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1、摘要近年来，新兴的多输入多输出(Multiple Input Multiple Output, MIMO)技术为改善通信系统性能、提高小区边缘用户的吞吐量和传输可靠性提供了一条有效的解决途径。协作通信技术则充分利用了无线电波的全向传播特性，使无线网络中的节点相互协作形成了虚拟的天线阵列来获得传统MIMO技术可以得到的空间分集增益。作为一种新型的MIMO通信模式，中继节点选择技术是其关键技术之一，决定了协作是否能够带来性能增益。文章简要概述了协作通信的相关技术，依据不同分类对中继节点选择算法进行分类介绍，并且对近年来典型的中继节点选择算法进行分析和比较。得出结论：只有根据系统需求合理地选择、配置
2、中继节点才能更好地优化协同通信的性能。关键词：MIMO协作通信协作分集中继选择AbstractIn recent years, the emerging MIMO (Multiple Input Multiple Output) technology provides an effective solution to improve communication system performance, improve the throughput and transmission reliability of the users on the edge of the cell. Cooperat
3、ive communication technology takes full advantage of radio waves propagation characteristics to make nodes in the wireless network form a virtual antenna array to get the spatial diversity gain as traditional MIMO technology can have.As a new MIMO communication mode, relay node selection technique i
4、s one of its key technologies and decides whether collaboration can bring a performance gain. This paper gives a brief overview of cooperative communication technology, elaborates different relay node selection algorithms according to different categories of classification, analyzes and compares sev
5、eral typical relay node selection algorithms. In the last, we get a conclusion that the only choose reasonable relay nodes based on system needs, can we better optimize the performance of cooperative communication.Keywords: MIMO Cooperative Communications Cooperative DiversityRelay Selection目录目录第一章
6、绪论11.1 通信技术的发展11.2 4G技术介绍11.2.1 4G技术简介11.2.2 4G中的通信技术21.3 协作通信的背景41.4 论文的主要工作5第二章 协作通信与中继选择概述72.1协作通信的概念及其研究意义72.2协作分集技术82.2.1 协作分集的优点92.2.2 协作分集的应用范围92.3 中继信道模型102.4 中继节点的转发策略122.4.1 固定中继转发策略122.4.2 自适应中继转发策略142.5本章小结15第三章 中继选择技术研究173.1 协作通信的优点173.2中继网络的系统模型173.3中继选择算法的分类183.4典型中继选择算法介绍193.4.1 机会中继
