透明中继配置下的物理层协议与STTC设计准则

本章专门讨论透明中继配置下的物理层协议。透明中继是指中继仅对接收信号进行透明的重传处理，即只对接收信号的波形进行诸如幅度缩放、相位调整等形式的模拟变换，而不对接收信号的信息内容进行操作。本章大致分为三部分：透明中继协议、透明分布式空时处理协议以及能够获得最佳系统增益的分布式优化处理。

（1）透明中继协议

关于中继协议，我们分析了4种经典的拓扑结构，它们的差异在于并行的中继分支数和串行的中继跳数不同，即单分支双跳、单分支多跳、多分支单跳和多分支多跳。利用这几种基本拓扑结构就可以构造任意类型的透明中继。文中采用的数学工具可用来分析和综合更复杂的系统配置。例如，使用CDF的数学分析工具可得到串行级联透明多跳中继信道的端到端SNR的CDF、PDF和MGF；另一方面，并行的透明多支中继系统可以直接使用MGF方法来分析。文中还讨论了一种可用于任意中继拓扑和任意衰落信道（满足某些较为宽松的要求）的通用分析框架，该框架只涉及零SNR附近的信道PDF信息。从性能角度来看，除非考虑信道的衰落（包括阴影衰落），总体上多跳衰落信道下的性能要比直传信道差。另一方面，多分支信道可以获得由于多条并行的衰落路径带来的分集增益，因此其性能优于没有中继的系统。

（2）透明分布式空时处理协议

对于透明分布式空时处理协议，我们探讨了如何将最初为集中式天线配置而设计的传统空时处理技术自适应地应用于分布式天线配置的系统。这里涉及到4类经典的算法，包括分布式空时块码（STBC）、空时格型码（STTC）、空间复用和波束赋型。

关于分布式透明STBC，主要讨论了分布式的线性扩散空时块码（DLD-STC）。在DLD-STC协议中，每个中继对来自源节点的T个时刻的接收信号进行线性变换，然后所有中继同时转发编码信号至目的节点，目的节点接收到的所有信号自然构成了DLD-STC。中继系统中的DLD-STC与集中式天线配置的MIMO系统中的LDC有两个显著不同：其一，MIMO系统中由于天线的集中放置，线性扩散码采用集中式处理方式，而在无线中继网络中由于中继节点空间分布式的特点，使得DLD-STC的处理也带有分布式的特征。第二，MIMO系统中所有传输天线都已知发送信号的完整信息，而在中继网络中每个中继仅知道原始信息经过噪声信道后的版本。这些不同导致了DLD-STC与传统LDC在设计上的不同，这也是本节内容的核心所在。

对于分布式透明STTC，主要讨论了一般的和针对特殊拓扑的STTC设计准则。关于一般的设计准则，可以证明成对错误概率的上界是由码字差异矩阵的行列式决定的，而不依赖于实际衰落信道的统计特征，因此瑞利信道下的STTC优化设计同样也适用于莱斯、双瑞利、对数正态和其他分布的信道。同时也指出：这一上界并不是紧致界，利用其他准则和途径也有可能获得更好的编码。譬如，针对源节点与中继配置单天线、目的节点配置多天线的特殊拓扑，设计了一种具有更好性能的编码。然后，探讨了在大多数公开文献中可见的3种典型中继协议下，STTC的设计准则及其相应的生成矩阵。相比现有用于集中式天线配置的一般设计，文中的结果显示出这种针对性的编码设计具有显著的性能增益。(www.xing528.com)

分布式透明复用协议主要用于这样一种中继网络结构：多个源节点向多个目的节点传送多个数据流，且希望多个并行传输的数据流之间不产生干扰。因此主要的挑战就是如何设计系统使得目的节点能获得无相互干扰的原始信号。这可以通过采用干扰消除技术来实现，具体实施可以在源、中继、目的节点之一或者其中任意两处进行。究竟是在何处进行干扰消除，取决于以下几个因素：节点之间是否存在协同，节点是否有严格的功耗要求，以及能否采用这样的干扰消除技术。针对两跳AF中继网络，我们分析了4种在不同位置、基于ZF准则的干扰消除方案：①在源节点和中继节点处；②在中继处；③在中继和目的节点处；④在目的节点处。采用ZF准则是因为其简单实用。对这些系统方案，基于中断概率最小准则设计了预编码矩阵，文中结果显示了其性能方面的优势。需要指出的是，增加中继并不总能改善性能，这是因为需要在可靠性提高和相互干扰提高之间取得折中。

对于分布式透明波束赋型，主要讨论了如何在分布式的各个天线上对传输信号进行相位和幅度的控制，从而形成一个对准接收机方向的强波束。这种发射波束赋型能获得显著的阵列增益，因此在某些信道条件下是最优的发射方案。当中继可以获得完整的信道状态信息时，分布式波束赋型和分布式MMSE可以明显改善中继协同传输的性能。我们探讨了两种功率限制条件下的波束赋形设计：第一种是总功率受限，即所有中继的发射功率总和不超过某一设定的功率水平；第二种是中继个体功率受限，即每个中继都限制其功率。后者在实际系统中更为常见，因为每个中继的功率受限于其自身配置的电源所能提供的功率。当从总功率限制转变为中继个体功率限制时，就需要对每个中继上的功率控制算法进行修改以保证满足功率条件。研究表明，在中继个体功率限制条件下，为了保证目的节点能获得最优的SNR，某些中继并不使用最大的发射功率。

（3）透明的分布式系统优化

系统设计的基础在于全部参数或者至少是关键参数的最优化。从本章前述部分的分析可见，发射功率的分配是一个关键的参数。

发射功率分配的挑战之一就是如何在总功率受限的条件下为所有中继分配功率，或者在中继的单个功率受限的条件下分布式地控制各个中继的发射功率。功率分配技术具有重要意义，例如在无线传感器网络中为了尽可能延长节点的生存时间，必须考虑每个节点的功率受限问题，才能获得最大化系统接收SNR的功率分配方案。对于分集系统而言，误比特率是接收SNR的单调递减函数，所以接收SNR的最大化就等价于误比特率的最小化。由于不能获得接收SNR的精确解，因此我们考虑使用接收SNR的上界来计算功率分配系数。仿真结果表明，基于SNR上界的功率分配方案相比于等功率分配方案能获得相当可观的SNR增益，此增益随着中继数的增加而单调增加。这证明了分布式自适应功率分配对于优化系统性能和减少无线中继网络功耗的重要性。实际系统中，功率分配因子通常由目的节点计算得到，然后通过反馈链路或者广播信道将功率分配因子发送到源节点和中继，源节点和中继则根据接收到的反馈值调整其发射功率。此外我们还探讨了在分布式透明中继系统中的另一个重要问题——中继选择。在众多通过中继选择优化系统性能的方案中，我们介绍了一种简单的基于AF协议的中继选择算法。使用调和平均以及所提出的修正调和平均理论，对所研究的目标系统进行了深入而详细的表征、分析和优化。通过仿真可以证明，这种便于系统设计的算法应用于非正交的两跳多中继网络后，相比于不进行中继选择的正交AF中继方案，获得了更优的系统性能和容量。

在本章中，我们都假设理想同步，其他系统参数也都至少与集中式天线阵列一样理想。