CN101656600B - 基于增强型选择放大转发的机会协作分集协议的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了无线网络中基于增强型选择放大转发的机会协作分集协议的实现方法。本方法首先在多个中继中选择最优的中继，其次通过目的节点对源节点广播的信息做出三种反馈信息，分别是“成功”、“半成功”和“失败”，从而在不同情况下采用非协作传输、源节点重传和最优中继放大转发切换的发送方式。理论分析和仿真结果表明：本发明达到了与传统分布式空时编码相同的分集复用折衷。另外，与增强型放大转发机会协作分集协议相比，中断概率和误码率均得到了不同程度的降低，并且在中继数目逐渐增多的情况下分集增益大大提高。

Description

基于增强型选择放大转发的机会协作分集协议的实现方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域中的协作分集的协议设计，尤其涉及协作分集中“与谁协作”，“如何协作”的增强型选择放大转发机会协作分集的实现方法。

背景技术

近年来提出的多天线技术(MIMO，Multiple-Input Multiple-Output)，通过在接收端和发射端同时安置多个天线，形成MIMO信道结构，从而充分利用了空域资源，大幅度提高了系统容量。MIMO多天线技术具有明显的优势，并已逐渐被新一代无线通信系统的主流协议所采纳，但仍然存在问题。具体地讲，现有的多天线都设置在基站端，而移动终端则很难安置多天线。这主要有两方面的原因：①移动终端对体积、质量和功耗的要求远比基站苛刻得多；②理想的MIMO多天线系统要求相邻天线之间的间距要远大于电波波长，并且多个收发天线之间的传输信道是独立的(或至少是不相关的)，而移动终端由于体积限制，根本无法做到这一点。

为此，研究者一方面提出了等效天线阵和穿戴式天线的概念，另一方面则致力于研究相关信道下的信号设计。然而，这些解决办法收效甚微，实际可获得的信道容量比理想值大打折扣，理想的MIMO多天线技术在实践中步履维艰。

Sendonaris等人提出了一种新的空域分集技术-协作分集，使单天线的移动终端也可以实现空域分集。它的基本思想是系统中的每个移动终端都有一个或多个协作伙伴(Partner)，合作伙伴之间有责任在传输自己信息的同时，帮助其伙伴传输信息。这样，每个终端在传输信息的过程中既利用了自己又利用了合作伙伴的空间信道，从而获取了一定的空间分集增益。现有的研究结果表明：在平衰落环境下，协作分集可以扩大系统容量，提高网络服务质量，改善系统性能。由于协作分集中的合作伙伴共享彼此的天线，从而构成了虚拟的MIMO多天线系统，从这个意义上讲，协作分集为MIMO多天线技术走向实用提供了一条新的途径。

按中继对信号的转发方式，协作分集主要有：放大转发(Amplify-and-Forward，AF)、译码转发(Decode-and-Forward，DF)、选择译码转发(Selection Decoded-and-Forward，SDF)、增强型转发(IncrementalRelaying，IR)和编码协作(Coded Cooperation，CC)5种协作方式。放大转发是最早采用的一种协作模式，指中继不对接收到的信号进行解调和译码，而是直接将接收到的信号进行模拟处理(信号放大)后转发。虽然在这种方法中协作用户将接收到的噪声和信号一起放大了，但是由于分集带来的增益，同样可以使整个系统的性能的提升。AF协议可以实现全空间分集增益，分集系数在高SNR时为2。译码转发是另一种协作模式，其设计初衷是在中继节点处对接收到的信号进行解调和译码，再通过编码和调制重构源节点的发射信号，从而消去高斯白噪声，以避免AF模式中中继对噪声功率的放大。但是，中继节点如果做出了对数据的错误判决，这个错误将被向前传播。为了避免这种错误的前向传播，DF协作模式又衍生出一种基于CRC校验的有校验DF协作模式。在这种模式中，中继节点将对接收到的数据进行CRC校验，如果校验结果不正确就不再前传该帧。这种模式以一定的频谱效率损失，换取了错误前向传播的避免。在高信噪比下，其性能优于无CRC校验的DF模式。选择译码转发(SDF)中继协议可以有效地克服DF协议不能提供分集增益的缺点，其在每个时隙自适应的选择是采用DF中继协议还是采用直传通信。当中继节点不能完全译码时，由源节点重复向目的节点发送信号。在固定中继和选择中继协作分集方案中，尤其是在高速率情况下，因为中继节点总是重传(放大重传或者译码重编码重传)，因此信道的自由度没有充分利用。增强中继协作分集在利用信道自由度方面有了改善。增强中继协作分集利用目的节点有限的反馈信息，比如说用1比特信息来标明直接传输(原节点到目的节点的传输)的成功或失败。增强中继协作分集可以认为是对中继方法增加了冗余或者混合自动检测重传(ARQ)。在ARQ中，当目的节点通过反馈给出否定确认时，源节点就重传；在增强中继协议中，是中继节点重传而不是源节点重传，以期获得空域分集。编码协作是另一种协作模式，它是由有校验DF衍生出来的。其设计初衷是在协作中提供比有校验DF使用的重复码更加高效的编码，从而带来更多的编码增益。编码协作分集的基本思想就是：每个用户(最简单的为两个用户协作)都试图为它的伙伴传送冗余信息，当这一操作无法实现时用户就自动返回到非编码协作模式，即传输自己后续的信息。编码协作有效性的关键是，所有这些操作都在编码设计下自动实现，并且用户间无需传送反馈信息(无需知道用户间信道状态信息)。

