放⼤转发协作协议的研究
摘要
在⽆线通信⽹络中，由于⽤户终端受体积、功率等各种条件的约束，给多天线技术的实施带来了困难。协作分集技术作为⼀种虚拟多天线技术，可以通过中继节点的协作，对传输的信息进⾏转发处理，以使⽹络⽤户的能耗显著降低，保证终端的数据接收，优化⽹络性能。协作分集技术已经成为当前⽆线通信领域的⼀个新的研究热点。
对于协作传输系统中的中继选择问题，Laneman和Wornell⾸先提出了在两跳多分⽀(Two-Hop Multiple Channels)的协作⽹络中，利⽤所有可获得的中继节点进⾏数据转发，即“全中继协作”(APR)⽅案。由于APR⽅案需要利⽤所有可获得的信道，因⽽在多中继场景下，APR⽅案的频谱效率较低。中继选择(RS)⽅案克服了低频谱效率的问题，⼤致可分为单中继选择(SRS)⽅案和多中继选择(MRS)⽅案。在SRS中，⽂献选择端到端SNR最⼤的中继节点，从⽽带来全分集增益(Full diversity gain)。⽂献提出了最优最差信道的中继选择(Best Worse Channel)⽅案，也实现了全分集。在MRS中，⽂献提出在功率限制下，基于最⼤接收SNR 的RS⽅案。⽂献提出在总能量受限的情况下选择中继节点，从⽽差错概率最⼩。
通过协作通信中选择AF中继协议研究。考虑AF协作通信系统的SER性能。⾸先，为两个独⽴的指数随机变量的调和平均值推导了⼀个简单的闭式MGF表达。然后，基于这个简单的MGF表达，得到了采⽤M-P
SK和M-QAM调制的AF协议系统的闭式SER表达式。次之，提出了SER近似解来显⽰系统的渐进性能，这个近似解在⾼信噪⽐下是紧的。最后，基于紧的近似，能够为AF协作系统确定最优功率分配。
关键词：协作通信，中继选择，放⼤转发，协作分集
ABSTRACT
To the implementation of multi-antenna technology in wireless communication network, the user terminal by the constraints of size, power and other conditions difficult. Cooperative Diversity as a virtual multi-antenna technology, through the collaboration of the relay node, the transmission of information to be forwarded to significantly reduce the energy consumption of network users, to ensure that the terminal data reception and optimize network performance. Cooperative Diversity has become a new hotspot in the field of wireless communications.
For relay selection in cooperative transmission system, Laneman and Wornell first proposed in the collaborative network of two-hop multi-branch (Two-hop Multiple Channels), the use of all available relay nodes to forward data, namely, "allfollowing the collaboration "(APR) program. APR programs need to use all available channels, and thus multi-relay scenario, the lower the spectral efficiency of the APR program. Relay selection (RS) scheme to overcome the problem of low spectral efficiency, c
an be divided into single-relay selection scheme (SRS) and the multi-relay selection scheme (MRS). In the SRS, the literature to select the maximum end-to-end SNR of the relay node, in order to bring the full diversity gain (Full diversity gain). Proposed in the literature of optimal worst-case channel relay selection (the Best Worse Channel) program to achieve full diversity. In MRS, the literature on the power constraints, based on the maximum received SNR (SNR) of the RS program. The literature selected in the case of total energy-constrained relay node, the minimum error probability.
Select the AF relay protocol for collaborative communications. Consider the SER performance of the AF cooperative communication system. First, a simple closed MGF expression is derived for the harmonic mean of two independent exponential random variables. Then, based on this simple MGF expression, has been closed SER
expression for the AF protocol system using the M-PSK and M-QAM modulation. Followed by the SER to display the approximate solution of the progressive performance of the system, the approximate solution is tight at high SNR. Finally, based on a tight approximation to determine the optimal power allocation for AF collaboration systems.
