Совместное разнообразие - Cooperative diversity

Совместное разнообразие это метод совместной работы с несколькими антеннами для улучшения или максимизации общей сети пропускная способность канала для любого заданного набора полос пропускания, который использует пользователь разнообразие путем декодирования комбинированного сигнала ретранслируемого сигнала и прямого сигнала в беспроводной multihop сети. Традиционная односкачковая система использует прямую передачу, при которой приемник декодирует информацию только на основе прямого сигнала, рассматривая ретранслируемый сигнал как помеху, тогда как кооперативное разнесение рассматривает другой сигнал как вклад. То есть кооперативное разнесение декодирует информацию из комбинации двух сигналов. Отсюда видно, что кооперативное разнообразие - это разнесение антенн который использует распределенные антенны, принадлежащие каждому узлу беспроводной сети.^[1] Обратите внимание, что сотрудничество пользователей - это еще одно определение кооперативного разнообразия. Сотрудничество с пользователями^[2] учитывает дополнительный факт, что каждый пользователь ретранслирует сигнал другого пользователя, в то время как совместное разнесение также может быть достигнуто с помощью сетевых ретрансляционных систем с множеством ретрансляторов.

Техника кооперативного разнообразия - это своего рода многопользовательский MIMO техника.

Стратегии ретрансляции

Простейшая кооперативная сеть ретрансляции состоит из трех узлов, а именно источника, пункта назначения и третьего узла, поддерживающего прямую связь между источником и пунктом назначения, обозначенную как ретранслятор. Если прямая передача сообщения от источника к месту назначения не (полностью) успешна, подслушанная информация от источника пересылается ретранслятором для достижения места назначения по другому пути. Поскольку два взаимодействия пошли разными путями и происходят одно за другим, в этом примере реализована концепция космическое разнообразие и временное разнообразие.^[3]

Стратегии ретрансляции можно дополнительно различить по стратегиям усиления и пересылки, декодирования и пересылки и сжатия и пересылки:^[4]

В усилить и вперед Стратегия позволяет ретрансляционной станции усиливать полученный сигнал от исходного узла и пересылать его на станцию назначения
Реле после декодировать и пересылать стратегия подслушивать передачи от источника, декодировать их и в случае правильное декодирование, отправьте их в пункт назначения. Когда в подслушанной передаче возникают неисправимые ошибки, реле не может участвовать в совместной передаче.
В сжатие и вперед Стратегия позволяет ретрансляционной станции сжимать принятый сигнал от исходного узла и пересылать его в пункт назначения без декодирования сигнала, где Кодирование Виннера-Зива можно использовать для оптимального сжатия.^[5]

Топология релейной передачи

Последовательная релейная передача используется для междугородной связи и увеличения дальности в затененных регионах. Обеспечивает прирост мощности. В этой топологии сигналы распространяются от одного ретранслятора к другому ретранслятору, а каналы соседнего участка ортогональны, чтобы избежать каких-либо помех.

Параллельная релейная передача может использоваться там, где последовательная релейная передача страдает от многолучевости угасание. Для улицы и распространение вне прямой видимости длина волны сигнала может быть большой, и установка нескольких антенн невозможна. Чтобы повысить устойчивость к многолучевому замиранию, можно использовать параллельную ретрансляционную передачу. В этой топологии сигналы распространяются по нескольким путям ретрансляции в одном и том же переходе, и пункт назначения объединяет полученные сигналы с помощью различных схем объединения. Обеспечивает прирост мощности и прирост разнообразия одновременно.

Системная модель

Мы рассматриваем систему беспроводной ретрансляции, которая состоит из узлов источника, ретранслятора и пункта назначения. Предполагается, что канал находится в полудуплексном, ортогональном и прямом режиме ретрансляции. В отличие от традиционной системы прямой передачи, мы используем функцию ретрансляции с временным разделением, когда эта система может доставлять информацию с двумя временными фазами.

