-PAGE38-認知無線電和協(xié)作中繼技術(shù)概述目錄TOC\o"1-3"\h\u10143認知無線電和協(xié)作中繼技術(shù)概述 1227731.1認知無線電簡介 163501.2認知無線網(wǎng)絡中的頻譜接入 2305641.3協(xié)作中繼技術(shù)簡介 3297461.3.1協(xié)作中繼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議 469831.3.2分集合并 6225211.4中繼選擇 7114591.4.1基于系統(tǒng)容量增益的節(jié)點選擇 7275751.4.2基于中斷概率的節(jié)點選擇 774411.4.3多中繼協(xié)作模型 830281.5小結(jié) 91.1認知無線電簡介無線認知系統(tǒng)包含了主要用戶和次要用戶。認知無線電技術(shù)同意沒有經(jīng)過認可的次要用戶去使用沒有被占用的頻帶，這樣一來，主要和次要用戶能夠隨時分享無線頻譜。文獻[19]描述了認知無線電的三個主要功能：頻譜檢測頻譜檢測有兩個主要任務。一個是搜索并確定適合用戶認知交流的頻譜空洞，另一個是實時監(jiān)視頻譜狀態(tài)。頻譜檢查方法又可以分為兩種，一種是在某一個頻段上檢查主要用戶是不是存在，經(jīng)常用到的算法包括匹配濾波器檢測、功率檢測、環(huán)靜態(tài)檢測等，還有一種是檢測主要用戶的接收端的干擾水平，即當主要用戶所接收的干擾沒有能超過干預閾值時，這個算法會估計干預溫度并找到可以使用的頻譜。頻譜管理認知無線電應選擇最合適的可以使用的頻譜來傳輸數(shù)據(jù)，頻譜管理的主要功能是用最有效的方式使用這些合適的頻譜，并且要滿足服務質(zhì)量要求。頻譜共享頻譜共享的主要目的是解決主要用戶與次要用戶之間共同存在問題以及可以使用的頻譜分配和管理問題。認知無線電中的頻譜共享原理其實是一個管理資源的問題，其中最重要的就是頻譜分配和功率控制。認知無線電可以這樣劃分：“填充式認知無線電”（overlaycognitiveradio）和“下墊式認知無線”（underlaycognitiveradio）。在Overlay模式下，主要用戶網(wǎng)絡只使用得到認可的頻段，不和次要用戶進行通訊。次要用戶的網(wǎng)絡有一個功能是可以感應頻譜，如果發(fā)現(xiàn)授權(quán)的頻段也就是主要用戶正在使用的頻段忙，就不可以使用這一段頻譜，如果發(fā)現(xiàn)授權(quán)的頻帶空閑，就可以執(zhí)行輸入控制。在Underlay模式下，次要用戶可以管理自身功率，如果它可以做到對主要用戶構(gòu)建的通訊網(wǎng)絡造成的干擾滿足要求，主要用戶網(wǎng)絡可以允許次要用戶探索授權(quán)的頻帶，次要用戶也就擁有了通信的權(quán)力。這篇文章的寫作立足于Underlay模式認知網(wǎng)絡，也就是主要用戶允許次要用戶接入到可以探索的頻段，前提是確定保證主要用戶服務質(zhì)量不被影響。又可分為發(fā)射功率對主要通訊網(wǎng)絡的影響可以忽略的情況和次要用戶檢測主要通訊網(wǎng)絡是不是空閑的情況。由于認知無線電中次要用戶可以感知空閑頻譜并合理利用，在確定保證主要用戶的通訊品質(zhì)下高效完成自身通訊進程。這一行為充分地利用了頻譜，對緩解無線通信的頻譜短缺問題起到了關(guān)鍵作用，在未來有廣闊的發(fā)展前景。1.2認知無線網(wǎng)絡中的頻譜接入頻譜接入技術(shù)的原理是在知道頻譜的使用狀況后，次要用戶依據(jù)自己的需求去選擇出對應的傳送通道進行通訊，這樣可以很好地利用頻譜資源?，F(xiàn)在應用最廣泛的頻譜接入技術(shù)有三種：頻譜重疊，頻譜交織和頻譜正交。下面將對這三類接入方式進行詳細介紹。Underlay共享：當次要用戶在接收主要用戶結(jié)束時所產(chǎn)生的干擾比某個預定閾值低時，次要用戶才可以和主要用戶一起享用頻譜。主要用戶的發(fā)送機的輸出功率十分保守，因此可以確保主要用戶收到的干擾低于默認干擾閾值。在這種情況下，由于Underlay系統(tǒng)干預的限制通常非常嚴格，因此主要用戶和外界的交流僅限于短距離交流。