单AF、DF协作通信

摘要

协作通信思想通过用户间彼此共享天线，互为通信中继，实现虚拟发射分集，从而为MIMO的实用提供了一个可行的思路。协作通信的核心问题是中继节点的协作协议。有两种最基本的中继协作方式放大转发（AF）与解码重传（DF），其它各种协作协议的研究，几乎均是建立在这两个固定中继协议之上。本文通过MATLAB仿真，来验证协作对通信的改善，并分析不同信道情况下的AF与DF表现，研究二者的实际性能与所面临的主要问题。

关键字： 协作通信 固定中继 放大转发AF

任务与要求 任务：本项题目旨在研究多中继环境下采用固定中继的协作系统在采用不同中继结构时的系统性能增益，分析BER及分集增益并通过仿真验证理论分析的正确性。

要求：1）在学习中继系统的基础上，了解实际系统中所采用的不同的中继结构。

2）使用MATLAB工具建立搭建采用不同中继协议下的固定中继通信系统（可以采用简单的调制方式），通过信号发射与接收来验证中继选择的性能。

ABSTRACT

Cooperative communication provides a feasible way of realizing MIMO. It achieves this by sharing antenna and regarding each other as communication relay between users, so as to implement dummy launch diversity. The core problem of cooperative communication is the cooperative protocols for relay node. There are two basic relay cooperative ways, which are Amplify-and-Forward (AF) and Decode-and-Forward (DF). Other researches in cooperative protocols are all based on the two fixed relay protocols. This thesis validates the improvement in communication by stimulating MATLAB. It also analyzes the performance about AF and DF in different channels, so as to study the actual performance and the main problems of the two methods.

Keywords: Cooperative Communication Fixed Relaying AF DF 目录

第一章 绪论 1

1.1 MIMO及协作通信产生背景 1 1.2 本文的主要内容及组织结构 2 第二章 协作通信技术基础及其实现 5 2.1 MIMO技术概述 5 2.1.1 MIMO系统原理 6

2.1.2 MIMO研究现状及其局限性 7 2.2 协作通信系统概述 8

2.2.1 协作通信系统模型 9 2.2.2 协作中继方式 10 2.3 分集技术 10 2.3.1 分集方式 12 2.3.2 显分集合并方式 14 2.3.3 分集增益 16

第三章 AF与DF原理及性能 17 3.1 放大转发模式（AF） 17 3.1.1 AF模式基本原理及性能 17 3.1.2 单中继AF协作通信过程 18 3.2 解码重传模式（DF） 19 3.2.1 DF模式基本原理及性能 19 3.2.2 单中继DF协作通信过程 20 3.3 理论误码率性能 21

第四章 系统性能仿真 23

4.1 程序流程、结构及变量说明 23 4.2 程序模块实现说明 25 4.2.1 信道模型 25 4.2.2 MRC实现 26 4.2.3 BER实现 27 4.2.4 AF实现 28 4.2.5 DF实现 29 4.3 仿真结果分析 31 第五章 总结 35 致谢 36 参考文献 37 绪论

1.1 MIMO及协作通信产生背景 1.2 本文的主要内容及组织结构

本文旨在研究多中继环境下采用固定中继的协作系统在采用不同中继结构时的系统性能，通过对AF模式和DF模式进行MATLAB仿真，分析其BER及分集增益验证协作通信在恶劣环境中的有效性和高效性。

