無線通信系統(tǒng)協(xié)作中繼技術研究

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1、華中科技大學博士學位論文無線通信系統(tǒng)協(xié)作中繼技術研究姓名：寧元輝申請學位級別：博士專業(yè)：信息與通信工程指導教師：朱光喜20090517摘要協(xié)作中繼是一種協(xié)作多天線技術，基于該技術可以提高無線鏈路的傳輸速率及傳輸可靠性，并且可以增加系統(tǒng)的覆蓋范圍和系統(tǒng)的魯棒性。協(xié)作中繼技術充分利用無線媒質(zhì)的廣播特性，在不增加系統(tǒng)復雜度的情況下不僅降低了終端的功耗、帶寬、還可以明顯提高系統(tǒng)的頻譜效率、吞吐率、以及容量。協(xié)作通信技術在無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)、無線AdHoc網(wǎng)、無線Mesh網(wǎng)、以及蜂窩網(wǎng)等系統(tǒng)中有著廣泛的應用前景，并將成為下一代無線通信系統(tǒng)

2、融合多種異構(gòu)網(wǎng)絡的關鍵技術。為此，論文開展了對協(xié)作中繼通信關鍵技術的研究。中斷率和誤符號率(SER)是無線通信系統(tǒng)最為常用的兩種性能度量。對于放大轉(zhuǎn)發(fā)(AF)和解碼轉(zhuǎn)發(fā)(DF)的中斷率和SER分析，傳統(tǒng)方法只是基于高信噪比(SNR)下的近似估計，而不能給出任意SNR下的準確表達式。因此，第二章研究了DF分集協(xié)議在Rayleigh衰弱信道條件下的中斷率和SER性能。文中首先通過研究兩個獨立指數(shù)分布隨機變量的線性函數(shù)的分布得到了DF分集協(xié)議的中斷率閉式解，接著利用矩母函數(shù)方法給出了MPSK調(diào)制下的系統(tǒng)SER的閉式解。仿真結(jié)果顯示，在任意信

3、噪比下所給出的中斷率閉式解與仿真結(jié)果完全吻合。所給出的中斷率和SER的閉式解對于進一步研究DF分集協(xié)議相關的關鍵技術有著非常重要的理論價值。利用所有信道的反饋信息，在解碼轉(zhuǎn)發(fā)(DF)和直接發(fā)射(DT)中選擇可達數(shù)據(jù)率較大者作為當前發(fā)射模式可以實現(xiàn)系統(tǒng)中斷率最小。為了減少系統(tǒng)的反饋開銷和計算復雜度，第三章研究了在信道增益平面內(nèi)最佳發(fā)射模式區(qū)域劃分，目的節(jié)點只需查看當前信道狀態(tài)所屬區(qū)域即可知當前最佳發(fā)射模式。接著，通過反饋功率分配參數(shù)，可進一步降低系統(tǒng)中斷率。基于以上結(jié)論，目的節(jié)點只需反饋一個發(fā)射參數(shù)到源節(jié)點和中繼節(jié)點即可實現(xiàn)最小中斷率協(xié)

4、作策略。Hunter等首先將信道編碼引入到協(xié)作通信中，并提出了基于碼率兼容刪除卷積碼(RCPC)的用戶編碼協(xié)作(CC)策略?；诰幋a協(xié)作，用戶碼字的不同部分經(jīng)歷不同用戶信道到達基站。該模型認為經(jīng)過不同信道的成對錯誤概率(PEP)僅與對應信道傳輸?shù)姆栭L度成比例，然而該假設在很多應用場景下是不合理的。當基站能正確解碼直接發(fā)射幀時，協(xié)作幀內(nèi)為該用戶轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)將是多余的。因此，第四章對編碼協(xié)作策略進行深入研究，提出了一種基于有限反饋的編碼協(xié)作策略?；緦χ苯影l(fā)射幀解碼并反饋解碼結(jié)果到用戶，用戶則根據(jù)反饋信息調(diào)整協(xié)作幀內(nèi)數(shù)據(jù)的發(fā)射。相比于CC策

5、略，在多種不同場景下的仿真結(jié)果顯示所提出的協(xié)作策略不僅提高了用戶I的性能而且節(jié)省了大量的功率和帶寬，并提高了用戶的吞吐率和頻譜效率。在無線協(xié)作系統(tǒng)中，協(xié)作節(jié)點需要根據(jù)協(xié)作策略靈活調(diào)整數(shù)據(jù)包的發(fā)射與接收，這對協(xié)作節(jié)點實現(xiàn)算法的擴展性和兼容性提出了更高的要求?；谀K化設計思想，第六章首先設計出一種按比特映射方式調(diào)整協(xié)作節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包的透明發(fā)送機制，接著利用各通道輪詢方法設計出一種接收多個協(xié)作節(jié)點數(shù)據(jù)包的多通道聯(lián)合自適應數(shù)據(jù)接收機制?；谔岢龅臄?shù)據(jù)收發(fā)機制，修改幾個變量可實現(xiàn)協(xié)作節(jié)點對任何收發(fā)協(xié)議的支持。本章所提出的數(shù)據(jù)收發(fā)機制不僅適用于

6、無線協(xié)作通信系統(tǒng)，而且還適于任何有類似需求的系統(tǒng)?；诟咚俅惺瞻l(fā)器技術，該算法已應用于B3GTDD系統(tǒng)。通過全文的研究，我們發(fā)現(xiàn)，在無線協(xié)作通信系統(tǒng)中，針對特定的傳輸策略下選取合適的協(xié)作策略以及數(shù)據(jù)處理算法，就能夠有效利用不同用戶節(jié)點的天線以獲取協(xié)作分集，從而顯著改善系統(tǒng)性能或降低系統(tǒng)代價。關鍵詞：協(xié)作中繼，協(xié)作分集，解碼轉(zhuǎn)發(fā)，編碼協(xié)作，多跳中繼，中斷率，功率分配IIAbstractCooperativerelayisacooperativemultipleantennatechnique,whichcansignificantly

7、increasedatarateandreliabilityofwirelesslink,andcanenlargethecoverageandimprovetherobustnessofthesystems.Cooperativerelayismainlybasedonthenatureofbroadcast,whichcanreducetheconsumptionofenergy,bandwidthoftheterminal,andcanalsosignificantlyimprovethespectralefficiency,t

8、hroughput,andthecapacityofthesystem.Todate,cooperativediversityhasbeenwidelyusedinwirelesssensornetworks,wirel