缓存辅助中继在协同通信中的应用.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,缓存辅助式中继在协同通信中的应用,中继协同通信,借助中继进行协同通信，能够提高系统容量，增加网络吞吐量，拓展其覆盖范围，,增加分集增益和,SNR,增益,中继,根据中继对信号的处理方式,1,放大转发,AF,解码转发,DF,压缩转发,CF,放大转发,Amplify-and-Forward,2,中继将从源节点接收到的信号直接进行放大并转发给目的节点。,注意到中继接收到的信号通常伴随着干扰，如同道干扰和噪声等，因而,AF,中继方式要求中继处具有较好的信干噪比,，,否则其转发的信号主要是所受到的干扰。,解码转发,Decode-and-Forward,3,指中继根据接收到的信号进行解码，得到源节点发送的数据，然后重新编码并转发给目的节点。,解码转发去除了前一跳的噪声，误码性能比放大转发要好。,解码转发可看做放大转发的性能上界。,解码转发要求中继必须解出正确的码字，否则会造成错误的传播。,压缩转发,Compress-and-Forward,3,中继将接收到的信号压缩并转发给目的节点。,目前大多数研究集中于放大转发和解码转发,。,根据中继的双工方式,全双工中继,Full-Duplex Relay,半双工中继,Half-Duplex Relay,全双工中继,中继的收、发操作在同一时刻、同一频带进行，数据发送效率很高。,全双工由于强大的自干扰导致物理难以实现。（,interference cancellation,）,中继,中继,时隙,1,时隙,2,半双工中继,节点收、发数据是由一个预先编制的时刻表决定的。,两个时隙,(dual-hop),时隙,1,，,源节点向中继发送数据,时隙,2,，中继向,目的端,发送数据,前后两个时隙,循环交替,半双工中继方式,能获得较好的协同效果，,物理实现相对容易,，,是,系统系能,和,复杂度,的良好折衷。,现有研究大多集中于半双工中继。,已有文献证明，在一个多中继系统中，通过,选择最佳中继而不是所有中继进行传输,，同样能达到大幅提高网络性能的目的。,eg,.,源节点只选择一个中继进行协同传输,4,能够获得,满的分集增益,，这与所有中继同时协同传输的分集增益相同,。,所得到的,分集复用折衷,与分布式空时编码系统完全相同。,催生了中继选择的概念。,根据系统对信道状态信息的获知和利用程度，传统中继选择方案一般分为“部分中继选择”和“机会中继选择”,5,。,部分中继选择,Partial relay selection,根据“源中继”或“中继目的”的信道状态信息，从所有候选中继中选择一个最佳中继。,机会中继选择,Opportunistic relay selection,根据“源中继目的”的全局信道状态信息，从所有候选中继中选择一个最佳中继。,部分中继选择的“部分”体现在,系统进行选择时,只获取和利用了其中一跳的信道状态信息,，因此该方案的性能不是全局最优的,其对信道状态信息的依赖程度降低，减少了系统复杂度,机会中继选择则,利用了全局信道状态信息,，其选择出的中继的性能是全局最优的，因此又被称为“最佳中继选择”（,BRS,）,5,。,然而传统的中继方式，不论是部分中继选择还是机会中继选择，其中继的收、发操作都必须遵循预先编制的时刻表。,信道的一个典型特点是时变性。固定时刻表与信道条件相独立，容易,导致中继无法利用最佳信道,进行数据的发送与接收。,“缓存辅助式中继”这一概念的产生有效解决了这一困扰。,所谓缓存辅助式中继即在传统中继基础之上，,增加了一个缓存器件,，使中继节点具有了数据缓存能力，从而突破了固定时刻表的限制，,赋予了中继灵活利用最佳信道的能力,。,事实上，在一个通信系统内，由于,网络层,和,传输层,通常需要进行数据缓存，使得,无线通信中的设备节点大多配备了缓存器,6,。,例如，应用于时延容忍网络,（,DTN,）,的存储携带转发（,store-carry-forward,）协议,，,中间节点可能经历暂时的断链，等到连接恢复之后，中间节点继续将数据发送到下一个中间节点或者目的节点,，在这种情况下,就需要,用到,数据,缓存器,7,。,然而，现有文献对缓存器的研究大多集中于网络层,和传输层。,充分挖掘并利用缓存器在物理层和数据链路层,的潜在价值,，尚未引起广泛关注,。