【導(dǎo)讀】無線通信技術(shù)在近二十年來獲得迅猛的進步。它的發(fā)展離不開眾多基礎(chǔ)技。術(shù)，如集成電路、能量存儲以及天線技術(shù)的發(fā)展。有巨大推動作用的是MIMO技術(shù)。該技術(shù)在接收端和發(fā)射端使用多根天線，從。并，提高了接收信號的質(zhì)量和數(shù)據(jù)傳送速率。產(chǎn)生的，它把MIMO通信技術(shù)推廣到更多的應(yīng)用場景中。很關(guān)鍵的方面就是對來自中繼的源節(jié)點的信息處理。不同的處理方案導(dǎo)致了不同。的協(xié)作通信協(xié)議。研究協(xié)作通信系統(tǒng)中中繼協(xié)議，使得系統(tǒng)的誤碼率降低，從而。使整個系統(tǒng)的吞吐量增大。DF中繼協(xié)議進行分析,了解系統(tǒng)的信噪比和最優(yōu)功率分配。第1-2周:查閱資料,整理讀書筆記。第3-6周：根據(jù)畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書的要求，了解設(shè)計內(nèi)容，獨立撰寫開題報告。第7-12周：開始寫論文，進行不斷的修改并完成。第12周：進行最后的定稿。第13周：準備論文答辯。

　　

【正文】 IPK? 1in?? () 常數(shù) iK 與 n 獨立 .我們有下面的結(jié)論 . 對于某個常數(shù) 1c ,其獨立于 n,如果存在一個方案能夠以至少 ? ?11 exp ??的概率達到總吞吐量 ? ? 1 , 0 1bT n K n b? ? ? () 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 ? ? 122 bT n K n ?? () 第二個方案失敗的概率上界為 ? ?2exp ? .然而 ,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 LM ? M 比特 ,對于源和目的處于相鄰的特殊情況 ,源需要 2M次會話來完成傳輸 .每個節(jié)點根據(jù)簇的大小調(diào)整自己的功率 : ? ? /2/McPA? .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)引理西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計論文 24 （ ） ， 對某個 1 0K? ,達到每次會話的總吞吐量 1 bKM 的所有條件都能滿足。這個總吞吐量能夠以高 于 ? ?11 exp cM??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 ? ?11 2 exp M??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 T會話 =b1LMKM= 1b1LMK ? () 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 121 111892 bbLLT M M MKK??? ? ? ? () 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 ,Pr /sdM? ，其中 ,sdr 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 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計論文 25 2T nC?? () 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 2M? QCM 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 ? ? 212/ bCQ K M ??？紤]到 9TDMA 方案，網(wǎng)絡(luò)中 n個節(jié)點為了完成階段 3 所需要的總信道利用數(shù)為 2118 bm CQTMK ?? () 使用 mT 個信道利用的概率大于 112 cMne?? 。 上面依賴于簇中節(jié)點的量化不會引入失真，盡管節(jié)點使用的是固定 Q 比特的 量化器。因為觀察其具有受限的功率，該功率不會隨著 M 去調(diào)整，因而實現(xiàn)不失真量化是有可能的，觀察值也能采用固定比特進行編碼。 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計論文 26 第四章 單中繼協(xié)作通信 本章考慮無線網(wǎng)絡(luò)中單中繼的協(xié)作通信。重點討論未編碼協(xié)作通信的誤符號率 （ SER）性能分析和最優(yōu)功率分配，中繼采用放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作協(xié)議或者選擇性譯碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作協(xié)議。 系統(tǒng)模型 源目 的中 繼,srh,rdh,sdh2P1P 圖 簡化協(xié)作模型 考慮一種無線網(wǎng)絡(luò)，例如移動自組織網(wǎng)絡(luò)、傳感器網(wǎng)絡(luò)或蜂窩網(wǎng)中的兩階段協(xié)作通信策略。在這兩個階段中，用戶通過 TDMA、 FDMA 或者 CDMA 的正交信道發(fā)射信號。本章我們主要考慮兩個用戶的協(xié)作方案。具體來說，用戶 1 在階段 1 向目的發(fā)送信息，用戶 2 也能監(jiān)聽到該信息。階段 2，用戶 2 幫助用戶 1 轉(zhuǎn)發(fā)信息。類似地，當(dāng)用戶 2 在階段 1 向目的發(fā)送自己的信息時，用戶 1 也能接收該信息并在階段 2 向用戶 2 的節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)。因為兩個用戶的對稱性，我們只考慮用戶 1 的性能。不是一般性，我們考慮如圖 所示的簡化模型，其中用戶 1 表示源，用戶 2 表示中繼 。 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計論文 27 階段 1，源向目的和中繼廣播自己的信息。