【導(dǎo)讀】協(xié)作通信技術(shù)則充分利用了無線電波的全向傳播特性，使無線網(wǎng)絡(luò)中的。定了協(xié)作是否能夠帶來性能增益。文章簡要概述了協(xié)作通信的相關(guān)技術(shù)，依據(jù)不。法進(jìn)行分析和比較。能更好地優(yōu)化協(xié)同通信的性能。

　　

【正文】 1 繼續(xù)比較時 ： 中繼節(jié)點排序 1+3T ? 1+T? 1+2T ? 1 2 3 分時傳送 26 協(xié)作通信的中繼選擇算法研究 23 21 3 1 = 2 +( t t )TT ? (313) 所得差值結(jié)果與 2? 相比較 ： 21232 2 3 TT??????， 說 明 節(jié) 點 1 的 延 遲 時 間 小 ， 留 下 繼 續(xù) 比 較， 說 明 節(jié) 點 的 延 遲 時 間 小 ， 留 下 繼 續(xù) 比 較 (314) 留下節(jié)點 2 繼續(xù)比較時 ： 23 22 3 2 = +(t t )TT ? (315) 所得差值結(jié)果與 ? 相比較 ： 2223 TT??????， 說 明 節(jié) 點 2 的 延 遲 時 間 小 ， 留 下 繼 續(xù) 比 較， 說 明 節(jié) 點 3 的 延 遲 時 間 小 ， 留 下 繼 續(xù) 比 較 (316) 以此類推 ， 用所留值繼續(xù)與后面的接收時刻時間做比較 ， 直到找到最小延遲時間的中繼節(jié)點。 由以上推導(dǎo)可歸納為 ： 22 = ( ) + (t t )p q p qT T p q ? (317) 所得差值結(jié)果與 (pq)δ 相比較 ： 2q2p( p q ) δ qT ( p q ) δ pT??????， 說 明 節(jié) 點 的 延 遲 時 間 小 ， 留 下 繼 續(xù) 比 較， 說 明 節(jié) 點 的 延 遲 時 間 小 ， 留 下 繼 續(xù) 比 較 (318) 依次比較完畢后 ， 選出延遲時間最小的節(jié)點 0n ， 目的節(jié)點將選擇的結(jié)果反饋給源節(jié)點，以此延遲時間的節(jié)點 0n 作為最佳協(xié)作伙伴 ,進(jìn)行協(xié)作傳輸。 考慮用戶公平性的中繼選擇 之前的中繼選擇技術(shù)都默認(rèn)用戶是無私的，即一旦某個用戶被選作為另一個用戶的協(xié)作中繼，那么該用戶一定愿意幫助對方。然而在實際的系統(tǒng)中，用戶都是自私的，尤其是對于能 量 有限的終端，如手機(jī)。這些用戶都是自私的，如果在協(xié)作中它們不能獲得任何好處，那么它們是不會拿出自己有限的資源來為別人服務(wù)的。因此在符合實際情況的中繼選擇技術(shù)中，是必須要考慮中繼用戶的自私性，通過設(shè)定各種激勵措施來鼓勵用戶積極參與 協(xié)作。 在文獻(xiàn) [20]中，作者提出了一種趨向公平性的新策略。每個用戶的 MAC層上均有一個計數(shù)器，用于記錄用戶幫助別人和被別人幫助的情況。當(dāng)用戶幫助別人發(fā)送一幀數(shù)據(jù)時，其值加 1；當(dāng)別人幫助用戶發(fā)送一幀時，計數(shù)器數(shù)值減 1；用戶的計數(shù)器值只有大于 0時才能獲取別人的幫助，當(dāng)其值為負(fù)時，不能尋求其他用戶 第三章中繼選擇技術(shù)研究 27 的幫助。該策略確實使網(wǎng)絡(luò)趨向了公平，因為計數(shù)器的使用排除了利己主義，從而保證了整個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的公平性。