【正文】 致謝 35 致謝 xxx 參考文獻 37 參考文獻 [1] 沈嘉等 . 3GPP 長期演進（ LTE）技術(shù)原理與系統(tǒng)演進 . 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. Inf。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。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。進一步分析并討論多個節(jié)點之間的協(xié)作能否進一步提升系統(tǒng)的性能。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?？臻g分集是利用場強隨空間的隨機變化實現(xiàn)的，空間距離越大，多徑傳播的差異就越大，而接收場強的相關(guān)性就越小。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。近幾年來，空間分集成為研究熱點。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。 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。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。 （ 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 介紹了機會中繼選擇算法及其改進、貪婪算法和基于時延的伙伴選擇算法?，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)概念進行了闡述分析總結(jié)。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。這也形成了一個折衷。就功率而言，一方面，在進行協(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。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。機會中繼選擇算法，相比于隨機中繼選擇和非協(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。 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。從圖 可以看出，與非協(xié)作系統(tǒng)和隨機中繼選擇相比，機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。 仿真結(jié)果分析 在仿真中，將非協(xié)作系統(tǒng)和隨機選擇算法以及機會中繼算法進行了比較。陰影衰落為服從均值為零標(biāo)準(zhǔn)差為 10dB 的對數(shù)陰影衰落的隨機變量 [22]。 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。仿真中，假設(shè) DF 中繼完全解碼正確，從而獲得較好的性能。 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。 同時可以看出， DF 中繼能要優(yōu)于 AF 中繼。 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)。仿真結(jié)果表明，機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。 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 進行誤碼率的仿真對比。 著重介紹了幾種典型的中繼選擇算法，尤其是機會中繼選擇算法及其改進方案，是第四章仿真的基礎(chǔ)。 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行了研究介紹。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，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。 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。但是整個策略需要對現(xiàn)有的協(xié)議進行改進，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。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。 在文獻 [20]中，作者提出了一種趨向公平性的新策略。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。 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。當(dāng)目的節(jié)點依次接收到各中繼節(jié)點信息后 ， 對其各自到達時間作差比較 ： 22 21 2 1 = + T T t t? (311) 所得差值結(jié)果與 ? 相比較： 21221 TT??????， 說 明 節(jié) 點 的 延 遲 時 間 小 ， 留 下 繼 續(xù) 比 較， 說 明 節(jié) 點 2 的 延 遲 時 間 小 ， 留 下 繼 續(xù) 比 較 (312) 留下節(jié)點 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。 21T 為中繼節(jié)點 1 的信息到達目的節(jié)點時刻， 22T 為中繼節(jié)點 2 的信息達到目的節(jié)點時刻， 23T 為中繼節(jié)點 3 的信息達到目的節(jié)點時刻。為避免多中繼同傳到目的節(jié)點時相互干擾阻塞 ， 本文采用分時傳送的方法 ，中繼節(jié)點 1 接收到源節(jié)點信息后經(jīng)過 ? 時間間隔 ， 向目的節(jié)點發(fā)送信息 ； 中繼節(jié)點 2 經(jīng)過 2? 間隔后 ， 向目的節(jié)點發(fā)送信息 ， 中繼節(jié) 點 3 經(jīng)過 3? 間隔 后 ， 向目的節(jié)點發(fā)送信息 ?? 依此類推 ，各節(jié)點按順序向目的節(jié)點發(fā)送。設(shè)源節(jié)點直傳到目的節(jié)點的時刻為 1T ，以此作為基準(zhǔn)時刻 ， 其他節(jié)點到達目的節(jié)點時刻均與此相比較，采用目的節(jié)點計時，計算延遲時間。 所以選取最小時間延遲的中繼節(jié)點作為源節(jié)點的協(xié)作伙伴 ，有 望實現(xiàn)有效的協(xié)作傳輸。 