协同通信系统中伙伴选择算法比较毕业论文.docx
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协同通信系统中伙伴选择算法比较毕业论文
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论文作者签名:
日期:
指导教师签名:
日期:
协同通信系统中伙伴选择算法比较
作者姓名汪扬
专业通信工程
指导教师姓名林霏
专业技术职务讲师
摘要
无线通信采用电磁波传递信息是至今主要的通信方式,但无线信道的衰落特性是制约其发展的主要瓶颈。
协同通信技术作为一种虚拟的多天线技术,融合了分集技术与中继传输的优势,为多天线技术的实用化提供了一种有效途径,已引起业界广泛关注。
在实际的多用户协同通信系统中,同时存在着多个可供选择的潜在协作中继端。
伙伴选择或称作中继选择就是在这些用户中选择最合适的参与协同通信过程,以此获得最大的协同增益。
伙伴选择的最佳方案应根据信道状态信息,适时调整协作伙伴集合的组成,进行最优组合,而不是令所有的空闲用户全部参与协同通信,这样会造成巨大的资源浪费。
因此,伙伴选择是协同通信系统中的一个重要问题,应该确定哪些用户进行协作,多长时间对协作用户进行重新分配等。
本论文从协同通信系统的基本概念入手,首先介绍了协同通信系统的基本模型及其发展,然后针对现有伙伴选择算法进行分类,最后根据三种选择算法(最大-最小算法、平滑算法、随机算法)的基本原理,利用MATLAB软件对不同信道参数、不同算法、不同信噪比下的系统误码率性能进行计算机仿真,得出结论:
最大-最小算法最优,其次是平滑算法,随机算法最差。
关键词:
无线通信协同通信系统中继伙伴选择算法
ABSTRACT
Wirelesscommunication,usingElectromagneticwavestotransmitinformation,isbyfarthemainwayofcommunicating,butthefadingcharacteristicsofwirelesschannelhaveaseriousimpactontheuseofthecommunicatingway.Collaborativecommunicationtechnology,asavirtualmultipleantennatechnology,integrateadvantagesofdiversitytechniquesandtherelaytransmit.Moreover,thistechnologyprovidesaneffectivewayfortheapplicationofmulti-antennaandhasattractedindustriesattention.
Inpracticalmulti-usercooperativecommunicationsystem,therearevariouschoicesofpotentialcollaborationrelaysideatthesametime.Partnerselectionorrelayselectionistochoosethemostsuitableoftheseusersforparticipatingincollaborativecommunicationprocess,inordertomaximizethesynergygain.Accordingtothechannelstateinformation,thebestprogramofpartnerselectionshouldtimelyadjusttothecompositionofacollectionofcollaborativepartnerstoreachtheoptimalcombination,andnotmakeallthefreeusersparticipateincollaborativecommunications,whichwillcausegreatwasteofresources.Thus,partnerselectionisanimportantissueofcollaborativecommunicationsystem.Weshoulddeterminewhichuserscollaborate,howlongre-distributionthecollaborativeusers.
Thisthesisbeginswiththebasicconceptofthecooperativecommunicationsystem.Firstly,weintroducedthecollaborativecommunicationsystembasicmodelanddevelopment.Secondly,weclassifiedexistingpartners’selectionalgorithm.Lastly,accordingtothreekindsofbasicprinciplesofselectionalgorithm(Max-Minalgorithm,smoothingalgorithm,randomizedalgorithm),wemakeacomputersimulationfordifferentchannelparameters,differentalgorithms,andthesystembiterrorrateperformanceunderdifferentSNRbyMATLABsoftware.Itconcluded:
Max-Minalgorithmoptimal,followedbysmoothingalgorithm,randomalgorithmtheworst.
