【正文】 第5章 總結(jié)與 展?？偟貋碚f，等功率分配不是最優(yōu)的。另一方面，從最優(yōu)功率分配不依賴于源到目的的信道而依賴于源到中繼及中繼到目的的這一角度來講，AF協(xié)作系統(tǒng)的最優(yōu)功率分配類似于DF協(xié)作系統(tǒng)的情況。這是因?yàn)樵贏F協(xié)作系統(tǒng)中，中繼放大接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)給目的端而不管接收到是何種信號(hào)。其等效于最小化為 （449）通過對(duì)求導(dǎo)，我們有 （450） 令上式的偏導(dǎo)數(shù)等于0，得到 （451）結(jié)合功率限制,可以解上面的等式并得到如下結(jié)果。 漸進(jìn)緊的近似解若所有的信道鏈路已知，及，則當(dāng)趨近無窮大時(shí),采用MPSK或MQAM調(diào)制的AF協(xié)議系統(tǒng)的SER可以很緊的近似為 （446）其中，當(dāng)MPSK調(diào)制時(shí)，且 （447） 當(dāng)MQAM調(diào)制時(shí)，且 （448） 基于式（446）中的緊的SER近似為AF協(xié)作系統(tǒng)的漸進(jìn)最優(yōu)的功率分配。假設(shè)分別是兩個(gè)獨(dú)立的參數(shù)為的指數(shù)隨機(jī)變量，即 （438） (439) 調(diào)和平均值的pdf為 （440）計(jì)算兩個(gè)獨(dú)立的指數(shù)隨機(jī)變量的調(diào)和平均值的MGF表示如下： （441）可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化為 （442）令為兩個(gè)獨(dú)立的指數(shù)隨機(jī)變量，參數(shù)分別為,則對(duì)任意的，的MGF為 （443）其中 進(jìn)一步，若趨于0，Z的MGF近似為 （444）可見（443）的閉式表達(dá)中沒有積分。假設(shè)是兩個(gè)獨(dú)立隨機(jī)變量，其pdf分別是 及。若我們將SNR近似為，則采用MPSK和MQAM調(diào)制AF協(xié)作系統(tǒng)的條件SER如下 （433） （434）其中， 對(duì)任意實(shí)數(shù)S，將一個(gè)隨機(jī)變量Z的矩生成函數(shù)（MGF）表示為 （435）通過推到的MGF可以簡(jiǎn)單給出為 (436) 本節(jié)，我們首先得到一個(gè)具有兩個(gè)獨(dú)立隨機(jī)變量的調(diào)和平均值的概念密度函數(shù)（pdf）的一般解。次中斷概率計(jì)算和一次從個(gè)值選取最大值的運(yùn)算. 利用MGF方法的SER分析 在AF協(xié)作系統(tǒng)中，中繼不僅放大了接收到的信號(hào)，同時(shí)也放大了噪聲。對(duì)于一個(gè)協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò),按照以下步驟選擇節(jié)點(diǎn)：對(duì)中繼節(jié)點(diǎn)按上面的公式 計(jì)算其最優(yōu)功率分配因子按式（6）計(jì)算其近似中斷概率選擇最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)將功率分配因子通知給源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)考慮到中繼可能移動(dòng), 可以以一定時(shí)間為周期重復(fù)（1）到（4）選擇最佳的中繼節(jié)點(diǎn)。本問題的最優(yōu)化目標(biāo)為 （424） 假設(shè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)的功率之和為進(jìn)一步假設(shè)在源節(jié)點(diǎn)分配因子為功率的,則源節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率為, 中繼節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率則最優(yōu)化問題轉(zhuǎn)換為 （425）在選定某個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)后,最優(yōu)功率分配因子為， 其它 （426)下面結(jié)合功率分配給出一種最優(yōu)的中繼選擇方法。 