協(xié)作通信的中繼選擇算法研究學(xué)士學(xué)位論文

1、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　近年來，新興的多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output, MIMO)技術(shù)為改善通信系統(tǒng)性能、提高小區(qū)邊緣用戶的吞吐量和傳輸可靠性提供了一條有效的解決途徑。協(xié)作通信技術(shù)則充分利用了無線電波的全向傳播特性，使無線網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)相互協(xié)作形成了虛擬的天線陣列來獲得傳統(tǒng)MIMO技術(shù)可以得到的空間分集增益。&

2、lt;/p><p>　　作為一種新型的MIMO通信模式，中繼節(jié)點(diǎn)選擇技術(shù)是其關(guān)鍵技術(shù)之一，決定了協(xié)作是否能夠帶來性能增益。文章簡要概述了協(xié)作通信的相關(guān)技術(shù)，依據(jù)不同分類對中繼節(jié)點(diǎn)選擇算法進(jìn)行分類介紹，并且對近年來典型的中繼節(jié)點(diǎn)選擇算法進(jìn)行分析和比較。得出結(jié)論：只有根據(jù)系統(tǒng)需求合理地選擇、配置中繼節(jié)點(diǎn)才能更好地優(yōu)化協(xié)同通信的性能。</p><p>　　關(guān)鍵詞：MIMO協(xié)作通信協(xié)作分集中繼選擇&l

3、t;/p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　In recent years, the emerging MIMO (Multiple Input Multiple Output) technology provides an effective solution to improve communication system perform

4、ance, improve the throughput and transmission reliability of the users on the edge of the cell. Cooperative communication technology takes full advantage of radio wave’s propagation characteristics to make nodes in the w

5、ireless network form a virtual antenna array to get the spatial diversity gain as traditional MIMO technology can have.</p><p>　　As a new MIMO communication mode, relay node selection technique is one of its

6、 key technologies and decides whether collaboration can bring a performance gain. This paper gives a brief overview of cooperative communication technology, elaborates different relay node selection algorithms according

7、to different categories of classification, analyzes and compares several typical relay node selection algorithms. In the last, we get a conclusion that the only choose reasonable relay nodes based on sy</p><p&

8、gt;　　Keywords: MIMO Cooperative Communications Cooperative Diversity</p><p>　　Relay Selection</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　第一章 緒論5</b></p><

9、;p>　　1.1 通信技術(shù)的發(fā)展5</p><p>　　1.2 4G技術(shù)介紹5</p><p>　　1.2.1 4G技術(shù)簡介5</p><p>　　1.2.2 4G中的通信技術(shù)5</p><p>　　1.3 協(xié)作通信的背景5</p><p>　　1.4 論文的主要工作5</p><

10、p>　　第二章 協(xié)作通信與中繼選擇概述5</p><p>　　2.1協(xié)作通信的概念及其研究意義5</p><p>　　2.2協(xié)作分集技術(shù)5</p><p>　　2.2.1 協(xié)作分集的優(yōu)點(diǎn)5</p><p>　　2.2.2 協(xié)作分集的應(yīng)用范圍5</p><p>　　2.3 中繼信道模型5</p&g

11、t;<p>　　2.4 中繼節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)策略5</p><p>　　2.4.1 固定中繼轉(zhuǎn)發(fā)策略5</p><p>　　2.4.2 自適應(yīng)中繼轉(zhuǎn)發(fā)策略5</p><p><b>　　2.5本章小結(jié)5</b></p><p>　　第三章 中繼選擇技術(shù)研究5</p><p>　　

12、3.1 協(xié)作通信的優(yōu)點(diǎn)5</p><p>　　3.2中繼網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)模型5</p><p>　　3.3中繼選擇算法的分類5</p><p>　　3.4典型中繼選擇算法介紹5</p><p>　　3.4.1 機(jī)會中繼選擇算法及其改進(jìn)5</p><p>　　3.4.2 貪婪算法及其應(yīng)用：5</p>

13、<p>　　3.4.3 基于延時(shí)的伙伴選擇算法5</p><p>　　3.4.4 考慮用戶公平性的中繼選擇5</p><p>　　3.5 本章小結(jié)5</p><p>　　第四章 仿真結(jié)果及分析5</p><p>　　4.1 中繼轉(zhuǎn)發(fā)策略AF、DF仿真5</p><p>　　4.1.1 仿真參數(shù)設(shè)定

14、5</p><p>　　4.1.2 仿真結(jié)果分析5</p><p>　　4.2 機(jī)會中繼選擇算法仿真5</p><p>　　4.2.1 仿真參數(shù)設(shè)定5</p><p>　　4.2.2 仿真結(jié)果分析5</p><p>　　4.3 本章小結(jié)5</p><p>　　第五章 總結(jié)與展望5&l

15、t;/p><p><b>　　5.1 總結(jié)5</b></p><p><b>　　5.2展望5</b></p><p><b>　　致謝5</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)5</b></p><p><b>

16、;　　第一章 緒論</b></p><h3>　　1.1 通信技術(shù)的發(fā)展</h2><p>　　人類幾千年的發(fā)展歷史中無線通信技術(shù)發(fā)揮了極其重要的作用。我國古代烽火戲諸侯所用的烽火臺就是最早的傳遞信息的平臺，1897年，馬可尼（Guglielmo Marconi）第一次向全世界展示了無線通信的威力，他實(shí)現(xiàn)了在布里斯托爾海峽中船只相互的持續(xù)通信。自此，移動物體之間的通信也因?yàn)槌闪?/p>

17、人們關(guān)注的焦點(diǎn)而得到了巨大的發(fā)展，全世界科學(xué)家不斷經(jīng)歷著一代又一代新的無線通信技術(shù)的更新，人們也開始享受無線通信帶來的各種服務(wù)。</p><p>　　最初，無線通信技術(shù)是隨著技術(shù)的發(fā)展而緩慢發(fā)展的。直到20世紀(jì)60-70年代，高可靠度、小型的晶體射頻技術(shù)的發(fā)展才開啟了無線通信的時(shí)代。之后，這些技術(shù)逐漸成熟，推動了近年來全球蜂窩網(wǎng)和個(gè)人通信的飛速發(fā)展。20世紀(jì)以來無線通信用戶成數(shù)量級的增長趨勢，第一代通信技術(shù)起源于

18、80年代，主要采用模擬和頻分多址（FDMA）技術(shù)，僅能提供話音服務(wù)，不能傳輸數(shù)據(jù)。第二代數(shù)字通信系統(tǒng)（2G）起源于90年代初，主要采用時(shí)分多址（TDMA）和碼分多址（CDMA）技術(shù)，其傳輸速度只有9.6bps，最高可達(dá)32kbps。到了21世紀(jì)，世界的發(fā)展進(jìn)入到信息時(shí)代，知識爆炸式的增長對通信行業(yè)也造成了極大的沖擊與震動，一些過去不被人關(guān)注的問題漸漸成為人們研究的熱點(diǎn)，近年來協(xié)作通信作為一個(gè)新的研究熱點(diǎn)而被人們廣泛關(guān)注。第三代通信系統(tǒng)的

19、數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)2Mbps，但其仍是一個(gè)基于地面標(biāo)準(zhǔn)不一的區(qū)域性通信系統(tǒng)，無法滿足多媒體通信的要求。</p><h3>　　1.2 4G技術(shù)介紹</h2><h4>　　1.2.1 4G技術(shù)簡介</h2><p>　　從20世紀(jì)末3G技術(shù)完成標(biāo)準(zhǔn)化之時(shí)，4G技術(shù)的研究工作就已經(jīng)開始了。IMT-Advanced是國際電信聯(lián)盟(ITU，International Tel

20、ecommunication Union)為滿足未來10～15年全球移動通信需求而啟動的。ITU于2005年定義了性能遠(yuǎn)優(yōu)于3G的新一代寬帶移動通信系統(tǒng)IMT-Advanced為：具有超過IMT-2000能力的新一代移動通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠提供廣泛的電信業(yè)務(wù)，特別是由移動和固定網(wǎng)絡(luò)支持的日益增加的基于包傳輸?shù)南冗M(jìn)的移動業(yè)務(wù)。IMT-Advanced系統(tǒng)支持從低到高的移動性的應(yīng)用和很寬范圍的數(shù)據(jù)速率，滿足多種用戶環(huán)境下用戶和業(yè)務(wù)的需求。I

