Genossenschaftliche Vielfalt - Cooperative diversity

Kooperative Diversität ist eine kooperative Mehrantennentechnik für die Verbesserung oder vollständige Netzwerk maximiert Kanalkapazitäten für jeden gegebenen Satz von Bandbreiten , die Benutzer nutzt die Vielfalt durch Dekodieren des kombinierten Signals des weitergeleiteten Signals und des direkten Signals in drahtlosen Multihop - Netzwerken. Ein herkömmliches Single-Hop-System verwendet direkte Übertragung, bei der ein Empfänger die Informationen nur basierend auf dem direkten Signal decodiert, während er das weitergeleitete Signal als Störung betrachtet, während die kooperative Diversität das andere Signal als Beitrag betrachtet. Das heißt, kooperative Diversität decodiert die Informationen aus der Kombination von zwei Signalen. Somit ist ersichtlich, dass kooperative Diversität eine Antennen-Diversity ist , die verteilte Antennen verwendet, die zu jedem Knoten in einem drahtlosen Netzwerk gehören. Beachten Sie, dass die Benutzerkooperation eine weitere Definition von kooperativer Vielfalt ist. Die Benutzerkooperation berücksichtigt eine zusätzliche Tatsache, dass jeder Benutzer das Signal des anderen Benutzers weiterleitet, während kooperative Diversität auch durch Multi-Hop-Relay-Netzwerksysteme erreicht werden kann.

Die kooperative Diversity-Technik ist eine Art Mehrbenutzer-MIMO- Technik.

Weiterleitungsstrategien

Das einfachste kooperative Relaisnetzwerk besteht aus drei Knoten, nämlich Quelle, Ziel und einem dritten Knoten, der die direkte Kommunikation zwischen Quelle und Ziel unterstützt, der als Relais bezeichnet wird. Wenn die direkte Übertragung einer Nachricht von Quelle zu Ziel nicht (vollständig) erfolgreich ist, werden die mitgehörten Informationen von der Quelle vom Relay weitergeleitet, um das Ziel über einen anderen Weg zu erreichen. Da die beiden Kommunikationen einen unterschiedlichen Weg eingeschlagen haben und nacheinander stattfinden, wird in diesem Beispiel das Konzept der Raumdiversität und der Zeitdiversität umgesetzt .

Die Relaying-Strategien können weiter unterschieden werden durch die Strategien Amplify-and-Forward, Decod-and-Forward und Compress-and-Forward:

• Die Amplify-and-Forward- Strategie ermöglicht es der Relaisstation, das vom Quellknoten empfangene Signal zu verstärken und an die Zielstation weiterzuleiten
• Relais, die der Decodierungs-und-Weiterleitungsstrategie folgen , hören Übertragungen von der Quelle, decodieren sie und leiten sie bei korrekter Decodierung an das Ziel weiter. Immer wenn nicht behebbare Fehler in der mitgehörten Übertragung liegen, kann das Relais nicht zur kooperativen Übertragung beitragen.
• Die Komprimierungs- und Weiterleitungsstrategie ermöglicht es der Relaisstation, das empfangene Signal vom Quellknoten zu komprimieren und an das Ziel weiterzuleiten, ohne das Signal zu decodieren, wo Wyner-Ziv-Codierung für eine optimale Komprimierung verwendet werden kann.

Topologie der Relaisübertragung

Die serielle Relaisübertragung wird für die Fernkommunikation und die Reichweitenerweiterung in schattigen Regionen verwendet. Es bietet Leistungsgewinn. In dieser Topologie breiten sich Signale von einem Relais zu einem anderen Relais aus und die Kanäle benachbarter Hops sind orthogonal, um jegliche Interferenz zu vermeiden.

Parallel Relaisübertragung kann verwendet werden , wenn serielle Relaisübertragung leidet an Multipfad - Fading . Für die Ausbreitung im Freien und ohne Sichtlinie kann die Signalwellenlänge groß sein und die Installation mehrerer Antennen ist nicht möglich. Um die Robustheit gegen Mehrwege-Fading zu erhöhen, kann eine parallele Relaisübertragung verwendet werden. In dieser Topologie breiten sich Signale über mehrere Relaispfade im gleichen Hop aus und das Ziel kombiniert die empfangenen Signale mit Hilfe verschiedener Kombinationsschemata. Es bietet gleichzeitig Leistungsverstärkung und Diversity-Verstärkung .

