天地協(xié)同通信網(wǎng)絡(luò)信道容量分析概述目錄TOC\o"1-3"\h\u3785天地協(xié)同通信網(wǎng)絡(luò)信道容量分析概述 1294491引言 124931.2信道容量 2239301.2.1場景建模 2133551.2.2信道統(tǒng)計性性容量 3117871.3中繼選擇 4111351.3.1中繼選擇 47961.3.2機會中繼 463461.3.3遺傳算法 573881.4仿真分析 6126121.4.1場景建模 66091.4.2仿真分析 71引言香農(nóng)證明得出了固定狀態(tài)下信道的容量表達式。但是無線通信網(wǎng)絡(luò)中的不斷隨機變化的信道狀態(tài)要求必須使用可以描述系統(tǒng)好壞的有統(tǒng)計意義的信道容量。本章將具體介紹具有統(tǒng)計意義的信道容量的描述方法。Cover和EIGamal研究分析了以單源單中繼單目的節(jié)點為模型的系統(tǒng)的更準確的信道模型下的信道容量，并得出了計算信道容量下界的方案。因為有多個中繼節(jié)點，所以中繼協(xié)助通信中還涉及到中繼選擇的問題，常用的中繼選擇算法有機會中繼、遺傳算法等。隨著衛(wèi)星和移動用戶間合作中繼節(jié)點數(shù)量的增加，中繼節(jié)點的數(shù)量也在不斷增加，系統(tǒng)的容量在減小。這是由于中繼通信必須分配有限的資源。綜合衛(wèi)星-地面通信系統(tǒng)是解決這一問題的一種經(jīng)濟有效的模式。而對于在衛(wèi)星和接收終端之間存在的一條視距鏈路，由于長時間的陰影遮蔽和阻塞，使得與衛(wèi)星的視距鏈路通信難以維持。因此，衛(wèi)星系統(tǒng)與地面設(shè)備之間的連接并不是具有理想的信道條件。為了避免通信系統(tǒng)吞吐量嚴重下降，使用中繼節(jié)點是非常必要。所以，在衛(wèi)星-地面綜合系統(tǒng)中使用合作中繼，不僅擴大衛(wèi)星覆蓋范圍，而且可以提高系統(tǒng)通信容量，在被覆蓋區(qū)域內(nèi)為用戶提供有效的服務(wù)。1.2信道容量1.2.1場景建模如圖3-1所示，以傳統(tǒng)的兩跳多中繼的并行協(xié)作中繼通信網(wǎng)絡(luò)為例，進行說明。源節(jié)點與中繼節(jié)點、目的節(jié)點之間都存在有獨立且互不相同的衰落信道。在所有中繼節(jié)點處均使用AF轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議。目的節(jié)點使用最大比值合并技術(shù)（MaximalRatioCombining，MRC）合并所有從源節(jié)點和中繼節(jié)點接收到的信號。在所提出的系統(tǒng)中，假設(shè)信道獨立且不相同。源節(jié)點和目的節(jié)點之間、源節(jié)點和中繼節(jié)點之間的信道衰落系數(shù)分別表示為hsd和hsri，中繼節(jié)點到目標節(jié)點之間的信道衰落系數(shù)用hrid表示。組合信號在目的節(jié)點MRC輸出處的瞬時信噪比為:γMRC其中γsd為所建模中繼協(xié)作通信系統(tǒng)中的源節(jié)點和目的節(jié)點間的瞬時信噪比,γiγi可以由下式?jīng)Q定：γγi上式中，γsri為所建模中繼協(xié)作通信系統(tǒng)中的源節(jié)點到中繼節(jié)點（S→Ri）信道的瞬時信噪比,γrid為所建模中繼協(xié)作通信系統(tǒng)中的中繼節(jié)點到目的節(jié)點（Ri→D）之間信道的瞬時信噪比。?sd??rNd?srN?sr1中繼節(jié)點N中繼節(jié)點2中繼節(jié)點1源節(jié)點???