协作中继通信中继节点功率分配策略
基于中继策略的协作通信关键技术研究
基于中继策略的协作通信关键技术研究摘要：近年来，协作通信在无线网络中得到广泛的应用。
中继节点作为协作中重要的环节，能够增强“快慢端”之间的通信质量，提高网络覆盖范围。
本文研究基于中继策略的协作通信关键技术，包括中继节点选择、中继节点位置优化、中继节点功率分配等方面。
在对现有研究成果进行分析的基础上，提出了一套完整的基于中继策略的协作通信系统设计。
最后，本文对相应的实验进行了分析，结果表明中继节点的选择和位置优化可以显著提高网络性能，进而优化网络的传输性能和能源效率。
关键词：协作通信、中继节点、节点选择、节点位置优化、功率分配一、引言无线通信已经成为现代通信技术的重要组成部分，而随着移动设备用户数量的增加，对无线通信的要求也越来越高。
在目前的无线连接环境下，信号传输由于受到障碍物的阻碍，会导致信号失真、抖动等问题；而协作通信通过中继节点对信号进行转发，可以明显地改善信号的传输性能，具有广泛的应用前景。
在协作通信中，中继节点作为协作过程中的重要环节，能够提升“快慢端”之间的通信质量，在实现高可靠性的同时，还可以优化网络的能源效率。
传统的中继节点选择方法主要考虑信号传输距离、复杂度等因素，但是这种方法忽略了中继节点的具体位置，不能够充分利用网络的拓扑结构，也不能够充分考虑节点应对不同的环境场景时的差异性特征。
本文旨在研究基于中继策略的协作通信关键技术，包括中继节点选择、中继节点位置优化、中继节点功率分配等方面，以提高协作通信系统的性能和可靠性，在实现高效通信的同时，优化网络的传输性能和能源效率。
二、相关工作中继节点的选择和位置优化问题是协作通信中的重要问题，已引起研究者的广泛关注。
研究表明，合理的中继节点位置可以在保证信号传输质量的同时，降低传输功耗，提高网络能源利用率。
文献[1]通过有效控制中继节点的部署，提高协作通信系统的传输效率。
文献[2]提出一种基于人工免疫算法的中继节点位置优化算法，在有效提高网络性能的同时，最小化了能量消耗。
一种改进的Two-way中继协作系统下的节点选取和功率分配策略
一种改进的Two-way中继协作系统下的节点选取和功率分配策略刘顺兰;徐光建【摘要】For a traditional Two-way DF relay system,to enhance sum-rate of the system,this paper introduces a bidirectional relay selection ( BRS) strategy, which implements the optimal relay selection based on both received Signal-to-Noise Ratio ( SNR) at the relay and channel gain from the relay to destination. Moreover, the optimal strategy on power allocation is also proposed in the paper, based on the physical network coding( PNC) protocol. Simulation results show that,when the total power of the system is large, BRS strategy has 2. 5 bit/(s·Hz) increment of the sum-rate comparing to a random relay selection ( RRS ) strategy. Meanwhile, the proposed power allocation strategy also gains about 1 dB in average over the equal power allocation ( OPA) strategy. Also, Comparing to traditional One-way relay cooperative system, 3 bit/(s· Hz) improvement on sum-rate can be obtained.%为了提高Two-way中继协作系统的总速率,在传统的Two-way DF中继协作系统模型下,介绍了一种双向中继选择(BRS)策略,即同时考虑中继节点处的接收信噪比和中继节点到目的节点的信道增益两个因素来实现最优中继选择.然后在选出了最优中继节点后,基于物理层网络编码协议(PNC)提出了一种新的Two-way中继协作系统的最优功率分配策略.