目的和中繼接收到的信息分別 為,sdy ， ,sry ， 可以寫為 , 1 , ,s d s d s dy p h x n?? () , 1 , ,s r s r s ry p h x n?? () 其中 ， 1p 是源的發(fā)射功率， X 是發(fā)送的信息符號， ,srn ， ,sdn 是加性噪聲。式 () 和式 ()中， ,sdn ， ,srh 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 2,sd? 和 2,sr? 的復(fù)高斯隨機變量。噪聲 ,sdn 和 ,srn 被建模為零均值且方差為 0N 的復(fù)高斯隨機變量。 DF 協(xié)議 在階段 2，對于 DF 協(xié)議，如果中繼能夠譯碼正確，則以發(fā)射功率將譯碼符號轉(zhuǎn)發(fā)給目的端，否則中繼不發(fā)或保持空閑。此時目的端在階段 2 接收到的信號可以建模為 , 2 , ,r d r d r dy P h x ??? () 其中，若中繼譯碼正確則 21PP? ，否則 2 0P? 。式 ()中， ,rdh 是中繼到目的的信道系數(shù)，為零均值且方差為 2,rd? 的復(fù)高斯隨機變。噪聲 ,rd? 是零均值且方差為 0N 的復(fù)高斯隨機變量。注意，為了能夠理論計算 SER，我們假設(shè)中繼采用的是理想 DF 協(xié)作協(xié)議，即中繼能夠檢測是否譯碼成功。 實際中，我們在中繼處應(yīng)用一個 SNR 門限。如果中繼接收到的 SNR 高于那個門限，則以很高的概率譯碼成功。 AF 協(xié)議 對于 AF 協(xié)議，中繼在階段 2 將接收到的信號放大并以發(fā)射功率 2P 轉(zhuǎn)發(fā)給目西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計論文 28 的端。目的端在階段 2 接收到的信號為 2, , , ,21 , 0r d r d r d r dsrPy h yP h N ???? () 其中 , ,rdh 是中繼到目的的信道系數(shù) , ,rd? 是加性噪聲 假設(shè)噪聲項 ,sr rdnn是獨立的，則等效噪聲 39。,rdn 是零均值的復(fù)高斯隨機變量，方差為 22,021 , 01rdsrPh NP h N???????? () 在 DF 和 AF 協(xié)作協(xié)議中，假設(shè)接收端知道信道系數(shù) ,sdh ， ,srh 和 ,rdh 和 發(fā)射端位置。目的端將階段 1 接收到的來自源端的信號和階段 2 接收到的來自中繼的信號合并，并采用最大比合并 （ MRC） 來檢測發(fā)送符號。兩種協(xié)議中都有總功率為 12P P P?? () DF 協(xié)議的誤符號率分析 本節(jié)將考慮采用 DF 協(xié)作協(xié)議的通信系統(tǒng)的誤符號率 (SER)性能。首先，我們分別為采用 MPSK 和 MQAM 調(diào)制的系統(tǒng)引入 SER 的閉式表達式。然后，提供一個 SER 上界及近似解來解釋該系統(tǒng)的漸進行性能，其近似解在高 SNR 時很接近實際性能。最后，基于這個 SER 近似，我們能夠確定 DF 協(xié)作系統(tǒng)的最優(yōu)功率分配。 閉式 SER 分析 采用 MPSK 調(diào)制的 DF 協(xié)作系統(tǒng)的 SER 如下： 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計論文 29 221 , 1 ,112200221 , 2 ,1 220021,1 2011sin sin11sin sin11sinp s k s d p s k s rP S Kp s k s d p s k r dp s k s rb P b PP F Fb P b PFbPF??????????? ? ? ?? ? ?? ? ? ?? ? ? ???? ? ? ???? ? ? ?? ? ???? ? ? ?? ? ? ???? ? ? ???????? ? ?????????? () 采用 MQAM 調(diào)試的 DF 協(xié)作系統(tǒng)的 SER 為 221 , 1 ,2222002 21, 2,2 220021,2 2011si n si n112 si n 2 si n11si nQ AMQ AMQ A M s d Q A M s rQ A Msd Q A M r dsrb P b PP F FbP bPFbPF????? ?????? ? ? ?? ? ?? ? ? ?? ? ? ???? ? ? ???????? ? ?????????????????? ? ?????? () SER 上界及漸進近似 即使式 ()和（ ） 中的 SER 閉式表達能夠通過數(shù)值計算有效地計算出來，也是很復(fù)雜的，而且也很難對系統(tǒng)性能進行深入考察。下面就引入一個 SER 上界和近似解，它們能有效地展示 DF 協(xié)作方案的漸進性能。 定理 采用 MPSK 或者 MQAM 調(diào)制的 DF 協(xié)作系統(tǒng)的 SER 上界為 ? ? 2021S MNP M??? ? ? ? ?? ?? ?? ?221 , 2 , 02 2 20 1 , 0 1 , 0 2 ,1 2 1s r r ds d s r r dM b P M b P M NN b P N b P N b P??? ? ?? ? ? ?? ? ? () 其中，對 MPSK 信號， PSKbb? ,對于 MQAM 信號 /2QAMbb? 。 定理 若已知所有信道鏈路 ,sdh ， ,srh 和 ,rdh ，即 2, 0sd? ? ， 2, 0sr? ? 和2, 0rd? ? ，則當(dāng) 10/PN和 20/PN趨于無窮大的時候，采用 MPSK 或者 MQAM 調(diào)制的系統(tǒng)的 SER 可以近似為 2 202 2 2 21 , 1 , 2 ,1Ss d s r r dN ABP b P P P? ? ????????? () 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計論文 30 最優(yōu)功率分配 定理 在采用 MPSK 或者 MQAM 調(diào)制的 DF 協(xié)作系統(tǒng)中，若所有的信道鏈路 ,sdh ， ,srh 和 ,rdh 已知 ， 2, 0sd? ? ， 2, 0sr? ? 和 2, 0rd? ?