【正文】 若不然，則源到中繼的信道經(jīng)歷嚴重的衰落以至于信噪比低于該門限值，則中繼就不會轉(zhuǎn)發(fā)。進一步，若源知道目的譯碼錯誤，則源可以重復(fù)發(fā)送或者由中繼協(xié)助發(fā)送，這種方法稱為增量中繼，這種情況下，就需要一個從目的到源的反饋新到了。下面幾個章節(jié)，就分別對集中協(xié)作策略進行分析和比較。中繼方式，也就是協(xié)作策略，簡單來講就是指在協(xié)作通信過程中對傳輸信號的處理方式，按照處理方式不同來區(qū)分，主要分為固定中繼模式、選擇中繼模式和增量中繼模式。無線通信系統(tǒng)利用協(xié)作傳輸技術(shù)，在接收節(jié)點通過合并來自多條獨立衰落信道的數(shù)據(jù)樣本，可以有效地解決信道衰落的影響，從而獲取分集增益，以此來提高系統(tǒng)的傳輸可靠性。目前，已經(jīng)有許多協(xié)作傳輸協(xié)議被相繼提出。其中，按不同的中繼轉(zhuǎn)發(fā)方式區(qū)分，主要可以分為兩大類：放大轉(zhuǎn)發(fā)（AmplifyandForward，AF）和譯碼轉(zhuǎn)發(fā)（DecodeandForward，DF）。在此基礎(chǔ)上，還優(yōu)化了這兩類協(xié)作傳輸協(xié)議，提出了可以進行協(xié)作中繼節(jié)點選擇的協(xié)作傳輸協(xié)議、應(yīng)用有效編碼技術(shù)（如協(xié)作編碼、空時編碼等）的新的協(xié)作傳輸協(xié)議和增加了有限反饋（增量中繼等）的協(xié)作傳輸協(xié)議。本文旨在驗證協(xié)作通信理論對系統(tǒng)性能的改善，故僅對最基礎(chǔ)的AF與DF模式進行分析、仿真，對于其他協(xié)作協(xié)議，不作深入討論。在此基礎(chǔ)上，產(chǎn)生了兩種自適應(yīng)的選擇中繼（SelectionRelaying，SR）和增強中繼（Incremental Relay，IR）。選擇中繼模式時，當(dāng)信源節(jié)點與中繼節(jié)點間的信道條件較好時，中繼節(jié)點將其從信源節(jié)點所接收到的信息轉(zhuǎn)發(fā)給接收端；否則，中繼節(jié)點將不轉(zhuǎn)發(fā)它從信源節(jié)點接收到的信息，此時系統(tǒng)等同于非協(xié)作通信系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)處于增強中繼模式時，類似于ARQ協(xié)議，中繼節(jié)點解碼源信號，并將解碼判決信息反饋給源節(jié)點，告知源節(jié)點是否正確譯碼，然后由源節(jié)點決定是否繼續(xù)進行協(xié)作。這種對是否協(xié)作的選擇，從而形成了自適應(yīng)中繼。隨著對協(xié)作通信研究的深入，各種新的中繼協(xié)議不斷被提出，而本文主要旨在采用AF和DF來論證協(xié)作通信的性能，對其他的中繼協(xié)議不再做深入討論了固定放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議通常被簡稱為其英文縮寫—AF協(xié)議。當(dāng)系統(tǒng)應(yīng)用此協(xié)議時，中繼先將接收到的信號進行量化放大，然后后轉(zhuǎn)發(fā)給目的端。放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼信道可建模如下。中繼和目的端接收到的源發(fā)送的信號為： （21） 其中，分別是源到目的節(jié)點和源到中繼端的信道衰落系數(shù)，并且還被建模成瑞麗衰落信道。和表示零均值切方差為的加性高斯白噪聲。在這個協(xié)議下，中繼將源的信息放大后轉(zhuǎn)發(fā)給目的端，目的端則對中的信道衰落進行理想均衡。中繼則只是簡易地將接收到的信號用一個因子進行量化，該因子與接收功率成反比，可表示為： （22） 因此，中繼最后發(fā)送的信號是，發(fā)射功率與源的發(fā)射功率相同，而目的端最后接收到的信噪比是源和中繼這兩個鏈路的信噪比之和。源到目的端的信噪比可以表示為： （23） 單中繼AF協(xié)作通信原理 固定解碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議簡介固定中繼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議還有著另一種中繼方式，叫做固定解碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議，簡稱DF。