仿真结果表明,在系统总功率较大的情况下,BRS策略较随机中继选择策略(RRS)在系统总速率方面约有2.5 bit/(s·Hz)的提升.同时,提出的基于PNC的Two-way中继协作系统的最优功率分配(OPA)策略较等功率分配策略(EPA)平均取得了1dB的增益,而比传统的One-way中继协作系统在系统总速率上约高出3 bit/(s· Hz).【期刊名称】《传感技术学报》【年(卷),期】2012(025)003【总页数】5页(P397-401)【关键词】无线传感器网络;中继选择和功率分配;物理层网络编码;最优功率分配;多接入信道;广播信道【作者】刘顺兰;徐光建【作者单位】杭州电子科技大学通信工程学院,杭州310018;杭州电子科技大学通信工程学院,杭州310018【正文语种】中文【中图分类】TN915.04协作通信技术通过用户间彼此共享天线，形成虚拟的MIMO信道从而获得空间分集，有效的对抗了无线通信中的多径衰落，提高了传输质量。
协作通信系统中继功率分配算法的研究
协作通信系统中继功率分配算法的研究协作通信系统中继功率分配算法的研究随着无线通信技术的不断发展和移动终端的普及，协作通信系统已成为一种重要的无线通信技术，在多个信号源和信号接收终端之间进行通信，可以显著提高信号质量和通信的可靠性。
在协作通信系统中，中继节点的功率分配是一项关键的任务，直接决定了信号传输的效率和质量。
因此，中继功率分配算法的研究具有重要的理论和实践意义。
传统的协作通信系统中，中继节点通常使用相同的功率分配方案，但这种方案并不一定能得到最优的性能，因为信道的杂波和干扰等因素会导致信号的衰减和失真，需要动态调整中继节点的功率分配，以达到最大的覆盖范围和最小的传输延迟等目标。
因此，中继功率分配算法的设计和优化是协作通信系统中必不可少的一部分。
中继功率分配算法的设计涉及到很多复杂的问题，如信道状态估计、信号反馈、功率控制策略等，需要综合考虑多个因素，同时还要兼顾系统的复杂度和运行效率。
近年来，研究者们提出了许多中继功率分配算法，主要包括基于贪心算法的方案、基于优化算法的方案、基于博弈论的方案等。
其中，基于贪心算法的中继功率分配方案的思想是尽可能地减少信号的传输延迟和损失，通过不断调节中继节点的功率来提高系统的性能和能效。
这种算法通常借鉴优先级调度和任务分配的思想，利用动态规划和贪心算法等方法实现功率分配策略的优化，具有较高的实用性和可操作性，在实际应用中得到了广泛的应用。
另外，基于优化算法的中继功率分配方案也是一种热门的研究方向，主要包括遗传算法、粒子群算法、模拟退火算法等。
这些算法主要依靠对问题的数学建模和求解，能够帮助我们找到最优的功率分配策略，但计算复杂度较高，需要较强的计算资源和算法优化技能。
此外，基于博弈论的中继功率分配方案也是一个有趣的研究方向。
这种算法以博弈的方式考虑中继节点的功率分配问题，通过对节点间的竞争和协作关系进行建模和分析，得到了许多有趣的结论和成果。
例如，根据传统的纳什均衡理论，我们可以得到一组最优的功率分配策略，使得所有节点都能够获得收益最大化的结果。
最佳中继协作通信系统的功率分配算法
最佳中继协作通信系统的功率分配算法李国兵1,朱世华1,惠 1,2(11西安交通大学电子与信息工程学院,陕西西安710049;21西安理工大学自动化与信息工程学院,陕西西安710048) 摘 要: 为提高基于最佳中继选择的协作通信系统的性能,提出了以最小化系统中断概率为目标的功率分配算法.首先建立了系统的优化模型并证明了待解的优化问题实质是凸优化问题,由此提出了最优功率分配算法并给出了算法步骤.其次,在此基础上提出了一种有效的次最优功率分配算法,该算法计算简单且仅需已知各个中继节点的平均信道状态信息,无需在传输中实时更新,因而不增加系统的额外开销.仿真结果表明,本文提出的最优算法和次最优算法所得到的功率分配方案与穷举搜索方法的结果非常接近;与等功率分配方案相比,这两种算法均能显著提高系统的中断概率性能.关键词: 协作通信;无线中继;功率分配;凸优化中图分类号: T N925 文献标识码: A 文章编号: 037222112(2008)1021944205Power Allocation in Opportunistic Cooperative Relaying SystemsLI G uo 2bing 1,ZH U Shi 2hua 1,H UI Hui 1,2(11School o f Electronics and Information Engineering ,Xi ’an Jiaotong Univer sity ,Xi ’an ,Shaanxi 710049,China ; 21School o f Automation and Information Engineering ,Xi ’an Univer sity o f Technology ,Xi ’an ,Shaanxi 710048,China )Abstract : To enhance the performance of opportunistic cooperative relaying systems ,this paper proposes the power allocation algorithms aiming at minimizing the outage probability.The optimization model of the system is constructed and proved to be a con 2vex optimization problem.Then the optimal power allocation algorithm and its operation steps are presented.Furthermore a simple and effective near 2optimal power allocation strategy is developed ,which only depends on the average channel gains of the relays and thus incurs little overhead.Simulation and numerical results show that significant performance gains can be achieved by the two pro 2posed power allocation algorithms.K ey words : cooperative communications ;wireless relaying ;power allocation ;Convex optimization1 引言 协作通信技术通过用户之间彼此共享天线而引入空间分集,从而有效对抗无线信道的多径衰落,成为近年来无线通信领域的研究热点[1～3].针对存在多个中继节点的无线网络,分布式空时码受到了广泛关注,精心设计的分布式空时码可以带来显著的性能增益[4].但是随着参与协作的节点数增多,同步、节点间协调等问题成为分布式空时码的设计难点.合理地取舍协作节点是解决这一难题的方法之一.文献[5～8]提出了基于最佳中继选择的协作通信策略,即每次传输只选择一个最佳的中继参与协作,使协作过程得以简化.文献[5～11]分析并证明了在中继已知信道状态信息的情况下,该策略性能甚至优于所有中继参与的协作.针对上述文献中尚未完全解决的功率分配问题[10],本文将针对解码转发型的最佳中继选择协作通信系统,提出以最小化系统中断概率为目标的最优和次最优功率分配算法.2 系统模型 考虑一个通用的包含K +2个节点的半双工两跳无线中继网络,源节点S 通过中继向目的节点D 发送信息,信息传输过程存在K 个潜在的中继节点R ={1,2,…,K }.一次传输过程包括两个阶段:第一阶段,源节点向所有中继广播信息,中继进行监听;第二阶段,从所有中继中挑选出最佳中继,仅由该中继向目的节点转发信息.由于第二个阶段中只有一个节点在发送信号,因此目的端不存在接收信号不同步的问题.假设信道服从准静态瑞利平坦衰落,并且在一次传输中保持不变,而在各次传输中相互独立.任意节点i 和节点j 之间的信道增益h ij 是均值为0,方差为Ωij 的复高斯随机变量,因此信道的功率增益|h ij |2服从均值为Ω-1ij 的负收稿日期:2007209210;修回日期:200824220基金项目:国家自然科学基金(N o.60372055);教育部高等学校博士学科点专项科研基金(N o.20030698027)第10期2008年10月电 子 学 报ACT A E LECTRONICA SINICA V ol.36 N o.10Oct. 2008指数分布.信道中的噪声是均值为0,单边功率谱密度为N 0的加性复高斯白噪声.另外,为了在传输的第二阶段确定最佳中继,假设中继已知自身瞬时信道状态信息.进一步地,我们假设一次传输过程中的总功率受限,即有P s =ζP tot ,P r =(1-ζ)P tot .其中,P tot 表示一次传输的总功率,ζ∈(0,1]是功率分配的比例因子,P s 、P r 分别表示源和中继节点的发射功率.对于最佳中继的选择,目前有两种方式[10,11],一种称为“Reactive ”方式,即传输时在所有能够正确解码的节点中选择与目的端信道条件最好的中继进行传输;另一种称为“Proactive ”方式,即在每次传输之前首先根据信道条件选择最好的中继,然后在传输的第二阶段使用该中继进行合作.