Systemmodell

Wir betrachten ein drahtloses Relaissystem, das aus Quell-, Relais- und Zielknoten besteht. Es wird angenommen, dass sich der Kanal in einem Halbduplex-, Orthogonal- und Amplify-and-Forward-Relaying-Modus befindet. Anders als beim herkömmlichen Direktübertragungssystem nutzen wir eine Zeitmultiplex-Weiterleitungsfunktion, bei der dieses System Informationen mit zwei zeitlichen Phasen liefern kann.

In der ersten Phase sendet der Quellknoten Informationen sowohl an den Zielknoten als auch an die Relaisknoten. Das empfangene Signal am Ziel- und den Relaisknoten wird jeweils geschrieben als: ${\displaystyle x_{s}}$

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

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

wobei ist der Kanal von der Quelle zu den Zielknoten, ist der Kanal von der Quelle zum Relaisknoten, ist das Rauschsignal hinzugefügt und ist das Rauschsignal hinzugefügt . ${\displaystyle h_{d,s}}$${\displaystyle h_{r,s}}$${\displaystyle n_{r,s}}$${\displaystyle h_{r,s}}$${\displaystyle n_{d,s}}$${\displaystyle h_{d,s}}$

In der zweiten Phase kann das Relais sein empfangenes Signal mit Ausnahme des Direktübertragungsmodus an den Zielknoten senden.

Signaldecodierung

Wir führen vier Schemata ein, um das Signal am Zielknoten zu decodieren, nämlich das direkte Schema, das nicht-kooperative Schema, das kooperative Schema und das adaptive Schema. Mit Ausnahme des direkten Schemas verwendet der Zielknoten das weitergeleitete Signal in allen anderen Schemata.

Direktes Schema

Im direkten Schema dekodiert das Ziel die Daten unter Verwendung des Signals, das von dem Quellenknoten in der ersten Phase empfangen wird, wobei die Übertragung der zweiten Phase weggelassen wird, so dass der Relaisknoten nicht an der Übertragung beteiligt ist. Das vom Quellknoten empfangene Decodierungssignal wird geschrieben als:

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

Während der Vorteil des direkten Schemas seine Einfachheit hinsichtlich der Decodierungsverarbeitung ist, kann die empfangene Signalleistung sehr gering sein, wenn der Abstand zwischen dem Quellknoten und dem Zielknoten groß ist. Daher betrachten wir im Folgenden ein nicht-kooperatives Schema, das die Signalweiterleitung ausnutzt, um die Signalqualität zu verbessern.

Nicht kooperatives System

Bei dem nicht kooperativen Schema dekodiert das Ziel die Daten unter Verwendung des Signals, das von dem Relais in der zweiten Phase empfangen wird, was zu einer Verstärkung der Signalleistung führt. Das vom Relaisknoten empfangene Signal, das das vom Quellknoten empfangene Signal erneut überträgt, wird geschrieben als:

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

wo ist der Kanal vom Relais zu den Zielknoten und wird das Rauschsignal hinzugefügt . ${\displaystyle h_{d,r}}$${\displaystyle n_{r,s}}$${\displaystyle h_{d,r}}$

Die Zuverlässigkeit der Decodierung kann gering sein, da der Freiheitsgrad durch die Signalweiterleitung nicht erhöht wird. Es gibt keine Zunahme der Diversity-Reihenfolge, da dieses Schema nur das weitergeleitete Signal nutzt und das direkte Signal vom Quellknoten entweder nicht verfügbar ist oder nicht berücksichtigt wird. Wenn wir ein solches Signal nutzen und die Ergebnisse der Diversity-Reihenfolge erhöhen können. Daher betrachten wir im Folgenden das kooperative Schema, das das kombinierte Signal sowohl des direkten als auch des weitergeleiteten Signals dekodiert.