现有大多数研究工作都假定协作伙伴已经选定，在此基础上研究具体的协作方案如何实现，提高系统系能。研究的重点放在协作协议的研究、中断概率和误帧率等系统性能的研究。然而，在源节点传输信息时，协作节点的选择和协作关系的形成是协作通信中一个重要的研究方向。由于各协作节点的地理位置分布不同，在没有使用同步开销的情况下使用为固定天线设计的空时编码，系统性能会严重下降。目前协作节点的选择方案主要有：基于位置信息或者平均SNR的选择策略、基于瞬时信道状况的选择策略、基于中断概率最小的选择策略、基于博弈论的选择策略。

基于位置信息的选择方案，最佳协作节点的选择依赖于源节点、协作节点及目的节点的位置信息，需要知道或者估计所有协作节点和目的节点之间的距离，这就要求系统有距离或位置估计器，例如在各个终端安装GPS接收机，这样系统成本较高。基于平均SNR的选择方案，要求节点估计它们之间的平均信噪比，对于静态的网络，平均信噪比的估计很容易获得，但是对于动态的分布式网络，平均SNR的估计需要花费很大的开销和时延。

基于瞬时信道状况的协作节点选择方案，只需要估计用户间的瞬时信道状况，不需要知道网络的拓扑结构。但是瞬时信道状况是随机变化的，要求协作节点实时跟踪信道状态信息，这会增加一定的开销和网络延时。

基于博弈论的协作节点选择方案将用户(包括源节点和中继节点)当做理性的个体和独立的利益代表。而这些节点从自身利益出发考虑，帮助源节点会损失自己的资源(功率、带宽、速率等)从而导致自己传输质量下降，所以一般不愿意帮助源节点传输信息。那么如何在潜在的中继节点中选择一个节点来帮助源节点传送转发信息通常通过博弈的方法，得到Nash均衡解，实现用户和系统的双赢。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种增强型选择放大转发机会协作分集协议的实现方法，在实现性能提升的同时，以较低的复杂度解决了在分布式网络协作分集中“与谁协作”、“如何协作”的问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明首先在多个中继中选择最优的中继，以较低的复杂度获得了同样的分集增益。其次目的节点将反馈信息进行细分，在第一步源节点广播信息之后做出三种反馈，分别是“成功”、“半成功”和“失败”，从而在不同情况下采用非协作传输、反馈重传和放大转发协作传输切换的发送方式。与增强型放大转发机会中继(Incremental Amplify Forward OpportunisticRelaying，IAFOR)和选择译码转发机会中继(Selection Decode ForwardOpportunistic Relaying，SDFOR)协议相比，中继个数为2，4和6时，ISAFOR的中断概率和误码率均有所降低。并且达到了和MISO系统相同的分集复用折衷。

附图说明

图1为基于增强型选择放大转发机会协作分集系统模型；

图2为K＝2，4时，SDFOR、IAFOR、ISAFOR协议的中断概率曲线；

图3为中继个数为2，4，6时，ISAFOR协议和IAFOR协议的误码率曲线图。

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参见图1，首先给出增强放大转发的协作分集系统模型。s代表源节点节点，发送功率为P_s，d代表目的节点，r_k(k∈{1，…，K})表示帮助s向d发送信息的潜在中继节点。所有节点只有单根天线，每个中继的发送功率为P_r，并且工作于半双工模式，即不能同时收发信息。