全文共分五章，后续章节安排如下：

第二章，概述MIMO及协作通信系统，简要介绍协作通信的技术基础——协作通信的中继方式以及分集技术的相关概念。

第三章，详细介绍两种最基本也是本文所采用AF与DF的协作协议的原理和其通信过程，以及它们的理论误码率。

第四章，详细讲述仿真实现过程及结果分析。

第五章，是对全文的总结，以及对在工作中所遇到的问题的思考与解决。

协作通信技术基础及其实现 2.1 MIMO技术概述 2.1.1 MIMO系统原理

图2.1.1 MIMO系统原理图

2.1.2 MIMO研究现状及其局限性 2.2 协作通信系统概述 2.2.1 协作通信系统模型

根据无线网络中是否存在空闲节点资源，可以建立两种不同的协作通信模型：如图2.2所示，当系统中存在空闲节点资源时，空闲节点可相应充当转发节点；当系统中不存在空闲节点资源时，可采用图2.3所示的协作通信系统模型（本文中，S代表源节点Source，R代表中继节点Relay，D代表目的节点Destination）。协作通信的整个数据传输分为两个部分：第1阶段，接入用户作为源以广播的方式发送数据，中继用户和目的地均接收其数据；第2阶段，中级用户为接入用户按约定的协议转发数据，目的地将这两个阶段接收到的数据按某种方式合并。

图2.2 有空闲节点资源的协作通信系统模型

图2.3 无空闲节点资源的协作通信系统模型

该系统中，一方面信源节点会浪费部分资源(包括带宽、发射功率等)以用于节点间相互转发信息，因而造成有效通信数据流量的下降；另一方面协作通信系统产生的协作通信增益会使系统中的有效通信数据流量增加，当由协作通信产生的正面效应大于负面效应时，系统便会相应获得性能增益。

当然，协作通信并不局限于两个用户之间，可以是多用户之间的相互协作，即一个用户可以同时拥有多个合作伙伴，协作分集以多个用户共享天线或其他网络资源的形式构造虚拟阵列，利用分布式传输和信号处理获得分集增益。因此，协作通信不局限于蜂窝系统，同样适用于无线Ad hoc网络，无线局域网以及无线传感器网络等多种应用环境，今后还有可能将这些网络结合起来，形成一种全新的智能网络，引起移动通信领域的重大变革。

2.2.2 协作中继方式

协作通信协议可分为固定中继和自适应中继两种。在固定中继方案中，信道资源是以固定的或确定的方式在源节点和中继之间进行分配的。固定中继协作通信策略包括放大转发（Amplify-and-Forward，AF）和解码转发（Decode-and-Forward，DF）两种基本协议。AF策略中，中继仅仅将收到的信号进行衡量并且将其放大传输到目的地；在DF策略中，中继对收到的信号进行解码并重新编码，然后再将其发送到接收器。 在此基础上，产生了两种自适应的选择中继（Selection-Relaying，SR）和增强中继（Incremental Relay，IR）。选择中继模式时，当信源节点与中继节点间的信道条件较好时，中继节点便转发其从信源节点所接收到的信息至接收端；否则，中继节点不转发其从信源节点所接收到的信息，此时系统等同于非协作通信系统。增强中继模式时，类似于ARQ协议，中继节点对

源信号解码，并反馈解码判决信息给源节点，告知源节点译码是否正确，然后由源节点决定是否继续进行协作。这种对是否协作的选择，形成了自适应中继。

随着对协作通信研究的深入，各种中继协议不断被提出，本文主要旨在采用AF和DF来论证协作通信的性能，对此不再深入讨论。

2.3 分集技术

图2.4 传统分集技术直观理解图 2.3.1 分集方式

2.3.2 显分集合并方式

本文中的仿真，在目的节点使用MRC策略对直传信号和中继信号进行合并处理。

图2.5 三种合并方式的性能比较

2.3.3 分集增益

分集性能指采用分集技术与不采用分集技术两者相比，对减轻深衰落影响所得到的效果。为了定量的衡量分集的改善程度，常用分集增益和分集改善度这两个指标来描述。本文中，采用分集增益来表征协作分集的性能。 分集增益（diversity gain），在所查找的资料中，对分集增益的概念一般比较含糊：有的指分集增益等同于分集阶数（diversity order），即在传输过程中所能提供的最大的同一信号独立副本的数目；有的指分集增益的本质是提高SINR，量化为提高几个db，某种程度上与分集阶数有关；还有很多概念——功率增益、阵列增益、自由度增益、复用增益等N多增益。本文的理解，增益，即增加收获、增加益处，通常用两个参量（其数值能确定一个系统的特征或行为的一组物理性质中的任何一个性质）的比较来表征。对于分集增益，采用误码率的斜率的观点：