7、选择算法及其改进193.4.2 贪婪算法及其应用：233.4.3 基于延时的伙伴选择算法243.4.4 考虑用户公平性的中继选择263.5 本章小结27第四章 仿真结果及分析294.1 中继转发策略AF、DF仿真294.1.1 仿真参数设定294.1.2 仿真结果分析294.2 机会中继选择算法仿真314.2.1 仿真参数设定314.2.2 仿真结果分析314.3 本章小结32第五章 总结与展望335.1 总结335.2展望34致谢35参考文献37第一章绪论5第一章 绪论1.1 通信技术的发展人类几千年的发展历史中无线通信技术发挥了极其重要的作用。我国古代烽火戏诸侯所用的烽火台就是最早的传递信
8、息的平台，1897年，马可尼（Guglielmo Marconi）第一次向全世界展示了无线通信的威力，他实现了在布里斯托尔海峡中船只相互的持续通信。自此，移动物体之间的通信也因为成了人们关注的焦点而得到了巨大的发展，全世界科学家不断经历着一代又一代新的无线通信技术的更新，人们也开始享受无线通信带来的各种服务。最初，无线通信技术是随着技术的发展而缓慢发展的。直到20世纪60-70年代，高可靠度、小型的晶体射频技术的发展才开启了无线通信的时代。之后，这些技术逐渐成熟，推动了近年来全球蜂窝网和个人通信的飞速发展。20世纪以来无线通信用户成数量级的增长趋势，第一代通信技术起源于80年代，主要采用模拟和
9、频分多址（FDMA）技术，仅能提供话音服务，不能传输数据。第二代数字通信系统（2G）起源于90年代初，主要采用时分多址（TDMA）和码分多址（CDMA）技术，其传输速度只有9.6bps，最高可达32kbps。到了21世纪，世界的发展进入到信息时代，知识爆炸式的增长对通信行业也造成了极大的冲击与震动，一些过去不被人关注的问题渐渐成为人们研究的热点，近年来协作通信作为一个新的研究热点而被人们广泛关注。第三代通信系统的数据传输速率可达2Mbps，但其仍是一个基于地面标准不一的区域性通信系统，无法满足多媒体通信的要求。1.2 4G技术介绍1.2.1 4G技术简介从20世纪末3G技术完成标准化之时，4G
10、技术的研究工作就已经开始了。IMT-Advanced是国际电信联盟(ITU，International Telecommunication Union)为满足未来1015年全球移动通信需求而启动的。ITU于2005年定义了性能远优于3G的新一代宽带移动通信系统IMT-Advanced为：具有超过IMT-2000能力的新一代移动通信系统。该系统能够提供广泛的电信业务，特别是由移动和固定网络支持的日益增加的基于包传输的先进的移动业务。IMT-Advanced系统支持从低到高的移动性的应用和很宽范围的数据速率，满足多种用户环境下用户和业务的需求。IMT-Advanced系统还具有在广泛服务和平台下提
11、供显著提升QoS的高质量多媒体应用的能力。IMT-Advanced对频谱有效性和功率有效性提出了更高的要求，为了满足新的移动通信应用需求，无线通信系统需要向高频段、高速率、高效率以及与因特网等其它网络融合的方向发展，同时需要充分挖掘利用空间无线资源和采用新型的网络结构，对现有的蜂窝系统构架以及无线传输技术需要进行较大的变革。此外，改善小区（或扇区）边缘终端设备的传输质量也是下一代无线移动通信系统所要实现的重要目标1。IMT-Advanced的关键特性包括：在保持成本效率的条件下，在支持灵活广泛的服务和应用的基础上，达到世界范围内的高度通用性；支持IMT业务和固定网络业务的能力；高质量的移动服务
12、；用户终端适合全球使用；友好的应用、服务和设备；世界范围内的漫游能力；增强的峰值速率以支持新的业务和应用。1.2.2 4G中的通信技术为了实现4G中通信的基本要求，需要引入新的先进的通信技术，同时调整传统网络构架，以进一步提高无线通信系统的传输性能，适应未来移动通信的需求。为此，3GPP和IEEE基于分布式网络架构分别提出了多天线增强、协作多点传输(CoMP，Coordinated Multi-Point)、中继等技术。具体可以归结为以下几点： (1) 多用户多MIMO模式技术对于多用户MIMO传输，不同用户可使用不同的调制编码方式。根据天线配置、系统负载、信道信息、UE移动速度、平均信噪比等