21、MT-Advanced系統(tǒng)還具有在廣泛服務(wù)和平臺下提供顯著提升QoS的高質(zhì)量多媒體應(yīng)用的能力。IMT-Advanced對頻譜有效性和功率有效性提出了更高的要求，為了滿足新的移動通信應(yīng)用需求，無線通信系統(tǒng)需要向高頻段、高速率、高效率以及與因特網(wǎng)等其它網(wǎng)絡(luò)融合的方向發(fā)展，同時(shí)需要充分挖掘利用空間無線資源和采用新型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對現(xiàn)有的蜂窩系統(tǒng)構(gòu)架以及無線傳輸技術(shù)需要進(jìn)行較大的變革。此外，改善小區(qū)（或扇區(qū)）邊緣終端</p><

22、;p>　　IMT-Advanced的關(guān)鍵特性包括：在保持成本效率的條件下，在支持靈活廣泛的服務(wù)和應(yīng)用的基礎(chǔ)上，達(dá)到世界范圍內(nèi)的高度通用性；支持IMT業(yè)務(wù)和固定網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的能力；高質(zhì)量的移動服務(wù)；用戶終端適合全球使用；友好的應(yīng)用、服務(wù)和設(shè)備；世界范圍內(nèi)的漫游能力；增強(qiáng)的峰值速率以支持新的業(yè)務(wù)和應(yīng)用。</p><h4>　　1.2.2 4G中的通信技術(shù)</h2><p>　　為了實(shí)現(xiàn)4G中

23、通信的基本要求，需要引入新的先進(jìn)的通信技術(shù)，同時(shí)調(diào)整傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，以進(jìn)一步提高無線通信系統(tǒng)的傳輸性能，適應(yīng)未來移動通信的需求。為此，3GPP和IEEE基于分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分別提出了多天線增強(qiáng)、協(xié)作多點(diǎn)傳輸(CoMP，Coordinated Multi-Point)、中繼等技術(shù)。具體可以歸結(jié)為以下幾點(diǎn)： </p><p>　　多用戶多MIMO模式技術(shù)</p><p>　　對于多用戶MIMO傳輸

24、，不同用戶可使用不同的調(diào)制編碼方式。根據(jù)天線配置、系統(tǒng)負(fù)載、信道信息、UE移動速度、平均信噪比等信息，BS和UE可在各種MIMO模式之間轉(zhuǎn)換。MIMO模式間的選擇一般取決于如何最大化吞吐量或覆蓋范圍。</p><p>　　IEEE提出的智能MIMO技術(shù)支持各種MIMO模式之間的自適應(yīng)轉(zhuǎn)換。根據(jù)信道條件，通過選擇合適的MIMO模式，能夠在不降低覆蓋范圍的情況下提高頻譜利用率。采用智能MIMO方式，可以克服不同場景帶

25、來的不確定性，使MIMO技術(shù)具有更廣泛的應(yīng)用場景。例如，對于同網(wǎng)絡(luò)下的不同終端，其天線數(shù)目可能是不同的，因而若在同一小區(qū)采用相同的MIMO傳輸方法，難以達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)。此外，不同用戶經(jīng)歷的衰落也是不一樣的，自適應(yīng)選擇不同MIMO模式以適應(yīng)信道變化，可以優(yōu)化系統(tǒng)性能。</p><p>　　多用戶多MIMO模式技術(shù)面臨的主要問題是：1)如何利用感知信息，優(yōu)化MIMO模式選擇。2)如何實(shí)現(xiàn)低復(fù)雜度的多用戶MIMO檢測

26、和干擾抵消算法。目前，國際上大部分研究主要集中于串行干擾抵消、并行干擾抵消、球形檢測、樹搜索檢測等方法，然而這些方法還不能提供復(fù)雜性和性能的之間的良好統(tǒng)一。</p><p>　　協(xié)作MIMO和波束成形/預(yù)編碼技術(shù)</p><p>　　協(xié)作MIMO是一種將空間上不在同一位置的天線通過某種方式“協(xié)作”在一起，形成協(xié)作多天線形式的技術(shù)。協(xié)作MIMO可用在上行或下行系統(tǒng)中，在協(xié)作MIMO發(fā)送方式下

27、，多個(gè)空間信道具有較好正交性的用戶可以共享相同的時(shí)域和頻域資源，提高上/下行系統(tǒng)的容量。</p><p>　　協(xié)作MIMO有以下幾種形式：1)基于非預(yù)編碼的協(xié)作中繼傳輸，僅需交換業(yè)務(wù)信息。2)基于MIMO預(yù)編碼的協(xié)作波束成形傳輸，簡稱協(xié)作MIMO-BF，不僅需要交換業(yè)務(wù)信息，還需要交換信道信息。協(xié)作MIMO-BF技術(shù)，一方面，可以利用信道狀態(tài)信息，通過基帶的MIMO預(yù)編碼算法，實(shí)現(xiàn)波束成形；另一方面，也可以利用接

28、收端反饋的信息，進(jìn)行射頻的波束調(diào)整；同時(shí)獲得空間分集增益、空間復(fù)用增益、天線陣列增益，大幅度提升系統(tǒng)性能。</p><p>　　協(xié)作MIMO和波束成形/預(yù)編碼技術(shù)目前面臨的主要問題是：1)優(yōu)化的協(xié)作資源分配和管理，包括協(xié)作集合(伙伴)的優(yōu)選問題；2)虛擬MIMO的協(xié)作檢測與多用戶干擾抑制；3)非理想信道信息條件下，如何穩(wěn)健實(shí)施協(xié)作波束成形。</p><p>　　3GPP提出的CoMP技術(shù)&

29、lt;/p><p>　　協(xié)作多點(diǎn)傳輸(CoMP，Coordinated Multi-Point)，指多個(gè)地理位置相互獨(dú)立分散的傳輸點(diǎn)通過不同的協(xié)作方式(如聯(lián)合傳輸、聯(lián)合處理、協(xié)作調(diào)度等)為多個(gè)用</p><p>　　戶服務(wù)。其中，多個(gè)傳輸點(diǎn)可以是具有完整資源管理模塊、基帶處理模塊和射頻單元的基站，或者是地理位置互異的多個(gè)射頻單元RRU及天線(如分布式天線)，或者是中繼節(jié)點(diǎn)。</p>

30、<p>　　CoMP技術(shù)可以分為上行多點(diǎn)接收和下行多點(diǎn)傳輸。下行CoMP又分為兩類：1)協(xié)作調(diào)度/波束賦形(CS/CB)：利用不同小區(qū)之間的信息交互，通過對資源(時(shí)間、頻率、空間等)的調(diào)度，包括波束賦形向量的調(diào)度來減少小區(qū)間干擾(ICI)，從而改善小區(qū)邊緣性能，提高系統(tǒng)吞吐量。2)聯(lián)合處理(JP)：利用不同小區(qū)基站天線到用戶的空間分集來提高小區(qū)邊緣用戶性能。</p><p>　　CoMP技術(shù)目前面臨

31、的主要問題是：1)CoMP技術(shù)需要多種物理層傳輸技術(shù)的支持，如適應(yīng)多小區(qū)聯(lián)合傳輸?shù)腗IMO技術(shù)、預(yù)編碼技術(shù)、高效的信道估計(jì)和聯(lián)合檢測技術(shù)等。2)先進(jìn)有效的無線資源管理方案也是影響CoMP技術(shù)性能的重要因素，如小區(qū)資源分配策略、負(fù)載均衡、聯(lián)合傳輸中協(xié)作點(diǎn)的優(yōu)選機(jī)制。3)在引入CoMP技術(shù)后，系統(tǒng)中的切換場景將發(fā)生變換，現(xiàn)有系統(tǒng)中的切換策略將無法滿足新場景中的切換需要，因此設(shè)計(jì)有效的切換策略成為CoMP技術(shù)中亟待解決的問題。4)協(xié)作傳輸中的

32、同步協(xié)調(diào)和多普勒頻偏補(bǔ)償問題，被認(rèn)為是公開的難題，尚待突破。</p><p>　　IEEE提出的網(wǎng)絡(luò)MIMO技術(shù)</p><p>　　網(wǎng)絡(luò)MIMO技術(shù)通過多基站間的協(xié)作聯(lián)合處理來降低小區(qū)間干擾，提升扇區(qū)頻譜效率和小區(qū)邊緣頻譜效率，主要技術(shù)有：多基站協(xié)同的多基站預(yù)編碼技術(shù)和多基站協(xié)同的單基站預(yù)編碼技術(shù)。 </p><p>　　此時(shí)，多個(gè)基站聯(lián)合處理，為多個(gè)基站的用戶提

33、供數(shù)據(jù)，這需要扇區(qū)間協(xié)調(diào)和通信的配合。通過聯(lián)合的信號處理，以降低扇區(qū)間干擾，提高小區(qū)邊緣吞吐量。</p><p>　　網(wǎng)絡(luò)MIMO技術(shù)目前面臨的主要問題與CoMP技術(shù)相同。</p><h3>　　1.3 協(xié)作通信的背景</h2><p>　　關(guān)于協(xié)作通信的基本思想可以追溯到Cover 和El Gamal 關(guān)于中繼信道的信息論特性[2]。他們分析了一個(gè)三節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)（一個(gè)