G=-(lim)┬(SNR→∞)?〖lg?〖P_e〗/lg?SNR〗式(2-3-1)

其中P_e为系统误码率。可见，分集增益是采用相关的发射分集和接收分集时所获得的SNR曲线斜率的增加。分集阶数（收发天线数）越高，斜率越大，分集增益越大。分集增益在高信噪比下对系统性能的提高尤为重要。因为在高信噪比时分集增益近似为误码率曲线的斜率。所以，本文中，采用直观观察误码率曲线斜率的方法来定性分析系统的实际分集增益。 那么，分集是如何带来增益的呢？举例来讲，对于同一个信号，分别从两个天线发送出去，这个时候，如果两条链路信道状态是独立同分布的，那么其各链路的接收SINR也是近似相同。这样，经过接收合并，其SINR接近于单链路的2倍。可以直观上的理解，在接收端接收到的有用信号强度变为单链路时的2倍，但噪声可不一定是原先噪声的2倍，视噪声分布情况将会有不同程度的抵消作用，只会小于2倍，那么此时合并后的信噪比将大于单链路时的信噪比了。这个大出来的部分就是分集得到的增益。 AF与DF原理及性能

无线通信系统利用协作传输技术，在接收节点通过合并来自多条独立衰落信道的数据样本，可以有效地抵抗信道衰落的影响，获取分集增益，提高系统的传输可靠性。目前，已经有许多协作传输协议被相继提出。其中，从协作中继节点的转发方式上区分，主要有两大类：放

大转发（Amplify-and-Forward，AF）和译码重传（Decode-and-Forward，DF）。在此基础上，对这两类协作传输协议进行优化，提出了具有协作中继节点选择能力的协作传输协议、采用有效编码技术（空时编码、协作编码等）的协作传输协议以及增加有限反馈（增量中继等）的协作传输协议。本文旨在验证协作通信理论对系统性能的改善，故仅对最基础的AF与DF模式进行分析、仿真，对于其他协作协议，不作深入讨论。

3.1 放大转发模式（AF）

3.1.1 AF模式基本原理及性能

放大转发模式（Amplify-and-Forward，AF），有文献中也称为前向放大、非再生中继。在AF协议下，中继采用模拟处理，不对接收的信号进行解调和解码，而是直接对接收到的带有噪声的信号进行放大，然后发送给接收端。图3.1所示为单中继AF协议的原理及其基本过程。

图3.1 单中继AF协作通信原理

AF模式是最简单的一种中继方式，相比于直传方式，AF协作通信总能带来一定的信噪比增益，但是由于中继节点除了转发源节点的有用信息外，引入的噪声也同样被放大转发，因此，当源节点与中继节点之间的链路信道条件较差时，信号几乎淹没在噪声之中，因而转发的大部分为噪声，从而会降低目的节点的接收性能。

3.1.2 单中继AF协作通信过程 1．源端广播过程

源节点S以广播的方式向周围发送信号x_s（在程序中表示为x_s），其中一路直接发送到目的节点D，一路发送到中继节点R。经过信道后，则 中继节点R接收到的信号为y_(s,r)（程序中表示为y_sr）：

y_(s,r)=√(P_s ) 〖h_(s,r) x〗_s+n_(s,r) 式(3-1-1) 目的节点D接收到的信号为y_(s,d)（程序中表示为y_sd）：

y_(s,d)=√(P_s ) 〖h_(s,d) x〗_s+n_(s,d ) 式(3-1-2)

