Nakagami-Rayleigh衰落信道下無線中繼通信系統(tǒng)及其性能分析.pdf

1、由于無線中繼技術具有擴展無線覆蓋區(qū)域、提升系統(tǒng)抗干擾性能等優(yōu)勢，已經(jīng)被IEEE802.11s，IEEE802.16j和3GPP LTE-Advanced等通信標準所采納。根據(jù)信息流特點，中繼技術可以分為單向中繼和雙向中繼。在單向中繼中，一個節(jié)點信息通過一個或多個中繼轉(zhuǎn)發(fā)給另一個節(jié)點;在雙向中繼中，兩個或多個節(jié)點通過一個或多個中繼互相交換信息。眾所周知，信道衰落會嚴重影響無線通信系統(tǒng)的性能，因此研究衰落環(huán)境下各種無線中繼通信系統(tǒng)傳輸方案及

2、其性能分析具有十分重要的意義。本文重點研究Nakagami和Rayleigh衰落信道下單向中繼和雙向中繼通信系統(tǒng)，并取得了一些重要成果。
　　首先，通過研究單中繼兩跳中繼通信系統(tǒng)在Nakagami-m衰落信道下的性能，獲得了Nakagami-m衰落信道下兩跳中繼通信系統(tǒng)平均誤碼率(BER)和遍歷容量的一些新結(jié)果。具體包括:在兩跳信道獨立但非必要同分布情況下，得到了適用于整數(shù)衰落參數(shù)，采用二進制相位鍵控(BPSK)調(diào)制的系統(tǒng)平均BE

3、R的準確閉合表達式，并得到了適用于任意衰落參數(shù)的遍歷容量的閉合上界。在兩跳信道獨立同分布情況下，得到了適用于任意衰落參數(shù)，采用BPSK調(diào)制的系統(tǒng)平均BER和遍歷容量的準確閉合表達式。數(shù)值和仿真結(jié)果驗證了理論分析的正確性，所得理論結(jié)果可用來指導Nakagami-m信道下兩跳中繼通信系統(tǒng)的設計與優(yōu)化。
　　其次，通過研究基于信道狀態(tài)信息(CSI)輔助放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼的合作分集系統(tǒng)性能，獲得了獨立但非必要同分布Nakagami-m信道下合作

4、分集系統(tǒng)平均誤符號率(SER)的準確理論結(jié)果。針對信噪比(SNR)幾種上界所存在的缺陷，直接從精確SNR表達式出發(fā)，得到了SNR的矩生成函數(shù)(MGF)的閉合表達式。在此基礎上，利用基于MGF的方法獲得了合作分集系統(tǒng)采用多進制相位鍵控和正交幅度調(diào)制（MPSK/MQAM）的平均SER性能表達式，為Nakagami-m衰落環(huán)境中合作分集系統(tǒng)的優(yōu)化設計提供了理論依據(jù)。
　　接著，通過研究共道干擾環(huán)境下過期信道狀態(tài)信息對于兩跳多用戶中繼通信

5、系統(tǒng)的影響，得到了系統(tǒng)中斷概率和平均SER的下界以及高信干比(SIR)條件下系統(tǒng)的漸進中斷概率和漸進平均SER表達式。對系統(tǒng)參數(shù)之間約束關系的研究表明，過期信道狀態(tài)信息和共道干擾對于系統(tǒng)性能有著嚴重的影響。研究結(jié)果對存在干擾和過期信道狀態(tài)信息環(huán)境下兩跳多用戶中繼系統(tǒng)的設計具有重要指導意義。
　　論文還提出一種針對多用戶雙向中繼通信系統(tǒng)的機會式傳輸方案。通過分析該系統(tǒng)性能，獲得了其中斷概率下界及高SNR下的漸進中斷概率表達式。從中斷

6、概率漸進表達式可以看出，這種機會式傳輸方法可以獲得滿分集階數(shù)。所提出的傳輸方案系統(tǒng)中斷概率性能要優(yōu)于多用戶場景下的模擬網(wǎng)絡編碼(ANC)和時分廣播(TDBC)方案，尤其是在低傳輸速率情況下，因而傳輸可靠性更高。此方案為蜂窩中繼網(wǎng)絡上下行傳輸提供了一種新的解決思路。
　　進一步，基于ANC和TBBC協(xié)議，論文提出一種基于切換停留合并的雙中繼雙向中繼通信系統(tǒng)中的中繼使用方法。通過研究切換停留合并在ANC和TDBC兩種雙向中繼協(xié)議下的中

7、斷概率和平均BER性能，得到了Rayleigh衰落信道下系統(tǒng)的中斷概率和平均BER的準確閉合下界，并且分析了高SNR條件下的漸進中斷概率和漸進BER性能。研究結(jié)果表明，切換停留合并技術在合適的切換門限下在雙向中繼通信系統(tǒng)中可以實現(xiàn)滿分集階數(shù)。
　　最后，通過研究兩個高斯Q-函數(shù)乘積在衰落分布下的均值，分別推導出了Nakagami-m和Nakagami-q(Hoyt)分布下兩個高斯Q-函數(shù)乘積均值的閉合解，所得結(jié)果適用于任意衰落參數(shù)