13、信息，BS和UE可在各种MIMO模式之间转换。MIMO模式间的选择一般取决于如何最大化吞吐量或覆盖范围。IEEE提出的智能MIMO技术支持各种MIMO模式之间的自适应转换。根据信道条件，通过选择合适的MIMO模式，能够在不降低覆盖范围的情况下提高频谱利用率。采用智能MIMO方式，可以克服不同场景带来的不确定性，使MIMO技术具有更广泛的应用场景。例如，对于同网络下的不同终端，其天线数目可能是不同的，因而若在同一小区采用相同的MIMO传输方法，难以达到优化设计目标。此外，不同用户经历的衰落也是不一样的，自适应选择不同MIMO模式以适应信道变化，可以优化系统性能。多用户多MIMO模式技术面临的主要
14、问题是：1)如何利用感知信息，优化MIMO模式选择。2)如何实现低复杂度的多用户MIMO检测和干扰抵消算法。目前，国际上大部分研究主要集中于串行干扰抵消、并行干扰抵消、球形检测、树搜索检测等方法，然而这些方法还不能提供复杂性和性能的之间的良好统一。(2) 协作MIMO和波束成形/预编码技术协作MIMO是一种将空间上不在同一位置的天线通过某种方式“协作”在一起，形成协作多天线形式的技术。协作MIMO可用在上行或下行系统中，在协作MIMO发送方式下，多个空间信道具有较好正交性的用户可以共享相同的时域和频域资源，提高上/下行系统的容量。协作MIMO有以下几种形式：1)基于非预编码的协作中继传输，仅需
15、交换业务信息。2)基于MIMO预编码的协作波束成形传输，简称协作MIMO-BF，不仅需要交换业务信息，还需要交换信道信息。协作MIMO-BF技术，一方面，可以利用信道状态信息，通过基带的MIMO预编码算法，实现波束成形；另一方面，也可以利用接收端反馈的信息，进行射频的波束调整；同时获得空间分集增益、空间复用增益、天线阵列增益，大幅度提升系统性能。协作MIMO和波束成形/预编码技术目前面临的主要问题是：1)优化的协作资源分配和管理，包括协作集合(伙伴)的优选问题；2)虚拟MIMO的协作检测与多用户干扰抑制；3)非理想信道信息条件下，如何稳健实施协作波束成形。(3) 3GPP提出的CoMP技术协作
16、多点传输(CoMP，Coordinated Multi-Point)，指多个地理位置相互独立分散的传输点通过不同的协作方式(如联合传输、联合处理、协作调度等)为多个用户服务。其中，多个传输点可以是具有完整资源管理模块、基带处理模块和射频单元的基站，或者是地理位置互异的多个射频单元RRU及天线(如分布式天线)，或者是中继节点。CoMP技术可以分为上行多点接收和下行多点传输。下行CoMP又分为两类：1)协作调度/波束赋形(CS/CB)：利用不同小区之间的信息交互，通过对资源(时间、频率、空间等)的调度，包括波束赋形向量的调度来减少小区间干扰(ICI)，从而改善小区边缘性能，提高系统吞吐量。2)联合
17、处理(JP)：利用不同小区基站天线到用户的空间分集来提高小区边缘用户性能。CoMP技术目前面临的主要问题是：1)CoMP技术需要多种物理层传输技术的支持，如适应多小区联合传输的MIMO技术、预编码技术、高效的信道估计和联合检测技术等。2)先进有效的无线资源管理方案也是影响CoMP技术性能的重要因素，如小区资源分配策略、负载均衡、联合传输中协作点的优选机制。3)在引入CoMP技术后，系统中的切换场景将发生变换，现有系统中的切换策略将无法满足新场景中的切换需要，因此设计有效的切换策略成为CoMP技术中亟待解决的问题。4)协作传输中的同步协调和多普勒频偏补偿问题，被认为是公开的难题，尚待突破。(4)
18、 IEEE提出的网络MIMO技术网络MIMO技术通过多基站间的协作联合处理来降低小区间干扰，提升扇区频谱效率和小区边缘频谱效率，主要技术有：多基站协同的多基站预编码技术和多基站协同的单基站预编码技术。 此时，多个基站联合处理，为多个基站的用户提供数据，这需要扇区间协调和通信的配合。通过联合的信号处理，以降低扇区间干扰，提高小区边缘吞吐量。网络MIMO技术目前面临的主要问题与CoMP技术相同。1.3 协作通信的背景关于协作通信的基本思想可以追溯到Cover 和El Gamal 关于中继信道的信息论特性2。他们分析了一个三节点网络（一个源节点，一个目的节点，一个中继节点）的容量，他们假设所有节点的