KEY WORDS：cooperative ，relay selection ,amplify and forward , cooperative diversity
⽬录
摘要 ........................................................................................................................................................ . I I 第⼀章．绪论 . (1)
1.1研究背景和意义 (1)
1.2国内外的研究现状 (3)
1.3论⽂研究的主要内容 (4)
1.4论⽂的组织结构 (4)
第⼆章. MIMO技术 (5)
2.1引⾔ (5)
2.1.1MIMO的基本原理及概念 (6)
2.1.2MIMO系统的主要特征 (6)
2.2MIMO的发展趋势 (7)
2.2.1已取得的进展 (8)
2.3MIMO的技术优势 (9)
2.3.1多天线相⽐于单天线的优势 (9)
2.3.2MIMO技术的经济性 (10)
2.4存在的问题 (11)
2.5本章⼩结 (11)
第三章．协作分集技术 (12)
3.1引⾔ (12)
3.1.1协作分集技术的概念及来源 (12)
3.1.2协作分集技术的研究现状 (14)
3.1.3协作分集技术⾯临的问题 (14)
3.2协作通信的发展 (15)
3.3协作通信的协议 (16)
3.4协作分集技术在⽆线通信中的应⽤ (18) 3.5本章⼩结 (18)
第四章．AF协作协议的研究 (19)
4.1引⾔ (19)
4.1.1AF发展的过程 (20)
4.1.2AF的优劣 (20)
4.2AF协作协议的中继选择 (28)
4.2.1中继信道的概念 (28)
4.2.2中继选择的模型 (29)
4.2.3最优中继的选择 (30)
4.3AF的性能分析 (31)
4.3.1利⽤MGF⽅法的SER分析 (31)
4.3.2瞬时接收信噪⽐的计算 (33)
4.4仿真结果及性能分析 (35)
4.4.1MATLAB仿真图 (35)
4.4.2针对仿真结果进⾏分析 (37)
4.5本章⼩结 (37)
第五章．总结与展望 (37)
5.1本⽂⼯作总结 (37)
5.2未来⼯作展望 (38)
致谢 (39)
参考⽂献 (40)
第⼀章．绪论
1.1研究背景和意义
cooperative随着⾼速⽆线通信应⽤需求的增长，未来⽆线通信⽹络被要求能够提供更⾼数据速率和更可靠的业务。为了实现这⼀⽬标，⼈们已经进⾏了⼤量的研究，提出了多种能够扩⼤信道容量、改善通信质量的新技术，包括编码技术、调制技术、信号检测技术、复⽤技术及各种分集技术，其中分集技术尤为重要，这是由⽆线信道的衰落特性决定的。
在⽆线通信系统中，⽆线信道的衰落特性是制约⽆线通信提⾼信号质量和传输速度的主要原因。分集技术通过发射或接收多个经历独⽴衰落的信号样本可以有效对抗⽆线信道中的衰落。⽆线通信系统中存在三类不同层次的衰落，分别是路径损耗、阴影衰落和多径衰落。路径损耗是指电磁波在空问传输所产⽣的损耗和弥散，它属于⼤尺度衰落。路径损耗在有线通信中也存在，但⽐⽆线空间中的损耗要⼩⼀些。路径损耗的⼤⼩依赖于传输距离，在能量受限的系统中，中继传输是解决路径损耗的⼀个很好⽅法，通过在发射机和接收机之间放置⼀个或多个中继节点来帮助传输，可以保证通信的可靠性并