其中，P_s源发送的信号的功率为，n_(s,r)为源节点与中继节点间信道噪声。 2．中继端放大转发过程

中继节点R直接将收到的来自源节点S的信号y_(s,r)以系数β进行功率放大，然后转发给目的节点D（基站）。AF方式可以看成是具有两个发射端的重复码，唯一不同的是中继节点将自身接收到的噪声信号也放大并发送到目的节点。目的节点通过合并两路信号，对源节点的发送信号进行估计。

为保证中继节点功率受限，放大系数β应满足：

β=√(P_s/(〖P_s |h_(s,r) |〗^2+N_0 )) 式(3-1-3)

可见β取决于信道的衰落系数h_(s,r)、源发送的信号的功率P_s和噪声功率N_0。 那么，中继放大后的信号为y_AF（程序中表示为x_AF）： y_AF=βy_(s,r) 式(3-1-4)

目的节点接收的来自中继的信号为y_(r,d)（程序中表示为y_rd）： 〖y_(r,d)=√(P_r ) h_(r,d) y〗_AF+n_(r,d) 式(3-1-5) 其中P_r为中继节点发送的信号的功率。 3．目的端接收处理

目的节点将接收到的来自源节点的直传信号y_(s,d)和来自中继节点的信号y_(r,d)，按照MRC方案进行合并，得到信号y（程序中表示为y_combine_AF）：

y=a_1 y_(s,d)+a_2 y_(r,d) 式(3-1-6)

其中a_1、a_2分别为目的节点接收到的来自源、来自中继的信号的加权系数，为： a_1=(√(P_s ) h_(s,d)^*)/N_0 式(3-1-7)

a_2=(β√(P_r ) h_(s,r)^* h_(r,d)^*)/((β^2 |h_(r,d) |^2+1)N_0 ) 式(3-1-8)

式中，P_s和P_r分别为协作情况下源节点和中继节点的发送功率，h_(s,d)^*、h_(s,r)^*和h_(r,d)^*分别为源节点与目的节点、源节点与中继节点、中继节点与目的节点之间的瑞利衰落信道系数的复共轭，N_0为噪声功率。

3.2 解码重传模式（DF） 3.2.1 DF模式基本原理及性能

解码重传模式（Decode-and-Forward，DF），有文献中也称为前向译码、再生中继。在DF协议下，中继先要对接收到的信号进行解调、采样判决、存储、译码等数字处理，然后将处理后的数据进行编码调制后再转发。图3.2所示为DF协议的原理及其基本过程。

图3.2 单中继DF协作通信原理

DF方式通过译码，避免了噪声对下一跳的影响。但是，如果中继节点对所接收到的信号直接进行译码，之后将所译出的信号转发给目的节点，将有可能引起错误传播。这是由于中继节点可能得到的是错误信息，这样对协作传输反而是不利因素。

3.2.2 单中继DF协作通信过程 1．源端广播过程

同AF模式一样，源节点S以广播的方式向周围发送信号x_s，其中一路直接发送到目的节点D，一路发送到中继节点R。 2．中继端解码重传过程

中继节点R直接将收到的来自源节点S的信号y_(s,r)进行解调译码，并通过某种方式校验译码是否正确，如果错误则中继不再发送该信号，如果正确，则将该信号重新编码调制，然后转发给目的节点D（基站）。在编码过程中，可以选择与源节点一样的编码方案，或者采取不同的编码方式。

有两种简单办法可以降低错误解码所带来的不利影响影响：

第一种方法是信号在源节点发射之前先进行循环冗余校验(CRC)码处理。这样，中继节点接收到源节点的信息后先进行译码处理，之后通过CRC来判别接收到的信息比特里是否存在错误。如果检测出错误，则不进行信息转发；反之则转发信号。但是，CRC的引入将降低了信息的传输速率。

