協(xié)作通信網(wǎng)中的分集研究姓名：丁建峰班級：A1203491學(xué)號：0120349031協(xié)作分集作為一項新興研究領(lǐng)域，得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用，是當(dāng)前無線通信研究的熱點。本次研究著重分析協(xié)作中繼通信網(wǎng)中分集協(xié)議的分集復(fù)用折中（DMT）性能。對半雙工通信中兩種基本的協(xié)作分集協(xié)議：放大前傳協(xié)議（AF）、解碼前傳協(xié)議（DF）進行了DMT分析，并與其改進的非正交放大前傳協(xié)議（NAF）、動態(tài)解碼前傳協(xié)議（DDF）進行對比。在前人研究的基礎(chǔ)上，提出了一種基于中繼選擇的混合NAF、NDF協(xié)作中繼協(xié)議，通過計算其DMT，發(fā)現(xiàn)其有著優(yōu)于NAF協(xié)議的性能。最后通過Matlab仿真中斷概率驗證這一結(jié)論。研究內(nèi)容簡介研究背景Diversity-MultiplexingTradeoff

(DMT)分集復(fù)用折中（DMT）就是討論分集增益和復(fù)用增益之間關(guān)系的一個標(biāo)準。其本質(zhì)是通信系統(tǒng)傳輸可靠性（錯誤概率）和數(shù)據(jù)率的折中。本次研究的重點就是討論在單源單宿通信網(wǎng)絡(luò)中協(xié)作中繼系統(tǒng)的DMT性能。并且假設(shè)信源、中繼節(jié)點和信宿只有一個天線，整個網(wǎng)絡(luò)工作在半雙工模式（half-duplexmode）下，信道衰落為瑞利衰落。研究背景分集（diversity）

指在獨立的衰落路徑上發(fā)送相同的數(shù)據(jù)，由于獨立路徑在同一時刻經(jīng)歷深衰落的概率很小，因此經(jīng)過適當(dāng)?shù)暮喜⒑?，接收信號的衰落程度就會被減小。

研究背景協(xié)作分集可以分為兩步進行：第一步，信源節(jié)點向信宿節(jié)點和中繼節(jié)點廣播發(fā)送信號，中繼節(jié)點接收到信號后對信號進行處理；第二步，信宿節(jié)點采用多址接入的方式接受來自中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的信號，信宿節(jié)點采用某種規(guī)則對多個信號進行合并。在第二步中，信源節(jié)點也可以再向信宿節(jié)點發(fā)送信息。研究背景一些重要的定義(1)信噪比（2）如果則定義研究背景（3）分集增益d(diversitygain)和

復(fù)用增益r(multiplexinggain)（4）如果，則協(xié)議A完全主導(dǎo)協(xié)議B。（5）假設(shè)g是一個具有零均值、單位方差的高斯隨機變量，定義，則v表示的階數(shù)。研究背景（6）考慮一個相干線性高斯信道信道，其最大似然接收機的成對錯誤概率（PEP)有上界：（7）引理1考慮一個相干線性高斯信道，其數(shù)據(jù)速率為R，碼長為，當(dāng)接收信號和發(fā)送信號的互信息超過時，只要碼長足夠大，那么最大似然接收機的錯誤概率可以任意的小。放大前傳放大前傳(

Amplify-and-Forward,AF)在AF協(xié)議中，中繼節(jié)點不對信源發(fā)送來的信息進行其他操作，直接將其放大后發(fā)送給信宿。傳統(tǒng)協(xié)作分集方案及其改進傳統(tǒng)協(xié)作分集方案及其改進解碼前傳解碼前傳(Decode-and-Forward,DF)在DF協(xié)議中，中繼節(jié)點對信源發(fā)送的數(shù)據(jù)進行解碼，然后重新編碼，再發(fā)送給信宿。傳統(tǒng)協(xié)作分集方案及其改進盡管DF協(xié)議可以有效的利用編碼優(yōu)勢來降低噪聲對通信的影響，但是如果S-R信道比較差，DF模式可能把解碼錯誤的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給信宿節(jié)點，從而造成誤碼傳播?？梢韵胂瘢绻欣^解碼錯誤，那么接收端成功的概率只有1/2。而AF模式下，當(dāng)S-R信道較差，中繼節(jié)點只是把噪音傳遞給目的節(jié)點，由目的節(jié)點綜合處理，性能還不至于太差?？梢宰C明，由于存在誤碼傳播，DF模式不能獲得有效的分集增益。NAF協(xié)議傳統(tǒng)協(xié)作分集方案及其改進傳統(tǒng)協(xié)作分集方案及其改進只有一個中繼節(jié)點時AF協(xié)議的最佳分集復(fù)用折中曲線傳統(tǒng)協(xié)作分集方案及其改進DDF協(xié)議