34、源節(jié)點(diǎn)，一個(gè)目的節(jié)點(diǎn)，一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)）的容量，他們假設(shè)所有節(jié)點(diǎn)的工作頻帶相同，這樣系統(tǒng)便可以分解為一個(gè)廣播信道（從源節(jié)點(diǎn)來看）和一個(gè)多址信道（從目的節(jié)點(diǎn)來看）。</p><p>　　然而，在協(xié)作通信的很多方面我們考慮的與中繼信道都是不同的。首先，目前的研究集中在如何產(chǎn)生克服衰落的分集，而Cover 和El Gamal 主要分析在加性白高斯噪聲信道（AWGN，Additive White Gaussian Noise

35、）下的信道容量[3]。其次，在中繼信道中，中繼的目的是為了幫助主信道，然而在協(xié)作通信中，整個(gè)系統(tǒng)的資源是固定的，用戶既是信息源又是中繼者。</p><p>　　最近幾年，隨著分集技術(shù)的發(fā)展，協(xié)作通信成為了當(dāng)前無線通信中的研究熱點(diǎn)。研究協(xié)作通信一個(gè)主要目的就是對抗無線信道的多徑衰落。因?yàn)闊o線信道的衰落是隨機(jī)的（考慮小尺度衰落，在微小的時(shí)間和空間差別下信號的強(qiáng)度發(fā)生大的變化），如果S-D信道正好處于深度衰落，不利于通

36、信；而距離源節(jié)點(diǎn)旁邊的伙伴節(jié)點(diǎn)其R-D信道卻可能處于很好的信道狀態(tài)。因此，源節(jié)點(diǎn)可以尋求伙伴節(jié)點(diǎn)的幫助，先把數(shù)據(jù)發(fā)給伙伴節(jié)點(diǎn)，再由伙伴節(jié)點(diǎn)把數(shù)據(jù)發(fā)給目的節(jié)點(diǎn)。</p><p>　　支撐協(xié)作通信發(fā)展的另外一個(gè)技術(shù)是MIMO（多輸入多輸出）技術(shù)。MIMO技術(shù)利用了無線衰落信道中不同傳播路徑的獨(dú)立性，通過在收發(fā)兩端裝備多副天線，能夠有效的提高傳輸容量或者增強(qiáng)傳輸?shù)目煽啃?。然而，對于很多價(jià)格低廉，體積小巧的設(shè)備（例如無線

37、傳感器節(jié)點(diǎn)、手機(jī)等），裝備多個(gè)天線是非常困難的，如果能夠?qū)⑻幱谝粋€(gè)區(qū)域內(nèi)部彼此鄰近的多個(gè)節(jié)點(diǎn)聯(lián)合起來，形成一個(gè)虛擬的MIMO陣列，就有能夠獲得傳統(tǒng)MIMO的傳輸效果[4]。</p><h3>　　1.4 論文的主要工作</h2><p>　　本文主要對協(xié)作通信中繼節(jié)點(diǎn)選擇進(jìn)行研究，綜述當(dāng)前協(xié)作通信中的相關(guān)知識、關(guān)鍵技術(shù)和一些中繼選擇算法，并對其進(jìn)行分析比較。內(nèi)容結(jié)構(gòu)安排如下：</p&

38、gt;<p>　　第一章：主要介紹了無線通信結(jié)束的發(fā)展和協(xié)作通信的研究背景及論文的主要結(jié)構(gòu)安排。</p><p>　　第二章：主要介紹了協(xié)作通信相關(guān)概念以及協(xié)作通信中的關(guān)鍵技術(shù)，重點(diǎn)介紹了協(xié)作分集技術(shù)和中繼轉(zhuǎn)發(fā)策略。</p><p>　　第三章：主要研究了協(xié)作通信的好處、系統(tǒng)模型和中繼選擇算法的分類，并且代表性的介紹了機(jī)會中繼選擇算法、貪婪算法和基于延時(shí)的伙伴選擇算法。<

39、;/p><p>　　第四章：主要對中繼轉(zhuǎn)發(fā)策略AF、DF和機(jī)會中繼選擇算法作了一些簡單的仿真和性能分析。</p><p>　　第五章：總結(jié)與展望，對論文中待研究的問題綜述性地進(jìn)行介紹。</p><h2>　　第二章 協(xié)作通信與中繼選擇概述</h2><h3>　　2.1協(xié)作通信的概念及其研究意義</h2><p>　　協(xié)作

40、（Cooperative）顧名思義就是相互幫助使得幫助的雙方同時(shí)獲益。事實(shí)上，協(xié)作的思想在通信領(lǐng)域中并不是首次出現(xiàn)，它最早是隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展而出現(xiàn)的，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中早就開發(fā)了各種協(xié)作技術(shù)和平臺?！皡f(xié)作”英文可譯為cooperative，coordinative，relative等等，表達(dá)的觀念就是在一個(gè)多點(diǎn)的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，多個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)參與協(xié)同工作，以達(dá)到共同的或者是獨(dú)立的目的的一種策略。其基本思想是在多用戶環(huán)境中，具有單根天線的移動

41、臺可以按照一定的方式來共享彼此的天線從而產(chǎn)生一個(gè)虛擬MIMO系統(tǒng)，從而獲得分集增益。將協(xié)作的概念引入到通信中來，預(yù)期可以提高網(wǎng)絡(luò)的整體性能。</p><p>　　圖2.1兩個(gè)用戶的協(xié)作通信</p><p>　　近幾年來，在無線通信領(lǐng)域中協(xié)作思想也有廣泛的研究，涉及到“協(xié)作”、“協(xié)同”、“聯(lián)合”等詞匯的技術(shù)均可以看做屬于協(xié)作通信的范疇，在與協(xié)作思想相關(guān)的眾多文獻(xiàn)中，對于上行鏈路，出現(xiàn)最頻繁的

42、相關(guān)概念是“協(xié)作分集”，而對于下行鏈路，則多帶有“基站聯(lián)合”、“基站協(xié)作”等關(guān)鍵詞。從協(xié)作的對象來看，主要包括基站、移動臺或中繼等。在本論文中，主要關(guān)注的是上行鏈路中的用戶協(xié)作，即協(xié)作分集技術(shù)。研究協(xié)作通信技術(shù)的原因大致可以分為以下兩種：</p><p>　　第一種，網(wǎng)絡(luò)中有空余的資源。在某一傳輸?shù)臅r(shí)間段內(nèi)通信系統(tǒng)可能僅僅有一部分有通信需求，因此網(wǎng)絡(luò)中會存在較多的終端處于空閑狀態(tài)，而由于傳統(tǒng)的蜂窩系統(tǒng)都把終端看成

43、獨(dú)立的通信個(gè)體，這樣就使得很多終端資源得不到利用而被浪費(fèi)掉，另外，移動終端的差異性也會造成資源的浪費(fèi)，比如一些計(jì)算機(jī)處理信號的能力強(qiáng)，而另一些則較差。再者，距離基站較近的移動終端有較好的通信能力，較遠(yuǎn)的則相對差些。如果把這些移動終端都看成是相互的一個(gè)整體，則他們可以相互協(xié)助傳遞對方的信息和自己的信息，這樣就節(jié)約了大量的網(wǎng)絡(luò)資源，有利于通信系統(tǒng)整體性能的提高。</p><p>　　第二種，協(xié)作通信有助于系統(tǒng)獲得增益

44、。研究[5]表明協(xié)作通信可以提供全部的空間分集增益，即n個(gè)參與協(xié)作通信的節(jié)點(diǎn)提供的空間分集增益等同于信源節(jié)點(diǎn)具有n個(gè)獨(dú)立天線發(fā)射提供的增益。此外，協(xié)作通信還具有能克服由于多徑而引起的信道衰落、增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性、擴(kuò)大覆蓋能力、改善小區(qū)邊緣用戶的服務(wù)質(zhì)量以及提高頻譜利用率等優(yōu)勢。</p><p><b>　　2.2協(xié)作分集技術(shù)</b></p><p>　　1998年Send

45、onaris等人提出了使用單天線的移動終端也可實(shí)現(xiàn)分集的新技術(shù)——協(xié)作分集：系統(tǒng)中的每個(gè)移動終端都有一個(gè)或多個(gè)伙伴（partner），協(xié)作伙伴在發(fā)送自己信息的同時(shí)也有責(zé)任發(fā)送對方的信息。每個(gè)終端既利用了自己又利用了其合作伙伴的空間，獲得一定的空域分集增益。由于彼此分享天線，又構(gòu)成了一個(gè)虛擬的MIMO多天線系統(tǒng)。</p><p>　　如圖2.2所示，是一個(gè)移動終端間的協(xié)作分集，用戶2以廣播形式向基站發(fā)送信息，它的信

