或发送信息，不可以同同一时间内，节点只能接收或发送信息，不可以同时进行收发。时进行收发。将通信过程分为两个时隙。将通信过

14、程分为两个时隙。u在时隙在时隙1结束时，中继节点进行判断：如果中继节点结束时，中继节点进行判断：如果中继节点可以正确译码，那么中继采用可以正确译码，那么中继采用DF模式向信宿转发数模式向信宿转发数据；如果中继节点不能正确译码，那么中继节点采据；如果中继节点不能正确译码，那么中继节点采用用AF模式向信宿转发数据。模式向信宿转发数据。u直观上可以看出，这样做可以避免高信噪比时直观上可以看出，这样做可以避免高信噪比时AF协协议对信道噪声的放大，同时可以克服低信噪比时，议对信道噪声的放大，同时可以克服低信噪比时，DF解码错误带来的误码传播。因此，该协议会有较解码错误带来的误码传播。因此，该协议会有较好

15、的性能。以下简称该协议为好的性能。以下简称该协议为NDAF（Non-orthogonal Decode/Amplify and Forward）协议。）协议。一种基于中继选择的非正交混合中继协一种基于中继选择的非正交混合中继协议及其议及其DMT性能性能工作模式图工作模式图 一个中继节点时一个中继节点时NDAF协议的协议的DMT1032(1),11( )(1)2(1 2 ) ,32(1),112rrd rrrrrru具体步骤如下：在时隙具体步骤如下：在时隙2开始时的极短时间内开始时的极短时间内，中继进行判断，确定自己是否可以正确解码，并中继进行判断，确定自己是否可以正确解码，并向信宿发送标志信号

16、，表明自己的情况；向信宿发送标志信号，表明自己的情况；u在时隙在时隙2开始前，信宿根据自己得到的标志信号开始前，信宿根据自己得到的标志信号，如果存在可以解码的中继节点，则在可以解码，如果存在可以解码的中继节点，则在可以解码的中继节点中选取的中继节点中选取 最大的中继节点通知它进最大的中继节点通知它进行行DF前传；如果没有可以正确解码的中继节点前传；如果没有可以正确解码的中继节点则用则用AF前传。由于发送标志信号的时间与一帧的前传。由于发送标志信号的时间与一帧的传输时间相比非常短，因此，可以像在分析传输时间相比非常短，因此，可以像在分析DDF协议时一样，忽略这部分的损失。协议时一样，忽略这部分的

17、损失。推广到推广到N个中继节点个中继节点rdh推广到推广到N个中继节点个中继节点u N个中继节点时个中继节点时NAF模式模式工作示意图工作示意图 N个中继节点时的个中继节点时的DMT及及N=5时时DMT图像图像102(1)(1),11( )(1) (1)(1 2 ) ,22(1),112rNNrd rrNrrNrr 1个中继节点时个中继节点时NDAF与与NAF的中断概的中断概率对比图率对比图从图中可以看出当只有一个中继节点协同通信时，在信噪比高从图中可以看出当只有一个中继节点协同通信时，在信噪比高时，时，NDAF协议比协议比NAF协议有着更低的中断概率：在中断概率协议有着更低的中断概率：在中断

18、概率为为0.01时，时，NDAF协议性能比协议性能比NAF高约高约1.5dB；在中断概率；在中断概率为为0.001时，时，NDAF协议性能比协议性能比NAF高约高约3dB。 5个中继节点时个中继节点时NDAF与与NAF的中断概的中断概率对比图率对比图5个中继节点协同通信时，个中继节点协同通信时，NDAF的性能比的性能比NAF提升的更多提升的更多。在中断概率为。在中断概率为0.01时，时，NDAF协议的性能比协议的性能比NAF高出约高出约3dB；在中断概率为；在中断概率为0.001时，时，NDAF协议的性能比协议的性能比NAF高出约高出约6dB。 5个中继节点时个中继节点时NDAF与与NAF的中断概的中断概率对比图率对比图因为在高信噪比时，系统以很高的概率工作在因为在高信噪比时，系统以很高的概率工作在NDF模式。模式。而此时每条而此时每条S-R链路都可以正确解码，因此消除了链路都可以正确解码，因此消除了S-R链