非正交多址中繼信道復(fù)數(shù)域網(wǎng)絡(luò)編碼系統(tǒng)性能分析與優(yōu)化.pdf

1、多址中繼信道是指兩個(gè)或兩個(gè)以上的源節(jié)點(diǎn)在一個(gè)或多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的幫助下與目的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，是蜂窩通信系統(tǒng)上行鏈路協(xié)作中繼傳輸?shù)囊环N典型模型。根據(jù)源節(jié)點(diǎn)的傳輸方式，可分為正交多址中繼信道和非正交多址中繼信道。相比正交多址中繼信道，非正交多址中繼信道有較高的吞吐率。復(fù)數(shù)域網(wǎng)絡(luò)編碼(CFNC)是指多個(gè)用戶信息在復(fù)數(shù)域上進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編碼，利用“和信號(hào)”的星座空間來區(qū)分用戶，接收端則采用最大似然檢測算法識(shí)別不同用戶信號(hào)。采用非正交多址中繼信道的CFNC系

2、統(tǒng)可以進(jìn)一步提高非正交多址中繼信道的吞吐率。然而，已有研究很少涉及非正交多址中繼信道CFNC系統(tǒng)的CFNC編碼系數(shù)設(shè)計(jì)、中繼轉(zhuǎn)發(fā)策略、功率分配優(yōu)化和編碼增益分析，這些問題就是本論文的主要研究內(nèi)容。
　　首先，針對(duì)非正交多址接入CFNC系統(tǒng)，通過分析瞬時(shí)和統(tǒng)計(jì)的誤符號(hào)概率(SEP)上界，優(yōu)化設(shè)計(jì)了源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)的CFNC編碼系數(shù)，這里得到的優(yōu)化算法適用于任意用戶個(gè)數(shù)的情況。根據(jù)提出的中繼節(jié)點(diǎn)優(yōu)化CFNC編碼系數(shù)設(shè)計(jì)方法，獲得了一批

3、優(yōu)化的CFNC編碼系數(shù)。研究表明，利用優(yōu)化后的中繼節(jié)點(diǎn)CFNC系數(shù)，可以避免網(wǎng)絡(luò)編碼后的信號(hào)星座的重疊現(xiàn)象，大幅度提高了系統(tǒng)的SEP性能。此外，論文還提出了自適應(yīng)和非自適應(yīng)源節(jié)點(diǎn)CFNC編碼系數(shù)優(yōu)化算法。優(yōu)化的自適應(yīng)源節(jié)點(diǎn)CFNC系數(shù)能提高系統(tǒng)瞬時(shí)的SEP性能，進(jìn)而改善整個(gè)系統(tǒng)的平均SEP性能;而優(yōu)化的非自適應(yīng)源節(jié)點(diǎn)CFNC系數(shù)能在多址接入信道相關(guān)性較高的情況下，提高系統(tǒng)的SEP性能。
　　接著，通過分析基于第K個(gè)最優(yōu)中繼選擇(K

4、BS)的非正交多址接入CFNC系統(tǒng)(N個(gè)源節(jié)點(diǎn)、M個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)和1個(gè)目的節(jié)點(diǎn))的SEP上界，得到了KBS-CFNC系統(tǒng)的分集度、編碼增益和功率優(yōu)化算法。理論研究表明:KBS-CFNC系統(tǒng)的分集度為M-K+2，當(dāng)K=1時(shí)達(dá)到滿分集M+1;在保證分集度前提下，優(yōu)化功率分配因子能極大地改進(jìn)KBS-CFNC系統(tǒng)的SEP性能。優(yōu)化的功率算法表明:當(dāng)源-中繼鏈路的性能差于中繼-目的鏈路時(shí)，源節(jié)點(diǎn)應(yīng)該分配更多的功率資源以便至少滿足有一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)被成功選