现有文献的分析和仿真都表明,这两种合作策略具有完全相同的中断概率性能.其中断概率为[10,11]P outage =∏Kk =11-e-22R-1SNR1ζΩSk +1(1-ζ)ΩkD(1)其中,R 表示系统端到端的频谱效率,单位是H z ;SNR >P tot /N 0,ΩSk 和ΩkD 分别表示源节点S 到第k 个中继、第k 个中继到目的节点D 的平均信道功率增益.3 最优功率分配算法 由式(1)可知,基于最小中断概率的最优功率分配问题等效为求解ζ3=arg m in 0<ζ≤1∏K k =11-e-22R-1SNR1ζΩSk +1(1-ζ)ΩkD(2)当信噪比较高时,式(2)可近似为ζ3=arg m in 0<ζ<1∏Kk =11ζΩSk+1(1-ζ)Ω(3)由于式(2)中的变量R 和SNR 对最终结果没有影响,为简化表达式,它们在式(3)中没有出现.因此最优化问题可以表示为min∏Kk =11ζΩSk+1(1-ζ)ΩkDs.t. 0<ζ<1(4)这是一个有约束非线性规划问题.为求最优功率分配方案,令f (ζ)>∏Kk =11ζΩSk+1(1-ζ)ΩkD ,其驻点满足f ′(ζ)=∑Kk =1-1ζ2ΩSk+1(1-ζ)2ΩkD・∏Kj =1,j ≠k1ζΩSj +1(1-ζ)ΩjD =0(5)由式(5)可以看出,尽管目标函数的导数形式不难得到,但是试图通过解式(5)这样的方程直接得到驻点的解析表达式却非常困难.为此,我们考虑使用数值计算方法得到最优解.定理1 最优化问题(4)是一个凸优化问题,且目标函数f (ζ)>∏Kk =11ζΩSk+1(1-ζ)ΩkD 是严格下凸函数.证明:由于约束条件0<ζ<1显然是一个凸集,因此只需证明目标函数f (ζ)>∏Kk =11ζΩSk+1(1-ζ)ΩkD 是定义在凸集0<ζ<1上的严格下凸函数.这一问题可以转化为证明如下两个结论:(1)ln f (ζ)在0<ζ<1上是严格下凸函数(见附录A );(2)ln f (ζ)在0<ζ<1上严格下凸是f (ζ)在0<ζ<1上严格下凸的充分条件(见附录B ).证毕.根据定理1可知,凸优化问题具有唯一的全局最优解,且该最优解是目标函数f (ζ)在ζ∈(0,1)上的极小点[12].由此我们提出计算最优功率分配因子ζ3以及最小中断概率的迭代算法:步骤1 定义初始值ζ(n )=ζ0=015,ε=10-4.若f ′(ζ0)<ε,则迭代过程结束,输出ζ3=ζ0,否则转步骤2;步骤2 ζ(n +1)=ζ(n )+Δζ(n ),Δζ(n )=-f ′(ζ(n ))・λ(n ),其中-f ′(ζ(n ))为下降方向,λ(n )=2-m 表示步长,m 取使0<ζ(n +1)<1且f (ζ(n +1))-f (ζ(n ))<0的最小非负整数;步骤3 若|f (ζ(n +1))-f (ζ(n ))|<ε或|Δζ(n )|<ε或|f ′(ζ(n +1))|<ε,则迭代过程结束,输出ζ3=ζ(n +1),否则令n =n +1,转步骤2.因此,我们得到采用最优功率分配时的系统中断概率:P minout=∏Kk =11-e-22R-1SNR1ζ3ΩSk +1(1-ζ3)ΩkD(6)尽管不能得到最佳功率分配因子ζ3的闭式表达,我们从式(5)仍然可以看出:最终的功率分配方案只与平均信道增益有关,而与信息速率、发射功率等因素无关.因此在平均信道增益变化较慢的场合,完全可以在传输开始前事先计算功率分配因子并通知所有协作节点,并不需要过多的系统开销.4 次最优功率分配算法 根据定理1可知,f (ζ)在ζ∈(0,1)上存在极小值点,那么f ′(ζ)=0在ζ∈(0,1)上必有解,因此考虑从式(5)出发寻找进一步简化功率分配的算法.考虑到在一般情况下,式(5)中∏Kj =1,j ≠k1ζΩSj+1(1-ζ)ΩjD的值对所有节点k 相差不大且不为0,因此我们将式(5)近似为∑Kk =1-1ζ2ΩSk+1(1-ζ)2ΩkD>0(7)由此,我们得到功率分配的一种次最优方案:5491第 10 期李国兵:最佳中继协作通信系统的功率分配算法ζ3=∑Kk =1Ω-1Sk∑Kk =1Ω-1Sk+∑Kk =1Ω-1kD (8)可见,次最优功率分配方案只与∑Kk =1Ω-1Sk和∑Kk =1Ω-1kD的比值有关,在二者相差不大时,等功率分配接近或等于最优功率分配;而当二者相差较大时,次最优功率分配方案将比等功率分配带来更大的性能增益.5 仿真实验结果 本文在准静态瑞利平坦衰落信道下对功率分配算法的效果进行了仿真.在下面的仿真中,取R =1bps/H z ,节点i 和j 节点之间信道的平均功率增益与距离d ij的α次方成反比,即Ωij=cd -αij ,其中c 是与传播环境有关的常数,α是路径损耗指数,取值一般在2～5之间.