协作通信系统中的混合转发中继协议研究

. .本科毕业设计论文本科毕业设计论文题题 目目协作通信系统中的混合转发中继协议研究 专业名称 通信工程 学生姓名 XXX 指导教师 毕业时间 2012 年 6 月 . .目目 录录摘摘 要要.IABSTRACT .II第一章第一章 前前 言言.11.1 选题意义及研究背景.11.2 国内外研究现状.11.2.1 MIMO 技术的研究现状.11.2.2 协作通信技术研究现状.31.3 进度安排及时间节点.4第二章第二章 MIMO 协作通信基本原理协作通信基本原理.52.1 MIMO 技术简介及基本原理.52.2 MIMO 技术的优势.62.2.1 多天线相比于单天线的优势.62.2.2 MIMO 技术的经济性.72.3 协作通信的基本原理.82.4 协作通信的优势.9第三章第三章 协作体系的产生协作体系的产生.113.1 协作分集技术 .113.1.1 协作分集技术原理.113.1.2 协作分集步骤.113.1.3 协作分集信号合并模型.113.1.4 协作中继协议.123.2 编码协作.123.2.1 编码协作的基本思想.12. .3.2.2 编码协作的各种情况分析.123.3 空时协作方法.143.4 协作通信下一步的研究方向.153.5 协作通信面临的问题.16第四章第四章 协作通信中的混合转发中继协议研究协作通信中的混合转发中继协议研究.184.1 协作通信的基本原理.184.2 固定协作策略.184.2.1 固定放大转发协议.194.2.2 固定译码转发中继协议.224.2.3 选择性译码转发中继协议.244.3 多中继固定协议策略.254.3.1 多中继固定译码转发协议.254.3.2 多中继放大转发协议.284.4 多中继混合转发协议研究.294.4.1 多中继混合转发协作传输技术.294.4.2 性能分析及数值结果.31结结 论论.35致致 谢谢.36参考文献参考文献.37毕业设计小结毕业设计小结.38. .摘 要 近年来，随着无线移动通信的发展，MIMO 技术成为下一代无线通信系统的关键技术之一。但是，MIMO 系统对天线间距离的苛刻要求使得其无法在目前的移动终端上使用。为此，研究人员提出了协作通信的概念，它利用空间距离较大的单天线终端之间相互帮助来实现通信，我们既可以利用协作通信提高系统的频带利用率，又能利用分布式空间分集的优势来对抗信号的深衰落。 随着人们研究的进展，越来越多的算法、协议被研究出来。如 AF 协议、DF 协议、压缩转发协作、编码协作等。 为了优化多中继协作通信系统的性能，提出了一种多中继混合转发协作传输策略（Multiple-Relay Hybrid-Forwarding Cooperative Transmission Scheme， MRHF-CTS） 。该策略考虑多中继协作通信系统中的译码转发与放大转发以及两种转发方式带来的性能缺陷，根据协作中继节点接收信号的译码结果选择转发方式，同时引入协作中继节点之间数据来传输对系统性能的增益。对系统中断概率性能进行了推导与分析，结果表明，该策略在消除放大转发策略噪声积累的基础上，能够有效抑制协作中继节点错误检测译码转发给系统带来的不利影响，明显提升系统性能；在大信噪比情况下，可获得多中继译码转发协作通信系统的最佳性能。关键词：MIMO, 协作通信，AF，DF, 多中继混合转发协作传输策略. .ABSTRACT With the rapid development of wireless mobile communication technology in recent years,MIMO becomes one of the key technologies for the next generation mobile communications.However,it is difficult to configure MIMO for the mobile terminals at present because of its rigorous demand for the distance between the antenna units.Therefore,the researchers bring forward the new concept,Cooperative Communication,in which inter-help among single-antenna terminals with longer spatial distance is employed to implement communication.Cooperative communication can not only increase the spectrum efficiency,but also be capable of employing distributed spatial diversity to combat the deep fading. As people study progress, more and more of the algorithm, agreement is developed. Such as fixed AF agreement,fixed DF agreement,compression forwarding cooperation,coding cooperation,ect. The obvious advantage multiple-input multiple-output(MIMO)system as the research focus.In order to overcome the shortcoming of decode-and-forward and amplify-and-forward