Кооперативное разнообразие

Кооперативное разнесение — это кооперативный метод множественных антенн для улучшения или максимизации общей пропускной способности канала сети для любого заданного набора полос пропускания, который использует разнесение пользователей путем декодирования объединенного сигнала ретранслируемого сигнала и прямого сигнала в беспроводных многоскачковых сетях. Обычная система с одним скачком использует прямую передачу, где 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. Следовательно, можно видеть, что кооперативное разнесение — это разнесение антенн , которое использует распределенные антенны, принадлежащие каждому узлу в беспроводной сети. ^[1] Обратите внимание, что сотрудничество пользователей — это еще одно определение кооперативного разнесения. Сотрудничество пользователей ^[2] учитывает дополнительный факт, что каждый пользователь ретранслирует сигнал другого пользователя, в то время как кооперативное разнесение может быть также достигнуто с помощью многоскачковых ретрансляционных сетевых систем.

Метод кооперативного разнесения представляет собой разновидность многопользовательской технологии MIMO.

Стратегии ретрансляции

Простейшая кооперативная ретрансляционная сеть состоит из трех узлов, а именно источника, назначения и третьего узла, поддерживающего прямую связь между источником и назначением, обозначенного как ретранслятор. Если прямая передача сообщения от источника к назначению не (полностью) успешна, подслушанная информация от источника пересылается ретранслятором к назначению по другому пути. Поскольку два сообщения прошли по разным путям и происходят одно за другим, этот пример реализует концепцию пространственного и временного разнообразия . ^[3]

Стратегии ретрансляции можно дополнительно разделить на стратегии усиления и пересылки, декодирования и пересылки и сжатия и пересылки: ^[4]

• Стратегия усиления и пересылки позволяет ретрансляционной станции усиливать полученный сигнал от исходного узла и пересылать его на станцию ​​назначения.
• Ретрансляторы, следующие стратегии декодирования и пересылки, прослушивают передачи от источника, декодируют их и в случае правильного декодирования пересылают их в пункт назначения. Всякий раз, когда в прослушиваемой передаче есть неисправимые ошибки, ретранслятор не может участвовать в кооперативной передаче.
• Стратегия сжатия и пересылки позволяет ретрансляционной станции сжимать полученный сигнал от исходного узла и пересылать его в пункт назначения без декодирования сигнала, где для оптимального сжатия можно использовать кодирование Винера-Зива . ^[5]

Топология релейной передачи

Последовательная релейная передача используется для связи на большие расстояния и расширения диапазона в теневых регионах. Она обеспечивает усиление мощности. В этой топологии сигналы распространяются от одного реле к другому, а каналы соседних переходов ортогональны, чтобы избежать помех.

Параллельная ретрансляционная передача может использоваться там, где последовательная ретрансляционная передача страдает от многолучевого замирания . Для распространения вне помещений и вне зоны прямой видимости длина волны сигнала может быть большой, и установка нескольких антенн невозможна. Для повышения устойчивости к многолучевому замиранию может использоваться параллельная ретрансляционная передача. В этой топологии сигналы распространяются через несколько ретрансляционных путей в одном и том же скачке, а пункт назначения объединяет полученные сигналы с помощью различных схем объединения. Это обеспечивает усиление мощности и разнесение одновременно.

Модель системы

Мы рассматриваем беспроводную релейную систему, состоящую из исходного, релейного и конечного узлов. Предполагается, что канал находится в полудуплексном, ортогональном и усиливающем и передающем режиме ретрансляции. В отличие от обычной прямой системы передачи, мы используем функцию ретрансляции с временным разделением, где эта система может доставлять информацию с двумя временными фазами.

На первом этапе узел-источник транслирует информацию как в направлении узла назначения, так и в направлении узлов-ретрансляторов. Полученный сигнал в узлах назначения и ретрансляторах соответственно записывается как: ${\displaystyle x_{s}}$

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

${\displaystyle r_{r,s}=h_{r,s}x_{s}+n_{r,s}\quad }$

где — канал от источника до узлов назначения, — канал от источника до узла ретрансляции, — шумовой сигнал, добавленный к , — шумовой сигнал , добавленный к . ${\displaystyle h_{d,s}}$ ${\displaystyle h_{r,s}}$ ${\displaystyle n_{r,s}}$ ${\displaystyle h_{r,s}}$ ${\displaystyle n_{d,s}}$ ${\displaystyle h_{d,s}}$

На втором этапе реле может передавать полученный сигнал в узел назначения, за исключением режима прямой передачи.

Декодирование сигнала

Мы вводим четыре схемы для декодирования сигнала в узле назначения, которые являются прямой схемой, некооперативной схемой, кооперативной схемой и адаптивной схемой. За исключением прямой схемы, узел назначения использует ретранслируемый сигнал во всех других схемах.