19、工作频带相同，这样系统便可以分解为一个广播信道（从源节点来看）和一个多址信道（从目的节点来看）。然而，在协作通信的很多方面我们考虑的与中继信道都是不同的。首先，目前的研究集中在如何产生克服衰落的分集，而Cover 和El Gamal 主要分析在加性白高斯噪声信道（AWGN，Additive White Gaussian Noise）下的信道容量3。其次，在中继信道中，中继的目的是为了帮助主信道，然而在协作通信中，整个系统的资源是固定的，用户既是信息源又是中继者。最近几年，随着分集技术的发展，协作通信成为了当前无线通信中的研究热点。研究协作通信一个主要目的就是对抗无线信道的多径衰落。因为无线信道
20、的衰落是随机的（考虑小尺度衰落，在微小的时间和空间差别下信号的强度发生大的变化），如果S-D信道正好处于深度衰落，不利于通信；而距离源节点旁边的伙伴节点其R-D信道却可能处于很好的信道状态。因此，源节点可以寻求伙伴节点的帮助，先把数据发给伙伴节点，再由伙伴节点把数据发给目的节点。支撑协作通信发展的另外一个技术是MIMO（多输入多输出）技术。MIMO技术利用了无线衰落信道中不同传播路径的独立性，通过在收发两端装备多副天线，能够有效的提高传输容量或者增强传输的可靠性。然而，对于很多价格低廉，体积小巧的设备（例如无线传感器节点、手机等），装备多个天线是非常困难的，如果能够将处于一个区域内部彼此邻近的
21、多个节点联合起来，形成一个虚拟的MIMO阵列，就有能够获得传统MIMO的传输效果4。1.4 论文的主要工作本文主要对协作通信中继节点选择进行研究，综述当前协作通信中的相关知识、关键技术和一些中继选择算法，并对其进行分析比较。内容结构安排如下：第一章：主要介绍了无线通信结束的发展和协作通信的研究背景及论文的主要结构安排。第二章：主要介绍了协作通信相关概念以及协作通信中的关键技术，重点介绍了协作分集技术和中继转发策略。第三章：主要研究了协作通信的好处、系统模型和中继选择算法的分类，并且代表性的介绍了机会中继选择算法、贪婪算法和基于延时的伙伴选择算法。第四章：主要对中继转发策略AF、DF和机会中继选
22、择算法作了一些简单的仿真和性能分析。第五章：总结与展望，对论文中待研究的问题综述性地进行介绍。第二章协作通信与中继选择概述15第二章 协作通信与中继选择概述2.1协作通信的概念及其研究意义协作（Cooperative）顾名思义就是相互帮助使得帮助的双方同时获益。事实上，协作的思想在通信领域中并不是首次出现，它最早是随着计算机网络的发展而出现的，计算机网络中早就开发了各种协作技术和平台。“协作”英文可译为cooperative，coordinative，relative等等，表达的观念就是在一个多点的网状网络结构中，多个网络节点参与协同工作，以达到共同的或者是独立的目的的一种策略。其基本思想是在
23、多用户环境中，具有单根天线的移动台可以按照一定的方式来共享彼此的天线从而产生一个虚拟MIMO系统，从而获得分集增益。将协作的概念引入到通信中来，预期可以提高网络的整体性能。图2.1两个用户的协作通信近几年来，在无线通信领域中协作思想也有广泛的研究，涉及到“协作”、“协同”、“联合”等词汇的技术均可以看做属于协作通信的范畴，在与协作思想相关的众多文献中，对于上行链路，出现最频繁的相关概念是“协作分集”，而对于下行链路，则多带有“基站联合”、“基站协作”等关键词。从协作的对象来看，主要包括基站、移动台或中继等。在本论文中，主要关注的是上行链路中的用户协作，即协作分集技术。研究协作通信技术的原因大致
24、可以分为以下两种：第一种，网络中有空余的资源。在某一传输的时间段内通信系统可能仅仅有一部分有通信需求，因此网络中会存在较多的终端处于空闲状态，而由于传统的蜂窝系统都把终端看成独立的通信个体，这样就使得很多终端资源得不到利用而被浪费掉，另外，移动终端的差异性也会造成资源的浪费，比如一些计算机处理信号的能力强，而另一些则较差。再者，距离基站较近的移动终端有较好的通信能力，较远的则相对差些。如果把这些移动终端都看成是相互的一个整体，则他们可以相互协助传递对方的信息和自己的信息，这样就节约了大量的网络资源，有利于通信系统整体性能的提高。第二种，协作通信有助于系统获得增益。研究5表明协作通信可以提供全部
