協作通信系統中的選擇df中繼協議研究(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 載波是指當不同的載波之間的間隔大于頻率相干區間，即載波頻率的間隔應滿足 ()式中，為載波頻率間隔，為相關帶寬，為最大多徑時延差。如果發射頻率的間隔是信道相干寬帶的幾倍以上，這樣就能保證不同頻率的衰落統計特性是互不相關的，不同傳播環境的相干帶寬不同。當信道的相干帶寬較小時，頻率分集效果明顯。 協作分集技術之間的比較時間分集與空間分集相比較，優點是減少接收天線及相應設備的數目，缺點是占用時隙資源增大了開銷，降低了傳輸效率。頻率分集與空間分集相比較，其優點是在接收端可以減少接收天線及相應設備的數量，缺點是要占用更多的頻帶資源。頻率分集和時間分集技術雖然可以對抗無線信道的衰落，提高系統的性能，但并不是在任何情況下，這兩種分集方式都是有效的。如對于時延敏感的慢衰落系統，時間交織會引入較大的信號處理時延，所以對時延敏感的業務不適合采用時間分集。當信道的相干帶寬大于傳輸信號的帶寬或信道的多徑時延擴展遠小于信號周期時，頻率分集又顯得無能為力。雖然空間分集具有優良的性能，但也有它的缺點，需要在分集端假設多跟天線，并且對天線之間的距離有一定的限制，這對體積較小的移動終端來講是一個難題。近幾年無線通信業務的激增是前所未有的,為了滿足高速率多媒體通信的需求,不僅要提高數據的傳輸速率,還有調高系統的穩定性,而受到廣泛的關注,使用空間分集技術的MIMO系統的優點已經被廣泛的應用。協作通信的產生,增加了系統的分集增益從而獲得了類似MIMO系統中的增益。第三章 協作通信中各協作協議協作分集技術不僅可以克服移動終端配置單天線無法實現空間分集的限制,還可以有效地增大系統容量、擴大無線通信的覆蓋范圍。對于無線通信系統中的通信終端，存在兩種基本的工作模式，即半雙工模式和全雙工模式。在半雙工模式下，節點通過不同的時隙或頻率接收和發送數據，但節點不能同時接收和發送數據；而在全雙工模式下，節點可以同時接收和發送數據。在實際的協作通信系統中，工作在半雙工模式下節點相對于公仔全雙工模式下的節點實現更簡單，相應的協作協議實現更容易，復雜度也比較低，但全雙工通信系統比半雙工通信系統有更大的系統容量。在本章，我們僅考慮網絡中只存在一個中繼協助源節點的發送。多中繼情形將在后面的章節中進行討論。通常一個中繼策略可以被建模成啷個正交的階段，或者通過TDMA，或者通過FDMA，以避免兩階段之間產生干擾。階段1，源發送信息到目的，同時，中繼也接收到源發送的信息。階段2，中繼2通過轉發或者重新發送源的信息來幫助源。 簡化協作模型 () ()其中，p是源的發射功率；x是發送的信息符號；，是加性噪聲。在式()和式()中，分別是源到目的源和源到中繼的信道系數。他們分別被建模成零均值且方差為和的復高斯隨機變量。噪聲和被建模為零均值且方差為的復高斯隨機變量。階段2，中繼將處理后的源信號向目的轉發，目的接收到的信號為其中，函數取決于中繼節點所采用的處理方式。在固定中繼中,.AF協議(固定放大轉發協議):當采用此協議時,中繼量化將接收到的信號放大后轉發給目的。 中斷概率為 () 高信噪比下的中斷概率為 ()DF協議(固定譯碼轉發中繼協議):，但是它有可能向目的端轉發錯誤的信號，這就導致了錯誤傳播，進而降低系統性能。中斷概率為 ()因為信道是瑞利衰落的，則上述變量都是參數為1的指數隨機變量。對信道進行平均，則在高信噪比下，譯碼轉發的中斷概率為 ()固定中繼具有易于實施的優勢，但是也存在頻譜效率低的劣勢。這是因為有一半的信道資源分配給中繼進行轉發，這就降低了整個信道的速率。特別是當源到目的的信道并不是很差的時候，這是源發送給目的的數據大部分都可以被正確譯碼，中繼的轉發就浪費了。除了這兩種最常用的固定中繼技術,還有其他的中繼技術也值得關注,例如壓縮轉發協議和編碼協作壓縮轉發協作和譯碼/放大轉發協作最主要的區別在與后者的中繼轉發的是接收信號的副本,而壓縮轉發的中繼轉發的是接收信號量化及壓縮后的版本. 編碼協作不同于前述方案的地方在于這種協作應用在信道編碼這個層面上。