由于多中继系统模型包含广播信道和多址接入信道，信息的可靠传输取决于中继两侧的链路质量，如果有一条链路不能保证可靠传输，那么通信就会发生中断。假设网络中有K个候选中继，机会中继在所有的候选中继中选择瞬时信道质量最好的一个中继进行协作转发，可以获得K阶分集增益。假设接收端信噪比为ρ，h_k为信道衰落系数，则机会中继的互信息表达式可以写为：

$I=\underset{k\∈(1,.,K)}{\max }\log (1+\mathrm{\ρ}{\left|h_k\right|}^2)$

系统中断概率：

$P_{\mathrm{out}}=P(I<R)=P(\underset{k\&Element;(1,.,K)}{\max }\log (1+{\left|h_k\right|}^2\mathrm{\&rho;})<R)$

由于各信道衰落系数相互独立，所以上式可以写为：

$P_{\mathrm{out}}=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\&Pi;}}}P({\log }_2(1+{\left|h_k\right|}^2\mathrm{\&rho;})<R)$

$=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\&Pi;}}}(1-e^{-\frac{2^R-1}{{\mathrm{\&sigma;}}_{s,k}^2\mathrm{\&rho;}}})~{\left(\frac{2^R-1}{{\mathrm{\&sigma;}}_{s,k}^2\mathrm{\&rho;}}\right)}^K$

所以本发明不需要所有中继都参与转发，而是选择一个最优中继进行转发。与多节点分布式空时编码协作方案相比，以较低的复杂度实现了相同的分集效果。

假设每个中继都可以处于侦听状态。s发送RTS(Request To Send，请求发送)分组，r_k(k∈{1，…，K})和d同时收到，d回复CTS(Clear To Send，清除发送)分组，每个中继收到CTS分组之后，启动一个定时器。初始值T_k与对应中继节点的信道度量参数h_k成反比，即： $T_k=\frac{\mathrm{\&lambda;}}{h_k},$ 其中h_k＝min(|h_s，k|²，|h_k，d|²)，λ为时间常数。h_s，k为源节点和第个k中继之间的信道衰落系数，h_k，d为第个k中继和目的节点d之间的信道衰落系数，它们都服从均值为0，方差分别为σ_s，k ²，σ_k，d ²的复高斯分布。因此，具有最大h_k的定时器将首先超时，对应的中继发送一个标志分组，表明其最佳中继身份 $r_b=\arg \underset{k\&Element;\{1,...,K\}}{\max }\left\{\min ({\left|h_{s,k}\right|}^2,{\left|h_{k,d}\right|}^2)\right\}.$ 其他尚未超时的中继则退出竞争。最优中继选择结束之后，此后的中继转发就由此最优中继完成。

假设整个发送过程的时间为N，源节点s在第一步广播发送的信息为x_s[i]，(i＝1，…，N/2)，则目的节点和最优中继接收到的信号分别为：

$y_d^1\left[i\right]=h_{s,d}\sqrt{P_s}{x}_s\left[i\right]+n_{s,d}\left[i\right],i=1,...,N/2$

$y_{s,r_b}\left[i\right]=h_{s,r_b}\sqrt{P_s}{x}_s\left[i\right]+n_{s,r_b}\left[i\right],i=1,...,N/2$

基于目的节点反馈的传统机会中继协作分集协议IAFOR，只考虑目的节点对源节点信息译码的正确与否，在源节点直接传输失败的情况下，直接采用中继放大转发。此时目的节点第二步接收到的信号为：

$y_d^2=h_{r_b,d}\mathrm{\&beta;}{y}_{s,r_b}+n_{r_b,d}$

$=h_{r_b,d}\sqrt{\frac{P_r}{{\left|h_{s,r_b}\right|}^2{P}_s+N_0}}(h_{s,r_b}\sqrt{P_s}{x}_s+n_{s,r_b})+n_{r_b,d}$

$=\frac{\sqrt{P_r{P}_s}}{\sqrt{{|h_{s,r_b|}}^2{P}_s+N_0}}{h}_{s,r_b}{h}_{r_b,d}{x}_s+n_{r_b,d}^{\&prime;}$

其中： $n_{r_b,d}^{\&prime;}=\sqrt{\frac{P_r}{{\left|h_{s,r_b}\right|}^2{P}_s+N_0}}{h}_{r_b,d}{n}_{s,r_b}+n_{r_b,d}.$

