無線協(xié)作傳輸策略及其性能的研究.pdf

1、衡量一個通信系統(tǒng)性能優(yōu)劣主要是考察其有效性、可靠性和安全性這三方面性能。與有線通信相比，無線通信在有效性、可靠性和安全性方面面臨更為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn):一方面，多徑衰落效應(yīng)將導(dǎo)致接收信號畸變、信噪比較低，從而影響信息傳輸有效性和可靠性;另一方面，無線信道的開放性將導(dǎo)致傳輸信息易被竊聽器截獲，從而使得信息傳輸?shù)陌踩越档?。近年來，MIMO技術(shù)和協(xié)作通信技術(shù)被認(rèn)為是改善和提高無線通信系統(tǒng)這三方面性能的有效手段，受到學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注和深入研究

2、。無線協(xié)作通信技術(shù)的核心研究內(nèi)容是設(shè)計有效的協(xié)作傳輸策略，使得無線通信系統(tǒng)在有效性、可靠性或者安全性方面的性能得到明顯的改善。
　　眾所周知，復(fù)用增益與分集增益分別是評價MIMO無線通信系統(tǒng)有效性和可靠性的性能指標(biāo)。已有的研究表明，復(fù)用增益和分集增益之間是此消彼長的關(guān)系，即高復(fù)用增益會導(dǎo)致較低的分集增益，反之亦然;分集復(fù)用折中(DMT)正是反映了分集增益和復(fù)用增益之間的這種折中關(guān)系。因此，通過分析DMT性能來評估協(xié)作傳輸系統(tǒng)有效性

3、和可靠性是一個合理的選擇。另外，衡量傳輸系統(tǒng)安全性的性能指標(biāo)通常采用“安全速率”，其含義是授權(quán)用戶能正確解碼、而竊聽器不能解碼的信息傳輸速率。
　　本文針對幾種典型的無線協(xié)作通信場景，研究基于DMT優(yōu)化或者安全速率優(yōu)化的無線協(xié)作傳輸策略。在對抗多徑衰落方面，設(shè)計更為有效的多中繼協(xié)作傳輸策略，優(yōu)化系統(tǒng)的DMT性能;在對抗竊聽方面，設(shè)計更為有效的混合式協(xié)作傳輸策略，達(dá)到更大的安全速率。本文主要研究內(nèi)容與貢獻(xiàn)如下:
　　1)對于多

4、中繼點對點信道模型，提出了一種基于中繼復(fù)用的協(xié)作傳輸策略。該策略的基本思想是用兩個半雙工中繼模擬一個全雙工中繼，克服中繼的半雙工限制;另外，該策略融合了分層中繼選擇和線性迫零算法，其中分層中繼選擇保證了最優(yōu)的分集增益，而復(fù)雜度較低的迫零算法用于消除中繼間干擾。理論分析和Monte Carlo仿真實驗表明該策略能優(yōu)化系統(tǒng)的DMT性能，并且能逼近多輸入單輸出(MISO)系統(tǒng)的最優(yōu)上界。
　　2)對于多中繼多接入信道模型，提出了一種基于

5、疊加編碼和中繼復(fù)用的協(xié)作傳輸策略。該協(xié)作策略的特點是保證每個源信息能在各個源端以及中繼上被發(fā)送，從而實現(xiàn)源端之間以及源端與中繼之間的完全協(xié)作，從而達(dá)到該系統(tǒng)的最優(yōu)分集增益。理論分析和Monte Carlo仿真實驗表明，該策略能優(yōu)化系統(tǒng)DMT性能，并且能逼近最優(yōu)MISO系統(tǒng)的上界。
　　3)對于中繼竊聽信道，提出了三種混合式協(xié)作傳輸策略:基于有噪網(wǎng)絡(luò)編碼(NNC)的策略、基于部分解碼前傳(PaDF)的策略、基于人工狀態(tài)(AS)的策略

6、。第一種協(xié)作策略融合了NNC壓縮前傳技術(shù)和干擾協(xié)助技術(shù)，其中的NNC壓縮前傳技術(shù)是為了提升授權(quán)用戶間的通信能力，而干擾協(xié)助技術(shù)是為了抑制竊聽信道，從而達(dá)到幫助主信道、同時抑制竊聽信道的效果。第二種協(xié)作策略利用疊加編碼、反向解碼等基本編解碼方法，融合部分解碼前傳技術(shù)和噪聲前傳技術(shù)，以提升授權(quán)用戶間的通信能力、同時抑制竊聽信道。第三種協(xié)作策略融合了人工狀態(tài)和噪聲前傳技術(shù)，其中的人工狀態(tài)是由源端產(chǎn)生，它聯(lián)合中繼產(chǎn)生的干擾信息可以有效地抑制竊聽

7、信道，而不對目的端產(chǎn)生任何損害。這種協(xié)作策略的特點是中繼不接收任何源端信息，因而不受源端到中繼信道質(zhì)量的影響。
　　另外，針對高斯中繼竊聽信道，對以上三種協(xié)作傳輸策略作了具體的設(shè)計，并利用信息論安全基礎(chǔ)理論分析了它們的可達(dá)安全速率。理論分析和數(shù)值結(jié)果均表明所提協(xié)作策略可以提升系統(tǒng)的安全性能。
　　4)對于具有“會議”的多接入竊聽信道，提出了一種基于Willems編碼的混合式協(xié)作傳輸策略。其基本思想是融合Willems編碼和W