【正文】 夠檢測(cè)一個(gè)門(mén)限，則以很高的概率譯碼成功。 從上面分析可見(jiàn)，固定中繼具有易于實(shí)施的優(yōu)勢(shì)，但是也存在頻譜效率低的優(yōu)勢(shì)。這是因?yàn)橛幸话氲男诺蕾Y源分配給中繼進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，這就降低了整個(gè)信道的速率。特別是當(dāng)源到目的的信道并不是很差的時(shí)候，這時(shí)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 [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(gè)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(wèn)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(hào)的信噪比超過(guò)了某個(gè)門(mén)限值，則中繼解碼接收信號(hào)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(mén)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?yàn)橹欣^處可以設(shè)定門(mén)限以克服固定 DF 中繼內(nèi)在的問(wèn)題，即，即使有些符號(hào)譯碼錯(cuò)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(guò)了門(mén)限，中繼成功解碼源信號(hào)的可能性很大。這種情況下，目的端最大比合并的信號(hào)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(hào)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?yàn)樯厦婧褪降牡谝豁?xiàng)是兩個(gè)概率的乘積，每個(gè)可以提供的分集 1，第二項(xiàng)也是兩個(gè)各概率的乘積，而第一個(gè)可以提供分集 2。換句話說(shuō)，選擇中繼可以提供分集 2 是因?yàn)闉榱耸怪袛嗍录l(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(jī)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(jì)算很直接，高信噪比下中斷概率的表達(dá)式可以寫(xiě)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(gè)中繼的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，其中一個(gè)源要發(fā)送信息給一個(gè)目的節(jié)點(diǎn)。由于無(wú)線信道的廣播特性，一些中繼能夠監(jiān)聽(tīng)到發(fā)送的信息，從而能夠協(xié)助源來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)中任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)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(jì)獨(dú)立的。這個(gè)假設(shè)是合理的，因?yàn)橹欣^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(jī)變量。假設(shè)各中繼在正交信道上發(fā)送，因此沒(méi)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(chǎng)景是，將該場(chǎng)景表示為C(m),( ),每個(gè)中繼合并來(lái)自之前 m 個(gè)中繼的信號(hào)及來(lái)自源的信號(hào)。1m??26 / 44這些協(xié)作協(xié)議中最簡(jiǎn)單的場(chǎng)景 C(m)如圖 所示，每個(gè)中繼將來(lái)自自己前面一個(gè)中繼的信號(hào)和來(lái)自源的信號(hào)合并。圖 描述了最復(fù)雜的情況，每個(gè)中繼將所有來(lái)自之前中繼的信號(hào)與來(lái)自源的信號(hào)合并。這個(gè)是最復(fù)雜的場(chǎng)景，應(yīng)當(dāng)在所有協(xié)作協(xié)議 中提供最好的性能，因?yàn)檫@種情況下每個(gè)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(chǎng)景中，目的相干合并源和所有中繼的信號(hào)。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(chǎng)景的描述：第 k+1 個(gè)中繼合并來(lái)自源和第 k 個(gè)中繼的信號(hào) [1](1)C對(duì)于一個(gè)一般化的方案 C(m),( )，每個(gè)中繼先合并接收到的源1mN??的信號(hào)和之前 m 個(gè)中繼的信號(hào)并譯碼。該協(xié)作協(xié)議有 (N+1)個(gè)階段。階段 1，源發(fā)送信息，目的和第 i 個(gè)中繼接收到的信號(hào)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(hào)，分別是源到目的與源到第 i 個(gè)中繼的信道衰22, , ,()()i isdsdrsrhCNCN??::落系數(shù)， 表示一個(gè)循環(huán)對(duì)稱復(fù)高斯隨機(jī)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(gè)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(hào)，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(chǎng)景的描述 ：第 k+1 個(gè)中繼合并來(lái)自源和所有之前中繼的信號(hào) [1](1)CN?