中繼節(jié)點N中繼節(jié)點2中繼節(jié)點1源節(jié)點目標節(jié)點??圖3-1中繼通信系統(tǒng)模型1.2.2信道統(tǒng)計性性容量信道統(tǒng)計容量有兩種，其一為各態(tài)歷經(jīng)性容量（遍歷容量），其二為中斷容量。各態(tài)歷經(jīng)性容量是在在所有衰落狀態(tài)下的隨機信道的最大信息速率的時間平均?？梢悦枋霭l(fā)射功率恒定情況下，目的節(jié)點所能獲得的最大無差錯平均傳輸速率。若傳播信道為平坦性衰落信道，總通信時間為T，總的通信時間內(nèi)有N個時隙。每個時隙Tslot又分為M個符號周期Ts。信道相干時間為Tc。隨意一個時隙，時隙的信噪比也為隨機信噪，設(shè)其為γ，該時隙的信道容量為：log(1+各態(tài)歷經(jīng)性容量是指源節(jié)與目的節(jié)點之間最大互信息的值。因此一個具有N個中繼節(jié)點的多中繼的系統(tǒng)的各態(tài)歷經(jīng)性容量可以表示為：CγMRC=1進一步可以證明，一個更簡潔有效的各態(tài)歷經(jīng)性容量下界可表示為：CγMRC在計算最大比值合并下的容量值時，只有容量的一階矩以及二階矩是所需要的。理論上來說，信道容量的二階矩可以利用In函數(shù)的泰勒級數(shù)展開，并結(jié)合所需函數(shù)的一階矩、二階矩，得出各態(tài)歷經(jīng)性信道容量的表示為：CγMRC其中，信噪比的一階矩和二階矩計算表達式為：ε[γε[γ1.3中繼選擇1.3.1中繼選擇有關(guān)中繼選擇的算法研究一直都是熱點問題，各種算法多種多樣。目前主要使用的中繼選擇算法主要有遺傳算法、機會中繼、蟻群算法等。選擇中繼時，采用的系統(tǒng)優(yōu)化標準也不相同，有以最大化系統(tǒng)容量為準則來選擇最優(yōu)中繼，也有以最小化中斷概率為標準選擇最優(yōu)中繼。1.3.2機會中繼基于瞬時信道狀態(tài)選擇最優(yōu)中繼的機會中繼算法最先由A.Bletasas等人提出。在文獻REF_Ref2757\r\h[11]中A.Bletasas等人建立了存在多個協(xié)作中繼的通信場景。之后，作者提出了中繼選擇方案，并分析證明了該機會中繼選擇算法的有效性與簡潔性。機會中繼算法有諸多好處,例如，各個節(jié)點僅需做本地的測量，節(jié)約資源，且在選擇時無需任何先驗知識，僅需知道瞬時信道狀態(tài)即可，這樣同時也使得選擇時所需要的時間很少，且消耗資源也很少，并且對物理層的要求也很低。REF_Ref2864\r\h[12]現(xiàn)假設(shè)中繼系統(tǒng)模型中各節(jié)點間的信道系數(shù)如本章中圖3-1所示。機會選擇算法有兩種選擇標準：準則一：?i=min{準則二：?i=2準則一是對于同一中繼節(jié)點，將源節(jié)點到中繼節(jié)點，中繼節(jié)點到目的節(jié)點的信道系數(shù)中較小的一個取出，算作整條信道中的信道瓶頸。準則二則是通過計算源節(jié)點到中繼節(jié)點，中繼節(jié)點到目的節(jié)點的信道系數(shù)的可以平衡兩段鏈路的信號強度的調(diào)和平均數(shù)來作為選擇標準。之后，無論上述那種準則，都選擇hi值最大的中繼進行通信。上述選擇算法可以表示為：b=max{min(γsri1.3.3遺傳算法遺傳算法是尋找最優(yōu)解、解決最優(yōu)化問題的一種極佳算法。遺傳算法以所要研究的群體中所有個體為對象，在將對象參數(shù)進行隨機編碼之后進行一系列操作。遺傳算法首先選擇出它認為可能是最終要求解問題的最優(yōu)解的潛在種群。將個體進行編碼，組成該種群。遺傳算法要先選擇如簡化的二進制編碼等的編碼方式，對問題所研究的個體進行編碼工作，以實現(xiàn)可以相互映射的外部的表現(xiàn)型與內(nèi)部的基因型。