全双工中继选择与功率分配算法的设计与仿真(附件)【字数：21440】
摘 要摘 要在协作通信技术中，无线传输信道拥有空间分集的特征，可以改善网络传输的可靠性、处理信道衰落、降低成本和布局灵活，有效解决了在传统通信网络中于接收端架设多天线给现实运用带来的困难。在协作通信中根据中继转发方式的不同分为全双工（FD）和半双工（HD）两种。半双工中继是比较传统的传输方式，但因为半双工需要分时隙或频率而造成了一定频谱浪费，全双工中继能够改善这一点。但在全双工中继系统中因中继同时收发来自于信源节点的信息而产生自干扰效应，自干扰达到一定程度时，会降低系统性能。在本文中，全双工中继传输系统根据中继转发方式分为放大转发(AF)和解码转发(DF)两种模式，又分别以有信源节点到信宿节点间有无直达链路为区分分为两种模型，从而设计出四种情形。在这四种情形下进行合理的功率分配方案设计和中继选择策略设计。中继选择技术，顾名思义就是在待选中继中选择一个或几个中继参与协作通信，前提是选出的中继有较好的信道条件，这样可以有效避免信道条件较差的信道带来的信令交互和功率浪费等缺陷。协作通信网络的系统资源有限，合理进行在功率上的分配可以有效改善协作通信的系统功能。在这四种情形下根据已设计的方案在计算机matlab平台上分别进行仿真，分别做性能上的对比，从而得出结论在全双工中继系统中，解码转发系统性能比放大转发系统性能较好，无直达链路系统比有直达链路系统性能较好，有中继选择系统比无中继选择系统性能较好。关键词全双工；中继选择；功率分配；放大转发；解码转发
目 录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.2 研究发展及现状 1
1.3 本文的内容安排 4
第二章 协作通信技术基础 5
2.1 协作通信的信息理论基础 5
2.1.1 信道 5
2.1.2 信道容量与中断概率 5
2.2 协作通信系统模型 6
2.3 AF和DF中继技术 7
2.3.1 放大转发（AF） 8
2.3.2 解码转发(DF) 9
2.4 本章小结 10
第三章 功率分配 11
3.1 功率分配技术基础 11
3.2 等功率分配算法基础 11
3 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
.3 非等功率分配算法 14
3.4 仿真结果及分析 15
3.5 本章小结 19
第四章 全双工中继系统中的中继选择 20
4.1 中继选择技术基础 20
4.2 多中继模型 21
4.3 现有中继选择方案 22
4.3.1 方案概述 22
4.3.2 方案对比 23
4.4 中继选择技术 23
4.5 中继选择技术面临的挑战 25
4.6 仿真结果及分析 26
第五章 总结与展望 33
5.1 全文总结 33
5.2 未来工作展望 34
致 谢 35
参 考 文 献 36
附录 38
绪论
1.1 研究背景及意义
近几十年来，随着人们对移动通信的需求不断提高，无线通信技术发展猛烈，高速多媒体、图像、音频和高清视频流等信息传输成为人们的迫切要求，能够在任意时间地点和处于任意位置的其他人进行高速稳定的通信是通信发展的最终目的。无线通信和移动网络技术经历了几十年的发展与变更，极大地改变了人们的生活方式。从当前趋势中可以看出，无线通信信息流量的陡增将会导致更多的资源消耗，这在通信的发展历程中会是一个极其紧迫的问题[1]。
在存在多个中继的协作通信网络中，中继选择是广泛研究的问题之一[2]，制定出合理方案在多个可以使用的候选中继节点中选择出最佳中继，然后参与信息传递来提高系统性能。在这个过程中，中继个数的增多引起系统容量的扩大，但总的成本消耗和能源消耗也随之增加，因此如果参与传输的中继节点处于较差的信道环境中，就会导致总体系统性能有一定程度上的降低。所以合理选择最优中继是一个关键问题。
