協(xié)作通信的中繼選擇算法研究學士學位論文

1、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　近年來，新興的多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output, MIMO)技術為改善通信系統(tǒng)性能、提高小區(qū)邊緣用戶的吞吐量和傳輸可靠性提供了一條有效的解決途徑。協(xié)作通信技術則充分利用了無線電波的全向傳播特性，使無線網(wǎng)絡中的節(jié)點相互協(xié)作形成了虛擬的天線陣列來獲得傳統(tǒng)MIMO技術可以得到的空間分集增益。&

2、lt;/p><p>　　作為一種新型的MIMO通信模式，中繼節(jié)點選擇技術是其關鍵技術之一，決定了協(xié)作是否能夠帶來性能增益。文章簡要概述了協(xié)作通信的相關技術，依據(jù)不同分類對中繼節(jié)點選擇算法進行分類介紹，并且對近年來典型的中繼節(jié)點選擇算法進行分析和比較。得出結論：只有根據(jù)系統(tǒng)需求合理地選擇、配置中繼節(jié)點才能更好地優(yōu)化協(xié)同通信的性能。</p><p>　　關鍵詞：MIMO協(xié)作通信協(xié)作分集中繼選擇&l

3、t;/p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　In recent years, the emerging MIMO (Multiple Input Multiple Output) technology provides an effective solution to improve communication system perform

4、ance, improve the throughput and transmission reliability of the users on the edge of the cell. Cooperative communication technology takes full advantage of radio wave’s propagation characteristics to make nodes in the w

5、ireless network form a virtual antenna array to get the spatial diversity gain as traditional MIMO technology can have.</p><p>　　As a new MIMO communication mode, relay node selection technique is one of its

6、 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

7、to different categories of classification, analyzes and compares several typical relay node selection algorithms. In the last, we get a conclusion that the only choose reasonable relay nodes based on sy</p><p&

8、gt;　　Keywords: MIMO Cooperative Communications Cooperative Diversity</p><p>　　Relay Selection</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　第一章 緒論5</b></p><

9、;p>　　1.1 通信技術的發(fā)展5</p><p>　　1.2 4G技術介紹5</p><p>　　1.2.1 4G技術簡介5</p><p>　　1.2.2 4G中的通信技術5</p><p>　　1.3 協(xié)作通信的背景5</p><p>　　1.4 論文的主要工作5</p><

10、p>　　第二章 協(xié)作通信與中繼選擇概述5</p><p>　　2.1協(xié)作通信的概念及其研究意義5</p><p>　　2.2協(xié)作分集技術5</p><p>　　2.2.1 協(xié)作分集的優(yōu)點5</p><p>　　2.2.2 協(xié)作分集的應用范圍5</p><p>　　2.3 中繼信道模型5</p&g

11、t;<p>　　2.4 中繼節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)策略5</p><p>　　2.4.1 固定中繼轉(zhuǎn)發(fā)策略5</p><p>　　2.4.2 自適應中繼轉(zhuǎn)發(fā)策略5</p><p><b>　　2.5本章小結5</b></p><p>　　第三章 中繼選擇技術研究5</p><p>　　

12、3.1 協(xié)作通信的優(yōu)點5</p><p>　　3.2中繼網(wǎng)絡的系統(tǒng)模型5</p><p>　　3.3中繼選擇算法的分類5</p><p>　　3.4典型中繼選擇算法介紹5</p><p>　　3.4.1 機會中繼選擇算法及其改進5</p><p>　　3.4.2 貪婪算法及其應用：5</p>

13、<p>　　3.4.3 基于延時的伙伴選擇算法5</p><p>　　3.4.4 考慮用戶公平性的中繼選擇5</p><p>　　3.5 本章小結5</p><p>　　第四章 仿真結果及分析5</p><p>　　4.1 中繼轉(zhuǎn)發(fā)策略AF、DF仿真5</p><p>　　4.1.1 仿真參數(shù)設定

14、5</p><p>　　4.1.2 仿真結果分析5</p><p>　　4.2 機會中繼選擇算法仿真5</p><p>　　4.2.1 仿真參數(shù)設定5</p><p>　　4.2.2 仿真結果分析5</p><p>　　4.3 本章小結5</p><p>　　第五章 總結與展望5&l

15、t;/p><p><b>　　5.1 總結5</b></p><p><b>　　5.2展望5</b></p><p><b>　　致謝5</b></p><p><b>　　參考文獻5</b></p><p><b>

16、;　　第一章 緒論</b></p><h3>　　1.1 通信技術的發(fā)展</h2><p>　　人類幾千年的發(fā)展歷史中無線通信技術發(fā)揮了極其重要的作用。我國古代烽火戲諸侯所用的烽火臺就是最早的傳遞信息的平臺，1897年，馬可尼（Guglielmo Marconi）第一次向全世界展示了無線通信的威力，他實現(xiàn)了在布里斯托爾海峽中船只相互的持續(xù)通信。自此，移動物體之間的通信也因為成了

17、人們關注的焦點而得到了巨大的發(fā)展，全世界科學家不斷經(jīng)歷著一代又一代新的無線通信技術的更新，人們也開始享受無線通信帶來的各種服務。</p><p>　　最初，無線通信技術是隨著技術的發(fā)展而緩慢發(fā)展的。直到20世紀60-70年代，高可靠度、小型的晶體射頻技術的發(fā)展才開啟了無線通信的時代。之后，這些技術逐漸成熟，推動了近年來全球蜂窩網(wǎng)和個人通信的飛速發(fā)展。20世紀以來無線通信用戶成數(shù)量級的增長趨勢，第一代通信技術起源于

18、80年代，主要采用模擬和頻分多址（FDMA）技術，僅能提供話音服務，不能傳輸數(shù)據(jù)。第二代數(shù)字通信系統(tǒng)（2G）起源于90年代初，主要采用時分多址（TDMA）和碼分多址（CDMA）技術，其傳輸速度只有9.6bps，最高可達32kbps。到了21世紀，世界的發(fā)展進入到信息時代，知識爆炸式的增長對通信行業(yè)也造成了極大的沖擊與震動，一些過去不被人關注的問題漸漸成為人們研究的熱點，近年來協(xié)作通信作為一個新的研究熱點而被人們廣泛關注。第三代通信系統(tǒng)的

19、數(shù)據(jù)傳輸速率可達2Mbps，但其仍是一個基于地面標準不一的區(qū)域性通信系統(tǒng)，無法滿足多媒體通信的要求。</p><h3>　　1.2 4G技術介紹</h2><h4>　　1.2.1 4G技術簡介</h2><p>　　從20世紀末3G技術完成標準化之時，4G技術的研究工作就已經(jīng)開始了。IMT-Advanced是國際電信聯(lián)盟(ITU，International Tel