,下面将,缓存辅助式中继协同网络中的中继选择方案,，,与传统的机会中继选择方案进行对比。假设中继个数为,N,，且所有信道为,i.i.d,瑞利衰落信道,。,机会中继选择,方案回顾,主要思想,从所有中继中选择一个最佳中继，使得由该中继确定的,前后,两跳链路中,SINR/SIR/SNR,最小者最大化。,一旦中继选定，则整个传输链路随之确定。数据传输严格遵循预先编制的时刻表,。,中断概率,为接收机门限。,其中，,根据分集增益和编码增益的定义式,8 9,小结,传统中继方式,中，,上一时隙收到的数据，在下一时隙必须进行转发，因此，,系统总的传输性能由两跳中较差者决定,。,ORS,的最终结果是，在每一跳的传输中，对应的信道条件,很可能都不是最佳,的。,很显然,ORS,不能达到最佳的传输性能,。,假设缓存器可存储的数据包长度为,对应的是时延可无限的情况，在实际中不可能实现，是性能的下界。,则退化为传统中继模式，是实际可达的性能上界,。,缓存辅助式,中继方式,为中继配备一个数据缓存器，使得中继,不必急于转发,。,好处,使得,中继在前一时隙接收到的数据，不一定要在下一时隙立即发送，而是,可以等到某一个信道条件较好的时隙再发送,。,为系统性能的进一步提升提供了可能。,代价,数据需要存储并等待，因而在中继处增加了,额外的时延,；,需要对系统的存储状态进行检测,与,管理，增加了,系统的复杂度,。,缓存辅助式,中继选择,方案,Max-Max relay selection,（,MMRS,）,5,Hybrid relay selection,（,HRS,）,5,Space full duplex Max-Max relay selection,（,SFD-MMRS,）,10,Max-link Selection,11,a.Max-Max relay selection,（,MMRS,）,5,MMRS,对,ORS,的改进之处在于，将第一跳和第二跳独立地进行考虑,在奇时隙从第一跳的所有,N,条链路中选择最佳链路,进行传输,在偶时隙从第二跳的所有,N,条链路中选择最佳链路,进行传输,由于信道的时变性，与 通常不是同一个。,中断概率,分集增益和编码增益,相比,ORS,的,SNR,增益,b.Hybrid relay selection,（,HRS,）,5,MMRS,中缓存器无限长的理想化假设实际中无法实现，因而其提出者对其进行了改进，使其适用于缓存器有限长的情况,。,中断概率,分集增益和编码增益,相比,ORS,的,SNR,增益,c.Space full duplex Max-Max relay selection,（,SFD-MMRS,）,10,思想,利用缓存辅助式,半双工中继来实现全双工功能,，改进,MMRS,和,HRS,的不足。,在每一个时隙内，,不是选择一个中继，而是,选择,最优,中继对,。,同一个时隙内，最优中继对同时工作。,c.Space full duplex Max-Max relay selection,（,SFD-MMRS,）,10,中断概率,分集增益和编码增益,注意,我们假设系统平均传输速率为,。,在,ORS,、,MMRS,和,HRS,等半双工系统中，由于传输每一个数据包需要两个时隙，则有,。,而在,SFD-MMRS,系统中，由于传输每一个数据包只需要一个时隙，则有,。,这是为了比较性能的公平性，应引起注意。,d.Max-link Selection,11,相比传统的,ORS,，尽管,MMRS,和,SFD-MMRS,取得了,较大的,SNR,增益或接入能力的提升，然而系统的分集增益无法突破,N,。,Max-link Selection,方案打破了这一限制。,思想,在每一个时隙，均从所有,可用的,共,条链路中选择最佳链路传输,，,而不必遵循时刻表的限制。,中断概率,注意到该方案也是半双工的，故有,。,上式中，,分别为,i,状态时第一跳和第二跳可用链路数，它们是随着数据传输过程而动态变化的。,时有 ，,其分集增益为,时有 ，,其分集增益,为,ORS,MMRS,SFD-MMRS,MAX-LINK,性能相对较差,系统复杂度较低,传输时延较小,小结,缓存辅助式中继方式能大幅提高时变信道的传输性能，可以应用于Vehicular,Cellular,Sensor Neteorks等，非常适用于,时延不敏感,业务。