但是整個策略需要對現(xiàn)有的協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)，因為需要在 MAC層為每一個用戶設(shè)定一個計數(shù)器，且要實時管理這個計數(shù)器。這一點使得該策略在應(yīng)用方面沒有很大的吸引力。 陳實等人 [21]指出，在協(xié)作過程中，并不是所有用戶都能從協(xié)作中獲益。 Laneman的研究表明，只有當(dāng)協(xié)作中繼在有效區(qū)域內(nèi)，協(xié)作才會優(yōu)于直接傳輸。因此，若有協(xié)作中繼落在協(xié)作區(qū)域之外，那么它的性能甚至比直接傳輸還要差。這樣，理性的用戶會退出合作。另外，由于用戶在合作中所處的地位相同，它們有理由要求其性能相對于直傳所獲得的性能改善盡可能公平。因此，在文中作者提出了四種考慮了各種不同公平性的效用函數(shù)：最小中斷概率策略 （ MOP），它是為降低整個網(wǎng)絡(luò)的平均中斷概率；修正最小中斷概率（ MMOP），它是為修正 MOP策略忽略了單個用戶的利益而改進(jìn)的，目標(biāo)是在確保每個用戶的中斷概率性能不比直接傳輸還要差的前提下，使得整個網(wǎng)絡(luò)的平均中斷概率最小；最大最小公平策略（ MMF） ，它的目標(biāo)是使中斷概率改善量最小的用戶的改善量盡可能大；納什談判解策略 （ NBS） ，它 同時兼顧了效率和公平兩個方面，在效率和公平之間取得了很好的折衷。 本章小結(jié) 本章簡要介紹了協(xié)作通信的優(yōu)點、系統(tǒng)模型，并依據(jù)于不同分類標(biāo)準(zhǔn)對現(xiàn)有的中繼選擇算法進(jìn)行了研究介紹。協(xié) 作中繼選擇， 按中繼個數(shù)來分，分為單中繼選擇與多中繼選擇；按中繼選擇所依據(jù)的信息來分，分為基于平均信道信息與基于瞬時信道信息的中繼選擇；按 中繼選擇的實現(xiàn)方式來分，可以分為集中式中繼選擇與分布式中繼選擇。 著重介紹了幾種典型的中繼選擇算法，尤其是機(jī)會中繼選擇算法及其改進(jìn)方案，是第四章仿真的基礎(chǔ)。最后借助于兩篇已有論文針對協(xié)作通信中的公平性問題加以分析介紹。 第四章仿真結(jié)果及分析 29 第四章 仿真結(jié)果及分析 本章首先對協(xié)作中繼轉(zhuǎn)發(fā)策略 AF、 DF 進(jìn)行誤碼率的仿真對比。然后對上一章分析總結(jié)的機(jī)會中繼選擇算法進(jìn)行 Matlab 仿真，并從頻譜利用率方面對隨機(jī)中繼選擇算法、機(jī)會中繼選擇算法和直接傳輸不進(jìn)行協(xié)作時進(jìn)行了對比分析。仿真結(jié)果表明，機(jī)會中繼可以顯著的提高系統(tǒng)的頻譜利用率， 在 不需要使用復(fù)雜的空時編碼技術(shù) 時，就能獲得與傳統(tǒng)分集技術(shù)相同的分集增益。 中繼轉(zhuǎn)發(fā)策略 AF、 DF 仿真 仿真參數(shù)設(shè)定 調(diào)制方式： QPSK 調(diào)制； 發(fā)送功率：歸一化為 1，即非協(xié)作時功率為 1，協(xié)作時功率為； 信道：瑞麗衰落信道； 比特數(shù)： 20xx0bits； 合并方式：最大接 收 比（ MRC）合并 。 