【正文】 夠檢測一個門限，則以很高的概率譯碼成功。 從上面分析可見，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優(yōu)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，這時源發(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 [2]。 選擇性譯碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼協(xié)議 固定中繼在傳輸速率上遭受著確定性的損失，例如，在兩個階段的傳輸中，頻譜效率存在 50%的損失。而且，固定 DF 中繼的性能受限于源到中繼及中繼到目的信道的較弱者，這就導(dǎo)致它能獲得的分集為 1。為了克服這些問題，可以研究選擇性譯碼中繼協(xié)議以提高有效性。 在選擇性 DF 中繼方案中，如果中繼接收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。選擇中繼提高了固定 DF 中繼的性能，因為中繼處可以設(shè)定門限以克服固定 DF 中繼內(nèi)在的問題，即，即使有些符號譯碼錯誤，中繼仍然將它們轉(zhuǎn)發(fā)給目的。 如果源到中繼鏈路的信噪比超過了門限，中繼成功解碼源信號的可能性很大。這種情況下，目的端最大比合并的信號的信噪比是從源和中繼接收到的信噪比之和。因此，選擇 DF 中繼的互信息為 （）2, ,2,1()()2{)sdsrSDFrdlbhhgI??????其中， 。2()1)Rg?? 選擇中繼的中斷概率推導(dǎo)如下。利用全概率公式，以中繼是否轉(zhuǎn)發(fā)源的信號為條件，我們得到25 / 4422, r,[][()]P[()]SDFSDFsrsPIRIhghg??????, r,srs???從式（）中，選擇 DF 中繼的中斷概率為 222, r,1[][()()]P[()]2SDFsdsrsPIRlbhRghg??????? + , r,(sdrsrsl??? 從上式中，源可以獲得的分集階數(shù)為 2，因為上面和式的第一項是兩個概率的乘積，每個可以提供的分集 1，第二項也是兩個各概率的乘積，而第一個可以提供分集 2。換句話說，選擇中繼可以提供分集 2 是因為為了使中斷事件發(fā)生，則要么源到目的及源到中繼的信道都中斷，要么源到目的及中繼到目的的聯(lián)合信道中斷。上式中所有的隨機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(dá)式可以寫成 （）??22,r 21P[] RsrdSDFdrIR??????????????: 這跟 AF 情況下的分集增益相同。這就意味著，在高信噪比下，選擇 DF 中繼和 AF 中繼具有相同的分集增益 [3]。 多中繼固定協(xié)議策略 多中繼固定譯碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議 考慮到有任意 N 個中繼的無線網(wǎng)絡(luò)，其中一個源要發(fā)送信息給一個目的節(jié)點。由于無線信道的廣播特性，一些中繼能夠監(jiān)聽到發(fā)送的信息，從而能夠協(xié)助源來發(fā)送數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)中任意兩個節(jié)點之間的鏈路建模為瑞利衰落窄帶信道，噪聲為加性高斯白噪聲。假設(shè)不同鏈路的信道衰落是統(tǒng)計獨立的。這個假設(shè)是合理的，因為中繼之間通常是分離的。所有接收端的加性噪聲建模為零均值且方差為 N0 的復(fù)高斯隨機變量。假設(shè)各中繼在正交信道上發(fā)送，因此沒有中繼間干擾。中繼間的協(xié)作可以有各種情況。一種普遍的協(xié)作場景是，將該場景表示為C(m),( ),每個中繼合并來自之前 m 個中繼的信號及來自源的信號。1m??26 / 44這些協(xié)作協(xié)議中最簡單的場景 C(m)如圖 所示，每個中繼將來自自己前面一個中繼的信號和來自源的信號合并。圖 描述了最復(fù)雜的情況，每個中繼將所有來自之前中繼的信號與來自源的信號合并。這個是最復(fù)雜的場景，應(yīng)當(dāng)在所有協(xié)作協(xié)議 中提供最好的性能，因為這種情況下每個中繼利用了所??1()NmC??