無線網(wǎng)絡(luò)中協(xié)作通信系統(tǒng)的性能分析.pdf

1、作為抵抗無線衰落損傷、提高通信系統(tǒng)可靠性和增加系統(tǒng)傳輸速率的一種有效手段，協(xié)作(Cooperative)通信技術(shù)無疑是近幾年學(xué)術(shù)界研究的熱點之一。在無線環(huán)境中，單天線便攜式移動節(jié)點可以協(xié)調(diào)地共享其它節(jié)點的資源，在源節(jié)點與目的節(jié)點之間構(gòu)建多條通信鏈路，形成一個虛擬的MIMO系統(tǒng)，從而為小型移動設(shè)備的MIMO實用化提供了一條嶄新的出路。 鑒于協(xié)作通信技術(shù)將會發(fā)展成為未來無線通信領(lǐng)域廣泛采用的傳輸技術(shù)之一。因此，在投入實際應(yīng)用之前則非

2、常有必要詳盡地探討和評估其各方面性能。本論文首先追蹤報道了國內(nèi)外與協(xié)作通信有關(guān)的研究進(jìn)展。關(guān)于協(xié)作通信理論，迄今雖已取得較為豐富的研究成果，但還存在明顯不足。一方面，已有工作大多是局限在Rayleigh信道環(huán)境下研究的。事實上，Nakagami衰落信道模型盡管相對復(fù)雜，但是它能夠代表更為廣泛的實際信道情形。另一方面，協(xié)作通信技術(shù)盡管能夠引入更多的分集增益，但是從吞吐量角度看其并非是最佳選擇。而跨層設(shè)計思想可以很好地彌補(bǔ)這一缺陷。然而目前

3、針對協(xié)作通信的跨層設(shè)計的研究卻很少。 為此，在物理層下，我們主要研究Nakagami衰落信道環(huán)境下的并行、串行協(xié)作系統(tǒng)性能；在跨層設(shè)計方面，針對不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和中繼轉(zhuǎn)發(fā)方式，我們提出了相應(yīng)的跨層方案，并分析其吞吐量性能。具體研究工作如下： 物理層下的研究工作主要包括： 在Nakagami衰落環(huán)境下，研究了帶有機(jī)會中繼轉(zhuǎn)發(fā)的并行協(xié)作通信系統(tǒng)的性能。每個中繼節(jié)點只接收來自源節(jié)點的信息，中繼節(jié)點采用前向譯碼中繼轉(zhuǎn)發(fā)方式

4、(DF)，目的節(jié)點分別采用最大比合并(MRC)與選擇合并(SC)接收處理技術(shù)。推導(dǎo)出了精確的符號錯誤概率(SER)與中斷概率(OF)的數(shù)學(xué)表達(dá)式。依據(jù)提供的理論公式，討論了并行協(xié)作通信系統(tǒng)所能獲得的分集增益。仿真分析了這兩種接收合并技術(shù)下的并行協(xié)作系統(tǒng)性能，并與基于重復(fù)發(fā)送的并行協(xié)作通信系統(tǒng)進(jìn)行對比。結(jié)果顯示帶有機(jī)會中繼的并行協(xié)作通信系統(tǒng)性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于基于重復(fù)發(fā)送的并行協(xié)作通信系統(tǒng)的性能。此外，基于統(tǒng)計信道信息，對選擇合并接收方式的并行協(xié)

5、作通信系統(tǒng)給出了最優(yōu)功率分配方案。 在Nakagami衰落環(huán)境下，研究了串行協(xié)作通信系統(tǒng)下的性能。每個接收節(jié)點既可以接收源節(jié)點信息，又可以接收部分或全部中繼節(jié)點廣播的信息。根據(jù)每個接收節(jié)點是否準(zhǔn)確獲悉前面中繼節(jié)點的DF狀態(tài)，分別分析了A-MRC、B-MRC、B-EGC三種不同接收方式下的串行協(xié)作系統(tǒng)性能。針對A-MRC接收方式下的串行協(xié)作系統(tǒng)，我們給出了精確的SER表達(dá)式和高信噪比下的漸近結(jié)果，同時又分析了B-MRC和B-EGC

6、和接收方式下串行協(xié)作通信系統(tǒng)的漸近SER性能。根據(jù)給出的SER漸近表達(dá)式，深入地分析了這三種接收方式下的分集增益。結(jié)果表示：B-MRC接收方式下的性能最差，而B-EGC與A-MRC接收方式能獲得一致的分集增益，且B-EGC接收方式更易于實現(xiàn)。 物理層與數(shù)據(jù)鏈路層的跨層設(shè)計方式下的研究工作主要包括： 在Rayleigh衰落環(huán)境和基于前向放大中繼方式(AF)的并行協(xié)作框架下，提出了新的跨層設(shè)計方案。根據(jù)中繼節(jié)點AF處理方式與

7、對最優(yōu)中繼節(jié)點選擇方式的不同，提出了四種備選方案，并且分別給出了平均吞吐量的數(shù)學(xué)表達(dá)式。討論了系統(tǒng)各參數(shù)對平均吞吐量的影響，全面地對比了這四種方案的優(yōu)缺點。 在Rayleigh衰落環(huán)境和基于DF中繼轉(zhuǎn)發(fā)方式的并行協(xié)作框架下，提出了一種基于選擇中繼重傳(SN-RT)的跨層設(shè)計方案。在重傳過程，根據(jù)中繼節(jié)點與目的節(jié)點間的瞬時信道狀態(tài)選擇一個最佳的中繼節(jié)點，并聯(lián)合源節(jié)點以Alamouti編碼方式進(jìn)行重傳操作。通過與已有的固定中繼重傳(

8、FN-RT)的跨層設(shè)計方案進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)SN-RT跨層方案更加充分地利用了網(wǎng)絡(luò)的中繼節(jié)點，進(jìn)而顯著地提高了系統(tǒng)的平均吞吐量。 在Nakagami衰落環(huán)境下，設(shè)計出了一種新穎的多跳通信下的跨層設(shè)計方案。首先考慮單中繼跨層設(shè)計方案，即允許每一跳的節(jié)點間可以重傳操作，直到接收節(jié)點獲取無差錯的數(shù)據(jù)包后，信息傳輸方可進(jìn)行下一跳。接下來將這一思想推廣到基于多中繼跨層設(shè)計情形，提出了隨機(jī)選擇單中繼傳輸和隨機(jī)選擇兩中繼傳輸方案。對不同的跨層設(shè)計