节约系统的功率消耗。在多⽤户⽹络中，中继传输也可以通过⽤户之间的相互协作来实现。阴影衰落是指⽆线电波在传播路径上遇到起伏地形、建筑物、植被等障碍物的阻挡⽽引起的衰落，它反映中等范围内接收信号电平平均值起伏变化的趋势，其变化速率⽐信息速率慢，故⼜称为慢衰落。在蜂窝系统中，阴影衰落可以通过采⽤宏分集技术和功率控制来改善。多径衰落是电波在传输过程中受各种物体的反射和散射⽽产⽣的多个经过不同路径到达接收机的信号通过⽮量叠加后合成的时变信号在时间、空间和频率上的迅速波动。由于多径衰落变化速度快，因⽽对系统的影响最⼤且最难克服。根据多径衰落产⽣的不同条件，它分为频率选择性衰落、时间选择性衰落和空间选择性衰落，它们分别可以通过频率分集、时间分集和空问分集来克服。在实际⽆线信道中这三种选择性衰落往往同时存在，因⽽需要采⽤多种分集技术。空间分集技术由于不需要额外占⽤时间和带宽资源，并且可以⽅便地分集⽅式相结合，因⽽更具吸引⼒。
近年来提出的多输⼊多输出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)天线技术是⼀种空间分集技术，它通过在接收端和发射端安装多个天线进⾏发射和接收信号，充分利⽤了系统的空间资源，从⽽可以⼤幅度提⾼系统的功率效率和频谱效率。尽管MIMO多天线技术具有明显的优势，并已逐渐被新⼀代⽆线通信系统的主流协议所采纳，如3G蜂窝系统和802．1ln等。然⽽，在⼀些场景中，例如蜂窝系统上⾏链路和⽆线传感器⽹络，由于⽆线终端⾃⾝体积、实现复杂度与功耗等冈素限制，MIMO技术不管是⽬前还是未来仍然很难被⼴泛应⽤。这是因为MIMO技术需要天线阵列和丰富的散射环境这两个前
提条件，两者缺⼀不可。⽬前，由于⽆线通信系统使⽤的频率较低，电波波长较长，许多⽆线移动终端由于尺⼨限制⽆法安装多个天线形成理想的天线阵列。未来，⽆线通信系统将使⽤更⾼的频率，移动终端可以安装多个天线，但由于⾼频率电波传输以视距传输为主，散射不够丰富，因⽽仍然不能很好的应⽤MIMO技术。
为了解决MIMO技术的这两个问题，⼀种被称为协作通信的新⽅法被提出，它利⽤⽆线通信系统中⽆线媒质的⼴播特性和具有众多⽤户的特点，能使单天线⽤户获得多天线传输的优势。具体地讲，协作通信在丰富的散射环境下，通过借助协作伙伴的天线形成虚拟天线阵列，⽽在散射不丰富的环境下，可以将协作伙伴作为主动散射物，从⽽形成多径传输环境。从这个意义上讲，协作通信为MIMO 多天线技术⾛向实⽤提供了⼀条新的途径。
协作通信是⼀种新型的空间分集技术，它的思想虽然来源于中继通信，但有别于中继通信。⾸先，在传统的中继通信系统中，中继节点的作⽤是形成主信道，它是单纯作为中继⽽存在的，本⾝没有信息要传送，⽽在协作通信中⽤户既是信源⼜是中继，因为每个⽤户既要传送⾃⼰的信息还要转发协作伙伴的信息，中继节点的作⽤是协助和增强主信道。此外，传统的中继通信没有分集的功能，⽽协作通信通过协作可以使单天线⽤户也获得分集增益。协作通信具有⾮常⼴阔的应⽤前景，可应⽤于蜂窝移动通信系统、⽆线Adhoc⽹络、⽆线Sensor⽹络和⽆线局域⽹等多种场合。协作通信的基本思想是为系统中的每个⽤户分配⼀个或多个协作伙伴，协作伙伴之间有责任在传输⾃⼰信息的同时帮助其伙伴
传输信息，这样，每个⽤户在传输信息的过程⼱既利⽤了⾃⼰的空间信道⼜利⽤了协作伙伴的空间信道，因⽽能获取⼀定的空间分集增益，从⽽可以抵抗阴影衰落和多径衰落，扩⼤系统容量，提⾼⽹络服务质量，节约⽹络功率消耗，并增⼤⽹络的覆盖范围。
与传统通信系统的资源分配相⽐，协作通信系统的前途更加⼴阔，本论⽂即对协作通信系统中的AF模式进⾏了研究。
1.2国内外的研究现状
协作分集技术的起源可以追溯到Cover和El Gamal在1979年关于中继信道的研究⼯作.他们研究得出了⼏种特殊情况下的中继信道容量和⼀般情况下的信道容量界，奠定了中继通信的理论基础，带动了协作通信。