5、擇;隨著源-中繼鏈路性能的提高（增大M值或提高源-中繼鏈路信噪比），更多的功率資源應(yīng)該分配給中繼節(jié)點(diǎn)以便提高中繼-目的鏈路的性能;中繼節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)M給定時(shí)，隨著K值的增加，更多的功率資源應(yīng)該分配給源節(jié)點(diǎn)，使得第K個(gè)最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)被成功選擇的概率增加。
　　然后，基于自適應(yīng)譯碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼，深入地理論分析了三種典型的并行多中繼(PR)CFNC系統(tǒng)的SEP性能上界、分集度和編碼增益。研究表明:在目的節(jié)點(diǎn)沒有整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的CSI而僅有單跳鏈路的CSI

6、時(shí)，自適應(yīng)譯碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼能避免中繼節(jié)點(diǎn)的錯(cuò)誤傳播現(xiàn)象;對(duì)于Ⅰ型PR-CFNC系統(tǒng)，在2M個(gè)時(shí)刻內(nèi)發(fā)送NM個(gè)符號(hào)，其吞吐率為1/2 sym/S/CU;對(duì)Ⅱ型PR-CFNC系統(tǒng)，在2個(gè)時(shí)刻發(fā)送N個(gè)符號(hào)，吞吐率為1/2 sym/S/CU;對(duì)Ⅲ型PR-CFNC系統(tǒng)，在M+1個(gè)時(shí)刻發(fā)送了N個(gè)符號(hào)，吞吐率為1/(M+1)sym/S/CU。此外，Ⅰ型和Ⅲ型PR-CFNC系統(tǒng)能達(dá)到滿分集度M+1，而Ⅱ型PR-CFNC系統(tǒng)分集度為2;從復(fù)雜度比較，Ⅰ型系統(tǒng)

7、復(fù)雜度最高，其次是Ⅱ型系統(tǒng)，最低的是Ⅲ型系統(tǒng);從中高信噪比的誤符號(hào)性能比較，Ⅲ型系統(tǒng)的誤符號(hào)性能最優(yōu)，其次是Ⅰ型系統(tǒng)，最低的是Ⅱ型系統(tǒng)。
　　通過最小化SEP性能上界，對(duì)Ⅲ型PR-CFNC系統(tǒng)的功率分配進(jìn)行了優(yōu)化研究。理論和仿真結(jié)果表明:在保證分集度的前提下，優(yōu)化功率分配因子能改進(jìn)Ⅲ型PR-CFNC系統(tǒng)的SEP性能。優(yōu)化功率算法表明:隨著源-中繼鏈路性能的改善（增大M、提高源-中繼鏈路信噪比、減小源節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)或者降低源的調(diào)制階數(shù)等

8、），應(yīng)該減小源節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率，將更多的功率資源分配給中繼節(jié)點(diǎn)以便提高中繼-目的鏈路的性能，從而提高系統(tǒng)的SEP性能。
　　其次，通過引入信道編碼機(jī)制，研究了非正交多址接入CFNC系統(tǒng)性能。在源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)引入基于軟輸入軟輸出譯碼算法的信道編碼，分別給出了中繼節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)的迭代譯碼結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)的最大后驗(yàn)概率算法(Max-Log-MAP)迭代譯碼算法。由于在譯碼結(jié)構(gòu)中采用了多用戶的迭代譯碼算法，本文研究的軟輸入軟輸出迭代譯碼器不是針

9、對(duì)單個(gè)用戶，而是面向整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，可以糾正多條鏈路的信息傳輸錯(cuò)誤，提高系統(tǒng)的可靠性。
　　最后，研究了多址接入中繼信道的導(dǎo)頻符號(hào)設(shè)計(jì)方案，重點(diǎn)給出了間隔放置導(dǎo)頻符號(hào)的方法，包括放置的起始位置p和放置的間隔s。通過Crámer-Rao下界分析，得知導(dǎo)頻位置p不會(huì)影響系統(tǒng)頻偏估計(jì)性能，而間隔s的增加則能提高系統(tǒng)頻偏估計(jì)的準(zhǔn)確性，由此產(chǎn)生的頻偏估計(jì)增益稱為“放置增益”。接著，論文通過uMMV算法得出了相應(yīng)的有效信噪比，并揭示了獲得“放置增益