,性能,提升非常明显,系统复杂度相对较高,传输时延较大,传统中继方式,缓存辅助式中继方式,缓存辅助式中继在,其他场景的应用,单中继网络,认知网络,物理层安全,MIMO,系统,单中继网络,BICM-OFDM,TWC 2013,条件,DF,缓存有限长,前后跳,i.ni.d,。,成果,成对差错概率上界,分集度,端到端平均延时,单中继网络,Trans.,Inf,Theory 2013,条件,DF,；,Adaptive Link Selection,；,缓存有限长；前后跳,i.i.d,和,i.ni.d,源和中继均没有,CSIT,，固定速率（,fixed,）,源无,CSIT,，中继有,CSIT,，混合速率（,mixed,）,单中继网络,成果,系统吞吐量,中断概率,分集复用折衷,端到端平均延时,认知网络,TVT 2014,条件,DF,；,MAXLINK,方案；,缓存有限长；主、次网络相互干扰,次网络传输链路、次对主的干扰链路、主对次的干扰链路内部分别,i.i.d,，但相互之间不是,i.i.d,。,认知网络,成果,次网络中断概率、分集度,中继处平均延时,物理层安全,TIF 2014,条件,DF,；,MAXLINK,方案；,缓存有限长；,传输链路中，第一跳与第二跳分别,i.i.d,，但相互之间不是,i.i.d,。,分别考虑主动窃听（已知窃听链路瞬时,CSI,）和被动窃听,（已知窃听链路平均,CSI,）,成果,安全中断概率,物理层安全,TWC 2015,条件,DF,；,缓存有限长；,Alice,知道中继的,CSI,，中继知或不知,Bob,的,CSI,，,Alice,和中继都不知,Eve,的,CSI,。,Alice,可变速率，中继固定速率。,成果,安全吞吐量,安全中断概率,WSA2015,会议,条件,单源，多中继，多目的节点，多窃听（均多天线）,AF buffer-aided,中继,MIMO,成果,最大似然准则设计中继选择方案,最大化安全速率,缓存辅助式中继研究现状与前景,所需理论背景,建模缓存器存储状态时，用到随机过程中马尔科夫过程的相关知识。,分析时延性能时，用到排队论中,Little,定理。,各个具体场景下的理论知识。,缓存辅助式中继研究现状与前景,大部分集中于,DF,，研究,AF,的很少。,14,年,TWC,有一篇,AF,的，最简单的单源多中继单目的网络，研究的是中断和时延性能。,15,年,WSA,，模型复杂，但分析没有深入。,缓存辅助式中继研究现状与前景,多中继网络里面，大部分集中于,i.i.d,。,i.i.d,模型时，转移概率矩阵容易求解（已有现成结论）。,所有链路,i.ni.d,情况下，目前未见。难点在于,转移概率矩阵难求,中继选择策略待优化，否则选择不均衡，在某些信道条件好的链路容易出现溢出。可能的解决思路是，仿照单中继的,adaptive,链路选择策略，引入优化因子。,缓存辅助式中继研究现状与前景,物理层安全场景，引入缓存辅助后的研究还不充分。,其他使用中继协同的场景，潜力有待挖掘。,参考文献,1 M.Torabi,D.Haccoun,and J.F.Frigon,“Relay selection in AF cooperative systems,”IEEE Vehicular Technology Magazine,vol.24,no.3,pp.659-672(,待查,),Dec.2012.,2 J.Laneman,D.Tse,and G.Wornell,“Cooperative diversity in wireless networks:Efficient protocols and outage behavior,”IEEE Trans.Inf.Theory,vol.50,no.12,pp.3062-3080,Dec.2004.,3 G.kramer,M.Gastpar,and P.Gupta,“Cppoerative strategies and capacity theorems for relay networks,”IEEE Trans.Inf.Theory,vol.51,no.9,pp.3037-3063,Sept.2005.,4 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