1、本科毕业设计（20 届）基于阈值的超宽带中继协作通信系统研究所在学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 2目 录1. 绪论 .31.1 研究背景 .31.2 协作通信 .41.2.1 概述 .41.2.2 机会中继选择协议 .41.2.3 协作通信技术的应用 .41.3 阈值的概念 .42. 基础知识 .52.1 三节点两跳中继网络工作原理 .52.2.1 概述 .62.2.2 DCSK 调制解调原理 .62.2.3 DCSK 的优点 .63. 系统框架和信道模型 .73.1 系统框架和信道模型的介绍 .73.2 接收机 .83.3 性能分析 .103.
2、3.1 系统误码率 .103.3.2 平均带宽效率 .134. 仿真结果 .144.1 仿真过程分析及结论 .145. 结论与展望 .16致谢 .16参考文献 .163基于阈值的超宽带中继协作通信系统研究 【摘要】在多输入多输出（MIMO，Multiple-Input Multiple-Output)天线技术和正交频分复用（ OFDM，Orthogonal Frequency-Division Multiplexing）两项技术相互配合的情况下都不能满足要求，为了改善不足，要引出一种满足终端用户 QoS 的办法，这就是中继辅助通信方法。中继辅助通信有两个目的：即扩大用户覆盖和增大系统容量。由于
3、系统依赖于随机分布在空间中的每个终端的协调，协同伙伴选择机制由此引出，也就是中继选择问题。本论文一共有五个章节，前三章主要介绍了一些研究背景、工作原理、以及各个关键词的理论知识，对课题有个系统性的理解；其次，第四章介绍的是仿真的内容，通过在 Nakagami-m 多径信道下推导的具体表达式，同时编写出信号在发送时运用 DCSK 调制方式的整个过程的程序，再用 Matlab 仿真软件进行验证，进而寻找到不同情况下的最优阈值，也就是重点验证阈值什么时候要参与协作，并验证了系统性能的最佳时刻；最后，第五章是对课题的总结和展望，并对这项技术进行了系统性的总结陈述。【关键词】协作通信；阈值；中继选择；D
4、CSK 调制；信道Study of ultra wideband relay cooperative communication system based on threshold【Abstract】In Multiple Input Multiple Output (MIMO, Multiple Input Multiple Output) antenna technology and Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM, Orthogonal Frequency - Division Multiplexing) under th
5、e condition of two technologies together cannot meet the requirements, in order to improve the deficiencies, to draw out a way to meet the end users QoS, this is auxiliary relay communication method. Auxiliary relay communication has two purposes: to expand coverage and increase system capacity. Bec
6、ause the system is dependent on the random distribution in the space of each terminal in coordination, in the cooperative partner selection mechanism, namely relay selection problem.This view a total of five chapters, the first three chapters mainly introduced some research background, working princ
7、iple, and the key words of theoretical knowledge and understanding of the subject has a systemic; Second, the fourth chapter is the content of the simulation, through the Nakagami -m multipath channel is derived under the specific expression, write a signal is sent at the same time using the DCSK mo