transmission,a multirelay hybrid-forwarding cooperative transmission,a multirelay hybrid-forwarding cooperative transmission scheme(MRHF-CTS)was proposed to optimize the performance of cooperative communication system,which selects the style the of forwarding according to the result of decoding at relay nodes and uses the broadcast channels among relay nodes to improve the transmission reliability of multi-relay wireless networks.The performance characterizations in terms of outage probabilities are developed.The results show that in contract to decode-and-forward and amplify-and-forward scheme,MRHF-CTS offers a superior performance.And in the high signal-to-noise ratio(SNR)regime,the optimal performance of decode-and-forward transmission is gained. .KEY WORDS：MIMO, cooperative communication, AF, DF, MRHF-CTS. .第一章 前 言1.1选题意义及研究背景无线通信技术在近二十年来获得迅猛的进步，人们为了克服在无线信道中存在的如加性高斯白噪声、大尺度传播效应、小尺度传播效应、功率时延谱等多种衰落先后提出了时间分集、频率分集等一系列分集策略，进而提出空间分集。MIMO 系统显而易见的优势使之成为研究的热点。虽然 MIMO 技术发展迅速，但实际中，一些用户受制于硬件、数字信号处理领域发展、传播环境限制等因素不能支持 MIMO。 为了克服上述在未来无线网络中 MIMO 增益实现的限制，协作通信的思想随之而生。随着人们研究的进展，越来越多的算法、协议被研究出来。如固定AF 协议、固定 DF 协议、压缩转发协作、编码协作等。 为了优化多中继协作通信系统的性能，提出了一种多中继混合转发协作传输策略（Multiple-Relay Hybrid-Forwarding Cooperative Transmission Scheme, MRHF-CTS） 。该策略考虑多中继协作通信系统中的译码转发与放大转发以及两种转发方式带来的性能缺陷，根据协作中继节点接收信号的译码结果选择转发方式，同时引入协作中继节点之间数据来传输对系统性能的增益。对系统中断概率性能进行了推导与分析，结果表明，该策略在消除放大转发策略噪声积累的基础上，能够有效抑制协作中继节点错误检测译码转发给系统带来的不利影响，明显提高系统性能，在大信噪比情况下，可获得多中继译码转发协作通信系统的最佳性能。1.2 国内外研究现状1.2.1 MIMO 技术的研究现状至 2005 年年底，IEEE 数据库收录该领域的研究论文已达数千篇，从MIMO 无线通信技术的理论研究到实验验证，再到商用化的各个方面。目前，国际上很多科研院校与商业机构都争相对 MIMO 通信技术进行深入研究，其研. .究现状如下。a MIMO 算法开发 虽然理论分析结果表明 MIMO 无线技术能够极大地提高系统容量与可靠性，但仅有分析是不够的，更为重要的是开发误码性能与复杂度折衷的传输方案以获取 MIMO 系统的实际性能增益。大量 MIMO 算法企图同时充分获取分集与复用增益，因此可将 MIMO 算法方案分为两大类：第一类是分集最大化方案，即空时编码（STC）方案；第二类为数据率最大化方案，即复用方案。 b MIMO 无线信道建模 MIMO 系统利用无线信道的多径传播，开发空间资源，建立空间并行矩阵传输通道，利用空时联合处理提高无线通信系统的容量与可靠性。 c MIMO 测试平台搭建与 MIMO 芯片开发 1998 年贝尔实验室开创性的实验验证了 V-BLAST 的可行性，随之引发了对 MIMO 技术的广泛研究，进而促使人们开发 MIMO 测试平台进行信道测试。MIMO 无线传输技术发展至今，理论日渐成熟，而现场测试亟待进行。开发测试平台进行现场测试对于 MIMO 通信技术迈向实用化具有重要意义。先进的多天线系统测试平台，不但可以探测各种传播环境下的 MIMO 信道特征，验证信号处理算法性能，而且有助于评估算法实时实现的可行性。这些测试平台也是进行新技术研究与实际系统开发的重要基地。国外很多研究机构纷纷进行实验平台开发与外场测试，并有大量实验结果发表，如国内电子科技大学与东南大学的室内外 MIMO 实验，国际上 V-BLAST 的可行性验证实验、IST METRA 项目的室内外实验与 BYU 的室内 MIMO 实验等，它们极大地促进了 MIMO 技术的发展。 随着 MIMO 技术日趋成熟，为适应市场发展，诸多无线产品厂商共同合作，提出各种以 MIMO 技术为基础的解决方案，并且进行 MIMO 芯片的开发。目前，主要的 MIMO 芯片制造商包括 Airgo、Atheros、Metalink 与 Ralink 等，一些设备制造商已将芯片用于自己的 MIMO 产品，而且 Airgo 开始试产第三代MIMO 芯片，并同 Linksys 公司一起研发第四代产品。