【正文】 了解決這個問題 實現(xiàn) 移動終端的發(fā)送分集 ,產(chǎn)生了一種新的空間分集形式— 協(xié)作 分集。然而 ,由于不同的協(xié)作協(xié)議具有不同的差錯性能 ,且側(cè)重點以及適合的場景不同 ,有必要對各種協(xié)作協(xié)議進行具體的分析研究。這樣就降低了信道衰落的影響，改善了傳輸?shù)目煽啃?。這意味著在遠大于相干時間的獨立時間內(nèi)，兩個符號將經(jīng)歷高度相關的信道實現(xiàn)，因此可以用來獲得分集。 在頻率分集中，使用許多不同的頻率發(fā)射相同的信息。 西北工業(yè)大學明德學院 本科畢業(yè)設計論文 13 協(xié)作分集技術之間的比較 時間分集與空間分集相比較，優(yōu)點是減少接收天線及相應設備的數(shù)目，缺點是占用時隙資源增大了開銷，降低了傳輸效率。當信道的相干帶寬大于傳輸信號的帶寬或信道的多徑時延擴展遠小于信號周期時，頻率分集又顯得無能為力。 西北工業(yè)大學明德學院 本科畢業(yè)設計論文 14 第三章 協(xié)作通信中各協(xié)作協(xié)議 協(xié)作分集技術不僅可以克服移動終端配置單天線無法實現(xiàn)空間分集的限制 ,還可以有效地增大系統(tǒng)容量、擴大無線通信的覆蓋范圍。 協(xié)作通信過程中一個很關鍵的方面就是對來自中繼的源節(jié)點的信息處理 .不同的處理方案導致了不同的協(xié)作通信協(xié)議 。 階段 1，源發(fā)送信息到目的，同時，中繼也接收到源發(fā)送的信息。他們分別被建模成零均值且方差為 2,sd? 和 2,sr? 的復高斯隨機變量。 中斷概率為 ? ?, , ,s d s r r dr AF h h hP I R E?? ? ?? ?22, , ,1 1 1 ,2 s d s r r db h f h h R??? ? ? ? ? ????? () 高信噪比下的中斷概率為 ? ?r AFP I R? ? ? 222 2,2 2 2, , ,212Rs r r ds d s r r d??? ? ???? ???????????? () 固定譯碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼協(xié)議 DF 協(xié)議 (固定譯碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼協(xié)議 ):將接收到的信號譯碼并重新編碼后發(fā)送給接收機 .盡管固定 DF 中繼相比 AF 中繼有降低中繼處加性噪聲的優(yōu)勢，但是它有可能向目的端轉(zhuǎn)發(fā)錯誤的信號，這就導致了錯誤傳播，進 而降低系統(tǒng)性能。特別是當源到目的的信道并不是很差的時候，這是源發(fā)送給目的的數(shù)據(jù)大部分都可以被正確譯碼，中繼的轉(zhuǎn)發(fā)就浪費了。在這里，我們主要關注中繼采用 AF 協(xié)議。這一小節(jié)將研究協(xié)作通信對網(wǎng)絡容量的影響。假設每個節(jié)點具有相同的流量 R（ n），平均發(fā)射功率為 P。這里 ikr 表示節(jié)點 i 和 k 之間的距離，假設它是與相位 ik? 相互獨立的，并且在整個通信過程中保持不變。另一方面，相移是根據(jù)波長來測量的，因此任何小的節(jié)點位置的移動都會改變接收到的信號的相移。這樣的網(wǎng)絡測量是否是最佳的呢？或者這是不是最鄰近多跳傳輸?shù)臉O限呢？答案是，在最鄰近多跳傳輸西北工業(yè)大學明德學院 本科畢業(yè)設計論文 20 的假設下，式 ? ? ? ?n O n? 