协作通信-AF和DF的MATLAB仿真_图文

1、摘要摘要协作通信思想通过用户间彼此共享天线,互为通信中继,实现虚拟发射分集,从而为MIMO的实用提供了一个可行的思路。协作通信的核心问题是中继节点的协作协议。有两种最基本的中继协作方式放大转发(AF与解码重传(DF,其它各种协作协议的研究,几乎均是建立在这两个固定中继协议之上。本文通过MATLAB仿真,来验证协作对通信的改善,并分析不同信道情况下的AF与DF表现,研究二者的实际性能与所面临的主要问题。关键字:协作通信固定中继放大转发AF 解码重传DF任务与要求任务:本项题目旨在研究多中继环境下采用固定中继的协作系统在采用不同中继结构时的系统性能增益,分析BER及分集增益并通过仿真验证理论分析的

2、正确性。要求:1在学习中继系统的基础上,了解实际系统中所采用的不同的中继结构。2使用MATLAB工具建立搭建采用不同中继协议下的固定中继通信系统(可以采用简单的调制方式,通过信号发射与接收来验证中继选择的性能。ABSTTACTABSTRACTCooperative communication provides a feasible way of realizing MIMO. It achieves this by sharing antenna and regarding each other as communication relay between users, so as to im

3、plement dummy launch diversity. The core problem of cooperative communication is the cooperative protocols for relay node. There are two basic relay cooperative ways, which are Amplify-and-Forward (AF and Decode-and-Forward (DF. Other researches in cooperative protocols are all based on the two fixe

4、d relay protocols. This thesis validates theì»7»¬´±ABSTRACT6¢M” Q¥%.Ò8d&,¡, Pj/ì68ÜÁ±ïV>稽5Ú¡V A½ìâ3q=õè= «bT sp WÂ9 eÕíLñbW çêÝ

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7、LlUBT ÚABSTRACT§Þg¶BEù4àji÷±1É '»èV V”目录s>9Èý*¹ j´Ât7 Ù<ABSTTACT X0´5 Û ð£³LlUBT ÚABSTRACT§Þg¶BEù4àji÷±1É '»èV V”目录V”目录目录

8、i”目录第一章绪论 (11.1MIMO及协作通信产生背景 (11.2本文的主要内容及组织结构 (1第二章协作通信技术基础及其实现 (32.1MIMO技术概述 (32.2协作通信系统概述 (32.3分集技术 (5第三章AF与DF原理及性能 (83.1放大转发模式(AF (83.2解码重传模式(DF (103.3理论误码率性能 (13ii多中继环境下基于固定中继系统性能的研究第四章系统性能仿真 (154.1程序流程、结构及变量说明 (154.2程序模块实现说明 (174.3仿真结果分析 (23第五章总结 (27致谢 (28参考文献 (29第一章绪论1第一章绪论1.1 MIMO及协作通信产生背景1.

9、2 本文的主要内容及组织结构本文旨在研究多中继环境下采用固定中继的协作系统在采用不同中继结构时的系统性能,通过对AF模式和DF模式进行MATLAB仿真,分析其BER及分集增益验证协作通信在恶劣环境中的有效性和高效性。全文共分五章,后续章节安排如下:第二章,概述MIMO及协作通信系统,简要介绍协作通信的技术基础协作通信的中继方式以及分集技术的相关概念。第三章,详细介绍两种最基本也是本文所采用AF与DF的协作协议的原理和其通信过程,以及它们的理论误码率。第四章,详细讲述仿真实现过程及结果分析。第五章,是对全文的总结,以及对在工作中所遇到的问题的思考与解决。第二章 协作通信技术基础及其实现 3 第二

10、章 协作通信技术基础及其实现2.1 MIMO 技术概述2.2 协作通信系统概述根据无线网络中是否存在空闲节点资源,可以建立两种不同的协作通信模型:如图2.2所示,当系统中存在空闲节点资源时,空闲节点可相应充当转发节点;当系统中不存在空闲节点资源时,可采用图2.3所示的协作通信系统模型(本文中,S 代表源节点Source ,R 代表中继节点Relay ,D 代表目的节点Destination 。协作通信的整个数据传输分为两个部分:第1阶段,接入用户作为源以广播的方式发送数据,中继用户和目的地均接收其数据;第2阶段,中级用户为接入用户按约定的协议转发数据,目的地将这两个阶段接收到的数据按某种方式合