Genossenschaftliches Schema

Für die kooperative Dekodierung kombiniert der Zielknoten zwei Signale, die von der Quelle und den Relaisknoten empfangen werden, was zu dem Diversity-Vorteil führt. Der gesamte empfangene Signalvektor am Zielknoten kann wie folgt modelliert werden:

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

wobei und die am Zielknoten von den Quell- bzw. Relaisknoten empfangenen Signale sind. Als lineare Dekodierungstechnik kombiniert das Ziel Elemente des empfangenen Signalvektors wie folgt: ${\displaystyle r_{d,s}}$${\displaystyle r_{d,r}}$

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

wobei das lineare Kombinationsgewicht ist, das erhalten werden kann, um das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) der kombinierten Signale vorbehaltlich des gegebenen Komplexitätsgrades der Gewichtungsberechnung zu maximieren. ${\displaystyle\mathbf{w}}$

Adaptives Schema

Adaptive Regelung wählt eine der drei Betriebsarten beschrieben , oberhalb dessen sind die direkte, die nicht-kooperativ, und die Kooperationsregelungen die sich auf die Netzwerkkanalzustandsinformationen und andere Netzwerkparameter.

Abtausch

Es ist bemerkenswert, dass kooperative Diversität den Diversity-Gewinn auf Kosten des Verlustes der drahtlosen Ressource wie Frequenz-, Zeit- und Leistungsressourcen für die Weiterleitungsphase erhöhen kann. Drahtlose Ressourcen werden verschwendet, da der Relaisknoten drahtlose Ressourcen verwendet, um das Signal von der Quelle zum Zielknoten weiterzuleiten. Daher ist es wichtig anzumerken, dass es einen Kompromiss zwischen dem Diversity-Gewinn und der Verschwendung der Frequenzressource bei kooperativer Diversität gibt.

Kanalkapazität der kooperativen Vielfalt

Im Juni 2005 veröffentlichte A. Høst-Madsen ein Papier, in dem die Kanalkapazität des kooperativen Relaisnetzes eingehend analysiert wurde .

Wir nehmen an, dass der Kanal vom Quellknoten zum Relaisknoten, vom Quellknoten zum Zielknoten und vom Relaisknoten zum Zielknoten dort ist, wo der Quellknoten, der Relaisknoten und der Zielknoten als Knoten 1 bezeichnet werden , Knoten 2 und Knoten 3, nachfolgend. ${\displaystyle c_{21}e^{j\varphi_{21}},c_{31}e^{j\varphi_{31}},c_{32}e^{j\varphi_{32}} }$

Die Kapazität kooperativer Relaiskanäle

Die Verwendung des Max-Flow-Min-Cut-Theorems ergibt die obere Grenze des Vollduplex-Relaying

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

wobei und Sendeinformationen an dem Quellknoten bzw. dem Relaisknoten sind und und empfangene Informationen an dem Relaisknoten bzw. dem Zielknoten sind. Beachten Sie, dass das Max-Flow-Min-Cut-Theorem besagt, dass die maximale Durchflussmenge gleich der Kapazität eines minimalen Schnitts ist, dh von seinem Engpass diktiert wird. Die Kapazität des Sendekanals von bis und mit gegeben ist ${\displaystyle X_{1}}$${\displaystyle X_{2}}$${\displaystyle Y_{2}}$${\displaystyle Y_{3}}$${\displaystyle X_{1}}$${\displaystyle Y_{2}}$${\displaystyle Y_{3}}$${\displaystyle X_{2}}$

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

während die Kapazität des Mehrfachzugriffskanal von und zu IS ${\displaystyle X_{1}}$${\displaystyle X_{2}}$${\displaystyle Y_{3}}$

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

wo ist der Betrag der Korrelation zwischen und . Beachten Sie, dass einige Teile von für die kooperative Weiterleitungsfunktion kopiert werden. Die Verwendung der kooperativen Weiterleitungsfähigkeit am Weiterleitungsknoten verbessert die Empfangsleistung am Zielknoten. Somit wird die obere Schranke umgeschrieben als ${\displaystyle \beta}$${\displaystyle X_{1}}$${\displaystyle X_{2}}$${\displaystyle X_{2}}$${\displaystyle X_{1}}$