路徑傳輸?shù)臅r間延遲大小直接對應(yīng)節(jié)點間的距離。 在有中心式控制的情況下，由于中心控制節(jié)點擁有信道信息，因此可以從所有可能的中繼中選擇最佳方案，以獲得額外的性能增益。 固定 優(yōu)先 級列 表的一個簡單的實現(xiàn)方法為： ? ?+1, + 2 , ,M ,1,2 , , 1i i i， i 為節(jié)點編號。 下圖為節(jié)點分群情況模型， =1n （ n 為協(xié)作節(jié)點的個數(shù)）： 24 協(xié)作通信的中繼選擇算法研究 圖 1+3T ? 節(jié)點分群 針對分布式情況下提出一種簡單的靜態(tài)協(xié)同節(jié)點選擇策略，該策略可以確保網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點都能獲得 +1n 的分集增益 ， n 為協(xié)作節(jié)點個數(shù)。為了能夠達到全網(wǎng)范圍 內(nèi) 的 全 分集增益， 伙伴 選擇協(xié)議應(yīng)為每一個發(fā)送節(jié)點提供足夠 多的協(xié)作節(jié)點，使這些節(jié)點形成 若干個群。 因而，雖然 匈牙利算法 選擇的依據(jù)是中斷概率的近似表達式，但在信噪比較大或速率較小時，其中斷概率的性能優(yōu)于貪婪 算 法。 此時， 合作伙伴選擇 就會 轉(zhuǎn)化為指派問題， 可以通過 匈牙利算法求解 。同時 ， 對整個網(wǎng)絡(luò)中的中斷概率求平均也加大了計算量。 該算法能獲得滿分集增益，能使整個網(wǎng)絡(luò)中的中斷概率最低，因此很多中繼選擇技術(shù)都來和它進行比較。 第三步：尋找某一個用戶，使得將當(dāng)前用戶的協(xié)作伙伴和找到的這個用戶的協(xié)作伙伴交換之后，能夠減小網(wǎng)絡(luò)的平均中斷概率。它的實現(xiàn)過程是這樣 的： 第一步：隨機地為每個用戶指派一個 協(xié) 作伙伴，使得每個用戶都試圖去協(xié)助另一個用戶。而且和原算法相比，在中繼選擇失敗概率大大下降的同時，新增的時延開銷是非常小的。 根據(jù)算法流程，惟一可能發(fā)生沖突的情況來自兩個中繼的標(biāo)志分組到達源站的時間有重疊導(dǎo)致源站無法正確識別，競爭的中繼在各自的確認(rèn)定時器超時后將分別啟動退避程序。具體算法流程如下： （ 1） 每個候選中繼 i 通過監(jiān)聽 RTS 和 CTS 分組來測量信道增益 sia 和 ida ，并計算信道質(zhì)量參數(shù) ih ，啟動定時器 iT ； （ 2）當(dāng)最小的定時器超時后，對應(yīng)的最佳中繼 b 向源站發(fā)送一個包含其自身標(biāo)識信息的標(biāo)志分組，并啟動初始值為 TAC 的確認(rèn)定時器； （ 3）在收到一個正確的標(biāo)志分組之后，源站向所有中繼廣播確認(rèn)消息 ACK，其中包含被源站所確認(rèn)的最佳中繼 b 的標(biāo)識信息； （ 4）其他中繼 j 在收到來自中繼 b 的標(biāo)志分組后取消定時器 jT ，放棄競爭；沒收到來自中繼 b 的標(biāo)志分組的中繼在收到源站對最佳中繼的確認(rèn)消息 ACK 之后，取消定時器，并放棄競爭； （ 5）如果中繼 b 在定時器 ACKT 超時之前收到了源站的確認(rèn)消息，則取消定時器 ACKT ，參與后面源站和目的站之間的協(xié)同通信；否則，退避一段時間，并在之后的某個隨機時隙 ? ?1,kK? 重新發(fā)出標(biāo)志分組。 論文 [16]提出了一種改進方案來降低最佳中繼選擇失敗的概率。但是當(dāng)多個節(jié)點同時競爭最佳中繼時，很可能出現(xiàn)沖突，從而導(dǎo)致選擇失敗，而且隨著競爭節(jié)點數(shù)的增加失敗概率也明顯提高。由式（ 37）可知， ? 取值不能太大，否則中繼選擇太慢 ,無法滿足遠高于信道變化速度的要求。顯然，沖突概率與 λ 的取值密切相關(guān)。最壞的情況下，沖突時長 c 具有如下最大值： 無隱藏中繼： m ax m ax= + +b j sc n n d? (34) 有隱藏中繼： m a x m a xm a x= + + 2 + + 2b j sc n n d d u r n? (35) 其中 jn 為中繼 j 和目的站之間的傳播時延； max? 為兩個中繼之間的最大傳播時延； sd 為每部無線收發(fā)機的收發(fā)轉(zhuǎn)換時間； dur 為最佳中繼所發(fā)標(biāo)志分組的持續(xù)時間。如果節(jié)點 j 的定時器在 []內(nèi)超時 ,就會有沖突發(fā)生。若各中繼節(jié)點不能監(jiān)聽到彼此的信息（即隱藏 中繼），最佳中繼將把標(biāo)志分組發(fā)給目的站 ,然后由目的站發(fā)送廣播消息來通知其他所有中繼 節(jié)點。 20 協(xié)作通信的中繼選擇算法研究 中 繼 節(jié) 點 i源 節(jié) 點目 的 節(jié) 點中 繼 節(jié) 點 j直 接 鏈 路K T 時 刻 最 佳 鏈 路2,ida2,sia( K + 1 ) T 時 刻 最 佳 鏈 路 圖 機會中繼系統(tǒng)模型 通過監(jiān)聽來自源站的 RTS 分組和目的站的 CTS 分組，節(jié)點 i可以分別獲得源站和中繼節(jié)點 i 之間的信道信息 sia 及中繼節(jié)點 i 和目的站 d 之間的信道信息 ida 。 典型中繼選擇算法介紹 機會中繼選擇算法及其改進 在機會 中繼系統(tǒng) 模型 中，存在一個源節(jié)點 、 一個目的節(jié)點以及 M 個候選中繼節(jié)點。與用戶端協(xié)作相比，基站端協(xié)作更易實現(xiàn)，且付出的代價相對較低。按照協(xié)作所在的位置不同，可以分為基站端中繼選擇和用戶端中繼選擇。例如，在蜂窩網(wǎng)中無論固定的還是移動的中繼節(jié)點大多是有能量支持的，并且中繼節(jié)點上大多可能配備多根天線，擁有相對較強處理和傳輸能力， 因此可以將較多的工作轉(zhuǎn)移到中繼節(jié)點上進行，從而降低移動終端的復(fù)雜度和能量消耗，同時為移動終端提供較好的 QoS 保障。 （ 4）中繼節(jié)點的屬性 環(huán)境不同，中繼節(jié)點的屬性也不盡相同。 使用單節(jié)點協(xié)同使得接收端的天線易于實現(xiàn)，單中繼的選擇需要知道各個信道的信道信息，并按照某種規(guī)律進行排序，最 后在其中選出一個最優(yōu)節(jié)點。另外我們可以把協(xié)作節(jié)點的選擇和協(xié)同 第三章中繼選擇技術(shù)研究 19 方式選擇結(jié)合起來，在相同的自適應(yīng)系統(tǒng)中使用不同的協(xié)同方式和協(xié)同節(jié)點選擇算法。這直接影響到合作的節(jié)點選擇算法的備選集合。分布式算法