11、并。 图2.2 有空闲节点资源的协作通信系统模型图2.3 无空闲节点资源的协作通信系统模型该系统中,一方面信源节点会浪费部分资源( 包括带宽、发射功率等以用于节点间相互转发信息,因而造成有效通信数据流量的下降;另一方面协作通信系统产生的协作通信增益会使系统中的有效通信数据流量增加,当由协作通信产生的正面效应大于负面效应时,系统便会相应获得性能增益。当然,协作通信并不局限于两个用户之间,可以是多用户之间的相互协作,即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或其他网络资源的形式构造虚拟阵列,利用分布式传输和信号处理获得分集增益。因此,协作通信不局限于蜂窝系统,同样适用于无线Ad

12、 hoc网络,无线局域网以及无线传感器网络等多种应用环境,今后还有可能将这些网络结合起来,形成一种全新的智能网络,引起移动通信领域的重大变革。 协作通信协议可分为固定中继和自适应中继两种。在固定中继方案中,信道资源是以固定的或确定的方式在源节点和中继之间进行分配的。固定中继协作通信策略包括放大转发(Amplify-and-Forward ,AF 和解码转发(Decode-and-Forward ,DF 两种基本协议。AF 策略中,中继仅仅将收到的信号进行衡量并且将其放大传输到目的地;在DF 策略中,中继对收到的信号进行解码并重新编码,然后再将其发送到接收器。在此基础上,产生了两种自适应的选择中

13、继(Selection-Relaying ,SR 和增强中继(Incremental Relay ,IR 。选择中继模式时,当信源节点与中继节点间的信道条件较好时,中继节点便转发其从信源节点所接收到的信息至接收端;否则,中继节点不转发其从信源节点所接收到的信息,此时系统等同于非协作通信系统。增强中继模式时,类似于ARQ 协议,中继节点对源信号解码,并反馈解码判决信息给源节点,告知源节点译码是否正确,然后由源节点决定是否继续进行协作。这种对是否协作的选择,形成了自适应中继。随着对协作通信研究的深入,各种中继协议不断被提出,本文主要旨在采用AF 和DF 来论证协作通信的性能,对此不再深入讨论。2.

14、3 分集技术图2.4 传统分集技术直观理解图 本文中的仿真,在目的节点使用MRC策略对直传信号和中继信号进行合并处理。 图2.5 三种合并方式的性能比较分集性能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,常用分集增益和分集改善度这两个指标来描述。本文中,采用分集增益来表征协作分集的性能。分集增益(diversity gain,在所查找的资料中,对分集增益的概念一般比较含糊:有的指分集增益等同于分集阶数(diversity order,即在传输过程中所能提供的最大的同一信号独立副本的数目;有的指分集增益的本质是提高SINR,量化为提高几个d

15、b,某种程度上与分集阶数有关;还有很多概念功率增益、阵列增益、自由度增益、复用增益等N多增益。本文的理解,增益,即增加收获、增加益处,通常用两个参量(其数值能确定一个系统的特征或行为的一组物理性质中的任何一个性质的比较来表征。对于分集增益,采用误码率的斜率的观点:G=lim SNRlg P e式(2-3-1lg SNR其中P e为系统误码率。可见,分集增益是采用相关的发射分集和接收分集时所获得的SNR曲线斜率的增加。分集阶数(收发天线数越高,斜率越大,分集增益越大。分集增益在高信噪比下对系统性能的提高尤为重要。因为在高信噪比时分集增益近似为误码率曲线的斜率。所以,本文中,采用直观观察误码率曲线

16、斜率的方法来定性分析系统的实际分集增益。那么,分集是如何带来增益的呢?举例来讲,对于同一个信号,分别从两个天线发送出去,这个时候,如果两条链路信道状态是独立同分布的,那么其各链路的接收SINR也是近似相同。这样,经过接收合并,其SINR接近于单链路的2倍。可以直观上的理解,在接收端接收到的有用信号强度变为单链路时的2倍,但噪声可不一定是原先噪声的2倍,视噪声分布情况将会有不同程度的抵消作用,只会小于2倍,那么此时合并后的信噪比将大于单链路时的信噪比了。这个大出来的部分就是分集得到的增益。第三章 AF 与DF 原理及性能无线通信系统利用协作传输技术,在接收节点通过合并来自多条独立衰落信道的数据样