它可以對接收到的信號進行譯碼然后重新編碼再發(fā)送給接收端。通常情況下只有在不會與選擇性譯碼轉(zhuǎn)發(fā)混淆的情況下采用。需要注意的是，中繼譯碼不一定都是正確的，如果譯碼錯誤了還將信號轉(zhuǎn)發(fā)到目的端，這樣的話在目的端進行譯碼就沒有意義了。因此，DF方案的分集增益為1，因為系統(tǒng)的性能被源到中繼以及源和目的節(jié)點之間的最差鏈路所限制。盡管固定DF中繼比AF的加性噪聲少了很多，但是它可能會向目的端發(fā)送錯誤信號，這就樣就導(dǎo)致了錯誤傳播，從而降低了系統(tǒng)性能。源到目的端之間的互信息量受到原道中繼的鏈路及源到目的、中繼到目的的聯(lián)合鏈路中的較小互信息量所限制。因此，固定中繼盡管具有易于實施的優(yōu)勢，但是其頻譜效率卻很低，這是因為有一半的信道資源被分配給中繼進行轉(zhuǎn)發(fā)，這就降低了整個信道的速率，特別是當(dāng)源到目的的信道并不是特別差的時候，這個時候源發(fā)給目的的數(shù)據(jù)大部分都可以被正確譯碼，這樣中繼的轉(zhuǎn)發(fā)就浪費了。 圖 單中繼DF協(xié)作通信原理 幾種其他的協(xié)作策略固定中繼有著便于實施的優(yōu)勢，但是它的缺點在于其較低的頻譜效率。造成這種現(xiàn)象的主要原因是一半的信道資源都被用來中繼轉(zhuǎn)發(fā)，這樣就反而降低了整個系統(tǒng)的速率，而且當(dāng)源和目的的信道不是很差的時候，這樣的影響更加嚴重，因此，想要解決這種問題，就必須要有一種新的中繼策略來解決這個問題，這時就產(chǎn)生了兩種新的中繼方式分別是自適應(yīng)的選擇中繼（SelectionRelaying，SR）和增強中繼（Incremental Relay，IR）。選擇中繼模式時，當(dāng)信源節(jié)點與中繼節(jié)點間的信道條件較好的時候，中繼節(jié)點便將其從信源節(jié)點所接收到的信息轉(zhuǎn)發(fā)給接收端；否則，中繼節(jié)點就不對其從信源節(jié)點所接收到的信息進行轉(zhuǎn)發(fā)，此時系統(tǒng)等同于非協(xié)作通信系統(tǒng)。當(dāng)增強中繼模式時，類似于ARQ協(xié)議，中繼節(jié)點就對源信號進行解碼，并反饋解碼判決信息給源節(jié)點，然后告知源節(jié)點譯碼的正確與否，然后由源節(jié)點決定是否繼續(xù)進行協(xié)作。這種對是否協(xié)作的選擇，就形成了自適應(yīng)中繼。下面就對幾種新的中繼策略略作介紹。(1)壓縮轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作 壓縮轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作和譯碼/放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作最主要的區(qū)別在于后者的中繼轉(zhuǎn)發(fā)的是接收信號的副本，而壓縮轉(zhuǎn)發(fā)的中繼轉(zhuǎn)發(fā)是將接收到的信號量化及壓縮后的新的信號。因此，目的節(jié)點將由中繼發(fā)送的量化壓縮后的信息和源發(fā)送的信息進行聯(lián)合操作。進行信源編碼的過程就是中繼節(jié)點的量化壓縮過程，即，用一系列符號來表示每個可能接收到的信息。在目的節(jié)點，通過解碼接收到的一系列比特來得到量化壓縮后的信息的估計值。但是這個譯碼操作只是很簡單地接收到的比特映射為一系列的值，從而估計出發(fā)送的信息。映射過程一般情況下會產(chǎn)生失真，且失真也可以看做是一種噪聲。(2)編碼協(xié)作編碼協(xié)作不同之處在于之前所講的方案之處在于這種協(xié)作主要是在信道編碼這個層面上應(yīng)用。而之前的方案諸如放大轉(zhuǎn)發(fā)和譯碼轉(zhuǎn)發(fā)基本上都是中繼對源比特進行重復(fù)，而在編碼協(xié)作上，中繼卻是發(fā)送了增量冗余，源發(fā)送的碼字在接收端與之結(jié)合之后，這樣反而產(chǎn)生了比較多冗余。