【《天地协同通信网络信道容量分析概述》3600字】

天地协同通信网络信道容量分析概述目录TOC\o"1-3"\h\u3785天地协同通信网络信道容量分析概述 1294491引言 124931.2信道容量 2239301.2.1场景建模 2133551.2.2信道统计性性容量 3117871.3中继选择 4111351.3.1中继选择 47961.3.2机会中继 463461.3.3遗传算法 573881.4仿真分析 6126121.4.1场景建模 66091.4.2仿真分析 71引言香农证明得出了固定状态下信道的容量表达式。但是无线通信网络中的不断随机变化的信道状态要求必须使用可以描述系统好坏的有统计意义的信道容量。本章将具体介绍具有统计意义的信道容量的描述方法。Cover和EIGamal研究分析了以单源单中继单目的节点为模型的系统的更准确的信道模型下的信道容量，并得出了计算信道容量下界的方案。因为有多个中继节点，所以中继协助通信中还涉及到中继选择的问题，常用的中继选择算法有机会中继、遗传算法等。随着卫星和移动用户间合作中继节点数量的增加，中继节点的数量也在不断增加，系统的容量在减小。这是由于中继通信必须分配有限的资源。综合卫星-地面通信系统是解决这一问题的一种经济有效的模式。而对于在卫星和接收终端之间存在的一条视距链路，由于长时间的阴影遮蔽和阻塞，使得与卫星的视距链路通信难以维持。因此，卫星系统与地面设备之间的连接并不是具有理想的信道条件。为了避免通信系统吞吐量严重下降，使用中继节点是非常必要。所以，在卫星-地面综合系统中使用合作中继，不仅扩大卫星覆盖范围，而且可以提高系统通信容量，在被覆盖区域内为用户提供有效的服务。1.2信道容量1.2.1场景建模如图3-1所示，以传统的两跳多中继的并行协作中继通信网络为例，进行说明。源节点与中继节点、目的节点之间都存在有独立且互不相同的衰落信道。在所有中继节点处均使用AF转发协议。目的节点使用最大比值合并技术（MaximalRatioCombining，MRC）合并所有从源节点和中继节点接收到的信号。在所提出的系统中，假设信道独立且不相同。源节点和目的节点之间、源节点和中继节点之间的信道衰落系数分别表示为hsd和hsri，中继节点到目标节点之间的信道衰落系数用hrid表示。组合信号在目的节点MRC输出处的瞬时信噪比为:γMRC其中γsd为所建模中继协作通信系统中的源节点和目的节点间的瞬时信噪比,γiγi可以由下式决定：γγi上式中，γsri为所建模中继协作通信系统中的源节点到中继节点（S→Ri）信道的瞬时信噪比,γrid为所建模中继协作通信系统中的中继节点到目的节点（Ri→D）之间信道的瞬时信噪比。ℎsdℎℎrNdℎsrNℎsr1中继节点N中继节点2中继节点1源节点ℎℎℎ中继节点N中继节点2中继节点1源节点目标节点ℎℎ图3-1中继通信系统模型1.2.2信道统计性性容量信道统计容量有两种，其一为各态历经性容量（遍历容量），其二为中断容量。各态历经性容量是在在所有衰落状态下的随机信道的最大信息速率的时间平均。可以描述发射功率恒定情况下，目的节点所能获得的最大无差错平均传输速率。若传播信道为平坦性衰落信道，总通信时间为T，总的通信时间内有N个时隙。每个时隙Tslot又分为M个符号周期Ts。信道相干时间为Tc。随意一个时隙，时隙的信噪比也为随机信噪，设其为γ，该时隙的信道容量为：log(1+各态历经性容量是指源节与目的节点之间最大互信息的值。因此一个具有N个中继节点的多中继的系统的各态历经性容量可以表示为：CγMRC=1进一步可以证明，一个更简洁有效的各态历经性容量下界可表示为：CγMRC在计算最大比值合并下的容量值时，只有容量的一阶矩以及二阶矩是所需要的。理论上来说，信道容量的二阶矩可以利用In函数的泰勒级数展开，并结合所需函数的一阶矩、二阶矩，得出各态历经性信道容量的表示为：CγMRC其中，信噪比的一阶矩和二阶矩计算表达式为：ε[γε[γ1.3中继选择1.3.1中继选择有关中继选择的算法研究一直都是热点问题，各种算法多种多样。目前主要使用的中继选择算法主要有遗传算法、机会中继、蚁群算法等。选择中继时，采用的系统优化标准也不相同，有以最大化系统容量为准则来选择最优中继，也有以最小化中断概率为标准选择最优中继。