在协作通信网络中，中继的双工方式也是一个研究重点。中继根据在双工方式的不同可以分为全双工（FD）、半双工(HD)两种方式。在全双工中继网络中，中继可以在同一时间同一频域进行信息收发；半双工网络中的中继则不能，较半双工而言，全双工能提高频谱效率和增加信道容量[3]，所以在存在多个中继的协作通信网络中，中继选用FD方式能更好地改善系统性能。但在实际的全双工中继网络中，因为中继同时同频转发来自源节点的信息，所以中继发射端对中继接收端产生干扰，即自干扰现象，这种现象将对系统性能造成一定程度上的影响。如果自干扰信息泄露非常严重，其功能甚至比HD中继系统还差。
1.2 研究发展及现状
通信产业是目前最为活跃与前景广阔的产业之一，通信即信息比特级、链路级传输和信息在网络内节点间的交换。基于无线信道的编码、调制、解调和译码等技术已取得了巨大的进步，由于其能够提供无束缚的连接和移动接入，无线通信受到人们的广泛欢迎，3G与4G等商用技术也获得广泛的应用，有效解决了现代人们的通信需求。
多输入多输出（MultiInput MultiOutput,MIMO）技术既可以消除信道的多径衰落，又能在时域、频域和码域上给予自由度，从而能大大改善无线信道的容量，但是MIMO技术在现实应用中存在一些难点：MIMO技术需要在目的节点配备多个天线，由于设备能源消耗成本、硬件性能和体积等方面的限制，很多接收端没有条件配置多个天线；MIMO还会受到传输环境的影响，在接收端配备的多个天线的距离一般是相同的，当环境散射不足够，不同的无线信道间就会存在着强相关性。每个天线传输的信号衰落相关性较强，使目的节点无法获得空间增益，然后降低传输性能。协作中继通信技术可以改善这种情况[45]。其原理是：在源节点和目的节点之间插入中继节点，接收源节点发出的信息然后转发继而完成传输，形成分布式天线阵列，形成模拟式MIMO系统，从而获得分集增益。协作通信技术从其他方面消除了移动终端无法配置多天线带来的影响，使得MIMO技术可以在现实中得到推广。在由源节点、中继节点和和目的节点形成的虚拟分布式天线阵列中，各节点的天线之间的间隔较远，各信道经历相互不相关的衰落，这可以解决MIMO信道相关性的问题。协作通信通过插入中继，在端与端间建立了辅助通道，既可以减小网络资源损耗，也可以提高覆盖范围和增加通信距离。总之，协作中继通信技术从另一个方面，特别是在实际中不方面使用MIMO技术的环境中，获得了空间分集增益。通过在现存技术中加入协作中继通信网络，能更好地改善协作通信系统性能。协作中继技术采用信道的无线回程方式，方便分装和配置，布施方便和低消耗、布局机动等很多优点，因此已成为协作通信网络中的一项研究重点。
协作通信与中继在其领域中被广泛探索，有关中继通信的研究最早源于20世纪60年代， Van der Meulen研究了中继信道相关概念及接收端信道容量的界限，后来Cover等学者在理论的基础上研究了传输信道容量[5]。他们假设系统由源、中继和目的三个节点构成，且都工作于同一时段同一频率。认为可以把系统划分成广播信道和多址信道，然后用随机编码给出容量界，为协作通信技术的研究奠定基础。后来，在学术界中把基本的两跳中继链路的概念扩展成为多跳中继网络模型和多中继网络模型[67]。而Laneman等学者研究了几种基本中继转发方式，包络解码转发、放大转发等理论，并对其系统性能进行了原理分析及仿真[8]。从那以后协作通信发展缓慢且仅局限于理论。最终协作通信推广于20世纪末21世纪初，在协作中继协议、分集增益与系统容量等方面开始广泛的研究。近年来，协作中继通信网络逐步进入了无线标准化进程，如IEEE 802.16j和长期演进（LTEAdvanced），这两种协议都结合了协调多点（CoMP）传输和接收，总体来说，不管是特定的中继还是以上两种协议策略，都阐释了协作中继通讯网络对下一代无线网络的重要性。