25、的空间分集增益，即n个参与协作通信的节点提供的空间分集增益等同于信源节点具有n个独立天线发射提供的增益。此外，协作通信还具有能克服由于多径而引起的信道衰落、增强系统可靠性、扩大覆盖能力、改善小区边缘用户的服务质量以及提高频谱利用率等优势。2.2协作分集技术1998年Sendonaris等人提出了使用单天线的移动终端也可实现分集的新技术协作分集：系统中的每个移动终端都有一个或多个伙伴（partner），协作伙伴在发送自己信息的同时也有责任发送对方的信息。每个终端既利用了自己又利用了其合作伙伴的空间，获得一定的空域分集增益。由于彼此分享天线，又构成了一个虚拟的MIMO多天线系统。如图2.2所示，是
26、一个移动终端间的协作分集，用户2以广播形式向基站发送信息，它的信息同时被基站和用户1所接收，这时用户1处理信息。然后将处理的信号再发向基站，而此时的用户2也同时发送信息，最终形成两条独立的信道传输信号。图2.2移动终端间的协作分集2.2.1 协作分集的优点促进MIMO技术的实用化是协作分集最大的好处，它有可能带来无线通信领域的巨大变革。传统的MIMO技术通过在发射/接收端配置多个天线构成多发射/接收天线分集，但这对于小型移动终端来说是很不现实的，于是就导致了MIMO技术在蜂窝网以及Ad Hoc等网络中难以实用化。协作分集为MIMO技术在小型移动终端的应用找到了新的出路，是一种很有前途的空间分集
27、技术。可以说，协作分集可以使MIMO技术的各种优势得以发挥，能够切实地利用空间资源来提高通信系统的性能，包括提升系统容量、增大数据传输速率、有效对抗衰落以及降低系统的服务中断概率，提高系统的服务质量和可靠性等。2.2.2 协作分集的应用范围协作分集的思想具有非常广阔的应用前景，可用于非移动通信系统、无线Ad-hoc网络、无线局域网以及无线传感器网络等多种场合，也可以应用于抗干扰通信中。抗干扰的基本方法有直接序列扩频、跳频、跳时以及它们的混合应用，但是这些方法都没有利用空间资源，而协作分集在某种意义上可以看作是一种空跳。协作分集技术从另一个角度可以看作是根据一定的准则（某种特定空跳图案），用户信
28、息在空间方位上的跳变，其空跳增益可以根据跳频、跳时的结论推出，随着参与用户数、空跳幅度以及跳速的提高，空跳增益将会越大。2.3 中继信道模型协作通信的概念是建立在中继信道模型的基础上的，它是一种新的空间分集技术。它利用了无线电波的广播特性，每一个节点都可以接收到其他节点发送的信号并经过一定的处理后转发到目的节点，这样不同的用户就可以共享彼此的天线而形成空间分集。如图2.3所示，协作中继过程是这样的：源节点发送有用信号，由于无线电波的广播特性，网络中存在一些潜在的中继节点能够侦听到源节点发送的信号，通过在节点上执行适当的信号处理算法，中继节点将从源节点处侦听到的传输信号进行相应处理，并且通过中继
29、信道将消息传输到目的节点。中继信息随后在目的节点进行组合以产生空间分集。这就产生了这样一个网络，它可以被认为是一个执行分布式多天线的系统，协作节点为彼此产生了不同的信号路径。中继信道6可以认为是源和目的端之间直接信道的一种辅助信道，中继节点通常距源节点有几个波长的距离，所以中继信道与直接信道之间互相独立，因此源和目的端之间构成了一个满秩的MIMO信道。而满秩传输的MIMO可以提供非常高的传输速率，这正是现代无线通信所急需的。图2.3直接传输与协作传输的差别，以及协作传输可能带来的覆盖范围的增大在这一部分，我们将介绍中继信道模型。为叙述的方便，这里仅考虑一个中继协助源节点的发送，这个中继可以是网
30、络中众多中继中的任何一个。同时假设中继为半双工模式，即中继不能同时进行发送和接收。通常一个中继策略可以分为两个正交的阶段：阶段1，源节点发送信息到目的节点，同时中继节点也接收到源节点发送的信息；阶段2，中继节点通过转发或者重新发送源节点的信息来帮助源节点。信息传送过程中通常采用TDMA或FDMA，以避免两阶段之间产生干扰。图2.4描述了一个简化的协作模型。源的发射功率为,而中继发射功率为。为简单起见，这里假设源和目的采用相同的发射功率。阶段1，源节点向目的节点和中继节点广播信息。目的节点和中继节点接收到的信号分别为和。图2.4 简化协作模型(2-1)(2-2)其中，是源的发射功率，是发送的信息