总之，全球的 MIMO 芯片市场日益壮大，为 MIMO 技术的商用打下基础。 d MIMO 技术的标准化进展 . . 随着 MIMO 技术日趋成熟，并向实用化迈进，国际上很多研究机构已不断推动 MIMO 技术的标准化进程，包括：MIMO 无线传播信道模型的标准化和MIMO 技术的标准化。 在国内，科技部对新一代无线通信技术相当重视，已启动的未来通用无线通信技术研究计划（FUTURE）分为三阶段实施：在第二阶段（2004.1 到2005.12） ，B3G/4G 空中接口技术研究达到相对成熟的水平，并进行与之相关的系统总体技术研究（包括与无线自组织网络、游牧无线接入网络的互联互通技术研究等） ，完成联网实验和演示业务的开发，建成具有 B3G/4G 技术特征的演示系统，向 ITU 提交初步的新一代无限通信体制标准；在第三阶段（2006.1 到2010.12） ，完成通用无线环境的体制标准研究及其系统实用化研究，开展较大规模的现场实验，完成预商用系统的研制。1.2.2 协作通信技术研究现状MIMO 系统要求收发两端各有多根天线，而协作通信技术是指对单根天线的收发节点，利用空间其他节点，采用协作的方式构成分布式 MIMO 系统，获得 MIMO 系统的系统性能。自从 1998 年协作通信的概念被提出，各国相继研究了协作通信技术。协作通信作为一种新型的通信模式越来越受到人们的关注，它通过不同网络元素之间的相互合作来达到网络资源的共享，进而提高传输可靠性和系统吞吐量，有效改善用户的服务质量。 a 国际上，许多相关的课题已经被展开，例如 WWRF（无线世界研究论坛）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。在很多知名国际期刊、会议上夜单独列出子方向对协作通信技术进行报道，如 IEEE 主办的Communication Magzine 等杂志，GlobleCom 等会议。2006 年，Springer 也出版了由众多学者合作的关于协作通信技术的专著。 b 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作通信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博士和明尼苏达大学的 M O Hasna 博士等。 c 今年来，协作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自主项目，众多高校也展开研究，如北京邮电大学、浙江大学、西安电子科技大学等。 LTE-ANDVANCED、ITU 将混合转发中继协议列为下一协议。1.3 进度安排及时间节点在本论文的第一章即前言部分为介绍性的章节，将介绍选题意义研究背景、国内外研究现状、哪些组织列为下一协议、进度安排每一章安排介绍时间节点。第二章简单的介绍 MIMO 和协作通信基本原理。 第三章重点说明协作通信产生、协作通信包含的部分及其研究热点。第四章为本论文的重点：混合转发中继协议研究及其性能分析。最后，将以对论文的总结来结束此篇论文。4-7 周了解参考书上基本概念，形成基本知识框架。8-14 周逐层仔细研究 MIMO、协作通信、AF、DF、MRHF-CTS。15-17 周 撰写论文，仔细排版纠错，准备答辩。. .第二章 MIMO 协作通信基本原理 至今为止，无线通信已经经历了飞速的发展演进，尽管经历了几代不同的发展阶段，每一代无线设备的更新都带来了无线链路通信速度、设备尺寸、电池寿命以及应用方面的显著改变。近几年，通信技术的演进出现了这样一种转变，即研究者们从传统的有中心控制器的单独点对点通信转而关注整个无线网络架构，典型的例子如 ad-hoc 网络和无线传感器网络，由于摒弃了传统网络分层的概念而允许任何节点帮助其他节点转发信息，因此建立了包含多条的无线通信路径，这种特性导致了用户终端发送的信息可以通过其他节点获得性能增益，而不是被当作干扰，这种发展导致了分布式通信和协作网络这一新名词的诞生。 近几年来，被认为对通信技术有巨大推动作用的是 MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）技术，MIMO 技术在接收端和发射端使用多根天线，从而形成多条路径，通过数字信号处理技术对多条路径传送信号进行形成和合并，提高了接收信号的质量和数据传输速率。2.1 MIMO 技术简介及基本原理通俗地讲，多天线系统就是收发双方都采用多根天线进行收发。通过适当的发射信号形式和接收机设计，多天线技术可以在不显著增加无线通信系统成本的同时，提高系统容量。多天线技术因其能在不增加带宽的情况下提高传输效率和频谱利用率而获得广泛的青睐。 发射机接收机信道天线1天线2天线3天线4天线1天线2天线3天线4h11h44. .图 2.1 一个 4 发 4 收 MIMO 系统1如图 2.1 所示，通过在发射端和接收端采用多天线技术，我们可以在空间域获得空间分集（也被称作无线分集） 。如果在接收端仅配置一根天线，则此多天线模型通常被称作多输入单输出（MISO）系统；同样，如果在发射端仅配置一根天线，则系统为单输入多输出（SIMO）系统。或者说，通常情况下，多输入多输出（MIMO）系统是指具有多根发射天线和多根接收天线的系统，具有多于一根发或收天线是在每对发射和接收天线之间建立不同的信道，在这类模型中，发射信息能够通过不同的信道到达接收端，只要其中一个信道足够强，接收机就能够恢复发射信息，如果我们假设不同的信道相互独立或者具有非常小的相关度，那么所有信道链路衰落的概率就很小，无线对越多，接收信号的冗余度（分集）就越大，也就是说，收发器检测的可靠性将越高，信道链路的低相关度或者独立的假设可以通过适当的分离收发器两端天线来获得，每一端所需的天线间隔依赖于天线临近区域的散射体及信号载波频率，对于移动终端，最典型的间隔为半个到一个载波频率。