单AF、DF协作通信

摘要协作通信思想通过用户间彼此共享天线，互为通信中继，实现虚拟发射分集，从而为MIMO的实用提供了一个可行的思路。协作通信的核心问题是中继节点的协作协议。有两种最基本的中继协作方式放大转发（AF）与解码重传（DF），其它各种协作协议的研究，几乎均是建立在这两个固定中继协议之上。本文通过MATLAB仿真，来验证协作对通信的改善，并分析不同信道情况下的AF与DF表现，研究二者的实际性能与所面临的主要问题。关键字：协作通信固定中继放大转发AF任务与要求任务：本项题目旨在研究多中继环境下采用固定中继的协作系统在采用不同中继结构时的系统性能增益，分析BER及分集增益并通过仿真验证理论分析的正确性。要求：1）在学习中继系统的基础上，了解实际系统中所采用的不同的中继结构。2）使用MATLAB工具建立搭建采用不同中继协议下的固定中继通信系统（可以采用简单的调制方式），通过信号发射与接收来验证中继选择的性能。ABSTRACTCooperativecommunicationprovidesafeasiblewayofrealizingMIMO.Itachievesthisbysharingantennaandregardingeachotherascommunicationrelaybetweenusers,soastoimplementdummylaunchdiversity.Thecoreproblemofcooperativecommunicationisthecooperativeprotocolsforrelaynode.Therearetwobasicrelaycooperativeways,whichareAmplify-and-Forward(AF)andDecode-and-Forward(DF).Otherresearchesincooperativeprotocolsareallbasedonthetwofixedrelayprotocols.ThisthesisvalidatestheimprovementincommunicationbystimulatingMATLAB.ItalsoanalyzestheperformanceaboutAFandDFindifferentchannels,soastostudytheactualperformanceandthemainproblemsofthetwomethods.Keywords:CooperativeCommunicationFixedRelayingAFDF目录第一章绪论11.1MIMO及协作通信产生背景11.2本文的主要内容及组织结构2第二章协作通信技术基础及其实现52.1MIMO技术概述52.1.1MIMO系统原理62.1.2MIMO研究现状及其局限性72.2协作通信系统概述82.2.1协作通信系统模型92.2.2协作中继方式102.3分集技术102.3.1分集方式122.3.2显分集合并方式142.3.3分集增益16第三章AF与DF原理及性能173.1放大转发模式（AF）173.1.1AF模式基本原理及性能173.1.2单中继AF协作通信过程183.2解码重传模式（DF）193.2.1DF模式基本原理及性能193.2.2单中继DF协作通信过程203.3理论误码率性能21第四章系统性能仿真234.1程序流程、结构及变量说明234.2程序模块实现说明254.2.1信道模型254.2.2MRC实现264.2.3BER实现274.2.4AF实现284.2.5DF实现294.3仿真结果分析31第五章总结35致谢36参考文献37绪论1.1MIMO及协作通信产生背景1.2本文的主要内容及组织结构本文旨在研究多中继环境下采用固定中继的协作系统在采用不同中继结构时的系统性能，通过对AF模式和DF模式进行MATLAB仿真，分析其BER及分集增益验证协作通信在恶劣环境中的有效性和高效性。