31、符号，是加性噪声。和分别是源到目的和源到中继的信道系数。它们分别为零均值且方差为和的复高斯随机变量。噪声和为零均值且方差为的复高斯随机变量。阶段2，中继将处理后的源信号向目的转发，目的接收到的信号为：(2-3)其中，函数取决于中继节点所采用的处理方式。2.4 中继节点的转发策略2.4.1 固定中继转发策略文献7根据协作伙伴节点转发信号方式的不同，提出了Fixed-Relaying、Selection-Relaying、Incremental-Relaying等几种中继转发策略。在本论文中介绍的所有算法中，都是基于固定中继的。固定中继技术有着相对简单的网络结构和路由及切换算法，安全性也较高，关键
32、是，固定中继的引入无需对整个网络的主要技术、协议以及整体布局作太大的变化，尤其在现有的蜂窝网中，引入固定中继节点是一种低成本实现网络性能优化的方案，具有很高的可行性。这里重点介绍固定中继（Fixed-Relaying）中的几个协作策略。（1）放大转发AF放大转发89(Amplify and Forward，AF)，是指中继节点直接将接收到的来自源节点的加有噪声的信号进行放大，然后将这个信号重新发送给目的节点，过程中中继节点不进行解调和解码。图2.5是AF协作的原理图，中继节点R直接对来自源节点的S进行幅度放大，然后传送给目的节点D。图2.5放大转发原理图（2）解码转发解码转发1011（Deco
33、de and Forward，DF），指中继节点要首先对接收的源节点信号进行解调和解码，进行再调制和编码后将处理过的信号发送给目的端。这时采用的解码和重新编码处理往往是接收信号的非线性变换。虽然目的是为了避免AF过程中噪声过大时的影响，但是往往也会因为引入了衰落而使系统性能受到局限。图2.6是DF协作的原理图。图2.6解码转发原理图（3）编码协作编码协作1213(Coded Cooperation，CC)是协作技术和信道编码技术相结合的产物，由校验DF衍生而出。其基本思想是：每个用户都试图为自己的伙伴传输冗余的信息。编码协作有效性的关键是：所有操作都在编码设计下自动实现，中继节点间无需传送反馈
34、信息，即无需知道用户间的信道状态信息。当他们之间的信道质量非常恶劣时，该机制自动恢复到非编码协作模式，继续传递自己的后续信息。CC的原理图如图2.7所示。图2.7编码协作模式原理图固定中继各种协作转发策略的比较：A.放大转发（AF）是最简单的一种方式。优缺点明显，优点是中继节点简单，主要缺点是放大了自己接收的噪声，协作分集的效果不明显。B.解码转发（DF）是AF模式的一个改进，较为复杂，它首先在转发之前除去了噪声的影响。但当信道质量比较恶劣时容易出现差错，导致错误的传播。C.编码协作分集（CC），前面两种情况的发生是以双方都知道彼此信道情况为前提的，这样采用一定的信道估计方案就必不可少。而CC
35、则无需知道双方用户间的信道状况，通过编码来控制第二步协作，这在性能上有很大的优势。同时CC也有很大的缺点，那就是由于中继节点要先编码再解码，导致了较高的复杂度，中继节点处理信号的过程也必然会导致时延增大。2.4.2 自适应中继转发策略固定中继转发策略在传输速率上遭受着确定性的损失，例如，在两个阶段的传输中，频谱效率存在50%的损失。而且固定DF转发策略的性能受限于源节点到中继节点及中继节点到目的节点间信道的较差者，这就导致它能获得的分集为1。为了克服这些问题，可研究自适应的中继转发策略以提高中继转发的有效性。通常主要考虑两种策略：选择性DF转发策略和增量中继转发策略。（1）选择DF转发策略在选
36、择DF转发策略中，系统会预先设定一个信噪比门限值。只有当中继接收信号的信噪比超过了该门限值，中继才开始解码接收信号并将解码信息转发给目的节点。相反，如果源节点和中继节点之间的信道质量变差，使得中继节点处的接收信噪比落到门限值以下，则中继不进行任何操作。通过设定门限值，选择性转发策略避免了转发译码错误的符号这一存在于固定DF中的严重问题，提高了DF的中继性能。如果源节点到中继节点间链路的信噪比超过了门限，中继成功解码源信号的可能性非常大。这种情况下，目的端最大比合并的信号的信噪比是从源节点和中继节点处接收到的信噪比之和。（2）增量中继转发协议增量中继转发协议是这样进行的：第一阶段源节点给目的节点
