【文章內(nèi)容簡介】 載波是指當(dāng)不同的載波之間的間隔大于頻率相干區(qū)間，即載波頻率的間隔應(yīng)滿足 ()式中，為載波頻率間隔，為相關(guān)帶寬，為最大多徑時延差。如果發(fā)射頻率的間隔是信道相干寬帶的幾倍以上，這樣就能保證不同頻率的衰落統(tǒng)計特性是互不相關(guān)的，不同傳播環(huán)境的相干帶寬不同。當(dāng)信道的相干帶寬較小時，頻率分集效果明顯。 協(xié)作分集技術(shù)之間的比較時間分集與空間分集相比較，優(yōu)點(diǎn)是減少接收天線及相應(yīng)設(shè)備的數(shù)目，缺點(diǎn)是占用時隙資源增大了開銷，降低了傳輸效率。頻率分集與空間分集相比較，其優(yōu)點(diǎn)是在接收端可以減少接收天線及相應(yīng)設(shè)備的數(shù)量，缺點(diǎn)是要占用更多的頻帶資源。頻率分集和時間分集技術(shù)雖然可以對抗無線信道的衰落，提高系統(tǒng)的性能，但并不是在任何情況下，這兩種分集方式都是有效的。如對于時延敏感的慢衰落系統(tǒng)，時間交織會引入較大的信號處理時延，所以對時延敏感的業(yè)務(wù)不適合采用時間分集。當(dāng)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(kuò)展遠(yuǎn)小于信號周期時，頻率分集又顯得無能為力。雖然空間分集具有優(yōu)良的性能，但也有它的缺點(diǎn)，需要在分集端假設(shè)多跟天線，并且對天線之間的距離有一定的限制，這對體積較小的移動終端來講是一個難題。近幾年無線通信業(yè)務(wù)的激增是前所未有的,為了滿足高速率多媒體通信的需求,不僅要提高數(shù)據(jù)的傳輸速率,還有調(diào)高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,而受到廣泛的關(guān)注,使用空間分集技術(shù)的MIMO系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用。協(xié)作通信的產(chǎn)生,增加了系統(tǒng)的分集增益從而獲得了類似MIMO系統(tǒng)中的增益。第三章 協(xié)作通信中各協(xié)作協(xié)議協(xié)作分集技術(shù)不僅可以克服移動終端配置單天線無法實(shí)現(xiàn)空間分集的限制,還可以有效地增大系統(tǒng)容量、擴(kuò)大無線通信的覆蓋范圍。對于無線通信系統(tǒng)中的通信終端，存在兩種基本的工作模式，即半雙工模式和全雙工模式。在半雙工模式下，節(jié)點(diǎn)通過不同的時隙或頻率接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，但節(jié)點(diǎn)不能同時接收和發(fā)送數(shù)據(jù)；而在全雙工模式下，節(jié)點(diǎn)可以同時接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。在實(shí)際的協(xié)作通信系統(tǒng)中，工作在半雙工模式下節(jié)點(diǎn)相對于公仔全雙工模式下的節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)更簡單，相應(yīng)的協(xié)作協(xié)議實(shí)現(xiàn)更容易，復(fù)雜度也比較低，但全雙工通信系統(tǒng)比半雙工通信系統(tǒng)有更大的系統(tǒng)容量。在本章，我們僅考慮網(wǎng)絡(luò)中只存在一個中繼協(xié)助源節(jié)點(diǎn)的發(fā)送。多中繼情形將在后面的章節(jié)中進(jìn)行討論。通常一個中繼策略可以被建模成啷個正交的階段，或者通過TDMA，或者通過FDMA，以避免兩階段之間產(chǎn)生干擾。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。階段2，中繼2通過轉(zhuǎn)發(fā)或者重新發(fā)送源的信息來幫助源。 簡化協(xié)作模型 () ()其中，p是源的發(fā)射功率；x是發(fā)送的信息符號；，是加性噪聲。在式()和式()中，分別是源到目的源和源到中繼的信道系數(shù)。他們分別被建模成零均值且方差為和的復(fù)高斯隨機(jī)變量。噪聲和被建模為零均值且方差為的復(fù)高斯隨機(jī)變量。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其中，函數(shù)取決于中繼節(jié)點(diǎn)所采用的處理方式。在固定中繼中,.AF協(xié)議(固定放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議):當(dāng)采用此協(xié)議時,中繼量化將接收到的信號放大后轉(zhuǎn)發(fā)給目的。 