有之前階段的信息。在所有考慮的協(xié)作場景中，目的相干合并源和所有中繼的信號。下面介紹一般化的協(xié)作策略 C(m),( )下的系統(tǒng)模型1mN??虛擬 （ N + 1 ） * 1 M I M O 系統(tǒng)SR1R2RkRk + 1RNd圖 協(xié)作場景的描述：第 k+1 個中繼合并來自源和第 k 個中繼的信號 [1](1)C對于一個一般化的方案 C(m),( )，每個中繼先合并接收到的源1mN??的信號和之前 m 個中繼的信號并譯碼。該協(xié)作協(xié)議有 (N+1)個階段。階段 1，源發(fā)送信息，目的和第 i 個中繼接收到的信號分別為 ， （）,0,sdsdsyPhxn??,0,1i iisrsrsryPhxnN???其中，P 0 是源的發(fā)射功率，x 是單位功率的發(fā)送符號，分別是源到目的與源到第 i 個中繼的信道衰22, , ,()()i isdsdrsrhCNCN??::落系數(shù)， 表示一個循環(huán)對稱復(fù)高斯隨機變量，均值為 且方差為 ，? ??表示加性高斯白噪聲（AWGN） 。階段 2，若第一個中繼譯碼正確，則,isdrn以功率 P1 向目的轉(zhuǎn)發(fā)譯碼后的符號，否則保持空閑。27 / 44虛擬 （ N + 1 ） * 1 M I M O 系統(tǒng)SR1R2RkRk + 1RNd圖 協(xié)作場景的描述 ：第 k+1 個中繼合并來自源和所有之前中繼的信號 [1](1)CN?一般來說，在階段 ,第 個中繼將來自源和之前 個中,2lN?l min{,1}l?繼的信號進(jìn)行最大比合并（MRC）,如下所示 1**0,max(,),lllrlsr irlirilyPhyPhy??????（）其中， ,是第 個中繼和第 個中繼之間的信號衰落系數(shù)。,ilrh2(,)ilrCN?:il式（）中， 表示第 個中繼接收到第 個中繼的信號，可以表示為 ,ilryi ,ilililrrryPhxn???（） 其中， 是第 個中繼在階段 +1 的發(fā)射功率，且中繼譯碼正確則 = ,Pi?i Pi?i否則 =0。第 個中繼將式（）中的 用作檢測統(tǒng)計量。若中繼 譯碼正il ,ilryl確則以功率 在階段 中發(fā)送，否則保持空閑。最后，在階段 ,目的l??1l? ??1N?28 / 44用 MRC 相干合并所有接受到的信號，如下所示： 1**0, ,max(,)iildsdrdilyPhyPhy??????（）為了其公平的比較，總發(fā)射功率固定為 。01Ni?? 多中繼放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議不同于譯碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議，放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議不會受錯誤傳播的影響，因為中繼沒有對收到的信號進(jìn)行硬判決。圖 給出了多節(jié)點放大轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)模型。下面，我們考慮兩個中繼策略，第一種情況下每個中繼只轉(zhuǎn)發(fā)源的信號給目的；第二種情況下每個中繼將源和前面中繼的信號合并并轉(zhuǎn)發(fā)給目的。正交信道階段 1階段 2源中繼 1 中繼 2 中繼 N目的圖 多節(jié)點放大轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)模型 [4] 首先考慮只轉(zhuǎn)發(fā)源信息的放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼策略，即每個中繼只轉(zhuǎn)發(fā)源的信號給目的，其中的協(xié)作分兩個階段來完成。階段 1，源廣播自己的信息給目的和N 各中繼。目的和第 i 個中繼，i=1,2,…,N，接收到的信號分別為 （）,0,sdsdsyPhxn?? （）,i iisrsrsr其中, 是源的發(fā)送功率； 分別表示目的和第 i 個中繼處的加性高0P,idn斯白噪聲； 分別是源到目的和源到第 i 個中繼的信道系數(shù)。每個中繼放,isdrh29 / 44大接收到的源信號并向目的轉(zhuǎn)發(fā)。 