20、ecommunication Union)為滿足未來10～15年全球移動通信需求而啟動的。ITU于2005年定義了性能遠優(yōu)于3G的新一代寬帶移動通信系統(tǒng)IMT-Advanced為：具有超過IMT-2000能力的新一代移動通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠提供廣泛的電信業(yè)務，特別是由移動和固定網(wǎng)絡支持的日益增加的基于包傳輸?shù)南冗M的移動業(yè)務。IMT-Advanced系統(tǒng)支持從低到高的移動性的應用和很寬范圍的數(shù)據(jù)速率，滿足多種用戶環(huán)境下用戶和業(yè)務的需求。I

21、MT-Advanced系統(tǒng)還具有在廣泛服務和平臺下提供顯著提升QoS的高質(zhì)量多媒體應用的能力。IMT-Advanced對頻譜有效性和功率有效性提出了更高的要求，為了滿足新的移動通信應用需求，無線通信系統(tǒng)需要向高頻段、高速率、高效率以及與因特網(wǎng)等其它網(wǎng)絡融合的方向發(fā)展，同時需要充分挖掘利用空間無線資源和采用新型的網(wǎng)絡結構，對現(xiàn)有的蜂窩系統(tǒng)構架以及無線傳輸技術需要進行較大的變革。此外，改善小區(qū)（或扇區(qū)）邊緣終端</p><

22、;p>　　IMT-Advanced的關鍵特性包括：在保持成本效率的條件下，在支持靈活廣泛的服務和應用的基礎上，達到世界范圍內(nèi)的高度通用性；支持IMT業(yè)務和固定網(wǎng)絡業(yè)務的能力；高質(zhì)量的移動服務；用戶終端適合全球使用；友好的應用、服務和設備；世界范圍內(nèi)的漫游能力；增強的峰值速率以支持新的業(yè)務和應用。</p><h4>　　1.2.2 4G中的通信技術</h2><p>　　為了實現(xiàn)4G中

23、通信的基本要求，需要引入新的先進的通信技術，同時調(diào)整傳統(tǒng)網(wǎng)絡構架，以進一步提高無線通信系統(tǒng)的傳輸性能，適應未來移動通信的需求。為此，3GPP和IEEE基于分布式網(wǎng)絡架構分別提出了多天線增強、協(xié)作多點傳輸(CoMP，Coordinated Multi-Point)、中繼等技術。具體可以歸結為以下幾點： </p><p>　　多用戶多MIMO模式技術</p><p>　　對于多用戶MIMO傳輸

24、，不同用戶可使用不同的調(diào)制編碼方式。根據(jù)天線配置、系統(tǒng)負載、信道信息、UE移動速度、平均信噪比等信息，BS和UE可在各種MIMO模式之間轉(zhuǎn)換。MIMO模式間的選擇一般取決于如何最大化吞吐量或覆蓋范圍。</p><p>　　IEEE提出的智能MIMO技術支持各種MIMO模式之間的自適應轉(zhuǎn)換。根據(jù)信道條件，通過選擇合適的MIMO模式，能夠在不降低覆蓋范圍的情況下提高頻譜利用率。采用智能MIMO方式，可以克服不同場景帶

25、來的不確定性，使MIMO技術具有更廣泛的應用場景。例如，對于同網(wǎng)絡下的不同終端，其天線數(shù)目可能是不同的，因而若在同一小區(qū)采用相同的MIMO傳輸方法，難以達到優(yōu)化設計目標。此外，不同用戶經(jīng)歷的衰落也是不一樣的，自適應選擇不同MIMO模式以適應信道變化，可以優(yōu)化系統(tǒng)性能。</p><p>　　多用戶多MIMO模式技術面臨的主要問題是：1)如何利用感知信息，優(yōu)化MIMO模式選擇。2)如何實現(xiàn)低復雜度的多用戶MIMO檢測

26、和干擾抵消算法。目前，國際上大部分研究主要集中于串行干擾抵消、并行干擾抵消、球形檢測、樹搜索檢測等方法，然而這些方法還不能提供復雜性和性能的之間的良好統(tǒng)一。</p><p>　　協(xié)作MIMO和波束成形/預編碼技術</p><p>　　協(xié)作MIMO是一種將空間上不在同一位置的天線通過某種方式“協(xié)作”在一起，形成協(xié)作多天線形式的技術。協(xié)作MIMO可用在上行或下行系統(tǒng)中，在協(xié)作MIMO發(fā)送方式下

27、，多個空間信道具有較好正交性的用戶可以共享相同的時域和頻域資源，提高上/下行系統(tǒng)的容量。</p><p>　　協(xié)作MIMO有以下幾種形式：1)基于非預編碼的協(xié)作中繼傳輸，僅需交換業(yè)務信息。2)基于MIMO預編碼的協(xié)作波束成形傳輸，簡稱協(xié)作MIMO-BF，不僅需要交換業(yè)務信息，還需要交換信道信息。協(xié)作MIMO-BF技術，一方面，可以利用信道狀態(tài)信息，通過基帶的MIMO預編碼算法，實現(xiàn)波束成形；另一方面，也可以利用接

28、收端反饋的信息，進行射頻的波束調(diào)整；同時獲得空間分集增益、空間復用增益、天線陣列增益，大幅度提升系統(tǒng)性能。</p><p>　　協(xié)作MIMO和波束成形/預編碼技術目前面臨的主要問題是：1)優(yōu)化的協(xié)作資源分配和管理，包括協(xié)作集合(伙伴)的優(yōu)選問題；2)虛擬MIMO的協(xié)作檢測與多用戶干擾抑制；3)非理想信道信息條件下，如何穩(wěn)健實施協(xié)作波束成形。</p><p>　　3GPP提出的CoMP技術&

29、lt;/p><p>　　協(xié)作多點傳輸(CoMP，Coordinated Multi-Point)，指多個地理位置相互獨立分散的傳輸點通過不同的協(xié)作方式(如聯(lián)合傳輸、聯(lián)合處理、協(xié)作調(diào)度等)為多個用</p><p>　　戶服務。其中，多個傳輸點可以是具有完整資源管理模塊、基帶處理模塊和射頻單元的基站，或者是地理位置互異的多個射頻單元RRU及天線(如分布式天線)，或者是中繼節(jié)點。</p>

30、<p>　　CoMP技術可以分為上行多點接收和下行多點傳輸。下行CoMP又分為兩類：1)協(xié)作調(diào)度/波束賦形(CS/CB)：利用不同小區(qū)之間的信息交互，通過對資源(時間、頻率、空間等)的調(diào)度，包括波束賦形向量的調(diào)度來減少小區(qū)間干擾(ICI)，從而改善小區(qū)邊緣性能，提高系統(tǒng)吞吐量。2)聯(lián)合處理(JP)：利用不同小區(qū)基站天線到用戶的空間分集來提高小區(qū)邊緣用戶性能。</p><p>　　CoMP技術目前面臨

