无线协作通信的仿真与性能分析协作策略毕业设计说明书.docx
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无线协作通信的仿真与性能分析协作策略毕业设计说明书
毕业设计说明书（论文）
题目：
无线协作系统的仿真与性能分析
（协作策略）
WirelessCooperativeCommunicationsystemsimulationandperformanceanalysis
ADissertationSubmittedto
NanjingInstituteofTechnology
FortheAcademicDegreeofBachelorofScience
By
SenLin
Supervisedby
LecturerJieYang
CollegeofCommunicationEngineering
NanjingInstituteofTechnology
June2013
摘要
为了满足人们对无线多媒体通信业务不断增长的需要，协作通信技术应运而生。
本文研究了无线协作通信中的部分协作策略。
其中比较主流的是放大转发（AF）和解码转发（DF）。
本文首先分析了不同协作策略的工作原理，然后利用MATLAB来仿真了不同信噪比下AF和DF协作通信系统的误码率性能。
从仿真结果可以对以下一些问题进行判断：
在不同信道条件下，AF、DF和传统的直连方式相比优势在哪里，缺点在哪里。
通过比较相同的信噪比条件下不同传输方式的误比特率以及功耗等参数可以判断一种无线通信方式的优劣，而这次研究，就是要运用MATLAB软件，来完成对不同协作策略以及不使用协作情况下的通信效果的仿真，从而得以判断不同通信方式的好坏，加深对自身专业的了解。
本文的研究成果，可以为无线通信系统的建模和设计提供理论依据。
本论文的主要容包括：
无线协作通信原理；协作通信中不同协作策略；MATLAB仿真流程，用MATLLAB编程实现无线协作通信系统仿真。
关键词：
协作通信；放大转发；解码重传；误码率
Abstract
Inordertosatisfypeople'sgrowingwirelessmultimediacommunicationserviceneeds,collaboration,communicationtechnologyemerged.Thispaperstudiesthewirelesscooperativecommunicationscollaborationstrategy.Whichisamplifiedmoremainstreamforwarding（AF）anddecodeforward（DF）.Thispaperanalyzesthedifferentcollaborationstrategyworks,thenuseMATLABtosimulatetheamountofdifferentSNRAFandDFcooperativecommunicationsystemBERperformance.Fromthesimulationresultscanbeseen:
istocomparedifferentchannelconditions,AF,DF,andcomparedtothetraditionalstraightedgewhereshortcomingswherethesameSNRdifferenttransmissionbiterrorrateandpowerconsumptionandotherparameterstojudgethemeritsofawirelesscommunicationsystemthemajorparametersofthisstudyistouseMATLABsoftwaretocompletecollaborativestrategiesfordifferentcircumstancesandwithoutthecollaborationofthecommunicationresultsofthesimulation,sothatitcandeterminethedifferentcommunicationgoodorbadwaytodeepentheirprofessionalknowledge.Theresearchresultscanprovideawirelesscommunicationsystemmodelinganddesignprovideatheoreticalbasis.
Themaincontentsofthispaperinclude:
wirelesscooperativecommunicationtheory;collaborativecommunicationindifferentcollaborationstrategy;MATLABsimulationprocesses,McollaborationwithMATLLABprogrammingwirelesscommunicationsystemsimulation.