在階段 2，目的接收到的第 i 個中繼的信號為 （）00, ,2,ii iiiirdrdsrdsrPyhynN??其中 是第 個中繼的功率；信道系數(shù) 建模為零均值的復(fù)高斯iP,iisdrd隨機變量；方差分別為 ；信道在接收端已知而在發(fā)送端未知。22,iisdrd?噪聲項仍然是零均值且方差為 的復(fù)高斯隨機變量。合并階段 1 接收到的源的0N信號與階段 2 接收到的中繼信號，目的端可以應(yīng)用最大比合并檢測出發(fā)送符號。 多中繼混合轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議研究 為了優(yōu)化多中繼協(xié)作通信系統(tǒng)的性能，提出了一種多中繼混合轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作傳輸策略。該策略考慮多中繼協(xié)作通信系統(tǒng)中的譯碼轉(zhuǎn)發(fā)與放大轉(zhuǎn)發(fā)以及兩種轉(zhuǎn)發(fā)方式帶來的性能缺陷，根據(jù)協(xié)作中繼節(jié)點接收信號的譯碼結(jié)果選擇轉(zhuǎn)發(fā)方式，同時引入?yún)f(xié)作中繼節(jié)點之間數(shù)據(jù)來傳輸對系統(tǒng)性能的增益。對系統(tǒng)中斷概率性能進(jìn)行了推導(dǎo)與分析，結(jié)果表明，該策略在消除放大轉(zhuǎn)發(fā)策略噪聲積累的基礎(chǔ)上，能夠有效抑制協(xié)作中繼節(jié)點錯誤檢測譯碼轉(zhuǎn)發(fā)給系統(tǒng)帶來的不利影響，明顯提升系統(tǒng)性能；在大信噪比情況下，可獲得多中繼譯碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作通信系統(tǒng)的最佳性能。 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，可以有效地抵抗信道衰落的影響，獲取分集增益，提高系統(tǒng)的傳輸可靠性。 目前，提出許多協(xié)作傳輸協(xié)議，其中從協(xié)作中繼節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)方式上區(qū)分，主要有兩大類，即上文所研究的放大轉(zhuǎn)發(fā)和譯碼轉(zhuǎn)發(fā)，在此基礎(chǔ)上，對這兩類協(xié)作傳輸協(xié)議進(jìn)行優(yōu)化，提出了具有協(xié)作中繼節(jié)點選擇能力的協(xié)作傳輸協(xié)議，采用有效編碼技術(shù)（空時編碼、協(xié)作編碼等）的協(xié)作傳輸協(xié)議，以及增加有限反饋（增量中繼等）的協(xié)作傳輸協(xié)議。 針對多中繼協(xié)作通信系統(tǒng)，比較現(xiàn)有的協(xié)作傳輸協(xié)議，協(xié)作中繼節(jié)點單純30 / 44地采用 AF 方式，易于實現(xiàn)，并且最小化了系統(tǒng)的信令開銷及設(shè)計復(fù)雜度，但是協(xié)作中繼節(jié)點處的噪聲累積必然會降低系統(tǒng)性能；而單純采用 DF 方式，協(xié)作中繼節(jié)點錯誤檢測譯碼轉(zhuǎn)發(fā)，不僅不能獲得分集增益，反而會嚴(yán)重降低系統(tǒng)性能；而引入?yún)f(xié)作中繼節(jié)點選擇、有效編碼技術(shù)以及有限反饋的協(xié)作傳輸改進(jìn)策略，雖然可以改善系統(tǒng)性能，但是改進(jìn)策略的實施是以額外考慮同步機制、增加信令開銷和系統(tǒng)復(fù)雜度為代價的。 多中繼混合轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作傳輸技術(shù)考慮無線網(wǎng)絡(luò)中相隔兩跳的節(jié)點間的信息傳遞，其中源節(jié)點與目的節(jié)點間的數(shù)據(jù)傳遞由多個協(xié)作中繼節(jié)點協(xié)作完成，并且源節(jié)點與目的節(jié)點之間存在直達(dá)鏈路，如圖 所示。所有節(jié)點均工作在半雙工模式。目的節(jié)點通過源節(jié)點與協(xié)作中繼節(jié)點的協(xié)作傳輸獲取分集增益。