盡管主要用戶和次要用戶之間的協(xié)作共存方法在某種程度上最大限度地利用了頻譜資源，但它需要主要用戶和次要用戶之間的通信鏈接來互相交流比如干預溫度等的信息，減少了協(xié)議設計的繁瑣性。同時，在設計協(xié)議時還應考慮系統(tǒng)兼容性和同步性。Overlay共享：次要用戶發(fā)射機端已收取到主要用戶的碼字和另外的信息，并且接收碼字信息與授權(quán)用戶對碼字的使用直接相關(guān)。如果次要用戶之間的通訊需要靠通用碼字執(zhí)行，那么次要用戶就可以輕易得到碼字的信息；此外，主要用戶會隔一段特定的時間發(fā)送使用的碼字，次要用戶也可能會收到碼字信息。但是，在該模型中，設定主要用戶首先廣播，次要用戶發(fā)送器就可以接收主要用戶的編碼消息。Interweave共享：立足于機會交流的想法，已經(jīng)有很多研究表明大部分的頻譜被利用得不充分。這一說法也可以認為是在時間和空間上存在空洞，利用該技術(shù)的先決條件是非常清楚授權(quán)用戶頻譜的使用規(guī)律，可以假設已有用戶是主要用戶，新接入的用戶是次要用戶。Interweave系統(tǒng)非常的智能化，能周期檢查頻譜的使用情況，頻段的占用情況，會選取用最小的干擾代價進行機會通行，擁有廣闊的發(fā)展前景。1.3協(xié)作中繼技術(shù)簡介與直接傳輸方式相比，進行合理的節(jié)點選取在協(xié)作傳輸方式中更為重要，為的是保證通訊系統(tǒng)的良好傳輸，協(xié)作通信的一個重要的問題就是該怎么選取中繼節(jié)點。我們將在第三章分析直接通訊模型，在第四章探究中繼協(xié)作通訊模型，在第五章對合理選取中繼展示了一種方案并進行了仿真模擬。對協(xié)作中繼的鉆研可以回溯到20世紀80年代提出的中繼通信技術(shù)，通俗地講就是在基站和移動臺之間添加一個或多個中間節(jié)點，該節(jié)點負責一次或多次發(fā)送無線信號，無線信號如果要到達移動臺就必需要通過幾次飛躍才可以。圖2-1展示了兩個點的中繼模型，一個基站-終端線路被分為兩個連接：一個是基站-中繼站，一個是中繼站-終端站，因此可以選擇用兩個質(zhì)量好的鏈路替換連接質(zhì)量較低的鏈路。圖2-1兩跳中繼模型而近年來由于無線衰落嚴重阻礙了無線信道容量的增加，人們立足于中繼通信的研究提出了協(xié)作中繼通信。協(xié)作中繼通信中的用戶共同分享天線，創(chuàng)造出分布式的多天線系統(tǒng)，以此來抵抗無線衰落的影響。1.3.1協(xié)作中繼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議根據(jù)文獻[20],中繼技術(shù)能夠依據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議的差別分為兩種：“直接放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議”（amplifyandforward，AF)的方式和“解碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議”（decodingandforward，DF）。圖1.2和圖1.3分別表示采用AF和DF協(xié)議進行通信的示意圖。圖2-2展示了AF的工作過程，采用AF的轉(zhuǎn)發(fā)方式，中繼R會接受源節(jié)點S發(fā)送的信號，它首先要將信號進行放大操作，然后通過轉(zhuǎn)發(fā)模式再發(fā)送給目的節(jié)點。這樣不但會放大有用的信號，連帶著會使源節(jié)點到中繼節(jié)點的信道中產(chǎn)生的噪聲也被同時放大，不過好在目的節(jié)點能夠進行合并判決，由于兩種不同路徑的信號衰落是獨立分開的，最終目的節(jié)點也能做出較好的判斷。由上述剖析我們知道：放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議相對來說容易實現(xiàn)并且操作的繁瑣度很低。但簡單的代價是缺陷比較大，中繼節(jié)點放大了噪聲信號可能會對最終信息的讀取造成干擾。