一般來(lái)說(shuō)，在階段 ,第 個(gè)中繼將來(lái)自源和之前 個(gè)中,2lN?l min{,1}l?繼的信號(hào)進(jìn)行最大比合并（MRC）,如下所示 1**0,max(,),lllrlsr irlirilyPhyPhy??????（）其中， ,是第 個(gè)中繼和第 個(gè)中繼之間的信號(hào)衰落系數(shù)。,ilrh2(,)ilrCN?:il式（）中， 表示第 個(gè)中繼接收到第 個(gè)中繼的信號(hào)，可以表示為 ,ilryi ,ilililrrryPhxn???（） 其中， 是第 個(gè)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(gè)中繼將式（）中的 用作檢測(cè)統(tǒng)計(jì)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(hào)，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(huì)受錯(cuò)誤傳播的影響，因?yàn)橹欣^沒(méi)有對(duì)收到的信號(hào)進(jìn)行硬判決。圖 給出了多節(jié)點(diǎn)放大轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)模型。下面，我們考慮兩個(gè)中繼策略，第一種情況下每個(gè)中繼只轉(zhuǎn)發(fā)源的信號(hào)給目的；第二種情況下每個(gè)中繼將源和前面中繼的信號(hào)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(diǎn)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(gè)中繼只轉(zhuǎn)發(fā)源的信號(hào)給目的，其中的協(xié)作分兩個(gè)階段來(lái)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(gè)中繼，i=1,2,…,N，接收到的信號(hào)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(gè)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(gè)中繼的信道系數(shù)。每個(gè)中繼放,isdrh29 / 44大接收到的源信號(hào)并向目的轉(zhuǎn)發(fā)。 在階段 2，目的接收到的第 i 個(gè)中繼的信號(hào)為 （）00, ,2,ii iiiirdrdsrdsrPyhynN??其中 是第 個(gè)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(jī)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(xiàng)仍然是零均值且方差為 的復(fù)高斯隨機(jī)變量。合并階段 1 接收到的源的0N信號(hào)與階段 2 接收到的中繼信號(hào)，目的端可以應(yīng)用最大比合并檢測(cè)出發(fā)送符號(hào)。 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(lái)的性能缺陷，根據(jù)協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)接收信號(hào)的譯碼結(jié)果選擇轉(zhuǎn)發(fā)方式，同時(shí)引入?yún)f(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)來(lái)傳輸對(duì)系統(tǒng)性能的增益。對(duì)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(diǎn)錯(cuò)誤檢測(cè)譯碼轉(zhuǎn)發(fā)給系統(tǒng)帶來(lái)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(wú)線通信系統(tǒng)利用協(xié)作傳輸技術(shù)，在接收節(jié)點(diǎn)通過(guò)合并來(lái)自多條獨(dú)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(diǎn)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(duì)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(diǎn)選擇能力的協(xié)作傳輸協(xié)議，采用有效編碼技術(shù)（空時(shí)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(duì)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(diǎn)單純30 / 44地采用 AF 方式，易于實(shí)現(xiàn)，并且最小化了系統(tǒng)的信令開(kāi)銷及設(shè)計(jì)復(fù)雜度，但是協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)處的噪聲累積必然會(huì)降低系統(tǒng)性能；而單純采用 DF 方式，協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)錯(cuò)誤檢測(cè)譯碼轉(zhuǎn)發(fā)，不僅不能獲得分集增益，反而會(huì)嚴(yán)重降低系統(tǒng)性能；而引入?yún)f(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)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(shí)施是以額外考慮同步機(jī)制、增加信令開(kāi)銷和系統(tǒng)復(fù)雜度為代價(jià)的。 