Keywords:
Wirelesscommunication;Collaborativecommunicationsystems;Relay;Partnerselectionalgorithm
第一章绪论
1.1选题意义
1832年莫尔斯发明了电报,它传送的信息是由众所周知的点划码组成的。
以后贝尔又发明了电话,一个多世纪以来,以电话服务为主的电信业走了一条成功之路,取得了极大的发展。
然而随着人类社会的发展,电信业务也从早期的电报、电话发展到今天多种业务并存的局面,通信的规模也发生了翻天覆地的变化。
随着科学技术的发展,现代通信又进入了数字时代。
20世纪90年代信息和知识爆炸式的增长,特别是因特网商用化后的迅猛发展,使传统的电信业受到巨大的震动和冲击。
在信息和知识已成为社会和经济发展的战略资源和基本要素的时代中,人们更加需要随时随地获取信息,原来点对点的固定电话通信方式已远不能满足需求了。
人类需要宽带的无线通信技术,来满足多媒体化、普及化、多样化、全球化和个性化的信息交流。
无线通信是指采用电磁波进行信息传递的通信方式。
无线通信发展至今,人们对无线传输的数据速率和服务质量的要求不断提高。
与主要传送语音业务的第1代、第2代无线通信系统不同,第3代及第4代无线通信系统还将支持速率高达100Mb/s--1Gb/s的多媒体宽带数据业务,因此寻求进一步扩大信道容量、改善通信质量的新技术是国内外学术界、产业界普遍关注的问题。
然而无线通信利用无线电波进行信息传输。
无线电波会随着传播距离的增加而发生弥散损耗,受到地形、地物的遮蔽发生“阴影效应”,而且信号经过多点反射,会从多条路径到达接收点,这种多径信号的幅度、相位和到达时间都不一样,它们相互叠加会产生电平衰落和时延扩展。
无线信道的衰落特性是阻碍信道容量增加和服务质量改善的主要原因之一。
分集是抵抗多径衰落的有效方式,有时间分集、频率分集、空间分集多种方式,其中空间分集从不同的位置(天线)发送信号,从而在接收端得到经历独立衰落的多个信号副本,可以有效地消除多径衰落的影响,并且由于不需要占用额外的时间和频带资源,并且可以和其他信号处理方式相结合,因此得到了广泛的关注。
多发送多接收天线(MultipleInput-MultipleOutput,MIMO)技术在通信链路的发送端与接收端均使用多个天线,它能够将传统通信系统中存在的多径因素变成对用户通信性能有利的因素,在对抗多径衰落,提高通信链路的通信速率和质量方面有着明显的优势,它的空域发射分集技术已经成为3GPP的WCDMA标准协议。
但应当指出,虽然发射分集技术可使系统性能得到多方面的提升,但是在实际的蜂窝通信系统它还只能应用于基站端,以此提高下行链路的通信质量。
而对于上行链路或传感器网、自组网(Adhoc),移动终端由于受到体积、功耗、工艺等多方面的限制,使在其上安装多个天线有很大的困难,因此也极大地限制了MIMO技术的应用。
为了解决这个问题,一种全新的空域分集技术-协作分集应运而生,在一个多用户的环境中,每个单天线的移动终端都有自己的合作伙伴,每个终端在发送自己信息的同时也帮助其他终端发送信息,也就是说他们可以共享彼此之间的天线从而形成虚拟的MIMO子信道,以此来模拟MIMO系统通信。
众多研究表明,这种协作通信方式可以像MIMO系统一样增加系统的信息传输速率,改善系统性能,提高通信质量,更为重要的是这种技术将MIMO技术的实用化推进了一大步。
协作通信使得用户可以利用协作伙伴的天线,产生空域分集效果,来对抗信道的衰落。
然而,现有大多数研究工作都在假定协作伙伴已经选定,在此基础上研究具体的协作方案如何实现空域分集,提高系统性能。
研究重点放在以中断概率和误码率(BER)等性能参数的分析和系统性能方面。
事实上,协作关系的形成也是一个很重要的问题。
例如,对于协作分集,在多个中继节点可用的情况下,可进行如下的协作:
第一步,源节点向中继节点和目的节点广播其信息,此时候选中继节点试图解码源节点的信息;第二步,正确解码的中继节点,转发源节点的信息到目的节点;目的节点根据两步接收到的信号进行合并。
第二步中正确解码的候选中继节点作为源节点的中继来工作,这本身就是一种协作伙伴形成的过程。
然而,因为所有中继节点只有在接收了源节点第一步传输的信息且进行相应解码处理后,才能决定自己是否适合作为协作伙伴为源节点中继信息。
这对网络资源是一种浪费。
在实际的多用户协同通信系统中,同时存在着多个可供选择的潜在协作中继端。
伙伴选择就是在这些用户中选择最合适的参与协同通信过程,获得最大的协同增益。
伙伴选择的最佳方案应根据信道状态信息,适时调整协作伙伴集合的组成,进行最优组合,而不是把所有的空闲用户全部参与协同通信,这样会造成巨大的资源浪费。
因此,伙伴选择作为协同通信系统中的一个关键技术,非常具有研究价值。
因此,在源节点正式传输前,确定协作伙伴关系将是急需解决的问题之一。
1.2本论文的主要内容