由上式可以看出，中继在对信号进行功率归一化的同时，放大了噪声，从而会影响系统误码性能。

如果通过重传可以保证目的节点可靠译码，那么第二步中继节点不工作，而是源节点重发，此时目的节点的接收信号为：

$y_d^2=h_{s,d}\sqrt{P_s}{x}_s+n_{s,d}$

基于此原因，本发明根据目的节点与源节点之间的信道质量(由源节点和目的节点之间的信道衰落系数h_s，d表征)和系统传输速率R(ρ)以及接受信噪比ρ给出三种反馈信息：a、成功 $({\left|h_{s,d}\right|}^2>\frac{2^{R\left(\mathrm{\&rho;}\right)}-1}{\mathrm{\&rho;}});$ b、半成功 $(\frac{1}{2}\&CenterDot;\frac{2^{R\left(\mathrm{\&rho;}\right)}-1}{\mathrm{\&rho;}}{\&le;\left|h_{s,d}\right|}^2<\frac{2^{R\left(\mathrm{\&rho;}\right)}-1}{\mathrm{\&rho;}});$ c、失败 $({\left|h_{s,d}\right|}^2<\frac{1}{2}\&CenterDot;\frac{2^{R\left(\mathrm{\&rho;}\right)}-1}{\mathrm{\&rho;}}).$ 此时目的节点第二步的接收信号为：

$y_d^2\left[i\right]=\left\{\begin{array}{cc}{h}_{s,d}{x}_s[i+1]+n_{s,d}\left[i\right],& {\left|h_{s,d}\right|}^2>\frac{2^{R\left(\mathrm{\&rho;}\right)}-1}{\mathrm{\&rho;}}\\ h_{s,d}{x}_s+n_{s,d}\left[i\right],& \frac{1}{2}\&CenterDot;\frac{2^{R\left(\mathrm{\&rho;}\right)}-1}{\mathrm{\&rho;}}\&le;{\left|h_{s,d}\right|}^2<\frac{2^{R\left(\mathrm{\&rho;}\right)}-1}{\mathrm{\&rho;}}\\ h_{r_b,d}\mathrm{\&beta;}{y}_{s,r_b}\left[i\right],i=1,...,N/2+n_{r_b,d}\left[i\right],& {\left|h_{s,d}\right|}^2<\frac{1}{2}\&CenterDot;\frac{2^{R\left(\mathrm{\&rho;}\right)}-1}{\mathrm{\&rho;}}\end{array}\right.i=N/2+1,...,N$

其中，h_s，d，

表示源节点和目的节点之间、源节点和最优中继之间、最优中继和目的节点之间的信道衰落系数。分别为零均值，方差为σ_s，k ²，σ_s，d ²，

的复高斯随机变量。节点间信道均为准静态瑞利平坦衰落信道。噪声n_s，d，

为独立同分布的零均值，方差为N₀的复高斯白噪声。

最后，目的端对两步接受到的信号y_d ¹和y_d ²进行最大比合并。

本发明的步骤如下：

1)首先是系统模型的建立：假设无线网络(可以是蜂窝网、ad hoc或wireless sensor)中存在一个源节点s，K个中继节点r_k(k∈{1，…，K})和一个目的节点d，每个节点具有单根天线，并且工作于半双工模式，即不能同时收发信息。源节点和每个中继节点的功率分别为P_s和P_r。，每个中继都处于侦听状态。

2)其次是最优中继选择的过程：由源节点发送RTS(Request To Send，请求发送)分组，目的节点回复CTS(Clear To Send，清除发送)分组，当第k个中继收到此RTS分组和CTS分组之后，启动一个定时器，初始值为T_k，与对应中继节点的信道度量参数h_k成反比，即： $T_k=\frac{\mathrm{\&lambda;}}{h_k}.$ 其中h_k＝min(|h_s，k|²，|h_k，d|²)，λ为时间常数，h_s，k为源节点和第个k中继之间的信道衰落系数，h_k，d为第个k中继和目的节点d之间的信道衰落系数，它们都服从均值为0，方差分别为σ_s，k ²，σ_k，d ²的复高斯分布。因此，具有最大h_k的定时器将首先超时，对应的中继发送一个标志分组，表明其最佳中继身份 $r_b=\arg \underset{k\&Element;\{1,...,K\}}{\max }\left\{\min ({\left|h_{s,k}\right|}^2,{\left|h_{k,d}\right|}^2)\right\}.$ 其他尚未超时的中继则退出竞争。最优中继选择结束之后，此后的中继转发就由此最优中继完成。