31、的主要問題是：1)CoMP技術需要多種物理層傳輸技術的支持，如適應多小區(qū)聯(lián)合傳輸?shù)腗IMO技術、預編碼技術、高效的信道估計和聯(lián)合檢測技術等。2)先進有效的無線資源管理方案也是影響CoMP技術性能的重要因素，如小區(qū)資源分配策略、負載均衡、聯(lián)合傳輸中協(xié)作點的優(yōu)選機制。3)在引入CoMP技術后，系統(tǒng)中的切換場景將發(fā)生變換，現(xiàn)有系統(tǒng)中的切換策略將無法滿足新場景中的切換需要，因此設計有效的切換策略成為CoMP技術中亟待解決的問題。4)協(xié)作傳輸中的

32、同步協(xié)調(diào)和多普勒頻偏補償問題，被認為是公開的難題，尚待突破。</p><p>　　IEEE提出的網(wǎng)絡MIMO技術</p><p>　　網(wǎng)絡MIMO技術通過多基站間的協(xié)作聯(lián)合處理來降低小區(qū)間干擾，提升扇區(qū)頻譜效率和小區(qū)邊緣頻譜效率，主要技術有：多基站協(xié)同的多基站預編碼技術和多基站協(xié)同的單基站預編碼技術。 </p><p>　　此時，多個基站聯(lián)合處理，為多個基站的用戶提

33、供數(shù)據(jù)，這需要扇區(qū)間協(xié)調(diào)和通信的配合。通過聯(lián)合的信號處理，以降低扇區(qū)間干擾，提高小區(qū)邊緣吞吐量。</p><p>　　網(wǎng)絡MIMO技術目前面臨的主要問題與CoMP技術相同。</p><h3>　　1.3 協(xié)作通信的背景</h2><p>　　關于協(xié)作通信的基本思想可以追溯到Cover 和El Gamal 關于中繼信道的信息論特性[2]。他們分析了一個三節(jié)點網(wǎng)絡（一個

34、源節(jié)點，一個目的節(jié)點，一個中繼節(jié)點）的容量，他們假設所有節(jié)點的工作頻帶相同，這樣系統(tǒng)便可以分解為一個廣播信道（從源節(jié)點來看）和一個多址信道（從目的節(jié)點來看）。</p><p>　　然而，在協(xié)作通信的很多方面我們考慮的與中繼信道都是不同的。首先，目前的研究集中在如何產(chǎn)生克服衰落的分集，而Cover 和El Gamal 主要分析在加性白高斯噪聲信道（AWGN，Additive White Gaussian Noise

35、）下的信道容量[3]。其次，在中繼信道中，中繼的目的是為了幫助主信道，然而在協(xié)作通信中，整個系統(tǒng)的資源是固定的，用戶既是信息源又是中繼者。</p><p>　　最近幾年，隨著分集技術的發(fā)展，協(xié)作通信成為了當前無線通信中的研究熱點。研究協(xié)作通信一個主要目的就是對抗無線信道的多徑衰落。因為無線信道的衰落是隨機的（考慮小尺度衰落，在微小的時間和空間差別下信號的強度發(fā)生大的變化），如果S-D信道正好處于深度衰落，不利于通

36、信；而距離源節(jié)點旁邊的伙伴節(jié)點其R-D信道卻可能處于很好的信道狀態(tài)。因此，源節(jié)點可以尋求伙伴節(jié)點的幫助，先把數(shù)據(jù)發(fā)給伙伴節(jié)點，再由伙伴節(jié)點把數(shù)據(jù)發(fā)給目的節(jié)點。</p><p>　　支撐協(xié)作通信發(fā)展的另外一個技術是MIMO（多輸入多輸出）技術。MIMO技術利用了無線衰落信道中不同傳播路徑的獨立性，通過在收發(fā)兩端裝備多副天線，能夠有效的提高傳輸容量或者增強傳輸?shù)目煽啃?。然而，對于很多價格低廉，體積小巧的設備（例如無線

37、傳感器節(jié)點、手機等），裝備多個天線是非常困難的，如果能夠?qū)⑻幱谝粋€區(qū)域內(nèi)部彼此鄰近的多個節(jié)點聯(lián)合起來，形成一個虛擬的MIMO陣列，就有能夠獲得傳統(tǒng)MIMO的傳輸效果[4]。</p><h3>　　1.4 論文的主要工作</h2><p>　　本文主要對協(xié)作通信中繼節(jié)點選擇進行研究，綜述當前協(xié)作通信中的相關知識、關鍵技術和一些中繼選擇算法，并對其進行分析比較。內(nèi)容結構安排如下：</p&

38、gt;<p>　　第一章：主要介紹了無線通信結束的發(fā)展和協(xié)作通信的研究背景及論文的主要結構安排。</p><p>　　第二章：主要介紹了協(xié)作通信相關概念以及協(xié)作通信中的關鍵技術，重點介紹了協(xié)作分集技術和中繼轉(zhuǎn)發(fā)策略。</p><p>　　第三章：主要研究了協(xié)作通信的好處、系統(tǒng)模型和中繼選擇算法的分類，并且代表性的介紹了機會中繼選擇算法、貪婪算法和基于延時的伙伴選擇算法。<

39、;/p><p>　　第四章：主要對中繼轉(zhuǎn)發(fā)策略AF、DF和機會中繼選擇算法作了一些簡單的仿真和性能分析。</p><p>　　第五章：總結與展望，對論文中待研究的問題綜述性地進行介紹。</p><h2>　　第二章 協(xié)作通信與中繼選擇概述</h2><h3>　　2.1協(xié)作通信的概念及其研究意義</h2><p>　　協(xié)作

40、（Cooperative）顧名思義就是相互幫助使得幫助的雙方同時獲益。事實上，協(xié)作的思想在通信領域中并不是首次出現(xiàn)，它最早是隨著計算機網(wǎng)絡的發(fā)展而出現(xiàn)的，計算機網(wǎng)絡中早就開發(fā)了各種協(xié)作技術和平臺?！皡f(xié)作”英文可譯為cooperative，coordinative，relative等等，表達的觀念就是在一個多點的網(wǎng)狀網(wǎng)絡結構中，多個網(wǎng)絡節(jié)點參與協(xié)同工作，以達到共同的或者是獨立的目的的一種策略。其基本思想是在多用戶環(huán)境中，具有單根天線的移動

41、臺可以按照一定的方式來共享彼此的天線從而產(chǎn)生一個虛擬MIMO系統(tǒng)，從而獲得分集增益。將協(xié)作的概念引入到通信中來，預期可以提高網(wǎng)絡的整體性能。</p><p>　　圖2.1兩個用戶的協(xié)作通信</p><p>　　近幾年來，在無線通信領域中協(xié)作思想也有廣泛的研究，涉及到“協(xié)作”、“協(xié)同”、“聯(lián)合”等詞匯的技術均可以看做屬于協(xié)作通信的范疇，在與協(xié)作思想相關的眾多文獻中，對于上行鏈路，出現(xiàn)最頻繁的

