無線中繼系統(tǒng)中的協(xié)作傳輸和資源分配研究.pdf

1、多輸入多輸出(MIMO)為代表的空間分集技術(shù)從不同的天線發(fā)送信號,使得接收端得到經(jīng)歷獨立衰落的多個信號副本,從而有效消除多徑衰落的影響,并且不需要占用額外的時間和頻帶資源,因此得到了廣泛的關(guān)注。但應當指出,雖然發(fā)射分集技術(shù)可使系統(tǒng)性能得到多方面的提升,而在實際的通信系統(tǒng)中,由于天線尺寸、功耗和成本等多方面的限制,通常的無線終端采用多天線是不可接受的,因此極大地限制了MIMO技術(shù)在無線移動終端中的應用。由于協(xié)作分集中的合作伙伴共享彼此的天

2、線,從而構(gòu)成了虛擬的MIMO系統(tǒng),從這個意義上講,協(xié)作分集為多天線技術(shù)走向?qū)嵱没峁┝艘粭l新的途徑。本論文針對無線中繼系統(tǒng)中的協(xié)作傳輸技術(shù)進行研究,提出幾種協(xié)作傳輸方案并對相應方案的資源分配策略進行了分析。論文的主要工作概括如下:
　　 1.分別從碼字結(jié)構(gòu)的設計和正交頻分復用(OFDM)技術(shù)的應用這兩個角度,提出了消除異步影響的空時協(xié)作傳輸方案。
　　 a)提出了一種在異步情況下仍可以實現(xiàn)差分空時協(xié)作的方案。將二進制相移

3、鍵控(BPSK)的信息符號分成兩部分,分別在I路和Q路上進行差分調(diào)制,再進行時間反轉(zhuǎn)空時分組編碼(TR-STBC),接收端對信號進行類似差分空時分組編碼(STBC)的譯碼,譯碼的I,Q兩路分別是互不重疊的兩部分信號,從而去除了異步所產(chǎn)生的干擾。誤碼率分析和系統(tǒng)仿真結(jié)果表明該方案在異步情況下仍可獲得協(xié)作的分集增益。
　　 b)提出了可獲得OFDM調(diào)制下多徑增益的一種簡單空時協(xié)作方案。根據(jù)OFDM子載波信道的相關(guān)性及協(xié)作分集的發(fā)送特

4、點,充分利用協(xié)作的廣播階段,在協(xié)作分集發(fā)送的不同時隙,將信號在相關(guān)性最小的子載波信道上傳輸,使系統(tǒng)在不損失頻譜利用率的情況下多獲得一階的分集增益。通過對功率分配的研究,給出了最佳的功率分配方案,并對系統(tǒng)理論誤碼率進行了分析。仿真結(jié)果表明該方案可以獲得明顯的性能增益。
　　 2.將無線網(wǎng)絡編碼技術(shù)與協(xié)作傳輸技術(shù)相結(jié)合,給出了以下方案a)提出了一種基于網(wǎng)絡編碼的無線中繼方案,并通過研究該方案的系統(tǒng)中斷概率,給出了最優(yōu)功率分配(OPA

5、)策略。根據(jù)M進制相移鍵控(MPSK)調(diào)制的相位特性,在中繼節(jié)點和基站直接以調(diào)制后的符號進行編碼和譯碼,利用對系統(tǒng)中斷概率的分析,推出了高信噪比(SMR)下中斷概率的上界,分析最小化中斷概率的上界,得出OPA策略。仿真結(jié)果表明,所提方案性能要優(yōu)于傳統(tǒng)的中繼方案,并且采用OPA策略的系統(tǒng)能夠獲得明顯的性能增益。
　　 b)提出了譯碼轉(zhuǎn)發(fā)(DF)和放大轉(zhuǎn)發(fā)(AF)協(xié)議下空時協(xié)作網(wǎng)絡編碼方案的OPA策略。首先推導了系統(tǒng)中斷概率的表達式

6、及高信噪比下的近似解,然后根據(jù)網(wǎng)絡編碼的性質(zhì),以最小化源節(jié)點間兩個中斷概率中的較大者為優(yōu)化目標,利用迭代算法獲得OPA因子。此外,還給出了一些特殊場景下OPA因子的閉式解。所提OPA策略僅需信道的平均增益信息且計算復雜度低,易于系統(tǒng)實現(xiàn)。仿真結(jié)果表明,與平均功率分配(EPA)策略相比,所提功率優(yōu)化分配策略使系統(tǒng)的中斷概率和誤碼率性能均得到有效提升。
　　 3.在中繼選擇技術(shù)的研究方面,分別從單中繼系統(tǒng)下中繼是否參與協(xié)作和多中繼系

7、統(tǒng)下選擇最優(yōu)中繼進行協(xié)作這兩個方面入手,提出了以下方案:
　　 a)考慮直傳信道,采用三時隙的雙向中繼方案,提出了一種基于網(wǎng)絡編碼和空時協(xié)作的增強型雙向中繼方案。該方案下中繼節(jié)點不僅決定是否參與轉(zhuǎn)發(fā),還要根據(jù)系統(tǒng)各節(jié)點的反饋來決定自身發(fā)送信號的格式,將網(wǎng)絡編碼和空時協(xié)作有機結(jié)合,提高系統(tǒng)資源利用率和網(wǎng)絡吞吐。推導了現(xiàn)有的兩種雙向中繼方案及該方案的中斷概率,并分析了各方案在快衰落和慢衰落信道下的分集增益和網(wǎng)絡編碼增益。結(jié)果表明:相

8、對于其它兩種方案,所提方案在快衰落信道下,可獲得三階的分集增益；在慢衰落信道下,也可獲得更高的編碼增益。
　　 b)基于多中繼多目的協(xié)作系統(tǒng),分別在AF協(xié)議和DF協(xié)議下,提出了結(jié)合功率分配的最優(yōu)中繼選擇方案。根據(jù)功率分配所需的信道狀態(tài)信息不同,分別研究了基于統(tǒng)計信道狀態(tài)信息(SCSI)和基于瞬時信道狀態(tài)信息(ICSI)的最優(yōu)功率分配(OPA),通過對中斷概率的分析,基于SCSI-OPA和ICSI-OPA的中繼選擇的方案均能獲得全