不失一般性,在仿真中我们取α=3,c =1.图1和图2给出了系统中存在6个中继节点且源与中继、中继与目的之间的距离都相等时的仿真结果,此时取信道的平均信道增益{ΩSk }K k =1={ΩkD }K k =1=1.图1对不同功率分配因子时的系统中断概率进行了数值计算和蒙特卡罗仿真.通过图1我们可以看到,在这种情况下,等功率分配是最佳的功率分配方案.而观察式(8)可以发现,由于此时∑Kk =1Ω-1Sk和∑Kk =1Ω-1kD相等,因此根据次最优算法得到的功率分配方案就是等功率分配.进一步地,从图2中的数值仿真结果也可以看出,本文的最优功率分配、次最优功率分配算法得到的分配方案与等功率分配的中断概率性能相吻合. 采用文献[10]中使用的非对称网络拓扑,取信道的平均信道功率增益{ΩSk }K k =1和{ΩkD }K k =1为{415,015,014,013,012,011}.也可以看到,尽管此时6个中继节点的信道增益各不相同,但由于∑Kk =1Ω-1Sk和∑Kk =1Ω-1kD相等,因此根据式(8)可知,与{ΩSk }Kk =1={ΩkD }K k =1=1类似,等功率分配是最佳的功率分配方案.如图3、图4所示: 上述仿真表明,本文提出最优功率分配和次最优功率分配算法能够准确获得最优的功率分配方案.为了进一步说明本文算法的性能,图5和图6给出了一种源与中继、中继与目的之间的距离不相等时的仿真结果.为使结果具有一般意义,我们将源与目的之间的距离归一化,并选取了6个与源节点相对接近的点作为中继.在本次仿真中,取{d Sk }K k =1为{010962,011556,012279,012460,012747,013213},取{d kD }K k =1为{019055,018508,018004,018004,017379,016791}.相应地,{ΩSk }Kk =1为{112316,26516,8414,6712,4813,3012},6491 电 子 学 报2008年{ΩkD}K k=1为{113469,116238,119505,119505,214890, 311927}.从图5的仿真结果可以看到,最优的功率分配因子的值在0115左右,这可由穷举搜索所有的功率分配可能性而得到准确结果.仿真中由最优和次最优功率分配算法得到的结果见表1:表1 几种方法获得的功率分配因子所用算法最优功率次最优功率穷举分配算法分配算法搜索功率分配因子0.14730.14230.1501 如表1所示,本文所提出的两种功率分配算法都与穷举搜索方法得到的功率分配因子非常接近,其误差小于10-2.事实上,通过调整精度ε,最优功率分配算法还可以进一步逼近穷举搜索.另外,从图6可以进一步看到,本文提出的这两种方法具有几乎相同的中断概率性能,同时二者与等功率分配方案相比,都可获得2dB左右的性能增益.此外,由于本文的两种算法是在中断概率的近似式(3)提出的,因此精度略低于穷举搜索方法.但是从计算复杂度来看,本文的两种算法远低于穷举搜索方法.首先,为了获得不同信噪比下的功率分配因子,穷举搜索对每一个给定的信噪比都需要重新计算.而本文的两种算法都与信噪比无关,计算一次即可获得;其次,在信噪比给定的情况下,本文的算法复杂度也低于穷举搜索.以本文仿真为例,为了获得如表1所示的功率分配方案,使用穷举搜索方法需要进行10000次搜索和比较,而本文提出的最优功率分配算法只需4次迭代即可完成.次最优算法则可根据式直接计算出结果,其计算复杂度更低.6 结论 本文研究了在基于最佳中继选择的协作通信系统中的功率分配策略,给出了以最小化系统中断概率为目标的非线性规划模型并证明待解的优化问题是一个凸优化问题,提出了针对凸优化问题求解的功率分配算法并给出了算法步骤.在此基础上提出了一种次最优的功率分配算法.该算法简化了计算过程,同时其性能与最优功率分配算法以及穷举搜索得到的结果非常接近.本文提出的算法复杂度低,且只需已知平均信道增益信息,因而对系统负担小,有助于协作通信技术的实用.附录A证明ln f(ζ)在ζ∈(0,1)是下凸函数:ln f(ζ)=∑Kk=1ln1ζΩSk+1(1-ζ)ΩkD是多个对数函数之和,对ln1ζΩSk+1(1-ζ)ΩkD的二阶导数进行整理,可得ln1ζΩSk+1(1-ζ)ΩkD″=1ζΩSk+1(1-ζ)ΩkD-1-1ζ2ΩSk+1(1-ζ)2ΩkD′=-1ζΩSk+1(1-ζ)ΩkD-2-1ζ2ΩSk+1(1-ζ)2ΩkD2 +1ζΩSk+1(1-ζ)ΩkD-12ζ3ΩSk+2(1-ζ)3ΩkD=1ζΩSk+1(1-ζ)ΩkD-2・1ζ2ΩSk+1(1-ζ)2ΩkD2 +2ζ3(1-ζ)ΩSkΩkD+2ζ(1-ζ)3ΩSkΩkD由上式不难看出,任取ζ∈(0,1),对所有k=1,…,K,有ln1ζΩSk+1(1-ζ)ΩkD″>0,显然有[ln f(ζ)]″=∑Kk=1ln1ζΩSk+1(1-ζ)ΩkD″>0,即ln f(ζ)的二阶导数严格大于0,因此ln f(ζ)是严格下凸函数.