42、相關概念是“協(xié)作分集”，而對于下行鏈路，則多帶有“基站聯(lián)合”、“基站協(xié)作”等關鍵詞。從協(xié)作的對象來看，主要包括基站、移動臺或中繼等。在本論文中，主要關注的是上行鏈路中的用戶協(xié)作，即協(xié)作分集技術。研究協(xié)作通信技術的原因大致可以分為以下兩種：</p><p>　　第一種，網(wǎng)絡中有空余的資源。在某一傳輸?shù)臅r間段內(nèi)通信系統(tǒng)可能僅僅有一部分有通信需求，因此網(wǎng)絡中會存在較多的終端處于空閑狀態(tài)，而由于傳統(tǒng)的蜂窩系統(tǒng)都把終端看成

43、獨立的通信個體，這樣就使得很多終端資源得不到利用而被浪費掉，另外，移動終端的差異性也會造成資源的浪費，比如一些計算機處理信號的能力強，而另一些則較差。再者，距離基站較近的移動終端有較好的通信能力，較遠的則相對差些。如果把這些移動終端都看成是相互的一個整體，則他們可以相互協(xié)助傳遞對方的信息和自己的信息，這樣就節(jié)約了大量的網(wǎng)絡資源，有利于通信系統(tǒng)整體性能的提高。</p><p>　　第二種，協(xié)作通信有助于系統(tǒng)獲得增益

44、。研究[5]表明協(xié)作通信可以提供全部的空間分集增益，即n個參與協(xié)作通信的節(jié)點提供的空間分集增益等同于信源節(jié)點具有n個獨立天線發(fā)射提供的增益。此外，協(xié)作通信還具有能克服由于多徑而引起的信道衰落、增強系統(tǒng)可靠性、擴大覆蓋能力、改善小區(qū)邊緣用戶的服務質(zhì)量以及提高頻譜利用率等優(yōu)勢。</p><p><b>　　2.2協(xié)作分集技術</b></p><p>　　1998年Send

45、onaris等人提出了使用單天線的移動終端也可實現(xiàn)分集的新技術——協(xié)作分集：系統(tǒng)中的每個移動終端都有一個或多個伙伴（partner），協(xié)作伙伴在發(fā)送自己信息的同時也有責任發(fā)送對方的信息。每個終端既利用了自己又利用了其合作伙伴的空間，獲得一定的空域分集增益。由于彼此分享天線，又構成了一個虛擬的MIMO多天線系統(tǒng)。</p><p>　　如圖2.2所示，是一個移動終端間的協(xié)作分集，用戶2以廣播形式向基站發(fā)送信息，它的信

46、息同時被基站和用戶1所接收，這時用戶1處理信息。然后將處理的信號再發(fā)向基站，而此時的用戶2也同時發(fā)送信息，最終形成兩條獨立的信道傳輸信號。</p><p>　　圖2.2移動終端間的協(xié)作分集</p><h4>　　2.2.1 協(xié)作分集的優(yōu)點</h2><p>　　促進MIMO技術的實用化是協(xié)作分集最大的好處，它有可能帶來無線通信領域的巨大變革。傳統(tǒng)的MIMO技術通過在

47、發(fā)射/接收端配置多個天線構成多發(fā)射/接收天線分集，但這對于小型移動終端來說是很不現(xiàn)實的，于是就導致了MIMO技術在蜂窩網(wǎng)以及Ad Hoc等網(wǎng)絡中難以實用化。協(xié)作分集為MIMO技術在小型移動終端的應用找到了新的出路，是一種很有前途的空間分集技術?？梢哉f，協(xié)作分集可以使MIMO技術的各種優(yōu)勢得以發(fā)揮，能夠切實地利用空間資源來提高通信系統(tǒng)的性能，包括提升系統(tǒng)容量、增大數(shù)據(jù)傳輸速率、有效對抗衰落以及降低系統(tǒng)的服務中斷概率，提高系統(tǒng)的服務質(zhì)量和可

48、靠性等。</p><h4>　　2.2.2 協(xié)作分集的應用范圍</h2><p>　　協(xié)作分集的思想具有非常廣闊的應用前景，可用于非移動通信系統(tǒng)、無線Ad-hoc網(wǎng)絡、無線局域網(wǎng)以及無線傳感器網(wǎng)絡等多種場合，也可以應用于抗干擾通信中?？垢蓴_的基本方法有直接序列擴頻、跳頻、跳時以及它們的混合應用，但是這些方法都沒有利用空間資源，而協(xié)作分集在某種意義上可以看作是一種空跳。協(xié)作分集技術從另一個角

49、度可以看作是根據(jù)一定的準則（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、跳時的結論推出，隨著參與用戶數(shù)、空跳幅度以及跳速的提高，空跳增益將會越大。</p><h3>　　2.3 中繼信道模型</h2><p>　　協(xié)作通信的概念是建立在中繼信道模型的基礎上的，它是一種新的空間分集技術。它利用了無線電波的廣播特性，每一個節(jié)點都可以接收到其他節(jié)點發(fā)送的信號并經(jīng)過一定

50、的處理后轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點，這樣不同的用戶就可以共享彼此的天線而形成空間分集。</p><p>　　如圖2.3所示，協(xié)作中繼過程是這樣的：源節(jié)點發(fā)送有用信號，由于無線電波的廣播特性，網(wǎng)絡中存在一些潛在的中繼節(jié)點能夠偵聽到源節(jié)點發(fā)送的信號，通過在節(jié)點上執(zhí)行適當?shù)男盘柼幚硭惴?，中繼節(jié)點將從源節(jié)點處偵聽到的傳輸信號進行相應處理，并且通過中繼信道將消息傳輸?shù)侥康墓?jié)點。中繼信息隨后在目的節(jié)點進行組合以產(chǎn)生空間分集。這就產(chǎn)生了這

51、樣一個網(wǎng)絡，它可以被認為是一個執(zhí)行分布式多天線的系統(tǒng)，協(xié)作節(jié)點為彼此產(chǎn)生了不同的信號路徑。中繼信道[6]可以認為是源和目的端之間直接信道的一種輔助信道，中繼節(jié)點通常距源節(jié)點有幾個波長的距離，所以中繼信道與直接信道之間互相獨立，因此源和目的端之間構成了一個滿秩的MIMO信道。而滿秩傳輸?shù)腗IMO可以提供非常高的傳輸速率，這正是現(xiàn)代無線通信所急需的。</p><p>　　圖2.3直接傳輸與協(xié)作傳輸?shù)牟顒e，以及協(xié)作傳輸

52、可能帶來的覆蓋范圍的增大</p><p>　　在這一部分，我們將介紹中繼信道模型。為敘述的方便，這里僅考慮一個中繼協(xié)助源節(jié)點的發(fā)送，這個中繼可以是網(wǎng)絡中眾多中繼中的任何一個。同時假設中繼為半雙工模式，即中繼不能同時進行發(fā)送和接收。通常一個中繼策略可以分為兩個正交的階段：階段1，源節(jié)點發(fā)送信息到目的節(jié)點，同時中繼節(jié)點也接收到源節(jié)點發(fā)送的信息；階段2，中繼節(jié)點通過轉(zhuǎn)發(fā)或者重新發(fā)送源節(jié)點的信息來幫助源節(jié)點。信息傳送過程

