【正文】 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。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4 協(xié)作通信的中繼選擇算法研究 善小區(qū)邊緣性能，提高系統(tǒng)吞吐量。 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。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。 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。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。 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)目煽啃浴? 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 。 第二章協(xié)作通信與中繼選擇概述 7 第二章 協(xié)作通信與中繼選擇概述 協(xié)作通信的概念及其研究意義 協(xié)作 （ Cooperative）顧名思義就是相互幫助使得幫助的雙方同時(shí)獲益。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。研究協(xié)作通信技術(shù)的原因大致可以分為以下兩種： 第一 種 ，網(wǎng)絡(luò) 中有空余的資源。 第二 種 ，協(xié)作通信有助于系統(tǒng)獲得增益。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。 第二章協(xié)作通信與中繼選擇概述 9 用 戶 2基 站用 戶 1獨(dú) 立 衰 落信 道 圖 移動終端間的協(xié)作分集 協(xié)作分集的優(yōu)點(diǎn) 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。 協(xié)作分集的應(yīng)用范圍 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Adhoc 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。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。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。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。源的發(fā)射功率為 1P ,而中繼發(fā)射功率為 2P 。 12 協(xié)作通信的中繼選擇算法研究 源中 繼目 的1P 2P,srh ,rdh,sdh 圖 簡化協(xié)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 是源的發(fā)射功率， x 是發(fā)送的信息符號， ,sdn ， ,srn 是加性噪聲。 階段 2，中繼將處理后的源信號向目的轉(zhuǎn)發(fā)，目的接收到的信號為： , , , ,()r d r d s r r dy h f y n?? (23) 其中，函數(shù) ()f? 取決于中繼節(jié)點(diǎn)所采用的處理方式。這里重點(diǎn)介紹固定中繼（ FixedRelaying）中的幾個(gè)協(xié)作策略。這時(shí)采用的解碼和重新編碼處理往往是接收信號的非線性變換。其基本思想是：每個(gè)用戶都試圖為自己的伙伴傳輸冗14 協(xié)作通信的中繼選擇算法研究 余的信息。 RSD 圖 編碼協(xié)作模式原理圖 固定中繼各種協(xié)作 轉(zhuǎn)發(fā) 策略的比較： （ AF）是最簡單的一種方式。 （ 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。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) 。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。 本章小結(jié) 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。 第三章中繼選擇技術(shù)研究 17 第三章 中繼選擇技術(shù)研究 協(xié)作通信的優(yōu)點(diǎn) 協(xié)作通信作為一種新的通信方式，存在以下主要好處： 更高的空間分集增益：通過協(xié)作分集，用戶可有效抵抗無線信道的小尺度衰落和陰影衰落。 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。 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） 。 （ 1）算法執(zhí)行 按算法的執(zhí)行方式，中繼選擇算法分為：中心式和分布式。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)。