而对于基站，所需间隔大约为十个波长，这些条件均较容易得到满足。2.2 MIMO 技术的优势2.2.1 多天线相比于单天线的优势多天线技术相比单天线技术具有如下优势：（1）阵列增益使用多天线后增加了信号的相干性，从而获得阵列增益。（2）分集增益提高了分集增益。分集增益是通过利用多径来获得的，某一条路径性能变坏是不会影响系统的性能。在无线衰落信道里，可以增加接收信号强度的稳定性从而提高传输信息的可靠性。分集增益可以在空间（天线） 、时域（时间）和频域（频率）3 个维度上获得。（3）共信道干扰消除消除了共信道干扰。使用多天线后通过分析干扰的不同信道响应，消除共信道的干扰信号。. .2.2.2 MIMO 技术的经济性 （1）提高传输容量，降低高话务区域建网成本 随着数据业务的不断推广，尤其是手机电视、高速无线上网等业务的应用，用户对数据业务的需求不断增加，在密集城区、热点地区等高话务区域，网络的部署将受限于容量。另外由于数据业务的不对称性，容量的大小往往受限于下行速率的高低。基于这些特点，以混合组网为例，使用 2*2 接收分集的多入多出将使单站点容量提升近 20%。通过计算，在区域覆盖面积和容量需求不变的情况下，使用 2*2 接收分集的多入多出相比于 1*2 接收分集可以节省基站数目 15%以上，从而大大减少高话务区域建网成本。 （2）降低扩容成本 在使用基于多天线技术的接收机的情况下，使用 2*2 接收分集的 MIMO 天线可使扇区的吞吐率提升 40%-60%，特别是在多径环境较复杂的密集城区、城区、室内灯微蜂窝情况下扇区吞吐率可提升接近 60%，而这些微蜂窝恰恰就是容量需求较高的区域。 在不增加载频和基站数目的情况下，通过使用多天线技术作为扩容方案既可以满足容量的需求又可以大大减少扩容成本，真正实现低成本快速扩容。 （3）增加收发信机和天馈系统成本 多天线技术的引用使得收发信机的处理过程变得更加复杂：基站必须支持2 个以上独立的发射通道（两天线独立地编码、调制、扩频和发送）和 2 个空间数据流的上行反馈信令（如 CQI、ACK/NACK 等信令）处理。这些都将在一定程度上增加基站和终端成本，另外多天线本身及天馈系统的安装也比普通天线更加复杂。因此多天线的引入也将在一定程度上增加基站和天馈系统成本。无疑，一方面通过多天线技术提高传输容量，在按流量收费情况下，多天线技术可为运营商带来成倍增长的利润空间；另一方面，采用多天线技术会对基站和终端带来更大的实现复杂性。相对而言，除必要的信令和测量信息，在升级中使用多天线技术对网络的影响较小。 通常从运营成本角度出发，需在综合考虑系统和设备复杂性的影响下合理. .使用多天线技术。2.3 协作通信的基本原理MIMO 技术虽具有如此多的优势，但在实际中，并不是所有用户都能保证如此高的传输速率，因为它们或者不能在其小型设备中安装多天线，或者由于传播环境限制不能支持 MIMO，比如没有足够多的散射，在最后一种情况下，即使用户安装了多天线，满秩 MIMO 也不能实现，因为在多天线元素间的路径是高度相关的。 为了克服上述在未来无线网络中 MIMO 增益实现的限制，我们必须考虑在传统点对点通信之上的新技术。无线系统的传统观点是：它是一个相互试图通信的节点的集合；另一种观点认为，因为无线信道的传播特性，我们将这些节点看做分布在无线通信系统中天线的集合，采用这种观点，网络中节点能够为信息的分布式传输和处理进行协作，协作节点为源节点扮演中继节点的角色。 协作通信是一种新的通信方式，通过引入中继信道，它在用户和基站之间产生了独立路径，中继信道可以认为是源和目的端之间直接信道的一种辅助信道，因为中继节点常常距源节点有几个波长的距离，所以中继信道与直接信道间的衰落独立，这就在源和目的端间引入了一个满秩的 MIMO 信道。在协作通信方案中，对于接收到由其他发射节点辐射出的有用能量的节点会有一些先验的限制，新的用户协作范例是这样的：通过在节点上执行适当的信号处理算法，多终端能处理从其他节点侦听到的传输信号，并且通过彼此的中继信息进行协作，如图 2.2 所示，中继信息随后在目的节点进行组合以产生空间分集，这就产生了这样一个网络，它可以被认为是一个执行分布式多天线的系统，协作节点为彼此产生了不同的信号路径1。. .发射机1发射机2接收机图 2.2 用户协作结构中两个相关的发射机1因此，对于网络中所有用户都产生高速率的第四代无线系统而言，协作通信是一种新的手段，就研究范畴而言，可以认为协作通信与中继信道和 MIMO系统的研究相关。协作通信在无线通信系统中有多种应用，主要有固定中继的协作通信（协作 MIMO）和用户终端间的协作通信（多用户协作）两种方式。考虑到移动终端只配置 1 到 2 根天线，为了保证天线数受限的终端用户也能获得 MIMO 增益，提出协作 MIMO 的概念。另外，在多跳无线通信网络中，为提高传输速率，提出了多用户协作分集即多个用户相互协作从而实现类似MIMO 的传输方案以获得分集增益。而目前非常热门的无线中继技术的主要理论基础也包含协作通信理论。2.4 协作通信的优势 （1）高效率、多业务、互动性强。 （2）通讯成本低，实现内部零话费通话。 （3）全面、灵活的管理，降低了管理费用。 （4）有效保护原有设备，有机融入新的服务体系，降低硬件成本。它可以提升系统容量、增大数据传输速率、有效地对抗衰落及降低系统的中断概率，提高系统的服务质量和可靠性。而且协作分集技术解决大小受限的移动终端无法安置多天线的问题，推进 MIMO 技术实用化，带来无线通信领域的巨大变革。促进 MIMO 技术的实用化是协作通信最大的好处，它有可能带来无线通信领域的巨大变革。传统的 MIMO 技术通过在发射端/接收端配置多个天线构成多. .发射/接收天线分集，但对于小型移动终端来说是很不现实的，这就导致 MIMO技术在蜂窝网以及 ad -hoc 等网络中难以实用化。