SAF系統(tǒng)模型對(duì)于SAF模型，其互信息量為 (422)吞吐率中斷概率可近似表達(dá)為 (423) 最優(yōu)中繼選擇協(xié)作通信方法在選定了中繼節(jié)點(diǎn)之后，可以通過在源節(jié)點(diǎn)與選擇的中繼節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行功率分配進(jìn)一步提高性能。在第二個(gè)時(shí)隙中只有中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)收到的信號(hào)。 表示的是第個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的信道的加性高斯白噪聲, 服從零均值、方差為的復(fù)高斯分布，假設(shè)同時(shí)定義 對(duì)于AAF模型, 其互信息量為 (419)式中， (420)吞吐率中斷概率可近似表達(dá)為 (421)式中，R為信息速率。是第個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率。在隨后的個(gè)時(shí)隙中, 每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)分別轉(zhuǎn)發(fā)自己在第一個(gè)時(shí)隙收到的信號(hào), 如圖1（a）所示。 分別表示源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)和第個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)之間的信道, 分別服從零均值、方差的復(fù)高斯分布。 分別為目的節(jié)點(diǎn)和第個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)收到的信號(hào)。首先考慮傳統(tǒng)的AAF協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)模型。放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)模型如圖所示，假設(shè)系統(tǒng)中存在一個(gè)源節(jié)點(diǎn)一個(gè)目的節(jié)點(diǎn)和個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)每個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸一次需要一個(gè)時(shí)隙。 中繼選擇協(xié)作通信方法研究 系統(tǒng)模型階段1，源發(fā)送信息到目的，同時(shí)，中繼也接收到源發(fā)送的信息。因此，為 (49)通過假設(shè)式（41）發(fā)送的符號(hào)X的平均能量為1，MRC輸出的瞬時(shí)信噪比為 （410）其中 及 (411)由上式看出，放大轉(zhuǎn)發(fā)下順時(shí)互信息量是衰落系數(shù)的函數(shù)，為 (412)將兩條鏈路的信噪比代入，則互信息量可以寫成 (413)其中 (414)中斷概率可以通過對(duì)指數(shù)分布的信道增益進(jìn)行平均后獲得：計(jì)算上式的積分，可得到高信噪比下的中斷概率如下 (415)其中，2R中的因子2是因?yàn)閰f(xié)作將一半的寬帶分給了中繼，因而喪失了一半的寬帶。高斯白噪聲存在所有的空間，為了最小化噪聲的影響，檢測(cè)器應(yīng)該將接收信號(hào)映射到目的信號(hào)空間。這個(gè)問題可以通過構(gòu)成一個(gè)優(yōu)化問題并選擇相應(yīng)的因子來解決。MRC輸出的信噪比等于所有分支信噪比之和。最大化總信噪比的最優(yōu)方法是最大比合并（MRC）。根據(jù)式（45），目的在階段2接收到的信號(hào)為 （44）其中，是中繼到目的信道系數(shù)，是加性噪聲。