中斷概率為 () 高信噪比下的中斷概率為 ()DF協(xié)議(固定譯碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼協(xié)議):，但是它有可能向目的端轉(zhuǎn)發(fā)錯誤的信號，這就導(dǎo)致了錯誤傳播，進(jìn)而降低系統(tǒng)性能。中斷概率為 ()因為信道是瑞利衰落的，則上述變量都是參數(shù)為1的指數(shù)隨機(jī)變量。對信道進(jìn)行平均，則在高信噪比下，譯碼轉(zhuǎn)發(fā)的中斷概率為 ()固定中繼具有易于實(shí)施的優(yōu)勢，但是也存在頻譜效率低的劣勢。這是因為有一半的信道資源分配給中繼進(jìn)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(fèi)了。除了這兩種最常用的固定中繼技術(shù),還有其他的中繼技術(shù)也值得關(guān)注,例如壓縮轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議和編碼協(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)別在與后者的中繼轉(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)的是接收信號量化及壓縮后的版本. 編碼協(xié)作不同于前述方案的地方在于這種協(xié)作應(yīng)用在信道編碼這個層面上。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,如果源和中繼之間的信道遭受到了嚴(yán)重的衰落,以至于接收信噪比落到門限值以下,則中繼不進(jìn)行任何操作.選擇DF中繼的中斷概率為 () 上式中所有的隨即變量都是獨(dú)立的指數(shù)隨機(jī)變量，這就使得中斷概率的計算很直接，高信噪比下中斷概率的表達(dá)式可以寫成 ()增量中繼:對于增量中繼,則向中繼發(fā)送一個確認(rèn)信號,這樣中繼就不用轉(zhuǎn)發(fā).在增量中繼時，如果源在階段1發(fā)送成功，則沒有階段2，源將在下一個時隙發(fā)送新的信息。反之，如果源在階段1發(fā)送失敗，中繼可以使用任何一種固定中繼協(xié)議來轉(zhuǎn)發(fā)源在階段1的信息。在這里，我們主要關(guān)注中繼采用AF協(xié)議。中斷概率為 ()高信噪比下，中斷概率為 ()總的來說,自適應(yīng)中繼技術(shù)性能優(yōu)于固定中繼技術(shù),選擇中繼需要知道接收信噪比,相比于自適應(yīng)中繼,固定中繼更易于實(shí)施,這最終是一個性能和復(fù)雜度的折中。因為頻譜資源的珍貴，未來無線系統(tǒng)力爭達(dá)到高的帶寬效率，例如在單位信道資源上傳輸更多的比特。一個評估通信方案效率的好的標(biāo)準(zhǔn)時：隨著網(wǎng)絡(luò)中用戶密度的增大，如何對網(wǎng)絡(luò)容量進(jìn)行衡量。這一小節(jié)將研究協(xié)作通信對網(wǎng)絡(luò)容量的影響。 我們考慮一個具有n個節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)，這些節(jié)點(diǎn)均勻分布在單位面積內(nèi)。網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點(diǎn)要能發(fā)送自己的信息，也能接收別的節(jié)點(diǎn)的信息，即每個節(jié)點(diǎn)即是源也是目的。這些源和目的隨即配對，并且該配對在整個通信過程中保持不變。假設(shè)每個節(jié)點(diǎn)具有相同的流量R（n），平均發(fā)射功率為P。假設(shè)信道是平坦的，帶寬為W Hz且載波頻率。節(jié)點(diǎn)i和k之間的信道建模如下： ()其中， 是均勻分布的隨機(jī)過程，取值在0和2 之間。假設(shè)相移 是平穩(wěn)的和各態(tài)歷經(jīng)性的，且各個節(jié)點(diǎn)的相移是互相獨(dú)立的。這里 表示節(jié)點(diǎn)i和k之間的距離，假設(shè)它是與相位 相互獨(dú)立的，并且在整個通信過程中保持不變。同樣， 表示路徑衰落指數(shù)，G表示發(fā)射與接收端的天線增益。上面的信道模型符合遠(yuǎn)場假設(shè)。因為任何節(jié)點(diǎn)的小的位移不會對間距產(chǎn)生大的影響，因此假設(shè)固定是合理的。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(diǎn)位置的移動都會改變接收到的信號的相移。節(jié)點(diǎn)i在時隙m接收到的信號為 ()其中， 是節(jié)點(diǎn)k在時隙m發(fā)射的信號， 是方差為的加性高斯白噪聲。因為網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點(diǎn)都有R(n)的流量要發(fā)送，則網(wǎng)絡(luò)總的吞吐量為 ()兩個有趣的問題是，最大可達(dá)的總吞吐量是多少？