Keywords:
CooperativeCommunicationAFDFBER
第一章绪论
1.1选题背景与意义
无线协作系统因为其在增加系统可靠性以及传输速率上的作用，近年来称为了研究的热点之一，在无线环境中，单天线便携式移动节点可以协调地共享其他节点的资源，在源节点与目的节点之间构建多条通信链路，形成一个MIMO系统，从而为小型移动设备的MIMO实用化提供了一条出路。
在不久的将来，协作通信技术将会发展成为未来无线通信领域广泛采用的传输技术之一，因此本次毕业设计有着非常重要的实际意义，因为协作通信的策略研究是信息社会的主要支柱,是国家国民经济的神经系统和命脉,是现代高新技术的重要组成部分,作为学生，有必要对国外关于无线协作通信理论的研究成果有一定的了解。
无线通信发展至今，随着人们对高速率数据业务和服务质量要求的不断提高，要求下一代无线通信系统能够提供更高的传输速率和质量更高的无线覆盖，然后无线信道固有的衰落特性会导致信号传输质量的下降，在实际无线通信系统中，通常只在基站端配置多根天线，而对于移动终端，由于体积，重量以及功耗方面的限制，在其上配置多跟天线的方法难以实现，为了解决这一问题，实现终端的分送分集，产生了一种新的空间分集方式，这种方式被称作协作分集，分集增益通过网移动终端的相互协作获得，网多个移动终端组成协作伙伴，协作伙伴之间对数据进行中继转发，即每个移动终端都不仅发送自己的信息，还要发送协作伙伴耳朵信息，通过使用伙伴的天线来发送经历独立衰落的副本，从而使单天线的移动终端也能实现空间分集。
[1]
1.2研究现状
一个无线网络系统通常可以被看做一些试图相互通信的节点的集合，但是从一个角度而言因为无线通信广播的特性存在，我们可以把这些节点近似的看做是分布天线集合，利用这一理论依据，网络中的节点就可以利用相互协作来进行信息处理和分布式传输，可以吧一个协作节点看做源节点的中继节点，因为以上的原因，协作通信就可以在源目的节点之间构成类似于MIMO信道的独立传输链路。
[2]
从本质上来说，可以把协作通信看做一种广义的MIMO概念，它可以利用无线通信广播特性而在节点之间产生能够相互辅助的一种新的结构，可以用分布式的方法来进行通信处理，并且能够获得与MIMO系统相仿的优势，这种方法可以产生新的通信技术从而使信道容量以及其性能得到提高，并且降低了电池的损耗从而延长了网络寿命，而且还提高了吞吐量以及多接入方案的稳定域，扩展传输围，提供多媒体通信中源-信道编码方式的折中
协作通信主要是考虑协作通信多数的物理层问题并阐述在写作框架下的不同和提升之处。
要求对分布式空时和空频编码方案有一定的了解，学会不同的协作通信方案来降低收发机的复杂度，研究写作时的能量效率问题，同时还要考虑到实际的传输，处理，接收和能量损耗。
协作网络这一阶段主要研究协作通信物理层上的影响，包括MAC层网络层和应用层，主要考虑多接入情况下协作通信在容量和稳定域提高方面的效果，研究语音容的特殊属性如何能够通过有效的资源分配来进行调整，并进一步提高网络的性能，对信道编码和多媒体容之间的折中效应要有一定的了解。
而为什么要研究和开发无线协作通信呢？
无线信道的衰落特性是阻碍信道容量增加和服务质量改善的主要原因之一，而MIMO技术室应对衰落的有效方法，但是MIMO技术要求每个通信设备必须具有多根天线，往往不易实现，协作通信策略正式在这种背景下应运而生的，协作通信的概念是建立在中继信道模型的基础上，受MIMO技术的启发而提出的，在无线协作通信领域中等到广泛的应用，称为下一代无线通信技术的重要研究领域。
针对传统用户，协作策略要求用户在正交子信道上进行中继传输，导致系统频谱利用率效率低的问题，分别提出了单天线和多天线目的端场景下的结合分布式空空编码DSTC和分布式预编码DP方案。
[10],从而解决了上述的问题。
1.3论文主要研究容
近年来，随着无线通信技术的快速发展，人们对于无线通信的质量及性能提出了很高的要求。
下一代无线通信系统不仅需要提高数据传输速率,而且还要确保系统能够满足不同媒体所要求的服务质量。
无线信道衰落极限制了无线通信的性能，而分集技术则能很好地对抗无线信道衰落，基于分集技术出现了MIMO、协同通信等技术[5]。
MIMO技术是实现高数据速率、高传输质量和高系统容量的未来高速宽带移动通信系统的关键技术之一,具有广阔的应用前景，目前针对单纯MIMO系统的研究已日渐成熟。
相对而言，协同通信能以较低的硬件复杂度获得分集增益,相关技术尚在快速发展中。
对于协同无线通信系统,协同中继策略是目前研究的热点问题[6]。