17、本,可以有效地抵抗信道衰落的影响,获取分集增益,提高系统的传输可靠性。目前,已经有许多协作传输协议被相继提出。其中,从协作中继节点的转发方式上区分,主要有两大类:放大转发(Amplify-and-Forward ,AF 和译码重传(Decode-and-Forward ,DF 。在此基础上,对这两类协作传输协议进行优化,提出了具有协作中继节点选择能力的协作传输协议、采用有效编码技术(空时编码、协作编码等的协作传输协议以及增加有限反馈(增量中继等的协作传输协议。本文旨在验证协作通信理论对系统性能的改善,故仅对最基础的AF 与DF 模式进行分析、仿真,对于其他协作协议,不作深入讨论。3.1 放大转

18、发模式(AF 放大转发模式(Amplify-and-Forward ,AF ,有文献中也称为前向放大、非再生中继。在AF 协议下,中继采用模拟处理,不对接收的信号进行解调和解码,而是直接对接收到的带有噪声的信号进行放大,然后发送给接收端。图3.1所示为单中继AF 协议的原理及其基本过程。 图3.1 单中继AF 协作通信原理DAF模式是最简单的一种中继方式,相比于直传方式,AF协作通信总能带来一定的信噪比增益,但是由于中继节点除了转发源节点的有用信息外,引入的噪声也同样被放大转发,因此,当源节点与中继节点之间的链路信道条件较差时,信号几乎淹没在噪声之中,因而转发的大部分为噪声,从而会降低目的节点

19、的接收性能。1.源端广播过程源节点S以广播的方式向周围发送信号x s(在程序中表示为x_s,其中一路直接发送到目的节点D,一路发送到中继节点R。经过信道后,则中继节点R接收到的信号为y s,r(程序中表示为y_sr:y s,r=P ss,r x s+n s,r式(3-1-1 目的节点D接收到的信号为y s,d(程序中表示为y_sd:y s,d=P ss,d x s+n s,d 式(3-1-2 其中,P s源发送的信号的功率为,n s,r为源节点与中继节点间信道噪声。2.中继端放大转发过程中继节点R直接将收到的来自源节点S的信号y s,r以系数进行功率放大,然后转发给目的节点D(基站。AF方式可

20、以看成是具有两个发射端的重复码,唯一不同的是中继节点将自身接收到的噪声信号也放大并发送到目的节点。目的节点通过合并两路信号,对源节点的发送信号进行估计。为保证中继节点功率受限,放大系数应满足:=P s式(3-1-3P s|s,r|2+N0可见取决于信道的衰落系数s,r、源发送的信号的功率P s和噪声功率N0。那么,中继放大后的信号为y AF(程序中表示为x_AF:y AF=y s,r式(3-1-4目的节点接收的来自中继的信号为y r,d(程序中表示为y_rd:y r,d=P rr,d y AF+n r,d式(3-1-5 其中P r为中继节点发送的信号的功率。3.目的端接收处理目的节点将接收到的

21、来自源节点的直传信号y s,d和来自中继节点的信号y r,d,按照MRC方案进行合并,得到信号y(程序中表示为y_combine_AF:y=a1y s,d+a2y r,d式(3-1-6 其中a1、a2分别为目的节点接收到的来自源、来自中继的信号的加权系数,为:a1=P ss,d式(3-1-7N0a2=P rs,rr,d式(3-1-8(2|r,d|2+1N0式中,P s和P r分别为协作情况下源节点和中继节点的发送功率,s,d、s,r和r,d分别为源节点与目的节点、源节点与中继节点、中继节点与目的节点之间的瑞利衰落信道系数的复共轭,N0为噪声功率。3.2 解码重传模式(DF解码重传模式(Deco

22、de-and-Forward,DF,有文献中也称为前向译码、再生中继。在DF协议下,中继先要对接收到的信号进行解调、采样判决、存储、译码等数字处理,然后将处理后的数据进行编码调制后再转发。图3.2所示为DF协议的原理及其基本过程。图3.2 单中继DF 协作通信原理DF 方式通过译码,避免了噪声对下一跳的影响。但是,如果中继节点对所接收到的信号直接进行译码,之后将所译出的信号转发给目的节点,将有可能引起错误传播。这是由于中继节点可能得到的是错误信息,这样对协作传输反而是不利因素。1.源端广播过程同AF 模式一样,源节点S 以广播的方式向周围发送信号x s ,其中一路直接发送到目的节点D ,一路发

23、送到中继节点R 。2.中继端解码重传过程中继节点R 直接将收到的来自源节点S 的信号y s,r 进行解调译码,并通过某种方式校验译码是否正确,如果错误则中继不再发送该信号,如果正确,则将该信号重新编码调制,然后转发给目的节点D (基站。在编码过程中,可以选择与源节点一样的编码方案,或者采取不同的编码方式。有两种简单办法可以降低错误解码所带来的不利影响影响:第一种方法是信号在源节点发射之前先进行循环冗余校验(CRC码处理。这样,中继节点接收到源节点的信息后先进行译码处理,之后通过CRC 来判别接收到的信息比特里是否存在错误。如果检测出错误,则不进行信息转发;反之则转发信号。但是,CRC 的引入将

