協(xié)作通信系統(tǒng)中的功率分配算法分析

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1、第1章緒論戶發(fā)送信息。[4][5]此后，Sendonaris研究了協(xié)作分集和系統(tǒng)容量、中斷概率等的關(guān)系，給出了適合的編碼方案及其在二代傳輸網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)現(xiàn)。后續(xù)又在通用的干擾信道模型[6-8]下研究了各種系統(tǒng)算法結(jié)構(gòu)和性能的分析。Laneman研究了協(xié)作分集的實(shí)現(xiàn)的協(xié)議。包括固定中繼、選擇中繼和增量中繼三種策略，并對(duì)這些策略在各態(tài)歷經(jīng)的信道和準(zhǔn)靜態(tài)的信道下的性能進(jìn)行了分析。其中固定中繼包括放大轉(zhuǎn)發(fā)和解碼轉(zhuǎn)發(fā)，放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作分集也稱為再生轉(zhuǎn)發(fā)(RegenerateandForward)協(xié)作，伙伴節(jié)點(diǎn)對(duì)來自于源節(jié)點(diǎn)的無線信號(hào)不進(jìn)行檢測(cè)和譯

2、碼，而是直接對(duì)這個(gè)模擬信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)單的放大和轉(zhuǎn)發(fā)。不同與解碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作分集，解碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作分集也稱為再生轉(zhuǎn)發(fā)(NoRegenerateandForward)協(xié)作，其類似于傳統(tǒng)的中繼模式，伙伴節(jié)點(diǎn)需要對(duì)來自源節(jié)點(diǎn)的無線信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和譯碼，如果能夠正確地恢復(fù)原始的二進(jìn)制消息，就利用正交信道(時(shí)分多址、頻分多址或者碼分多址)向目的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)這個(gè)消息，否則就丟棄這個(gè)消息．Hunter將信道編碼與協(xié)作分集相結(jié)合提出了編碼協(xié)作的方[9-12]法，編碼協(xié)作的主要思想是接收和轉(zhuǎn)發(fā)過程中伙伴節(jié)點(diǎn)不僅需要再次生成原始的二進(jìn)制消息，而且需要對(duì)這個(gè)消息進(jìn)行編碼

3、處理，為其協(xié)作伙伴傳輸數(shù)據(jù)增加冗余信息。因此，除了分集增益，解碼再編碼協(xié)作還能獲得額外的編碼增益。而放大轉(zhuǎn)發(fā)方式和解碼轉(zhuǎn)發(fā)方式，從編碼角度看，也是一種編碼，只是效率低下。為了進(jìn)一步提高分集增益和頻譜效率，Laneman等人把空時(shí)碼引入到了協(xié)作[13][14][15][16]通信中，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的性能。目前把網(wǎng)絡(luò)編碼和協(xié)作結(jié)合起來[17][18]進(jìn)行研究已經(jīng)成為了一個(gè)相當(dāng)熱門的研究方向。對(duì)網(wǎng)絡(luò)編碼系統(tǒng)進(jìn)行研究得出了利用網(wǎng)絡(luò)編碼的協(xié)作分集能夠顯著降低系統(tǒng)中斷概率的結(jié)論。在協(xié)作通信的研究中，已有的研究成果主要分為兩大類：一是關(guān)于協(xié)

4、作通信的容量和性能分析的研究。主要有以下幾點(diǎn)成果：1在收發(fā)兩端能實(shí)時(shí)跟蹤信道狀態(tài)信息的情況下，多址信道中協(xié)作傳輸?shù)目蛇_(dá)速率區(qū)域；2證明了當(dāng)發(fā)送端不了解信道狀態(tài)信息時(shí)，協(xié)作傳輸依然能夠通過附加的分集增益改善系統(tǒng)的中斷概率性能；3給出了發(fā)送端已知信道狀態(tài)信息時(shí)，使用DirtyPaper編碼協(xié)作傳輸容量區(qū)域和系統(tǒng)中斷概率的明顯改善；4無線中繼信道和Adhoc網(wǎng)絡(luò)中協(xié)作通信的容量邊界。二是關(guān)于協(xié)作通信的相關(guān)協(xié)議和算法的研究。主要有以下幾點(diǎn)成果：1提出了放大轉(zhuǎn)發(fā)（AF）和解碼轉(zhuǎn)發(fā)（DF）的協(xié)作通信方法，并分析了他們的分集階數(shù)和中斷概率性能

