Różnorodność kooperacyjna

Różnorodność kooperacyjna jest techniką współpracy wielu anten, mającą na celu poprawę lub maksymalizację całkowitej przepustowości kanałów sieciowych dla dowolnego zestawu przepustowości, która wykorzystuje różnorodność użytkowników poprzez dekodowanie połączonego sygnału sygnału przekazywanego i sygnału bezpośredniego w bezprzewodowych sieciach wieloskokowych . Konwencjonalny system pojedynczego przeskoku wykorzystuje transmisję bezpośrednią, w której odbiornik dekoduje informacje tylko na podstawie sygnału bezpośredniego, traktując przekazywany sygnał jako interferencję, podczas gdy różnorodność kooperacyjna traktuje drugi sygnał jako wkład. Oznacza to, że różnorodność kooperacyjna dekoduje informacje z kombinacji dwóch sygnałów. Stąd można zauważyć, że różnorodność kooperacyjna to różnorodność anten , która wykorzystuje rozproszone anteny należące do każdego węzła w sieci bezprzewodowej. Należy zauważyć, że współpraca użytkowników to kolejna definicja różnorodności opartej na współpracy. Współpraca użytkowników bierze pod uwagę dodatkowy fakt, że każdy użytkownik przekazuje sygnał drugiego użytkownika, podczas gdy zróżnicowanie kooperacyjne można również osiągnąć za pomocą systemów sieci przekaźnikowych z wieloma przeskokami.

Technika różnorodności kooperacyjnej jest rodzajem techniki MIMO wielu użytkowników .

Strategie przekazywania

Najprostsza kooperacyjna sieć przekaźnikowa składa się z trzech węzłów, a mianowicie źródła, miejsca docelowego i trzeciego węzła obsługującego bezpośrednią komunikację między źródłem a celem, oznaczonego jako przekaźnik. Jeśli bezpośrednia transmisja wiadomości ze źródła do miejsca docelowego nie powiedzie się (w pełni), podsłuchana informacja ze źródła jest przekazywana przez przekaźnik, aby dotrzeć do miejsca docelowego inną drogą. Ponieważ obie komunikacji poszły inną drogą i zachodzą jedna po drugiej, ten przykład realizuje koncepcję zróżnicowania przestrzennego i zróżnicowania czasowego .

Strategie przekazywania można dodatkowo rozróżnić za pomocą strategii amplifikacji i przekazywania, dekodowania i przekazywania oraz kompresji i przekazywania:

Strategia amplifikacji i przekazywania umożliwia stacji przekaźnikowej wzmocnienie odebranego sygnału z węzła źródłowego i przekazanie go do stacji docelowej
Przekaźniki realizujące strategię decode-and-forward podsłuchują transmisje ze źródła, dekodują je iw przypadku poprawnego dekodowania przesyłają dalej do miejsca docelowego. Ilekroć w podsłuchiwanej transmisji występują nienaprawialne błędy, przekaźnik nie może uczestniczyć w transmisji kooperacyjnej.
Strategia kompresji i przekazywania umożliwia stacji przekaźnikowej kompresję odebranego sygnału z węzła źródłowego i przekazanie go do miejsca docelowego bez dekodowania sygnału, przy czym kodowanie Wyner-Ziv może być użyte do optymalnej kompresji.

Topologia transmisji przekaźników

Szeregowa transmisja przekaźnikowa służy do komunikacji na duże odległości i zwiększania zasięgu w zacienionych regionach. Zapewnia przyrost mocy. W tej topologii sygnały rozchodzą się z jednego przekaźnika do drugiego, a kanały sąsiedniego przeskoku są ortogonalne, aby uniknąć jakichkolwiek zakłóceń.

Równoległa transmisja przekaźnikowa może być stosowana tam, gdzie szeregowa transmisja przekaźnikowa cierpi na wielościeżkowe zanikanie . W przypadku propagacji na zewnątrz i poza zasięgiem wzroku długość fali sygnału może być duża, a instalacja wielu anten nie jest możliwa. Aby zwiększyć odporność na zanikanie wielościeżkowe, można zastosować równoległą transmisję przekaźnikową. W tej topologii sygnały rozchodzą się przez wiele ścieżek przekaźnikowych w tym samym przeskoku, a miejsce docelowe łączy odebrane sygnały za pomocą różnych schematów łączenia. Zapewnia jednocześnie wzmocnienie mocy i zróżnicowanie .