24、降低了信息的传输速率。 D第二种方法不需要对源信号进行CRC编码操作,只需在每个中继节点处设定一个门限值。在对接收信号译码处理之前,先比较它的等效信噪比与门限值的大小。如果大于门限值,中继节点将进行译码处理,并进行信息转发;反之不对信号处理。基于门限的方法虽然简便,但是门限值的选择至关重要。如果太小,中继节点译出的信息很可能存在错误;如果太大,每个中继节点可能都不会进行信息转发,这样协作将失去意义。另外,即便是等效信噪比大于门限值,也并不能保证中继节点译出信息的一定正确。经过中继重新编码调制信号为y DF(程序中表示为x_DF,目的节点接收的来自中继的信号变为y r,d(程序中表示为y_rd:

25、yr,d=P 匓飸蔒軭 恓痵荤铹绳 驦驦釘9晤錑嶑囆婵 Í溳鶉藄櫺桨退窲埴觚炌徘蕆墏谤譯鋝胑 畹谢缽赊臡囆婵 Í溳鶉藄櫺桨退窲埴觚炌徘蕆墏谤譯鋝胑 畹谢缽赊臡溳鶉藄櫺桨退窲埴觚炌徘蕆墏谤譯鋝胑 畹谢缽赊臡厚嚱冐峄涶鈺趏后 洃齺戙儲錂驦驦蕔怬 袳敄渰鉈薑梕鯺姾銣鈚滮匬劚暨繶恇枓锅猷坻N0式(3-2-3 薑梕鯺姾銣鈚滮匬劚暨繶恇枓锅猷坻N0 式(3-2-3劚暨繶恇枓锅猷坻N0式(3-2-3a 2=P r r,dN 0 式(3-2-43.3 理论误码率性能假定所传输的信号功率归一化,采用MRC 合并方式,则此单中继模型下的AF 、DF 协作通信系统的理论信噪比为:=1+2 式(3

26、-3-1其中,对于AF 模式:1=|a 1P s s,d |2|a 1|N 0 =P s |s,d |2N 0 式(3-3-2和 2=|a 2P rP r |s,r |2+N 0P r r,d s,r |2N 0|a 2|2 =P r 2P r |s,r |2+N 0|s,r |2|r,d |2(P r |r,d |P r |s,r |2+N 0+1N 0=1N 0P r 2|s,r |2|r,d |2P r |s,r |2+P r |r,d |2+N 0 式(3-3-3对于DF 模式: 1=|a 1P r s,d |2|a 1|N 0 =P r |s,d |2N 0 式(3-3-4 和 2=

27、|a 2P r r,d |2|a 2|N 0=P r|r,d|2N0式(3-3-5 对于BPSK系统,当发送“1”符号和发送“0”符号概率相等时,最佳判决门限b*=0,则系统的总误码率P e为:P e=P(0P(0/1+P(1P(1/0=12erfc(式(3-3-6 其中,P(0/1为符号“0”被判为符号“1”的概率。在大信噪比(1条件下,式(3-3-4可近似表示为:P e2式(3-3-7 可见,无论是AF还是DF协作通信系统通过中继产生分集,其信噪比大于非协作通信系统信噪比(P s|s,d|2N0,因而其误码率得以降低。第四章系统性能仿真这里仿真以MATLAB实现,系统采用BPSK调制、无信

28、道编码、Monte Carlo 仿真方法,信道的状态信息对接收节点是已知的,对发送节点是未知的。接收节点对接收到的信号采用相关检测。源节点与中继节点之间以及二者和目的节点之间的信道是相互独立的,服从瑞利慢衰落。4.1 程序流程、结构及变量说明 4.2 程序模块实现说明为简化程序,信道采用恒参的瑞利衰落信道,即在一次通信过程中(一次蒙特卡罗过程,衰落系数表现为一恒定复数的形式:function H = RayleighCH(sigma2% average value(0mu = 0; sigma = sqrt(sigma2;%Standarddeviation(H = normrnd(mu,si

