無(wú)線協(xié)同中繼網(wǎng)絡(luò)的容量和中斷性能研究.pdf

1、因?yàn)闊o(wú)線廣播會(huì)引起無(wú)線信號(hào)間干擾，無(wú)線通信的廣播特性在過(guò)去被普遍認(rèn)為是對(duì)無(wú)線通信十分不利的因素。然而協(xié)同通信利用了無(wú)線媒介的廣播特性來(lái)改善無(wú)線通信質(zhì)量。當(dāng)某一發(fā)送端發(fā)送信號(hào)給接收端時(shí)，其鄰近的終端由于無(wú)線的廣播特性也能夠偵聽(tīng)到發(fā)送端的發(fā)送信號(hào)，若采用協(xié)作傳輸協(xié)議幫助信息傳輸，能夠有效地改善系統(tǒng)傳輸速率和中斷性能。因此協(xié)同通信引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界與工業(yè)界的廣泛研究。本文基于信息理論和概率理論，圍繞無(wú)線協(xié)同網(wǎng)絡(luò)中的容量和中斷性能進(jìn)行研究，提出

2、了協(xié)同網(wǎng)絡(luò)中的編碼策略，并且分析了它們實(shí)現(xiàn)的容量區(qū)域和中斷性能。本文的主要研究?jī)?nèi)容及貢獻(xiàn)如下：
　　(1)物理層網(wǎng)絡(luò)編碼利用了無(wú)線電波的廣播特性來(lái)減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)隙，提升系統(tǒng)的傳輸速率。目前工作考慮無(wú)編碼QAM調(diào)制系統(tǒng)，通過(guò)仿真系統(tǒng)的誤碼率來(lái)證明物理層網(wǎng)絡(luò)編碼能夠改善網(wǎng)絡(luò)性能，但不能反映編碼系統(tǒng)的傳輸速率。針對(duì)運(yùn)用比特交織編碼調(diào)制（BICM）的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼，本文運(yùn)用信息理論分析該機(jī)制的可達(dá)傳輸速率，并且利用Turbo碼的線性特性

3、，提出了聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)編碼和Turbo碼低復(fù)雜度編碼機(jī)制。只要保證QAM信號(hào)嵌套，該機(jī)制能應(yīng)用于信道增益隨機(jī)分布的衰落信道。通過(guò)理論分析和仿真結(jié)果表明：物理層網(wǎng)絡(luò)編碼在高信噪比情況下能夠逼近信道容量的上界，并且聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)編碼和信道編碼機(jī)制能夠逼近物理層網(wǎng)絡(luò)編碼實(shí)現(xiàn)的信道容量極限。
　　(2)隨機(jī)碼沒(méi)有良好的結(jié)構(gòu)性，因此聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)編碼和隨機(jī)信道編碼機(jī)制獲得次優(yōu)的傳輸速率。利用Lattice碼的結(jié)構(gòu)，本文針對(duì)雙向中繼信道提出了基于前向解碼（DF

4、）協(xié)議的方形Lattice編碼機(jī)制。方形Lattice碼雖然導(dǎo)致大約0.25bits/傳輸?shù)乃俾蕮p失，但降低了Lattice編碼的復(fù)雜度。通過(guò)理論分析表明，基于DF協(xié)議的Lattice編碼機(jī)制與隨機(jī)編碼相比能夠獲得更大的數(shù)據(jù)傳輸速率，但是此協(xié)議僅僅適用于需要通過(guò)反饋完全信道狀態(tài)信息機(jī)制來(lái)保證輸入中繼節(jié)點(diǎn)的信道增益相等和相位同步的無(wú)線通信場(chǎng)景，這增加了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的成本和要求。因此本文進(jìn)一步提出了適用于衰落信道的基于前向放大（AF）協(xié)議的La

5、ttice編碼機(jī)制。通過(guò)對(duì)中繼節(jié)點(diǎn)接收信號(hào)進(jìn)行模操作，降低中繼節(jié)點(diǎn)接收信號(hào)的功率，獲得更大的前向放大因子來(lái)提升傳輸速率。由于該機(jī)制不需要反饋機(jī)制，從而降低了系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)要求。分析表明：當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)的輸入信道增益差異大時(shí)，基于AF協(xié)議的Lattice編碼機(jī)制要優(yōu)于其它協(xié)議。
　　(3)蝶形網(wǎng)絡(luò)建模中繼節(jié)點(diǎn)“幫助”兩相鄰小區(qū)與兩用戶(hù)通信的通信場(chǎng)景，目前該系統(tǒng)的中斷性能沒(méi)有被研究。另外，需要完全信道狀態(tài)信息的功率和速率分配機(jī)制不適用于一些實(shí)