8、dulation mode of the whole process of the program, Matlab simulation software to verify again, and then find the different situations of the optimal threshold, which is the key validation when threshold to participate in the collaboration, and validate the system performance is the best time; Finall
9、y, the fifth chapter is summary and outlook of subject, and has carried on the systematic summary about this technology.【key word】cooperative communication; threshold; relay selection; DCSK modulation; channe41. 绪论21 世纪，在这个高速发展的时代，人类历史发生了翻天覆地的变化，电子通信时代的到来，更给人们的生活带来了不可思议的飞跃。时代在进步，技术也在不断提高，为了满足人们日益增长的
10、物质需求，研究人员不断开发出了新的科学技术，使人们的生活进入了一个新篇章。通信技术从广义上来说，就是将信息从一个地点传送到另一个地点所采取的方法和措施，它是电子技术的重要组成部分，其主要任务就是提供各种信号的传输技术 1。由于人们对信息的要求越来越高，这项技术也越来越复杂，其复杂表现在，不单单要满足信号传输和交换的要求，同时还要提供对应的信号与信息处理技术。基于阈值的超宽带中继协作通信系统研究是混沌通信理论与技术的一个分支，想要研究其工作原理，首先要理解清楚混沌通信中协作通信的概念及意义，其次要研究工作原理，然后对整个理论知识和研究过程进行综述，最后得出结论。1.1 研究背景本课题的研究内容涉
11、及到的是数字通信领域方面，其在绪论中已提到它是混沌数字通信理论与技术的一个分支。19 世纪末，H. Poincare 是第一个观察到混沌行为的人，并且对非线性动力学系统给出了重要描述，混沌信号有一种特性内在的动力学特性，虽然看上去貌似一种不规律的运动方式，却能用确定性的方程把它的运动轨迹描述出来，基于此特性，因而广泛应用于编码和信息安全传输等通信领域，也因此受到了学术界的关注 2。然而混沌通信也有一个缺点，那就是混沌载波同步实现难度系数相对较高，为了解决这个不足，由此引入了调制的概念。阈值的选择，在通信领域应用很广，在本论文中，主要是研究中继选择问题，是用来判断信号质量有没有满足需求，然后决定
12、中继节点有没有参与协作的必要。它是验证系统性能的重要方法。1.2 协作通信1.2.1 概述协作通信是近几年发展起来且已经向人们证明它是能够对抗无线信道下信号衰落来提高无线通信系统的容量的有效手段之一, 因为它可以产生一个虚拟 MIMO 系统，而获得发分集增益，协作通信技术是基于中继信道的研究的基础上，有很多研究人员在不断研究此项内容，V an der Meulen 是首次提出三个终端中继信道的基本概念的人，并且对信道容量的上界和下界有了基本的推导 5。1979 年，Cover 和 Gamal 又有了一个重大发现，他们俩也就是协作通信的提出者，这项发现是他们在对中继信道研究时提出来的，他们研究出
13、了有源、中继和目的三节点构成的 AWGN 中继通信网络模型的信道容量，其中的所有节点工作在相同的频段上，因此，可以把系统分为广播信道和多址信道。这一伟大的研究发现，使协作通信的技术研究向前迈向了一大步，同时也为以后的研究奠定的坚实的基础。协作通信技术有众多优点，也因为如此，越来越多的国家开始投入大量精力去研究。欧美地区以及亚洲的几个国家，都成立一些关于协作通信技术的专项课题，可见协作通信技术的潜在能量是非同一般的，它能给人类历史带来诸多利益。这一系列的专题，标志着协作通信的研究已经开始正式迈入一个全新且快速发展的新阶段，不久的将来，它将成为给通信领域带来不可思议的影响。51.2.2 机会中继选
14、择协议机会中继协议是基于信道（信道状态信息）的协作中继选择方法,它的提出者是以ABletsas 为代表的科学人员，其原理是系统依据某一种选择算法，这些算法是从所有参与备选中继中选择到的一个最佳中继节点和源节点协作发射信号到达目的节点 6。这种方法是在不知道网络的拓扑信息的前提下，也因此这优点而大大简化了物理层的设计。后来，Salama 也对此方法进行了认真探讨及验证。用此算法与常规分集方案作对比，证明了前者在节省信道资源方面具有很明显的优势，同时还能实现系统的全分集阶数。现如今，如何改善机会中继协议上是研究人员考虑的重点，因为之前涉及到的内容都只是专注于一个单一的最佳中继的选择上。所以为了满足
15、需求和获得更多的效益，研究者们提出了一个新的中继选择计划，即半分布式的中继甄选计划。此种方法的原理如下：先测量出后向信道和前向信道的瞬时信道增益（这个测量方法可以用每个中继测出） ，然后对比分析，假如后向信道和前向信道的瞬时信道增益都超过了一个门限值（阈值）的话，那么这个中继就是可用的，同时最佳中继会被基站从所有可用中继中选择出来。1.2.3 协作通信技术的应用协作通信技术优点众多，因为它无论在覆盖、干扰、流量上相比于其他技术，它都能够获得更多的效益和更高的性能。基于这优点，协作通信技术得到了很多运用和发展，它是一种极其具有应用前景的通用技术，它在无线通信系统和实际生活中都有着广泛的应用。如：
