【文章內(nèi)容簡介】 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)點是減少接收天線及相應(yīng)設(shè)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。頻率分集與空間分集相比較，其優(yōu)點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展遠小于信號周期時，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，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。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)點通過不同的時隙或頻率接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，但節(jié)點不能同時接收和發(fā)送數(shù)據(jù)；而在全雙工模式下，節(jié)點可以同時接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。在實際的協(xié)作通信系統(tǒng)中，工作在半雙工模式下節(jié)點相對于公仔全雙工模式下的節(jié)點實現(xiàn)更簡單，相應(yīng)的協(xié)作協(xié)議實現(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)點的發(fā)送。多中繼情形將在后面的章節(jié)中進行討論。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)高斯隨機變量。噪聲和被建模為零均值且方差為的復(fù)高斯隨機變量。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)隨機變量。對信道進行平均，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 () 上式中所有的隨即變量都是獨立的指數(shù)隨機變量，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準時：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)點的網(wǎng)絡(luò)，這些節(jié)點均勻分布在單位面積內(nèi)。網(wǎng)絡(luò)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。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i和k之間的信道建模如下： ()其中， 是均勻分布的隨機過程，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)點的相移是互相獨立的。這里 表示節(jié)點i和k之間的距離，假設(shè)它是與相位 相互獨立的，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場假設(shè)。因為任何節(jié)點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)點位置的移動都會改變接收到的信號的相移。節(jié)點i在時隙m接收到的信號為 ()其中， 是節(jié)點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。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)點的吞吐量隨著節(jié)點密度的增大而減少。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)點的網(wǎng)絡(luò)容量的度量的上界與節(jié)點個數(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距離MIMO傳輸。這可以達到兩個目標：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。使用遠距離MIMO、我們可以達到高的空間復(fù)用增益。網(wǎng)絡(luò)被分成每個包含M個節(jié)點的簇。節(jié)點s首先將自己的比特發(fā)送給本簇里的其他M1個節(jié)點。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。目的端所在的簇構(gòu)成一個MIMO接收機。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。：建立發(fā)送協(xié)作在這個階段，每個節(jié)點獎信息發(fā)布給本簇的其他節(jié)點，源節(jié)點將自己的比特發(fā)送給本簇的鄰居節(jié)點。 階段1的描述。每個源將自己的比特分發(fā)給同簇的節(jié)點我們考慮一個具體的源節(jié)點。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)點依賴于目的和源的相對距離。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。如果源節(jié)點和它的目的節(jié)點在相鄰的簇，那么源所在的簇被分成兩部分，一部分離目的節(jié)點所在的簇較近，另一部分離目的節(jié)點所在的簇較遠。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)。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 這一階段采用了遠程MIMO傳輸， 所示。每個節(jié)點將階段1從源節(jié)點接收到的L個比特進行獨立編碼。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)點量化所接收到的信號并存儲，他們并沒有進行譯碼。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)點都完成這一步最多需要2nC次傳輸。 階段2的遠程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)點需要將自己的流量分散給同簇內(nèi)的其他節(jié)點，這個可以通過階段1中描述的方案實現(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，或者每C次觀察包含的M個節(jié)點。當(dāng)目的節(jié)點與源節(jié)點在同一個簇內(nèi)例外。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，CQ,這個例外情況可以被忽略，為了簡便，假設(shè)所有節(jié)點都具有MIMO觀察信號。 協(xié)議分析,它在證明中起到了基礎(chǔ)的作用?？紤]一個包含n個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò),它受到外部源節(jié)點的干擾,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)隨機過程,功率上界為 () . 對于某個常數(shù),其獨立于n,如果存在一個方案能夠以至少的概率達到總吞吐量 ()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(luò)達到一個更高的總吞吐量,為 (),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)點處的有限干擾,然后根據(jù)引理（），對某個,達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)生遠程MIMO傳輸。正是這一步使得該協(xié)議能夠達到高的容量度量。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)點協(xié)助接收所發(fā)送的信息。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。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)點有信息。在這種情況下，每個節(jié)點將信息編碼成2C個符號。因此，網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點需要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，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)點將自己在階段2接收到的觀察值發(fā)送給目的節(jié)點。網(wǎng)絡(luò)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。節(jié)點將每個符號量化成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。因為簇中的節(jié)點根據(jù)簇的大小調(diào)整它們的功率，來自其他激活簇的干擾受限于一個獨立于n的常數(shù)。因此，類似于階段1，應(yīng)用引理（）的限制條件都得到滿足。故為完成該階段所需要的信道利用數(shù)位?？紤]到9TDMA方