37、发送信息，目的节点若能正确接收该信号，则通过反馈信道向源节点发送一个确认信息，以告知中继无需再在第二阶段转发信号了。可以看出：对于增量中继转发协议来说，中继无需一直进行转发，它的转发是随机的。这种策略使得增量中继转发策略在所有转发策略中具有最高的频谱效率，它所能获得的分集重数为2。2.5本章小结本章主要综述了协作通信和协作通信中的一些关键技术，重点介绍了协作通信的中继转发策略。第一，介绍了协作通信的基本概念，并依次描述了两个研究协作通信的缘由；第二，综述了协作通信中的分集技术，重点介绍了协作分集技术的概念，工作原理，优点与应用范围以及与协作分集相关的一些内容；第三，主要介绍了协作通信的系统模型
38、，方便对协作通信系统的理解。第四，重点介绍了协作通信中的中继转发策略，尤其是固定中继转发策略中的AF、DF、CC，并对其进行了总结和对比。自适应中继转发策略其实是对固定中继转发策略的改进，是为解决固定转发协议有着50%的频谱资源浪费的问题而提出的，主要包括选择中继转发协议和增量中继转发协议两类，其中增量中继转发协议在所有转发协议中频谱利用率是最高的，因为它能够将目的节点是否正确接收信号的消息反馈回去。第三章中继选择技术研究29第三章 中继选择技术研究3.1 协作通信的优点协作通信作为一种新的通信方式，存在以下主要好处：更高的空间分集增益：通过协作分集，用户可有效抵抗无线信道的小尺度衰落和阴影衰
39、落。更高的吞吐率/更低的时延：用户通过自适应协作可获得更高的数据传输速率，同时减少重传次数和降低数据的传输时延。降低干扰/较低的发送功率：蜂窝网和无线局域网(WLAN)中的用户采用协作分集可对频率资源更加有效地再利用，同时可降低用户发送功率，减小小区间的干扰，扩展网络的覆盖范围。对网络环境的自适应性：能对网络中的节点能量和带宽资源进行有效利用和优化再分配，合理地利用网络资源。要发挥协作通信的优点，就必须抓住其中的关键技术，而作为协作通信中的关键，中继节点选择成为能否为系统带来最大优势的决定性因素。3.2中继网络的系统模型如图3.1所示，中继网络的系统模型14由三部分能组成，m个源节点（Sour
40、ce，S）、m个目的节点（Destination，D）和若干个中继节点（Relay，i=1，2，M)。信号从源节点（S）传输到目的节点（D）要经过三个步骤：图3.1 中继网络的系统模型第一步，源节点发送训练序列，候选中继节点转发训练序列，目标节点从中选择m 个合适的源节点和中继节点，通过反向链路将选择的节点信息反馈到相应的源节点和中继节点。第二步，源节点对要发送的信号进行广播，被选中的中继转发信息，而未被选中的候选中继节点则不进行任何操作。第三步，停止传输，目的节点开始接收并合并由中继节点和源节点传来的信息（一般采用最大接收比合并MRC方式）。3.3中继选择算法的分类在协作通信系统中一个至关重
41、要的问题就是如何选择合适的中继节点，它决定了协作系统是否可以带来增益。关于中继节点的选择算法，依据于不同的分类标准有不同的类型。下面介绍中继选择算法的不同分类。（1）算法执行按算法的执行方式，中继选择算法分为：中心式和分布式。中心式算法是将需要的信息将传送到一个中央节点（例如：基站，接入点等），中心节点使用这些合作上的信息节点选择算法和结果的执行情况并将结果返回到源节点和相应的协同节点。分布式算法是信息节点之间的交流和协调，该节点可以决定是否同意和与谁合作。中心型算法的优势在于从全局整体规划的角度来看，使得全局的工作在最佳状态，但由于需要收集有关信息与计算全局最优，会引入大量通信开销和计算开销
42、。分布式算法往往得到一个局部最优解，但分布式算法分散了通信开销和计算复杂性，分布式算法更适用于非固定网络。（2）协作方式协作系统协作的方式是重要的参数，不同的方式的协同对协作节点生成算法的选择有着显著的影响，例如：在DF协作模式下，节点唯一正确的解码参与协作传输；在AF协作模式下中继节点对源节点没有任何信号的协同处理，所有节点都可以发送信息。这直接影响到合作的节点选择算法的备选集合。因此，协同的方式不同要采取不同的合作节点选择算法。另外我们可以把协作节点的选择和协同方式选择结合起来，在相同的自适应系统中使用不同的协同方式和协同节点选择算法。（3）中继节点的个数中继节点的个数是中继节点选择的一个