3)接下来是信息发送和处理过程：首先是源节点广播信息x_s[i](i＝1，…，N/2)，N为整个发送过程的时间。目的节点和最优中继节点都能收到此信息。目的节点第一步接收到的信号表示为y_d ¹[i]，i＝1，…，N/2，最优中继接收到的信号表示为：

i＝1，…，N/2。然后目的节点根据它与源节点之间的信道质量(由源节点和目的节点之间的信道衰落系数h_s，d表征)和系统传输速率R(ρ)以及接受信噪比ρ给出三种反馈信息：

a、成功 $({\left|h_{s,d}\right|}^2>\frac{2^{R\left(\mathrm{\&rho;}\right)}-1}{\mathrm{\&rho;}}):$ 此时步骤2)所选择的最优中继不对目的节点的反馈信息做出任何动作，而是源节点发送下一时刻的新信息x_s[i+1](i＝1，…，N/2)；

b、半成功 $(\frac{1}{2}\&CenterDot;\frac{2^{R\left(\mathrm{\&rho;}\right)}-1}{\mathrm{\&rho;}}{\&le;\left|h_{s,d}\right|}^2<\frac{2^{R\left(\mathrm{\&rho;}\right)}-1}{\mathrm{\&rho;}}):$ 此时步骤2)所选择的最优中继不对目的节点反馈的信息做出任何动作，而源节点重新发送此信息x_s[i](i＝1，…，N/2)；

c、失败 $({\left|h_{s,d}\right|}^2<\frac{1}{2}\&CenterDot;\frac{2^{R\left(\mathrm{\&rho;}\right)}-1}{\mathrm{\&rho;}}):$ 此时源节点对目的节点反馈的信息不做出任何动作，而是步骤2)所选择的最优中继对从源节点接收信号 ${\hat{x}}_s\left[i\right](i=1,...,N/2)$ 采用放大转发发送，其中放大转发因子为 $\mathrm{\&beta;}=\sqrt{\frac{P_r}{({\left|h_{s,r_b}\right|}^2{P}_s+N_0)}};$

4)最后，目的节点第二步的接收信号为：

$y_d^2\left[i\right]=\left\{\begin{array}{cc}{h}_{s,d}{x}_s[i+1]+n_{s,d}\left[i\right],& {\left|h_{s,d}\right|}^2>\frac{2^{R\left(\mathrm{\&rho;}\right)}-1}{\mathrm{\&rho;}}\\ h_{s,d}{x}_s\left[i\right]+n_{s,d}\left[i\right],& \frac{1}{2}\&CenterDot;\frac{2^{R\left(\mathrm{\&rho;}\right)}-1}{\mathrm{\&rho;}}\&le;{\left|h_{s,d}\right|}^2<\frac{2^{R\left(\mathrm{\&rho;}\right)}-1}{\mathrm{\&rho;}}\\ h_{r_b,d}\mathrm{\&beta;}{y}_{s,r_b}\left[i\right],i=1,...,N/2+n_{r_b,d}\left[i\right],& {\left|h_{s,d}\right|}^2<\frac{1}{2}\&CenterDot;\frac{2^{R\left(\mathrm{\&rho;}\right)}-1}{\mathrm{\&rho;}}\end{array}\right.i=N/2+1,...,N$

其中，h_s，d，

表示源节点和目的节点之间、源节点和最优中继之间、最优中继和目的节点之间的信道衰落系数。分别为零均值，方差为σ_s，k ²，σ_s，d ²，

的复高斯随机变量。节点间信道均为准静态瑞利平坦衰落信道。噪声n_s，d，为独立同分布的零均值，方差为N₀的复高斯白噪声。

目的端对两步接受到的信号y_d ¹和y_d ²进行最大比合并。此时整个通信过程结束。

下面将分析一下本发明的分集复用折衷性能。

分集技术可以有效的抵抗多径衰落，降低误码率，保证信号的可靠接收。空间复用技术不需要增加额外的带宽和功率，可以带来传输速率或频谱利用率的提高。频谱效率和中断概率是协作分集协议设计当中两个重要的性能指标，采用合适的协议设计，可以同时获得分集增益和空间复用增益较好的折衷。

定义1：(分集复用折衷)考虑一个连续的可变速率的码本C_ρ，其发送信噪比表示为SNR(ρ)，如果P_out(ρ)表示系统的中断概率，R_e(ρ)表示信息传输速率，那么复用增益r_e和分集增益d定义为：

