协作中继通信网中的分集研究-丁建峰

工作模式图
一个中继节点时NDAF协议的DMT
1 0 r 3 2(1 r ), 1 1 d (r ) (1 r ) 2(1 2r ) , r 3 2 (1 r ), 1 r 1 2
推广到N个中继节点
具体步骤如下：在时隙2开始时的极短时间内， 中继进行判断，确定自己是否可以正确解码，并 向信宿发送标志信号，表明自己的情况； 在时隙2开始前，信宿根据自己得到的标志信号 ，如果存在可以解码的中继节点，则在可以解码 的中继节点中选取 hrd 最大的中继节点通知它进 行DF前传；如果没有可以正确解码的中继节点 则用AF前传。由于发送标志信号的时间与一帧的 传输时间相比非常短，因此，可以像在分析DDF 协议时一样，忽略这部分的损失。
1 2(1 r ), r 0 2 d (r ) (1 r ) / r , 1 r 1 2
传统协作分集方案及其改进
一个中继节点时DDF协议的DMT曲线
传统协作分集方案及其改进 单中继时AF、NAF、DDF与直传、理想 曲线的DMT对比图
一种基于中继选择的非正交混合中继协 议及其DMT性能
中继节点个数不同时NDAF的中断概率
从模拟图中可以看出，随着中继节点个数N的不断增大，系 统的性能在不断提升。这是因为可以选取的 越多， 大的概 率越高，因此系统性能自然就会获得提升。
谢谢大家！
协作通信网中的分集研究
姓名：丁建峰 班级：A1203491 学号：0120349031

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研究内容简介
协作分集作为一项新兴研究领域，得到了广泛的关注和应用， 是当前无线通信研究的热点。 本次研究着重分析协作中继通信网中分集协议的分集复用折中 （DMT）性能。对半双工通信中两种基本的协作分集协议： 放大前传协议（AF）、解码前传协议（DF）进行了DMT分析 ，并与其改进的非正交放大前传协议（NAF）、动态解码前传 协议（DDF）进行对比。 在前人研究的基础上，提出了一种基于中继选择的混合NAF、 NDF协作中继协议，通过计算其DMT，发现其有着优于NAF 协议的性能。最后通过Matlab仿真中断概率验证这一结论。
DDF中继协议已经被证明是目前译码转发中最佳 的中继协议。尤其是在单中继并且复用度r小于 1/2时，完全可以达到割集界，这充分显示了 DDF性能的优越。然而，尽管DDF可以使协作 中继节点能正确译码的概率最大化，但是在当下 ，没有一种相应的编码方案来很好的实现这一中 继协议；同时NAF协议的性能不是特别优越，显 然可以有很大的改进空间。
研究背景
一些重要的定义 (1)信噪比