另外我們可以把協(xié)作節(jié)點(diǎn)的選擇和協(xié)同 第三章中繼選擇技術(shù)研究 19 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。 （ 4）中繼節(jié)點(diǎn)的屬性 環(huán)境不同，中繼節(jié)點(diǎn)的屬性也不盡相同。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。 典型中繼選擇算法介紹 機(jī)會中繼選擇算法及其改進(jìn) 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)。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)。最壞的情況下，沖突時(shí)長 c 具有如下最大值： 無隱藏中繼： m ax m ax= + +b j sc n n d? (34) 有隱藏中繼： m a x m a xm a x= + + 2 + + 2b j sc n n d d u r n? (35) 其中 jn 為中繼 j 和目的站之間的傳播時(shí)延； max? 為兩個(gè)中繼之間的最大傳播時(shí)延； sd 為每部無線收發(fā)機(jī)的收發(fā)轉(zhuǎn)換時(shí)間； dur 為最佳中繼所發(fā)標(biāo)志分組的持續(xù)時(shí)間。由式（ 37）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。 論文 [16]提出了一種改進(jìn)方案來降低最佳中繼選擇失敗的概率。 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。它的實(shí)現(xiàn)過程是這樣 的： 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。 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。 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 。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。 固定 優(yōu)先 級列 表的一個(gè)簡單的實(shí)現(xiàn)方法為： ? ?+1, + 2 , ,M ,1,2 , , 1i i i， i 為節(jié)點(diǎn)編號。 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。設(shè)源節(jié)點(diǎn)直傳到目的節(jié)點(diǎn)的時(shí)刻為 1T ，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。 21T 為中繼節(jié)點(diǎn) 1 的信息到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)時(shí)刻， 22T 為中繼節(jié)點(diǎn) 2 的信息達(dá)到目的節(jié)點(diǎn)時(shí)刻， 23T 為中繼節(jié)點(diǎn) 3 的信息達(dá)到目的節(jié)點(diǎn)時(shí)刻。 考慮用戶公平性的中繼選擇 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。 在文獻(xiàn) [20]中，作者提出了一種趨向公平性的新策略。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?MAC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。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。 本章小結(jié) 本章簡要介紹了協(xié)作通信的優(yōu)點(diǎn)、系統(tǒng)模型，并依據(jù)于不同分類標(biāo)準(zhǔn)對現(xiàn)有的中繼選擇算法進(jìn)行了研究介紹。 第四章仿真結(jié)果及分析 29 第四章 仿真結(jié)果及分析 本章首先對協(xié)作中繼轉(zhuǎn)發(fā)策略 AF、 DF 進(jìn)行誤碼率的仿真對比。 仿真結(jié)果分析 圖 和圖 分別是源與中繼節(jié)點(diǎn)間信道狀態(tài)較好、假定 DF 解碼正確的情況下的非協(xié)作系統(tǒng)與 AF、 DF 的實(shí)際誤碼率曲線和理論誤碼率曲線圖，從圖中可以看到，采用 AF 中繼和 DF 中繼的協(xié)作通信系統(tǒng)，其誤碼率明顯低于非協(xié)作系統(tǒng)。 然而，這并非意味著在系統(tǒng)中采用 DF 中繼一定會比 AF 中繼更佳。 待入網(wǎng)用戶有可能出現(xiàn)在 7 個(gè)覆蓋小區(qū)范圍內(nèi)的任何位置處，且用戶之間的位置是相互獨(dú)立的。 仿真結(jié)果分析 在仿真中，將非協(xié)作系統(tǒng)和隨機(jī)選擇算法以及機(jī)會中繼算法進(jìn)行了比較。 DF 協(xié)作中級轉(zhuǎn)發(fā)策略在中繼節(jié)點(diǎn)能夠正確譯碼的情況下比 AF 具有更好的誤碼率性能，但是其代價(jià)是設(shè)備復(fù)雜度較高，不適用于低成本設(shè)備。