协作通信的中继选择算法研究毕业论文(编辑修改稿)

协作通信的中继选择算法研究毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

出路，是一种很有前途的空间分集技术。 可以说，协作分集可以使 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中断概率，提高系统的服务质量和可靠性等。 协作分集的应用范围 协作分集的思想具有非常广阔的应用前景，可用于非移动通信系统、无线Adhoc 网络、无线局域网以及无线传感器网络等多种场合，也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作是一种空跳。 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、空跳幅度以及跳速的提高，空跳增益将会越大。 10 协作通信的中继选择算法研究 中继信道模型 协作通信的概念是建立在中继信道模型的基础上的，它是一种新的空间分集技术。 它利用了无线电波的广播特性，每一个节点都可以接收到其他节点发送的信号并经过一定的处理后转发到目的节点，这样不同的用户就可以共享彼此的天线而形成空间分集。 如图 所示，协作中继过程是这样的：源节点发送有用信号，由于无线电波的广播特性，网络中存在一些潜在的中继节点能够侦听到源节点发送的信号，通过在节点上执行适当的信号处理算法，中继节点将从源节点处侦听到的传输信号进行相应处理，并且通过中继信道将消息传输到目的节点。 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。 中继信道 [6]可以认为是源和目的端之间直接信道的一种辅助信道，中继节点通常距源节点有几个波长的距离，所以中继信道 与直接信道之间互相独立，因此源和目的端之间构成了一个满秩的 MIMO 信道。 而满秩传输的 MIMO 可以提供非常高的传输速率，这正是现代无线通信所急需的。 第二章协作通信与中继选择概述 11 源源中继1中继2指定一个选择的中继B S / A P源 S阶段1：,srh阶段1： ,sdh传统的直接传输传 统 的 服 务 边 界服 务 覆 盖 范 围 的 扩 大阶段2：,rdh中 继 R 图 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增大 在这一部分，我们将介绍中继信道模型。 为叙述的方便，这里仅考虑一个中继协助源节点的发送，这个中继可以是网络中众多中继中的任何一个。 同时假设中继为半双工模式，即中继不能同时进行发送和接收。 通常一个中继策略可以分为两个正交的阶段：阶段 1，源 节点 发送信息到目的 节点，同时 中继 节点 也接收到源 节点 发送的信息；阶段 2，中继 节点 通过转发或者重新发送源 节点的信息来帮助源节点。 信息传送过程中 通常采用 TDMA 或 FDMA，以避免两阶段之间产生干扰。 图 描述了一个简化的协作模型。 源的发射功率为 1P ,而中继发射功率为 2P。 为简单起见，这里假设源和目的采用相同的发射功率 P。 阶段 1，源节点向目的节点和中继节点广播信息。 目的节点和中继节点接收到的信号分别为 ,sdy 和 ,sry。 12 协作通信的中继选择算法研究 源中 继目 的1P 2P,srh ,rdh,sdh 图 简化协作模型 , , ,s d s d s dy P h x n (21) , , ,s r s r s ry P h x n (22) 其中 ， 0N P 是源的发射功率， x 是发送的信息符号， ,sdn ， ,srn 是加性噪声。 ,sdh和 ,srh 分别是源到目的和源到中继的信道系数。 它们分别为零均值且方差为 2,sd 和2,sr 的复高斯随机变量。 噪声 ,sdn 和 ,srn 为零均值且方差为 0N 的复高 斯随机变量。 阶段 2，中继将处理后的源信号向目的转发，目的接收到的信号为： , , , ,()r d r d s r r dy h f y n (23) 其中，函数 ()f 取决于中继节点所采用的处理方式。 