無(wú)線中繼通信系統(tǒng)可達(dá)速率及中斷概率理論分析.pdf

1、隨著智能手機(jī)的普及和無(wú)線寬帶業(yè)務(wù)的發(fā)展，移動(dòng)通信系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸和充分的小區(qū)覆蓋。為了克服基站增加發(fā)送功率將導(dǎo)致小區(qū)間干擾增大以及高頻段信號(hào)傳輸衰減嚴(yán)重的缺陷，中繼技術(shù)被提出并成為解決上述問題的技術(shù)手段之一。無(wú)線中繼通信系統(tǒng)通過中繼站與基站以及用戶之間的協(xié)作，可有效增加功率利用率、改善小區(qū)邊緣用戶覆蓋、獲得空間分集增益以對(duì)抗多徑衰落，是第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。本論文開展無(wú)線中繼通信系統(tǒng)的可達(dá)速率以及中斷概率的研究。

2、r>　　首先，基于經(jīng)典的三節(jié)點(diǎn)中繼模型，考慮了AF單向中繼系統(tǒng)和AF雙向中繼系統(tǒng)的可達(dá)速率優(yōu)化問題。在總功率恒定的條件下，討論了用戶節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)間的瞬時(shí)最優(yōu)功率分配策略，得到了最優(yōu)功率分配比例的解析表達(dá)式。其次，利用瑞利信道衰落的統(tǒng)計(jì)特性，研究了AF單向中繼系統(tǒng)和AF雙向中繼系統(tǒng)中使平均可達(dá)速率最大化的統(tǒng)計(jì)最優(yōu)功率分配策略。通過對(duì)統(tǒng)計(jì)功率分配策略與瞬時(shí)功率分配策略的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在AF單向中繼系統(tǒng)中兩者的表達(dá)式具有內(nèi)在的一致性，而且同樣的

3、結(jié)論對(duì)于AF雙向中繼系統(tǒng)也成立。理論結(jié)果表明，在AF單向中繼系統(tǒng)中，用戶節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)間最優(yōu)功率比例取決于信道衰落的模值之比，而在AF雙向中繼系統(tǒng)中，中繼節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)功率比例始終是總功率的一半。
　　其次，在用戶節(jié)點(diǎn)附近存在多個(gè)干擾源的場(chǎng)景中，研究了干擾受限條件下AF雙向中繼系統(tǒng)的中斷概率，得到了系統(tǒng)中斷概率積分形式的精確表達(dá)式以及下界和近似解的解析表達(dá)式。仿真表明，中斷概率的下界在用戶節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率大于中繼節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率時(shí)具有很好

4、的緊致性，而中斷概率的近似解則在更一般的情形下逼近其真實(shí)值。在系統(tǒng)中繼概率近似解表達(dá)式的基礎(chǔ)上，分析了干擾功率的不同分布對(duì)系統(tǒng)性能的影響以及漸近情形下用戶節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)間發(fā)送功率的最優(yōu)分配比例。研究結(jié)論證明，當(dāng)多個(gè)干擾源中存在一個(gè)主要的干擾時(shí)，系統(tǒng)的中斷概率比干擾源功率均等的情況要小，同時(shí)當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)功率足夠大時(shí)，用戶節(jié)點(diǎn)之間的最優(yōu)功率分配比例與對(duì)應(yīng)傳輸信道衰落方差的平方根成反比。
　　隨后，研究了干擾受限條件下DF雙向中繼系統(tǒng)的中

5、斷概率?；贒F雙向中繼系統(tǒng)的可達(dá)速率區(qū)域定義，得到了系統(tǒng)中斷概率在對(duì)稱和非對(duì)稱情況（兩種情況決定于中繼從兩端用戶接收到的功率是否相等）下精確的解析表達(dá)式。在系統(tǒng)中繼概率表達(dá)式的基礎(chǔ)上，分析了漸近情況下干擾功率不同分布的影響以及用戶節(jié)點(diǎn)間最優(yōu)的功率分配策略和系統(tǒng)的分集度。研究結(jié)論證明，當(dāng)多個(gè)干擾源的功率趨于均勻分布時(shí)，系統(tǒng)的中斷概率趨于—上界且得到了該上界的精確表達(dá)式，同時(shí)當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)功率足夠大時(shí)，用戶節(jié)點(diǎn)間的最優(yōu)功率分配比例與對(duì)應(yīng)傳輸信

6、道衰落方差的平方根成反比，且與相應(yīng)傳輸速率的指數(shù)近似成正比。
　　最后，在中繼節(jié)點(diǎn)配置大規(guī)模天線陣列的多用戶雙向中繼系統(tǒng)中，研究了中繼節(jié)點(diǎn)采用MRC接收和MRT預(yù)編碼發(fā)送方案時(shí)的平均可達(dá)速率。基于信道矢量獨(dú)立同分布的假設(shè)以及利用大維隨機(jī)矩陣?yán)碚?，推?dǎo)了用戶平均可達(dá)速率的下界以及近似表達(dá)式，在此基礎(chǔ)上分析了特定情形下的系統(tǒng)平均可達(dá)速率。理論結(jié)果表明，當(dāng)用戶節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率固定時(shí)，用戶的平均可達(dá)速率隨天線數(shù)成對(duì)數(shù)比例增長(zhǎng)，隨干