第二种方法不需要对源信号进行CRC编码操作，只需在每个中继节点处设定一个门限值。在对接收信号译码处理之前，先比较它的等效信噪比与门限值的大小。如果大于门限值，中继节点将进行译码处理，并进行信息转发；反之不对信号处理。基于门限的方法虽然简便，但是门限值的选择至关重要。如果太小，中继节点译出的信息很可能存在错误；如果太大，每个中继节点可能都不会进行信息转发，这样协作将失去意义。另外，即便是等效信噪比大于门限值，也并不能保证中继节点译出信息的一定正确。 经过中继重新编码调制信号为y_DF（程序中表示为x_DF），目的节点接收的来自中继的信号变为y_(r,d)（程序中表示为y_rd）：

〖y_(r,d)=√(P_r ) h_(r,d) y〗_DF+n_(r,d) 式(3-2-1) 3．目的端接收处理

同AF模式一样，DF协议下的目的节点按照MRC方案得到合并信号y（程序中表示为y_combine_DF）：

y=a_1 y_(s,d)+a_2 y_(r,d) 式(3-2-2)

不同的是，加权系数a_1、a_2取决于两路信号的信噪比最优值：

a_1=(√(P_s ) h_(s,d)^*)/N_0 式(3-2-3) a_2=(√(P_r ) h_(r,d)^*)/N_0 式(3-2-4)

3.3 理论误码率性能

假定所传输的信号功率归一化，采用MRC合并方式，则此单中继模型下的AF、DF协作通信系统的理论信噪比为：

γ=γ_1+γ_(2 ) 式(3-3-1) 其中，对于AF模式：

γ_1=|a_1 √(P_s ) h_(s,d) |^2/(|a_1 |^2 N_0 ) =(P_s 〖|h_(s,d) |〗^2)/N_0 式(3-3-2) 和

γ_2=|a_2 √(P_r )/√(P_r〖|h_(s,r) |〗^2+N_0 ) √(P_r ) h_(r,d) h_(s,r) |^2/(N_0^' |a_2 |^2 ) =(〖P_r〗^2/(P_r |h_(s,r) |^2+N_0 ) |h_(s,r) |^2 |h_(r,d) |^2)/(((P_r |h_(r,d) |^2)/(P_r |h_(s,r) |^2+N_0 )+1) N_0 )

=1/N_0 (〖P_r〗^2 |h_(s,r) |^2 |h_(r,d) |^2)/(P_r |h_(s,r) |^2+P_r |h_(r,d) |^2+N_0 ) 式(3-3-3)

对于DF模式：

γ_1=|a_1 √(P_r ) h_(s,d) |^2/(|a_1 |^2 N_0 ) =(P_r〖|h_(s,d) |〗^2)/N_0 式(3-3-4) 和

γ_2=|a_2 √(P_r ) h_(r,d) |^2/(|a_2 |^2 N_0 ) =(P_r〖|h_(r,d) |〗^2)/N_0 式(3-3-5)

对于BPSK系统，当发送“1”符号和发送“0”符号概率相等时，最佳判决门限b*=0，则系统的总误码率P_e为：

P_e=P(0)P(0/1)+P(1)P(1/0)=1/2 erfc(√γ) 式(3-3-6) 其中，P(0/1)为符号“0”被判为符号“1”的概率。 在大信噪比（γ?1）条件下，式(3-3-4)可近似表示为：

P_e≈1/(2√πγ) e^(-γ) 式(3-3-7)

可见，无论是AF还是DF协作通信系统通过中继产生分集，其信噪比大于非协作通信系统信噪比（γ?(P_s 〖|h_(s,d) |〗^2)/N_0 ），因而其误码率得以降低。 系统性能仿真

这里仿真以MATLAB实现，系统采用BPSK调制、无信道编码、Monte Carlo仿真方法，信道的状态信息对接收节点是已知的，对发送节点是未知的。接收节点对接收到的信号采用相关检测。源节点与中继节点之间以及二者和目的节点之间的信道是相互独立的，服从瑞利慢衰落。