編碼協(xié)作中，一個碼字被分成了兩個部分發(fā)送，每一部分是經(jīng)過不同的路徑或者信道，其主要步驟是編號排序，編碼協(xié)作的一次信息輸出循環(huán)是這樣的：循環(huán)開始于源節(jié)點的一個包含個信息符號的符號塊松緊尋壞冗余校驗編碼器（CRC）；然后將CRC編碼的結(jié)果送入一個前向糾錯碼（FEC）編碼器，從而產(chǎn)生出一個包含個符號的碼字，因此，它的傳送速率為；之后，將該碼字向目的節(jié)點發(fā)送，同時源節(jié)點的協(xié)作伙伴對其進行監(jiān)聽；接收到源發(fā)送的信息之后，其伙伴節(jié)點將FEC和CRC碼解碼；CRC編碼器的輸出再進入一個FEC編碼器，然后就會產(chǎn)生一個符號長度為的碼字；這時就可以計算出伙伴節(jié)點的信道編碼速率為 (3)其他 除了上述的幾種協(xié)作策略之外，還有著其他許多種的協(xié)作策略，其中比較重要的是自適應(yīng)協(xié)作策略，他可以顯著提高中繼協(xié)議的有效性，自適應(yīng)協(xié)作策略主要包括選擇性DF中繼和增量中繼，這里就不做贅述了。 幾種合并方式概述影響無線通信質(zhì)量的主要因素之一是衰落效應(yīng)。而其中的快衰落深度甚至可以達到30~40dB，如果想通過增加天線尺寸、加大發(fā)射功率和高度之類的方法來克服這種深衰落其實是不可能實現(xiàn)的，而且還會干擾其它的電臺。為了解決這個問題可以使用分集增益的方法，即在若干個支路上同時接收相互間相關(guān)性不大的但卻載有同一信息的信號，然后通過合并的方法再將各個支路信號合并然后輸出，這樣接收終端上的深衰落概率就會大大降低。相應(yīng)的,為了減輕衰落的影響,還需要使用分集接收技術(shù)，以獲得分集增益，從而提高接收靈敏度，這種技術(shù)在包括移動通信，短波通信等隨參信道中得到了廣泛的應(yīng)用。這些分集接收技術(shù)在第二和第三代移動通信系統(tǒng)中都已得到了廣泛 應(yīng)用。目前比較常見的合并方式主要有以下三種： 合并方式比較(1)最大比合并（MRC）最大比合并的基本原理是在接收端增加多個分集支路，經(jīng)過相位調(diào)整后，按照一定的增益系數(shù)，同相相加，再進入檢測器進行檢測。在接受端對各個不相關(guān)的分集支路進行了相位校正，并先按照適當(dāng)?shù)目勺冊鲆孢M行加權(quán)再相加處理，然后再送入檢測機制中進行相干檢測。在進行合并的時候可以假設(shè)第i個支路的可變增益加權(quán)系數(shù)由該分集之路的信號幅度與噪聲功率的比值計算得到。最大比合并方案在接收端完成的工作主要是對接收到的信號進行線性處理，然后再利用最大似然檢測技術(shù)就可以對發(fā)端的發(fā)送出來的信息進行還原。其譯碼過程簡便并且易于實現(xiàn)。合并增益正比于分集支路數(shù)N 。(2)選擇合并（SC） 采用選擇合并技術(shù)時，個接收機的輸出信號先送入選擇邏輯器，選擇邏輯器再從接收到的所有信號中選取其中具有最高基帶信噪比的基帶信號作為輸出的信號。并且每多加上一支分集的支路，對選擇式分集輸出信噪比只能貢獻其總分集支路數(shù)的倒數(shù)倍。(3)等增益合并（EGC）等增益合并也可被稱為相位均衡，它僅僅是對信道的相位偏移進行校正，而對幅度不做校正。等增益合并不是任何意義上的最佳合并方式，只有假設(shè)每一路信號的信噪比相同時，在信噪比理想最大化的基礎(chǔ)上，它才是最佳的。它輸出的結(jié)果是各路信號幅值的疊加。對于CDMA等系統(tǒng)，它很好的維持了接收信號中各個用戶信號間的正交狀態(tài)，此時就可認可衰落在各個通道間造成的差異，也不影響系統(tǒng)的信噪比。當(dāng)在某些系統(tǒng)中對接收信號的幅度測量不便時就可選用EGC。 當(dāng)分集重數(shù)較大時，等增益合并與最大比合并后相差不躲，在1dB左右。等增益合并實現(xiàn)比較簡單，設(shè)備也很簡單。分集性能指把不采用分集技術(shù)和采用分集技術(shù)的兩種情況進行對比，從而得以減輕深衰落影響。為了給分集改善程度提供一個定性的指標，常用分集改善度和分集增益這兩個指標來進行衡量。本文中，主要采用的是分集增益來體現(xiàn)協(xié)作分集的性能好壞。