可以说，协作通信可以使MIMO 技术的各种优势得以发挥，能够切实地利用空间资源来提高通信系统的性能，包括提升系统容量、增大数据传输速率、有效对抗衰落以及降低系统的服务终端概率，提高系统的服务质量和可靠性等。此外，协作分集的思想还可以应用于抗干扰通信中。抗干扰的基本方法有直接序列扩频、跳频、跳时以及它们的混合应用，但是这些方法都没有利用空间资源，而协作分集在某种意义上可以看做是一种空跳。跳频的工作原理是信号的载波频率受伪随机码或某种特定跳频图案的控制而跳变。跳频增益的大小取决于跳频幅度的大小和跳频的快慢，而跳时技术在时间上也有类似的结论。协作分集技术从另一个角度可以看作是根据一定的准则（某种特定空跳图案） ，用户信息在空间方位上的跳变，其空跳增益可以根据跳频、跳时的结论推出，随着参与用户数、空跳幅度以及调速的提高，空跳增益将会越大。. .第三章 协作体系的产生为了解决多输入多输出技术在移动终端的多天线制约问题，提出了一种新的分集技术协作分集，该方法可以使具有单根天线的移动台获得类似于MIMO 系统中的某些增益。如今最为广泛的空间分集技术主要是 MIMO，现有的 MIMO 天线技术通过在接收端和发射端同时安置多个天线来有效地消除多径衰落的影响，MIMO 信道结构从而充分利用了空域资源，大幅度提高了信道容量。3.1 协作分集技术3.1.1 协作分集技术原理协作分集技术又称虚拟 MIMO 技术，其基本原理是：多用户环境中的单天线用户在传输自己的信息时，也能传送所接受和检测到的临近用户的信息。其实质就是希望利用合作伙伴的天线与自身天线构成多发射天线，从而产生一个虚拟 MIMO 系统，以获得分集增益。3.1.2 协作分集步骤 协作分集的过程主要分为两个步骤：（1）源节点以广播方式发送信号，目的节点和中继节点接收信号，中继节点对接收到的信号进行处理。 （2）中继节点将处理后的信号发送给目的节点，此时源节点也可以向目的节点发送重复的或者新的消息，最后目的节点按照某种规则合并两步接收到的信号。3.1.3 协作分集信号合并模型 假设系统中每个源节点只有一个合作伙伴，它们两个相互协作与目的节点进行通信。每个源节点除了独立发送自己的信息给目的节点外，还将转发从其合作伙伴接收到的信息给目的节点。这就相当于从一个源节点发送的信号经历了两条独立衰落的路径分别到达目的节点，从而可以得到分集增益。. .3.1.4 协作中继协议 按中继实现方式，协作通信系统中主要有三种协作方式，即放大前传、检测转发、编码协作。在这三种方式中尤以编码协作方式的性能最优。首先，放大转发机制，或称放大前传，在该机制中，每个用户接收它伙伴发送过来的带有噪声的信号，接着对该信号进行放大，然后将放大的带有噪声信号的重新发送。基站将对用户和其他伙伴传过来的数据进行合并判决。接着，有人提出了检测转发机制，在该方法中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。 以上提出的两种机制虽然能获得一定的分集增益，但它们有一些局限性。第一，两种机制都包括一定形式的重发，所以并非对带宽最好利用。第二，检测转发机制可能会转发对其伙伴错误估计的信息。错误的传播会降低性能，特别是当用户间的信道较差时。第三，这两种机制为了在接收端得到最佳的最大似然检测，需要知道用户间信道的 BER（误比特率）和 SNR（信噪比） 。为了解决这些局限性，提出了一种新的机制编码协作机制。3.2 编码协作3.2.1 编码协作的基本思想 编码协作的基本思想：首先把移动终端要发送的信息比特转化成符号块进行编码，然后加上 CRC（循环冗余校验码） 。在协作通信时将要发送的信息编成码字后分成两段，分别含有和，则原始的码长为+。其中是想要的信息位，是校验码。需要两个时隙来分别发送和两部分信息，发送这些信息的时隙成为帧。 第一帧中，每个移动终端发送各自码字的第一段，即信息，同时每个移动终端都试图解码对方的这部分信息。如正确解码，就在第二帧中发送其协作伙伴码字的第二段即信息，如译码不正确就发送自己的第二段信息，这样每个移动终端在两个发射时隙总是传送 N=+的信息块。3.2.2 编码协作的各种情况分析. . 在第二帧中，各个用户是相互独立的，他们不知道自己在第一帧的信息是否已经被正确译码，因此，第一帧的译码情况具有四种情况，如图 3.1 所示N1bitN2bit第一帧第二帧用户2用户1 N1bitN2bit第一帧第二帧用户2用户1 情况 a 情况 bN1bitN2bit第一帧第二帧用户2用户1N1bitN2bit第一帧第二帧用户2用户1 情况 c 情况 d 用户 1 的 MAC 信道 传输用户 1 的数据 用户 2 的 MAC 信道 传输用户 2 的数据图 3.1 普通编码协作的实现过程2情况 a 在第一帧的两用户都成功地检测到对方的数据，并成功译码，所以在第一帧中他们都传输伙伴的信息，可以达到完全增益。情况 b 用户 2 成功译码用户 1 的数据信息，而用户 1 则未能成功译码用户2 的信息，所以在用户 1 的第二帧传输用户 1 的信息，在用户 2 的第二帧也传输用户 1 的信息。情况 c 用户 1 成功译码用户 2 的数据，而用户 2 未能成功译码用户 1 的数. .据，所以在第二帧中，用户 1 传输用户 2 的信息，用户 2 也传输用户 2 的 N2bit信息。情况 d 用户 1 和用户 2 均未能成功译码，所以在第二帧中均传输各自的N2bit 信息2。由此可以看出，当信道不完全对称时，必然会有一个用户的码字的第二部分不会在第二帧进行传输，因此系统的性能将大大受到影响。因此技术人员又提出了一种新的写作方案，空时协作方法。3.3 空时协作方法空时协作信号处理技术与原先的编码协作机制不同的是：用户在第二帧中同时传输自己和伙伴的比特信息。用户在快衰落环境也可以取得比较好的性能，因此空时协作信号处理技术也是一个很好的研究方向。