证毕.附录B证明f(ζ)是严格下凸函数:7491第 10 期李国兵:最佳中继协作通信系统的功率分配算法因为ln f (ζ)是严格下凸函数,因此对于任意ζ1,ζ2∈(0,1),λ1,λ2∈(0,1)且λ1+λ2=1,有λ1ln f (ζ1)+λ2ln f (ζ2)>ln f (λ1ζ1+λ2ζ2)(9)另一方面,将f (ζ)视为ln f (ζ)的自变量,那么由于自然对数函数在实数范围内都是严格上凸函数,所以ln f (ζ)是关于f (ζ)的下凸函数.因此有λ1ln f (ζ1)+λ2ln f (ζ2)<ln [λ1f (ζ1)+λ2f (ζ2)](10)综合式(9)、(10),并由对数函数的单调性可得,对于任意ζ1,ζ2∈(0,1),λ1λ2∈(0,1)且λ1+λ2=1,有λ1f (ζ1)+λ2f (ζ2)>f (λ1ζ1+λ2ζ2)(11)亦即f (ζ)是严格下凸函数.证毕.参考文献:[1]殷勤业,张莹,丁乐等.协作分集:一种新的空域分集技术[J ].西安交通大学学报,2005,39(6):551-557.Y in Qinye ,Zhang Y ing ,Ding Le ,et al.Cooperation diversity :a new spatial diversity technique [J ].J ournal of Xi ′an Jiaotong University ,2005,39(6):551-557.(in Chinese )[2]A Sendonaris ,E Erkip ,B er cooperation diversity 2Part 1:system description [J ].IEEE Transactions on Communi 2cation ,2003,51(11):1927-1938.[3]A Nosratinia ,T E Hunter ,A Hedayat.Cooperative communica 2tion in wireless networks [J ].IEEE Communications Maga 2zine ,2004,42(10):74-80.[4]J N 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协作中继通信中继节点功率分配策略
中继节点选取
中继节点选取是协同中继通信研究的关键问题之一， 选取一个好的中继节点可以获得更高的空间分集增 益，而且中继节点的数量直接影响系统的性能。 在分析比较了三种基本中继节点位置和三种基于路 径损耗的中继节点选择算法后，得出根据最小化最 大路径损耗算法选出的节点为最优中继节点，节点 选来选取最优中继节点，选出准则 信道是增益最小值最大化，最佳中继节点K由下式 给出：
Mutlab 代码 系统 流程 图
仿真结果我们会很明显的看 到，我们所需要的理想的最 优位置就是我们所设定的最 优节点k，在等功率的条件下 的情况下，我们找到的最优 节点K（绿线）ber误码率纵 轴是在相同的snr信噪比横轴 与其他2个随机节点对比中是 最优的，也满足我们最理想 的通信节点的要求。从而验 证了我们对于功率分配的要 求，在中继网络中传输数据 信息时，我们的最优节点会 最大化的将我们所需要的信 息传送到目的节点，保证了 我们对中继节点最优功率的 功能要求。
单双向中继网络讲解
单向中继网络是针对双向中继网络而言的,指在中继 节点在参与协作下，整个网络只有一个源节点S和 目的节点D,传输方向为单一方向。以图1-1为例,每 当源节点S要发送数据到目的节点D时,只有通过中 继节点来完成传输。中继节点R只接收与转发来自 源节点S 的数据,整个网络的经过中继后的传输方向 为S R D。
对于传统的单向中继网络,由下图分析整个 时隙传输过程，整个传输过程最少需要四个 时隙才能完成与的双边信息交换。这样一来 ,利用中继完成用户间的信息交换就变得浪 费了大量的时间和中继节点的能量，使传输 效率大大降低，从而无法达到快速，高效的 效果。然而,如果用户通过中继节点进行数 据交换可以比传统单向中继传输节省一个或 两个时隙,因此,从时隙方面，中继节点的能 量利用率等各个方面，双向中继网络都极大 的提高整个中继网络的传输效率。图2-3表 示一种典型的双向中继协作网络模型,其中S 和D表示了两个收发节点且他们之间不存在 直接路径.整个网络的源节点与目的节点同 时向中继节点传输信息，使中继节点的利用 率大大提高。整个 网络的传输方向.