4.1 程序流程、结构及变量说明

图4.1.1为程序中通信过程的说明及各环节信号、信道参数等的命名说明。一个有统一的一定命名规则的程序，是方便自己调试和他人阅读的。图中，每个节点之前为接收到的信号，节点之后为经过该节点处理后的信号：

图4.1.1 程序通信过程及各环节参量的命名说明

图4.1.2为程序的流程图，在生成信号并进行BPSK调制后，生成信道参数，之后对直传、AF和DF方式采用并行顺序仿真并获得理论与实际BER，这样做的目的是为了能在相同的信道下比较三者的性能，从而使结果更具可比性。

图4.1.2 程序流程图

图4.1.3为程序的总体结构图，在生成信号、BPSK调制和生成信道之后，进行不同信噪比下的仿真循环，每个信噪比均进行Monte_MAX次蒙特卡罗循环。

图4.1.3 程序结构图

4.2 程序模块实现说明 4.2.1 信道模型

为简化程序，信道采用恒参的瑞利衰落信道，即在一次通信过程中（一次蒙特卡罗过程），衰落系数表现为一恒定复数的形式：

function H = RayleighCH(sigma2) % average value(0)

mu = 0; sigma = sqrt(sigma2); % Standard deviation(σ)

H = normrnd(mu,sigma)+j*normrnd(mu,sigma);

信道的正态分布的均值为方差μ=0，只需输入方差σ^2，即可得到信道系数H。函数R = normrnd(MU,SIGMA)的功能是生成均值为MU、标准差为SIGMA的正态分布的随机数据。 高斯白噪声通过函数y = awgn(x,SNR,SIGPOWER)实现。如果SIGPOWER是数值，则其代表以dBW为单位的信号强度；如果SIGPOWER为'measured'，则函数将在加入噪声之前测定信号强度。本程序以'measured'参数自动检测信号强度。

4.2.2 MRC实现

由于AF与DF模式的最大比合并加权系数的决定因素不同，AF模式与中继节点的放大系数β有关，故自定义函数y_combine = Mrc( varargin )通过输入参数的数目不同以区分AF与DF。当然，β也由信道的参数决定，AF与DF模式的MRC加权系数的本质区别在于：AF由于是对接收信号的放大，所以对于R到D的信号的加权系数还与S到R信道的参数、S到R信道

的信号和噪声功率相关。 MRC的伪代码为：

1．输入参数

信道系数、中继放大系数、信号功率、噪声功率、需要合并的两路信号 2．判断输入参数数目nargin if nargin = 8

DF模式，执行加权系数为

a_sd = CH_sd' * sqrt(POW_S_sd) / POW_N_sd; a_rd = CH_rd' * sqrt(POW_S_rd) / POW_N_rd; elseifnargin = 10

AF模式，执行加权系数为

a_sd = CH_sd' * sqrt(POW_S_sd) / POW_N_sd;

a_rd = (beta * sqrt(POW_S_rd) * CH_sr' * CH_rd') / ( (beta^2*(abs(CH_rd))^2+1) * POW_N_rd ); 3．返回合并信号

y_combine = a_sd*signal_sd + a_rd*signal_rd;

4.2.3 BER实现

对于实际BER，通过统计蒙特卡罗的误码数，与全部比特数目作比得到。对于理论BER，通过调用自定义函数得到，其伪代码为：

1．输入参数

非协作的信噪比、信道系数、信号功率、噪声功率 2．判断输入参数数目nargin if nargin = 1

非协作模式，执行 gamma_sd = SNR_SD; gamma_rd = 0; elseifnargin = 6

DF模式，执行加权系数为

gamma_sd = ( POW_S_sd * (abs(CH_sd))^2 ) / POW_N_sd; gamma_rd = ( POW_S_rd * (abs(CH_rd))^2 ) / POW_N_rd; elseifnargin = 7 AF模式，执行

gamma_sd = ( POW_S_sd * (abs(CH_sd))^2 ) / POW_N_sd;