仿真結(jié)果分析 圖 和圖 分別是源與中繼節(jié)點間信道狀態(tài)較好、假定 DF 解碼正確的情況下的非協(xié)作系統(tǒng)與 AF、 DF 的實際誤碼率曲線和理論誤碼率曲線圖，從圖中可以看到，采用 AF 中繼和 DF 中繼的協(xié)作通信系統(tǒng)，其誤碼率明顯低于非協(xié)作系統(tǒng)。并且，在一定范圍內(nèi)，隨著信噪比的提升，協(xié)作中繼對系統(tǒng)性能的提升越明顯，但是，當(dāng)信噪比達(dá)到一定程度后，這種優(yōu)勢將不復(fù)存在。 同時可以看出， DF 中繼能要優(yōu)于 AF 中繼。這是由于 AF 將噪 聲也同樣放大轉(zhuǎn)發(fā)，而 DF 中繼通過譯碼、校驗等數(shù)字處理，避免了噪聲對下一鏈路的影響。 然而，這并非意味著在系統(tǒng)中采用 DF 中繼一定會比 AF 中繼更佳。這主要由于：一方面， DF 是數(shù)字處理，設(shè)備復(fù)雜度較高，不適合應(yīng)用于低成本設(shè)備；另一方面，若要獲得良好的性能， DF 需要相應(yīng)的校驗信息，這在一定程度上降低了數(shù)據(jù)的傳輸速率；此外，當(dāng)信噪比較低時，中繼節(jié)點譯碼錯誤的可能性增加，從而協(xié)作失敗，或是“錯上加錯”的編碼重傳，導(dǎo)致系統(tǒng)的性能急劇惡化，誤碼率甚30 協(xié)作通信的中繼選擇算法研究 至可能會高于非協(xié)作系統(tǒng)。仿真中，假設(shè) DF 中繼完全解碼正確，從而獲得較好的性能。 圖 非協(xié)作系統(tǒng)與 AF、 DF（解碼正確）的實際誤碼率曲線 圖 非協(xié)作系統(tǒng)與 AF、 DF（解碼正確）的理論誤碼率曲線 第四章仿真結(jié)果及分析 31 機(jī)會中繼選擇算法仿真 仿真參數(shù)設(shè)定 仿真系統(tǒng)設(shè)定為一個微蜂窩小區(qū)，基站 BS 位于小區(qū)中心，且每個小區(qū)有 20個空閑用戶隨機(jī)地散布在小區(qū)的覆蓋范圍內(nèi)。 待入網(wǎng)用戶有可能出現(xiàn)在 7 個覆蓋小區(qū)范圍內(nèi)的任何位置處，且用戶之間的位置是相互獨立的。路徑損耗的計算公式為 L 1 0P = 3 4 .5 3 + 3 8 log d?，其中 d 為收發(fā)天線之間的距離，單位是米。陰影衰落為服從均值為零標(biāo)準(zhǔn)差為 10dB 的對數(shù)陰影衰落的隨機(jī)變量 [22]。相互獨立的信道樣本數(shù)為 1000 個。 仿真結(jié)果分析 在仿真中，將非協(xié)作系統(tǒng)和隨機(jī)選擇算法以及機(jī)會中繼算法進(jìn)行了比較。機(jī)會中繼算法中計算信道度量參數(shù)時采用最大最小原則，即 (}){ s,r r,dm ax m in h ,h。從圖 可以看出，與非協(xié)作系統(tǒng)和隨機(jī)中繼選擇相比，機(jī)會中繼選擇算法以較低的復(fù)雜度換取了良好的頻譜利用率，算法簡單實用，在不需要使用復(fù)雜的空時編碼技術(shù)時，就能獲得與傳統(tǒng)分集技術(shù)相同的分集增益。 圖 機(jī)會中繼選擇、隨機(jī)中繼選擇、非協(xié)作系統(tǒng)頻譜利用率比較 32 協(xié)作通信的中繼選擇算法研究 本章小結(jié) 本章用 Matlab 軟件首先對第二章中重點介紹的協(xié)作中級轉(zhuǎn)發(fā)策略 AF 和 DF技術(shù)進(jìn)行了誤碼率的仿真，并且對仿真結(jié)果做了進(jìn)一步分析，然后對第三章著重分析的機(jī)會中繼選擇算法進(jìn)行了仿真，并將其與隨機(jī)中繼選擇和非協(xié)作系統(tǒng)在頻譜利用率方面進(jìn)行了對比。 