【導(dǎo)讀】無(wú)線通信技術(shù)在近二十年來(lái)獲得迅猛的進(jìn)步。它的發(fā)展離不開(kāi)眾多基礎(chǔ)技。術(shù)，如集成電路、能量存儲(chǔ)以及天線技術(shù)的發(fā)展。有巨大推動(dòng)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(hào)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(chǎng)景中。很關(guān)鍵的方面就是對(duì)來(lái)自中繼的源節(jié)點(diǎn)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(gè)系統(tǒng)的吞吐量增大。DF中繼協(xié)議進(jìn)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(shū)筆記。第3-6周：根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)的要求，了解設(shè)計(jì)內(nèi)容，獨(dú)立撰寫(xiě)開(kāi)題報(bào)告。第7-12周：開(kāi)始寫(xiě)論文，進(jìn)行不斷的修改并完成。第12周：進(jìn)行最后的定稿。第13周：準(zhǔn)備論文答辯。

　　

【正文】 IPK? 1in?? () 常數(shù) iK 與 n 獨(dú)立 .我們有下面的結(jié)論 . 對(duì)于某個(gè)常數(shù) 1c ,其獨(dú)立于 n,如果存在一個(gè)方案能夠以至少 ? ?11 exp ??的概率達(dá)到總吞吐量 ? ? 1 , 0 1bT n K n b? ? ? () 且每個(gè)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(gè)更高的總吞吐量 ,為 ? ? 122 bT n K n ?? () 第二個(gè)方案失敗的概率上界為 ? ?2exp ? .然而 ,每個(gè)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(gè)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 LM ? M 比特 ,對(duì)于源和目的處于相鄰的特殊情況 ,源需要 2M次會(huì)話來(lái)完成傳輸 .每個(gè)節(jié)點(diǎn)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(gè)節(jié)點(diǎn)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(jì)論文 24 （ ） ， 對(duì)某個(gè) 1 0K? ,達(dá)到每次會(huì)話的總吞吐量 1 bKM 的所有條件都能滿足。這個(gè)總吞吐量能夠以高 于 ? ?11 exp cM??的概率達(dá)到。因?yàn)槊總€(gè)簇和 n/M 簇最多有2M 次會(huì)話，通過(guò)一致界，這個(gè)吞吐量能以 ? ?11 2 exp M??的概率達(dá)到。 在這樣的總吞吐量下，每次會(huì)話所需要的最多信道利用數(shù)位 T會(huì)話 =b1LMKM= 1b1LMK ? () 因?yàn)槲覀冏疃嘤?2M 次會(huì)話，考慮到 9TDMA 方案，完成具有 n 個(gè)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 121 111892 bbLLT M M MKK??? ? ? ? () 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?yàn)椴捎昧?MIMO 傳輸，所以，吞吐量與最小發(fā)射和接收天線個(gè)數(shù)呈線性關(guān)系。 在階段 1，每個(gè)源的信息向目的端發(fā)送的時(shí)候其他源都是靜止的。因?yàn)檫@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(shí)候，其所在簇內(nèi)的其他節(jié)點(diǎn)會(huì)通過(guò)發(fā)送前一階段接收到的源的信息來(lái)協(xié)助源的發(fā)送。這就在源簇構(gòu)成了一個(gè)虛擬的 M 維天線陣。 同時(shí)，目的簇的所有 M 個(gè)節(jié)點(diǎn)協(xié)助接收所發(fā)送的信息。每個(gè)節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)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(gè)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(gè)符號(hào)。這個(gè)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(diǎn)有信息。在這種情況下，每個(gè)節(jié)點(diǎn)將信息編碼成 2C 個(gè)符號(hào)。因此，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)需要 C或者 2C 個(gè)信道利用來(lái)發(fā)送信息。因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)中有 n 個(gè)節(jié)點(diǎn)，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(jì)論文 25 2T nC?? () 階段 3 的分析 該階段，每個(gè)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(gè)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生 C 個(gè)符號(hào)，要么是 M/2 個(gè)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生 2C 個(gè)符號(hào)，這取決于源和目的是否屬于相鄰的簇。節(jié)點(diǎn)將每個(gè)符號(hào)量化成 Q 比特。因此，最后最多會(huì)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(gè)激活的簇之間至少要有 2 個(gè)空閑的簇。