numerator = (POW_S_rd)^2 * (abs(CH_sr))^2 * (abs(CH_rd))^2;

denominator=(POW_S_rd*(abs(CH_sr))^2+POW_S_rd*(abs(CH_rd))^2+POW_N_rd)*POW_N_rd; gamma_rd = numerator / denominator; 3．计算系统信噪比

gamma = gamma_sd + gamma_rd; 4．计算系统误码率

theoretical_BER = 1 / ( 2 * sqrt(pi*gamma) * exp(gamma) ); % Approximation

% theoretical_BER = erfc(sqrt(gamma) ) / 2; % Actual value

4.2.4 AF实现

图4.2.1是AF策略的程序流程图：

图4.2.1 AF策略流程图

在中继节点，对接收到的来自源节点的信号s_r放大，并向目的节点转发，其函数实现：

function [beta,r_d_AF] = AF(CH_sr,POW_S,POW_N,signal_sr) % amplification factor

beta = sqrt( POW_S) / ( (abs(CH_sr))^2 * POW_S + POW_N ); % Relay will transmit the AF signal ' signal_AF ' signal_AF = beta * signal_sr;

函数通过输入S和R之间的信道衰落系数、信号与噪声的功率和需要转发的信号s_r，实现中继的AF过程，返回值为：经放大处理后的信号，它将被发送到目的节点；以及放大系数β，以供目的节点MRC使用。

4.2.5 DF实现

图4.2.2是DF策略的程序流程图：

图4.2.2 DF策略流程图

在中继节点，对接收到的来自源节点的信号s_r进行解调、译码、校验、编码、调制，之后向目的节点发送。为简化程序，程序中省略了信道编码过程，中继时采用与源节点相同的调制方式，并假定中继节点能正确解码，强制校验标志tx_coop为1。所以，实际上，在仿真中，DF中继节点所需做的事情同源节点一样，仅仅是将原始信息BPSK调制后发送。为体现DF协议的过程，其函数实现编写为：

function signal_DF = DF(M,signal_sr,signal_x)

% fisrt: demodulate the signal 's_r'

signal_demod = demodulate(modem.pskdemod(M),signal_sr);

% second: decode r_d_1',And determine whether decoding correct

%++++++++++++++If use a fixed DF,forced to set 'tx_coop' '1'++++++++++++++ tx_coop = 1; % a sign, indicates whether forwarding % if (sum(signal_x ~= signal_demod)>0) % tx_coop = 0; % end % if the relay decoding error, not forward

%++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++ % third: modulate the signal 'signal_demod'

if tx_coop == 0

disp('Fail in DF,Source should transmit the signal to Destination directly Without Cooperation'); elseiftx_coop == 1

% As the force decoding is correct, so 'signal_demod' is equivalent to 'signal_x' signal_DF = modulate(modem.pskmod(M),signal_x); end

实际上，在本仿真中可以等效简化为：

function signal_DF = DF(M, signal_x)

signal_DF = modulate(modem.pskmod(M), signal_x);

函数通过输入源节点PSK调制的进制数M（以提高程序的通用性）、需要中继的信号s_r和原始比特流x（虚设置，用于校验是否正确解码，本次仿真中假定解码正确），实现中继的DF过程，返回值为重新调制之后的信号，它将被发送到目的节点。 4.3 仿真结果分析

图4.3.1和图4.3.2分别是源与中继间信道状态较好、假定DF解码正确的情况下的非协作系统与AF、DF的实际误码率曲线和理论误码率曲线图，图4..3.3是此时的AF、DF的实际与理论误码率比较图。图4.3.3是在源与中继间信道状态较差、DF解码存在错误的情况下的非协作系统与AF、DF的实际误码率曲线。

从图4.6和图4.7可以看到，采用AF中继和DF中继的协作通信系统，其误码率明显低于非协作系统。并且，在一定范围内，随着信噪比的提升，协作中继对系统性能的提升越明显，但是，当信噪比达到一定程度后，这种优势将不复存在。