DF 協(xié)作中級轉(zhuǎn)發(fā)策略在中繼節(jié)點能夠正確譯碼的情況下比 AF 具有更好的誤碼率性能，但是其代價是設(shè)備復(fù)雜度較高，不適用于低成本設(shè)備。而且在信噪比較低時，有可能因為中繼的錯誤譯碼導(dǎo)致接 收 端接 收 到錯誤的信號 ， 使得系統(tǒng) 性能 急劇 下降。機(jī)會中繼選擇算法，相比于隨機(jī)中繼選擇和非協(xié)作系統(tǒng)，具有良好的頻 譜利用率，這 在當(dāng)今頻譜資源短缺的情況下，是十分重要的。 第五章總結(jié)與展望 33 第五章 總結(jié)與展望 總結(jié) 在協(xié)作無線通信中，主要考慮移動蜂窩網(wǎng)或 Adhoc 網(wǎng)，將移動臺統(tǒng)稱為用戶，通過協(xié)作可以明顯改善比特差錯率、塊差錯率甚至中斷概率等用戶業(yè)務(wù)質(zhì)量問題。在協(xié)作通信系統(tǒng)中，每個用戶既要發(fā)送自己的數(shù)據(jù)，同時也要作為其他用戶的協(xié)作代理。很明顯，協(xié)作機(jī)制將導(dǎo)致碼速率和發(fā)射功率的折衷。就功率而言，一方面，在進(jìn)行協(xié)作通信時，由于每個用戶既要發(fā)射自身數(shù)據(jù)，又要中繼其他用戶數(shù)據(jù)，所以需要更高功率；另一方面，由于產(chǎn)生了分集增益，每個用戶基本發(fā)射功率可以適當(dāng)減小。速率也存在同樣問題，在協(xié)作通信時，雖然每個用戶既要發(fā)送自身數(shù)據(jù)，又要中繼其他伙伴數(shù)據(jù)，但由于產(chǎn)生了協(xié)作分集，每個用戶的頻 譜效率都得到改善，信道碼速率由此得以提高。這也形成了一個折衷。有人把協(xié)作通信看作功率和帶寬的聯(lián)合博弈。協(xié)作的前提是對用戶功率和帶寬采取某種分配策略改善系統(tǒng)性能。在資源協(xié)作分配中，每個用戶都為其他多個用戶發(fā)送數(shù)據(jù)?，F(xiàn)將本文的主要工作總結(jié)如下： （ 1）綜述了協(xié)作通信中的中繼節(jié)點選擇策略，并對協(xié)作通信 、 協(xié)作分集的相關(guān)概念進(jìn)行了闡述分析總結(jié)。 （ 2）分析介紹了協(xié)作通信的系統(tǒng)模型，并對協(xié)作通信的傳輸過程和協(xié)作通信的中級轉(zhuǎn)發(fā)策略作了詳細(xì)介紹和對比。 （ 3）根據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)介紹了協(xié)作通信的中繼選擇算法的不同類型，并著重 介紹了機(jī)會中繼選擇算法及其改進(jìn)、貪婪算法和基于時延的伙伴選擇算法。 （ 4）概述了中繼選擇的公平性問題，在實際的系統(tǒng)中，用戶都是自私的，尤其是對于能量有限的終端，如手機(jī)。這些用戶都是自私的，如果在協(xié)作中它們不能獲得任何好處，那么它們是不會拿出自己有限的資源來為別人服務(wù)的。而之前的中繼選擇算法都沒有考慮到這一點。 34 協(xié)作通信的中繼選擇算法研究 展望 無線移動通信是當(dāng)今通信領(lǐng)域中最活躍和發(fā)展最為迅速的科研領(lǐng)域之一。近幾年來，無線通信技術(shù)的發(fā)展速度已經(jīng)超過了有線通信技術(shù)，呈現(xiàn)出如火如荼的發(fā)展態(tài)勢。