圖2-3展示了DF的工作過程，采用DF協(xié)議的轉(zhuǎn)發(fā)方式，中繼R先來對來自源節(jié)點S的信號進行解碼操作，接著重新再一次對信號進行編碼，最后將此時的信號傳送給目的節(jié)點。這個過程中會消除噪聲帶來的煩擾，所以相較于AF協(xié)議，DF協(xié)議也相對復雜。但在這個過程中如果中繼節(jié)點解碼發(fā)生了錯誤，那么誤差將會一跳一跳地累積，導致之后的重新編碼、再次發(fā)送過程將毫無意義。我們在后面的模型分析中用到的是DF協(xié)議。圖2-2AF協(xié)議原理圖圖2-3DF協(xié)議原理圖1.3.2分集合并分集技術(shù)是旨在攻克各種衰落,達到提高無線傳輸整體功能而成長起來的一項重大技術(shù)。分集技術(shù)的主要思維是使一個信號通過若干個統(tǒng)計獨立的分開途徑抵達接收端。從獨立信號的途徑來看，目前使用廣泛的有時間分集、極化分集、頻率分集和空間分集這四類。時間分集：在時間維度上，把準備發(fā)送的一樣的信息以確定的時間間隔在不同時間范圍上發(fā)送很多次，每個發(fā)送間隔互相獨立，還要確保發(fā)送的時間間隔比信道受到干擾的時間大很多。確定保證停留的時間間隔滿足(2-1)可形成具有統(tǒng)計獨立的信道衰落。表示多普勒頻移的最大值，表示移動臺的移動速率，波長為。頻率分集：一樣的信號利用不同頻率進行發(fā)送，當不同頻率滿足(2-2)則在接收端可以將這些頻率看作統(tǒng)計獨立。為載波間隔，為相干帶寬，為最大時延。空間分集：它獲得分集的途徑是借助多根天線。根據(jù)天線的位置在發(fā)送還是在接收端可以分為兩種情況：發(fā)射空間的分集和接收空間的分集。接收端通過許多根天線接收到發(fā)送端發(fā)送過來的信號，接著在其中挑出一個最厲害的信號或者是不挑選而是進行信號合并。如果使用空間分集，應保證：(2-3)為接收天線間的間隔，為波長。極化分集：在動著的環(huán)境下，如果把整個空間看成三維平面，根據(jù)常識，其中任何兩個二維空間的x軸和y軸都不相關(guān)，這樣不同的軸的信號顯示出的衰落也是不會相關(guān)的。表1給出了四種分集方式的優(yōu)缺點對比。表1四種分集特點對比分集技術(shù)優(yōu)點缺點時間分集減少了開銷，只用一根天線，設備簡單時間開銷提高空間分集充分利用空間域需要另外的天線頻率分集抵抗頻率選擇性衰落很厲害頻率利用率降低極化分集可被廣泛應用，改善傳輸效率信號功率損失提高1.4中繼選擇1.4.1基于系統(tǒng)容量增益的節(jié)點選擇把所有節(jié)點的集合叫為，把能夠正確解碼的中繼放入集合。在單中繼的模型下，能夠這樣來描寫這個算法：選取出接收端SNR最大的中繼節(jié)點，將它定為最佳節(jié)點，即(2-4)在多中繼的通訊模型下，能夠這樣來描寫這個算法：第一步，確定好SNR門限閾值，將信道容量初始化；第二步，依據(jù)上式從中選擇最佳節(jié)點，計算系統(tǒng)的SNR，如果超過事先設定好的閾值，那么就把該節(jié)點添加至實際應用的節(jié)點集合，相對應的在中清除該節(jié)點。不然就結(jié)束。1.4.2基于中斷概率的節(jié)點選擇中斷概率被這樣描述，它是中斷事情發(fā)生的概率，這主要由信道分布和鏈路的信噪比決定。立足于中斷概率的節(jié)點選取的主要想法是經(jīng)過某種方式選了若干個合適的中繼來幫助通信，目的是達到整體的中斷概率最小。有研究表明，在一個大概的區(qū)域內(nèi)，如果中繼的節(jié)點越多，那么整體的中斷概率就會越低，但是不可以僅僅顧及系統(tǒng)的中斷概率，如果增加了中繼數(shù)目，那么一定會使網(wǎng)絡負擔沉重，所以還要根據(jù)實際情況選取中繼，避免造成不必要的浪費。本文的第五章就是提出和檢驗了立足于中斷概率的中繼選擇方案。1.4.3多中繼協(xié)作模型前面介紹了單中繼網(wǎng)絡模型及轉(zhuǎn)發(fā)方式，然而在生活中比較常見的中繼網(wǎng)絡中一般包含有多個中繼。單中繼選取方案復雜度不高，可以輕松實現(xiàn)，但是空間分集增益的利用率低，系統(tǒng)容量得不到進一步提升。圖2-4展示的就是多中繼選取的例圖，根據(jù)選取規(guī)則從若干個備選節(jié)點中選取最優(yōu)的多個節(jié)點進行通訊