46、息同時(shí)被基站和用戶1所接收，這時(shí)用戶1處理信息。然后將處理的信號再發(fā)向基站，而此時(shí)的用戶2也同時(shí)發(fā)送信息，最終形成兩條獨(dú)立的信道傳輸信號。</p><p>　　圖2.2移動終端間的協(xié)作分集</p><h4>　　2.2.1 協(xié)作分集的優(yōu)點(diǎn)</h2><p>　　促進(jìn)MIMO技術(shù)的實(shí)用化是協(xié)作分集最大的好處，它有可能帶來無線通信領(lǐng)域的巨大變革。傳統(tǒng)的MIMO技術(shù)通過在

47、發(fā)射/接收端配置多個(gè)天線構(gòu)成多發(fā)射/接收天線分集，但這對于小型移動終端來說是很不現(xiàn)實(shí)的，于是就導(dǎo)致了MIMO技術(shù)在蜂窩網(wǎng)以及Ad Hoc等網(wǎng)絡(luò)中難以實(shí)用化。協(xié)作分集為MIMO技術(shù)在小型移動終端的應(yīng)用找到了新的出路，是一種很有前途的空間分集技術(shù)?？梢哉f，協(xié)作分集可以使MIMO技術(shù)的各種優(yōu)勢得以發(fā)揮，能夠切實(shí)地利用空間資源來提高通信系統(tǒng)的性能，包括提升系統(tǒng)容量、增大數(shù)據(jù)傳輸速率、有效對抗衰落以及降低系統(tǒng)的服務(wù)中斷概率，提高系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量和可

48、靠性等。</p><h4>　　2.2.2 協(xié)作分集的應(yīng)用范圍</h2><p>　　協(xié)作分集的思想具有非常廣闊的應(yīng)用前景，可用于非移動通信系統(tǒng)、無線Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)、無線局域網(wǎng)以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等多種場合，也可以應(yīng)用于抗干擾通信中?？垢蓴_的基本方法有直接序列擴(kuò)頻、跳頻、跳時(shí)以及它們的混合應(yīng)用，但是這些方法都沒有利用空間資源，而協(xié)作分集在某種意義上可以看作是一種空跳。協(xié)作分集技術(shù)從另一個(gè)角

49、度可以看作是根據(jù)一定的準(zhǔn)則（某種特定空跳圖案），用戶信息在空間方位上的跳變，其空跳增益可以根據(jù)跳頻、跳時(shí)的結(jié)論推出，隨著參與用戶數(shù)、空跳幅度以及跳速的提高，空跳增益將會越大。</p><h3>　　2.3 中繼信道模型</h2><p>　　協(xié)作通信的概念是建立在中繼信道模型的基礎(chǔ)上的，它是一種新的空間分集技術(shù)。它利用了無線電波的廣播特性，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以接收到其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信號并經(jīng)過一定

50、的處理后轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點(diǎn)，這樣不同的用戶就可以共享彼此的天線而形成空間分集。</p><p>　　如圖2.3所示，協(xié)作中繼過程是這樣的：源節(jié)點(diǎn)發(fā)送有用信號，由于無線電波的廣播特性，網(wǎng)絡(luò)中存在一些潛在的中繼節(jié)點(diǎn)能夠偵聽到源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信號，通過在節(jié)點(diǎn)上執(zhí)行適當(dāng)?shù)男盘柼幚硭惴?，中繼節(jié)點(diǎn)將從源節(jié)點(diǎn)處偵聽到的傳輸信號進(jìn)行相應(yīng)處理，并且通過中繼信道將消息傳輸?shù)侥康墓?jié)點(diǎn)。中繼信息隨后在目的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行組合以產(chǎn)生空間分集。這就產(chǎn)生了這

51、樣一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，它可以被認(rèn)為是一個(gè)執(zhí)行分布式多天線的系統(tǒng)，協(xié)作節(jié)點(diǎn)為彼此產(chǎn)生了不同的信號路徑。中繼信道[6]可以認(rèn)為是源和目的端之間直接信道的一種輔助信道，中繼節(jié)點(diǎn)通常距源節(jié)點(diǎn)有幾個(gè)波長的距離，所以中繼信道與直接信道之間互相獨(dú)立，因此源和目的端之間構(gòu)成了一個(gè)滿秩的MIMO信道。而滿秩傳輸?shù)腗IMO可以提供非常高的傳輸速率，這正是現(xiàn)代無線通信所急需的。</p><p>　　圖2.3直接傳輸與協(xié)作傳輸?shù)牟顒e，以及協(xié)作傳輸

52、可能帶來的覆蓋范圍的增大</p><p>　　在這一部分，我們將介紹中繼信道模型。為敘述的方便，這里僅考慮一個(gè)中繼協(xié)助源節(jié)點(diǎn)的發(fā)送，這個(gè)中繼可以是網(wǎng)絡(luò)中眾多中繼中的任何一個(gè)。同時(shí)假設(shè)中繼為半雙工模式，即中繼不能同時(shí)進(jìn)行發(fā)送和接收。通常一個(gè)中繼策略可以分為兩個(gè)正交的階段：階段1，源節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息到目的節(jié)點(diǎn)，同時(shí)中繼節(jié)點(diǎn)也接收到源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息；階段2，中繼節(jié)點(diǎn)通過轉(zhuǎn)發(fā)或者重新發(fā)送源節(jié)點(diǎn)的信息來幫助源節(jié)點(diǎn)。信息傳送過程

53、中通常采用TDMA或FDMA，以避免兩階段之間產(chǎn)生干擾。</p><p>　　圖2.4描述了一個(gè)簡化的協(xié)作模型。源的發(fā)射功率為,而中繼發(fā)射功率為。為簡單起見，這里假設(shè)源和目的采用相同的發(fā)射功率。階段1，源節(jié)點(diǎn)向目的節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)廣播信息。目的節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)接收到的信號分別為和。</p><p>　　圖2.4 簡化協(xié)作模型</p><p><b>　　(2-

54、1)</b></p><p><b>　　(2-2)</b></p><p>　　其中，是源的發(fā)射功率，是發(fā)送的信息符號，，是加性噪聲。和分別是源到目的和源到中繼的信道系數(shù)。它們分別為零均值且方差為和的復(fù)高斯隨機(jī)變量。噪聲和為零均值且方差為的復(fù)高斯隨機(jī)變量。</p><p>　　階段2，中繼將處理后的源信號向目的轉(zhuǎn)發(fā)，目的接收到的信

55、號為：</p><p><b>　　(2-3)</b></p><p>　　其中，函數(shù)取決于中繼節(jié)點(diǎn)所采用的處理方式。</p><h3>　　2.4 中繼節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)策略</h2><h4>　　2.4.1 固定中繼轉(zhuǎn)發(fā)策略</h2><p>　　文獻(xiàn)[7]根據(jù)協(xié)作伙伴節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)信號方式的不同，提出了

56、Fixed-Relaying、Selection-Relaying、Incremental-Relaying等幾種中繼轉(zhuǎn)發(fā)策略。在本論文中介紹的所有算法中，都是基于固定中繼的。固定中繼技術(shù)有著相對簡單的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和路由及切換算法，安全性也較高，關(guān)鍵是，固定中繼的引入無需對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的主要技術(shù)、協(xié)議以及整體布局作太大的變化，尤其在現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)中，引入固定中繼節(jié)點(diǎn)是一種低成本實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化的方案，具有很高的可行性。這里重點(diǎn)介紹固定中繼（Fix

57、ed-Relaying）中的幾個(gè)協(xié)作策略。</p><p><b>　?。?）放大轉(zhuǎn)發(fā)AF</b></p><p>　　放大轉(zhuǎn)發(fā)[8][9](Amplify and Forward，AF)，是指中繼節(jié)點(diǎn)直接將接收到的來自源節(jié)點(diǎn)的加有噪聲的信號進(jìn)行放大，然后將這個(gè)信號重新發(fā)送給目的節(jié)點(diǎn)，過程中中繼節(jié)點(diǎn)不進(jìn)行解調(diào)和解碼。圖2.5是AF協(xié)作的原理圖，中繼節(jié)點(diǎn)R直接對來自源節(jié)