諸如家庭、辦公室以及公共場所等多種環(huán)境當(dāng)中 ，與無線通信相關(guān)的新技術(shù)、新設(shè)備以及新業(yè)務(wù)也一個接一個地接踵而至，這種場景使我們期待的無處不在、無時不在的泛在通信網(wǎng)絡(luò)將在不久的將來成為現(xiàn)實。 分集技術(shù)是通過有效的傳輸和處理同一信號各不相關(guān)的傳輸副本，達(dá)到補(bǔ)償衰落損耗的目的。近幾年來，空間分集成為研究熱點。因為無線通信中，空間略有變動就可能出現(xiàn)較大的場強(qiáng)變化。當(dāng)使用多個傳輸信道時，它們受到的衰落影響是互相獨立或者相關(guān)性很小的，且多個信道在同一時刻處于深衰落的可能性極小。因此，如果能使用多個傳輸信道發(fā)送信息，在若干個支路上接收相關(guān)性很小的載有同一消息的信號， 然后對各個支路的信號做適當(dāng)?shù)暮喜⑻幚?，便可在接收端大大降低衰落的影響，改善傳輸?shù)目煽啃裕@就是空間分集的意義所在。空間分集是利用場強(qiáng)隨空間的隨機(jī)變化實現(xiàn)的，空間距離越大，多徑傳播的差異就越大，而接收場強(qiáng)的相關(guān)性就越小。 未來可能的研究方向有以下方面 : （ 1）在放大轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)中已知統(tǒng)計信道信息或者部分信道信息的條件下，進(jìn)一步考慮例如節(jié)點公平性，節(jié)點能量，網(wǎng)絡(luò)壽命等多方面條件的節(jié)點選擇。這樣的選擇算法更符合例如無線 Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的實用性。 （ 2）在基于網(wǎng)絡(luò)編碼的編碼協(xié)作網(wǎng)絡(luò)中，把兩個節(jié)點之間的協(xié)作擴(kuò)展到多個節(jié)點之間的協(xié)作。進(jìn)一步分析并討論多個節(jié)點之間的協(xié)作能否進(jìn)一步提升系統(tǒng)的性能。 （ 3）把網(wǎng)絡(luò)編碼和信道編碼相結(jié)合，同時應(yīng)用于編碼協(xié)作通信中。這樣能夠同時利用網(wǎng)絡(luò)編碼提升容量的特性和信道編碼的糾錯特性。 （ 4）現(xiàn)有的中繼選擇算法大多只是用戶端和基站端的單端中繼，協(xié)作傳輸?shù)哪Ｐ蛢H僅是單點 —多用戶或者多點 —單用戶。從未考慮到用戶端和基站端的同時協(xié)作，即多點 —多用戶協(xié)作。 在未來的研究中，我們可以從基站端和用戶端同時協(xié)作入手，以多點 —多用戶協(xié)作為基礎(chǔ)提出一 些新穎的伙伴選擇算法，使得系統(tǒng)的性能相比于非協(xié)作系統(tǒng)有更大的提升和改善。 致謝 35 致謝 xxx 參考文獻(xiàn) 37 參考文獻(xiàn) [1] 沈嘉等 . 3GPP 長期演進(jìn)（ LTE）技術(shù)原理與系統(tǒng)演進(jìn) . 北京：人民郵電出版社 . 20xx. [2] E. Van der Muelen, “Threeterminal munication channels” . Prob., vol. 3, pp. 120154, 1971. [3] Thomas M. Cover, Abbas A. El Gamal, Capacity theorems for the Relay Channel, IEEE Trans.