源到目的信噪比為 （43）其中 . 下面我們計(jì)算估計(jì)中繼到目的的接收信噪比。中繼只是簡(jiǎn)單地將接收信號(hào)用一個(gè)因子量化，該因子與接收功率成反比，可表示為 （42） 因此，中繼發(fā)送的信號(hào)為，發(fā)射功率P與源的發(fā)射功率相同。,表示零均值且方差為的加性高斯白噪聲。放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼信道可以建模如下。這種情況下，一個(gè)從目的到源的反饋信道是有必要的。在選擇中繼方案中，如果中繼接收到的信噪比超過了某個(gè)門限，則中繼對(duì)信號(hào)進(jìn)行譯碼轉(zhuǎn)發(fā)。尤其當(dāng)源到目的的信道不是很差的時(shí)候，因?yàn)樵谶@樣的場(chǎng)景下，源發(fā)送到目的大部分信息可以被目的正確接收，則中繼的轉(zhuǎn)發(fā)就浪費(fèi)了。中繼具有便于實(shí)施的優(yōu)點(diǎn)，但其缺點(diǎn)是低的頻譜效率。另一種處理方式是中繼將接收到的信號(hào)量化并重新編碼后發(fā)送給接收機(jī)。中繼的處理根據(jù)所采用的協(xié)議而有所不同。中繼信道可以說是源與目的之間直接信道的一個(gè)輔助信道。在一些系統(tǒng)中，可能用排隊(duì)的方法來保存正在請(qǐng)求通話的用戶信息，直到有信道為止。當(dāng)電話線路減少時(shí)，對(duì)于一個(gè)特定的用戶，所有線路都忙的可能性變大。電話公司根據(jù)中繼理論來決定那些有成百上千臺(tái)電話的辦公大樓所需分配的線路數(shù)目。 中繼信道的原理在中繼的無線系統(tǒng)中，每個(gè)用戶只是在有呼叫時(shí)才分配一個(gè)信道，一旦通話終止，原先占用的信道就立即回到可用信道庫中。中繼線是承載多條邏輯鏈路的一條物理連接。綜合考慮多種因素，AF與DF兩種方式更實(shí)用一些。因此，網(wǎng)絡(luò)編碼和協(xié)同通信技術(shù)相結(jié)合可有效提高無線通信系統(tǒng)的性能。網(wǎng)絡(luò)編碼的核心思想：中間節(jié)點(diǎn)不再是簡(jiǎn)單的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，而是將接收信息進(jìn)行編碼后再發(fā)送，從而可提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的容量和健壯性。研究表明，空時(shí)編碼協(xié)作方式在快衰落環(huán)境下也可以獲得滿分集增益，并且不會(huì)犧牲信道質(zhì)量相對(duì)較好的移動(dòng)終端的性能。STCC（空時(shí)編碼協(xié)作）將空時(shí)編碼思想應(yīng)用到編碼協(xié)作方式中；與一般編碼協(xié)作方式最大的不同：每個(gè)移動(dòng)終端可在自己和其協(xié)作伙伴的多址信道上同時(shí)發(fā)送信息；而在一般編碼協(xié)作方式中，移動(dòng)終端只能在自己的多址信道發(fā)送協(xié)作信息。當(dāng)這一操作無法實(shí)現(xiàn)時(shí)，用戶就自動(dòng)返回到非編碼協(xié)同模式，傳輸自己后續(xù)的信息。然后再將其獲得的信息重新編碼，以一定功率發(fā)送給用戶端。這表明源中繼節(jié)點(diǎn)信道傳輸特性的好壞對(duì)DF方式協(xié)同通信系統(tǒng)的性能有很大影響。DF方式不會(huì)帶來噪聲傳播問題，但受源中繼端信道傳輸性能影響較大，若編碼方式不采用CRC（Cyclical Redundancy Check)碼，得不到滿分集階數(shù)。如果數(shù)據(jù)不正確即將幀丟棄。由于中繼節(jié)點(diǎn)在放大信號(hào)的同時(shí)也放大了源中繼信道引入的噪聲，因此AF方式存在著噪聲傳播效應(yīng)。AF也被稱作非再生中繼方式，其本質(zhì)是一種模擬信號(hào)的處理方式。 