AF协作分集中的功率优化分配方案要点
AF协作分集中的功率优化分配方案1 引言协作通信技术指利用多个不同用户的天线组成虚拟天线阵，从而获得类似MIMO系统的性能增益。
通过用户协作来增加系统容量，有AF(Amplify and Forward)和DF(Decoded and Forward)两种协同方式．由协作带来的分集称为协作分集。
AF指中继不对接收的信号进行解调和解码，而是直接对其进行模拟处理后放大转发。
DF指中继先要对接收到的信号进行解调、解码(如果编码)和判决，然后将判决后的数据进行编码调制再转发。
在AF方式下可得到多重分集，分集重数等于参与协作的用户数，利用其他用户的天线形成Alamouti空时码，称为空时码协同。
将协同与信道编码相结合即编码协同(Coded Cooperation)，其本质是把码字分成数据位和校验位两部分，对冗余校验位进行协同。
协同分集仅适用于慢衰落信道。
对于快衰落信道，协同分集几乎没有增益。
针对AF模式，在中继端进行功率分配的方法：发送端用一半的功率，所有中继端用另一半的功率且功率平分，但该方法未考虑优化接收端也未考虑各个信道功率因素。
在发送端和中继端进行功率平均分配，在接收端进行最大比合并MRC(Maximum Ratio Combiner)，方法虽然简单，但性能不是最佳。
这里提出在大信噪比条件下，以降低系统的中断概率为目标的一种功率优化分配方案。
2 系统模型图1为多用户协作分集通信模型。
其中，h1.i是Sender(记作S)到Relay(记作R)i的信道，z1,i是噪声。
同理，h2,i是Re-lay i到Destination的信道，z2,i是相应的噪声。
作如下假设：共有K个中继一发送端一中继，接收端均是单天线。
所有终端都是半双工的，即不能同时发送和接收信号。
在第1个时隙，发送端S发送信号x，中继Ri(i ∈1，2，…K)和接收端D接收信号。
在第2个时隙，中继Ri将信号放大并前传，S未发送新的信号。
h0是S到D的衰落信道，h1,i是S到Ri的信道，h2,i是Ri到D的信道。
Two-way中继系统协作节点选择及功率分配策略
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第 ３ 第 ９期 ２卷 ２１ ０ ０年 ９月
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中继系统中子信道和功率及节点选择联合分配
己选 中继节 点进行 资源分 配 ， 都 是 需要 重点研 究 的 问题 。为此提 出一种 基 于节 点选择 、 两跳 子信 道 和功 率 的
联 合分 配 方案 。该 方 案在 资 源分 配过 程 中考 虑 了用 户分 组 的传 输效 率和 用 户 间的公 平性 ， 它首 先根 据 用 户 的 等 效信道 增 益 选 出每 个 用户的 最优 中继节 点 以及 两跳 配 对子信 道 ， 然后 从 中选 出系统能提 供 的 最 大用 户 分组 ， 最后 针 对 那些 不足 以支持新 的用 户分 组传 输 的 系统 剩余 资 源进 行 重 新分 配 。在 剩余 资 源的 分 配过 程 中， 以最 大化 调 度 用户 资源分 配优 先级 为 目标进 行 功率和 子信 道 资 源的重新 分 配 。仿真 结 果表 明 ， 所提 方案 能在 满足 用 户需要 的条 件 下增 大 系统吞 吐 量 ， 同时能兼顾 用户公 平性 。
关键词 ：节点选择 ； 联合资源分配； 协作 中继 ； 两跳子信道配对
１ 引言
吐量 ，因此 ，容量 分 配过 程 中的公 平 性 并不 是 实 际
９ ］ 提 出 了两跳链 路 子 信道 配 对 方法 有 效 提 在无 线通 信 技术 中 ， 中继 技术 是 研 究热 点 ， 通 过 的 。文 献 ［ 引入 中继 站 可 以在 保证 较 小 成本 投 入增 大 小 区容 量 高 了 系统性 能 。 并 且 扩 大小 区 覆盖 范 围… 。加 入 中继 后 ， 使 系 统 网络 文 章 针对 协作 中继 中的联 合 资源 分 配 和节 点 选 的架 构 产生 变 化 ，因此 在 协作 传 输 中选 择 和 是 的 中 择 问题 提 出一 种新 的资 源分 配 算 法 ：首 先 根据 用 户 继节 点 ， 对 已经 选 择 的 中继节 点 进行 资源 分配 ， 是 当 的等效信道增益选出每个用户 的最优 中继节点以及