多中繼混合轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作傳輸技術(shù)考慮無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中相隔兩跳的節(jié)點(diǎn)間的信息傳遞，其中源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳遞由多個(gè)協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)協(xié)作完成，并且源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)之間存在直達(dá)鏈路，如圖 所示。所有節(jié)點(diǎn)均工作在半雙工模式。目的節(jié)點(diǎn)通過(guò)源節(jié)點(diǎn)與協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)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(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)、源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)以及中繼節(jié)點(diǎn)之間均為慢衰落信道。源節(jié)點(diǎn) S 目的節(jié)點(diǎn) DR1Rn中繼節(jié)點(diǎn)圖 多中繼協(xié)作通信系統(tǒng)模型 考慮最大限度簡(jiǎn)化全局網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃及信令開(kāi)銷，事先對(duì)每個(gè)均已分配特定時(shí)隙的協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，即數(shù)據(jù)傳遞采用時(shí)分信道。在信息傳遞過(guò)程中，每個(gè)時(shí)隙僅有一個(gè)節(jié)點(diǎn)處于發(fā)射狀態(tài)，一次信息傳遞所用最大時(shí)隙數(shù)取決于協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)的個(gè)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(gè)時(shí)隙，源節(jié)點(diǎn)將待發(fā)數(shù)據(jù)進(jìn)行廣播，所有協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)均進(jìn)行譯碼操作（均假設(shè)所有協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)譯碼操作，例如可采用循環(huán)冗余碼校驗(yàn)機(jī)制） ；隨后時(shí)隙，協(xié)作中31 / 44繼節(jié)點(diǎn)依次根據(jù)譯碼檢測(cè)的結(jié)果選擇轉(zhuǎn)發(fā)方式向目的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)，即譯碼檢測(cè)錯(cuò)誤時(shí)采用 AF 方式，反之采用 DF 方式。并且每個(gè)協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的同時(shí)，其后轉(zhuǎn)發(fā)的所有協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)如果錯(cuò)誤接收，均可利用其重新譯碼檢測(cè)（這里考慮協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)處多個(gè)獨(dú)立樣本的聯(lián)合檢測(cè)，即得到多個(gè)樣本的協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)均采用最大比合并的方式進(jìn)行聯(lián)合檢測(cè)） 。最后，在目的節(jié)點(diǎn)采用MRC 進(jìn)行聯(lián)合檢測(cè)，所有鏈路的信道狀態(tài)信息均假設(shè)收端已知。為提高無(wú)線通信系統(tǒng)資源的有效利用率，可以在目的節(jié)點(diǎn)引入自動(dòng)重傳請(qǐng)求（ARQ ）機(jī)制，即在目的節(jié)點(diǎn)，根據(jù)信道狀態(tài)及實(shí)時(shí)性要求事先確定從某個(gè)時(shí)隙開(kāi)始采用 ARQ 機(jī)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(shí)隙 節(jié)點(diǎn) 1 2 3 …… n+1s 發(fā)送 無(wú)操作 無(wú)操作 無(wú)操作 無(wú)操作R1 接收正確譯碼DF 傳輸/錯(cuò)誤譯碼AF 傳輸無(wú)操作 無(wú)操作 無(wú)操作R2 接收正確譯碼無(wú)操作/錯(cuò)誤譯碼時(shí)接收正確譯碼DF 傳輸/錯(cuò)誤譯碼AF 傳輸無(wú)操作 無(wú)操作…… 接收正確譯碼無(wú)操作/錯(cuò)誤譯碼時(shí)接收正確譯碼無(wú)操作/錯(cuò)誤譯碼時(shí)接收正確譯碼DF 傳輸/錯(cuò)誤譯碼AF 傳輸無(wú)操作Rn 接收正確譯碼無(wú)操作/錯(cuò)誤譯碼時(shí)接收正確譯碼無(wú)操作/錯(cuò)誤譯碼時(shí)接收正確譯碼無(wú)操作/錯(cuò)誤譯碼時(shí)接收正確譯碼DF 傳輸/錯(cuò)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(wú)線通信系統(tǒng)性能的重要度量指標(biāo)之一。當(dāng)滿足即時(shí)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(shí)，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(jiǎn)化分析過(guò)程，但又不失一般性，假設(shè)協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)群由兩個(gè)協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(shí)接收信噪比 ，0N,sdn 2,0sdsbE