53、中通常采用TDMA或FDMA，以避免兩階段之間產(chǎn)生干擾。</p><p>　　圖2.4描述了一個簡化的協(xié)作模型。源的發(fā)射功率為,而中繼發(fā)射功率為。為簡單起見，這里假設源和目的采用相同的發(fā)射功率。階段1，源節(jié)點向目的節(jié)點和中繼節(jié)點廣播信息。目的節(jié)點和中繼節(jié)點接收到的信號分別為和。</p><p>　　圖2.4 簡化協(xié)作模型</p><p><b>　　(2-

54、1)</b></p><p><b>　　(2-2)</b></p><p>　　其中，是源的發(fā)射功率，是發(fā)送的信息符號，，是加性噪聲。和分別是源到目的和源到中繼的信道系數(shù)。它們分別為零均值且方差為和的復高斯隨機變量。噪聲和為零均值且方差為的復高斯隨機變量。</p><p>　　階段2，中繼將處理后的源信號向目的轉(zhuǎn)發(fā)，目的接收到的信

55、號為：</p><p><b>　　(2-3)</b></p><p>　　其中，函數(shù)取決于中繼節(jié)點所采用的處理方式。</p><h3>　　2.4 中繼節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)策略</h2><h4>　　2.4.1 固定中繼轉(zhuǎn)發(fā)策略</h2><p>　　文獻[7]根據(jù)協(xié)作伙伴節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)信號方式的不同，提出了

56、Fixed-Relaying、Selection-Relaying、Incremental-Relaying等幾種中繼轉(zhuǎn)發(fā)策略。在本論文中介紹的所有算法中，都是基于固定中繼的。固定中繼技術有著相對簡單的網(wǎng)絡結構和路由及切換算法，安全性也較高，關鍵是，固定中繼的引入無需對整個網(wǎng)絡的主要技術、協(xié)議以及整體布局作太大的變化，尤其在現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)中，引入固定中繼節(jié)點是一種低成本實現(xiàn)網(wǎng)絡性能優(yōu)化的方案，具有很高的可行性。這里重點介紹固定中繼（Fix

57、ed-Relaying）中的幾個協(xié)作策略。</p><p><b>　　（1）放大轉(zhuǎn)發(fā)AF</b></p><p>　　放大轉(zhuǎn)發(fā)[8][9](Amplify and Forward，AF)，是指中繼節(jié)點直接將接收到的來自源節(jié)點的加有噪聲的信號進行放大，然后將這個信號重新發(fā)送給目的節(jié)點，過程中中繼節(jié)點不進行解調(diào)和解碼。圖2.5是AF協(xié)作的原理圖，中繼節(jié)點R直接對來自源節(jié)

58、點的S進行幅度放大，然后傳送給目的節(jié)點D。</p><p>　　圖2.5放大轉(zhuǎn)發(fā)原理圖</p><p><b>　?。?）解碼轉(zhuǎn)發(fā)</b></p><p>　　解碼轉(zhuǎn)發(fā)[10][11]（Decode and Forward，DF），指中繼節(jié)點要首先對接收的源節(jié)點信號進行解調(diào)和解碼，進行再調(diào)制和編碼后將處理過的信號發(fā)送給目的端。這時采用的解碼和重

59、新編碼處理往往是接收信號的非線性變換。雖然目的是為了避免AF過程中噪聲過大時的影響，但是往往也會因為引入了衰落而使系統(tǒng)性能受到局限。圖2.6是DF協(xié)作的原理圖。</p><p>　　圖2.6解碼轉(zhuǎn)發(fā)原理圖</p><p><b>　?。?）編碼協(xié)作</b></p><p>　　編碼協(xié)作[12][13](Coded Cooperation，CC)

60、是協(xié)作技術和信道編碼技術相結合的產(chǎn)物，由校驗DF衍生而出。其基本思想是：每個用戶都試圖為自己的伙伴傳輸冗余的信息。編碼協(xié)作有效性的關鍵是：所有操作都在編碼設計下自動實現(xiàn)，中繼節(jié)點間無需傳送反饋信息，即無需知道用戶間的信道狀態(tài)信息。當他們之間的信道質(zhì)量非常惡劣時，該機制自動恢復到非編碼協(xié)作模式，繼續(xù)傳遞自己的后續(xù)信息。CC的原理圖如圖2.7所示。</p><p>　　圖2.7編碼協(xié)作模式原理圖</p>

61、<p>　　固定中繼各種協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)策略的比較：</p><p>　　A.放大轉(zhuǎn)發(fā)（AF）是最簡單的一種方式。優(yōu)缺點明顯，優(yōu)點是中繼節(jié)點簡單，主要缺點是放大了自己接收的噪聲，協(xié)作分集的效果不明顯。</p><p>　　B.解碼轉(zhuǎn)發(fā)（DF）是AF模式的一個改進，較為復雜，它首先在轉(zhuǎn)發(fā)之前除去了噪聲的影響。但當信道質(zhì)量比較惡劣時容易出現(xiàn)差錯，導致錯誤的傳播。</p>&l

62、t;p>　　C.編碼協(xié)作分集（CC），前面兩種情況的發(fā)生是以雙方都知道彼此信道情況為前提的，這樣采用一定的信道估計方案就必不可少。而CC則無需知道雙方用戶間的信道狀況，通過編碼來控制第二步協(xié)作，這在性能上有很大的優(yōu)勢。同時CC也有很大的缺點，那就是由于中繼節(jié)點要先編碼再解碼，導致了較高的復雜度，中繼節(jié)點處理信號的過程也必然會導致時延增大。</p><h4>　　2.4.2 自適應中繼轉(zhuǎn)發(fā)策略</h2&

63、gt;<p>　　固定中繼轉(zhuǎn)發(fā)策略在傳輸速率上遭受著確定性的損失，例如，在兩個階段的傳輸中，頻譜效率存在50%的損失。而且固定DF轉(zhuǎn)發(fā)策略的性能受限于源節(jié)點到中繼節(jié)點及中繼節(jié)點到目的節(jié)點間信道的較差者，這就導致它能獲得的分集為1。為了克服這些問題，可研究自適應的中繼轉(zhuǎn)發(fā)策略以提高中繼轉(zhuǎn)發(fā)的有效性。通常主要考慮兩種策略：選擇性DF轉(zhuǎn)發(fā)策略和增量中繼轉(zhuǎn)發(fā)策略。</p><p>　　（1）選擇DF轉(zhuǎn)發(fā)策略

