无线中继系统中协作传输和资源分配研究.pdf

摘要 多输入多输出(MIMO)为代表的空间分集技术从不同的天线发送信号，使得 接收端得到经历独立衰落的多个信号副本，从而有效消除多径衰落的影响，并且 不需要占用额外的时间和频带资源，因此得到了广泛的关注。但应当指出，虽然 发射分集技术可使系统性能得到多方面的提升，而在实际的通信系统中，由于天 线尺寸、功耗和成本等多方面的限制，通常的无线终端采用多天线是不可接受的， 因此极大地限制了MIMO技术在无线移动终端中的应用。由于协作分集中的合作伙 伴共享彼此的天线，从而构成了虚拟的MIMO系统，从这个意义上讲，协作分集为 多天线技术走向实用化提供了一条新的途径。本论文针对无线中继系统中的协作 传输技术进行研究，提出几种协作传输方案并对相应方案的资源分配策略进行了 分析。论文的主要工作概括如下： 1．分别从码字结构的设计和正交频分复用(OFDM)技术的应用这两个角度， 提出了消除异步影响的空时协作传输方案。 a)提出了一种在异步情况下仍可以实现差分空时协作的方案。将二进制相移 键控(BPSK)的信息符号分成两部分，分别在I路和Q路上进行差分调制，再进行 时间反转空时分组编码(TR-STBC)，接收端对信号进行类似差分空时分组编码 (STaC)的译码，译码的I，Q两路分别是互不重叠的两部分信号，从而去除了异步 所产生的干扰。误码率分析和系统仿真结果表明该方案在异步情况下仍可获得协 作的分集增益。 b)提出了可获得OFDM调制下多径增益的一种简单空时协作方案。根据 OFDM子载波信道的相关性及协作分集的发送特点，充分利用协作的广播阶段， 在协作分集发送的不同时隙，将信号在相关性最小的子载波信道上传输，使系统 在不损失频谱利用率的情况下多获得一阶的分集增益。通过对功率分配的研究， 给出了最佳的功率分配方案，并对系统理论误码率进行了分析。仿真结果表明该 方案可以获得明显的性能增益。 2．将无线网络编码技术与协作传输技术相结合，给出了以下方案 a)提出了一种基于网络编码的无线中继方案，并通过研究该方案的系统中断 特性，在中继节点和基站直接以调制后的符号进行编码和译码，利用对系统中断 概率的分析，推出了高信噪比(SNR)下中断概率的上界，分析最小化中断概率的上 界，得出OPA策略。仿真结果表明，所提方案性能要优于传统的中继方案，并且 采用OPA策略的系统能够获得明显的性能增益。 策略。首先推导了系统中断概率的表达式及高信噪比下的近似解，然后根据网络 编码的性质，以最小化源节点间两个中断概率中的较大者为优化目标，利用迭代 算法获得OPA因子。此外，还给出了一些特殊场景下0PA因子的闭式解。所提 0PA策略仅需信道的平均增益信息且计算复杂度低，易于系统实现。仿真结果表 明，与平均功率分配(EPA)策略相比，所提功率优化分配策略使系统的中断概率和 误码率性能均得到有效提升。 3．在中继选择技术的研究方面，分别从单中继系统下中继是否参与协作和多 中继系统下选择最优中继进行协作这两个方面入手，提出了以下方案： a)考虑直传信道，采用三时隙的双向中继方案，提出了一种基于网络编码和 空时协作的增强型双向中继方案。该方案下中继节点不仅决定是否参与转发，还 要根据系统各节点的反馈来决定自身发送信号的格式，将网络编码和空时协作有 机结合，提高系统资源利用率和网络吞吐。推导了现有的两种双向中继方案及该 方案的中断概率，并分析了各方案在快衰落和慢衰落信道下的分集增益和网络编 码增益。结果表明：相对于其它两种方案，所提方案在快衰落信道下，可获得三 阶的分集增益；在慢衰落信道下，也可获得更高的编码增益。 b)基于多中继多目的协作系统，分别在AF协议和DF协议下，提出了结合 功率分配的最优中继选择方案。根据功率分配所需的信道状态信息不同，分别研 究了基于统计信道状态信息(SCSI)和基于瞬时信道状态信息(ICSI)的最优功率分配 均能获得全分集增益度。仿真结果显示，结合功率分配的最优中继选择方案其性 能要优于平均功率分配下最优中继选择方案的性能，并且ICSI-0PA的中继选择方 案性能要优于基于SCSI．OPA的中继选择方案。 关键词：协作通信；分布式空时码；网络编码；功率分配；中继选择 Abstract carlovercomethelimitationsof