58、點(diǎn)的S進(jìn)行幅度放大，然后傳送給目的節(jié)點(diǎn)D。</p><p>　　圖2.5放大轉(zhuǎn)發(fā)原理圖</p><p><b>　?。?）解碼轉(zhuǎn)發(fā)</b></p><p>　　解碼轉(zhuǎn)發(fā)[10][11]（Decode and Forward，DF），指中繼節(jié)點(diǎn)要首先對接收的源節(jié)點(diǎn)信號進(jìn)行解調(diào)和解碼，進(jìn)行再調(diào)制和編碼后將處理過的信號發(fā)送給目的端。這時(shí)采用的解碼和重

59、新編碼處理往往是接收信號的非線性變換。雖然目的是為了避免AF過程中噪聲過大時(shí)的影響，但是往往也會因?yàn)橐肓怂ヂ涠瓜到y(tǒng)性能受到局限。圖2.6是DF協(xié)作的原理圖。</p><p>　　圖2.6解碼轉(zhuǎn)發(fā)原理圖</p><p><b>　　（3）編碼協(xié)作</b></p><p>　　編碼協(xié)作[12][13](Coded Cooperation，CC)

60、是協(xié)作技術(shù)和信道編碼技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，由校驗(yàn)DF衍生而出。其基本思想是：每個(gè)用戶都試圖為自己的伙伴傳輸冗余的信息。編碼協(xié)作有效性的關(guān)鍵是：所有操作都在編碼設(shè)計(jì)下自動實(shí)現(xiàn)，中繼節(jié)點(diǎn)間無需傳送反饋信息，即無需知道用戶間的信道狀態(tài)信息。當(dāng)他們之間的信道質(zhì)量非常惡劣時(shí)，該機(jī)制自動恢復(fù)到非編碼協(xié)作模式，繼續(xù)傳遞自己的后續(xù)信息。CC的原理圖如圖2.7所示。</p><p>　　圖2.7編碼協(xié)作模式原理圖</p>

61、<p>　　固定中繼各種協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)策略的比較：</p><p>　　A.放大轉(zhuǎn)發(fā)（AF）是最簡單的一種方式。優(yōu)缺點(diǎn)明顯，優(yōu)點(diǎn)是中繼節(jié)點(diǎn)簡單，主要缺點(diǎn)是放大了自己接收的噪聲，協(xié)作分集的效果不明顯。</p><p>　　B.解碼轉(zhuǎn)發(fā)（DF）是AF模式的一個(gè)改進(jìn)，較為復(fù)雜，它首先在轉(zhuǎn)發(fā)之前除去了噪聲的影響。但當(dāng)信道質(zhì)量比較惡劣時(shí)容易出現(xiàn)差錯(cuò)，導(dǎo)致錯(cuò)誤的傳播。</p>&l

62、t;p>　　C.編碼協(xié)作分集（CC），前面兩種情況的發(fā)生是以雙方都知道彼此信道情況為前提的，這樣采用一定的信道估計(jì)方案就必不可少。而CC則無需知道雙方用戶間的信道狀況，通過編碼來控制第二步協(xié)作，這在性能上有很大的優(yōu)勢。同時(shí)CC也有很大的缺點(diǎn)，那就是由于中繼節(jié)點(diǎn)要先編碼再解碼，導(dǎo)致了較高的復(fù)雜度，中繼節(jié)點(diǎn)處理信號的過程也必然會導(dǎo)致時(shí)延增大。</p><h4>　　2.4.2 自適應(yīng)中繼轉(zhuǎn)發(fā)策略</h2&

63、gt;<p>　　固定中繼轉(zhuǎn)發(fā)策略在傳輸速率上遭受著確定性的損失，例如，在兩個(gè)階段的傳輸中，頻譜效率存在50%的損失。而且固定DF轉(zhuǎn)發(fā)策略的性能受限于源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)及中繼節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)間信道的較差者，這就導(dǎo)致它能獲得的分集為1。為了克服這些問題，可研究自適應(yīng)的中繼轉(zhuǎn)發(fā)策略以提高中繼轉(zhuǎn)發(fā)的有效性。通常主要考慮兩種策略：選擇性DF轉(zhuǎn)發(fā)策略和增量中繼轉(zhuǎn)發(fā)策略。</p><p>　?。?）選擇DF轉(zhuǎn)發(fā)策略

64、</p><p>　　在選擇DF轉(zhuǎn)發(fā)策略中，系統(tǒng)會預(yù)先設(shè)定一個(gè)信噪比門限值。只有當(dāng)中繼接收信號的信噪比超過了該門限值，中繼才開始解碼接收信號并將解碼信息轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點(diǎn)。相反，如果源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)之間的信道質(zhì)量變差，使得中繼節(jié)點(diǎn)處的接收信噪比落到門限值以下，則中繼不進(jìn)行任何操作。通過設(shè)定門限值，選擇性轉(zhuǎn)發(fā)策略避免了轉(zhuǎn)發(fā)譯碼錯(cuò)誤的符號這一存在于固定DF中的嚴(yán)重問題，提高了DF的中繼性能。如果源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)間鏈路的信

65、噪比超過了門限，中繼成功解碼源信號的可能性非常大。這種情況下，目的端最大比合并的信號的信噪比是從源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)處接收到的信噪比之和。</p><p>　　（2）增量中繼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議</p><p>　　增量中繼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議是這樣進(jìn)行的：第一階段源節(jié)點(diǎn)給目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，目的節(jié)點(diǎn)若能正確接收該信號，則通過反饋信道向源節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)確認(rèn)信息，以告知中繼無需再在第二階段轉(zhuǎn)發(fā)信號了?？梢钥闯觯簩τ谠隽恐欣^

66、轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議來說，中繼無需一直進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，它的轉(zhuǎn)發(fā)是隨機(jī)的。這種策略使得增量中繼轉(zhuǎn)發(fā)策略在所有轉(zhuǎn)發(fā)策略中具有最高的頻譜效率，它所能獲得的分集重?cái)?shù)為2。</p><p><b>　　2.5本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要綜述了協(xié)作通信和協(xié)作通信中的一些關(guān)鍵技術(shù)，重點(diǎn)介紹了協(xié)作通信的中繼轉(zhuǎn)發(fā)策略。第一，介紹了協(xié)作通信的基本概念，并依次描述了兩個(gè)研究協(xié)作通信的緣由；

67、第二，綜述了協(xié)作通信中的分集技術(shù)，重點(diǎn)介紹了協(xié)作分集技術(shù)的概念，工作原理，優(yōu)點(diǎn)與應(yīng)用范圍以及與協(xié)作分集相關(guān)的一些內(nèi)容；第三，主要介紹了協(xié)作通信的系統(tǒng)模型，方便對協(xié)作通信系統(tǒng)的理解。第四，重點(diǎn)介紹了協(xié)作通信中的中繼轉(zhuǎn)發(fā)策略，尤其是固定中繼轉(zhuǎn)發(fā)策略中的AF、DF、CC，并對其進(jìn)行了總結(jié)和對比。自適應(yīng)中繼轉(zhuǎn)發(fā)策略其實(shí)是對固定中繼轉(zhuǎn)發(fā)策略的改進(jìn)，是為解決固定轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議有著50%的頻譜資源浪費(fèi)的問題而提出的，主要包括選擇中繼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議和增量中繼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)

68、議兩類，其中增量中繼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議在所有轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議中頻譜利用率是最高的，因?yàn)樗軌驅(qū)⒛康墓?jié)點(diǎn)是否正確接收信號的消息反饋回去。</p><h2>　　第三章 中繼選擇技術(shù)研究</h2><h3>　　3.1 協(xié)作通信的優(yōu)點(diǎn)</h2><p>　　協(xié)作通信作為一種新的通信方式，存在以下主要好處：</p><p>　　更高的空間分集增益：通過協(xié)作分集，用戶

69、可有效抵抗無線信道的小尺度衰落和陰影衰落。</p><p>　　更高的吞吐率/更低的時(shí)延：用戶通過自適應(yīng)協(xié)作可獲得更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，同時(shí)減少重傳次數(shù)和降低數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)延。</p><p>　　降低干擾/較低的發(fā)送功率：蜂窩網(wǎng)和無線局域網(wǎng)(WLAN)中的用戶采用協(xié)作分集可對頻率資源更加有效地再利用，同時(shí)可降低用戶發(fā)送功率，減小小區(qū)間的干擾，擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。</p><

70、;p>　　對網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的自適應(yīng)性：能對網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)能量和帶寬資源進(jìn)行有效利用和優(yōu)化再分配，合理地利用網(wǎng)絡(luò)資源。</p><p>　　要發(fā)揮協(xié)作通信的優(yōu)點(diǎn)，就必須抓住其中的關(guān)鍵技術(shù)，而作為協(xié)作通信中的關(guān)鍵，中繼節(jié)點(diǎn)選擇成為能否為系統(tǒng)帶來最大優(yōu)勢的決定性因素。</p><h3>　　3.2中繼網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)模型</h2><p>　　如圖3.1所示，中繼網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)模型[