1998年，Sendonaris等⼈受到中继传输信道的启发，⾸次提出了协作通信的概念，并且进⼀步论述了CDMA系统中的⽤户协作策略以及协作通信在实现中的各种具体问题。同⼀时期，J. N. Laneman提出了两种基于重传的协作分集⽅案：放⼤中继和解码中继；进⽽⼜针对解码中继进⾏扩展，提出了选择型中继和增强型中继协作⽅案。并且Laneman详细分析和⽐较了各种协作分集协议的中断概率性能。随后，T. E. Hunter将协作技术和信道编码技术相结合，提出了编码协作（Coded Cooperation）的概念。随着协同通信技术研究的推进，⼈们也逐渐关注协作系统中的资源费分配问题。由于可实现性和
可控
制性的限制，⽬前资源分配主要集中在功率配置这⼀⽅⾯。Maric对⾼斯并⾏中继⽹络中功率分配问题进⾏研究，考察了放⼤转发和解码转发策略，以及共享信道和正交信道的情况，得出了解码转发⽅式下最优功率分配⽅案。
近年来，⾮线性估计转发作为⼀种新的基本协作模式得到了深⼊研究，Gomadam从数学上证明了在单中继系统中，⽆记忆最⼩均⽅误差估计转发⽅案能获得最佳信道容量。对于采⽤BPSK调制⽅式的单中继系统模型，误码率最佳的⽅案已经由Faycal 和Medard在⽂献中得出误码率最优的中继函数是信号和噪声功率归⼀化的Lambert W函数。Gomadam⼜提出了在⽆衰落⾼斯⽩噪声信道中的⼀种估计转发协作⽅式和⼴义信噪⽐的概念，并且得到了在⽆记忆中继⽹络中使信噪⽐最⼤化的最优中继⽅。
⽬前，协作通信已经在国内外引起了⼴泛地关注，许多相关课题已经或正在展开，各种新的技术不断出现。在国际上，⽆线世界研究论坛(WWRF)已经成⽴了关于中继的分组委员会专门开展针对此项技术的研究，并发表了相关研究的⽩⽪书。许多知名国际期刊、会议也单独列出⼦⽅向对协作通信技术进⾏报道，如IEEE主办的Communication Magazine等杂志，ICC、WCNC、GlobleCom等会议。2006年，Springer也出版了由众众多学者合作的关于协作通信技术的专著。⽽且世界上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“Co
operative MIMO Wireless Network”，欧洲通信委员会组织的项⽬“IST-ROMANTIK”等等。同样还有很多⼤学的教授学者在协作通信技术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教授、英国伦敦⼤学King 学院的M Dohler教授、美国德州⼤学多媒体通信实验室的T E Hunter博⼠和明
尼苏达州⼤学的M O Hasna博⼠。
在国内，协作通信技术也引起了⼴泛关注，国家⾃然科学基⾦委、教育部等均设⽴多个资助项⽬，众多⾼校如东南⼤学、北京邮电⼤学、西安电⼦科技⼤学、浙江⼤学等也纷纷展开了相关研究的关于协作通信技术的专著。⽽且世界上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”等等。同样还有很多⼤学的教授学者在协作通信技术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教授、英国伦敦⼤学King学院的M Dohler 教授、美国德州⼤学多媒体通信实验室的T E Hunter博⼠和明尼苏达州⼤学的M O Hasna博⼠等。
总之，协作分集技术不仅可以⽀持信源端与信宿端之间的直接通信，也可以⽀持有中继节点辅助的多跳传输。这种多跳传输⽅式在⼀定程度上克服了⼤尺度衰落的影响，减⼩了收发终端之间的路径损耗，
降低了设备发射功率，从⽽有效地抑制了系统⼲扰并提⾼了信号的信噪⽐(signal noise ratio，SNR)。与⾮协作通信⽅案相⽐，⽤户协作是有益的，其增益可以带来很多好处。放⼤转发协作⽅式也在起着重要的作⽤。