在AF中继策略的基础上对单源单宿多中继半双工两跳MIMO无线网络的分布式中继策略进行了研究和分析。
对于这样的中继网络，目前已有很多文献对其进行了分析，并提出了相应的分布式中继方案，其中包括在中继节点进行QR分解的中继方案:
QR-P-QR、QR-P-ZF和ZF-P-QR,以及在目的节点进行QR分解的中继方案:
MF和MF-RZF。
本文首先对QR-P-QR、QR-P-ZF和ZF-P-QR三种方案进行研究和分析[7]。
本次毕业设计的主要研究对象就是对协作策略，协作通信技术可以提高无线通信链路的可靠性，是当前研究的重点之一，当系统设计者能够更好地了解信道条件，多用户通信环境等，就能够充分利用这些因素来提高系统的性能，协作通信的目的就是充分利用网络中的节点资源来帮助有通信需求的节点进行高速可靠地无线通信[8]。
协作通信策略根据通信伙伴节点的方式不同，可分为FIXED-RELAYING,SELESTION-Relaying，Incremental-Relaying等几种协作通信策略[9]。
第二章协作通信概述
2.1协作通信系统模型
协作通信可以有效的解决无线通信中的低信噪比信号检测、信号编码和断续通信等难题，协作通信的目的就是充分利用网络中的空余节点资源来帮助有通信需求的节点进行可靠、高速地无线通信。
目前，无线通信中的移动业务、数据业务、多媒体业务正在迅速发展，未来无线网络将承担更多的高质量的业务，因此对信息速率等系统性能提出了相当高的要求。
因为MIMO系统能较大的提高系统容量，所以提出了虚拟MIMO系统（分布式MIMO系统），也就是我们所说的协作通信技术，MIMO系统的收发两端有多个独立天线，而协作通信技术则是单天线的收发节点。
利用空间其他的一些节点，然后采用协作的方式来构成分布式MIMO系统，从而获取MIMO系统所具有的系统性能
和直连不同，协作通信中用户和基站是通过如图2.1所示的中继信道来产生的。
中继信道可看做是源和目的节点之间添加的一个辅助信道。
因此协作通信中最关键的一个过程就是对来自中继的源节点信息进行处理。
而不同的处理方法也就产生了不同的协作通信协议。
广义上，协作通信可以分成固定中继方案和自适应中继方案这两种。
在固定中继方案中，源和目的节点之间以固定的方式进行划分信道资源。
根据所采用的协议不同而产生不同的中继处理信息的方法。
当采用固定放大转发中继协议时，中继简单地将接收到的信号量化然后放大，接着将其转发给目的端.而另外一种处理方式则是将接收到的信号译码然后重新编码后再发送给接收端，这种中继方法被称为固定译码转发中继协议（DF）。
图2.1协作通信的模型
该系统中，一方面信源节点会浪费一部分的资源（包括带宽、发射功率等）来用于节点之间相互转发信息，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，当协作通信产生的正面效应比负面效应大时，系统便会相应得到性能上的增益。
当然，协作通信并不只限于两个用户之间，也可以是多用户的相互协作，即一个用户可以同时拥有很多的合作伙伴，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出虚拟阵列，利用信号处理和分布式传输等方法获得分集增益。
因此，协作通信不仅仅能够在蜂窝系统中应用，在一些应用环境诸如无线Adhoc网络，无线传感器网以及无线局域网络等也同样适用，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。
在选择中继方案中，当中继接收到的信噪比大过一定门限值的时候，则中继就会对信号进行译码并转发，如若不然，则源到中继的信道经历严重的衰落以至于信噪比低于该门限值，则中继就不会转发。
进一步，若源知道目的译码错误，则源可以重复发送或者由中继协助发送，这种方法称为增量中继，这种情况下，就需要一个从目的到源的反馈新到了。
下面几个章节，就分别对集中协作策略进行分析和比较。
2.2几种中继方式简介
中继方式，也就是协作策略，简单来讲就是指在协作通信过程中对传输信号的处理方式，按照处理方式不同来区分，主要分为固定中继模式、选择中继模式和增量中继模式。
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，可以有效地解决信道衰落的影响，从而获取分集增益，以此来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，按不同的中继转发方式区分，主要可以分为两大类：