空时协作编码方法是：用户在第二帧中不但要传输它自己的信息还要传输它的协作伙伴的信息，这种策略在快衰落信道中是非常有用的。在快衰落环境下，一个用户的上行信道在第一帧和第二帧传输中是独立的，因此，在第二帧中使用伙伴的信道不会得到任何增益。在空时协作中，由于每个用户在第二帧中传输两个用户的信息，因此可以获得较好的增益。更进一步说，用户传输它自己和伙伴的信息，在用户间信道质量不好的情况下也可以获得较好的增益。如果一个用户能正确地对它的伙伴译码，而伙伴却不能正确对它译码，那么这个用户能在它的第二帧传输中获得较好的增益，而它的伙伴却不能。 空时协作编码在第二帧的传输中也有四种情况，如图 3.2 所示：N1bitN2bit第一帧第二帧用户1用户2 N1bitN2bit第一帧第二帧用户1用户2 情况 a 情况 b. .N1bitN2bit第一帧第二帧用户1用户2 N1bitN2bit第一帧第二帧用户1用户2 情况 c 情况 d 用户 1 的 MAC 信道 传输用户 1 的数据 用户 2 的 MAC 信道 传输用户 2 的数据图 3.2 空时编码协作的实现过程2情况 a 两个用户都能对其伙伴成功的译码，所以在第二帧中它们都传输自己和伙伴的第二部分比特信息，从而导致全分集的发生。在这种情况下，同一个信道，两个不同天线上可能传输相同的数据，这就为空时码的采用提供了条件，即用户可以再第二帧采用编码发射数据来获得分集。情况 b 用户 2 能成功译码用户 1，而用户 1 却不能成功译码用户 2。因此用户 1 在第二帧只能传输自己的比特，而用户 2 传输自己和用户 1 的比特。情况 c 与情况 b 类似，只是把用户 1 与用户 2 的位置调换而已。情况 d 两个用户都不能成功译码其伙伴的信息，系统就退化成非协作的情况2。3.4 协作通信下一步的研究方向 协作分集是一种全新的空间分集技术，它可以解决难以在移动终端安装多根天线的问题，推进 MIMO 技术的实用化。目前国内外在这方面的研究刚刚起步，还存在很多问题，但无论如何它都具有广阔的前景，而且这种技术可以用于无线自组织网、无线局域网及无线传感器网等多种场合，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。. .3.5 协作通信面临的问题 协作通信是当今研究最为热门的话题之一，发展至今，虽然取得了不少的成果，但还有许多问题有待进一步的研究和解决。 (1) 协作伙伴如何分配和管理。协作通信中的一个重要的问题是怎样确定与哪些用户进行协作，多长时间对合作的用户进行重新分配。对于蜂窝系统，用户都与一个中心基站进行通信，这样可以提供一种集中控制机制，假设基站已知用户间的所有信道信息，那么就可以根据一个性能优化标准（比如平均误块率）来分配合作伙伴。而对于像 ad-hoc 这样的非集中控制网络，它们需要一个分布式的协作协议，用户可以在任意时间独立的决定与哪一个用户进行协作，该分布式协议的难点是在不增加额外系统资源的前提下，保证所有用户的公平性。 (2) 基站要进行正确解码必须知道一些协作终端的信息。在简单的检测中继模式中，基站需要知道协作终端之间的信道差错概率；在放大中继模式中，基站要估计协作终端之间信道的状态信息；对编码协作模式以及选择检测中继模式来说，虽然基站不需要知道有关信道的信息，但它要知道移动终端之间是否进行了协作、跟谁协作，或者具体一点基站要知道第二帧的信息到底是谁的。 (3) 同步问题。目前大多数协作分集的文献都假定系统是能够良好同步的，即协作者之间、协作者和目的端之间都是同步的，但这在实际中是很难实现的。与目前的有线同步网络不同，协作分集中同一信息是由多个协作者发往目的端的，如果多个协作者到目的端的时延不同，则协作者之间的同步问题与协作者和目的端的同步问题是相互矛盾的。以现有的同步机制，如果做到了多个协作者之间的同步，就很难做到目的端与协作者间的同步，反之亦然。对于蜂窝移动通信系统下的协作分集而言，有可能做到用户的准同步。但是，对于自组织网络和无线传感器网络而言，多个用户间的同步就更为困难。 (4) 协作系统中的路由如何选择。移动台怎样去选择协作伙伴，每个移动台协作伙伴的个数如何确定。既然是移动终端，当它们的相对位置改变时又如何选择新的协作伙伴，根据怎样的路由协议去选择。 (5) 协作传输如何进行功率控制。现在的研究都是认为各个移动终端有着. .相等的发射功率，但是可以使移动终端根据上行信道或者协作伙伴的信道状态自适应地调整发送功率，从而更好地提升性能。 (6) 信息安全问题。为了保证伙伴之间数据信息的保密性，在协作通信系统中，用户的数据在传输之前必须进行加密，使移动台可以检测到同伴的数据，而无法理解同伴传输的信息，这也会增加系统的复杂度。. .第四章 协作通信中的混合转发中继协议研究4.1 协作通信的基本原理在协作通信中，用户与基站之间的独立信道是通过图 4.1 描述的中继信道产生的。中继信道可以说是源于目的之间直接信道的一个辅助信道。协作通信过程中一个很关键的方面就是对来自中继的源节点的信息处理。不同的处理方案导致了不同的协作通信协议。协作通信协议一般可以分成固定中继方案和自适应中继方案。在固定中继方案中，源到中继的信道资源以固定的（确定性的）方式被划分。中继的处理根据所采用的协议而有所不同。当采用固定放大转发（AF）中继协议时，中继只是简单的量化并放大接收到的信号，然后将其转发给目的端。另一种处理方式是将接收到的信号译码并重新编码后发送给接收机。这种中继方式成为固定译码转发（DF）中继协议。协作传输源S中继rBS/AP源指定一个选择的中继中继2中继1源提出的中继分配协作系统传统的服务边界阶段1：hs,r阶段2：hr,d阶段1:hs,d传统的直接传输服务器覆盖范围的扩大图 4.1 直接传输与协作传输的差别，以及协作传输可能带来的覆盖范围的扩大4.2 固定协作策略 在固定中继中，源到中继的信道资源以固定的（确定的）方式划分。