64、</p><p>　　在選擇DF轉(zhuǎn)發(fā)策略中，系統(tǒng)會預先設定一個信噪比門限值。只有當中繼接收信號的信噪比超過了該門限值，中繼才開始解碼接收信號并將解碼信息轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點。相反，如果源節(jié)點和中繼節(jié)點之間的信道質(zhì)量變差，使得中繼節(jié)點處的接收信噪比落到門限值以下，則中繼不進行任何操作。通過設定門限值，選擇性轉(zhuǎn)發(fā)策略避免了轉(zhuǎn)發(fā)譯碼錯誤的符號這一存在于固定DF中的嚴重問題，提高了DF的中繼性能。如果源節(jié)點到中繼節(jié)點間鏈路的信

65、噪比超過了門限，中繼成功解碼源信號的可能性非常大。這種情況下，目的端最大比合并的信號的信噪比是從源節(jié)點和中繼節(jié)點處接收到的信噪比之和。</p><p>　?。?）增量中繼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議</p><p>　　增量中繼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議是這樣進行的：第一階段源節(jié)點給目的節(jié)點發(fā)送信息，目的節(jié)點若能正確接收該信號，則通過反饋信道向源節(jié)點發(fā)送一個確認信息，以告知中繼無需再在第二階段轉(zhuǎn)發(fā)信號了?？梢钥闯觯簩τ谠隽恐欣^

66、轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議來說，中繼無需一直進行轉(zhuǎn)發(fā)，它的轉(zhuǎn)發(fā)是隨機的。這種策略使得增量中繼轉(zhuǎn)發(fā)策略在所有轉(zhuǎn)發(fā)策略中具有最高的頻譜效率，它所能獲得的分集重數(shù)為2。</p><p><b>　　2.5本章小結</b></p><p>　　本章主要綜述了協(xié)作通信和協(xié)作通信中的一些關鍵技術，重點介紹了協(xié)作通信的中繼轉(zhuǎn)發(fā)策略。第一，介紹了協(xié)作通信的基本概念，并依次描述了兩個研究協(xié)作通信的緣由；

67、第二，綜述了協(xié)作通信中的分集技術，重點介紹了協(xié)作分集技術的概念，工作原理，優(yōu)點與應用范圍以及與協(xié)作分集相關的一些內(nèi)容；第三，主要介紹了協(xié)作通信的系統(tǒng)模型，方便對協(xié)作通信系統(tǒng)的理解。第四，重點介紹了協(xié)作通信中的中繼轉(zhuǎn)發(fā)策略，尤其是固定中繼轉(zhuǎn)發(fā)策略中的AF、DF、CC，并對其進行了總結和對比。自適應中繼轉(zhuǎn)發(fā)策略其實是對固定中繼轉(zhuǎn)發(fā)策略的改進，是為解決固定轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議有著50%的頻譜資源浪費的問題而提出的，主要包括選擇中繼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議和增量中繼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)

68、議兩類，其中增量中繼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議在所有轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議中頻譜利用率是最高的，因為它能夠?qū)⒛康墓?jié)點是否正確接收信號的消息反饋回去。</p><h2>　　第三章 中繼選擇技術研究</h2><h3>　　3.1 協(xié)作通信的優(yōu)點</h2><p>　　協(xié)作通信作為一種新的通信方式，存在以下主要好處：</p><p>　　更高的空間分集增益：通過協(xié)作分集，用戶

69、可有效抵抗無線信道的小尺度衰落和陰影衰落。</p><p>　　更高的吞吐率/更低的時延：用戶通過自適應協(xié)作可獲得更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，同時減少重傳次數(shù)和降低數(shù)據(jù)的傳輸時延。</p><p>　　降低干擾/較低的發(fā)送功率：蜂窩網(wǎng)和無線局域網(wǎng)(WLAN)中的用戶采用協(xié)作分集可對頻率資源更加有效地再利用，同時可降低用戶發(fā)送功率，減小小區(qū)間的干擾，擴展網(wǎng)絡的覆蓋范圍。</p><

70、;p>　　對網(wǎng)絡環(huán)境的自適應性：能對網(wǎng)絡中的節(jié)點能量和帶寬資源進行有效利用和優(yōu)化再分配，合理地利用網(wǎng)絡資源。</p><p>　　要發(fā)揮協(xié)作通信的優(yōu)點，就必須抓住其中的關鍵技術，而作為協(xié)作通信中的關鍵，中繼節(jié)點選擇成為能否為系統(tǒng)帶來最大優(yōu)勢的決定性因素。</p><h3>　　3.2中繼網(wǎng)絡的系統(tǒng)模型</h2><p>　　如圖3.1所示，中繼網(wǎng)絡的系統(tǒng)模型[

71、14]由三部分能組成，m個源節(jié)點（Source，S）、m個目的節(jié)點（Destination，D）和若干個中繼節(jié)點（Relay，，i=1，2，……，M)。信號從源節(jié)點（S）傳輸?shù)侥康墓?jié)點（D）要經(jīng)過三個步驟：</p><p>　　圖3.1 中繼網(wǎng)絡的系統(tǒng)模型</p><p>　　第一步，源節(jié)點發(fā)送訓練序列，候選中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)訓練序列，目標節(jié)點從中選擇m 個合適的源節(jié)點和中繼節(jié)點，通過反向鏈路將

72、選擇的節(jié)點信息反饋到相應的源節(jié)點和中繼節(jié)點。</p><p>　　第二步，源節(jié)點對要發(fā)送的信號進行廣播，被選中的中繼轉(zhuǎn)發(fā)信息，而未被選中的候選中繼節(jié)點則不進行任何操作。</p><p>　　第三步，停止傳輸，目的節(jié)點開始接收并合并由中繼節(jié)點和源節(jié)點傳來的信息（一般采用最大接收比合并MRC方式）。</p><h3>　　3.3中繼選擇算法的分類</h2>

73、<p>　　在協(xié)作通信系統(tǒng)中一個至關重要的問題就是如何選擇合適的中繼節(jié)點，它決定了協(xié)作系統(tǒng)是否可以帶來增益。關于中繼節(jié)點的選擇算法，依據(jù)于不同的分類標準有不同的類型。下面介紹中繼選擇算法的不同分類。</p><p><b>　?。?）算法執(zhí)行</b></p><p>　　按算法的執(zhí)行方式，中繼選擇算法分為：中心式和分布式。中心式算法是將需要的信息將傳送到一

74、個中央節(jié)點（例如：基站，接入點等），中心節(jié)點使用這些合作上的信息節(jié)點選擇算法和結果的執(zhí)行情況并將結果返回到源節(jié)點和相應的協(xié)同節(jié)點。分布式算法是信息節(jié)點之間的交流和協(xié)調(diào)，該節(jié)點可以決定是否同意和與誰合作。</p><p>　　中心型算法的優(yōu)勢在于從全局整體規(guī)劃的角度來看，使得全局的工作在最佳狀態(tài)，但由于需要收集有關信息與計算全局最優(yōu)，會引入大量通信開銷和計算開銷。分布式算法往往得到一個局部最優(yōu)解，但分布式算法分散了