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协作中继通信中继节点功率 分配策略
姓名：林 学号：2009 指导教师：杨守义
协作通信中AF与DF
按照信号处理的方式可分为放大转发模式、解码转 发模式及编码协作模式等。如前概述,中继网络通常 采用两种传输协议,即放大转发和解码转发 对AF方案而言,中继节点将直接放大并转发从源节 点得到的模拟信号,整个中继过程不做任何解调和信 号处理。对于DF方案而言,中继节点对接收到的信 号进行译码,并转发译码后的再生信号给目的节点。 其中,放大转发协议因其具有低复杂度和易实现等特 性
对于传统的单向中继网络,由下图分析整个 时隙传输过程，整个传输过程最少需要四个 时隙才能完成与的双边信息交换。这样一来 ,利用中继完成用户间的信息交换就变得浪 费了大量的时间和中继节点的能量，使传输 效率大大降低，从而无法达到快速，高效的 效果。然而,如果用户通过中继节点进行数 据交换可以比传统单向中继传输节省一个或 两个时隙,因此,从时隙方面，中继节点的能 量利用率等各个方面，双向中继网络都极大 的提高整个中继网络的传输效率。图2-3表 示一种典型的双向中继协作网络模型,其中S 和D表示了两个收发节点且他们之间不存在 直接路径.整个网络的源节点与目的节点同 时向中继节点传输信息，使中继节点的利用 率大大提高。整个 网络的传输方向.
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总结： 本文是关于在中继协作通信环境中，等功率也就是 分配功率相同的条件下对最优节点的选取的理论研 究和系统的性能仿真。在协作通信环境中，因为在 发射端利用分集发送技术产生空间分集或者在接收 端目的节点通过最大比合并等分集合并方法对不同 时隙接收到的数据信息进行处理获得时间增益，所 以中继节点的引入在一定程度上可以有效地改善系 统性能。 在基于位置的协作通信环境下搭建仿真系统，仿真 对瑞利衰落信道下的系统性能，对相同QPSK调制 方式，中继模型，分集合并方法条件下，对中继节 点的最优位置情况的误码性能进行了分析，验证了 采用最优位置中继节点方法在协作通信中的优势。 最后，基于中继转发协议条件下，本文探讨了最优
本文根据信道信息来选取最优中继节点，选出准则 信道是增益最小值最大化，最佳中继节点K由下式 给出：
Mutlab 代码 系统 流程 图
仿真结果我们会很明显的看 到，我们所需要的理想的最 优位置就是我们所设定的最 优节点k，在等功率的条件下 的情况下，我们找到的最优 节点K（绿线）ber误码率纵 轴是在相同的snr信噪比横轴 与其他2个随机节点对比中是 最优的，也满足我们最理想 的通信节点的要求。从而验 证了我们对于功率分配的要 求，在中继网络中传输数据 信息时，我们的最优节点会 最大化的将我们所需要的信 息传送到目的节点，保证了 我们对中继节点最优功率的 功能要求。
单双向中继网络讲解
单向中继网络是针对双向中继网络而言的,指在中继 节点在参与协作下，整个网络只有一个源节点S和 目的节点D,传输方向为单一方向。以图1-1为例,每 当源节点S要发送数据到目的节点D时,只有通过中 继节点来完成传输。中继节点R只接收与转发来自 源节点S 的数据,整个网络的经过中继后的传输方向 为S R D。
中继节点选取
中继节点选取是协同中继通信研究的关键问题之一， 选取一个好的中继节点可以获得更高的空间分集增 益，而且中继节点的数量直接影响系统的性能。 在分析比较了三种基本中继节点位置和三种基于路 径损耗的中继节点选择算法后，得出根据最小化最 大路径损耗算法选出的节点为最优中继节点，节点 选取的准则为