分集增益（diversity gain），在所給的參考文獻中，只是對分集增益進行了模糊的解釋，有的說是分集增益就是等同于于分集階數(shù)（diversity order），也就是說在傳輸過程中提供的同一信號獨立副本的最大數(shù)目；有的則認為分集增益的本質(zhì)就是為了提高SINR，提高幾個db的量化，可以說分集增益與分集階數(shù)有關(guān)；還有很多其他的概念如自由度增益、陣列增益、功率增益、復(fù)用增益等其他的增益方式。本文的理解，增益，就是增加收獲和益處，通常用兩個給定的參量（其數(shù)值可以對行為的一 組物理性質(zhì)中的任何一個性質(zhì)或者一個系統(tǒng)的特征進行描述）的比較來表征?？梢姡旨鲆嫱ㄟ^利用發(fā)射分集和接收分集來增加SNR曲線的斜率。分集階數(shù)也就是收發(fā)天線數(shù)增加，斜率就會增加，分集增益就會越大。在高信噪比下分集增益對系統(tǒng)性能的提高顯得尤為重要。因為在信噪比較高時分集增益近似可以看做誤碼率曲線的斜率。所以，本文中，分析系統(tǒng)的性能的主要方法就是觀察誤碼率曲線的斜率，從而可以定性的對實際分集增益進行分析那么，分集是通過什么樣的方法獲得增益的呢？舉例來講，從兩個天線分別發(fā)送出去同一個信號，這個時候，如果把兩條鏈路信道狀態(tài)看做是獨立同分布的，那么其各鏈路接收的也就是近似相同的SINR。這樣，經(jīng)過接收然后合并，其SINR值約等于單鏈路的2倍。直觀上的來說，在接收端接收到單鏈路時的2倍的信號強度，但噪聲卻不一定是2倍的原先噪，根據(jù)噪聲分布情況的不同將會有一定程度的抵消作用，只會小于2倍，那么此時合并后的信噪比就會比單鏈路時的信噪比大了。分集得到的增益就是這個打出來的部分。第3章 主要程序及流程圖本文對AF和DF的仿真采用MATLAB實現(xiàn)，系統(tǒng)采用BPSK調(diào)制、無信道編碼、蒙特卡洛循環(huán)仿真方法，信道的狀態(tài)信息對接收節(jié)點是已知的，而對發(fā)送節(jié)點是未知的。接收節(jié)點對接收到的信號采用相關(guān)檢測。源節(jié)點與中繼節(jié)點之間以及二者和目的節(jié)點之間的信道是相互獨立的，服從瑞利慢衰落。 主要參數(shù)說明在進行MATLAB仿真前首先要對程序中的幾個主要參數(shù)進行定義，如下圖所示： 程序中各參數(shù)說明MTALAB的主要仿真過程流程圖如下圖所示： 圖 程序流程圖 程序的主體結(jié)構(gòu)及循環(huán)模式如下圖所示： 程序的整體結(jié)構(gòu)圖主程序及調(diào)用的函數(shù)可見附錄A，下面對主程序中部分功能和用途進行進一步分析。為了簡化程序，所有信道都是采用恒參的瑞利衰落信道，即在一次蒙特卡洛循環(huán)中，衰落系數(shù)是一個恒定的復(fù)數(shù)，在程序中由以下語句體現(xiàn)： function H = RayleighCH(sigma2) % average value(0) mu = 0。 sigma = sqrt(sigma2)。 % Standard deviation(σ) H = normrnd(mu,sigma)+j*normrnd(mu,sigma)。其中方差是信道正態(tài)分布的均值，所以只需要輸入方差就可以得到信道系數(shù)，函數(shù)的功能是生成均值為MU、標準差為SIGMA的正態(tài)分布的隨機數(shù)據(jù)。仿真過程中的高斯白噪聲（加性噪聲）是通過函數(shù)y = awgn(x,SNR,SIGPOWER)來實現(xiàn)的，如果SIGPOWER是一個數(shù)值，則其代表以dB為單位的信號強度；如果SIGPOWER為39。measured39。，則函數(shù)將在加入噪聲之前測定信號強度。本程序以39。measured39。參數(shù)自動檢測信號強度。本課題主要采用的是最大比合并（MRC），由于AF與DF模式的最大比合并加權(quán)系數(shù)的決定因素不同，AF模式與中繼節(jié)點的放大系數(shù)β有關(guān)，所以自定義函數(shù)，通過輸入?yún)?shù)的數(shù)目不同以區(qū)分AF與DF。但是，β也由信道的參數(shù)決定，而AF與DF模式的MRC加權(quán)系數(shù)的本質(zhì)區(qū)別在于：AF由于是對接收信號的放大，所以對于源到目的端的信號的加權(quán)系數(shù)還與源到中繼的信道的參數(shù)、源到中繼信道的信號和噪聲功率相