選擇性DF中繼:如果中繼接收到的信號的信噪比超過了某個門限值,如果源和中繼之間的信道遭受到了嚴重的衰落,以至于接收信噪比落到門限值以下,則中繼不進行任何操作.選擇DF中繼的中斷概率為 () 上式中所有的隨即變量都是獨立的指數隨機變量，這就使得中斷概率的計算很直接，高信噪比下中斷概率的表達式可以寫成 ()增量中繼:對于增量中繼,則向中繼發送一個確認信號,這樣中繼就不用轉發.在增量中繼時，如果源在階段1發送成功，則沒有階段2，源將在下一個時隙發送新的信息。反之，如果源在階段1發送失敗，中繼可以使用任何一種固定中繼協議來轉發源在階段1的信息。在這里，我們主要關注中繼采用AF協議。中斷概率為 ()高信噪比下，中斷概率為 ()總的來說,自適應中繼技術性能優于固定中繼技術,選擇中繼需要知道接收信噪比,相比于自適應中繼,固定中繼更易于實施,這最終是一個性能和復雜度的折中。因為頻譜資源的珍貴，未來無線系統力爭達到高的帶寬效率，例如在單位信道資源上傳輸更多的比特。一個評估通信方案效率的好的標準時：隨著網絡中用戶密度的增大，如何對網絡容量進行衡量。這一小節將研究協作通信對網絡容量的影響。 我們考慮一個具有n個節點的網絡，這些節點均勻分布在單位面積內。網絡中的每個節點要能發送自己的信息，也能接收別的節點的信息，即每個節點即是源也是目的。這些源和目的隨即配對，并且該配對在整個通信過程中保持不變。假設每個節點具有相同的流量R（n），平均發射功率為P。假設信道是平坦的，帶寬為W Hz且載波頻率。節點i和k之間的信道建模如下： ()其中， 是均勻分布的隨機過程，取值在0和2 之間。假設相移 是平穩的和各態歷經性的，且各個節點的相移是互相獨立的。這里 表示節點i和k之間的距離，假設它是與相位 相互獨立的，并且在整個通信過程中保持不變。同樣， 表示路徑衰落指數，G表示發射與接收端的天線增益。上面的信道模型符合遠場假設。因為任何節點的小的位移不會對間距產生大的影響，因此假設固定是合理的。另一方面，相移是根據波長來測量的，因此任何小的節點位置的移動都會改變接收到的信號的相移。節點i在時隙m接收到的信號為 ()其中， 是節點k在時隙m發射的信號， 是方差為的加性高斯白噪聲。因為網絡中的每個節點都有R(n)的流量要發送，則網絡總的吞吐量為 ()兩個有趣的問題是，最大可達的總吞吐量是多少？它隨著節點個數是怎么變化的？更進一步，什么樣的通信方案能夠達到這個總吞吐量。最近已有證明顯示，多跳傳輸的網絡容量上界如下所示： ()這意味著每條鏈路的流量可以測量為 ()因此每個節點的吞吐量隨著節點密度的增大而減少。這樣的網絡測量是否是最佳的呢？或者這是不是最鄰近多跳傳輸的極限呢？答案是，在最鄰近多跳傳輸的假設下，式中的網絡測量確實是最鄰近多跳傳輸的一個結果，這是因為這樣的度量導致了干擾有限。首先，我們考慮一個具有n個均勻分布節點的單位面積網絡的最有網絡測量的上界。對于具有n個節點的網絡，總的網絡吞吐量上界為 ()這就意味著一個具有n個節點的網絡容量的度量的上界與節點個數呈對數關系。話說，如果存在一個方案能夠得到線性容量度量，那么該方案是最優的。現在我們討論本節關注的分級協作協議。分級方案是基于分簇和簇間的遠距離MIMO傳輸。這可以達到兩個目標：使用分簇能夠獲得空間重用。這是因為分離的簇可以并行工作。并行工作時，各簇的節點可以根據他們對別的簇產生的干擾來降低發射功率。使用遠距離MIMO、我們可以達到高的空間復用增益。網絡被分成每個包含M個節點的簇。節點s首先將自己的比特發送給本簇里的其他M1個節點。簇中M個節點構成分布式MIMO傳輸，把源s的比特發送給它的目的端，這個目的端有可能在另外的簇中。目的端所在的簇構成一個MIMO接收機。接收簇中的每個節點將量化接收到的觀察值，并把它轉發給目的。：建立發送協作在這個階段，每個節點獎信息發布給本簇的其他節點，源節點將自己的比特發送給本簇的鄰居節點。 階段1的描述。每個源將自己的比特分發給同簇的節點我們考慮一個具體的源節點。該源將LM個比特分成M塊，每塊L個比特。源如何將這M塊分發給簇內的其他節點依賴于目的和源的相對距離。具體來講：如果源節點和它的目的節點要么在同一簇內要么它們分別所在的簇沒有相鄰，那么源保留1個比特塊并將其它M1個塊發送給同簇內其它M1個節點。