高性能、低復(fù)雜度協(xié)作分集策略研究.pdf

1、通過(guò)單天線終端間相互幫助轉(zhuǎn)發(fā)信息，可以構(gòu)成虛擬的天線陣列，實(shí)現(xiàn)端到端傳輸可靠性的顯著提高。這種單天線終端間通過(guò)彼此共享發(fā)射天線實(shí)現(xiàn)空間分集的技術(shù)被稱為協(xié)作分集技術(shù)。一直以來(lái)，協(xié)作分集技術(shù)面臨著兩類基本問(wèn)題：一是如何在獲取系統(tǒng)滿分集增益的同時(shí)提高傳輸?shù)念l譜效率；二是如何以較小的信令開銷和反饋延遲獲得系統(tǒng)滿分集增益。此外，現(xiàn)有協(xié)作分集系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)角色（即作為信源或中繼）通常是固定不可變的，這不利于提高系統(tǒng)配置的靈活性和保證各節(jié)點(diǎn)信息傳輸?shù)墓?/p>

2、平性。本文針對(duì)上述問(wèn)題展開深入研究，取得的主要成果如下：
　　一、多用戶協(xié)作系統(tǒng)高效分集增益提取方法研究
　　提出了兩種高效提取多用戶協(xié)作系統(tǒng)滿分集增益的方法：分步提取法和遞增提取法。進(jìn)而，將這兩種方法分別運(yùn)用于多源多中繼協(xié)作系統(tǒng)和單源-單中繼-多目的端協(xié)作系統(tǒng)，并獲得了系統(tǒng)滿分集增益。具體來(lái)說(shuō)：
　　1.針對(duì)多源多中繼協(xié)作系統(tǒng)提出了分步提取多用戶分集和協(xié)作分集的方法，并在放大轉(zhuǎn)發(fā)（Amplify-and-Forwar

3、d，AF）和譯碼轉(zhuǎn)發(fā)（Decode-and-Forward，DF）兩種中繼模式下，分別提出了可獲得系統(tǒng)滿分集增益的信源-中繼兩步選擇策略，有效降低了多源多中繼協(xié)作系統(tǒng)分集開采的難度。理論分析和仿真結(jié)果均表明：兩步選擇策略同樣可獲得系統(tǒng)滿分集增益，所需的鏈路信道狀態(tài)信息由節(jié)點(diǎn)數(shù)二次冪量級(jí)降為節(jié)點(diǎn)數(shù)一次冪量級(jí)，且節(jié)點(diǎn)（信源和中繼）選擇可采用分布式定時(shí)器方法執(zhí)行，執(zhí)行復(fù)雜度顯著降低；
　　2.針對(duì)單源-單中繼-多目的端協(xié)作系統(tǒng)，提出了兼

4、顧傳輸可靠性和譜效率的協(xié)作傳輸策略MU-IDF（Incremental DF relaying with MUltiuser diversity）。在此基礎(chǔ)上，提出了二次機(jī)會(huì)選擇方法，并基于該方法提出了MU-IIDF（Improved Incremental DF relaying with MUltiuser diversity）策略。與傳統(tǒng)協(xié)作傳輸策略相比，建議策略可獲得系統(tǒng)滿分集增益，且頻譜效率顯著提升。在高信噪比條件下，建議策略

5、的頻譜效率逼近于直傳的頻譜效率；
　　3.針對(duì)ANC（Analog Network Coding）協(xié)議不能獲得系統(tǒng)滿分集增益和TDBC（Time Division Broadcast）協(xié)議頻譜效率低的缺點(diǎn)，將多用戶分集和遞增協(xié)作分集相融合提出了比ANC和TDBC協(xié)議的“分集復(fù)用折中性能”更優(yōu)的多用戶雙向協(xié)作傳輸策略，并完備分析了建議策略的中斷性能閉合表達(dá)式以及可達(dá)的分集復(fù)用折中。建議策略與TDBC相比具有更高的頻譜效率，與ANC相