5、。2提出一種非正交AF協(xié)議，在空間分集和空間復(fù)用之間尋求一個(gè)合理的折衷。3提出了一種盲AF協(xié)作法，該協(xié)議在伙伴節(jié)點(diǎn)處使用恒定的放大系數(shù)。4將經(jīng)典的信道編碼技術(shù)引入?yún)f(xié)作通信，提出編碼協(xié)作（CC）方法。隨著對(duì)協(xié)作分集技術(shù)的深入研究，在系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)之間尤其是源節(jié)點(diǎn)和伙伴節(jié)3第1章緒論點(diǎn)之間的功率分配問題開始受到關(guān)注。文獻(xiàn)[19]提出了一種針對(duì)解碼轉(zhuǎn)發(fā)的次優(yōu)的功率分配算法，能夠在功率限制的條件下實(shí)現(xiàn)最小的中斷概率，文獻(xiàn)[20]提出了一種分布式的功率分配方法，能夠在目的節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)最大的信噪比接收。文獻(xiàn)[21]在多跳的協(xié)作系統(tǒng)中提出了一種最大最

6、小功率分配方法，能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)存活時(shí)間的最大化。文獻(xiàn)[22]提出了采用QPSK的系統(tǒng)下的最小化能量消耗的功率分配策略。在實(shí)際的通信系統(tǒng)中，由于地形和距離的影響，節(jié)點(diǎn)之間往往具有不同的信道狀態(tài)，這就意味著，源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)之間不同的功率分配情況將會(huì)導(dǎo)致不同的系統(tǒng)性能。無線網(wǎng)絡(luò)中相隔一定距離的節(jié)點(diǎn)復(fù)用相同的無線信道，即利用空間復(fù)用技術(shù)來提高無線資源的利用率，從而在無線網(wǎng)絡(luò)中引入了嚴(yán)重的同道干擾。而優(yōu)化的功率分配方法可以降低無線網(wǎng)絡(luò)中的同道干擾，顯著的提高整個(gè)系統(tǒng)的通信質(zhì)量。在無線網(wǎng)絡(luò)中，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的能量依賴于電池供電，而移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的電池容

7、量十分有限，是一種稀有資源，所以優(yōu)化的功率分配方案能夠減小移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，降低能耗，從而有效的延長(zhǎng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的壽命或者電池的充電時(shí)間間隔。所以，現(xiàn)如今功率分配問題受到了廣泛的關(guān)注。而且與傳統(tǒng)的直接通信相比，協(xié)作通信會(huì)耗費(fèi)更多的時(shí)間、頻率或功率等系統(tǒng)資源。為了最大限度地提高功率效率，最小化用戶間的干擾，必須對(duì)源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率進(jìn)行合理的配置，因此功率分配成為協(xié)作通信中的關(guān)鍵技術(shù)。但是，最為一種新興的無線通信技術(shù)，對(duì)于協(xié)作通信的研究還處于起步階段，因此功率分配的問題還有諸多難點(diǎn)沒有解決。第一個(gè)難點(diǎn)是如何來評(píng)估協(xié)作無線系統(tǒng)的

8、性能。隨機(jī)的多徑衰落導(dǎo)致實(shí)時(shí)接收的性噪比隨著時(shí)間的變化而動(dòng)態(tài)地發(fā)生變化，而且目的節(jié)點(diǎn)通過合并來自于源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)的信號(hào)以實(shí)現(xiàn)最大的輸出性噪比，從而難以評(píng)估伙伴節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)的接收性能。第二個(gè)難點(diǎn)是如何在分布式的無線網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)功率分配算法。在無線網(wǎng)絡(luò)中，只有接收