本论文主要研究的基于不同信噪比与不同伙伴选择算法下的系统误码率性能。
第二章介绍协同通信系统及伙伴选择算法的发展现状,其中包括协同通信系统、模型,协作信号的处理方式以及协同通信中的关键技术。
第三章对现有的伙伴选择算法进行分类与介绍。
第四章利用MATLAB软件对协同通信系统中的伙伴选择算法进行计算机仿真,比较三种算法(具体算法名称)的优劣。
此外,由于在仿真的时候需要用到MATLAB软件,因此,在对系统进行仿真之前,对MATLAB进行了简单的介绍。
第二章协同通信技术概述
2.1研究背景
协作通信基本思想可以追溯到Cover和ElGamal
关于中继信道的信息论特性。
他们分析了一个三节点网络(源节点、目的节点和中继节点)容量,并假设所有节点的工作频带相同,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,协作通信在很多方面与中继信道存在差异。
首先,目前的研究集中在如何产生克服衰落的分集,Cover和ElGamal主要分析在加性白高斯噪声信道(AWGN)下的信道容量;其次,中继信道的中继目的是为了帮助主信道,协作通信整个系统资源是固定的,用户既是信息源又是中继者。
在协作通信系统中,每个用户既要发送自己的数据,同时也要作为其他用户的协作代理。
很明显,协作机制将导致码速率和发射功率的折衷。
就功率而言,一方面,在进行协作通信时,由于每个用户既要发射自身数据,又要中继其他用户数据,所以需要更高功率;另一方面,由于产生了分集增益,每个用户基本发射功率可以适当减小。
速率也存在同样问题,在协作通信时,虽然每个用户既要发送自身数据,又要中继其他伙伴数据,但由于产生了协作分集,每个用户的频谱效率都得到改善,信道码速率由此提高。
这也形成了一个折衷。
有人把协作通信看作功率和带宽的联合博弈。
协作前提是对用户功率和带宽采取某种分配策略改善系统性能。
在资源协作分配中,每个用户都为其他多个用户发送数据。
协同通信技术源于中继信道,但在很多方面又区别于中继信道。
首先,协同通信技术应用于衰落信道中,主要目的是对抗多径衰落,而中继信道分析的则是AWGN信道的容量;其次,中继信道中的中继节点的唯一目的就是帮助源节点发送信息,而在协同通信中,整个系统的资源是固定的,各用户既可充当中继节点帮助源节点发送信息,又可作为源节点发送自己的信息。
因此,协同通信技术研究的侧重点有所不同。
协同通信技术的基本思想是在多用户通信环境中,使用单副天线的各临近移动用户可按照一定方式共享彼此的天线协同发送,从而产生一种类似多天线发送的虚拟环境,获得空间分集增益,提高系统传输性能。
这种传输方式融合了分集技术与中继传输的技术优势,形成了分布式的虚拟MIMO系统,克服了相干距离等的限制,在不增加天线数目的基础上,在传统通信网络中可获得与多天线及多跳传输情况下相近的传输增益。
所谓虚拟MIMO指的是:
在协同通信系统中,多个中继节点本身可自然形成虚拟的天线阵列,节点间通过相互配合和信息互通,模拟传统MIMO技术的应用环境,从而实现联合空时编码的传输方案。
与此同时,目的节点不仅接收来自源节点直接发送的信号,同时还接收来自中继节点转发的信号,并根据无线链路传输状况和信号质量,选取不同的合并方式进行处理,从而最大限度地利用有效信息,获得分集增益并有效地提高数据传输速率。
自Sendonaris等从1998年提出协同通信的概念以来,各国相关的研究方兴未艾。
(1)国际上,许多相关课题已经或正在展开。
例如无线世界研究论坛(WWRF)已经成立了关于中继的分组委员会专门开展对此技术的研究,并发表了相关研究的白皮书。
2004年1月1日,欧盟在第六个框架程序中启动了WINNER项目,其目的是研究一个无处不在的无线系统,在性能、效率和覆盖灵活性上更加优于目前的系统,项目中也包含了基于中继的概念。
很多知名国际期刊、会议也单独列出子方向对协同通信技术进行报道,如IEEE主办的CommunicationMagazine等杂志,ICC、WCNC、GlobleCom等会议。
2006年,Springer也出版了由众多学者合作的关于协同通信技术的专著。
(2)世界已有多所大学的实验室开展了这方面的研究,例如瑞士皇家科学院通信技术实验室无线通信课题组的研究项目“CooperativeMIMOWirelessNetwork”、欧洲通信委员会组织的项目“IST-ROMANTIK”等。
当然,还有更多大学的教授学者在协同通信技术方面做出了卓越贡献,如麻省理工大学的JNLaneman博士、美国PolytechnicUniversity的EErkip副教授、英国伦敦大学King学院的MDohler副教授、美国德州大学多媒体通信实验室的TEHunter博士和明尼苏达州大学的MOHasna博士等。
(3)近年来,协同通信技术在中国也引起了广泛关注,国家自然科学基金委、教育部等均设立多个资助项目,众多高校也已展开研究,如北京邮电大学、浙江大学、西安电子科技大学等。