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

Erreichbare Rate eines Dekodierungs-und-Weiterleitungsrelais

Die Verwendung eines Relais, das sein erfasstes Signal dekodiert und weiterleitet, ergibt die erreichbare Geschwindigkeit wie folgt:

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

wobei der Rundsendekanal aufgrund der Decodierung am Relaisknoten auf den Punkt-zu-Punkt-Kanal reduziert wird , dh auf . Die Kapazität des reduzierten Sendekanals beträgt ${\displaystyle I(X_{1};Y_{2},Y_{3}|X_{2})}$${\displaystyle I(X_{1};Y_{2}|X_{2})}$

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

Somit wird die erreichbare Rate umgeschrieben als

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

Zeitrelais

Die Kapazität des TD-Relaiskanals ist nach oben begrenzt durch

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

mit

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

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

Anwendungen

In einem kognitiven Funksystem können nicht lizenzierte Sekundärbenutzer die Ressourcen verwenden, die für Primärbenutzer lizenziert sind. Wenn Primärbenutzer ihre lizenzierten Ressourcen verwenden möchten, müssen Sekundärbenutzer diese Ressourcen räumen. Daher müssen sekundäre Benutzer ständig den Kanal erfassen, um die Anwesenheit des primären Benutzers zu erkennen. Es ist sehr schwierig, die Aktivität räumlich verteilter Primärnutzer im drahtlosen Kanal zu erfassen. Räumlich verteilte Knoten können die Zuverlässigkeit der Kanalerfassung verbessern, indem sie die Informationen teilen und die Wahrscheinlichkeit von Fehlalarmen verringern.

Ein drahtloses Ad-hoc-Netzwerk ist ein autonomes und selbstorganisierendes Netzwerk ohne zentralisierten Controller oder vorgefertigte Infrastruktur. In diesem Netzwerk bilden zufällig verteilte Knoten ein temporäres Funktionsnetzwerk und unterstützen ein nahtloses Verlassen oder Verbinden von Knoten. Solche Netzwerke wurden erfolgreich für die militärische Kommunikation eingesetzt und haben viel Potenzial für zivile Anwendungen, einschließlich kommerzieller und pädagogischer Nutzung, Katastrophenmanagement, Straßenfahrzeugnetzwerk usw.

Ein drahtloses Sensornetzwerk kann kooperatives Relaying verwenden, um den Energieverbrauch in Sensorknoten zu reduzieren, wodurch die Lebensdauer des Sensornetzwerks erhöht wird. Aufgrund der Natur des drahtlosen Mediums erfordert die Kommunikation über schwächere Kanäle im Vergleich zu relativ stärkeren Kanälen eine enorme Energie. Eine sorgfältige Einbeziehung der Relaiskooperation in den Routingprozess kann bessere Kommunikationsverbindungen auswählen und wertvolle Batterieleistung kann gespart werden.

Siehe auch

Systeme

• 3GPP Long Term Evolution (LTE) koordinierte Mehrpunktübertragung/Empfang (CoMP), die es ermöglicht, die Datenrate zu und von einem Mobiltelefon zu erhöhen, das sich in der Überlappung mehrerer Basisstationen befindet.
• 5G
• Mesh-Netzwerk
• Mobiles Ad-hoc-Netzwerk (MANet)
• Drahtloses Mesh-Netzwerk
• Drahtloses Ad-hoc-Netzwerk

Technologien

• Kooperative drahtlose Kommunikation
• Kooperative MIMO
• Diversity-Programme
• Dynamische Gleichwellennetze (DSFN)
• Sanfte Übergabe
• Raum-Zeit-Code
• Multiple-Input-Multiple-Output-Kommunikation (MIMO)
• Mehrbenutzer-MIMO
• Vielfalt kombiniert
• Vielfalt übertragen
• Diversity-Gewinn

Verweise