6、際應(yīng)用場(chǎng)景，例如當(dāng)從接收端到發(fā)送端的信道容量較小時(shí)，系統(tǒng)不能正確反饋完全信道狀態(tài)信息導(dǎo)致這些機(jī)制不能正常工作。如果使用部分信道狀態(tài)信息實(shí)現(xiàn)功率和速率分配能有效地改善傳輸質(zhì)量。本文推導(dǎo)出蝶形網(wǎng)絡(luò)中正交前向放大（OAF）、非正交前向放大（NAF）協(xié)議實(shí)現(xiàn)的中斷概率閉式表達(dá)式，并且以最小化中斷概率為目標(biāo)提出基于信道統(tǒng)計(jì)特性的功率和速率分配算法。通過(guò)仿真表明：中斷概率的理論分析結(jié)果與仿真結(jié)果在高信噪比下幾乎重合，并且功率和速率算法能夠獲逼近最優(yōu)

7、的優(yōu)化算法。
　　(4)模擬網(wǎng)絡(luò)編碼（ANC）協(xié)議要求中繼節(jié)點(diǎn)僅僅放大接收信號(hào)然后轉(zhuǎn)發(fā)的簡(jiǎn)單信號(hào)處理，因此ANC協(xié)議被廣泛研究。目前ANC協(xié)議的中斷概率分析是基于兩個(gè)信源交換信息的雙向中繼信道，這些結(jié)論不能直接推廣到通用的任意信源數(shù)目的協(xié)同網(wǎng)絡(luò)中。本文基于多源多宿分享單中繼系統(tǒng)，推導(dǎo)出了每個(gè)信源節(jié)點(diǎn)中斷概率閉式表達(dá)式和ANC協(xié)議實(shí)現(xiàn)的DMT性能。通過(guò)分析結(jié)果和仿真結(jié)果表明：中斷概率的理論分析結(jié)果在高信噪情況下逼近仿真結(jié)果，沒(méi)有假設(shè)

8、條件下的ANC協(xié)議與理想假設(shè)條件下（假設(shè)每個(gè)目的節(jié)點(diǎn)能夠可靠偵聽(tīng)到其它信源節(jié)點(diǎn)的信息）基于XOR網(wǎng)絡(luò)編碼協(xié)議實(shí)現(xiàn)相同的DMT性能。
　　(5)獲得復(fù)雜協(xié)同傳輸協(xié)議精確的可達(dá)傳輸速率和中斷性能是非常困難的，所以協(xié)同網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率和中斷概率漸近分析成為重要的分析手段。DMT性能通過(guò)分集（在高信噪比情況下漸近中斷概率）和復(fù)用增益（在高信噪比情況下漸近容量）來(lái)表示數(shù)據(jù)傳輸速率和中斷概率之間的折衷關(guān)系，是衡量協(xié)同通信協(xié)議的一項(xiàng)重要指標(biāo)。目前

9、基于雙向中繼系統(tǒng)的DMT性能分析工作是假設(shè)兩個(gè)信源發(fā)送相同的數(shù)據(jù)速率，這是不實(shí)際的。本文基于雙向中繼多天線系統(tǒng)，考慮兩個(gè)信源節(jié)點(diǎn)以不同的數(shù)據(jù)速率發(fā)送信號(hào)的通信場(chǎng)景，分別推導(dǎo)出OAF、正交前向解碼（ODF）、NAF、非正交前向解碼（NDF）和動(dòng)態(tài)前向解碼（DDF）協(xié)議實(shí)現(xiàn)的DMT性能的閉式表達(dá)式，并且通過(guò)分配每個(gè)節(jié)點(diǎn)的發(fā)送時(shí)間來(lái)最大化OAF、NAF、ODF和NDF協(xié)議的DMT性能。通過(guò)理論分析結(jié)果表明：NDF和NAF協(xié)議分別要優(yōu)于ODF協(xié)