协作通信能增大信号覆盖区域，进一步地改善无线通信网络的传输正确率和进一步解决网络资源的稀缺性。无线网络本身就需要自由接入、高可靠性、大的系统容量、节能高效等特性，协作通信为此奠定了坚固的基础。在协作通信网络中最简单的形式就是单向中继协作网络。协作通信中的节点可以彼此共享时频和协同处理，得到空间分集，从而大大增强总体性能。单向中继传输系统中，有时需要分配正交的频谱或时隙，以致损失部分频谱和延迟传输，从而降低资源利用率。1961年双向通信系统被Shannon提出，也成为在无线协作通信领域中常被探讨的重要模型。将双向网络与中继技术结合，形成了双向中继协作通信网络。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.2 研究发展及现状 1
1.3 本文的内容安排 4
第二章 协作通信技术基础 5
2.1 协作通信的信息理论基础 5
2.1.1 信道 5
2.1.2 信道容量与中断概率 5
2.2 协作通信系统模型 6
2.3 AF和DF中继技术 7
2.3.1 放大转发（AF） 8
2.3.2 解码转发(DF) 9
2.4 本章小结 10
第三章 功率分配 11
3.1 功率分配技术基础 11
3.2 等功率分配算法基础 11
3 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
.3 非等功率分配算法 14
3.4 仿真结果及分析 15
3.5 本章小结 19
第四章 全双工中继系统中的中继选择 20
4.1 中继选择技术基础 20
4.2 多中继模型 21
4.3 现有中继选择方案 22
4.3.1 方案概述 22
4.3.2 方案对比 23
4.4 中继选择技术 23
4.5 中继选择技术面临的挑战 25
4.6 仿真结果及分析 26
第五章 总结与展望 33
5.1 全文总结 33
5.2 未来工作展望 34
致 谢 35
参 考 文 献 36
附录 38
绪论
1.1 研究背景及意义
近几十年来，随着人们对移动通信的需求不断提高，无线通信技术发展猛烈，高速多媒体、图像、音频和高清视频流等信息传输成为人们的迫切要求，能够在任意时间地点和处于任意位置的其他人进行高速稳定的通信是通信发展的最终目的。无线通信和移动网络技术经历了几十年的发展与变更，极大地改变了人们的生活方式。从当前趋势中可以看出，无线通信信息流量的陡增将会导致更多的资源消耗，这在通信的发展历程中会是一个极其紧迫的问题[1]。
在存在多个中继的协作通信网络中，中继选择是广泛研究的问题之一[2]，制定出合理方案在多个可以使用的候选中继节点中选择出最佳中继，然后参与信息传递来提高系统性能。在这个过程中，中继个数的增多引起系统容量的扩大，但总的成本消耗和能源消耗也随之增加，因此如果参与传输的中继节点处于较差的信道环境中，就会导致总体系统性能有一定程度上的降低。所以合理选择最优中继是一个关键问题。
在协作通信网络中，中继的双工方式也是一个研究重点。中继根据在双工方式的不同可以分为全双工（FD）、半双工(HD)两种方式。在全双工中继网络中，中继可以在同一时间同一频域进行信息收发；半双工网络中的中继则不能，较半双工而言，全双工能提高频谱效率和增加信道容量[3]，所以在存在多个中继的协作通信网络中，中继选用FD方式能更好地改善系统性能。但在实际的全双工中继网络中，因为中继同时同频转发来自源节点的信息，所以中继发射端对中继接收端产生干扰，即自干扰现象，这种现象将对系统性能造成一定程度上的影响。如果自干扰信息泄露非常严重，其功能甚至比HD中继系统还差。
1.2 研究发展及现状