$r_e\stackrel{\mathrm{\&Delta;}}{=}\underset{\mathrm{\&rho;}\&RightArrow;\&infin;}{\lim }\frac{R_e\left(\mathrm{\&rho;}\right)}{\log \mathrm{\&rho;}}$ $d\stackrel{\mathrm{\&Delta;}}{=}-\underset{\mathrm{\&rho;}\&RightArrow;\&infin;}{\lim }\frac{\log R_{\mathrm{out}}\left(\mathrm{\&rho;}\right)}{\log \mathrm{\&rho;}}$

假设发射端高斯码本的传输速率为R(ρ)＝log(1+ρ^r)，r∈(0，1)。那么节点i和节点j之间的瞬时互信息为I_i，j＝log(1+|h_i，j|²ρ)，中断概率定义为瞬时互信息小于码本速率R(ρ)的概率，即：P_out＝P{I_i，j＜R(ρ)}。ISAFOR协议的中断概率为：

$P_{\mathrm{out}}^{\mathrm{ISAFOR}}=\mathrm{Pr}\{I_{\mathrm{ISAFOR}}<R\}$

$=\mathrm{Pr}\{{\left|h_{s,d}\right|}^2<\frac{1}{2}{\mathrm{\&rho;}}^{r-1},I_{\mathrm{AF}}<\frac{R\left(\mathrm{\&rho;}\right)}{2}\}$

$=\mathrm{Pr}\{{\left|h_{s,d}\right|}^2<\frac{1}{2}{\mathrm{\&rho;}}^{r-1},{\left|h_{s,d}\right|}^2+\frac{f({\left|h_{s,r_b}\right|}^2\mathrm{\&rho;},{\left|h_{r_b,d}\right|}^2\mathrm{\&rho;})}{\mathrm{\&rho;}}<{\mathrm{\&rho;}}^{r-1}\}$

其中： $f(x,y)=\frac{\mathrm{xy}}{1+x+y}.$ 由P(X+Y＜θ)≤P(X≤θ，Y≤θ)，上式可以写为：

$P_{\mathrm{out}}^{\mathrm{ISAFOR}}\&le;\mathrm{Pr}\{{\left|h_{s,d}\right|}^2<\frac{1}{2}{\mathrm{\&rho;}}^{r-1},\frac{f({\left|h_{s,r_b}\right|}^2\mathrm{\&rho;},{\left|h_{r_b,d}\right|}^2\mathrm{\&rho;})}{\mathrm{\&rho;}}<{\mathrm{\&rho;}}^{r-1}\}$

$=\mathrm{Pr}({\left|h_{s,d}\right|}^2\&le;\frac{1}{2}{\mathrm{\&rho;}}^{r-1})\mathrm{Pr}(f(\mathrm{\&rho;}{\left|h_{s,r_b}\right|}^2,\mathrm{\&rho;}{\left|h_{r_b,d}\right|}^2)\&le;{\mathrm{\&rho;}}^r)$

根据定理： $\mathrm{Pr}(f(\mathrm{\&rho;a},\mathrm{\&rho;b})\&le;{\mathrm{\&rho;}}^{2r})\&le;\mathrm{Pr}(\min (a,b)\&le;{\mathrm{\&rho;}}^{2r-1}+{\mathrm{\&rho;}}^{r-1}\sqrt{1+{\mathrm{\&rho;}}^{2r}})$

得到高信噪比下系统的中断概率为：

$P_{\mathrm{ISAFOR}}^{\mathrm{out}}\&le;\mathrm{Pr}\{{\left|h_{s,d}\right|}^2<\frac{1}{2}{\mathrm{\&rho;}}^{r-1},\min ({\left|h_{s,r_b}\right|}^2,{\left|h_{r_b,d}\right|}^2)\&le;{\mathrm{\&rho;}}^{r-1}+{\mathrm{\&rho;}}^{0.5r-1}\sqrt{1+{\mathrm{\&rho;}}^r}\}$

$~{\mathrm{\&rho;}}^{r-1}{\mathrm{\&rho;}}^{K(r-1)}={\mathrm{\&rho;}}^{(K+1)(r-1)}$

系统分集增益为： $d\left(r\right)=-\underset{\mathrm{\&rho;}\&RightArrow;\&infin;}{\lim }\frac{P_{\mathrm{out}}^{\mathrm{ISAFOR}}}{\log \mathrm{\&rho;}}=(K+1)(1-r).$

