高效低復雜度的雙向放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼傳輸技術(shù)研究.pdf

1、協(xié)作分集技術(shù)作為一種虛擬多輸入多輸出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）技術(shù)，在無線通信領(lǐng)域具有非常廣闊的應用前景。它不僅能夠獲得提高數(shù)據(jù)傳輸速率和傳輸質(zhì)量方面的益處、突破無線終端必須配備多天線方面的限制，而且還能有效地擴大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍、覆蓋陰影區(qū)域、節(jié)約能耗。然而，由于在實際通信系統(tǒng)中使用的是半雙工的中繼，導致基于傳統(tǒng)單向中繼技術(shù)的協(xié)作系統(tǒng)頻譜利用率低。為此，一種稱之為雙向中繼的新協(xié)作技術(shù)應運而生

2、，該技術(shù)允許中繼在同一時刻同時為兩個終端節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)信號，大幅度提高了系統(tǒng)的速率以及頻譜利用率。其中，基于放大轉(zhuǎn)發(fā)（Amplify-and-Forward，AF）的雙向中繼技術(shù)，由于具有較高的頻譜利用率和較低的實現(xiàn)復雜度，成為了無線通信領(lǐng)域最重要的熱點之一。本文以基于高效低復雜度的雙向AF中繼傳輸技術(shù)的協(xié)作通信系統(tǒng)為研究對象，從性能分析、節(jié)點選擇和功率分配三個方向，圍繞中斷概率研究、鏈路速率非對稱性、頻譜效率（Spetrum Efficie

3、ncy，SE）和能量效率（Energy Efficiency，EE）的權(quán)衡、非理想信道狀態(tài)信息（Channel State Information，CSI）等問題展開的研究。本文的主要工作和貢獻概括如下：
　　第一部分針對雙向 AF中繼協(xié)作通信系統(tǒng)的傳統(tǒng)中斷概率分析方法適用范圍不夠廣泛的問題，考慮更一般的衰落信道模型：兩個終端節(jié)點與中繼間的信道相互獨立，且可以分別服從不同的衰落，研究更為全面、通用的中斷概率表達式。首先，提出一種基

4、于積分區(qū)域的幾何分析法，該方法不依賴于信道衰落分布函數(shù)的具體形式。針對三節(jié)點雙向AF中繼協(xié)作通信系統(tǒng)，分別推導得到了單向中斷概率和系統(tǒng)中斷概率通用表達式及閉合下界。然后，將研究場景拓展到多中繼多用戶雙向AF中繼協(xié)作通信系統(tǒng)，推導得到了系統(tǒng)中斷概率表達式和閉合下界。這些表達式很簡潔，都是信道增益模平方的分布函數(shù)（Cumulative Distribution Function，CDF）的函數(shù)，適用于不同的衰落信道。特別是得到的閉合下界，可

5、用于系統(tǒng)漸進性能的分析，如分集增益、編碼增益等。仿真結(jié)果驗證了本文推導得到的公式的正確性，與現(xiàn)有其他工作相比，還具有高效性、通用性和靈活性的優(yōu)勢。
　　第二部分針對多中繼雙向AF協(xié)作通信系統(tǒng)中雙向鏈路速率非對稱問題，在充分分析速率的非對稱性對系統(tǒng)性能的影響的基礎(chǔ)上，研究該系統(tǒng)下的最優(yōu)中繼選擇算法。根據(jù)信道速率的非對稱性，提出一種基于信道流量信息的中繼選擇算法并分別在Rayleigh和Rician衰落信道下進行詳細的性能分析。對于R

6、ayleigh衰落信道，給出了系統(tǒng)中斷概率精確閉合表達式及分集增益和編碼增益；對于 Rician衰落信道，推導得到了系統(tǒng)中斷概率的閉合表達式，并確定該中繼選擇算法獲得的分集增益和編碼增益。仿真結(jié)果表明，相比于傳統(tǒng)的中繼選擇，本章提出的選擇算法在非對稱的條件下能顯著地提高系統(tǒng)的性能。
　　第三部分針對SE和EE往往無法兼得的問題，主要研究非對稱雙向AF中繼協(xié)作通信系統(tǒng)的SE-EE權(quán)衡問題。首先基于統(tǒng)計CSI分別建立了SE和EE的統(tǒng)計

7、模型，并根據(jù)這兩個模型建立最優(yōu)化功率分配問題聯(lián)合優(yōu)化 SE和EE，然后根據(jù)非線性分式規(guī)劃相關(guān)理論，得到閉合形式全局最優(yōu)解，同時證明了該解為 SE和EE的帕累托最優(yōu)解。最后針對多中繼系統(tǒng)，提出基于SE-EE權(quán)衡的中繼選擇算法。實現(xiàn)了通過調(diào)節(jié)一個權(quán)衡因子就能簡單高效地完成SE和EE間的權(quán)衡，達到它們間的帕累托最優(yōu)。
　　第四部分針對實際場景中無法獲得理想CSI的問題，研究非理想CSI對雙向AF協(xié)作通信系統(tǒng)的性能的影響并通過魯棒的功率分

8、配的方法袮補其帶來的性能損失。分別分析了該系統(tǒng)的單向中斷概率、平均SER和系統(tǒng)中斷概率的影響，分別推導得到了它們的準確表達式、高信噪比漸進表達式以及由非理想 CSI引入的誤碼平層（Error floor，EF）。分析結(jié)果和仿真結(jié)果表明，非理想CSI給雙向中繼系統(tǒng)帶來了嚴重的性能損失，在高SNR條件下會出現(xiàn)地板效應。于是，根據(jù)系統(tǒng)的需求，提出兩種魯棒的功率分配問題：以總消耗的功率為約束條件，以系統(tǒng)中斷概率為優(yōu)化目標，建立功率分配最優(yōu)化問題