6、比可獲得滿分集增益，是目前為止雙向中繼協(xié)議中分集復(fù)用折中性能最優(yōu)的方案，有效解決了多用戶雙向協(xié)作系統(tǒng)中傳輸可靠性與譜效率之間的矛盾。
　　二、協(xié)作系統(tǒng)分布式鏈路/天線機(jī)會(huì)選擇方法研究
　　在多天線協(xié)作系統(tǒng)中，為獲得空間分集增益經(jīng)常會(huì)涉及對(duì)鏈路和天線等無(wú)線資源的機(jī)會(huì)選擇。傳統(tǒng)方案通常采用中心化選擇方法，通過(guò)指定某節(jié)點(diǎn)集中獲取全局信道狀態(tài)信息以執(zhí)行鏈路/天線選擇，由此導(dǎo)致可觀的信令開銷和選擇延遲。為此，本文構(gòu)建了局部信道狀態(tài)信息

7、判決和判決反饋機(jī)制（簡(jiǎn)稱為分布式判決反饋機(jī)制），進(jìn)而提出了分布式鏈路/天線選擇方法。分布式選擇方法相對(duì)于中心化選擇方法的最大優(yōu)勢(shì)是：在顯著降低信令開銷和反饋延遲基礎(chǔ)上，能夠獲得與中心化選擇方法幾乎相同的傳輸可靠性。本文通過(guò)如下兩類典型多天線協(xié)作系統(tǒng)驗(yàn)證了分布式判決反饋機(jī)制的優(yōu)異性能。
　　1.針對(duì)可變?cè)鲆婧凸潭ㄔ鲆鎯煞N發(fā)射波束成形AF協(xié)作系統(tǒng)，依據(jù)所提出的分布式判決反饋機(jī)制，設(shè)計(jì)了分布式鏈路選擇的判決準(zhǔn)則和執(zhí)行流程，并與中斷最優(yōu)的

8、中心化鏈路選擇方法進(jìn)行了對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：分布式鏈路選擇方法在整個(gè)信噪比區(qū)域均具有與中心化選擇方法幾乎相同的傳輸可靠性，且當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)放置于移動(dòng)臺(tái)附近時(shí)，建議方法將兼具高傳輸可靠性和低信令（延遲）開銷，與中心化鏈路選擇相比優(yōu)勢(shì)明顯；
　　2.針對(duì)發(fā)射天線選擇AF協(xié)作系統(tǒng)，依據(jù)所構(gòu)建的分布式判決反饋機(jī)制，提出了分布式天線選擇思想（Distributed Antenna Selection，DAS），并設(shè)計(jì)了分布式天線選擇準(zhǔn)則和關(guān)鍵執(zhí)

9、行流程。與中斷最優(yōu)的中心化天線選擇方法相比，DAS仍可獲得系統(tǒng)滿分集增益，且執(zhí)行復(fù)雜度顯著降低，所需的信令（延遲）開銷不隨天線數(shù)增長(zhǎng)而變化。當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)放置合理時(shí)，DAS的傳輸可靠性與中心化天線選擇方法非常接近。
　　三、協(xié)作角色動(dòng)態(tài)配置機(jī)制及實(shí)現(xiàn)方法研究
　　針對(duì)現(xiàn)有協(xié)作分集系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)角色（即作為信源或中繼）固定不可變的缺陷，提出了機(jī)會(huì)角色選擇思想（ROle SElection，ROSE），并基于該思想設(shè)計(jì)了中心化ROSE

10、方法（Centralized ROSE，C-ROSE）、分布式ROSE方法（Distributed ROSE，D-ROSE）和基于成比例公平規(guī)劃的ROSE方法（Proportional fair scheduling based ROSE，P-ROSE）。三種ROSE方法分別可獲得最優(yōu)的系統(tǒng)中斷性能、最低的信令開銷和最公平的角色選擇，有效提高了用戶間信息協(xié)作傳輸?shù)墓叫院涂煽啃裕O大增強(qiáng)了協(xié)作系統(tǒng)配置的靈活性。理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)均表明