同时可以看出，DF中继能要优于AF中继。这是由于AF将噪声也同样放大转发，而DF中继通过译码、校验等数字处理，避免了噪声对下一链路的影响。并且若源节点与中继节点之间的信道条件较差，转发的信号的大部分为噪声，从而会降低系统性能。这种情况，在多次运行程序的时候，偶尔会出现，如图4.3.4所示。

然而，这并非意味着在系统中采用DF中继一定会比AF中继更佳。这主要由于：一方面，DF是数字处理，设备复杂度较高，不适合应用于低成本设备；另一方面，若要获得良好的性能，DF需要相应的校验信息，这在一定程度上降低了数据的传输速率；此外，当信噪比较低时，中继节点译码错误的可能性增加，从而协作失败，或是“错上加错”的编码重传，导致系统的性能急剧恶化，误码率甚至可能会高于非协作系统。仿真中，假设DF中继完全解码正确，从而获得较好的性能。而当DF中继采用“解调—（解码）—（编码）—调制—重发”（为简化程序，省略信道编码过程）的仿真时，从图4.3.4的仿真结果可以看到，DF并没有获得更低的误码率，反而性能最差。

根据“2.3.3 分集增益”的介绍，分集增益即误码率的斜率，从图中可以了解到，相比于非协作系统，AF与DF均能获得一定的分集增益。然而，AF与DF分集增益相差并不明显，这是由于：分集增益主要与分集阶数（传输过程中所能提供的最大的同一信号独立副本的数目，即收发天线数）相关。仿真中，AF与DF均是虚拟发分集为2，接收分集为2。

所以，尽管传统的AF、DF协作通信能改善通信性能，但是实际应用并不理想。提出更加科学有效的中继协议，是推进协作通信的应用发展关键。

图4.3.1 非协作系统与AF、DF（解码正确）的实际误码率曲线

图4.3.2 非协作系统与AF、DF的理论误码率曲线

图4.3.3 AF、DF的实际与理论误码率比较

图4.3.4 非协作系统与AF、DF（解码错误）的实际误码率曲线 总结

协作通信为MIMO技术的实用化提供了一个新的思路。因而寻找一种有效地协作算法始终是研究的热点。随着研究的深入，协作通信也许很快得以广泛应用。 在仿真中，也有遇到多种问题，多次运行程序时，偶尔会出现以下情况：

实际BER曲线出现断点

断点几乎全部出现在曲线的末端，这可能是由于限于电脑配置，蒙特卡罗仿真次数较少，因而导致在高信噪比时系统会随机出现异常（突发错误或无错传输）。 AF或DF的理论BER无法画图显示

DF出现的情况稍多，通过disp（）观察数值时，可知： theo_ber_AF= 1.0e-003 *

Columns 1 through 10

0.1593 0.0660 0.0247 0.0083 0.0024 0.0006 0.0001 0.0000 0.0000 0.0000 ??

这应该是由于BER数值过小趋于零，而无法在图中显示。导致这种情况的原因可能是瑞利信道模型不够合理。

此外，对于协作通信中功率分配问题：协作与非协作的信号功率是否一样？根据已有文献，采用所谓的功率归一化处理，保证目的节点信号强度为一，仿真为：非协作时S以功率1发送给D，协作时S发给R和D的功率均为1/2，R向D的发送功率同样为1/2。但是，S是以广播形式发送信号的，则S发给R和D的功率应均为1。如果不是，那么在“3.3 理论误码率性能”中提到的γ_1和γ_2表达式里的信号功率其含义和数值意义应该不同，并且也不同于非协作时的信号功率。关于功率分配问题，有待进一步思考学习。 本次学习不仅对协作通信有了一定的了解，并且对于通信系统的仿真方法论，以及科学研究的过程有了较为深刻的了解，是一次难得的学习经验。 致谢

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