75、通信開銷和計算復雜性，分布式算法更適用于非固定網(wǎng)絡。</p><p><b>　　（2）協(xié)作方式</b></p><p>　　協(xié)作系統(tǒng)協(xié)作的方式是重要的參數(shù)，不同的方式的協(xié)同對協(xié)作節(jié)點生成算法的選擇有著顯著的影響，例如：在DF協(xié)作模式下，節(jié)點唯一正確的解碼參與協(xié)作傳輸；在AF協(xié)作模式下中繼節(jié)點對源節(jié)點沒有任何信號的協(xié)同處理，所有節(jié)點都可以發(fā)送信息。這直接影響到合作的節(jié)

76、點選擇算法的備選集合。因此，協(xié)同的方式不同要采取不同的合作節(jié)點選擇算法。另外我們可以把協(xié)作節(jié)點的選擇和協(xié)同方式選擇結合起來，在相同的自適應系統(tǒng)中使用不同的協(xié)同方式和協(xié)同節(jié)點選擇算法。</p><p>　?。?）中繼節(jié)點的個數(shù)</p><p>　　中繼節(jié)點的個數(shù)是中繼節(jié)點選擇的一個熱點問題，使用單個中繼節(jié)點還是多個中繼節(jié)點的選擇仍然是大家關注的焦點。</p><p>

77、　　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。但是，單中繼的節(jié)點處理能力和功率是有限的，信道處于深度衰落時，單中繼就無法完成源節(jié)點的服務需求，這就凸顯了多中繼的優(yōu)勢，多中繼可以增加系統(tǒng)復用的增益，因此根據(jù)要求調(diào)整節(jié)點個數(shù)會使算法更加合理。</p><p>　　（4）中繼節(jié)點的屬性</p><p>　　

78、環(huán)境不同，中繼節(jié)點的屬性也不盡相同。節(jié)點可以是固定的，也可是移動的，可以是有源的，也可以是無源的，節(jié)點屬性的不同直接影響了協(xié)作通信的選擇策略。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雜度和能量消耗，同時為移動終端提供較好的QoS保障。</p><p>　?。?）基站

79、端中繼協(xié)作與用戶端中繼協(xié)作</p><p>　　協(xié)作不僅可以在用戶端進行，也可以在基站端進行。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。用戶端中繼選擇的研究已有很多。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。此外，在采用干擾協(xié)調(diào)技術的情況下，基站端協(xié)作還可以有效抑制小區(qū)間干擾、降低切換時延。</p><h3>　　3.4典型中繼選擇算法介紹</

80、h2><h4>　　3.4.1 機會中繼選擇算法及其改進</h2><p>　　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。機會中繼的基本思想是：在M個侯選中繼節(jié)點中，選取某個位于源節(jié)點和目的節(jié)點之間，具有最好端到端鏈路的節(jié)點作為中繼節(jié)點。</p><p>　　圖3.2機會中繼系統(tǒng)模型</p><p>　　通過監(jiān)聽來自

81、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之間的信道信息及中繼節(jié)點i和目的站d之間的信道信息。然后，每個中繼節(jié)點就可以計算相應的信道度量參數(shù)，的計算方法有如下兩種：</p><p><b>　　（1）最小準則：</b></p><p><b>　　(3-1)</b></p><p>　?。?）

82、調(diào)和平均準則：</p><p><b>　　(3-2)</b></p><p>　　收到CTS分組后，每個節(jié)點i都啟動一個定時器，其初值為：</p><p><b>　　(3-3)</b></p><p>　　為時常數(shù)，具有最大的定時器首先超時，對應中繼節(jié)點i發(fā)出一個標志分組，表明其最佳中繼的身份，

83、其他尚未超時的中繼節(jié)點j在收到該標志分組后將放棄競爭。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。</p><p>　　圖3.3機會中繼碰撞發(fā)生示意圖</p><p>　　如圖3.3所示，節(jié)點b和j分別代表最佳中繼和另外一個中繼。如果節(jié)點j的定時器在[]內(nèi)超時,就會有沖突發(fā)生。存在隱藏中繼時，考慮目的站廣播

84、消息的時間，沖突可能會在[]間隔內(nèi)發(fā)生。最壞的情況下，沖突時長c具有如下最大值：</p><p><b>　　無隱藏中繼：</b></p><p><b>　　(3-4)</b></p><p><b>　　有隱藏中繼：</b></p><p><b>　　(3-5)

85、</b></p><p>　　其中為中繼j和目的站之間的傳播時延；為兩個中繼之間的最大傳播時延；為每部無線收發(fā)機的收發(fā)轉(zhuǎn)換時間；為最佳中繼所發(fā)標志分組的持續(xù)時間。</p><p>　　由文獻[15]可知，兩個或多個中繼的定時器在時長c（c＞0）內(nèi)同時超時，進而發(fā)生沖突并導致最佳中繼選擇失敗的概率為：</p><p><b>　　(3-6)<

86、;/b></p><p>　　其中是對遞減排序后得到的新序列。顯然，沖突概率與λ的取值密切相關。同時λ還決定了最佳中繼選擇所需要的平均時間，即</p><p><b>　　(3-7)</b></p><p>　　其中代表源站和中繼之間的最大傳播時延。由式（3-7）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。&l

87、t;/p><p>　　作為基于瞬時信道信息的中繼選擇技術的代表，機會中繼算法簡單實用，可以獲得與傳統(tǒng)分集技術相同的分集增益，其優(yōu)勢在于不需要使用復雜的空時編碼技術。但是當多個節(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。因此，有大量文獻對機會中繼算法提出各種改進，以降低沖突概率。</p><p>　　論文[16]提出了一種改進方案來降低最

88、佳中繼選擇失敗的概率。其基本思想是：其基本思想是在多個中繼進行競爭時，由源站對勝出的最佳中繼發(fā)出的標志信息進行確認；發(fā)生沖突的中繼則在隨機退避一段時間之后重新競爭最佳中繼的位置。具體算法流程如下：</p><p>　?。?）每個候選中繼i通過監(jiān)聽RTS 和CTS 分組來測量信道增益和，并計算信道質(zhì)量參數(shù)，啟動定時器；</p><p>　?。?）當最小的定時器超時后，對應的最佳中繼b向源站發(fā)

89、送一個包含其自身標識信息的標志分組，并啟動初始值為TAC的確認定時器；</p><p>　?。?）在收到一個正確的標志分組之后，源站向所有中繼廣播確認消息ACK，其中包含被源站所確認的最佳中繼b的標識信息；</p><p>　?。?）其他中繼j在收到來自中繼b的標志分組后取消定時器，放棄競爭；沒收到來自中繼b的標志分組的中繼在收到源站對最佳中繼的確認消息ACK之后，取消定時器，并放棄競爭；

90、</p><p>　?。?）如果中繼b 在定時器超時之前收到了源站的確認消息，則取消定時器，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重新發(fā)出標志分組。如果在時隙k到來前收到了來自其他中繼的標志分組或源站對其他中繼的ACK消息，則放棄發(fā)送。</p><p>　　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志分組到達源站的時間有重疊導致源站無法正確