1.3.2机会中继基于瞬时信道状态选择最优中继的机会中继算法最先由A.Bletasas等人提出。在文献REF_Ref2757\r\h[11]中A.Bletasas等人建立了存在多个协作中继的通信场景。之后，作者提出了中继选择方案，并分析证明了该机会中继选择算法的有效性与简洁性。机会中继算法有诸多好处,例如，各个节点仅需做本地的测量，节约资源，且在选择时无需任何先验知识，仅需知道瞬时信道状态即可，这样同时也使得选择时所需要的时间很少，且消耗资源也很少，并且对物理层的要求也很低。REF_Ref2864\r\h[12]现假设中继系统模型中各节点间的信道系数如本章中图3-1所示。机会选择算法有两种选择标准：准则一：ℎi=min{准则二：ℎi=2准则一是对于同一中继节点，将源节点到中继节点，中继节点到目的节点的信道系数中较小的一个取出，算作整条信道中的信道瓶颈。准则二则是通过计算源节点到中继节点，中继节点到目的节点的信道系数的可以平衡两段链路的信号强度的调和平均数来作为选择标准。之后，无论上述那种准则，都选择hi值最大的中继进行通信。上述选择算法可以表示为：b=max{min(γsri1.3.3遗传算法遗传算法是寻找最优解、解决最优化问题的一种极佳算法。遗传算法以所要研究的群体中所有个体为对象，在将对象参数进行随机编码之后进行一系列操作。遗传算法首先选择出它认为可能是最终要求解问题的最优解的潜在种群。将个体进行编码，组成该种群。遗传算法要先选择如简化的二进制编码等的编码方式，对问题所研究的个体进行编码工作，以实现可以相互映射的外部的表现型与内部的基因型。之后，按照自然界的优胜劣汰的生存规律，根据算法事先设置的适应度准则，一代一代剔除表现不好的个体，选择表现好的个体。并借助交叉、变异操作，产生出新的更优化的种群。不断循环上述过程，将会使一代的种群比一代的种群在所研究问题上表现得更好。之后，最末代的种群中表现最好的个体可以针对最开始的编码工作进行解码，解码后的结果作为整个问题的最优解。REF_Ref3067\r\h[13]总结上述过程，可以得出，遗传算法的整体步骤如下：1.随机产生种群。2.根据适应度判定策略来判断每个个体的适应度，根据个体适应度，判断是否符合选择策略，如果符合，输出该个体，并解码输出该问题最优解，流程到此结束。否则，进行下一步。1.依据适应度大小排序选择父亲、母亲，个体适应度越高，被算法选中的概率越大。4.按照一定的方法将上一步选择出的父亲、母亲的染色体进行交叉，生成子代。5.对子代染色体进行变异从而产生新的种群。6.重复上述操作，直至流程结束。1.4仿真分析1.4.1场景建模如图3-2所示本论文的天地协同通信网络建模如下：假设一个天地协同通信网络以地面基站作为协作地面固定中继。卫星通信系统作为源节点，用户终端作为目标节点。各个节点之间都存在有独立且互不相同的衰落信道，源节点和目标节点之间存在有直射链路。现假定每个节点都配备有单个天线，在所有中继节点处均使用AF转发协议。信号通信过程分为两个阶段。在第一阶段，卫星系统将信息信号同时发送给地面基站和用户终端。在第二阶段，地面基站放大从卫星系统接收的信号，并转发到用户终端，用户终端使用MRC技术合并所有接收到的信号。此外，出于便于处理的考虑，假定目的节点接收到的所有信号是完全同步的。REF_Ref3165\r\h[14]从源节点到中继节点、目的节点的信道因为中途几乎没有建筑物阻碍，所以认为信道系数遵从Rician分布。中继节点到目的节点之间因为小建筑、树木等物体造成多条路径，所以信道系数认为遵循Nakagami-m分布。图3-2天地协同通信网络模型1.4.2仿真分析以上述建模为基础，采用本章开头介绍的遍历容量计算方法，仿真分析不同信噪比，不同中继节点个数（以N=1,4,10为例）下从源节点到目的节点的天地协同通信网络中的信道容量，结果如图3-3所示。通过仿真分析结果可以看出，信道的遍历容量随着信噪比以及中继节点的个数的增加而增大。之后采用机会中继选择算法，根据上述介绍的选择准则一（式1.9）结合穷举法选择最优中继节点，以此计算信道容量。图3-4为仿真分析得出的机会中继选择最优中继后的信道容量。假设中继节点为4个，机会中继选择最优中继后的信道容量与原始遍历容量进行对比，可以明显看出，选择中继后的信道容量会比遍历容量大。