Прямая схема

В прямой схеме получатель декодирует данные, используя сигнал, полученный от исходного узла на первой фазе, где передача на второй фазе опускается, так что узел-ретранслятор не участвует в передаче. Декодирующий сигнал, полученный от исходного узла, записывается как:

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

Хотя преимущество прямой схемы заключается в ее простоте с точки зрения обработки декодирования, мощность принимаемого сигнала может быть существенно низкой, если расстояние между исходным узлом и узлом назначения велико. Таким образом, далее мы рассмотрим некооперативную схему, которая использует ретрансляцию сигнала для улучшения качества сигнала.

Некооперативная схема

В некооперативной схеме пункт назначения декодирует данные, используя сигнал, полученный от ретранслятора на второй фазе, что приводит к усилению мощности сигнала. Сигнал, полученный от ретрансляционного узла, который ретранслирует сигнал, полученный от исходного узла, записывается как:

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

где — канал от реле до узлов назначения, а — шумовой сигнал, добавленный к . ${\displaystyle h_{d,r}}$ ${\displaystyle n_{r,s}}$ ${\displaystyle h_{d,r}}$

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 исходного узла либо недоступен, либо не учитывается. Когда мы можем воспользоваться таким сигналом, и происходит увеличение порядка разнесения. Таким образом, далее мы рассмотрим кооперативную схему, которая декодирует объединенный сигнал как прямого, так и ретранслируемого сигналов.

Кооперативная схема

Для кооперативного декодирования узел назначения объединяет два сигнала, полученных от исходного и ретрансляционного узлов, что приводит к преимуществу разнесения. Весь вектор принятого сигнала в узле назначения можно смоделировать следующим образом:

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

где и — сигналы, полученные в узле назначения от исходного и ретрансляционного узлов соответственно. В качестве линейного метода декодирования пункт назначения объединяет элементы вектора полученного сигнала следующим образом: ${\displaystyle r_{d,s}}$ ${\displaystyle r_{d,r}}$

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

где — линейный объединяющий вес, который можно получить для максимизации отношения сигнал/шум (SNR) объединенных сигналов с учетом уровня сложности расчета веса. ${\displaystyle \mathbf {w} }$

Адаптивная схема

Адаптивная схема выбирает один из трех режимов, описанных выше: прямой, некооперативный и кооперативный, полагаясь на информацию о состоянии сетевого канала и другие параметры сети.

Компромисс

Примечательно, что кооперативное разнесение может увеличить выигрыш от разнесения за счет потери беспроводных ресурсов, таких как частота, время и ресурсы мощности для фазы ретрансляции. Беспроводные ресурсы тратятся впустую, поскольку узел ретрансляции использует беспроводные ресурсы для ретрансляции сигнала от источника к узлу назначения. Следовательно, важно отметить, что существует компромисс между выигрышем от разнесения и потерей ресурса спектра в кооперативном разнесении.

Пропускная способность канала кооперативного разнообразия

В июне 2005 года А. Хёст-Мадсен опубликовал статью, в которой подробно анализировал пропускную способность каналов кооперативной ретрансляционной сети. ^[6]

Мы предполагаем, что канал от исходного узла до ретрансляционного узла, от исходного узла до конечного узла и от ретрансляционного узла до конечного узла — это канал, где исходный узел, ретрансляционный узел и конечный узел обозначаются последовательно как узел 1, узел 2 и узел 3. ${\displaystyle c_{21}e^{j\varphi _{21}},c_{31}e^{j\varphi _{31}},c_{32}e^{j\varphi _{32}}}$

Пропускная способность каналов кооперативной ретрансляции

Используя теорему о максимальном потоке и минимальном разрезе, получаем верхнюю границу полнодуплексной ретрансляции

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

где и являются передаваемой информацией в исходном узле и узле ретрансляции соответственно, а и являются полученной информацией в узле ретрансляции и узле назначения соответственно. Обратите внимание, что теорема о максимальном потоке и минимальном разрезе гласит, что максимальный объем потока равен пропускной способности минимального разреза, т.е. диктуется его узким местом. Пропускная способность канала вещания от до и с заданным равна ${\displaystyle X_{1}}$ ${\displaystyle X_{2}}$ ${\displaystyle Y_{2}}$ ${\displaystyle Y_{3}}$ ${\displaystyle X_{1}}$ ${\displaystyle Y_{2}}$ ${\displaystyle Y_{3}}$ ${\displaystyle X_{2}}$

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

в то время как пропускная способность канала множественного доступа от и до составляет ${\displaystyle X_{1}}$ ${\displaystyle X_{2}}$ ${\displaystyle Y_{3}}$

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

где — это величина корреляции между и . Обратите внимание, что копирует некоторую часть для возможности кооперативной ретрансляции. Использование возможности кооперативной ретрансляции на узле ретрансляции улучшает производительность приема на узле назначения. Таким образом, верхняя граница переписывается как ${\displaystyle \beta }$ ${\displaystyle X_{1}}$ ${\displaystyle X_{2}}$ ${\displaystyle X_{2}}$ ${\displaystyle X_{1}}$

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

Достижимая скорость декодирования и пересылки реле

Использование реле, которое декодирует и пересылает захваченный сигнал, обеспечивает следующую достижимую скорость:

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

где канал вещания сводится к каналу точка-точка из-за декодирования на ретрансляционном узле, т.е. сводится к . Пропускная способность сокращенного канала вещания составляет ${\displaystyle I(X_{1};Y_{2},Y_{3}|X_{2})}$ ${\displaystyle I(X_{1};Y_{2}|X_{2})}$

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

Таким образом, достижимая скорость переписывается как

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

Ретрансляция с разделением времени

Пропускная способность канала ретрансляции ТД ограничена сверху

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

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 системе когнитивного радио нелицензированные вторичные пользователи могут использовать ресурсы, лицензированные для первичных пользователей. Когда первичные пользователи хотят использовать свои лицензированные ресурсы, вторичные пользователи должны освободить эти ресурсы. Следовательно, вторичные пользователи должны постоянно зондировать канал для обнаружения присутствия первичного пользователя. Очень сложно обнаружить активность пространственно распределенных первичных пользователей в беспроводном канале. Пространственно распределенные узлы могут повысить надежность зондирования канала, разделяя информацию и снижая вероятность ложной тревоги.

Беспроводная сеть ad hoc — это автономная и самоорганизующаяся сеть без какого-либо централизованного контроллера или предустановленной инфраструктуры. В этой сети случайно распределенные узлы образуют временную функциональную сеть и поддерживают бесшовное отключение 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, дорожную транспортную сеть и т. д. ^[7]

Беспроводная сенсорная сеть может использовать кооперативную ретрансляцию для снижения потребления энергии в сенсорных узлах, следовательно, срок службы сенсорной сети увеличивается. Из-за природы беспроводной среды, связь через более слабые каналы требует огромной энергии по сравнению с относительно более сильными каналами. Тщательное включение ретрансляционной кооперации в процесс маршрутизации может выбирать лучшие каналы связи и может быть сэкономлена драгоценная энергия батареи.

Смотрите также

Системы

• Технология долгосрочного развития 3GPP (LTE) обеспечивает скоординированную многоточечную передачу/прием (CoMP), что позволяет увеличить скорость передачи данных на мобильный телефон и с него, находящийся в зоне пересечения нескольких базовых станций.
• 5G
• Ячеистая сеть
• Мобильная сеть ad hoc (MANet)
• Беспроводная ячеистая сеть
• Беспроводная сеть ad hoc

Технологии

• Совместная беспроводная связь
• Кооперативный MIMO
• Схемы разнообразия
• Динамические одночастотные сети (DSFN)
• Мягкая передача
• Пространственно-временной код
• Связь с несколькими входами и несколькими выходами (MIMO)
• Многопользовательский MIMO
• Разнообразие, объединяющее
• Разнообразие передачи
• Увеличение разнообразия

Ссылки

1. JN Laneman; DNC Tse; GW Wornell (2004). «Кооперативное разнообразие в беспроводных сетях: эффективные протоколы и поведение при сбоях» (PDF) . IEEE Transactions on Information Theory . 50 (12): 3062–3080. doi :10.1109/TIT.2004.838089. S2CID  11053095.
2. A. Sendonaris; E. Erkip; B. Aazhang (2003). «Разнообразие сотрудничества пользователей. Часть I. Описание системы». IEEE Transactions on Communications . 51 (11): 1927–1938. CiteSeerX 10.1.1.11.7396 . doi :10.1109/TCOMM.2003.818096. 
3. В. Эльменрайх; Н. Марченко; Х. Адам; К. Хофбауэр; Г. Бранднер; К. Беттстеттер; М. Хьюмер (2008). «Строительные блоки совместной ретрансляции в беспроводных системах» (PDF) . Электротехника и информационная техника . 125 (10): 353–359. CiteSeerX 10.1.1.302.8601 . дои : 10.1007/s00502-008-0571-7. S2CID  14232813. 
4. Стефан Бергер. «Когерентная кооперативная ретрансляция в беспроводных многопользовательских сетях с низкой мобильностью». 2010. стр. 4-5.
5. S. Simoens; O. Muñoz; J. Vidal; A. Del. Coso (2010). "Комплексная ретрансляция MIMO со сжатием и пересылкой с полной информацией о состоянии канала" (PDF) . IEEE Transactions on Signal Processing . 58 (2): 781. doi :10.1109/TSP.2009.2030622. hdl : 2117/8075 . S2CID  14381688.
6. A. Høst-Madsen; J. Zhang (июнь 2005 г.). «Границы емкости и распределение мощности для беспроводного релейного канала» (PDF) . IEEE Trans. Inf. Theory . 51 (6): 2020–2040. doi :10.1109/TIT.2005.847703. S2CID  337567.
7. М. Эрикссон, А. Махмуд, «Динамические одночастотные сети в беспроводных многосетевых сетях — алгоритмы маршрутизации с учетом энергопотребления и анализом производительности» ^{[ постоянная неработающая ссылка ]} , 2010 IEEE Международная конференция по компьютерным и информационным технологиям, CIT'10, Брэдфорд, Великобритания, июнь 2010 г.