16、用在蜂窝移动通信中、无线局域网、Ad Hoc 网络、无线传感器网络等，同时也用于舰队编制通信、航空无线电等军用通信网络中 7。除此之外，假如把它运用在无线网络下，不仅性能可以得到提升，而且还能提高网络的使用时间。1.3 阈值的概念阈值（threshold）又称阈强度，为临界值的意思。举个例子，比如往一个装满水的水杯里扔一个小石子，可以观察到，水杯里的水基本没什么变化没，接着扔第二个第三个的时候，由于超过了一定的限度，水杯里的水就溢出来了，顾名思义，这种界限值就是阈值。阈值在科学领域中用法很广，它是一个很关键的专业术语。每个科学领域中都有自己的阈值，不同领域也有不同的用法。在通信系统中阈值是用来
17、计算“最优化”的问题，从而寻求到一个最优值。这种算法的基本思路是：首先，在不知道结果的情况下，我们先设想出一个方案，通常这个方案都是不能满足最后需要的；然后理论分析，推导过程，并且计算该值时要有一定的数学限制；最后分析比较，得出最优值。在本论文中，采用的就是阈值汇报机制。该机制的基本原理也就是上面提到的那个模式，只不过这里面加了机会中继选择协议的内容。总的来说就是以最小化源节点和中继节点的平均消耗总功率为目标，最终确定中继汇报的阈值。最终结果也表明，这种算法是提高系统能量效率的一种重要办法。2. 基础知识本章内容，详细介绍三节点两跳中继网络工作原理和 DCSK 调制解调的理论知识，熟悉掌握这些
18、内容，是完成该论文的基础。2.1 三节点两跳中继网络工作原理在研究协作通信时，先要了解清楚三节点两跳中继网络到底是怎样一个模型以及是怎6样工作的。如图 1.1 所示，由图可知，它的系统模型是由单个源节点 S、单个中继节点 R 以及单个目的节点 D 一起组成的；在这个模型中，其工作原理步骤如下：该模型采用的是时分复用（TDMA，Time Division Multiple Address）方式，其协作分期有两个阶段，首先，为广播阶段，也就是源节点将 N 比特的信息由 DCSK 调制，然后对其广播，中继节点和目的节点的主要任务就是对信号进行接收；其次，是多址阶段，这是根据选择译码转发的策略，中继节
19、点或源节点将信息发送到目的地节点 DCSK 调制，然后再把两个阶段接收到的信息采用等增益合并（EGC，Equal Gain Combine ） 并且进行普通化的最大似然比准则（GML ，Generalized Maximum Likelihood）的信息解调方式。 假设各个节点都只有一根发射和接收天线，且不能同时接收和发射信号。由于源和目的节点间存在直传链路的情况，当中继节点接收到来自源节点的发送信号时，中继节点通过循环冗余校验（CRC, Cyclic Redundancy Check）或设置接收信噪比阈值判断等方式，判断自身是不是对接收信号进行正确译码，然后再决定要不要进行中继协作 3,4。
20、 假如可以正确译码，那么中继节点就会对信息再重新进行编码调制后发送给目的节点，这就是参与协作转发信息和协作机制触发；反之，由于错误译码信息被忽略，发送回来的信息是源节点，所以不可以正确译码。此方法便是选择译码转发策略。在单个源节点 S 将信号发送给目的节点 D 时，这中间要有一个信道，这是为了寻求到不同环境下的最优阈值。这是课题的工作原理，理清思路，在头脑里建立一个模型，然后进行 MATLAB 仿真。编写程序代码，进行仿真。 观察对比阈值对 BER 的影响，并在仿真结果图上寻找到最优阈值。最后做个全面的论述。第一阶段信息第二阶段信息图 1.1 三节点模型2.2 DCSK 调制解调2.2.1 概
21、述DCSK 又叫差分混沌位移键控（DCSK，Differential Chaos Shift Keying） ，它的设计思路是建立于两个基本函数 CSK 的基础上，对其性能加以改善，以获得更多的效益，基本函数由重复或相反片断的混沌波形组成是 DCSK 特别显著的特点同时也是它得天独厚的优势，由于 DCSK 原理简单，分析和实现起来比较容易，再者它在多径信道中稳健性相对较强，所以应用于很多场所 8。2.2.2 DCSK 调制解调原理DCSK 调制的发送端会对每个符号周期进行划分，从而形成发送混沌参考信号和传送携带有用信息的混沌信号这两个相等的时隙。在对在接收端所接收到的信号做相应的运算时，先设调
22、制信号 ，然后相应的调制后的信号 的表达式也可以得出，表达式)1,(bi )(tsi如下：（2.1）)(tsillkcik 2,.1)2(, )(S DR7在（2.1）式中：T 为数字信号的比特周期。ck skk噪声blnk相关运算 ll21)( rkbl zl图 2.2 DCSK 的调制解调系统框图 如图 2.2 所示，从图中可得到以下信息，首先，上半部分是 DCSK 解调，下半部分为 DCSK 调制。前者又由混沌信号发生器和二元 DCSK 调制器以及 DCSK 已调信号组成；后者是接收端，由信道滤波器和二元 DCSK 调制器以及判决电路组成。根据这个框图，可以基本了解 DCSK 的调制解调