29、gma+j*normrnd(mu,sigma;信道的正态分布的均值为方差=0,只需输入方差2,即可得到信道系数H。函数R = normrnd(MU,SIGMA的功能是生成均值为MU、标准差为SIGMA的正态分布的随机数据。高斯白噪声通过函数y = awgn(x,SNR,SIGPOWER实现。如果SIGPOWER是数值,则其代表以dBW为单位的信号强度;如果SIGPOWER为'measured',则函数将在加入噪声之前测定信号强度。本程序以'measured'参数自动检测信号强度。由于AF与DF模式的最大比合并加权系数的决定因素不同,AF模式与中继节点的放大系数有

30、关,故自定义函数y_combine = Mrc( varargin 通过输入参数的数目不同以区分AF与DF。当然,也由信道的参数决定,AF与DF模式的MRC加权系数的本质区别在于:AF由于是对接收信号的放大,所以对于R到D的信号的加权系数还与S到R信道的参数、S到R信道的信号和噪声功率相关。MRC的伪代码为:1.输入参数信道系数、中继放大系数、信号功率、噪声功率、需要合并的两路信号2.判断输入参数数目narginif nargin = 8DF模式,执行加权系数为a_sd = CH_sd' * sqrt(POW_S_sd / POW_N_sd;a_rd = CH_rd' * sq

31、rt(POW_S_rd / POW_N_rd;elseif nargin = 10AF模式,执行加权系数为a_sd = CH_sd' * sqrt(POW_S_sd / POW_N_sd;a_rd = (beta * sqrt(POW_S_rd * CH_sr' * CH_rd' /( (beta2*(abs(CH_rd2+1 * POW_N_rd ;3.返回合并信号y_combine = a_sd*signal_sd + a_rd*signal_rd;对于实际BER,通过统计蒙特卡罗的误码数,与全部比特数目作比得到。对于理论BER,通过调用自定义函数得到,其伪代码为:

32、1.输入参数非协作的信噪比、信道系数、信号功率、噪声功率2.判断输入参数数目narginif nargin = 1非协作模式,执行gamma_sd = SNR_SD;gamma_rd = 0;elseif nargin = 6DF模式,执行加权系数为gamma_sd = ( POW_S_sd * (abs(CH_sd2 / POW_N_sd;gamma_rd = ( POW_S_rd * (abs(CH_rd2 / POW_N_rd;elseif nargin = 7AF模式,执行gamma_sd = ( POW_S_sd * (abs(CH_sd2 / POW_N_sd;numerator

33、= (POW_S_rd2 * (abs(CH_sr2 * (abs(CH_rd2;denominator=(POW_S_rd*(abs(CH_sr2+POW_S_rd*(abs(CH_rd2+POW_N_rd*POW_N_rd;gamma_rd = numerator / denominator;3.计算系统信噪比gamma = gamma_sd + gamma_rd;4.计算系统误码率theoretical_BER = 1 / ( 2 * sqrt(pi*gamma * exp(gamma ; % Approximation% theoretical_BER = erfc( sqrt(gam

34、ma / 2; % Actual value 在中继节点,对接收到的来自源节点的信号s_r放大,并向目的节点转发,其函数实现:function beta,r_d_AF = AF(CH_sr,POW_S,POW_N,signal_sr% amplification factorbeta = sqrt( POW_S / ( (abs(CH_sr2 * POW_S + POW_N ;% Relay will transmit the AF signal ' signal_AF 'signal_AF = beta * signal_sr;函数通过输入S和R之间的信道衰落系数、信号与噪声

35、的功率和需要转发的信号s_r,实现中继的AF过程,返回值为:经放大处理后的信号,它将被发送到目的节点;以及放大系数,以供目的节点MRC使用。 在中继节点,对接收到的来自源节点的信号s_r进行解调、译码、校验、编码、调制,之后向目的节点发送。为简化程序,程序中省略了信道编码过程,中继时采用与源节点相同的调制方式,并假定中继节点能正确解码,强制校验标志tx_coop 为1。所以,实际上,在仿真中,DF中继节点所需做的事情同源节点一样,仅仅是将原始信息BPSK调制后发送。为体现DF协议的过程,其函数实现编写为:function signal_DF = DF(M,signal_sr,signal_x%

36、 fisrt: demodulate the signal 's_r'signal_demod = demodulate(modem.pskdemod(M,signal_sr;% second: decode r_d_1',And determine whether decoding correct%+If use a fixed DF,forced to set 'tx_coop' '1'+ tx_coop = 1; % a sign, indicates whether forwarding% if (sum(signal_x = signal_demod>0% tx_coop = 0;% end % if the relay decoding error, not forward%+% third: modulate the signal 'signal_demod'if tx_coop = 0disp('Fail in DF,Source should transmit the