之后，按照自然界的優(yōu)勝劣汰的生存規(guī)律，根據(jù)算法事先設(shè)置的適應(yīng)度準則，一代一代剔除表現(xiàn)不好的個體，選擇表現(xiàn)好的個體。并借助交叉、變異操作，產(chǎn)生出新的更優(yōu)化的種群。不斷循環(huán)上述過程，將會使一代的種群比一代的種群在所研究問題上表現(xiàn)得更好。之后，最末代的種群中表現(xiàn)最好的個體可以針對最開始的編碼工作進行解碼，解碼后的結(jié)果作為整個問題的最優(yōu)解。REF_Ref3067\r\h[13]總結(jié)上述過程，可以得出，遺傳算法的整體步驟如下：1.隨機產(chǎn)生種群。2.根據(jù)適應(yīng)度判定策略來判斷每個個體的適應(yīng)度，根據(jù)個體適應(yīng)度，判斷是否符合選擇策略，如果符合，輸出該個體，并解碼輸出該問題最優(yōu)解，流程到此結(jié)束。否則，進行下一步。1.依據(jù)適應(yīng)度大小排序選擇父親、母親，個體適應(yīng)度越高，被算法選中的概率越大。4.按照一定的方法將上一步選擇出的父親、母親的染色體進行交叉，生成子代。5.對子代染色體進行變異從而產(chǎn)生新的種群。6.重復(fù)上述操作，直至流程結(jié)束。1.4仿真分析1.4.1場景建模如圖3-2所示本論文的天地協(xié)同通信網(wǎng)絡(luò)建模如下：假設(shè)一個天地協(xié)同通信網(wǎng)絡(luò)以地面基站作為協(xié)作地面固定中繼。衛(wèi)星通信系統(tǒng)作為源節(jié)點，用戶終端作為目標節(jié)點。各個節(jié)點之間都存在有獨立且互不相同的衰落信道，源節(jié)點和目標節(jié)點之間存在有直射鏈路?，F(xiàn)假定每個節(jié)點都配備有單個天線，在所有中繼節(jié)點處均使用AF轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議。信號通信過程分為兩個階段。在第一階段，衛(wèi)星系統(tǒng)將信息信號同時發(fā)送給地面基站和用戶終端。在第二階段，地面基站放大從衛(wèi)星系統(tǒng)接收的信號，并轉(zhuǎn)發(fā)到用戶終端，用戶終端使用MRC技術(shù)合并所有接收到的信號。此外，出于便于處理的考慮，假定目的節(jié)點接收到的所有信號是完全同步的。REF_Ref3165\r\h[14]從源節(jié)點到中繼節(jié)點、目的節(jié)點的信道因為中途幾乎沒有建筑物阻礙，所以認為信道系數(shù)遵從Rician分布。中繼節(jié)點到目的節(jié)點之間因為小建筑、樹木等物體造成多條路徑，所以信道系數(shù)認為遵循Nakagami-m分布。圖3-2天地協(xié)同通信網(wǎng)絡(luò)模型1.4.2仿真分析以上述建模為基礎(chǔ)，采用本章開頭介紹的遍歷容量計算方法，仿真分析不同信噪比，不同中繼節(jié)點個數(shù)（以N=1,4,10為例）下從源節(jié)點到目的節(jié)點的天地協(xié)同通信網(wǎng)絡(luò)中的信道容量，結(jié)果如圖3-3所示。通過仿真分析結(jié)果可以看出，信道的遍歷容量隨著信噪比以及中繼節(jié)點的個數(shù)的增加而增大。之后采用機會中繼選擇算法，根據(jù)上述介紹的選擇準則一（式1.9）結(jié)合窮舉法選擇最優(yōu)中繼節(jié)點，以此計算信道容量。圖3-4為仿真分析得出的機會中繼選擇最優(yōu)中繼后的信道容量。假設(shè)中繼節(jié)點為4個，機會中繼選擇最優(yōu)中繼后的信道容量與原始遍歷容量進行對比，可以明顯看出，選擇中繼后的信道容量會比遍歷容量大。