中的網(wǎng)絡測量確實是最鄰近多跳傳輸?shù)囊粋€結(jié)果，這是因為這樣的度量導致了干擾有限。 現(xiàn)在我們討論本節(jié)關注的分級協(xié)作協(xié)議。并行工作時，各簇的節(jié)點可以根據(jù)他們對別的簇產(chǎn)生的干擾來降低發(fā)射功率。簇中 M 個節(jié)點構(gòu)成分布式 MIMO 傳輸，把源 s 的比特發(fā)送給它的目的端，這個目的端有可能在另外的簇中。 西北工業(yè)大學明德學院 本科畢業(yè)設計論文 21 S 1 圖 階段 1 的描述。 具體來講： ? 如果源節(jié)點和它的目的節(jié)點要么在同一簇內(nèi)要么它們分別所在的簇沒有相鄰，那么源保留 1 個比特塊并將 其它 M1 個塊發(fā)送給同簇內(nèi)其它 M1 個節(jié)點。 階段 2： MIMO 傳輸 這一階段采用了遠程 MIMO 傳輸，如圖 所示。 目的簇的節(jié)點量化所接收到的信號并存儲，他們并沒有進行譯碼。因為每個節(jié)點從前一階段接收到了 CM 個符號，最后傳輸?shù)谋忍財?shù)為 CMQ ? M。在這種情況下，簇內(nèi)的每個節(jié)點有 L 比特的原始數(shù)據(jù)但是沒有 MIMO 接收信號，因為這里沒有階段 LCQ,這個例外情況可以被忽略，為 了簡便，假設所有節(jié)點都具有 MIMO 觀察信號。因為每個簇和 n/M 簇最多有2M 次會話，通過一致界，這個吞吐量能以 ? ?11 2 exp M??的概率達到。 在階段 1，每個源的信息向目的端發(fā)送的時候其他源都是靜止的。每個節(jié)點存儲量化后接收信息，以便稍后轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點。 在源和目的處于相鄰簇的特殊情況下，源簇中只有一半的節(jié)點有信息。網(wǎng)絡中要么是 M 個節(jié)點產(chǎn)生 C 個符號，要么是 M/2 個節(jié)點產(chǎn)生 2C 個符號，這取決于源和目的是否屬于相鄰的簇。這就意味著在兩個激活的簇之間至少要有 2 個空閑的簇。考慮到 9TDMA 方案，網(wǎng)絡中 n個節(jié)點為了完成階段 3 所需要的總信道利用數(shù)為 2118 bm CQTMK ?? () 使用 mT 個信道利用的概率大于 112 cMne?? 。重點討論未編碼協(xié)作通信的誤符號率 （ SER）性能分析和最優(yōu)功率分配，中繼采用放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作協(xié)議或者選擇性譯碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作協(xié)議。具體來說，用戶 1 在階段 1 向目的發(fā)送信息，用戶 2 也能監(jiān)聽到該信息。不是一般性，我們考慮如圖 所示的簡化模型，其中用戶 1 表示源，用戶 2 表示中繼 。他們分別被建模成零均值且方差為 2,sd? 和 2,sr? 的復高斯隨機變量。式 ()中， ,rdh 是中繼到目的的信道系數(shù)，為零均值且方差為 2,rd? 的復高斯隨機變。如果中繼接收到的 SNR 高于那個門限，則以很高的概率譯碼成功。目的端將階段 1 接收到的來自源端的信號和階段 2 接收到的來自中繼的信號合并，并采用最大比合并 （ MRC） 來檢測發(fā)送符號。最后，基于這個 SER 近似，我們能夠確定 DF 協(xié)作系統(tǒng)的最優(yōu)功率分配。 定理 若已知所有信道鏈路 ,sdh ， ,srh 和 ,rdh ，即 2, 0sd? ? ， 2, 0sr? ? 