На первом этапе исходный узел транслирует информацию ${ displaystyle x_ {s}}$ как к пункту назначения, так и к узлам ретрансляции. Полученный сигнал в пункте назначения и узлах ретрансляции соответственно записывается как:

{ displaystyle r_ {d, s} = h_ {d, s} x_ {s} + n_ {d, s} quad}

{ Displaystyle r_ {r, s} = h_ {r, s} x_ {s} + n_ {r, s} quad}

куда ${ displaystyle h_ {d, s}}$ канал от источника до узлов назначения, ${ displaystyle h_ {r, s}}$ - канал от источника до узла ретрансляции, ${ displaystyle n_ {r, s}}$ шумовой сигнал добавляется к ${ displaystyle h_ {r, s}}$ и ${ displaystyle n_ {d, s}}$ шумовой сигнал добавляется к ${ displaystyle h_ {d, s}}$ .

На втором этапе ретранслятор может передавать свой принятый сигнал узлу назначения, за исключением режима прямой передачи.

Декодирование сигнала

Мы вводим четыре схемы для декодирования сигнала в узле назначения: прямая схема, некооперативная схема, кооперативная схема и адаптивная схема. За исключением прямой схемы, узел назначения использует ретранслируемый сигнал во всех других схемах.

Прямая схема

В прямой схеме адресат декодирует данные, используя сигнал, полученный от исходного узла на первой фазе, где вторая фаза передачи опускается, так что ретрансляционный узел не участвует в передаче. Сигнал декодирования, полученный от исходного узла, записывается как:

{ displaystyle r_ {d, s} = h_ {d, s} x_ {s} + n_ {d, s} quad}

Хотя преимуществом прямой схемы является ее простота с точки зрения обработки декодирования, мощность принятого сигнала может быть очень низкой, если расстояние между исходным узлом и целевым узлом велико. Таким образом, ниже мы рассматриваем некооперативную схему, которая использует ретрансляцию сигнала для улучшения качества сигнала.

Схема без сотрудничества

В некооперативной схеме адресат декодирует данные, используя сигнал, полученный от ретранслятора во второй фазе, что приводит к усилению увеличения мощности сигнала. Сигнал, полученный от узла ретрансляции, который повторно передает сигнал, полученный от узла-источника, записывается как:

{ Displaystyle r_ {d, r} = h_ {d, r} r_ {r, s} + n_ {d, r} = h_ {d, r} h_ {r, s} x_ {s} + h_ {d , r} n_ {r, s} + n_ {d, r} quad}

куда ${ displaystyle h_ {d, r}}$ канал от ретранслятора до узлов назначения и ${ displaystyle n_ {r, s}}$ шумовой сигнал добавляется к ${ displaystyle h_ {d, r}}$ .

Надежность декодирования может быть низкой, поскольку степень свободы не увеличивается за счет ретрансляции сигнала. Нет увеличения порядка разнесения, поскольку эта схема использует только ретранслируемый сигнал, а прямой сигнал от узла источника либо недоступен, либо не учитывается. Когда мы можем воспользоваться таким сигналом и увеличить порядок разнесения. Таким образом, ниже мы рассматриваем кооперативную схему, которая декодирует комбинированный сигнал как прямого, так и ретранслируемого сигналов.

Кооперативная схема

Для совместного декодирования узел назначения объединяет два сигнала, полученных от узлов источника и ретранслятора, что приводит к преимуществу разнесения. Весь вектор принятого сигнала в узле назначения можно смоделировать как:

{ displaystyle mathbf {r} = [r_ {d, s} quad r_ {d, r}] ^ {T} = [h_ {d, s} quad h_ {d, r} h_ {r, s }] ^ {T} x_ {s} + left [1 quad { sqrt {| h_ {d, r} | ^ {2} +1}} right] ^ {T} n_ {d} = mathbf {h} x_ {s} + mathbf {q} n_ {d}}

куда ${ displaystyle r_ {d, s}}$ и ${ displaystyle r_ {d, r}}$ - это сигналы, полученные в узле назначения от узлов источника и ретранслятора соответственно. В качестве метода линейного декодирования пункт назначения объединяет элементы вектора принятого сигнала следующим образом:

{ displaystyle y = mathbf {w} ^ {H} mathbf {r}}

куда ${ displaystyle mathbf {w}}$ - это весовой коэффициент линейного комбинирования, который может быть получен для максимизации отношения сигнал / шум (SNR) объединенных сигналов с учетом заданного уровня сложности вычисления весовых коэффициентов.

Адаптивная схема

Адаптивная схема выбирает один из трех описанных выше режимов: прямая, некооперативная и кооперативная схемы, основанные на сети. информация о состоянии канала и другие параметры сети.