中继节点的转发策略 固定中继转发策略 文献 [7]根据协作伙伴节点转发信号方式的不同，提出了 FixedRelaying、SelectionRelaying、 IncrementalRelaying 等几种中继转发 策略。 在本论文中介绍的所有 算法中，都是基于固定中继的。 固定中继技术有着相对简单的网络结构和路由及切换算法，安全性也较高，关键是，固定中继的引入无需对整个网络的主要技术、协议以及整体布局作太大的变化，尤其在现有的蜂窝网中，引入固定中继节点是一种低成本实现网络性能优化的方案，具有很高的可行性。 这里重点介绍固定中继（ FixedRelaying）中的几个协作策略。 （ 1）放大转发 AF 放大转发 [8][9](Amplify and Forward， AF)，是指 中继节点直接将 接 收到的来自源节点的 加 有噪声的信号进行放大，然后将这个信号重新发送给目的节点，过程 第二章协作通信与中继选择概述 13 中中继 节点 不进行解调和解码。 图 是 AF 协作的原理图，中继节点 R 直接对来自源节点的 S 进行幅度放大，然后传送给目的节点 D。 RSD 图 放大转发原理图 （ 2）解码转发 解码转发 [10][11]（ Decode and Forward， DF）， 指中继节点要首先对接收的源节点信号进行解调和解码， 进行再调制和编码后 将处理过的信号发送给目的端。 这时采用的解码和重新编码处理往往是接收信号的非线性变换。 虽然目的是为了避免 AF 过程中噪声过大 时 的影响，但是 往往 也会因为引入了衰落而使系统性能 受到局限。 图 是 DF 协作的原理图。 RSD 图 解码转发原理图 （ 3） 编码协作 编码协作 [12][13](Coded Cooperation， CC)是协作技术和信道编码技术 相 结合的产物，由校验 DF 衍生而出。 其基本思想是：每个用户都试图为自己的伙伴传输冗14 协作通信的中继选择算法研究 余的信息。 编码协作有效性的关键是：所有操作都在编码设计下自动实现，中继节点间无需传送反馈信息，即无需知道用户间的信道状态信息。 当他们之间的信道质量非常恶劣时，该机制自动恢复到非编码协作模式，继续传递自己的后续信息。 CC 的原理图如图 所示。 RSD 图 编码协作模式原理图 固定中继各种协作 转发 策略的比较： （ AF）是最简单的一种方式。 优缺点明显，优点是中继节点简单，主要 缺点是 放大 了 自己接收的噪声 ， 协作分集的效果不明显。 （ DF）是 AF 模式的一个改进，较为复杂，它首先在转发之前除去了噪声的影响。 但当信道质量比较恶劣时容易出现差错，导致错误的传播。 （ CC） ， 前面两种情况的发生是以双方都知道彼此信道情况为前提的，这样采用一定的信道估计方案就必不可少。 而 CC 则无需知道双方用户间的信道状况，通过编码来控制第二步协作，这在性能上有很大的优势。 同时 CC也有很大的缺点，那就是由于中继节点要先编码再解码，导致了较高的复杂度，中继节点处理信号的过程也必然会导致时延增大。 自适应中继转发策略 固定中继转发策略 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 转发 策略 的性能受限于源 节点 到中继 节点 及中继 节点 到目的 节点间 信道的较差者，这就导致它能获得 的分集为 1。 为了克服这些问题，可 研究自适应的 中继 转发 策略 以提高 中继转发的 有效性。 通常主要考虑两种策略：选择性 DF 转发 策略 和增量中继转发 策略。 第二章协作通信与中继选择概述 15 （ 1）选择 DF 转发 策略 在选择 DF 转发 策略 中，系统会预先设定一个信噪比门限 值。 只有当中继接收信号的信噪比超过了该 门限 值，中继才开始解码接收信号并将解码信息转发给目的 节点。 相反，如果源 节点 和中继 节点 之 间的信道质量变差，使得中继 节点处 的接收信噪比落到门限值以下，则中继不进行任何操作。 通过设定门限值，选择性转发 策略 避免了转发译码错误的符号这一存在于固定 DF 中的严重问题，提高了DF 的中继性能。 如果源 节点 到中继 节点间 链路的信噪比超过了门限，中继成功解码源信号的可能性 非常 大。 这种情况下，目的端最大比合并的信号的信噪比是从源 节点 和中继 节点处 接收到的信噪比之和。 （ 2）增量中继转发协议 增量中继转发协议是这样进行的 ： 第一阶段源 节点给目的节点发送信息，目的节点 若能正确接收该信号，则通过反馈信道向源节点发送一个确认信息，以告知中继无需再在 第二 阶段转发信号了。 可以看出 ： 对于增量中继转发协议来说，中继无需一直进行转发，它的转发是随机的。 这种策略使得增量中继转发 策略 在所有 转发策略 中具有最高的频谱效率，它所能获得的分集重数为 2。 本章小结 本章主要综述了协作通信和协作通信中的一些关键技术，重点介绍了协作通信的中继转发策略。 第一，介绍了协作通信的基本概念，并依次描述了两个研究协作通信的缘由 ； 第二，综述了协作通信中的分集技术，重点介绍了协作分集技术的概念，工作原理，优点 与应用范围以及与协作分集相关的一些内容 ； 第三，主要介绍了协作通信的系统模型，方便对协作通信系统的理解。 第四，重点介绍了协作通信中的中继转发策略，尤其是固定中继转发策略中的 AF、 DF、 CC，并对其进行了总结和对比。 自适应中继转发策略其实是对固定中继转发策略的改进，是为解决固定转发协议有着 50%的频谱资源浪费的问题而提出的，主要包括选择中继转发协议和增量中继转发协议两类，其中增量中继转发协议在所有转发协议中频谱利用率是最高的，因为它能够将目的节点是否正确接收信号的消息反馈回去。 第三章中继选择技术研究 17 第三章 中继选择技术研究 协作通信的优点 协作通信作为一种新的通信方式，存在以下主要好处： 更高的空间分集增益：通过协作分集，用户可有效抵抗无线信道的小尺度衰落和阴影衰落。 更高的吞吐率 /更低的时延：用户通过自适应协作可获得更高的数据传输速率，同时减少重传次数和降低数据的传输时延。 降低干扰 /较低的发送功率：蜂窝网和无线局域网 (WLAN)中的用户采用协作分集可对频率资源更加有效地再利用，同时可降低用户发送功率，减小小区间的干扰，扩展网络的覆盖范围。 对网络环境的自适应性：能对网络中的节点能量和带宽资源进行有效利用和优化再分配，合理地利用网络资源。 要发挥协作通信的优点，就必须抓住 其中的 关键技术，而作为协作通信中的关键，中继节点选择成为能否为系统带来最大优势的决定性因素。 中继网络的系统模型 如图 所示，中继网络的系统模型 [14]由三部分能组成， m个源节点（ Source，S）、 m个目的节点（ Destination， D）和若干个中继节点（ Relay， iR ， i=1， 2， „„ ，M)。 信号从源节点（ S）传输到目的节点（ D） 要经过三个步骤： 源 1源 m源 2终 1终 m终 2中 继 1中 继 m中 继 2M候 选 中 继被 选 中 继 图 中继网络的系统模型 18 协作通信的中继选择算法研究 第一步，源节点发送训练序列，候选中继节点转发训练序列，目标节点从中选择 m 个合适的源节点 和中继节点，通过反向链路将选择的节点信息反馈到相应的源节点和中继 节点。 第二步，源节点对要发送的信号进行广播，被选中的中继转发信息，而未被选中的候选中继节点则不进行任何操作。 第三步，停止传输，目的节点开始接收并合并由中继 节点和源节点 传来的信息 （一般采用最大接收比合并 MRC 方式）。 中继选择算法的分类 在协作通信系统中一个至关重要的问题就是如何选择合适的中继节点，它决定了协作系统是否可以带来增益。 关于中继节点的选择算法，依据于不同的分类标准有不同的类型。 下面介绍中继选择算法的不同分类。 （ 1）算法执行 按算法的执行方式，中继选择算法分为：中心式和分布式。 中心 式 算法是将需要的信息将传送到一个中央节点（例如：基站，接入点等），中心节点使用这些合作上的信息节点选择算法和结果的执行情况并将结果返回到源节点和相应的协同节点。 分布式 算法 是信息节点之间的交流和协调，该节点可以决定是否同意和与谁合作。 中心型算法的优势在于从全局整体规划的角度来看，使得全局的工作在最佳状态，但由于需要收集有关信息与计算全局最优，会引入大量通信开销和计算开销。 分布式算法往往得到一个局部最优解，但分布式算法分散了通信开销和计算复杂性，分布式算法更适用于非固定网络。 （ 2）协作方式 协作系统协作的方式是重要的参数，不同的方式的协同对协作节点生成算法的选择有着显著的影响，例如：在 DF 协作模式下，节点唯一正确的解码参与协作传输；在 AF 协作模。