和2, 0rd? ? ，則當 10/PN和 20/PN趨于無窮大的時候，采用 MPSK 或者 MQAM 調(diào)制的系統(tǒng)的 SER 可以近似為 2 202 2 2 21 , 1 , 2 ,1Ss d s r r dN ABP b P P P? ? ????????? () 西北工業(yè)大學明德學院 本科畢業(yè)設計論文 30 最優(yōu)功率分配 定理 在采用 MPSK 或者 MQAM 調(diào)制的 DF 協(xié)作系統(tǒng)中，若所有的信道鏈路 ,sdh ， ,srh 和 ,rdh 已知 ， 2, 0sd? ? ， 2, 0sr? ? 和 2, 0rd? ? 。下面就引入一個 SER 上界和近似解，它們能有效地展示 DF 協(xié)作方案的漸進性能。首先，我們分別為采用 MPSK 和 MQAM 調(diào)制的系統(tǒng)引入 SER 的閉式表達式。目的端在階段 2 接收到的信號為 2, , , ,21 , 0r d r d r d r dsrPy h yP h N ???? () 其中 , ,rdh 是中繼到目的的信道系數(shù) , ,rd? 是加性噪聲 假設噪聲項 ,sr rdnn是獨立的，則等效噪聲 39。注意，為了能夠理論計算 SER，我們假設中繼采用的是理想 DF 協(xié)作協(xié)議，即中繼能夠檢測是否譯碼成功。 DF 協(xié)議 在階段 2，對于 DF 協(xié)議，如果中繼能夠譯碼正確，則以發(fā)射功率將譯碼符號轉(zhuǎn)發(fā)給目的端，否則中繼不發(fā)或保持空閑。目的和中繼接收到的信息分別 為,sdy ， ,sry ， 可以寫為 , 1 , ,s d s d s dy p h x n?? () , 1 , ,s r s r s ry p h x n?? () 其中 ， 1p 是源的發(fā)射功率， X 是發(fā)送的信息符號， ,srn ， ,sdn 是加性噪聲。類似地，當用戶 2 在階段 1 向目的發(fā)送自己的信息時，用戶 1 也能接收該信息并在階段 2 向用戶 2 的節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)。在這兩個階段中，用戶通過 TDMA、 FDMA 或者 CDMA 的正交信道發(fā)射信號。因為觀察其具有受限的功率，該功率不會隨著 M 去調(diào)整，因而實現(xiàn)不失真量化是有可能的，觀察值也能采用固定比特進行編碼。 因此，類似于階段 1，應用引理 （ ） 的限制條件都得到滿足。因此，最后最多會有 2M? QCM 比特的流量。因此，網(wǎng)絡中的每個節(jié)點需要 C或者 2C 個信道利用來發(fā)送信息。 正如前面所述，每個源簇內(nèi)的節(jié)點將階段 1 接收到的 L 比特編碼成 C 個符號。這就在源簇構(gòu)成了一個虛擬的 M 維天線陣。正是這一步使得該協(xié)議能夠達到高的容量度量。 考慮一個包含 n個節(jié)點的網(wǎng)絡 ,它受到外部源節(jié)點的干擾 ,路勁衰落因子 ? 2.節(jié)點 i 接收到的信號為 1ni ik k i iky h x z I?? ? ?? () 假設 ? ?,1iI i n?? 是一組不相關的零均值且各態(tài) 歷經(jīng)的平穩(wěn)隨機過程 ,功率上界為 ,iIIPK? 1in?? () 常數(shù) iK 與 n 獨立 .我們有下面的結(jié)論 . 對于某個常數(shù) 1c ,其獨立于 n,如果存在一個方案能夠以至少 ? ?11 exp ??的概率達到總吞吐量 ? ? 