Компромисс

Следует отметить, что совместное разнесение может увеличить выигрыш от разнесения за счет потери беспроводного ресурса, такого как ресурсы частоты, времени и мощности для фазы ретрансляции. Ресурсы беспроводной связи расходуются впустую, поскольку узел ретрансляции использует ресурсы беспроводной связи для ретрансляции сигнала от источника к узлу назначения. Следовательно, важно отметить, что существует компромисс между выигрышем от разнесения и потерей ресурсов спектра при совместном разнесении.

Емкость канала кооперативного разнообразия

В июне 2005 г. А. Хёст-Мадсен опубликовал статью с подробным анализом пропускная способность канала кооперативной релейной сети.^[6]

Мы предполагаем, что канал от узла источника к узлу ретрансляции, от узла источника к узлу назначения и от узла ретрансляции к узлу назначения ${ displaystyle c_ {21} e ^ {j varphi _ {21}}, c_ {31} e ^ {j varphi _ {31}}, c_ {32} e ^ {j varphi _ {32}} }$ где исходный узел, ретрансляционный узел и целевой узел впоследствии обозначаются как узел 1, узел 2 и узел 3.

Емкость кооперативных релейных каналов

С использованием теорема о максимальном потоке и минимальном отсечении дает верхнюю границу полнодуплексной ретрансляции

{ displaystyle C ^ {+} = max _ {е (X_ {1}, X_ {2})} min {I (X_ {1}; Y_ {2}, Y_ {3} | X_ {2) }), I (X_ {1}, X_ {2}; Y_ {3}) }}

куда ${ displaystyle X_ {1}}$ и ${ displaystyle X_ {2}}$ передают информацию в исходном узле и ретрансляционном узле соответственно и ${ displaystyle Y_ {2}}$ и ${ displaystyle Y_ {3}}$ получают информацию в узле ретрансляции и узле назначения соответственно. Обратите внимание, что теорема о максимальном расходе и минимальном отсечении утверждает, что максимальный поток равен пропускной способности минимального отсечения, то есть продиктован его узким местом. Емкость вещательного канала от ${ displaystyle X_ {1}}$ к ${ displaystyle Y_ {2}}$ и ${ displaystyle Y_ {3}}$ с учетом ${ displaystyle X_ {2}}$ является

{ displaystyle max _ {е (X_ {1}, X_ {2})} I (X_ {1}; Y_ {2}, Y_ {3} | X_ {2}) = { frac {1} { 2}} log (1+ (1- beta) (c_ {21} ^ {2} + c_ {31} ^ {2}) P_ {1})}

а пропускная способность канала множественного доступа от ${ displaystyle X_ {1}}$ и ${ displaystyle X_ {2}}$ к ${ displaystyle Y_ {3}}$ является

{ displaystyle max _ {е (X_ {1}, X_ {2})} I (X_ {2}, X_ {2}; Y_ {3}) = { frac {1} {2}} log (1 + c_ {31} ^ {2} P_ {1} + c_ {32} ^ {2} P_ {2} +2 { sqrt { beta c_ {31} ^ {2} c_ {32} ^ { 2} P_ {1} P_ {2}}})}

куда ${ displaystyle beta}$ степень корреляции между ${ displaystyle X_ {1}}$ и ${ displaystyle X_ {2}}$ . Обратите внимание, что ${ displaystyle X_ {2}}$ копирует некоторую часть ${ displaystyle X_ {1}}$ для возможности совместной ретрансляции. Использование возможности совместной ретрансляции в узле ретрансляции улучшает производительность приема в узле назначения. Таким образом, верхняя граница переписывается как

{ displaystyle C ^ {+} = max _ {0 leq beta leq 1} min left {{ frac {1} {2}} log (1+ (1- beta) ( c_ {21} ^ {2} + c_ {31} ^ {2}) P_ {1}), { frac {1} {2}} log (1 + c_ {31} ^ {2} P_ {1 } + c_ {32} ^ {2} P_ {2} +2 { sqrt { beta c_ {31} ^ {2} c_ {32} ^ {2} P_ {1} P_ {2}}}) верно}}

Достижимая скорость ретрансляции с прямым декодированием

Использование реле, которое декодирует и пересылает захваченный сигнал, дает достижимую скорость следующим образом:

{ displaystyle R_ {1} = max _ {f (X_ {1}, X_ {2})} min {I (X_ {1}; Y_ {2} | X_ {2}), I (X_ {1}, X_ {2}; Y_ {3}) }}

где широковещательный канал сокращен до двухточечного канала из-за декодирования в узле ретрансляции, т. е. ${ Displaystyle I (X_ {1}; Y_ {2}, Y_ {3} | X_ {2})}$ сводится к ${ Displaystyle I (X_ {1}; Y_ {2} | X_ {2})}$ . Пропускная способность сокращенного вещательного канала составляет

{ displaystyle max _ {е (X_ {1}, X_ {2})} I (X_ {1}; Y_ {2} | X_ {2}) = { frac {1} {2}} log (1+ (1- beta) c_ {21} ^ {2} P_ {1}).}

Таким образом, достижимая скорость переписывается как

{ Displaystyle R_ {1} = max _ {0 leq beta leq 1} min left {{ frac {1} {2}} log (1+ (1- beta) c_ { 21} ^ {2} P_ {1}), { frac {1} {2}} log (1 + c_ {31} ^ {2} P_ {1} + c_ {32} ^ {2} P_ { 2} +2 { sqrt { beta c_ {31} ^ {2} c_ {32} ^ {2} P_ {1} P_ {2}}}) right }}

Реле времени с разделением по времени

Пропускная способность релейного канала TD ограничена сверху величиной

{ displaystyle C ^ {+} = max _ {0 leq beta leq 1} min {C_ {1} ^ {+} ( beta), C_ {2} ^ {+} ( beta ) }}

с

{ displaystyle C_ {1} ^ {+} ( beta) = { frac { alpha} {2}} log left (1+ (c_ {31} ^ {2} + c_ {21} ^ { 2}) P_ {1} ^ {(1)} right) + { frac {1- alpha} {2}} log left (1+ (1- beta) c_ {31} ^ {2 } P_ {1} ^ {(2)} right)}

{ displaystyle C_ {2} ^ {+} ( beta) = { frac { alpha} {2}} log left (1 + c_ {31} ^ {2} P_ {1} ^ {(1 )} right) + { frac {1- alpha} {2}} log left (1 + c_ {31} ^ {2} P_ {1} ^ {(2)} + c_ {32} ^ {2} P_ {2} +2 { sqrt { beta C_ {31} ^ {2} P_ {1} ^ {(2)} C_ {32} ^ {2} P_ {2}}} right) }

Приложения

В когнитивное радио системы, нелицензированные вторичные пользователи могут использовать ресурсы, лицензированные для первичных пользователей. Когда основные пользователи хотят использовать свои лицензированные ресурсы, вторичные пользователи должны освободить эти ресурсы. Следовательно, вторичные пользователи должны постоянно определять канал для обнаружения присутствия первичного пользователя. Очень сложно ощутить активность пространственно распределенных основных пользователей в беспроводном канале. Пространственно распределенные узлы могут повысить надежность обнаружения каналов за счет обмена информацией и снижения вероятности ложных тревог.

А беспроводная специальная сеть это автономная и самоорганизующаяся сеть без какого-либо централизованного контроллера или заранее установленной инфраструктуры. В этой сети случайно распределенные узлы образуют временную функциональную сеть и поддерживают плавный выход или присоединение узлов. Такие сети были успешно развернуты для военной связи и имеют большой потенциал для гражданских приложений, включая коммерческое и образовательное использование, управление стихийными бедствиями, сеть дорожных транспортных средств и т. Д.^[7]

А беспроводная сенсорная сеть может использовать кооперативную ретрансляцию для снижения потребления энергии в узлах датчиков, что увеличивает срок службы сенсорной сети. Из-за природы беспроводной среды связь по более слабым каналам требует огромной энергии по сравнению с относительно более сильными каналами. Тщательное включение взаимодействия ретранслятора в процесс маршрутизации может выбрать лучшие каналы связи и сэкономить драгоценную энергию батареи.

Смотрите также

Системы

3GPP долгосрочная эволюция (LTE) координированная многоточечная передача / прием (CoMP), что позволяет увеличить скорость передачи данных на мобильный телефон и обратно, расположенный в зоне перекрытия нескольких базовых станций.
5G
Ячеистая сеть
Мобильная специальная сеть (MANet)
Беспроводная ячеистая сеть
Беспроводная специальная сеть