91、識別，競爭的中繼在各自的確認定時器超時后將分別啟動退避程序。</p><p>　　該算法適用于工作在半雙工方式下的無線終端，有無隱藏中繼的網(wǎng)絡均可使用。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。</p><h4>　　3.4.2 貪婪算法及其應用：</h2><p>　　由Hunter等人提出的貪婪算法[17]是集中式中繼選擇算法

92、的代表，其中心控制節(jié)點已知所有的信道狀態(tài)信息（CSI）。它的實現(xiàn)過程是這樣的：</p><p>　　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。</p><p>　　第二步：在已知所有用戶的信道狀態(tài)信息的條件下計算平均中斷概率。</p><p>　　第三步：尋找某一個用戶，使得將當前用戶的協(xié)作伙伴和找到的這個用戶的協(xié)作伙伴交換之后，

93、能夠減小網(wǎng)絡的平均中斷概率。</p><p>　　第四步：執(zhí)行步驟（3），一直到再也找不出這樣的交換為止。</p><p>　　該算法能獲得滿分集增益，能使整個網(wǎng)絡中的中斷概率最低，因此很多中繼選擇技術都來和它進行比較。但是它也有一些缺點，首先就是它需要中心控制器知道所有的信道狀態(tài)信息，而且由于得不到用戶中斷概率的閉合表達式，需要通過數(shù)值積分的方式求解，計算量很大。同時，對整個網(wǎng)絡中的中斷

94、概率求平均也加大了計算量。</p><p>　　為了降低計算量，論文[18]提出利用大信噪比時中斷概率的近似表達式選擇合作伙伴。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。通過仿真結果證明：通過匈牙利算法選擇最佳合作伙伴，與貪婪算法相比，得到的是全局最優(yōu)解。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。</p>&l

95、t;p>　　除此之外，文獻[17]還應用貪婪算法研究了存在多對源和目的節(jié)點情況下的協(xié)同節(jié)點選擇問題。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。每個群內(nèi)的協(xié)同節(jié)點能夠以很高的正確概率發(fā)送信息。</p><p>　　下圖為節(jié)點分群情況模型，（為協(xié)作節(jié)點的個數(shù)）：</p><p><b>　　圖3.4節(jié)點分群&

96、lt;/b></p><p>　　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)絡中所有節(jié)點都能獲得的分集增益，為協(xié)作節(jié)點個數(shù)。首先，每個節(jié)點構建一個優(yōu)先級列表。固定優(yōu)先級列表的一個簡單的實現(xiàn)方法為：</p><p><b>　　，為節(jié)點編號。</b></p><p>　　在固定優(yōu)先級傳輸協(xié)議中，每個節(jié)點都應用其優(yōu)先

97、級列表，試圖為列表中的前個節(jié)點譯碼并協(xié)作。</p><p>　　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。</p><h4>　　3.4.3 基于延時的伙伴選擇算法</h2><p>　　論文[19]依據(jù)傳輸路徑的時延特性，提出以中繼延遲時間最小為標準來進行協(xié)作伙伴的選擇，以此標準選擇協(xié)作伙伴

98、能夠獲得較好的分集性能，降低誤碼率，并且能夠避免目的節(jié)點處因同時接收中繼節(jié)點信息而造成干擾阻塞，是一種可靠的伙伴選擇算法。</p><p>　　路徑傳輸?shù)臅r間延遲大小直接對應節(jié)點間的距離。一般而言，傳輸距離的增大會引起傳播損耗的增加，同時若中繼路徑較直通路徑延遲時間過大會引起目的節(jié)點處較長的延遲等待，影響協(xié)作傳輸?shù)男省Ｋ赃x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。</p>

99、;<p>　　首先，源節(jié)點以廣播的形式向周圍中繼節(jié)點和目的節(jié)點發(fā)送信息。設源節(jié)點直傳到目的節(jié)點的時刻為，以此作為基準時刻，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。如圖3.5所示：1、2、3為中繼節(jié)點的ID號，源節(jié)點根據(jù)周圍中繼節(jié)點的ID序列號，按從小到大將其排序，確定中繼轉(zhuǎn)發(fā)信息的順序(必要時源節(jié)點可依據(jù)中繼節(jié)點的以往表現(xiàn)設定優(yōu)先級)，為人為設定的傳播時間間隔，可以選一個符號周期的時間。為避免

100、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。</p><p>　　圖3.5 中繼節(jié)點分時傳送</p><p>　　假設各個中繼節(jié)點信息到達目的節(jié)點的時刻為，，，……（包括路徑傳播時間和節(jié)

101、點處理時間）。為中繼節(jié)點1的信息到達目的節(jié)點時刻，為中繼節(jié)點2的信息達到目的節(jié)點時刻，為中繼節(jié)點3的信息達到目的節(jié)點時刻。</p><p>　　信息到達目的節(jié)點的時刻表示式如下：</p><p><b>　　(3-8)</b></p><p><b>　　(3-9)</b></p><p><

102、b>　　(3-10)</b></p><p>　　式中，為經(jīng)過中繼節(jié)點傳播路1徑所用的時間與直接傳播所用時間的差值，為經(jīng)過中繼節(jié)點2傳播路徑所用的時間與直接傳播所用時間的差值。當目的節(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：</p><p><b>　　(3-11)</b></p><p>　　所得差值結果與相

103、比較：</p><p><b>　　(3-12)</b></p><p>　　留下節(jié)點1繼續(xù)比較時：</p><p><b>　　(3-13)</b></p><p>　　所得差值結果與相比較：</p><p><b>　　(3-14)</b></

104、p><p>　　留下節(jié)點2繼續(xù)比較時：</p><p><b>　　(3-15)</b></p><p>　　所得差值結果與相比較：</p><p><b>　　(3-16)</b></p><p>　　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

105、節(jié)點。</p><p>　　由以上推導可歸納為：</p><p><b>　　(3-17)</b></p><p>　　所得差值結果與相比較：</p><p><b>　　(3-18)</b></p><p>　　依次比較完畢后，選出延遲時間最小的節(jié)點，目的節(jié)點將選擇的結果反

106、饋給源節(jié)點，以此延遲時間的節(jié)點作為最佳協(xié)作伙伴,進行協(xié)作傳輸。</p><h4>　　3.4.4 考慮用戶公平性的中繼選擇</h2><p>　　之前的中繼選擇技術都默認用戶是無私的，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。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

107、會拿出自己有限的資源來為別人服務的。因此在符合實際情況的中繼選擇技術中，是必須要考慮中繼用戶的自私性，通過設定各種激勵措施來鼓勵用戶積極參與協(xié)作。</p><p>　　在文獻[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。當用戶幫助別人發(fā)送一幀數(shù)據(jù)時，其值加1；當別人幫助用戶發(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

108、的幫助，當其值為負時，不能尋求其他用戶的幫助。該策略確實使網(wǎng)絡趨向了公平，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)絡節(jié)點的公平性。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用方面沒有很大的吸引力。</p><p>　　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，只有當協(xié)作

109、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的，目標是