如果源節點和它的目的節點在相鄰的簇，那么源所在的簇被分成兩部分，一部分離目的節點所在的簇較近，另一部分離目的節點所在的簇較遠。源節點的M塊比特就在遠離目的簇的M/2個節點間分發。因此，在極限情況下，我們發送LM個比特塊需要2M次會話。：MIMO傳輸 這一階段采用了遠程MIMO傳輸， 所示。每個節點將階段1從源節點接收到的L個比特進行獨立編碼。編碼后的碼字包含C個符號，每個符號是高斯分布。平均發射功率上限為，其中是源簇及目的簇的中心間距。目的簇的節點量化所接收到的信號并存儲，他們并沒有進行譯碼。這一步MIMO傳輸需要C或者2C次傳輸，具體取決于階段1中描述的目的與源之間的之間。所有的節點都完成這一步最多需要2nC次傳輸。 階段2的遠程MIMO傳輸的描述：協作譯碼前一階段，每個觀察值都被量化成Q個比特。因為每個節點從前一階段接收到了CM個符號，最后傳輸的比特數為CMQ M。每個節點需要將自己的流量分散給同簇內的其他節點，這個可以通過階段1中描述的方案實現。注意，取決于源和目的是否在相鄰的簇內，我們每2C次觀察包含的M/2個節點，或者每C次觀察包含的M個節點。當目的節點與源節點在同一個簇內例外。在這種情況下，簇內的每個節點有L比特的原始數據但是沒有MIMO接收信號，CQ,這個例外情況可以被忽略，為了簡便，假設所有節點都具有MIMO觀察信號。 協議分析,它在證明中起到了基礎的作用。考慮一個包含n個節點的網絡,它受到外部源節點的干擾,路勁衰落因子 ()假設是一組不相關的零均值且各態歷經的平穩隨機過程,功率上界為 () . 對于某個常數,其獨立于n,如果存在一個方案能夠以至少的概率達到總吞吐量 ()且每個節點所需要的平均功率的上界為P/n,則能夠構造出另外的一種方案是,網絡達到一個更高的總吞吐量,為 (),每個節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,一簇中的每個節點將自己的數據分成LM比特,因此每簇的總流量為LMM比特,對于源和目的處于相鄰的特殊情況,:.這樣做的主要原因是為了允許簇的并行操作,這就導致了每個節點處的有限干擾,然后根據引理（），對某個,達到每次會話的總吞吐量的所有條件都能滿足。這個總吞吐量能夠以高于的概率達到。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位 == () 因為我們最多有2M次會話，考慮到9TDMA方案，完成具有n個節點的網絡在階段1中的全部傳輸總共需要的信道利用數為 ()階段2的分析這一階段產生遠程MIMO傳輸。正是這一步使得該協議能夠達到高的容量度量。因為采用了MIMO傳輸，所以，吞吐量與最小發射和接收天線個數呈線性關系。在階段1，每個源的信息向目的端發送的時候其他源都是靜止的。因為這表示了一種TDMA方案，即網絡中的所有源順序發送，但是該方案與單純TDMA的主要區別在與發送的時候，其所在簇內的其他節點會通過發送前一階段接收到的源的信息來協助源的發送。這就在源簇構成了一個虛擬的M維天線陣。同時，目的簇的所有M個節點協助接收所發送的信息。每個節點存儲量化后接收信息，以便稍后轉發給目的節點。因此就構成了分布式的接收天線陣列。正如前面所述，每個源簇內的節點將階段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，其中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點有信息。在這種情況下，每個節點將信息編碼成2C個符號。因此，網絡中的每個節點需要C或者2C個信道利用來發送信息。因為網絡中有n個節點，階段2所需要的最大信道利用數為 ()階段3的分析該階段，每個節點將自己在階段2接收到的觀察值發送給目的節點。網絡中要么是M個節點產生C個符號，要么是M/2個節點產生2C個符號，這取決于源和目的是否屬于相鄰的簇。節點將每個符號量化成Q比特。因此，最后最多會有2MQCM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