中继. .的处理根据采用的协议不同而不同。最常用的技术是固定 AF 中继和固定 DF 中继。 通常一个中继策略可以被建模成两个正交的阶段，或者通过 TDMA，或者通过 FDMA，以避免两个阶段之间产生干扰。阶段 1，源发送信息到目的，同时，中继也接收到源发送的信息。阶段 2，中继 2 通过转发或者重新发送源的信息来帮助源。图 4.2 描述了一个普遍的中继信道，源的发射功率为 P1,而中继发射功率为P2。这里，仅考虑源和目的采用相同发射功率 P 的特殊情况。阶段一，源到目的和中继广播信息。目的和中继接收到的信号 Ys,d和 Ys,r分别为中继P2源P1Hs,rHr,dHs,d目的图 4.2 简化协作模型 （4.1）,s ds ds dYPhxn （4.2）,s rs rs rYPh xn其中，P 是源的发射功率，x 是发送的信息符号，是加性噪声，在,s ds rnn式（4.1）和式（4.2）中，分别是源到目的和源到中继的信道系数。噪,s ds rhh声被建模成均值为零且方差为的复高斯随机变量。,s ds rnn0N阶段二，中继将处理后的源信号向目的转发，目的接收到的信号为 （4.3）,()r dr ds rr dYhq yn其中，函数 q(x)取决于中继节点所采用的处理方式1。4.2.1 固定放大转发协议固定放大转发协议常被简称为 AF 协议。当采用此协议时，中继量化将接. .收到的信号放大后转发给目的。放大转发中继信道可以建模如下，中继和目的接收到的源发送的信号为 （4.4）,s ds ds ds rs rs rYPhxnYPh xn其中，分别是源到目的和源到中继的信道衰落，并被建模成瑞利平,s ds rhh坦衰落信道。表示均值为零且方差为的加性高斯白噪声，在这个协议下，中,s ds rnn0N继将源的信息放大后转发给目的，目的对源到中继的信道衰落进行立项均衡。中继只是简单地将接收信号用一个因子量化，该因子与接收功率成反比，可表示为 2,0rs rPP hN（4.5）因此，中继发送的信号为，发射功率 P 与源的发射功率相同。目r, s rY的接收到的信噪比是来自源和中继两个链路的信噪比之和。源到目的的信噪比为 （4.6）2,s ds dSNRh 其中，。0PN 下面我们研究中继到目的的接收信噪比。在阶段二，中继放大接收到的信号并以发射功率 P 发送给目的。根据式（4.5） ，目的在阶段二接收到的信号为 （4.7）,2,0r ds rPYP hN其中，是中继到目的的信道系数，是加性噪声。具体来讲，这种情, s dh, r dn况下接收信号为, r dY （4.8）,2,0r dr ds rr ds rPYhh xnP hN其中 （4.9）,2,0r dr ds rr ds rPnhnnP hN. .假设噪声，是独立的，则等效噪声是均值为零的复高斯随机变, s rn, r dn, r dn量，其方差为 （4.10）2,002,0h(1)r ds rPNNP hN通过源和中继两条链路，目的接收到了信号 x 的两个副本。最大化总信噪比的最优方法是最大比合并（MRC） 。注意，MRC 合并需要一个已知所有信道系数的相干接收机。MRC 输出的信噪比等于所有分支信噪比之和。在已知下，目的 MRC 检测器的输出可以写成,s ds rr dhhh （4.11）1,2,s dr dya ya y合并因子 a1,a2应该设计来最大化合并信噪比。这个问题可以通过构造成一个优化问题并选择相应的因子来解决。一个简单的方法是通过信号空间来检测原理来设计。因为高斯白噪声存在于所有的空间，为了最小化噪声的影响，检测器应该将接收信号映射到目标信号空间。因此，在对接收信号归一化,s ds ryy噪声发差后，应该分别沿着方向映射。因此，a1,a2为,s ds ryy,s dr ds rhhh， （4.12）,10s dPhaN,2,022,02,0(1)s rr ds rr ds rPPhhP hNaP hNP hN通过假设式（4.1）发送的符号 x 的平均能量为 1，MRC 输出的瞬时信噪比为 （4.13）12其中 （4.14）221,12010s ds daPhP hNaN及. .22,2,02220r ds rs rPaPhhP hNaN222,2,02,02,01s rr ds rr ds rPhhP hNP hNP hN （4.15）222,20,01s rr ds rr dP hhNP hP hN由上式看出，放大转发下瞬时互信息量是衰落系数的函数，为 （4.16）121l12AFIb将两条链路的信噪比代入，则互信息量可以写成 （4.17）222,11,2AFs ds rr dIlbhfhh其中 （4.18）,1xyf x yxy中断概率是系统瞬时信道容量小于系统传输速率的概率，反映了无差错传输性能，是系统性能的重要考核指标，采用 AF 方式的协作传输系统中断概率可以通过对指数分布的信道增益进行平均后获得：（4.19）,222r,1P1,2s ds rr dAFhhhs ds rr dIRElbhfhhR计算上式的积分，可得到高信噪比下的中断概率如下 （4.20）2222,222,212Rs rr dAFs ds rr dP IR 其中，2R 中的因子 2 是因为协作将一半的带宽分给了中继，因而丧失了一半的带宽。中断概率随着的变小而减小，这就意味着 AF 协议可以获得的分2集为 22。4.2.2 固定译码转发中继协议 中继节点的另外一种处理方式可能是将接收到的信号译码并重新编码后发送给接收机。这种中继方式叫做固定译码转发，通常在不会与选择性译码转发混淆的情况下采用，也简称为译码转发（DF）方案。如果中继译码后的信号表. .示为，并假设具有单位能量，则中继发送的信号可以表示为。注意，xxP x中继译码可能不正确。如果译码错误的信号被转发到了目的端，在目的端进行译码就没有意义了。