在協(xié)作通信系統(tǒng)中，每個(gè)用戶既要發(fā)送自己的數(shù)據(jù)，同時(shí)也要作為其他用戶的協(xié)作代理。這也形成了一個(gè)折衷?，F(xiàn)將本文的主要工作總結(jié)如下： （ 1）綜述了協(xié)作通信中的中繼節(jié)點(diǎn)選擇策略，并對協(xié)作通信 、 協(xié)作分集的相關(guān)概念進(jìn)行了闡述分析總結(jié)。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，那么它們是不會拿出自己有限的資源來為別人服務(wù)的。諸如家庭、辦公室以及公共場所等多種環(huán)境當(dāng)中 ，與無線通信相關(guān)的新技術(shù)、新設(shè)備以及新業(yè)務(wù)也一個(gè)接一個(gè)地接踵而至，這種場景使我們期待的無處不在、無時(shí)不在的泛在通信網(wǎng)絡(luò)將在不久的將來成為現(xiàn)實(shí)。當(dāng)使用多個(gè)傳輸信道時(shí)，它們受到的衰落影響是互相獨(dú)立或者相關(guān)性很小的，且多個(gè)信道在同一時(shí)刻處于深衰落的可能性極小。這樣的選擇算法更符合例如無線 Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的實(shí)用性。這樣能夠同時(shí)利用網(wǎng)絡(luò)編碼提升容量的特性和信道編碼的糾錯(cuò)特性。 致謝 35 致謝 xxx 參考文獻(xiàn) 37 參考文獻(xiàn) [1] 沈嘉等 . 3GPP 長期演進(jìn)（ LTE）技術(shù)原理與系統(tǒng)演進(jìn) . 北京：人民郵電出版社 . 20xx. [2] E. Van der Muelen, “Threeterminal munication channels” . Prob., vol. 3, pp. 120154, 1971. [3] Thomas M. Cover, Abbas A. El Gamal, Capacity theorems for the Relay Channel, IEEE Trans. Inf。從未考慮到用戶端和基站端的同時(shí)協(xié)作，即多點(diǎn) —多用戶協(xié)作。進(jìn)一步分析并討論多個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的協(xié)作能否進(jìn)一步提升系統(tǒng)的性能?？臻g分集是利用場強(qiáng)隨空間的隨機(jī)變化實(shí)現(xiàn)的，空間距離越大，多徑傳播的差異就越大，而接收場強(qiáng)的相關(guān)性就越小。近幾年來，空間分集成為研究熱點(diǎn)。 34 協(xié)作通信的中繼選擇算法研究 展望 無線移動通信是當(dāng)今通信領(lǐng)域中最活躍和發(fā)展最為迅速的科研領(lǐng)域之一。 （ 3）根據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)介紹了協(xié)作通信的中繼選擇算法的不同類型，并著重 介紹了機(jī)會中繼選擇算法及其改進(jìn)、貪婪算法和基于時(shí)延的伙伴選擇算法。協(xié)作的前提是對用戶功率和帶寬采取某種分配策略改善系統(tǒng)性能。就功率而言，一方面，在進(jìn)行協(xié)作通信時(shí)，由于每個(gè)用戶既要發(fā)射自身數(shù)據(jù)，又要中繼其他用戶數(shù)據(jù)，所以需要更高功率；另一方面，由于產(chǎn)生了分集增益，每個(gè)用戶基本發(fā)射功率可以適當(dāng)減小。機(jī)會中繼選擇算法，相比于隨機(jī)中繼選擇和非協(xié)作系統(tǒng)，具有良好的頻 譜利用率，這 在當(dāng)今頻譜資源短缺的情況下，是十分重要的。從圖 可以看出，與非協(xié)作系統(tǒng)和隨機(jī)中繼選擇相比，機(jī)會中繼選擇算法以較低的復(fù)雜度換取了良好的頻譜利用率，算法簡單實(shí)用，在不需要使用復(fù)雜的空時(shí)編碼技術(shù)時(shí)，就能獲得與傳統(tǒng)分集技術(shù)相同的分集增益。陰影衰落為服從均值為零標(biāo)準(zhǔn)差為 10dB 的對數(shù)陰影衰落的隨機(jī)變量 [22]。仿真中，假設(shè) DF 中繼完全解碼正確，從而獲得較好的性能。 同時(shí)可以看出， DF 中繼能要優(yōu)于 AF 中繼。仿真結(jié)果表明，機(jī)會中繼可以顯著的提高系統(tǒng)的頻譜利用率， 在 不需要使用復(fù)雜的空時(shí)編碼技術(shù) 時(shí)，就能獲得與傳統(tǒng)分集技術(shù)相同的分集增益。 著重介紹了幾種典型的中繼選擇算法，尤其是機(jī)會中繼選擇算法及其改進(jìn)方案，是第四章仿真的基礎(chǔ)。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。 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。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)才能獲取別人的幫助，當(dāng)其值為負(fù)時(shí)，不能尋求其他用戶 第三章中繼選擇技術(shù)研究 27 的幫助。