Model systemu

Rozważamy bezprzewodowy system przekaźnikowy, który składa się z węzłów źródłowych, przekaźnikowych i docelowych. Zakłada się, że kanał jest w trybie półdupleksowym, ortogonalnym i wzmacniania i przekazywania do przodu. W odróżnieniu od konwencjonalnego systemu transmisji bezpośredniej, wykorzystujemy funkcję przekazywania z podziałem czasu, w której ten system może dostarczać informacje z dwiema fazami czasowymi.

W pierwszej fazie węzeł źródłowy rozgłasza informacje $docelowego$ , jak i przekaźnikowego. Odebrany sygnał w miejscu docelowym i węzłach przekaźnikowych są odpowiednio zapisywane jako:

{\ 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}

gdzie ${\ displaystyle h_ {d, s}}$ jest kanałem od źródła do węzłów docelowych, ${\ displaystyle h_ {r, s}}$ jest kanałem od źródła do węzła przekaźnikowego , ${\ Displaystyle n_ {r, s}}$ to sygnał szumu dodany do ${\ Displaystyle h_ {r, s}}$ i ${\ Displaystyle n_ {d, s}}$ jest sygnałem szumu dodanym do ${\ displaystyle h_ {d, s}}$ .

W drugiej fazie przekaźnik może przesyłać odebrany sygnał do węzła docelowego, z wyjątkiem trybu transmisji bezpośredniej.

Dekodowanie sygnału

Wprowadzamy cztery schematy dekodowania sygnału w węźle docelowym, którymi są schemat bezpośredni, schemat niewspółpracujący, schemat kooperacyjny i schemat adaptacyjny. Z wyjątkiem schematu bezpośredniego, węzeł docelowy wykorzystuje przekazywany sygnał we wszystkich innych schematach.

Schemat bezpośredni

W schemacie bezpośrednim miejsce docelowe dekoduje dane przy użyciu sygnału odebranego z węzła źródłowego w pierwszej fazie, gdzie transmisja w drugiej fazie jest pominięta, tak że węzeł przekaźnikowy nie bierze udziału w transmisji. Sygnał dekodowania odebrany z węzła źródłowego jest zapisywany jako:

{\ Displaystyle R_ {d, s} = h_ {d, s} x_ {s} + n_ {d, s} \ quad}

Chociaż zaletą schematu bezpośredniego jest jego prostota w zakresie przetwarzania dekodowania, moc odbieranego sygnału może być bardzo niska, jeśli odległość między węzłem źródłowym a węzłem docelowym jest duża. Dlatego poniżej rozważymy schemat niewspółpracujący, który wykorzystuje przekazywanie sygnału w celu poprawy jakości sygnału.

System niewspółpracujący

W schemacie niewspółpracującym miejsce docelowe dekoduje dane wykorzystując sygnał odebrany z przekaźnika w drugiej fazie, co skutkuje wzmocnieniem mocy sygnału. Sygnał odebrany z węzła przekaźnikowego, który retransmituje sygnał odebrany z węzła źródłowego, jest zapisywany jako:

{\ Displaystyle r_ {re, 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 }

gdzie ${\ displaystyle h_ {d, r}}$ jest kanałem z przekaźnika do węzłów docelowych i ${\ displaystyle n_ {r, s}}$ jest sygnałem szumu dodanym do ${\ displaystyle h_ {d, r}}$ .

Niezawodność dekodowania może być niska, ponieważ stopień swobody nie jest zwiększany przez przekazywanie sygnału. Nie ma wzrostu kolejności dywersyfikacji, ponieważ ten schemat wykorzystuje tylko przekazywany sygnał, a bezpośredni sygnał z węzła źródłowego jest albo niedostępny, albo nie jest brany pod uwagę. Kiedy możemy skorzystać z takiego sygnału i wzrost różnorodności wyników. Zatem poniżej rozważymy schemat kooperacyjny, który dekoduje połączony sygnał zarówno sygnałów bezpośrednich, jak i przekazywanych.