動態(tài)解碼前傳協(xié)議（DDF）與一般的解碼前傳協(xié)議的不同點在于，中繼節(jié)點沒有一個特定的參與協(xié)同的時刻。在DDF協(xié)議中，中繼節(jié)點一直監(jiān)聽信道，當(dāng)它接收到的信息與信源節(jié)點發(fā)送的信息的互信息超過一定值時，中繼節(jié)點開始參與協(xié)同。對于碼長為

L符號間隔、信息速率為每信道傳輸R比特的系統(tǒng)來說，當(dāng)中繼節(jié)點接收到的信息與信源節(jié)點發(fā)送的信息的互信息超過LR時，中繼節(jié)點進行解碼、重編碼，再發(fā)送給信宿節(jié)點。傳統(tǒng)協(xié)作分集方案及其改進一個中繼節(jié)點時DDF協(xié)議的DMT曲線單中繼時AF、NAF、DDF與直傳、理想曲線的DMT對比圖傳統(tǒng)協(xié)作分集方案及其改進DDF中繼協(xié)議已經(jīng)被證明是目前譯碼轉(zhuǎn)發(fā)中最佳的中繼協(xié)議。尤其是在單中繼并且復(fù)用度r小于1/2時，完全可以達到割集界，這充分顯示了DDF性能的優(yōu)越。然而，盡管DDF可以使協(xié)作中繼節(jié)點能正確譯碼的概率最大化，但是在當(dāng)下，沒有一種相應(yīng)的編碼方案來很好的實現(xiàn)這一中繼協(xié)議；同時NAF協(xié)議的性能不是特別優(yōu)越，顯然可以有很大的改進空間。一種基于中繼選擇的非正交混合中繼協(xié)議及其DMT性能首先考慮僅有一個中繼節(jié)點的情況。假設(shè)信源、中繼節(jié)點和信宿只有一個天線，整個系統(tǒng)工作在半雙工模式（half-duplexmode）下，這樣保證，在同一時間內(nèi)，節(jié)點只能接收或發(fā)送信息，不可以同時進行收發(fā)。將通信過程分為兩個時隙。在時隙1結(jié)束時，中繼節(jié)點進行判斷：如果中繼節(jié)點可以正確譯碼，那么中繼采用DF模式向信宿轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)；如果中繼節(jié)點不能正確譯碼，那么中繼節(jié)點采用AF模式向信宿轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。直觀上可以看出，這樣做可以避免高信噪比時AF協(xié)議對信道噪聲的放大，同時可以克服低信噪比時，DF解碼錯誤帶來的誤碼傳播。因此，該協(xié)議會有較好的性能。以下簡稱該協(xié)議為NDAF（Non-orthogonalDecode/AmplifyandForward）協(xié)議。一種基于中繼選擇的非正交混合中繼協(xié)議及其DMT性能工作模式圖

一個中繼節(jié)點時NDAF協(xié)議的DMT具體步驟如下：在時隙2開始時的極短時間內(nèi)，中繼進行判斷，確定自己是否可以正確解碼，并向信宿發(fā)送標(biāo)志信號，表明自己的情況；在時隙2開始前，信宿根據(jù)自己得到的標(biāo)志信號，如果存在可以解碼的中繼節(jié)點，則在可以解碼的中繼節(jié)點中選取

最大的中繼節(jié)點通知它進行DF前傳；如果沒有可以正確解碼的中繼節(jié)點則用AF前傳。由于發(fā)送標(biāo)志信號的時間與一幀的傳輸時間相比非常短，因此，可以像在分析DDF協(xié)議時一樣，忽略這部分的損失。推廣到N個中繼節(jié)點推廣到N個中繼節(jié)點N個中繼節(jié)點時NAF模式工作示意圖

N個中繼節(jié)點時的DMT及N=5時DMT圖像

1個中繼節(jié)點時NDAF與NAF的中斷概率對比圖從圖中可以看出當(dāng)只有一個中繼節(jié)點協(xié)同通信時，在信噪比高時，NDAF協(xié)議比NAF協(xié)議有著更低的中斷概率：在中斷概率為0.01時，NDAF協(xié)議性能比NAF高約1.5dB；在中斷概率為0.001時，NDAF協(xié)議性能比NAF高約3dB。

5個中繼節(jié)點時NDAF與NAF的中斷概率對比圖5個中繼節(jié)點協(xié)同通信時，NDAF的性能比NAF提升的更多。在中斷概率為0.01時，NDAF協(xié)議的性能比NAF高出約3dB；在中斷概率為0.001時，NDAF協(xié)議的性能比NAF高出約6dB。

5個中繼節(jié)點時NDAF與NAF的中斷概率對比圖因為在高信噪比時，系統(tǒng)以很高的概率工作在NDF模式。而此時每條S-R鏈路都可以正確解碼，因此消除了S-R鏈