23、的工作原理。2.2.3 DCSK 的优点DCSK 的反极性调制方式决定了它要比其他调制方式更加有优势。其表现为：它的信息加载来自于参考和载信片段的相关性上；判决门限值为零，与性噪比无关；混沌参考信号和混沌信号携带的信息通过同样的渠道，使到模式 DCSK 不是敏感的信道失真 9；如果近似的每个元素代码区间的信道参数保持恒定，因此 DCSK 可以应用于任何随时间变化的信道； DCSK 调制在瑞利衰弱和频率选择性信道衰弱的特点 BER 性能比其它调制方案要好得多。3. 系统框架和信道模型本章介绍了课题的系统框架、信道模型以及性能分析，前面两章介绍了几个关键词的定义和工作原理，为本章奠定了基础，在下面
24、的介绍中，加入新概念-信道，它的引入，又会有什么变化呢？先通过理论研究，建立一种理论模型，下一章我们将用仿真软件来验证理论知识。3.1 系统框架和信道模型的介绍第二章第二小节的工作原理已经介绍，系统模型是由由一组源节点（S） 、目的节点（D）对和 K 个中继节点 , K=1,.,K，一起组成的。这些中继节点采用的是译码转发方Rk式且都是工作在半双工方式下；各跳链路间的信道都都准静态平坦衰落的，并且服从相互独立不同分布（ i.ni.d ，Independent Non-identically Distributed ）的 Nakagami- m 多径衰落；当信道的变化比较缓慢时，由传输控制、通知
25、信令所带来的开销可忽略不计，同时也混沌信号发生器延时信道延时8不考虑中继间可能存在的竞争碰撞。设想系统采用的方式是时分复用，依据所接收到的信号，目的节点计算出瞬时接收信噪比 ，并且与事先设好的阈值 作比较，判断直传到SD TH底有没有成功，这样才能决定是不是需要中继节点在下一时隙参与协作。分析比较，接收 SNR 大于或小于阈值 时的情况。当前者小于后者时，系统处于SDTH中继协作模式下，信息反馈回来后，目的节点发送一个控制信令。假设采用定时器机制，而且各个中继节点通过前期的握手阶段，除此之外，还拥有各自到信源以及目的端的瞬时信道状态信息。当中继节点监听到这个信令时，会立刻启动自身的定时器，这样
26、一来就可以确定最佳中继，就是以最先结束的那个中继节点为准。在时隙二，最佳中继又会重新发送一个经 DCSK 调制后的信号给目的节点。目的节点把两个时隙接收到的信号进行等增益合并，然后解调。如果前者大于等于后者，说明直传成功，也就是直接传输模式。目的节点将会发送一个标志信号，整个传输周期结束，源节点将会重新发送一个新的信息。图3.1 是传输协议的具体模式：中继协作模式 直接传输模式开始时隙一：源节点广播信息，所有中继节点和目的节点接受目的节点计算 值SDSDTH中继选择Min Timer时隙二：选中中继节点转发信息给目的节点目的节点解调并发送标志信号9图 3.1 基于阈值的机会选择中继通过流程图分
27、析可得，阈值处在了最中央，所以设置合适的阈值是整个过程的核心，同时也直接决定了整个系统到底是处于中继协作模式还是直接传输模式。就像这两者的开关一样，设置过高或者过低都是不行的，因为如果阈值设置的太高，系统将会一直工作在中继协作模式下，这样会降低带宽效率。阈值要是设置的过低，系统又只能一直处于直接传输的模式下，会导致系统性能不佳。由此可知，想要系统获得更好的效益，设置合适的阈值，是重中之重。3.2 接收机图 3.2 数字接收机中解调和检测功能块和图 3.3 简化的基带传输模型是讨论接收机的工作过程，认真对比联系，就能理解掌握它的工作原理。 解调与采样检测)(tsi trtztnthr图 3.2
28、数字接收机中解调和检测功能块由图 3.2 可知，这个过程包含有两个转换，即波形样本转换和把样本转换成所传输的数据，它们分别由采样器和判决器完成。波形样本转换的工作过程：在每个符号时间 T 结束，采样器就相应的输出样本值 ,即检测统计量；它是一个随机变量，且与mTz接收到符号的能量以及附加噪声有关，这是检测统计量的重要特点；在这个过程中，输入噪声是高斯过程，且接收滤波器是线性的，那么滤波器输出噪声也是高斯的 10。目的节点将信息等增益合并后调解是否还有数据结束频率下变换器接收滤波器 均衡器 判决器10接下来将介绍简化的基带传输模型：考虑到一个二进制基带传输系统，设 和ts1为它的两个基带脉冲信号
29、， T 为符号持续时间。图 3.3 即是在理想信道的条件下。ts2在 时采样Tt消息符号)(ti ztnthr图 3.3 简化的基带传输模型图 3.3 中有：, ，发送“1”ts1Tt0, 发送“0” tsi ts2 Tt0（3.4） = + tr)(itn（3.5）= * tz tr thr（3.6）在 时刻的采样输出为:tzT（3.7） Tnai0其中 这是由信号分量得到的、所需要的分量， Tn0是噪声dhsrii 0分量。所以也可把式（3.7）简写成：， （3.8）naiz01,i由于 T0的均值为零且方差为 的高斯噪声，所以有表达式如下：20（3.9）20101 000exp2aszzp（3.9）式中 和 分别是 s、 1的似然概率。z0z1判决器：其主要作用是把采样值 与某门限 作比较，根据比较的结果确定发送的是zs0还是 1，如果大于 ，则是 0，反之，发送的是 s1。接收滤波门限 判决