Schemat spółdzielczy

W przypadku dekodowania kooperacyjnego węzeł docelowy łączy dwa sygnały odebrane ze źródła i węzłów przekaźnikowych, co daje przewagę różnorodności. Cały odebrany wektor sygnału w węźle docelowym można modelować jako:

{\ 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}}

gdzie i $odbieranymi w$ $węzłów$ docelowym odpowiednio Jako liniowa technika dekodowania, miejsce docelowe łączy elementy odebranego wektora sygnału w następujący sposób:

{\ Displaystyle y = \ mathbf {w} ^ {H} \ mathbf {r}}

gdzie $łączenia$ , którą można uzyskać, aby zmaksymalizować stosunek sygnału do szumu (SNR) połączonych sygnałów przy danym poziomie złożoności obliczenia wagi.

Schemat adaptacyjny

Schemat adaptacyjny wybiera jeden z trzech opisanych powyżej trybów, którymi są schematy bezpośredni, niekooperacyjny i kooperacyjny, opierający się na informacjach o stanie kanału sieciowego i innych parametrach sieciowych.

Kompromis

Warto zauważyć, że różnorodność kooperacyjna może zwiększyć zysk różnorodności kosztem utraty zasobów bezprzewodowych, takich jak zasoby częstotliwości, czasu i mocy dla fazy przekazywania. Zasoby bezprzewodowe są marnowane, ponieważ węzeł przekaźnikowy wykorzystuje zasoby bezprzewodowe do przekazywania sygnału ze źródła do węzła docelowego. Dlatego ważne jest, aby zauważyć, że istnieje kompromis między zyskiem różnorodności a marnotrawstwem zasobów widma w różnorodności kooperacyjnej.

Pojemność kanału różnorodności kooperacyjnej

W czerwcu 2005 r. A. Høst-Madsen opublikował artykuł dogłębnie analizujący przepustowość kanałów kooperacyjnej sieci przekaźnikowej.

Zakładamy, że kanały od węzła źródłowego do węzła przekaźnikowego, od węzła źródłowego do węzła docelowego oraz od węzła przekaźnikowego do węzła docelowego wynoszą ${\ Displaystyle c_ {21} e ^ {j \ varphi _ {21}}, c_ {31} e ^ {j \ varphi _ {31}}, c_ {32} e ^ {j \ varphi _ { 32}}}$ , gdzie węzeł źródłowy, węzeł przekaźnikowy i węzeł docelowy są kolejno oznaczane jako węzeł 1, węzeł 2 i węzeł 3.

Pojemność współpracujących kanałów przekaźnikowych

Użycie twierdzenia o maksymalnym przepływie i minimalnym odcięciu daje górną granicę przekazywania w trybie pełnego dupleksu

{\ 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})\}}

gdzie ${\ Displaystyle X_ {1}}$ i ${\ Displaystyle X_ {2}}$ przesyłają informacje odpowiednio w węźle źródłowym i węźle przekaźnikowym oraz ${\ Displaystyle Y_ {2}}$ i ${\ displaystyle Y_{3}}$ są odbierane informacje odpowiednio w węźle przekaźnikowym i w węźle docelowym. Należy zauważyć, że twierdzenie o maksymalnym przepływie i minimalnym odcięciu stwierdza, że maksymalna wielkość przepływu jest równa przepustowości minimalnego odcięcia, tj. jest podyktowana jego wąskim gardłem. Pojemność kanału nadawczego od do ${\ Displaystyle Y_$ ${2}}$ i $Displaystyle Y_ {3}}$ danym ${\ Displaystyle X_ {2} }$ jest

{\ styl wyświetlania \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})}

podczas gdy pojemność kanału wielokrotnego dostępu od i $X_ {2}}$ $\ Displaystyle$ do Y $\ Displaystyle Y_ {3}}$ wynosi X 1 {\ Displaystyle X_ {1}

{\ Displaystyle \ max _ {f (X_ {1}, X_ {2})} ja (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}}})}

gdzie jest ${$ korelacji między ${\ displaystyle X_ {1}}$ i $\ displaystyle X_ {2}}$ . Zauważ ${\ displaystyle X_ {1}}$ że kopiuje pewną część $dla$ możliwości wspólnego przekazywania Korzystanie z możliwości kooperacyjnego przekazywania w węźle przekaźnikowym poprawia wydajność odbioru w węźle docelowym. Zatem górna granica jest zapisywana jako