放大转发（Amplify-and-Forward，AF）和译码转发（Decode-and-Forward，DF）。
在此基础上，还优化了这两类协作传输协议，提出了可以进行协作中继节点选择的协作传输协议、应用有效编码技术（如协作编码、空时编码等）的新的协作传输协议和增加了有限反馈（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。
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，中继节点将其从信源节点所接收到的信息转发给接收端；否则，中继节点将不转发它从信源节点接收到的信息，此时系统等同于非协作通信系统。
当系统处于增强中继模式时，类似于ARQ协议，中继节点解码源信号，并将解码判决信息反馈给源节点，告知源节点是否正确译码，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，从而形成了自适应中继。
随着对协作通信研究的深入，各种新的中继协议不断被提出，而本文主要旨在采用AF和DF来论证协作通信的性能，对其他的中继协议不再做深入讨论了
2.2.1固定放大转发协议简介
固定放大转发协议通常被简称为其英文缩写—AF协议。
当系统应用此协议时，中继先将接收到的信号进行量化放大，然后后转发给目的端。
放大转发中继信道可建模如下。
中继和目的端接收到的源发送的信号为：
（2-1）
其中，
分别是源到目的节点和源到中继端的信道衰落系数，并且还被建模成瑞丽衰落信道。
和
表示零均值切方差为
的加性高斯白噪声。
在这个协议下，中继将源的信息放大后转发给目的端，目的端则对中的信道衰落进行理想均衡。
中继则只是简易地将接收到的信号用一个因子进行量化，该因子与接收功率成反比，可表示为：
（2-2）
因此，中继最后发送的信号是
，发射功率
与源的发射功率相同，而目的端最后接收到的信噪比是源和中继这两个链路的信噪比之和。
源到目的端的信噪比可以表示为：
（2-3）
图2.2单中继AF协作通信原理
2.2.2固定解码转发协议简介
固定中继转发协议还有着另一种中继方式，叫做固定解码转发协议，简称DF。
它可以对接收到的信号进行译码然后重新编码再发送给接收端。
通常情况下只有在不会与选择性译码转发混淆的情况下采用。
需要注意的是，中继译码不一定都是正确的，如果译码错误了还将信号转发到目的端，这样的话在目的端进行译码就没有意义了。
因此，DF方案的分集增益为1，因为系统的性能被源到中继以及源和目的节点之间的最差链路所限制。
尽管固定DF中继比AF的加性噪声少了很多，但是它可能会向目的端发送错误信号，这就样就导致了错误传播，从而降低了系统性能。
源到目的端之间的互信息量受到原道中继的链路及源到目的、中继到目的的联合链路中的较小互信息量所限制。
因此，固定中继尽管具有易于实施的优势，但是其频谱效率却很低，这是因为有一半的信道资源被分配给中继进行转发，这就降低了整个信道的速率，特别是当源到目的的信道并不是特别差的时候，这个时候源发给目的的数据大部分都可以被正确译码，这样中继的转发就浪费了。
图2.3单中继DF协作通信原理
2.2.3几种其他的协作策略
固定中继有着便于实施的优势，但是它的缺点在于其较低的频谱效率。
造成这种现象的主要原因是一半的信道资源都被用来中继转发，这样就反而降低了整个系统的速率，而且当源和目的的信道不是很差的时候，这样的影响更加严重，因此，想要解决这种问题，就必须要有一种新的中继策略来解决这个问题，这时就产生了两种新的中继方式分别是自适应的选择中继（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的时候，中继节点便将其从信源节点所接收到的信息转发给接收端；否则，中继节点就不对其从信源节点所接收到的信息进行转发，此时系统等同于非协作通信系统。
当增强中继模式时，类似于ARQ协议，中继节点就对源信号进行解码，并反馈解码判决信息给源节点，然后告知源节点译码的正确与否，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，就形成了自适应中继。
下面就对几种新的中继策略略作介绍。
（1）压缩转发协作
压缩转发协作和译码/放大转发协作最主要的区别在于后者的中继转发的是接收信号的副本，而压缩转发的中继转发是将接收到的信号量化及压缩后的新的信号。