可以看出，采用ISAFOR协议可以达到和MISO系统(M+1个发送天线，1个接收天线)相同的满分集增益。

假设信息传输速率为R(ρ)，R(ρ)＝log(1+ρ^r)，r∈(0，1)。由于采用不同发送方式信息传输速率不同，所以ISAFOR协议的频谱效率为：

$R_e\left(\mathrm{\&rho;}\right)=R\left(\mathrm{\&rho;}\right)\mathrm{Pr}({\left|h_{s,d}\right|}^2>{\mathrm{\&rho;}}^{r-1})+\frac{R\left(\mathrm{\&rho;}\right)}{2}\mathrm{Pr}({\left|h_{s,d}\right|}^2\&le;{\mathrm{\&rho;}}^{r-1})$

其中第一部分表示目的节点对源节点信息译码“成功”，采用DT发送方式，信息传输速率为R(ρ)。第二部分表示源节点重传和中继放大转发时，信息传输速率降为R(ρ)/2。

高信噪比下的频谱效率为：

$R_e\left(\mathrm{\&rho;}\right)=R\left(\mathrm{\&rho;}\right)\mathrm{Pr}({\left|h_{s,d}\right|}^2>{\mathrm{\&rho;}}^{r-1})+\frac{R\left(\mathrm{\&rho;}\right)}{2}\mathrm{Pr}({\left|h_{s,d}\right|}^2\&le;{\mathrm{\&rho;}}^{r-1})$

$=R\left(\mathrm{\&rho;}\right)-\frac{R\left(\mathrm{\&rho;}\right)}{2}\mathrm{Pr}({\left|h_{s,d}\right|}^2\&le;{\mathrm{\&rho;}}^{r-1})$

$=R\left(\mathrm{\&rho;}\right)-\frac{R\left(\mathrm{\&rho;}\right)}{2}{\mathrm{\&rho;}}^{r-1}$

$\&ap;R\left(\mathrm{\&rho;}\right)$

系统复用增益为： $r_e\stackrel{\mathrm{\&Delta;}}{=}\underset{\mathrm{\&rho;}\&RightArrow;\&infin;}{\lim }\frac{R_e\left(\mathrm{\&rho;}\right)}{\log \mathrm{\&rho;}}=\underset{\mathrm{\&rho;}\&RightArrow;\&infin;}{\lim }\frac{R\left(\mathrm{\&rho;}\right)}{\log \mathrm{\&rho;}}=r.$

由此可见，采用ISAFOR协议在高信噪比情况下可以近似达到和直接传输相同的复用增益。

为了验证本发明的性能，图2和图3给出了此协议的性能仿真。

仿真条件：仿真中我们分别考虑网络中存在2个中继，4个中继时SDFOR、IAFOR和ISAFOR协议的中断概率性能。和中继个数分别为2，4，6时候本发明的误码性能。假设信道为瑞利平坦慢衰落信道，并且衰落系数相互独立，都服从均值为0，方差分别为σ_s，d ²，σ_s，k ²，σ_k，d ²的复高斯分布。令 ${\mathrm{\&sigma;}}_{s,d}^2={\mathrm{\&sigma;}}_{s,k}^2={\mathrm{\&sigma;}}_{k,d}^2=1.$ 噪声是均值为0的复高斯白噪声，功率随信噪比改变。系统信息传输速率R＝1bit/s/Hz。发射端采用BPSK调制，接收端采用最大似然检测，每帧由100个发射符号组成，每帧内信道不变，帧之间内信道独立随机变化。不考虑大尺度和阴影衰落的影响，P_s＝P_r＝1。采用Monto Carlo仿真技术进行仿真。

图2给出了中继个数分别为2，4时，SDFOR、IAFOR、ISAFOR协议中断概率性能比较。从图2中可以看出，中继个数为2时，本文提出的ISAFOR协议较SDFOR协议，中断概率改善了4.7dB左右，较IAFOR协议，中断概率改善了0.4dB左右。当中继个数为4时，我们提出的ISAFOR协议相比于SDFOR协议和IAFOR协议，中断概率分别降低了3.5dB和0.3dB左右。这是因为在IAFOR协议中，当直接传输失败时，中继对接收信号进行放大转发，而放大转发接收信号的同时也会相应的放大噪声，从而影响了系统性能。我们所介绍的ISAFOR协议，由于目的节点在没有正确接收源节点信息时，会反馈两种信息，一种是通过信道估计使源节点重发信息以保证正确接收，另一种是在源节点重发也保证不了正确接收的情况下，才通过中继放大转发。这样，相比较与IAFOR协议，ISAFOR协议减小了噪声放大的问题，中断概率得到降低。从图2中我们也可以看出，随着中继个数的增大和信噪比的提高，ISAFOR协议较IAFOR协议，中断概率改善量不是很明显。这是因为随着信噪比的增加，需要中继放大转发的次数越来越少，相应的噪声放大问题得到抑制。