{\ Displaystyle C ^ {+} = \ max _ {0 \ równoważnik \ beta \ równoważnik 1} \ min \ lewo \ {{\ 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}}})\prawo\}}

Osiągalna szybkość przekaźnika dekodowania i przekazywania

Użycie przekaźnika, który dekoduje i przekazuje przechwycony sygnał, daje osiągalną szybkość w następujący sposób:

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

gdzie kanał rozgłoszeniowy jest zredukowany do kanału punkt-punkt z powodu dekodowania w węźle przekaźnikowym, tj. ${\ Displaystyle I (X_ {1}; Y_ { 2}, Y_ {3} | X_ {2})}$ jest zredukowane do ${\ Displaystyle I (X_ {1}; Y_ {2} | X_ {2})}$ . Pojemność zredukowanego kanału nadawczego wynosi

{\ Displaystyle \ max _ {f (X_ {1}, X_ {2})} ja (X_ {1}; Y_ {2} | X_ {2}) = {\ Frac {1} {2}} \ log (1+(1-\beta )c_{21}^{2}P_{1}).}

Zatem osiągalna stopa jest przepisywana jako

{\ Displaystyle R_ {1} = \ max _ {0 \ równoważnik \ beta \ równoważnik 1} \ min \ lewo \ {{\ 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}}})\ Prawidłowy\}}

Przekazywanie z podziałem czasu

Górna granica pojemności kanału przekaźnika TD jest ograniczona przez

{\ Displaystyle C ^ {+} = \ max _ {0 \ równoważnik \ beta \ równoważnik 1} \ min \ { C_{1}^{+}(\beta),C_{2}^{+}(\beta)\}}

z

{\ Displaystyle C_ {1} ^ {+} (\ beta) = {\ Frac {\ alfa} {2}} \ log \ lewo (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}}}\prawo)}

Aplikacje

W kognitywnym systemie radiowym nielicencjonowani użytkownicy drugorzędni mogą korzystać z zasobów licencjonowanych dla użytkowników głównych. Gdy użytkownicy główni chcą korzystać z licencjonowanych zasobów, użytkownicy drugorzędni muszą zwolnić te zasoby. Dlatego drugorzędni użytkownicy muszą stale wykrywać kanał w celu wykrycia obecności głównego użytkownika. Bardzo trudno jest wyczuć aktywność rozproszonych przestrzennie użytkowników głównych w kanale bezprzewodowym. Węzły rozproszone przestrzennie mogą poprawić niezawodność wykrywania kanałów, udostępniając informacje i zmniejszając prawdopodobieństwo fałszywych alarmów.

Bezprzewodowa sieć ad hoc to autonomiczna i samoorganizująca się sieć bez scentralizowanego kontrolera lub z góry ustalonej infrastruktury. W tej sieci losowo rozmieszczone węzły tworzą tymczasową funkcjonalną sieć i umożliwiają płynne opuszczanie lub łączenie węzłów. Takie sieci zostały z powodzeniem wdrożone w komunikacji wojskowej i mają duży potencjał do zastosowań cywilnych, w tym zastosowań komercyjnych i edukacyjnych, zarządzania kryzysowego, sieci pojazdów drogowych itp.

Bezprzewodowa sieć czujników może wykorzystywać kooperacyjne przekazywanie, aby zmniejszyć zużycie energii w węzłach czujników, a tym samym wydłużyć żywotność sieci czujników. Ze względu na specyfikę medium bezprzewodowego komunikacja słabszymi kanałami wymaga ogromnej energii w porównaniu do relatywnie mocniejszych kanałów. Ostrożne włączenie współpracy przekaźników do procesu routingu może wybrać lepsze łącza komunikacyjne i zaoszczędzić cenną energię baterii.

Zobacz też

Systemy

3GPP długoterminowa ewolucja (LTE) skoordynowana wielopunktowa transmisja/odbiór (CoMP), umożliwiająca zwiększenie szybkości transmisji danych do iz telefonu komórkowego znajdującego się w obszarze nakładania się kilku stacji bazowych.
5G
Siatka stacji
Mobilna sieć ad hoc (MANet)
Bezprzewodowa sieć kratowa
Bezprzewodowa sieć ad-hoc

Technologie