假設(shè)所有鏈路，包括源節(jié)點到目的節(jié)點、源節(jié)點到中繼節(jié)點、中繼節(jié)點到目的節(jié)點以及中繼節(jié)點之間均為慢衰落信道。源節(jié)點 S 目的節(jié)點 DR1Rn中繼節(jié)點圖 多中繼協(xié)作通信系統(tǒng)模型 考慮最大限度簡化全局網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃及信令開銷，事先對每個均已分配特定時隙的協(xié)作中繼節(jié)點進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，即數(shù)據(jù)傳遞采用時分信道。在信息傳遞過程中，每個時隙僅有一個節(jié)點處于發(fā)射狀態(tài)，一次信息傳遞所用最大時隙數(shù)取決于協(xié)作中繼節(jié)點的個數(shù)。多中繼混合轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作傳輸策略如表 所列，第一個時隙，源節(jié)點將待發(fā)數(shù)據(jù)進(jìn)行廣播，所有協(xié)作中繼節(jié)點均進(jìn)行譯碼操作（均假設(shè)所有協(xié)作中繼節(jié)點可以實現(xiàn)檢測譯碼操作，例如可采用循環(huán)冗余碼校驗機制） ；隨后時隙，協(xié)作中31 / 44繼節(jié)點依次根據(jù)譯碼檢測的結(jié)果選擇轉(zhuǎn)發(fā)方式向目的節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)，即譯碼檢測錯誤時采用 AF 方式，反之采用 DF 方式。并且每個協(xié)作中繼節(jié)點在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的同時，其后轉(zhuǎn)發(fā)的所有協(xié)作中繼節(jié)點如果錯誤接收，均可利用其重新譯碼檢測（這里考慮協(xié)作中繼節(jié)點處多個獨立樣本的聯(lián)合檢測，即得到多個樣本的協(xié)作中繼節(jié)點均采用最大比合并的方式進(jìn)行聯(lián)合檢測） 。最后，在目的節(jié)點采用MRC 進(jìn)行聯(lián)合檢測，所有鏈路的信道狀態(tài)信息均假設(shè)收端已知。為提高無線通信系統(tǒng)資源的有效利用率，可以在目的節(jié)點引入自動重傳請求（ARQ ）機制，即在目的節(jié)點，根據(jù)信道狀態(tài)及實時性要求事先確定從某個時隙開始采用 ARQ 機制。如果正確接收，即刻釋放系統(tǒng)資源。表 多中繼混合轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作傳輸策略流程 時隙 節(jié)點 1 2 3 …… n+1s 發(fā)送 無操作 無操作 無操作 無操作R1 接收正確譯碼DF 傳輸/錯誤譯碼AF 傳輸無操作 無操作 無操作R2 接收正確譯碼無操作/錯誤譯碼時接收正確譯碼DF 傳輸/錯誤譯碼AF 傳輸無操作 無操作…… 接收正確譯碼無操作/錯誤譯碼時接收正確譯碼無操作/錯誤譯碼時接收正確譯碼DF 傳輸/錯誤譯碼AF 傳輸無操作Rn 接收正確譯碼無操作/錯誤譯碼時接收正確譯碼無操作/錯誤譯碼時接收正確譯碼無操作/錯誤譯碼時接收正確譯碼DF 傳輸/錯誤譯碼AF 傳輸D 接收 接收 接收 接收 接收32 / 44 性能分析及數(shù)值結(jié)果 中斷概率是衡量無線通信系統(tǒng)性能的重要度量指標(biāo)之一。當(dāng)滿足即時信道狀態(tài)支持的數(shù)據(jù)傳輸速率 C 小于某期望速率 C0 時，系統(tǒng)處于中斷狀態(tài)，中斷狀態(tài)出現(xiàn)的概率稱之為中斷概率 P{CC0}。為簡化分析過程，但又不失一般性，假設(shè)協(xié)作中繼節(jié)點群由兩個協(xié)作中繼節(jié)點組成。非協(xié)作模式下，直接傳輸信道模型由下式給出： （）,sdsdsyhxn??其中 和 分別為信道的輸入和輸出，衰落系數(shù) 服從均值為 0，方,sdx,sy ,sdh差為 的復(fù)高斯分布，目的節(jié)點可以獲得理想的信道狀態(tài)信息，受均值為2,?0，方差為 的加性高斯噪聲 的影響，即時接收信噪比 ，0N,sdn 2,0sdsbE