因?yàn)榇刂械墓?jié)點(diǎn)根據(jù)簇的大小調(diào)整它們的功率，來(lái)自其他激活簇的干擾受限于一個(gè)獨(dú)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 ?。考慮到 9TDMA 方案，網(wǎng)絡(luò)中 n個(gè)節(jié)點(diǎn)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(gè)信道利用的概率大于 112 cMne?? 。 上面依賴于簇中節(jié)點(diǎn)的量化不會(huì)引入失真，盡管節(jié)點(diǎn)使用的是固定 Q 比特的 量化器。因?yàn)橛^察其具有受限的功率，該功率不會(huì)隨著 M 去調(diào)整，因而實(shí)現(xiàn)不失真量化是有可能的，觀察值也能采用固定比特進(jìn)行編碼。 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 26 第四章 單中繼協(xié)作通信 本章考慮無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中單中繼的協(xié)作通信。重點(diǎn)討論未編碼協(xié)作通信的誤符號(hào)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(jiǎn)化協(xié)作模型 考慮一種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，例如移動(dòng)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(gè)階段中，用戶通過(guò) TDMA、 FDMA 或者 CDMA 的正交信道發(fā)射信號(hào)。本章我們主要考慮兩個(gè)用戶的協(xié)作方案。具體來(lái)說(shuō)，用戶 1 在階段 1 向目的發(fā)送信息，用戶 2 也能監(jiān)聽(tīng)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(shí)，用戶 1 也能接收該信息并在階段 2 向用戶 2 的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)。因?yàn)閮蓚€(gè)用戶的對(duì)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(jiǎn)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(jì)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(xiě)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(hào)， ,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(jī)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(jī)變量。 DF 協(xié)議 在階段 2，對(duì)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(hào)轉(zhuǎn)發(fā)給目的端，否則中繼不發(fā)或保持空閑。此時(shí)目的端在階段 2 接收到的信號(hào)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(jī)變。噪聲 ,rd? 是零均值且方差為 0N 的復(fù)高斯隨機(jī)變量。注意，為了能夠理論計(jì)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(cè)是否譯碼成功。 實(shí)際中，我們?cè)谥欣^處應(yīng)用一個(gè) SNR 門(mén)限。如果中繼接收到的 SNR 高于那個(gè)門(mén)限，則以很高的概率譯碼成功。 AF 協(xié)議 對(duì)于 AF 協(xié)議，中繼在階段 2 將接收到的信號(hào)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(jì)論文 28 的端。目的端在階段 2 接收到的信號(hào)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(xiàng) ,sr rdnn是獨(dú)立的，則等效噪聲 39。,rdn 是零均值的復(fù)高斯隨機(jī)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(lái)自源端的信號(hào)和階段 2 接收到的來(lái)自中繼的信號(hào)合并，并采用最大比合并 （ MRC） 來(lái)檢測(cè)發(fā)送符號(hào)。兩種協(xié)議中都有總功率為 12P P P?? () DF 協(xié)議的誤符號(hào)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(hào)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(dá)式。然后，提供一個(gè) SER 上界及近似解來(lái)解釋該系統(tǒng)的漸進(jìn)行性能，其近似解在高 SNR 時(shí)很接近實(shí)際性能。最后，基于這個(gè) 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(jì)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(jìn)近似 即使式 ()和（ ） 中的 SER 閉式表達(dá)能夠通過(guò)數(shù)值計(jì)算有效地計(jì)算出來(lái)，也是很復(fù)雜的，而且也很難對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行深入考察。下面就引入一個(gè) SER 上界和近似解，它們能有效地展示 DF 協(xié)作方案的漸進(jìn)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(duì) MPSK 信號(hào)， PSKbb? ,對(duì)于 MQAM 信號(hào) /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(wú)窮大的時(shí)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(jì)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? ?