71、14]由三部分能組成，m個(gè)源節(jié)點(diǎn)（Source，S）、m個(gè)目的節(jié)點(diǎn)（Destination，D）和若干個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)（Relay，，i=1，2，……，M)。信號從源節(jié)點(diǎn)（S）傳輸?shù)侥康墓?jié)點(diǎn)（D）要經(jīng)過三個(gè)步驟：</p><p>　　圖3.1 中繼網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)模型</p><p>　　第一步，源節(jié)點(diǎn)發(fā)送訓(xùn)練序列，候選中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)訓(xùn)練序列，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)從中選擇m 個(gè)合適的源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)，通過反向鏈路將

72、選擇的節(jié)點(diǎn)信息反饋到相應(yīng)的源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)。</p><p>　　第二步，源節(jié)點(diǎn)對要發(fā)送的信號進(jìn)行廣播，被選中的中繼轉(zhuǎn)發(fā)信息，而未被選中的候選中繼節(jié)點(diǎn)則不進(jìn)行任何操作。</p><p>　　第三步，停止傳輸，目的節(jié)點(diǎn)開始接收并合并由中繼節(jié)點(diǎn)和源節(jié)點(diǎn)傳來的信息（一般采用最大接收比合并MRC方式）。</p><h3>　　3.3中繼選擇算法的分類</h2>

73、<p>　　在協(xié)作通信系統(tǒng)中一個(gè)至關(guān)重要的問題就是如何選擇合適的中繼節(jié)點(diǎn)，它決定了協(xié)作系統(tǒng)是否可以帶來增益。關(guān)于中繼節(jié)點(diǎn)的選擇算法，依據(jù)于不同的分類標(biāo)準(zhǔn)有不同的類型。下面介紹中繼選擇算法的不同分類。</p><p><b>　　（1）算法執(zhí)行</b></p><p>　　按算法的執(zhí)行方式，中繼選擇算法分為：中心式和分布式。中心式算法是將需要的信息將傳送到一

74、個(gè)中央節(jié)點(diǎn)（例如：基站，接入點(diǎn)等），中心節(jié)點(diǎn)使用這些合作上的信息節(jié)點(diǎn)選擇算法和結(jié)果的執(zhí)行情況并將結(jié)果返回到源節(jié)點(diǎn)和相應(yīng)的協(xié)同節(jié)點(diǎn)。分布式算法是信息節(jié)點(diǎn)之間的交流和協(xié)調(diào)，該節(jié)點(diǎn)可以決定是否同意和與誰合作。</p><p>　　中心型算法的優(yōu)勢在于從全局整體規(guī)劃的角度來看，使得全局的工作在最佳狀態(tài)，但由于需要收集有關(guān)信息與計(jì)算全局最優(yōu)，會引入大量通信開銷和計(jì)算開銷。分布式算法往往得到一個(gè)局部最優(yōu)解，但分布式算法分散了

75、通信開銷和計(jì)算復(fù)雜性，分布式算法更適用于非固定網(wǎng)絡(luò)。</p><p><b>　?。?）協(xié)作方式</b></p><p>　　協(xié)作系統(tǒng)協(xié)作的方式是重要的參數(shù)，不同的方式的協(xié)同對協(xié)作節(jié)點(diǎn)生成算法的選擇有著顯著的影響，例如：在DF協(xié)作模式下，節(jié)點(diǎn)唯一正確的解碼參與協(xié)作傳輸；在AF協(xié)作模式下中繼節(jié)點(diǎn)對源節(jié)點(diǎn)沒有任何信號的協(xié)同處理，所有節(jié)點(diǎn)都可以發(fā)送信息。這直接影響到合作的節(jié)

76、點(diǎn)選擇算法的備選集合。因此，協(xié)同的方式不同要采取不同的合作節(jié)點(diǎn)選擇算法。另外我們可以把協(xié)作節(jié)點(diǎn)的選擇和協(xié)同方式選擇結(jié)合起來，在相同的自適應(yīng)系統(tǒng)中使用不同的協(xié)同方式和協(xié)同節(jié)點(diǎn)選擇算法。</p><p>　?。?）中繼節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)</p><p>　　中繼節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)是中繼節(jié)點(diǎn)選擇的一個(gè)熱點(diǎn)問題，使用單個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)還是多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的選擇仍然是大家關(guān)注的焦點(diǎn)。</p><p>

77、　　使用單節(jié)點(diǎn)協(xié)同使得接收端的天線易于實(shí)現(xiàn)，單中繼的選擇需要知道各個(gè)信道的信道信息，并按照某種規(guī)律進(jìn)行排序，最后在其中選出一個(gè)最優(yōu)節(jié)點(diǎn)。但是，單中繼的節(jié)點(diǎn)處理能力和功率是有限的，信道處于深度衰落時(shí)，單中繼就無法完成源節(jié)點(diǎn)的服務(wù)需求，這就凸顯了多中繼的優(yōu)勢，多中繼可以增加系統(tǒng)復(fù)用的增益，因此根據(jù)要求調(diào)整節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)會使算法更加合理。</p><p>　　（4）中繼節(jié)點(diǎn)的屬性</p><p>　　

78、環(huán)境不同，中繼節(jié)點(diǎn)的屬性也不盡相同。節(jié)點(diǎn)可以是固定的，也可是移動的，可以是有源的，也可以是無源的，節(jié)點(diǎn)屬性的不同直接影響了協(xié)作通信的選擇策略。例如，在蜂窩網(wǎng)中無論固定的還是移動的中繼節(jié)點(diǎn)大多是有能量支持的，并且中繼節(jié)點(diǎn)上大多可能配備多根天線，擁有相對較強(qiáng)處理和傳輸能力，因此可以將較多的工作轉(zhuǎn)移到中繼節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行，從而降低移動終端的復(fù)雜度和能量消耗，同時(shí)為移動終端提供較好的QoS保障。</p><p>　　（5）基站

79、端中繼協(xié)作與用戶端中繼協(xié)作</p><p>　　協(xié)作不僅可以在用戶端進(jìn)行，也可以在基站端進(jìn)行。按照協(xié)作所在的位置不同，可以分為基站端中繼選擇和用戶端中繼選擇。用戶端中繼選擇的研究已有很多。與用戶端協(xié)作相比，基站端協(xié)作更易實(shí)現(xiàn)，且付出的代價(jià)相對較低。此外，在采用干擾協(xié)調(diào)技術(shù)的情況下，基站端協(xié)作還可以有效抑制小區(qū)間干擾、降低切換時(shí)延。</p><h3>　　3.4典型中繼選擇算法介紹</

80、h2><h4>　　3.4.1 機(jī)會中繼選擇算法及其改進(jìn)</h2><p>　　在機(jī)會中繼系統(tǒng)模型中，存在一個(gè)源節(jié)點(diǎn)、一個(gè)目的節(jié)點(diǎn)以及M個(gè)候選中繼節(jié)點(diǎn)。機(jī)會中繼的基本思想是：在M個(gè)侯選中繼節(jié)點(diǎn)中，選取某個(gè)位于源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間，具有最好端到端鏈路的節(jié)點(diǎn)作為中繼節(jié)點(diǎn)。</p><p>　　圖3.2機(jī)會中繼系統(tǒng)模型</p><p>　　通過監(jiān)聽來自

81、源站的RTS分組和目的站的CTS分組，節(jié)點(diǎn)i可以分別獲得源站和中繼節(jié)點(diǎn)i之間的信道信息及中繼節(jié)點(diǎn)i和目的站d之間的信道信息。然后，每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)就可以計(jì)算相應(yīng)的信道度量參數(shù)，的計(jì)算方法有如下兩種：</p><p><b>　?。?）最小準(zhǔn)則：</b></p><p><b>　　(3-1)</b></p><p>　　（2）

82、調(diào)和平均準(zhǔn)則：</p><p><b>　　(3-2)</b></p><p>　　收到CTS分組后，每個(gè)節(jié)點(diǎn)i都啟動一個(gè)定時(shí)器，其初值為：</p><p><b>　　(3-3)</b></p><p>　　為時(shí)常數(shù)，具有最大的定時(shí)器首先超時(shí)，對應(yīng)中繼節(jié)點(diǎn)i發(fā)出一個(gè)標(biāo)志分組，表明其最佳中繼的身份，