協(xié)作通信的協(xié)議根據(jù)中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)源節(jié)點(diǎn)信息處理方式的不同可分為放大轉(zhuǎn)發(fā)(AF)、解碼轉(zhuǎn)發(fā)(DF)、編碼協(xié)作(CC)、空時(shí)編碼協(xié)作(STCC)和網(wǎng)絡(luò)編碼協(xié)作(NCC)等多種方式。另外，在多跳無線通信網(wǎng)絡(luò)中，為提高傳輸速率，提出了多用戶協(xié)作分集即多個(gè)用戶相互協(xié)作從而實(shí)現(xiàn)類似MIMO的傳輸方案以獲得分集增益。 協(xié)作通信在無信通信系統(tǒng)中有多種應(yīng)用，主要有固定中繼的協(xié)作通信（協(xié)作MIMO)和用戶終端間的協(xié)作通信（多用戶協(xié)作）兩種方式。而后對(duì)協(xié)作通信的研究基本都以此為基礎(chǔ)。1979年，Cover和Gamal在對(duì)中繼信道的研究中，首次提到了協(xié)作通信的模型。通過使用中間客戶機(jī)作為通信中介，可以在發(fā)起客戶機(jī)與移動(dòng)設(shè)備之間傳送至少一個(gè)協(xié)作消息?？梢源_定一個(gè)與指定用戶相關(guān)的移動(dòng)設(shè)備。 一種建立協(xié)作通信的方法包括接收來自發(fā)起客戶機(jī)的與指定用戶進(jìn)行協(xié)作通信的請(qǐng)求的步驟。與傳統(tǒng)通信系統(tǒng)的資源分配相比，協(xié)作通信系統(tǒng)的前途更加廣闊。協(xié)作通信具有非常廣闊的應(yīng)用前景，可應(yīng)用于蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)、無線Adhoc網(wǎng)絡(luò)、無線Sensor網(wǎng)絡(luò)和無線局域網(wǎng)等多種場(chǎng)合。首先，在傳統(tǒng)的中繼通信系統(tǒng)中，中繼節(jié)點(diǎn)的作用是形成主信道，它是單純作為中繼而存在的，本身沒有信息要傳送，而在協(xié)作通信中用戶既是信源又是中繼，因?yàn)槊總€(gè)用戶既要傳送自己的信息還要轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作伙伴的信息，中繼節(jié)點(diǎn)的作用是協(xié)助和增強(qiáng)主信道。但是，對(duì)于自組織網(wǎng)絡(luò)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)而言，多個(gè)用戶間的同步就更為困難。以現(xiàn)有的同步機(jī)制，如果做到了多個(gè)協(xié)作者間的同步，就很難做到目的端與協(xié)作者間的同步，反之亦然。但這在實(shí)際中是難以實(shí)現(xiàn)的。在簡(jiǎn)單的檢測(cè)中繼模式中，基站需要知道協(xié)作終端間的信道差錯(cuò)概率；在放大中繼模式中，基站要估計(jì)協(xié)作終端間信道的狀態(tài)信息；對(duì)編碼協(xié)作模式及選擇檢測(cè)中繼模式來說，雖然基站不需要知道有關(guān)信道的信息，但它要知道移動(dòng)終端之間是否進(jìn)行了協(xié)作、跟誰協(xié)作，或具體一點(diǎn)基站需要知道第二幀的信息到底是誰的。而對(duì)于像Ad Hoc這樣的非集中控制網(wǎng)絡(luò)，它們需要一個(gè)分布式的協(xié)作協(xié)議，用戶可以在任意時(shí)間獨(dú)立的決定與哪一個(gè)用戶進(jìn)行協(xié)作該分布式協(xié)議的難點(diǎn)是在不增加額外系統(tǒng)資源的前提下，如何保證所有用戶的公平性。換句話說，怎樣去確定與哪些用戶進(jìn)行協(xié)作，多長(zhǎng)時(shí)間對(duì)合作的用戶進(jìn)行重新分配。協(xié)作分集技術(shù)從另一個(gè)角度可以看作是根據(jù)一定的準(zhǔn)則（某種特定空跳圖案），用戶信息在空間方位上的跳變，其空跳增益可以根據(jù)跳頻、跳時(shí)的結(jié)論推出，隨著參與用戶數(shù)、空跳幅度以及跳速的提高，空跳增益將會(huì)越大。跳頻的工作原理是信號(hào)的載波頻率受偽隨機(jī)碼或某種特定跳頻圖案的控制而跳變。此外，協(xié)作分集的