E
v2
（2）如果
log( f ( )) lim b log( )
b
则定义
f ( )
研究背景
（3）分集增益d (diversity gain)和 复用增益r (multiplexing gain)
log( PE ( )) d lim log( )
一种基于中继选择的非正交混合中继协 议及其DMT性能
首先考虑仅有一个中继节点的情况。假设信源、中 继节点和信宿只有一个天线，整个系统工作在半双 工模式（half-duplex mode）下，这样保证，在 同一时间内，节点只能接收或发送信息，不可以同 时进行收发。将通信过程分为两个时隙。 在时隙1结束时，中继节点进行判断：如果中继节点 可以正确译码，那么中继采用DF模式向信宿转发数 据；如果中继节点不能正确译码，那么中继节点采 用AF模式向信宿转发数据。 直观上可以看出，这样做可以避免高信噪比时AF协 议对信道噪声的放大，同时可以克服低信噪比时， DF解码错误带来的误码传播。因此，该协议会有较 好的性能。以下简称该协议为NDAF（Nonorthogonal Decode/Amplify and Forward）协议。
研究背景
分集（diversity） 指在独立的衰落路径上发送相同的数据，由于独立路径在 同一时刻经历深衰落的概率很小，因此经过适当的合并后 ，接收信号的衰落程度就会被减小。
研究背景
协作分集可以分为两步进行：第一步，信源节点向信宿节 点和中继节点广播发送信号，中继节点接收到信号后对信 号进行处理；第二步，信宿节点采用多址接入的方式接受 来自中继节点转发的信号，信宿节点采用某种规则对多个 信号进行合并。在第二步中，信源节点也可以再向信宿节 点发送信息。
• 5个中继节点协同通信时，NDAF的性能比NAF提升的更多 。在中断概率为0.01时，NDAF协议的性能比NAF高出约 3dB；在中断概率为0.001时，NDAF协议的性能比NAF 高出约6dB。
5个中继节点时NDAF与NAF的中断概 率对比图
• 因为在高信噪比时，系统以很高的概率工作在NDF模式。 而此时每条S-R链路都可以正确解码，因此消除了S-R链路 的噪声对信号的影响，并且选取最佳的R-D信道，这样进行 前传时就进一步降低了中断事件发生的概率，大大提升了系 统的性能。
1 1 1 PPE det( I N s n ) 2
（7）引理1 考虑一个相干线性高斯信道，其数据速率为R，码长为 ，当接收信号和发送信号的互信息超过 lR 时，只要码长 足够大，那么最大似然接收机的错误概率可以任意的小。
l
l
传统协作分集方案及其改进
放大前传 放大前传( Amplify-and-Forward,AF) 在AF协议中，中继节点不对信源发送来的信息进行其他操作，直 接将其放大后发送给信宿。
研究背景
Diversity-Multiplexing Tradeoff (DMT) 分集复用折中（DMT）就是讨论分集增益和 复用增益之间关系的一个标准。其本质是通 信系统传输可靠性（错误概率）和数据率的 折中。
本次研究的重点就是讨论在单源单宿通信网 络中协作中继系统的DMT性能。并且假设信 源、中继节点和信宿只有一个天线，整个网 络工作在半双工模式（half-duplex mode） 下，信道衰落为瑞利衰落。
d 2(1 2r )

传统协作分集方案及其改进
解码前传 解码前传(Decode-and-Forward,DF) 在DF协议中，中继节点对信源发送的数据进行解码，然后重 新编码，再发送给信宿。
传统协作分集方案及其改进
尽管DF协议可以有效的利用编码优势来降低噪声对通信的 影响，但是如果S-R信道比较差，DF模式可能把解码错误 的数据转发给信宿节点，从而造成误码传播。可以想像， 如果中继解码错误，那么接收端成功的概率只有1/2 。 而AF模式下，当S-R信道较差，中继节点只是把噪音传递 给目的节点，由目的节点综合处理，性能还不至于太差。 可以证明，由于存在误码传播，DF模式不能获得有效的分 集增益。
传统协作分集方案及其改进
NAF协议
d 1 r (1 2r )

传统协作分集方案及其改进
只有一个中继节点时AF协议的最佳分集复用折中曲线
传统协作分集方案及其改进
DDF协议 动态解码前传协议（DDF）与一般的解码前传协议的不同 点在于，中继节点没有一个特定的参与协同的时刻。在 DDF协议中，中继节点一直监听信道，当它接收到的信息 与信源节点发送的信息的互信息超过一定值时，中继节点 开始参与协同。对于码长为 L符号间隔、信息速率为每信 道传输 R比特的系统来说，当中继节点接收到的信息与信 源节点发送的信息的互信息超过LR时，中继节点进行解码 、重编码，再发送给信宿节点。
推广到N个中继节点
N个中继节点时NAF模式工作示意图
N个中继节点时的DMT及N=5时 DMT图像
1 N 2 ( N 1)(1 r ), 1 1 d (r ) (1 r ) ( N 1)(1 2r ) , r N 2 2 (1 r ), 1 r 1 2 0r
1个中继节点时NDAF与NAF的中断概 率对比图
• 从图中可以看出当只有一个中继节点协同通信时，在信噪比高 时，NDAF协议比NAF协议有着更低的中断概率：在中断概率 为0.01时，NDAF协议性能比NAF高约1.5dB；在中断概率 为0.001时，NDAF协议性能比NAF高约3dB。
5个中继节点时NDAF与NAF的中断概 率对比图
R( ) r lim log( )
（4）如果 d A (r ) d B (r )，则协议A完全主导协议B。 （5）假设g是一个具有零均值、单位方差的高斯随机变量， 定义 v lim
log( g ) log( )
2
1
，则v表示 g 2 的Байду номын сангаас数。

研究背景
（6）考虑一个相干线性高斯信道信道 y s n，其最大 似然接收机的成对错误概率（PEP)有上界：