它隨著節(jié)點(diǎn)個數(shù)是怎么變化的？更進(jìn)一步，什么樣的通信方案能夠達(dá)到這個總吞吐量。最近已有證明顯示，多跳傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)容量上界如下所示： ()這意味著每條鏈路的流量可以測量為 ()因此每個節(jié)點(diǎn)的吞吐量隨著節(jié)點(diǎn)密度的增大而減少。這樣的網(wǎng)絡(luò)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?shù)募僭O(shè)下，式中的網(wǎng)絡(luò)測量確實(shí)是最鄰近多跳傳輸?shù)囊粋€結(jié)果，這是因為這樣的度量導(dǎo)致了干擾有限。首先，我們考慮一個具有n個均勻分布節(jié)點(diǎn)的單位面積網(wǎng)絡(luò)的最有網(wǎng)絡(luò)測量的上界。對于具有n個節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)，總的網(wǎng)絡(luò)吞吐量上界為 ()這就意味著一個具有n個節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)容量的度量的上界與節(jié)點(diǎn)個數(shù)呈對數(shù)關(guān)系。話說，如果存在一個方案能夠得到線性容量度量，那么該方案是最優(yōu)的?，F(xiàn)在我們討論本節(jié)關(guān)注的分級協(xié)作協(xié)議。分級方案是基于分簇和簇間的遠(yuǎn)距離MIMO傳輸。這可以達(dá)到兩個目標(biāo)：使用分簇能夠獲得空間重用。這是因為分離的簇可以并行工作。并行工作時，各簇的節(jié)點(diǎn)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。使用遠(yuǎn)距離MIMO、我們可以達(dá)到高的空間復(fù)用增益。網(wǎng)絡(luò)被分成每個包含M個節(jié)點(diǎn)的簇。節(jié)點(diǎn)s首先將自己的比特發(fā)送給本簇里的其他M1個節(jié)點(diǎn)。簇中M個節(jié)點(diǎn)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。目的端所在的簇構(gòu)成一個MIMO接收機(jī)。接收簇中的每個節(jié)點(diǎn)將量化接收到的觀察值，并把它轉(zhuǎn)發(fā)給目的。：建立發(fā)送協(xié)作在這個階段，每個節(jié)點(diǎn)獎信息發(fā)布給本簇的其他節(jié)點(diǎn)，源節(jié)點(diǎn)將自己的比特發(fā)送給本簇的鄰居節(jié)點(diǎn)。 階段1的描述。每個源將自己的比特分發(fā)給同簇的節(jié)點(diǎn)我們考慮一個具體的源節(jié)點(diǎn)。該源將LM個比特分成M塊，每塊L個比特。源如何將這M塊分發(fā)給簇內(nèi)的其他節(jié)點(diǎn)依賴于目的和源的相對距離。具體來講：如果源節(jié)點(diǎn)和它的目的節(jié)點(diǎn)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(diǎn)。如果源節(jié)點(diǎn)和它的目的節(jié)點(diǎn)在相鄰的簇，那么源所在的簇被分成兩部分，一部分離目的節(jié)點(diǎn)所在的簇較近，另一部分離目的節(jié)點(diǎn)所在的簇較遠(yuǎn)。源節(jié)點(diǎn)的M塊比特就在遠(yuǎn)離目的簇的M/2個節(jié)點(diǎn)間分發(fā)。因此，在極限情況下，我們發(fā)送LM個比特塊需要2M次會話。：MIMO傳輸 這一階段采用了遠(yuǎn)程MIMO傳輸， 所示。每個節(jié)點(diǎn)將階段1從源節(jié)點(diǎn)接收到的L個比特進(jìn)行獨(dú)立編碼。編碼后的碼字包含C個符號，每個符號是高斯分布。平均發(fā)射功率上限為，其中是源簇及目的簇的中心間距。目的簇的節(jié)點(diǎn)量化所接收到的信號并存儲，他們并沒有進(jìn)行譯碼。這一步MIMO傳輸需要C或者2C次傳輸，具體取決于階段1中描述的目的與源之間的之間。所有的節(jié)點(diǎn)都完成這一步最多需要2nC次傳輸。 階段2的遠(yuǎn)程MIMO傳輸?shù)拿枋觯簠f(xié)作譯碼前一階段，每個觀察值都被量化成Q個比特。因為每個節(jié)點(diǎn)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。每個節(jié)點(diǎn)需要將自己的流量分散給同簇內(nèi)的其他節(jié)點(diǎn)，這個可以通過階段1中描述的方案實(shí)現(xiàn)。