2.2协同通信系统模型
图2-1给出了由一个源端S,n个中继端R与一个目的端D组成的并联中继模型,中继端利用AF方式转发源端信息。
协同通信过程分两阶段完成,所有用户通过正交信道发送信息,正交信道可由TDMA、FDMA或CDMA方案得到[1-5],简单起见,选择了时分模式。
假设总的发送功率为P,
与
(
)分别表示源端与第i个中继端的发送功率,满足
。
第一阶段,源端广播信息给目的端与n个中继端,目的端与第i个中继端的接收信号分别为:
式(2-1)
式(2-2)
式中,x是源端的发送信号,
与
分别表示源-目的端与源-第i个中继端的信道衰落系数,
与
表示方差为
的加性高斯白噪声。
图2-1:
具有n个并联中继的信道模型
第二阶段,n个中继端分别将接收到的源端信号放大后转发给目的端,则目的端接收到的第i个中继端的信号为:
式(2-3)
式中,放大倍数
,
是第i个中继相关两信道的等效噪声。
表示第i个中继-目的端的信道衰落系数。
最后目的端利用直接与转发n+1条路径得来的信息进行接收合并。
假设所有信道遭受窄带频率非选择性衰落与加性高斯白噪声。
以上式(2-1)~(2-3)中的
(
)表征信道衰落系数,均为满足独立、循环对称复高斯分布的随机变量,均值为零,方差为
,其包络
满足瑞利(Rayleigh)分布,包络平方
满足参数为
的指数分布。
假定接收端确知信道状态信息,但发送端仅知道统计信道状态信息。
2.3协同通信中的协作方式
2.3.1检测转发机制
该方法与传统中继方法很接近。
这里考虑两个用户伙伴相互协作情况,用户首先尝试检测出用户伙伴的数据比特,然后将检测出的比特重新发送。
用户伙伴可以通过基站或其他技术进行指定。
这样在实际中,每个用户都有一个伙伴为它提供第二条路径,从而形成分集。
目前,协作伙伴的分配也是比较热的研究课题。
这种译码转发机制的实例可以参考Sendonaris发表的专著,它给目前这方面的研究带来了很多灵感。
Sendonaris在专著中分析了码分多址(CDMA)系统的译码转发协作机制。
在该机制中,两个用户成对地进行相互协作。
每个用户都具有各自的扩频码
和
。
两个用户的数据比特分别是
,其中i=1,2,为用户索引号,n为信息的时间标记。
因子
表示信号幅度,体现了对各部分的功率分配。
每个信号周期包括3bit间隔。
这里
表示用户1的信号,
表示用户2的信号。
于是可以表示为:
式(2-4)
式(2-5)
在第一和第二时间间隔内,每个用户都发送自己的比特信息和检测其他用户的第二比特(表示为
);在第三时间间隔内,两个用户均发送自己第二比特和伙伴第二比特的线性组合。
对于第一、二、三时间间隔,其发送功率可变,根据上行和用户信道之间的条件,可以对相关发射功率进行优化,该方法对信道状态具有自适应能力。
通过因子
进行功率分配,可以使平均发射功率保持不变。
简言之,当用户之间信道状态较好时,将分配更多协作功率;反之,当用户之间信道状态不好时,将减小用户协作功率。
这种信号处理机制非常简单,但还存在以下问题:
a)用户对伙伴信号的检测可能失败,这时协作对在基站进行的最后检测是有害的;b)为了获得最优译码,基站需要知道用户之间信道的差错特性。
为了避免上述差错传播问题,Laneman提出了混合译码转发方法,当衰落信道具有较高信噪比(SNR)时,用户可以对其伙伴数据进行译码,当信道具有低SNR时,用户返回到非协作模式
。
2.3.2放大转发机制
在该机制中,每个用户接收并放大其伙伴发送的带有噪声的信号,再将已放大的带有噪声的信号重新发送。
基站对用户及其伙伴发送的数据进行合并判决。
尽管协作者在放大信号的同时也放大了噪声,但基站能接收到两个独立的衰落信号,并能作出较好的判决。
该机制由Laneman提出并进行了详细分析。
研究表明,在两个用户和高信噪比情况下,该机制获得的分集阶数为2。
在放大转发机制中,如果用户间信道系数已知,就可以进行最优译码,所以该机制必须进行必要的信道估计和信息交换。
对该机制而言,另一个挑战是对模拟信号进行抽样、放大和重传,但这种技术并不简单。
总之,该机制还是较简单的协作机制,方便分析,对进一步理解后面的协作通信系统非常有帮助
。
2.3.3编码协作机制
编码协作机制是信道编码思想和协作的综合。
编码协作机制通过两条独立的衰落信道发送每个用户码字的不同部分,其基本思想是每个用户都将增加的冗余信息发送给其伙伴。
当他们之间的信道非常恶劣时,该机制自动恢复到非协作模式。
该机制的突出特点是通过信道协作编码设计实现,无须用户之间的反馈。
用户发送的源数据包括有效信息和循环冗余校验(CRC)信息。
在编码协作机制中,每个用户数据发送周期都分为两个阶段,每个阶段称为一帧。
对于第一帧,每
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