1.3论⽂研究的主要内容
本⽂主要通过了解移动通信的发展以及协作通信的发展过程，协作分集基本概念和原理，协作分集系统模型和协作分集的分类等相关知识。从理论上推导分析具有单个中继端的放⼤转发协同通信系统在Rayleign衰落信道下的误码率性能，熟悉MATLAB编程语⾔和环境利⽤MATLAB软件搭建放⼤转发协同通信系统平台，得到误码率仿真曲线同时利⽤蒙特卡罗⽅法仿真误码率性能并与理论值进⾏⽐较，验证理论推导的正确性。同时为直观上分析协同通信对于误码率性能的改善，与直传⾮中继通信系统进⾏⽐较。
1.4论⽂的组织结构
第⼀章简述论⽂的结构和论⽂研究的背景及意义。
第⼆章介绍⽆MIMO技术的产⽣以及⽬前的现状。
第三章介绍研究发展协作通信的意义和前景。
第四章协作通信系统中的选择AF中继协议的具体研究和讨论。通过研究得出⾃⼰的见解。然后对未来AF中继协议的发展趋势进⾏了展望。
第五章结论与展望，重要分析⼀下本⽂所得出的结果，以及协作通信在未来发
展中的重要性。
第⼆章. MIMO技术
2.1 引⾔
MIMO(Multiple-Input Multiple-Out-put)系统，该技术最早是由Marconi于1908年提出的，它利⽤多天线来抑制信道衰落。根据收发两端天线数量，相对于普通的SISO(Single-Input Single-Output)系统，MIMO还可以包括SIMO(Single-Input Multiple-Output)系统和MISO(Multiple-Input Single-Output)系统。利⽤MIMO信道可以成倍地提⾼⽆线信道容量，在不增加带宽和天线发送功率的情况下，频谱利⽤率可以成倍地提⾼。同时也可以提⾼信道的可靠性，降低误码率。
MIMO(Multiple-Input Multiple-Out-put)系统是⼀项运⽤于802.11n的核⼼技术。802.11n是IEEE继802.11b\a\g后全新的⽆线局域⽹技术，速度可达600Mbps。同时，专有MIMO技术可改进已有802.11a/b/g⽹络的性能。该技术最早是由Marconi于1908年提出的，它利⽤多天线来抑制信道衰落。
根据收发两端天线数量，相对于普通的SISO(Single-Input Single-Output)系
统，MIMO还可以包括SIMO(Single-Input Multi-ple-Output)系统和MISO(Multiple-Input Single-Output)系统。利⽤MIMO技术可以提⾼信道的容量，同时也可以提⾼信道的可靠性，降低误码率。前者是利⽤MIMO信道提供的空间复⽤增益，后者是利⽤MIMO信道提供的空间分集增益。实现空间复⽤增益的算法主要有贝尔实验室的BLAST 算法、ZF（zero-forcing，迫零）算法、MMSE（minimum mean square error），最⼩均⽅差）算法、ML（maximum likelihood，最⼤似然）算法。ML算法具有很好的译码性能，但是复杂度⽐较⼤，对于实时性要求较⾼的⽆线通信不能满⾜要求。ZF算法简单容易实现，但是对信道的信噪⽐要求较⾼。性能和复杂度最优的就是BLAST算法。该算法实际上是使⽤ZF算法加上⼲扰删除技术得出的。⽬前MIMO技术领域另⼀个研究热点就是空时编码。常见的空时码有空时块码、空时格码。空时码的主要思想是利⽤空间和时间上的编码实现⼀定的空间分集和时间分集，从⽽降低信道误码率。MIMO将多径⽆线信道与发射、接收视为⼀个整体进⾏优化，从⽽实现⾼的通信容量和频谱利⽤率。这是⼀种近于最优的空域

版权声明：本站内容均来自互联网，仅供演示用，请勿用于商业和其他非法用途。如果侵犯了您的权益请与我们联系QQ:729038198，我们将在24小时内删除。