图3给出了中继个数分别为2，4，6时，本发明提出的ISAFOR协议和IAFOR协议的误码率曲线，从图中我们可以看出，本发明相比IAFOR协议有着明显的性能增益。在中继个数为2时，在相同中低信噪比时，ISAFOR协议与IAFOR协议在信噪比高出0.9dB时大致相当。中继个数为4和6时，在10^-3误码率的时候，比IAFOR协议分别有约1.2dB和1dB的信噪比增益。同时，从图中也可以看出，随着中继个数的增大，误码率曲线的斜率越来越大，说明获得的分集增益越多。这是因为本发明在多个中继中选择了一个最优中继进行放大转发，即使网络中K个中继没有全部参加协作传输，我们也可以获得和所有参与的协作中继相同的K级分集阶数。

Claims (2)

1.基于增强型选择放大转发的机会协作分集协议的实现方法，其特征在于：

1）建立系统模型：假设无线网络中存在一个源节点s，K个中继节点r_k, k∈{1,…,K}和一个目的节点d，每个节点具有单根天线，并且工作于半双工模式，即不能同时收发信息，源节点和每个中继节点的功率分别为P_s和P_r，每个中继都处于侦听状态；

2）最优中继的选择：在无线信道中，由源节点s发送RTS分组，由于无线信道的广播特性，目的节点d和所有K个中继节点都会接收到这个RTS分组，目的节点d回复CTS分组，当第k个中继节点收到源节点s发送的RTS分组和目的节点d回复的CTS分组之后，启动一个定时器，定时器的初始值T_k与对应中继节点的信道度量参数h_k成反比，即： 

其中h_k=min(|h_s，k|²，|h_k,d|²)，λ为时间常数，h_s,k为源节点和第个k中继节点之间的信道衰落系数，h_k,d为第个k中继节点和目的节点d之间的信道衰落系数，它们都服从均值为0，方差分别为 

的复高斯分布，因此，具有最大h_k的定时器将首先超时，对应的中继发送一个标志分组，表明其最佳中继身份

其他尚未超时的中继则退出竞争，最优中继选择结束之后，此后的中继转发就由此最优中继完成；

3）接下来是信息发送和处理过程：首先是源节点s广播信息x_s[i],i＝1,…,N/2，N为整个发送过程的时间，目的节点d和最优中继节点都能收到此信息,目的节点d第一步接收到的信号表示为 

最优中继接收到的信号表示为： 

然后目的节点d根据它 与源节点s之间的信道质量即由源节点和目的节点之间的信道衰落系数h_s,d表征和系统传输速率R(ρ)以及接收信噪比ρ给出三种反馈信息：

a、成功，即 此时步骤2）所选择的最优中继不对目的节点的反馈信息做出任何动作，而是源节点发送下一时刻的新信息x_s[i+1],i＝1,…,N/2；

b、半成功，即 

此时步骤2）所选择的最优中继不对目的节点反馈的信息做出任何动作，而源节点重新发送此信息x_s[i]，i=1,…,N/2；

c、失败，即 

此时源节点对目的节点反馈的信息不做出任何动作，而是步骤2）所选择的最优中继对从源节点接收信号 

采用放大转发发送，其中放大转发因子为 

4）最后，基于以上协议，目的节点第二步的接收信号为：

其中，h_s，d， 

表示源节点和目的节点之间、源节点和最优中继之间、最优中继和目的节点之间的信道衰落系数，分别为零均值，方差为 

的复高斯随机变量，节点间信道均为准静态瑞利平坦衰落信道，噪声n_s，d， 

为独立同分布的零均值，方差为N₀的复高斯白噪声； 

目的端对两步接收到的信号 

和 进行最大比合并，此时整个通信过程结束。

2.根据权利要求1所述的基于增强型选择放大转发的机会协作分集协议的实现方法，其特征在于：所述的无线网络为蜂窝网、ad hoc或wireless sensor。 

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