無線雙向中繼信道的性能分析及傳輸技術(shù)研究.pdf

1、中繼技術(shù)（Relay）可以擴大蜂窩小區(qū)的覆蓋范圍、增強系統(tǒng)的頻譜效率、提高系統(tǒng)的傳輸速率，是下一代移動通信系統(tǒng)中不可缺少的關(guān)鍵技術(shù)之一。引入中繼節(jié)點（Relay node，RN）之后，傳統(tǒng)的點對點（Point-to-ponit）傳輸可以被分割為多跳（Multi-hop）傳輸，形成虛擬多輸入多輸出（Multiple-input multiple-output，MIMO）系統(tǒng)，進而可以有效地增加系統(tǒng)的分集增益。雙向中繼（Two-way re

2、lay）是一種新型的中繼技術(shù)，其利用物理層網(wǎng)絡(luò)編碼（Physical layer network coding，PLNC）技術(shù)，使兩個源節(jié)點可以在一個中繼節(jié)點的幫助下完成信息互傳，有效地提高了系統(tǒng)的頻譜效率。雙向中繼技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前移動通信領(lǐng)域的研究熱點之一。本文圍繞基本的兩時隙雙向中繼信道（Two-way relay channels，TWRC）模型，深入地分析中斷概率（Outage probability）、分集－復(fù)用折衷（Dive

3、rsity-multiplexing tradeoff，DMT）性能以及改進中繼傳輸技術(shù)，主要研究內(nèi)容如下：
　　首先，在有限信噪比（Signal-to-noise ratio，SNR）范圍內(nèi)，本文分析了采用中繼放大轉(zhuǎn)發(fā)（Amplify-and-forward，AF）和解碼轉(zhuǎn)發(fā)（Decode-and-forward，DF）時，雙向中繼信道的中斷概率和有限信噪比下的分集－復(fù)用折衷（Finite-SNR DMT，f-DMT）性能。在兩

4、時隙雙向中繼信道中，假設(shè)兩個源節(jié)點都只有一根天線，中繼節(jié)點可以具有多根天線。針對單天線和中繼節(jié)點具有多天線的放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議，本文推導(dǎo)得出中斷概率的下界。對中繼節(jié)點具有多天線的解碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議，同樣推導(dǎo)出中斷概率的上界和下界。此外，在單天線中繼解碼轉(zhuǎn)發(fā)雙向中繼信道中，可以直接得到中斷概率的閉合表達式。這些關(guān)于解碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議的結(jié)論，適用于任意時隙分配系數(shù)和速率分配系數(shù)。因為中繼放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議的時隙分配是固定的，其結(jié)論適用于任意速率分配。數(shù)值結(jié)果說明推

5、導(dǎo)得出的中斷概率下界和實際蒙特卡洛（Mento Carlo）結(jié)果十分接近。所以，本文基于中斷概率的下界，進一步估計出有限信噪比下分集－復(fù)用折衷性能的表達式。比較中繼放大轉(zhuǎn)發(fā)和解碼轉(zhuǎn)發(fā)兩種協(xié)議在有限信噪比下的分集－復(fù)用折衷性能，可以得出結(jié)論，無論信噪比為何值，放大轉(zhuǎn)發(fā)總是優(yōu)于解碼轉(zhuǎn)發(fā)。這是由于解碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議在多址時隙中要受到和速率的約束。另一方面，中繼放大轉(zhuǎn)發(fā)和解碼轉(zhuǎn)發(fā)的中斷概率性能的比較結(jié)果取決于信道條件。此外，本文通過具體的例子討論了中

6、繼節(jié)點的位置、時隙分配、速率分配對中斷概率和有限信噪比下分集－復(fù)用折衷性能的影響。
　　其次，在低信噪比條件下，本文分析了單天線兩時隙雙向中繼信道的中斷概率和∈-中斷容量，考慮中繼放大轉(zhuǎn)發(fā)、解碼轉(zhuǎn)發(fā)和突發(fā)放大轉(zhuǎn)發(fā)（Bursty amplify-and-forward，BAF）三種協(xié)議。在低信噪比條件下，本文推導(dǎo)得出中繼放大轉(zhuǎn)發(fā)和突發(fā)放大轉(zhuǎn)發(fā)中斷概率的下界和解碼轉(zhuǎn)發(fā)中斷概率的閉合表達式。數(shù)值結(jié)果說明，在低信噪比范圍內(nèi)，本文推導(dǎo)出的放

7、大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議的中斷概率下界要比在有限信噪比條件下的中斷概率下界更接近于實際蒙特卡洛結(jié)果。另一方面，考慮低信噪比和低中斷概率條件，本文分析了中繼放大轉(zhuǎn)發(fā)、解碼轉(zhuǎn)發(fā)和突發(fā)放大轉(zhuǎn)發(fā)的可達∈-中斷速率的極限性能。
　　最后，本文改進了多天線雙向中繼信道的中繼壓縮轉(zhuǎn)發(fā)（Compress-and-forward，CF）技術(shù)。中繼壓縮轉(zhuǎn)發(fā)雖然是中繼通信的基本協(xié)議之一，但是在多天線雙向中繼信道中，關(guān)于改進中繼壓縮轉(zhuǎn)發(fā)的研究報道較少。在多天線雙向中繼

8、信道中，一種簡單的壓縮轉(zhuǎn)發(fā)方式是，中繼節(jié)點在多址時隙中將每根天線上接收到的信號都加上獨立同分布（Independent identical distribution，i.i.d.）的加性高斯白噪聲（Additive White Gaussian Noise，AWGN）。本文提出的改進協(xié)議關(guān)鍵在于利用數(shù)學(xué)上的近似聯(lián)合對角化方法（Approximate joint diagonalization，AJD），將多址時隙中的兩個信道矩陣同時進行