通信产业是目前最为活跃与前景广阔的产业之一，通信即信息比特级、链路级传输和信息在网络内节点间的交换。基于无线信道的编码、调制、解调和译码等技术已取得了巨大的进步，由于其能够提供无束缚的连接和移动接入，无线通信受到人们的广泛欢迎，3G与4G等商用技术也获得广泛的应用，有效解决了现代人们的通信需求。
多输入多输出（MultiInput MultiOutput,MIMO）技术既可以消除信道的多径衰落，又能在时域、频域和码域上给予自由度，从而能大大改善无线信道的容量，但是MIMO技术在现实应用中存在一些难点：MIMO技术需要在目的节点配备多个天线，由于设备能源消耗成本、硬件性能和体积等方面的限制，很多接收端没有条件配置多个天线；MIMO还会受到传输环境的影响，在接收端配备的多个天线的距离一般是相同的，当环境散射不足够，不同的无线信道间就会存在着强相关性。每个天线传输的信号衰落相关性较强，使目的节点无法获得空间增益，然后降低传输性能。协作中继通信技术可以改善这种情况[45]。其原理是：在源节点和目的节点之间插入中继节点，接收源节点发出的信息然后转发继而完成传输，形成分布式天线阵列，形成模拟式MIMO系统，从而获得分集增益。协作通信技术从其他方面消除了移动终端无法配置多天线带来的影响，使得MIMO技术可以在现实中得到推广。在由源节点、中继节点和和目的节点形成的虚拟分布式天线阵列中，各节点的天线之间的间隔较远，各信道经历相互不相关的衰落，这可以解决MIMO信道相关性的问题。协作通信通过插入中继，在端与端间建立了辅助通道，既可以减小网络资源损耗，也可以提高覆盖范围和增加通信距离。总之，协作中继通信技术从另一个方面，特别是在实际中不方面使用MIMO技术的环境中，获得了空间分集增益。通过在现存技术中加入协作中继通信网络，能更好地改善协作通信系统性能。协作中继技术采用信道的无线回程方式，方便分装和配置，布施方便和低消耗、布局机动等很多优点，因此已成为协作通信网络中的一项研究重点。
协作通信与中继在其领域中被广泛探索，有关中继通信的研究最早源于20世纪60年代， Van der Meulen研究了中继信道相关概念及接收端信道容量的界限，后来Cover等学者在理论的基础上研究了传输信道容量[5]。他们假设系统由源、中继和目的三个节点构成，且都工作于同一时段同一频率。认为可以把系统划分成广播信道和多址信道，然后用随机编码给出容量界，为协作通信技术的研究奠定基础。后来，在学术界中把基本的两跳中继链路的概念扩展成为多跳中继网络模型和多中继网络模型[67]。而Laneman等学者研究了几种基本中继转发方式，包络解码转发、放大转发等理论，并对其系统性能进行了原理分析及仿真[8]。从那以后协作通信发展缓慢且仅局限于理论。最终协作通信推广于20世纪末21世纪初，在协作中继协议、分集增益与系统容量等方面开始广泛的研究。近年来，协作中继通信网络逐步进入了无线标准化进程，如IEEE 802.16j和长期演进（LTEAdvanced），这两种协议都结合了协调多点（CoMP）传输和接收，总体来说，不管是特定的中继还是以上两种协议策略，都阐释了协作中继通讯网络对下一代无线网络的重要性。协作通信能增大信号覆盖区域，进一步地改善无线通信网络的传输正确率和进一步解决网络资源的稀缺性。无线网络本身就需要自由接入、高可靠性、大的系统容量、节能高效等特性，协作通信为此奠定了坚固的基础。在协作通信网络中最简单的形式就是单向中继协作网络。协作通信中的节点可以彼此共享时频和协同处理，得到空间分集，从而大大增强总体性能。单向中继传输系统中，有时需要分配正交的频谱或时隙，以致损失部分频谱和延迟传输，从而降低资源利用率。1961年双向通信系统被Shannon提出，也成为在无线协作通信领域中常被探讨的重要模型。将双向网络与中继技术结合，形成了双向中继协作通信网络。
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