43、热点问题，使用单个中继节点还是多个中继节点的选择仍然是大家关注的焦点。使用单节点协同使得接收端的天线易于实现，单中继的选择需要知道各个信道的信道信息，并按照某种规律进行排序，最后在其中选出一个最优节点。但是，单中继的节点处理能力和功率是有限的，信道处于深度衰落时，单中继就无法完成源节点的服务需求，这就凸显了多中继的优势，多中继可以增加系统复用的增益，因此根据要求调整节点个数会使算法更加合理。（4）中继节点的属性环境不同，中继节点的属性也不尽相同。节点可以是固定的，也可是移动的，可以是有源的，也可以是无源的，节点属性的不同直接影响了协作通信的选择策略。例如，在蜂窝网中无论固定的还是移动的中继节点
44、大多是有能量支持的，并且中继节点上大多可能配备多根天线，拥有相对较强处理和传输能力，因此可以将较多的工作转移到中继节点上进行，从而降低移动终端的复杂度和能量消耗，同时为移动终端提供较好的QoS保障。（5）基站端中继协作与用户端中继协作协作不仅可以在用户端进行，也可以在基站端进行。按照协作所在的位置不同，可以分为基站端中继选择和用户端中继选择。用户端中继选择的研究已有很多。与用户端协作相比，基站端协作更易实现，且付出的代价相对较低。此外，在采用干扰协调技术的情况下，基站端协作还可以有效抑制小区间干扰、降低切换时延。3.4典型中继选择算法介绍3.4.1 机会中继选择算法及其改进在机会中继系统模型中
45、，存在一个源节点、一个目的节点以及M个候选中继节点。机会中继的基本思想是：在M个侯选中继节点中，选取某个位于源节点和目的节点之间，具有最好端到端链路的节点作为中继节点。图3.2机会中继系统模型通过监听来自源站的RTS分组和目的站的CTS分组，节点i可以分别获得源站和中继节点i之间的信道信息及中继节点i和目的站d之间的信道信息。然后，每个中继节点就可以计算相应的信道度量参数，的计算方法有如下两种：Equation Section 3（1）最小准则：(3-1)（2）调和平均准则：(3-2)收到CTS分组后，每个节点i都启动一个定时器，其初值为：(3-3)为时常数，具有最大的定时器首先超时，对应中继
46、节点i发出一个标志分组，表明其最佳中继的身份，其他尚未超时的中继节点j在收到该标志分组后将放弃竞争。若各中继节点不能监听到彼此的信息（即隐藏中继），最佳中继将把标志分组发给目的站,然后由目的站发送广播消息来通知其他所有中继节点。图3.3机会中继碰撞发生示意图如图3.3所示，节点b和j分别代表最佳中继和另外一个中继。如果节点j的定时器在内超时,就会有冲突发生。存在隐藏中继时，考虑目的站广播消息的时间，冲突可能会在间隔内发生。最坏的情况下，冲突时长c具有如下最大值：无隐藏中继：(3-4)有隐藏中继：(3-5)其中为中继j和目的站之间的传播时延；为两个中继之间的最大传播时延；为每部无线收发机的收发转
47、换时间；为最佳中继所发标志分组的持续时间。由文献15可知，两个或多个中继的定时器在时长c（c0）内同时超时，进而发生冲突并导致最佳中继选择失败的概率为：(3-6)其中是对递减排序后得到的新序列。显然，冲突概率与的取值密切相关。同时还决定了最佳中继选择所需要的平均时间，即(3-7)其中代表源站和中继之间的最大传播时延。由式（3-7）可知，取值不能太大，否则中继选择太慢,无法满足远高于信道变化速度的要求。作为基于瞬时信道信息的中继选择技术的代表，机会中继算法简单实用，可以获得与传统分集技术相同的分集增益，其优势在于不需要使用复杂的空时编码技术。但是当多个节点同时竞争最佳中继时，很可能出现冲突，从而
48、导致选择失败，而且随着竞争节点数的增加失败概率也明显提高。因此，有大量文献对机会中继算法提出各种改进，以降低冲突概率。论文16提出了一种改进方案来降低最佳中继选择失败的概率。其基本思想是：其基本思想是在多个中继进行竞争时，由源站对胜出的最佳中继发出的标志信息进行确认；发生冲突的中继则在随机退避一段时间之后重新竞争最佳中继的位置。具体算法流程如下：（1）每个候选中继i通过监听RTS 和CTS 分组来测量信道增益和，并计算信道质量参数，启动定时器；（2）当最小的定时器超时后，对应的最佳中继b向源站发送一个包含其自身标识信息的标志分组，并启动初始值为TAC的确认定时器；（3）在收到一个正确的标志分组之后，源站向所有中继广播确认消息ACK，其中包含被
