多用戶協(xié)作通信中的雙向中繼技術(shù)研究.pdf

1、協(xié)作中繼技術(shù)在提高無(wú)線通信覆蓋范圍和系統(tǒng)有效性、可靠性方面已顯示出強(qiáng)大的威力，成為21世紀(jì)以來(lái)無(wú)線通信領(lǐng)域的熱點(diǎn)技術(shù)之一。然而，由于實(shí)際中繼通信系統(tǒng)的半雙工限制，使得傳統(tǒng)的單向協(xié)作中繼在提高無(wú)線通信性能的同時(shí)也帶來(lái)了頻譜效率的損失。為此，研究人員提出了雙向中繼技術(shù)來(lái)進(jìn)一步提高系統(tǒng)吞吐量，彌補(bǔ)傳統(tǒng)單向協(xié)作中繼頻譜利用率低下的缺點(diǎn)。目前，雙向中繼技術(shù)已受到國(guó)內(nèi)外科研人員的廣泛關(guān)注，成為無(wú)線通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。本文考慮雙向中繼系統(tǒng)傳輸問(wèn)題

2、，對(duì)雙向中繼系統(tǒng)中的功率分配和控制以及中繼選擇問(wèn)題做了深入研究。主要工作和貢獻(xiàn)如下：
　　(1)理論分析了多址接入廣播(MABC)協(xié)議在放大轉(zhuǎn)發(fā)(AF)、解碼轉(zhuǎn)發(fā)(DF)[包括解碼再疊加編碼轉(zhuǎn)發(fā)(DF-SC)和解碼再網(wǎng)絡(luò)編碼轉(zhuǎn)發(fā)(DF-NC)兩種]和去噪轉(zhuǎn)發(fā)(DNF)機(jī)制下的系統(tǒng)中斷性能。通過(guò)理論推導(dǎo)給出了上述中繼機(jī)制在瑞利衰落信道下的中斷概率解析式。仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的正確性。另外，數(shù)值仿真結(jié)果表明：在源節(jié)點(diǎn)中、小目標(biāo)速率下

3、，DNF機(jī)制在任何信道情況下均有較好的中斷性能；DF-NC中繼在鏈路不對(duì)稱或小目標(biāo)速率情況下具有較好性能，且隨著信道不對(duì)稱度的增加或目標(biāo)速率的下降，性能逼近于DNF中繼；在大目標(biāo)速率情況下，DF中繼的中斷性能將極度的惡化；AF中繼與DNF中繼相似，對(duì)系統(tǒng)目標(biāo)速率和信道特性不太敏感，適用于大速率和大信噪比情況；相對(duì)于DNF、DF-NC和AF中繼，DF-SC中繼性能較差，但在強(qiáng)不對(duì)稱信道下，性能與AF中繼接近，在大速率情況下與DF-NC中繼

4、相同。
　　(2)針對(duì)基于放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼的多址接入廣播(AF-MABC)協(xié)議提出一種基于業(yè)務(wù)知識(shí)的功率分配算法和兩種節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率受限情況下的功率控制算法。考慮一種具有不對(duì)稱業(yè)務(wù)和鏈路特性的網(wǎng)絡(luò)模型，理論分析了不對(duì)稱AF-MABC協(xié)議在瑞利衰落信道下的中斷性能，給出了系統(tǒng)中斷概率的漸進(jìn)閉合表達(dá)式。理論分析發(fā)現(xiàn)，節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率和源節(jié)點(diǎn)目標(biāo)速率共同決定系統(tǒng)中斷概率，并且在大多數(shù)業(yè)務(wù)下系統(tǒng)中斷性能僅取決于單向鏈路，而與另一鏈路無(wú)關(guān)?；诖?，利

5、用系統(tǒng)業(yè)務(wù)知識(shí)和信道狀態(tài)信息(CSI)，以優(yōu)化系統(tǒng)中斷性能為目標(biāo)，研究網(wǎng)絡(luò)發(fā)射功率一定下的最佳功率分配(基于瞬時(shí) CSI)和節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率受限情況下的功率控制(基于瞬時(shí)或統(tǒng)計(jì) CSI)。結(jié)果表明，通過(guò)功率分配能夠?qū)崿F(xiàn)任意業(yè)務(wù)類型和鏈路特性下的系統(tǒng)中斷性能優(yōu)化；相比于最大功率發(fā)送，通過(guò)功率控制系統(tǒng)中斷性能得到有效提升；基于瞬時(shí) CSI信息的功率控制算法性能要優(yōu)于基于統(tǒng)計(jì) CSI信息的控制算法性能。
　　(3)針對(duì)AF-MABC協(xié)議提出