全文共分五章，后续章节安排如下：第二章，概述MIMO及协作通信系统，简要介绍协作通信的技术基础——协作通信的中继方式以及分集技术的相关概念。第三章，详细介绍两种最基本也是本文所采用AF与DF的协作协议的原理和其通信过程，以及它们的理论误码率。第四章，详细讲述仿真实现过程及结果分析。第五章，是对全文的总结，以及对在工作中所遇到的问题的思考与解决。协作通信技术基础及其实现2.1MIMO技术概述2.1.1MIMO系统原理图2.1.1MIMO系统原理图2.1.2MIMO研究现状及其局限性2.2协作通信系统概述2.2.1协作通信系统模型根据无线网络中是否存在空闲节点资源，可以建立两种不同的协作通信模型：如图2.2所示，当系统中存在空闲节点资源时，空闲节点可相应充当转发节点；当系统中不存在空闲节点资源时，可采用图2.3所示的协作通信系统模型（本文中，S代表源节点Source，R代表中继节点Relay，D代表目的节点Destination）。协作通信的整个数据传输分为两个部分：第1阶段，接入用户作为源以广播的方式发送数据，中继用户和目的地均接收其数据；第2阶段，中级用户为接入用户按约定的协议转发数据，目的地将这两个阶段接收到的数据按某种方式合并。图2.2有空闲节点资源的协作通信系统模型图2.3无空闲节点资源的协作通信系统模型该系统中，一方面信源节点会浪费部分资源(包括带宽、发射功率等)以用于节点间相互转发信息，因而造成有效通信数据流量的下降；另一方面协作通信系统产生的协作通信增益会使系统中的有效通信数据流量增加，当由协作通信产生的正面效应大于负面效应时，系统便会相应获得性能增益。当然，协作通信并不局限于两个用户之间，可以是多用户之间的相互协作，即一个用户可以同时拥有多个合作伙伴，协作分集以多个用户共享天线或其他网络资源的形式构造虚拟阵列，利用分布式传输和信号处理获得分集增益。因此，协作通信不局限于蜂窝系统，同样适用于无线Adhoc网络，无线局域网以及无线传感器网络等多种应用环境，今后还有可能将这些网络结合起来，形成一种全新的智能网络，引起移动通信领域的重大变革。2.2.2协作中继方式协作通信协议可分为固定中继和自适应中继两种。在固定中继方案中，信道资源是以固定的或确定的方式在源节点和中继之间进行分配的。固定中继协作通信策略包括放大转发（Amplify-and-Forward，AF）和解码转发（Decode-and-Forward，DF）两种基本协议。AF策略中，中继仅仅将收到的信号进行衡量并且将其放大传输到目的地；在DF策略中，中继对收到的信号进行解码并重新编码，然后再将其发送到接收器。在此基础上，产生了两种自适应的选择中继（Selection-Relaying，SR）和增强中继（IncrementalRelay，IR）。选择中继模式时，当信源节点与中继节点间的信道条件较好时，中继节点便转发其从信源节点所接收到的信息至接收端；否则，中继节点不转发其从信源节点所接收到的信息，此时系统等同于非协作通信系统。增强中继模式时，类似于ARQ协议，中继节点对源信号解码，并反馈解码判决信息给源节点，告知源节点译码是否正确，然后由源节点决定是否继续进行协作。这种对是否协作的选择，形成了自适应中继。随着对协作通信研究的深入，各种中继协议不断被提出，本文主要旨在采用AF和DF来论证协作通信的性能，对此不再深入讨论。2.3分集技术图2.4传统分集技术直观理解图2.3.1分集方式2.3.2显分集合并方式本文中的仿真，在目的节点使用MRC策略对直传信号和中继信号进行合并处理。图2.5三种合并方式的性能比较2.3.3分集增益分集性能指采用分集技术与不采用分集技术两者相比，对减轻深衰落影响所得到的效果。为了定量的衡量分集的改善程度，常用分集增益和分集改善度这两个指标来描述。本文中，采用分集增益来表征协作分集的性能。