因此，目的节点将由中继发送的量化压缩后的信息和源发送的信息进行联合操作。
进行信源编码的过程就是中继节点的量化压缩过程，即，用一系列符号来表示每个可能接收到的信息。
在目的节点，通过解码接收到的一系列比特来得到量化压缩后的信息的估计值。
但是这个译码操作只是很简单地接收到的比特映射为一系列的值，从而估计出发送的信息。
映射过程一般情况下会产生失真，且失真也可以看做是一种噪声。
（2）编码协作
编码协作不同之处在于之前所讲的方案之处在于这种协作主要是在信道编码这个层面上应用。
而之前的方案诸如放大转发和译码转发基本上都是中继对源比特进行重复，而在编码协作上，中继却是发送了增量冗余，源发送的码字在接收端与之结合之后，这样反而产生了比较多冗余。
编码协作中，一个码字被分成了两个部分发送，每一部分是经过不同的路径或者信道，其主要步骤是编号排序，编码协作的一次信息输出循环是这样的：
循环开始于源节点的一个包含
个信息符号的符号块松紧寻坏冗余校验编码器（CRC）；然后将CRC编码的结果送入一个前向纠错码（FEC）编码器，从而产生出一个包含
个符号的码字，因此，它的传送速率为
；之后，将该码字向目的节点发送，同时源节点的协作伙伴对其进行监听；接收到源发送的信息之后，其伙伴节点将FEC和CRC码解码；CRC编码器的输出再进入一个FEC编码器，然后就会产生一个符号长度为
的码字；这时就可以计算出伙伴节点的信道编码速率为
（3）其他
除了上述的几种协作策略之外，，还有着其他许多种的协作策略，其中比较重要的是自适应协作策略，他可以显著提高中继协议的有效性，自适应协作策略主要包括选择性DF中继和增量中继，这里就不做赘述了。
2.3几种合并方式概述
影响无线通信质量的主要因素之一是衰落效应。
而其中的快衰落深度甚至可以达到30~40dB，如果想通过增加天线尺寸、加大发射功率和高度之类的方法来克服这种深衰落其实是不可能实现的，而且还会干扰其它的电台。
为了解决这个问题可以使用分集增益的方法，即在若干个支路上同时接收相互间相关性不大的但却载有同一信息的信号，然后通过合并的方法再将各个支路信号合并然后输出，这样接收终端上的深衰落概率就会大大降低。
相应的,为了减轻
衰落的影响,还需要使用分集接收技术，以获得分集增益，从而提高接收灵敏度，这种技术在包括移动通信，短波通信等随参信道中得到了广泛的应用。
这些分集接收技术在第二和第三代移动通信系统中都已得到了广泛
应用。
目前比较常见的合并方式主要有以下三种：
图2.4合并方式比较
（1）最大比合并（MRC）
最大比合并的基本原理是在接收端增加多个分集支路，经过相位调整后，按照一定的增益系数，同相相加，再进入检测器进行检测。
在接受端对各个不相关的分集支路进行了相位校正，并先按照适当的可变增益进行加权再相加处理，然后再送入检测机制中进行相干检测。
在进行合并的时候可以假设第i个支路的可变增益加权系数由该分集之路的信号幅度与噪声功率的比值计算得到。
最大比合并方案在接收端完成的工作主要是对接收到的信号进行线性处理，然后再利用最大似然检测技术就可以对发端的发送出来的信息进行还原。
其译码过程简便并且易于实现。
合并增益正比于分集支路数N。
（2）选择合并（SC）
采用选择合并技术时，
个接收机的输出信号先送入选择逻辑器，选择逻辑器再从接收到的所有信号中选取其中具有最高基带信噪比的基带信号作为输出的信号。
并且每多加上一支分集的支路，对选择式分集输出信噪比只能贡献其总分集支路数的倒数倍。
（3）等增益合并（EGC）
等增益合并也可被称为相位均衡，它仅仅是对信道的相位偏移进行校正，而对幅度不做校正。
等增益合并不是任何意义上的最佳合并方式，只有假设每一路信号的信噪比相同时，在信噪比理想最大化的基础上，它才是最佳的。
它输出的结果是各路信号幅值的叠加。
对于CDMA等系统，它很好的维持了接收信号中各个用户信号间的正交状态，此时就可认可衰落在各个通道间造成的差异，也不影响系统的信噪比。
当在某些系统中对接收信号的幅度测量不便时就可选用EGC。
当分集重数较大时，等增益合并与最大比合并后相差不躲，在1dB左右。
等增益合并实现比较简单，设备也很简单。
2.4分集增益
分集性能指把不采用分集技术和采用分集技术的两种情况进行对比，从而得以减轻深衰落影响。
为了给分集改善程度提供一个定性的指标，常用分集改善度和分集增益这两个指标来进行衡量。
本文中，主要采用的是分集增益来体现协作分集的
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