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(diǎn)，或者每C次觀察包含的M個節(jié)點(diǎn)。當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)與源節(jié)點(diǎn)在同一個簇內(nèi)例外。在這種情況下，簇內(nèi)的每個節(jié)點(diǎn)有L比特的原始數(shù)據(jù)但是沒有MIMO接收信號，CQ,這個例外情況可以被忽略，為了簡便，假設(shè)所有節(jié)點(diǎn)都具有MIMO觀察信號。 協(xié)議分析,它在證明中起到了基礎(chǔ)的作用。考慮一個包含n個節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò),它受到外部源節(jié)點(diǎn)的干擾,路勁衰落因子 ()假設(shè)是一組不相關(guān)的零均值且各態(tài)歷經(jīng)的平穩(wěn)隨機(jī)過程,功率上界為 () . 對于某個常數(shù),其獨(dú)立于n,如果存在一個方案能夠以至少的概率達(dá)到總吞吐量 ()且每個節(jié)點(diǎn)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(luò)達(dá)到一個更高的總吞吐量,為 (),每個節(jié)點(diǎn)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(diǎn)將自己的數(shù)據(jù)分成LM比特,因此每簇的總流量為LMM比特,對于源和目的處于相鄰的特殊情況,:.這樣做的主要原因是為了允許簇的并行操作,這就導(dǎo)致了每個節(jié)點(diǎn)處的有限干擾,然后根據(jù)引理（），對某個,達(dá)到每次會話的總吞吐量的所有條件都能滿足。這個總吞吐量能夠以高于的概率達(dá)到。因為每個簇和n/M簇最多有2M次會話，通過一致界，這個吞吐量能以的概率達(dá)到。 在這樣的總吞吐量下，每次會話所需要的最多信道利用數(shù)位 == () 因為我們最多有2M次會話，考慮到9TDMA方案，完成具有n個節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)在階段1中的全部傳輸總共需要的信道利用數(shù)為 ()階段2的分析這一階段產(chǎn)生遠(yuǎn)程MIMO傳輸。正是這一步使得該協(xié)議能夠達(dá)到高的容量度量。因為采用了MIMO傳輸，所以，吞吐量與最小發(fā)射和接收天線個數(shù)呈線性關(guān)系。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。因為這表示了一種TDMA方案，即網(wǎng)絡(luò)中的所有源順序發(fā)送，但是該方案與單純TDMA的主要區(qū)別在與發(fā)送的時候，其所在簇內(nèi)的其他節(jié)點(diǎn)會通過發(fā)送前一階段接收到的源的信息來協(xié)助源的發(fā)送。這就在源簇構(gòu)成了一個虛擬的M維天線陣。同時，目的簇的所有M個節(jié)點(diǎn)協(xié)助接收所發(fā)送的信息。每個節(jié)點(diǎn)存儲量化后接收信息，以便稍后轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點(diǎn)。因此就構(gòu)成了分布式的接收天線陣列。正如前面所述，每個源簇內(nèi)的節(jié)點(diǎn)將階段1接收到的L比特編碼成C個符號。這個碼字的平均功率限制是，其中是源簇與目的簇的中心距離。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(diǎn)有信息。在這種情況下，每個節(jié)點(diǎn)將信息編碼成2C個符號。因此，網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點(diǎn)需要C或者2C個信道利用來發(fā)送信息。因為網(wǎng)絡(luò)中有n個節(jié)點(diǎn)，階段2所需要的最大信道利用數(shù)為 ()階段3的分析該階段，每個節(jié)點(diǎn)將自己在階段2接收到的觀察值發(fā)送給目的節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)中要么是M個節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生C個符號，要么是M/2個節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生2C個符號，這取決于源和目的是否屬于相鄰的簇。節(jié)點(diǎn)將每個符號量化成Q比特。因此，最后最多會有2MQCM比特的流量。類此與階段1，各簇采用9TDMA方案去并行工作。這就意味著在兩個激活的簇之間至少要有2個空閑的簇。因為簇中