分集增益（diversitygain），在所查找的资料中，对分集增益的概念一般比较含糊：有的指分集增益等同于分集阶数（diversityorder），即在传输过程中所能提供的最大的同一信号独立副本的数目；有的指分集增益的本质是提高SINR，量化为提高几个db，某种程度上与分集阶数有关；还有很多概念——功率增益、阵列增益、自由度增益、复用增益等N多增益。本文的理解，增益，即增加收获、增加益处，通常用两个参量（其数值能确定一个系统的特征或行为的一组物理性质中的任何一个性质）的比较来表征。对于分集增益，采用误码率的斜率的观点：G=-(lim)┬(SNR→∞)⁡〖lg⁡〖P_e〗/lg⁡SNR〗式(2-3-1)其中P_e为系统误码率。可见，分集增益是采用相关的发射分集和接收分集时所获得的SNR曲线斜率的增加。分集阶数（收发天线数）越高，斜率越大，分集增益越大。分集增益在高信噪比下对系统性能的提高尤为重要。因为在高信噪比时分集增益近似为误码率曲线的斜率。所以，本文中，采用直观观察误码率曲线斜率的方法来定性分析系统的实际分集增益。那么，分集是如何带来增益的呢？举例来讲，对于同一个信号，分别从两个天线发送出去，这个时候，如果两条链路信道状态是独立同分布的，那么其各链路的接收SINR也是近似相同。这样，经过接收合并，其SINR接近于单链路的2倍。可以直观上的理解，在接收端接收到的有用信号强度变为单链路时的2倍，但噪声可不一定是原先噪声的2倍，视噪声分布情况将会有不同程度的抵消作用，只会小于2倍，那么此时合并后的信噪比将大于单链路时的信噪比了。这个大出来的部分就是分集得到的增益。AF与DF原理及性能无线通信系统利用协作传输技术，在接收节点通过合并来自多条独立衰落信道的数据样本，可以有效地抵抗信道衰落的影响，获取分集增益，提高系统的传输可靠性。目前，已经有许多协作传输协议被相继提出。其中，从协作中继节点的转发方式上区分，主要有两大类：放大转发（Amplify-and-Forward，AF）和译码重传（Decode-and-Forward，DF）。在此基础上，对这两类协作传输协议进行优化，提出了具有协作中继节点选择能力的协作传输协议、采用有效编码技术（空时编码、协作编码等）的协作传输协议以及增加有限反馈（增量中继等）的协作传输协议。本文旨在验证协作通信理论对系统性能的改善，故仅对最基础的AF与DF模式进行分析、仿真，对于其他协作协议，不作深入讨论。3.1放大转发模式（AF）3.1.1AF模式基本原理及性能放大转发模式（Amplify-and-Forward，AF），有文献中也称为前向放大、非再生中继。在AF协议下，中继采用模拟处理，不对接收的信号进行解调和解码，而是直接对接收到的带有噪声的信号进行放大，然后发送给接收端。图3.1所示为单中继AF协议的原理及其基本过程。图3.1单中继AF协作通信原理AF模式是最简单的一种中继方式，相比于直传方式，AF协作通信总能带来一定的信噪比增益，但是由于中继节点除了转发源节点的有用信息外，引入的噪声也同样被放大转发，因此，当源节点与中继节点之间的链路信道条件较差时，信号几乎淹没在噪声之中，因而转发的大部分为噪声，从而会降低目的节点的接收性能。3.1.2单中继AF协作通信过程1．源端广播过程源节点S以广播的方式向周围发送信号x_s（在程序中表示为x_s），其中一路直接发送到目的节点D，一路发送到中继节点R。经过信道后，则中继节点R接收到的信号为y_(s,r)（程序中表示为y_sr）：y_(s,r)=√(P_s)〖h_(s,r)x〗_s+n_(s,r)式(3-1-1)目的节点D接收到的信号为y_(s,d)（程序中表示为y_sd）：y_(s,d)=√(P_s)〖h_(s,d)x〗_s+n_(s,d)式(3-1-2)其中，P_s源发送的信号的功率为，n_(s,r)为源节点与中继节点间信道噪声。2．中继端放大转发过程中继节点R直接将收到的来自源节点S的信号y_(s,r)以系数β进行功率放大，然后转发给目的节点D（基站）。AF方式可以看成是具有两个发射端的重复码，唯一不同的是中继节点将自身接收到的噪声信号也放