83、其他尚未超時(shí)的中繼節(jié)點(diǎn)j在收到該標(biāo)志分組后將放棄競爭。若各中繼節(jié)點(diǎn)不能監(jiān)聽到彼此的信息（即隱藏中繼），最佳中繼將把標(biāo)志分組發(fā)給目的站,然后由目的站發(fā)送廣播消息來通知其他所有中繼節(jié)點(diǎn)。</p><p>　　圖3.3機(jī)會中繼碰撞發(fā)生示意圖</p><p>　　如圖3.3所示，節(jié)點(diǎn)b和j分別代表最佳中繼和另外一個(gè)中繼。如果節(jié)點(diǎn)j的定時(shí)器在[]內(nèi)超時(shí),就會有沖突發(fā)生。存在隱藏中繼時(shí)，考慮目的站廣播

84、消息的時(shí)間，沖突可能會在[]間隔內(nèi)發(fā)生。最壞的情況下，沖突時(shí)長c具有如下最大值：</p><p><b>　　無隱藏中繼：</b></p><p><b>　　(3-4)</b></p><p><b>　　有隱藏中繼：</b></p><p><b>　　(3-5)

85、</b></p><p>　　其中為中繼j和目的站之間的傳播時(shí)延；為兩個(gè)中繼之間的最大傳播時(shí)延；為每部無線收發(fā)機(jī)的收發(fā)轉(zhuǎn)換時(shí)間；為最佳中繼所發(fā)標(biāo)志分組的持續(xù)時(shí)間。</p><p>　　由文獻(xiàn)[15]可知，兩個(gè)或多個(gè)中繼的定時(shí)器在時(shí)長c（c＞0）內(nèi)同時(shí)超時(shí)，進(jìn)而發(fā)生沖突并導(dǎo)致最佳中繼選擇失敗的概率為：</p><p><b>　　(3-6)<

86、;/b></p><p>　　其中是對遞減排序后得到的新序列。顯然，沖突概率與λ的取值密切相關(guān)。同時(shí)λ還決定了最佳中繼選擇所需要的平均時(shí)間，即</p><p><b>　　(3-7)</b></p><p>　　其中代表源站和中繼之間的最大傳播時(shí)延。由式（3-7）可知，取值不能太大，否則中繼選擇太慢,無法滿足遠(yuǎn)高于信道變化速度的要求。&l

87、t;/p><p>　　作為基于瞬時(shí)信道信息的中繼選擇技術(shù)的代表，機(jī)會中繼算法簡單實(shí)用，可以獲得與傳統(tǒng)分集技術(shù)相同的分集增益，其優(yōu)勢在于不需要使用復(fù)雜的空時(shí)編碼技術(shù)。但是當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)競爭最佳中繼時(shí)，很可能出現(xiàn)沖突，從而導(dǎo)致選擇失敗，而且隨著競爭節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加失敗概率也明顯提高。因此，有大量文獻(xiàn)對機(jī)會中繼算法提出各種改進(jìn)，以降低沖突概率。</p><p>　　論文[16]提出了一種改進(jìn)方案來降低最

88、佳中繼選擇失敗的概率。其基本思想是：其基本思想是在多個(gè)中繼進(jìn)行競爭時(shí)，由源站對勝出的最佳中繼發(fā)出的標(biāo)志信息進(jìn)行確認(rèn)；發(fā)生沖突的中繼則在隨機(jī)退避一段時(shí)間之后重新競爭最佳中繼的位置。具體算法流程如下：</p><p>　　（1）每個(gè)候選中繼i通過監(jiān)聽RTS 和CTS 分組來測量信道增益和，并計(jì)算信道質(zhì)量參數(shù)，啟動定時(shí)器；</p><p>　?。?）當(dāng)最小的定時(shí)器超時(shí)后，對應(yīng)的最佳中繼b向源站發(fā)

89、送一個(gè)包含其自身標(biāo)識信息的標(biāo)志分組，并啟動初始值為TAC的確認(rèn)定時(shí)器；</p><p>　?。?）在收到一個(gè)正確的標(biāo)志分組之后，源站向所有中繼廣播確認(rèn)消息ACK，其中包含被源站所確認(rèn)的最佳中繼b的標(biāo)識信息；</p><p>　?。?）其他中繼j在收到來自中繼b的標(biāo)志分組后取消定時(shí)器，放棄競爭；沒收到來自中繼b的標(biāo)志分組的中繼在收到源站對最佳中繼的確認(rèn)消息ACK之后，取消定時(shí)器，并放棄競爭；

90、</p><p>　?。?）如果中繼b 在定時(shí)器超時(shí)之前收到了源站的確認(rèn)消息，則取消定時(shí)器，參與后面源站和目的站之間的協(xié)同通信；否則，退避一段時(shí)間，并在之后的某個(gè)隨機(jī)時(shí)隙重新發(fā)出標(biāo)志分組。如果在時(shí)隙k到來前收到了來自其他中繼的標(biāo)志分組或源站對其他中繼的ACK消息，則放棄發(fā)送。</p><p>　　根據(jù)算法流程，惟一可能發(fā)生沖突的情況來自兩個(gè)中繼的標(biāo)志分組到達(dá)源站的時(shí)間有重疊導(dǎo)致源站無法正確

91、識別，競爭的中繼在各自的確認(rèn)定時(shí)器超時(shí)后將分別啟動退避程序。</p><p>　　該算法適用于工作在半雙工方式下的無線終端，有無隱藏中繼的網(wǎng)絡(luò)均可使用。而且和原算法相比，在中繼選擇失敗概率大大下降的同時(shí)，新增的時(shí)延開銷是非常小的。</p><h4>　　3.4.2 貪婪算法及其應(yīng)用：</h2><p>　　由Hunter等人提出的貪婪算法[17]是集中式中繼選擇算法

92、的代表，其中心控制節(jié)點(diǎn)已知所有的信道狀態(tài)信息（CSI）。它的實(shí)現(xiàn)過程是這樣的：</p><p>　　第一步：隨機(jī)地為每個(gè)用戶指派一個(gè)協(xié)作伙伴，使得每個(gè)用戶都試圖去協(xié)助另一個(gè)用戶。</p><p>　　第二步：在已知所有用戶的信道狀態(tài)信息的條件下計(jì)算平均中斷概率。</p><p>　　第三步：尋找某一個(gè)用戶，使得將當(dāng)前用戶的協(xié)作伙伴和找到的這個(gè)用戶的協(xié)作伙伴交換之后，

93、能夠減小網(wǎng)絡(luò)的平均中斷概率。</p><p>　　第四步：執(zhí)行步驟（3），一直到再也找不出這樣的交換為止。</p><p>　　該算法能獲得滿分集增益，能使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的中斷概率最低，因此很多中繼選擇技術(shù)都來和它進(jìn)行比較。但是它也有一些缺點(diǎn)，首先就是它需要中心控制器知道所有的信道狀態(tài)信息，而且由于得不到用戶中斷概率的閉合表達(dá)式，需要通過數(shù)值積分的方式求解，計(jì)算量很大。同時(shí)，對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的中斷

94、概率求平均也加大了計(jì)算量。</p><p>　　為了降低計(jì)算量，論文[18]提出利用大信噪比時(shí)中斷概率的近似表達(dá)式選擇合作伙伴。此時(shí)，合作伙伴選擇就會轉(zhuǎn)化為指派問題，可以通過匈牙利算法求解。通過仿真結(jié)果證明：通過匈牙利算法選擇最佳合作伙伴，與貪婪算法相比，得到的是全局最優(yōu)解。因而，雖然匈牙利算法選擇的依據(jù)是中斷概率的近似表達(dá)式，但在信噪比較大或速率較小時(shí)，其中斷概率的性能優(yōu)于貪婪算法。</p>&l

95、t;p>　　除此之外，文獻(xiàn)[17]還應(yīng)用貪婪算法研究了存在多對源和目的節(jié)點(diǎn)情況下的協(xié)同節(jié)點(diǎn)選擇問題。為了能夠達(dá)到全網(wǎng)范圍內(nèi)的全分集增益，伙伴選擇協(xié)議應(yīng)為每一個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)提供足夠多的協(xié)作節(jié)點(diǎn)，使這些節(jié)點(diǎn)形成若干個(gè)群。每個(gè)群內(nèi)的協(xié)同節(jié)點(diǎn)能夠以很高的正確概率發(fā)送信息。</p><p>　　下圖為節(jié)點(diǎn)分群情況模型，（為協(xié)作節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)）：</p><p><b>　　圖3.4節(jié)點(diǎn)分群&

96、lt;/b></p><p>　　針對分布式情況下提出一種簡單的靜態(tài)協(xié)同節(jié)點(diǎn)選擇策略，該策略可以確保網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)都能獲得的分集增益，為協(xié)作節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。首先，每個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)建一個(gè)優(yōu)先級列表。固定優(yōu)先級列表的一個(gè)簡單的實(shí)現(xiàn)方法為：</p><p><b>　　，為節(jié)點(diǎn)編號。</b></p><p>　　在固定優(yōu)先級傳輸協(xié)議中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都應(yīng)用其優(yōu)先