1 , 0 1bT n K n b? ? ? () 且每個節(jié)點所需要的平均功率的上界為 P/n,則能夠構(gòu)造出另外的一種方案是 ,網(wǎng)絡達到一個更高的總吞吐量 ,為 ? ? 122 bT n K n ?? () 第二個方案失敗的概率上界為 ? ?2exp ? .然而 ,每個節(jié)點所需要的平均功率上界仍然為 P/n. 階段 1 的分析 正如之前描述的 ,一簇中的每個節(jié)點將自己的數(shù)據(jù)分成 LM 比特 ,因此每簇的總流量為 LM ? M 比特 ,對于源和目的處于相鄰的特殊情況 ,源需要 2M次會話來完成傳輸 .每個節(jié)點根據(jù)簇的大小調(diào)整自己的功率 : ? ? /2/McPA? .這樣做的主要原因是為了允許簇的并行操作 ,這就導致了每個節(jié)點處的有限干擾 ,然后根據(jù)引理西北工業(yè)大學明德學院 本科畢業(yè)設計論文 24 （ ） ， 對某個 1 0K? ,達到每次會話的總吞吐量 1 bKM 的所有條件都能滿足。 注意，取決于源和目的是否在相鄰的簇內(nèi)，我們每 2C 次觀察包含的 M/2 個節(jié)點，或者每 C 次觀察包含的 M 個節(jié)點。所有的節(jié)點都完成這一步最多需要 2nC 次傳輸。編碼后的碼字包含 C 個符號，每個符 號是高斯分布。源節(jié)點的M 塊比特就在遠離目的簇的 M/2 個節(jié)點間分發(fā)。該源將 LM 個比特分成 M 塊，每塊 L 個比特。接收簇中的每個節(jié)點將 量化接收到的觀察值，并把它轉(zhuǎn)發(fā)給目的。 網(wǎng)絡被分成每個包含 M 個節(jié)點的簇。這可以達到兩個目標： 使用分簇能夠獲得空間重用。 對于具有 n 個節(jié)點的網(wǎng)絡，總的網(wǎng)絡吞吐量上界為 ? ? 1T n Kn bn? () 這就意味著一個具有 n 個節(jié)點的網(wǎng)絡容量的度量的上界與節(jié)點個數(shù)呈對數(shù)關系。 因為網(wǎng)絡中的每個節(jié)點都有 R(n)的流量要發(fā)送，則網(wǎng)絡總的吞吐量為 ? ? ? ?T n nR n? () 兩個 有趣的問題是，最大可達的總吞吐量是多少？它隨著節(jié)點個數(shù)是怎么變化的？更進一步，什么樣的通信方案能夠達到這個總吞吐量。 上面的信道模型符合遠場假設。節(jié)點 i 和 k 之間的信西北工業(yè)大學明德學院 本科畢業(yè)設計論文 19 道建模如下： ? ? ? ?? ?/2 e x pik ikh m G r j mik? ??? () 其中， ? ?mik? 是均勻分布的隨機過程，取值在 0 和 2? 之間。網(wǎng)絡中的每個節(jié)點要能發(fā)送自己的信息，也能接收別的節(jié)點的信息，即每個節(jié)點即是源也是目的。 分級協(xié)作 因為頻譜資源的珍貴，未來無線系統(tǒng)力爭達到高的帶寬效率，例如在單位信道資源上傳輸更多的比特。 自適應協(xié)作策略 選 擇性 DF 中繼 選擇性 DF 中繼 :如果中繼接收到的信號的信噪比超過了某個門限值 ,則中繼解碼接收信號并將解碼信息轉(zhuǎn)發(fā)給目的 .反之 ,如果源和中繼之間的信道遭受到了嚴重的衰落 ,以至于接收 信噪比落到門限值以下 ,則中繼不進行任何操作 . 選擇 DF 中繼的中斷概率為 ? ? ? ? ? ?22,1 1 1 2 |2S D F s d s dP I R P b h R h g??? ? ? ? ? ? ?????? ?2,r s rP h g?? ? ? ? ?2 2 2, , ,1 1 1 2 |2 s d r d s dP b h h R h g???