6、一種基于業(yè)務(wù)知識(shí)的中繼選擇算法和中繼位置選擇算法。同樣，考慮一種具有不對(duì)稱業(yè)務(wù)和鏈路特性的網(wǎng)絡(luò)模型，利用系統(tǒng)業(yè)務(wù)知識(shí)和瞬時(shí)CSI信息，研究最佳中繼選擇，以實(shí)現(xiàn)任意業(yè)務(wù)和鏈路條件下的系統(tǒng)中斷性能優(yōu)化。通過(guò)理論分析，給出所提算法在瑞利信道中不同業(yè)務(wù)情況下的系統(tǒng)中斷概率閉合解析式或中斷概率上界。數(shù)值仿真結(jié)果表明：相比于傳統(tǒng)的max-min準(zhǔn)則，在強(qiáng)不對(duì)稱業(yè)務(wù)情況下，所提中繼選擇算法的性能優(yōu)勢(shì)明顯。此外，利用系統(tǒng)業(yè)務(wù)知識(shí)和統(tǒng)計(jì)CSI信息，研究中

7、繼節(jié)點(diǎn)最佳位置選擇，以優(yōu)化系統(tǒng)中斷性能。仿真結(jié)果表明：通過(guò)中繼位置的選擇能夠有效提升系統(tǒng)中斷性能；當(dāng)源節(jié)點(diǎn)目標(biāo)速率固定時(shí)，最佳中繼位置應(yīng)靠近發(fā)射功率較小的節(jié)點(diǎn)；當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率固定時(shí)，在強(qiáng)不對(duì)稱業(yè)務(wù)情況下，最佳中繼位置不變；在中等不對(duì)稱和對(duì)稱業(yè)務(wù)情況下，最佳中繼位置隨著節(jié)點(diǎn)目標(biāo)速率的變化而更加靠近具有較大速率的源節(jié)點(diǎn)。
　　(4)針對(duì)DF-NC系統(tǒng)提出一種單一準(zhǔn)則的中繼選擇算法。首先，分析了DF-NC系統(tǒng)的可達(dá)速率域。然后，理論分析

8、了max-min和max-sum準(zhǔn)則在瑞利衰落信道條件下的系統(tǒng)中斷性能，給出了max-min準(zhǔn)則下的系統(tǒng)中斷概率閉合解析式和max-sum準(zhǔn)則下的系統(tǒng)中斷概率上、下界。研究發(fā)現(xiàn)：在大信噪比情況下，max-min準(zhǔn)則具有性能優(yōu)勢(shì)，而在小信噪比情況下，max-sum準(zhǔn)則優(yōu)于max-min準(zhǔn)則。基于此，在不增加中繼選擇算法復(fù)雜度的基礎(chǔ)上，合并max-min和max-sum準(zhǔn)則的優(yōu)勢(shì)，提出一種最大調(diào)和均值準(zhǔn)則算法。數(shù)值仿真結(jié)果表明：所提中繼選擇

9、算法能夠獲得滿分集增益；相比于max-min準(zhǔn)則，所提算法始終具有性能優(yōu)勢(shì)；相比于max-sum準(zhǔn)則，僅在低信噪比和對(duì)稱信道條件下，所提算法性能略差。
　　(5)針對(duì)DF-SC系統(tǒng)，利用系統(tǒng)業(yè)務(wù)知識(shí)，提出兩種中繼選擇算法：基于max-min準(zhǔn)則的改進(jìn)型中繼選擇算法和基于平衡技術(shù)(balance technique)的聯(lián)合中繼選擇算法。首先，理論分析了DF-SC系統(tǒng)的可達(dá)速率域。接著，利用源節(jié)點(diǎn)目標(biāo)速率的不對(duì)稱性，提出一種改進(jìn)型的m

10、ax-min準(zhǔn)則，并通過(guò)理論分析給出了所提算法在瑞利衰落信道下的中斷概率閉合解析式。此外，利用平衡技術(shù)，考慮中繼選擇和中繼端疊加信號(hào)功率分配的聯(lián)合進(jìn)行，提出一種聯(lián)合選擇算法。數(shù)值仿真結(jié)果表明：所提算法能夠顯著提升網(wǎng)絡(luò)的中斷性能；由于聯(lián)合選擇算法綜合考慮了中繼選擇和疊加信號(hào)功率分配，因此，聯(lián)合選擇算法具有性能優(yōu)勢(shì)。
　　(6)針對(duì)DNF系統(tǒng)提出一種基于最大和容量準(zhǔn)則的中繼選擇算法。首先，理論分析了DNF系統(tǒng)的可達(dá)速率域，給出最大和容