97、級列表，試圖為列表中的前個(gè)節(jié)點(diǎn)譯碼并協(xié)作。</p><p>　　在有中心式控制的情況下，由于中心控制節(jié)點(diǎn)擁有信道信息，因此可以從所有可能的中繼中選擇最佳方案，以獲得額外的性能增益。</p><h4>　　3.4.3 基于延時(shí)的伙伴選擇算法</h2><p>　　論文[19]依據(jù)傳輸路徑的時(shí)延特性，提出以中繼延遲時(shí)間最小為標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行協(xié)作伙伴的選擇，以此標(biāo)準(zhǔn)選擇協(xié)作伙伴

98、能夠獲得較好的分集性能，降低誤碼率，并且能夠避免目的節(jié)點(diǎn)處因同時(shí)接收中繼節(jié)點(diǎn)信息而造成干擾阻塞，是一種可靠的伙伴選擇算法。</p><p>　　路徑傳輸?shù)臅r(shí)間延遲大小直接對應(yīng)節(jié)點(diǎn)間的距離。一般而言，傳輸距離的增大會引起傳播損耗的增加，同時(shí)若中繼路徑較直通路徑延遲時(shí)間過大會引起目的節(jié)點(diǎn)處較長的延遲等待，影響協(xié)作傳輸?shù)男?。所以選取最小時(shí)間延遲的中繼節(jié)點(diǎn)作為源節(jié)點(diǎn)的協(xié)作伙伴，有望實(shí)現(xiàn)有效的協(xié)作傳輸。</p>

99、;<p>　　首先，源節(jié)點(diǎn)以廣播的形式向周圍中繼節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息。設(shè)源節(jié)點(diǎn)直傳到目的節(jié)點(diǎn)的時(shí)刻為，以此作為基準(zhǔn)時(shí)刻，其他節(jié)點(diǎn)到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)時(shí)刻均與此相比較，采用目的節(jié)點(diǎn)計(jì)時(shí)，計(jì)算延遲時(shí)間。如圖3.5所示：1、2、3為中繼節(jié)點(diǎn)的ID號，源節(jié)點(diǎn)根據(jù)周圍中繼節(jié)點(diǎn)的ID序列號，按從小到大將其排序，確定中繼轉(zhuǎn)發(fā)信息的順序(必要時(shí)源節(jié)點(diǎn)可依據(jù)中繼節(jié)點(diǎn)的以往表現(xiàn)設(shè)定優(yōu)先級)，為人為設(shè)定的傳播時(shí)間間隔，可以選一個(gè)符號周期的時(shí)間。為避免

100、多中繼同傳到目的節(jié)點(diǎn)時(shí)相互干擾阻塞，本文采用分時(shí)傳送的方法，中繼節(jié)點(diǎn)1接收到源節(jié)點(diǎn)信息后經(jīng)過時(shí)間間隔，向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息；中繼節(jié)點(diǎn)2經(jīng)過2間隔后，向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，中繼節(jié)點(diǎn)3經(jīng)過3間隔后，向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息……依此類推，各節(jié)點(diǎn)按順序向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送。</p><p>　　圖3.5 中繼節(jié)點(diǎn)分時(shí)傳送</p><p>　　假設(shè)各個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)信息到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的時(shí)刻為，，，……（包括路徑傳播時(shí)間和節(jié)

101、點(diǎn)處理時(shí)間）。為中繼節(jié)點(diǎn)1的信息到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)時(shí)刻，為中繼節(jié)點(diǎn)2的信息達(dá)到目的節(jié)點(diǎn)時(shí)刻，為中繼節(jié)點(diǎn)3的信息達(dá)到目的節(jié)點(diǎn)時(shí)刻。</p><p>　　信息到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的時(shí)刻表示式如下：</p><p><b>　　(3-8)</b></p><p><b>　　(3-9)</b></p><p><

102、b>　　(3-10)</b></p><p>　　式中，為經(jīng)過中繼節(jié)點(diǎn)傳播路1徑所用的時(shí)間與直接傳播所用時(shí)間的差值，為經(jīng)過中繼節(jié)點(diǎn)2傳播路徑所用的時(shí)間與直接傳播所用時(shí)間的差值。當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)依次接收到各中繼節(jié)點(diǎn)信息后，對其各自到達(dá)時(shí)間作差比較：</p><p><b>　　(3-11)</b></p><p>　　所得差值結(jié)果與相

103、比較：</p><p><b>　　(3-12)</b></p><p>　　留下節(jié)點(diǎn)1繼續(xù)比較時(shí)：</p><p><b>　　(3-13)</b></p><p>　　所得差值結(jié)果與相比較：</p><p><b>　　(3-14)</b></

104、p><p>　　留下節(jié)點(diǎn)2繼續(xù)比較時(shí)：</p><p><b>　　(3-15)</b></p><p>　　所得差值結(jié)果與相比較：</p><p><b>　　(3-16)</b></p><p>　　以此類推，用所留值繼續(xù)與后面的接收時(shí)刻時(shí)間做比較，直到找到最小延遲時(shí)間的中繼

105、節(jié)點(diǎn)。</p><p>　　由以上推導(dǎo)可歸納為：</p><p><b>　　(3-17)</b></p><p>　　所得差值結(jié)果與相比較：</p><p><b>　　(3-18)</b></p><p>　　依次比較完畢后，選出延遲時(shí)間最小的節(jié)點(diǎn)，目的節(jié)點(diǎn)將選擇的結(jié)果反

106、饋給源節(jié)點(diǎn)，以此延遲時(shí)間的節(jié)點(diǎn)作為最佳協(xié)作伙伴,進(jìn)行協(xié)作傳輸。</p><h4>　　3.4.4 考慮用戶公平性的中繼選擇</h2><p>　　之前的中繼選擇技術(shù)都默認(rèn)用戶是無私的，即一旦某個(gè)用戶被選作為另一個(gè)用戶的協(xié)作中繼，那么該用戶一定愿意幫助對方。然而在實(shí)際的系統(tǒng)中，用戶都是自私的，尤其是對于能量有限的終端，如手機(jī)。這些用戶都是自私的，如果在協(xié)作中它們不能獲得任何好處，那么它們是不

107、會拿出自己有限的資源來為別人服務(wù)的。因此在符合實(shí)際情況的中繼選擇技術(shù)中，是必須要考慮中繼用戶的自私性，通過設(shè)定各種激勵措施來鼓勵用戶積極參與協(xié)作。</p><p>　　在文獻(xiàn)[20]中，作者提出了一種趨向公平性的新策略。每個(gè)用戶的MAC層上均有一個(gè)計(jì)數(shù)器，用于記錄用戶幫助別人和被別人幫助的情況。當(dāng)用戶幫助別人發(fā)送一幀數(shù)據(jù)時(shí)，其值加1；當(dāng)別人幫助用戶發(fā)送一幀時(shí)，計(jì)數(shù)器數(shù)值減1；用戶的計(jì)數(shù)器值只有大于0時(shí)才能獲取別人

108、的幫助，當(dāng)其值為負(fù)時(shí)，不能尋求其他用戶的幫助。該策略確實(shí)使網(wǎng)絡(luò)趨向了公平，因?yàn)橛?jì)數(shù)器的使用排除了利己主義，從而保證了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的公平性。但是整個(gè)策略需要對現(xiàn)有的協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)，因?yàn)樾枰贛AC層為每一個(gè)用戶設(shè)定一個(gè)計(jì)數(shù)器，且要實(shí)時(shí)管理這個(gè)計(jì)數(shù)器。這一點(diǎn)使得該策略在應(yīng)用方面沒有很大的吸引力。</p><p>　　陳實(shí)等人[21]指出，在協(xié)作過程中，并不是所有用戶都能從協(xié)作中獲益。Laneman的研究表明，只有當(dāng)協(xié)作

109、中繼在有效區(qū)域內(nèi)，協(xié)作才會優(yōu)于直接傳輸。因此，若有協(xié)作中繼落在協(xié)作區(qū)域之外，那么它的性能甚至比直接傳輸還要差。這樣，理性的用戶會退出合作。另外，由于用戶在合作中所處的地位相同，它們有理由要求其性能相對于直傳所獲得的性能改善盡可能公平。因此，在文中作者提出了四種考慮了各種不同公平性的效用函數(shù)：最小中斷概率策略（MOP），它是為降低整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的平均中斷概率；修正最小中斷概率（MMOP），它是為修正MOP策略忽略了單個(gè)用戶的利益而改進(jìn)的，目標(biāo)是