显然这种方案的分集为 1，因为系统的性能被源到中继和源到目的中最差的链路所限制。 尽管 DF 中继相比 AF 中继有降低中继处加性噪声的优势，但是它有可能向目的端转发错误的信号，这就导致错误传播，进而降低系统性能。源到目的之间的互信息量受限于源到中继的链路及源到目的、中继到目的的联合链路的较小互信息量。更具体地，译码转发传输的互信息量作为信道衰落的函数可以写成 （4.21）222,1min (1),(1)2DFs rs dr dIlbhlbhh其中，min 操作时考虑到中继只有在译码正确时才转发这个事实，因此性能受限于源到目的和源到中继链路中的最弱者。 固定 DF 中继的中断概率由给出。因为 lb 是个单调函数，中断rPDFIR事件就等价于 （4.22）2222,21min,Rs rs dr dhhh中断概率为（4.23）2222222r,r,r,212121PPPRRRDFs rs rs dr dP IRhhhh 因为信道是瑞利衰落的，则上述变量都是参数为 1 的指数随机变量。对信道进行平均，则在高信噪比下，译码转发的中断概率为 （4.24）22,121RDFs rP IR 在阶段二，对于 DF 协作协议，如果中继能够译码正确，则以发射功率 P2将译码符号转发给目的端，否则中继不发或保持空闲。此时目的端在阶段二接收到的信号可以建模为 （4.25）,r ds dr dyPhx其中，若中继译码正确则,否则。式（4.25）中，hr,d是中继到22PP20P. .目的的信道系数，均值为零且方差为的复高斯随机变量。噪声是均值2, r d, r d为零且方差为 N0的复高斯随机变量。注意，为了能够理论计算 SER，我们假设中继采用的是理想 DF 协作协议，即中继能够检测一个门限，则以很高的概率译码成功。 从上面分析可见，固定中继具有易于实施的优势，但是也存在频谱效率低的优势。这是因为有一半的信道资源分配给中继进行转发，这就降低了整个信道的速率。特别是当源到目的的信道并不是很差的时候，这时源发送给目的的数据大部分都可以被正确译码，中继的转发就浪费了2。4.2.3 选择性译码转发中继协议 固定中继在传输速率上遭受着确定性的损失，例如，在两个阶段的传输中，频谱效率存在 50%的损失。而且，固定 DF 中继的性能受限于源到中继及中继到目的信道的较弱者，这就导致它能获得的分集为 1。为了克服这些问题，可以研究选择性译码中继协议以提高有效性。 在选择性 DF 中继方案中，如果中继接收信号的信噪比超过了某个门限值，则中继解码接收信号并将解码信息转发给目的。反之，如果源和中继之间的信道遭受了严重的衰落，以至于接收信噪比落到门限值以下，则中继不进行任何操作。选择中继提高了固定 DF 中继的性能，因为中继处可以设定门限以克服固定 DF 中继内在的问题，即，即使有些符号译码错误，中继仍然将它们转发给目的。 如果源到中继链路的信噪比超过了门限，中继成功解码源信号的可能性很大。这种情况下，目的端最大比合并的信号的信噪比是从源和中继接收到的信噪比之和。因此，选择 DF 中继的互信息为 （4.26）2,222,1(12)( )21( )(1)2s ds rSDFs rs dr dlbhhgIhglbhh 其中，。2( )(21)Rg 选择中继的中断概率推导如下。利用全概率公式，以中继是否转发源的信号为条件，我们得到. .22,r,( )P( )SDFSDFs rs rP IRP IR hghg22,r,( )P( )SDFs rs rP IR hghg从式（4.26）中，选择 DF 中继的中断概率为 222,r,1(12)( )P( )2SDFs ds rs rP IRPlbhR hghg +2222,r,1(1)( )P( )2s dr ds rs rPlbhhR hghg 从上式中，源可以获得的分集阶数为 2，因为上面和式的第一项是两个概率的乘积，每个可以提供的分集 1，第二项也是两个各概率的乘积，而第一个可以提供分集 2。换句话说，选择中继可以提供分集 2 是因为为了使中断事件发生，则要么源到目的及源到中继的信道都中断，要么源到目的及中继到目的的联合信道中断。上式中所有的随机变量都是独立的指数随机变量，这就使得中断概率的计算很直接，高信噪比下中断概率的表达式可以写成 （4.27）2222,r222,21P2Rs rr dSDFs ds rr dIR 这跟 AF 情况下的分集增益相同。这就意味着，在高信噪比下，选择 DF 中继和 AF 中继具有相同的分集增益3。4.3 多中继固定协议策略4.3.1 多中继固定译码转发协议 考虑到有任意 N 个中继的无线网络，其中一个源要发送信息给一个目的节点。由于无线信道的广播特性，一些中继能够监听到发送的信息，从而能够协助源来发送数据。网络中任意两个节点之间的链路建模为瑞利衰落窄带信道，噪声为加性高斯白噪声。假设不同链路的信道衰落是统计独立的。这个假设是合理的，因为中继之间通常是分离的。所有接收端的加性噪声建模为零均值且方差为 N0的复高斯随机变量。假设各中继在正交信道上发送，因此没有中继间干扰。中继间的协作可以有各种情况。一种普遍的协作场景是，将该场景表示为C(m),( ),每个中继合并来自之前 m 个中继的信号及来自源的信号。11mN. .这些协作协议中最简单的场景 C(m)如图 4.3 所示，每个中继将来自自己前面一个中继的信号和来自源的信号合并。图 4.3 描述了最复杂的情况，每个中继将所有来自之前中继的信号与来自源的信号合并。这个是最复杂的场景，应当在所有协作协议中提供最好的性能，因为这种情况下每个中继利用了所11( )NmC m有之前阶段的信息。在所有考虑的协作场景中，目的相干合并源和所有中继的信号。下面介绍一般化的协作策略 C(m),( )下的系统模型11mN虚拟（N+1）*1 MIMO系统SR1R2RkRk+1RNd图 4.3 协作场景的描述：第 k+1 个