無線協(xié)同中繼網(wǎng)絡的容量和中斷性能研究.pdf

1、因為無線廣播會引起無線信號間干擾，無線通信的廣播特性在過去被普遍認為是對無線通信十分不利的因素。然而協(xié)同通信利用了無線媒介的廣播特性來改善無線通信質(zhì)量。當某一發(fā)送端發(fā)送信號給接收端時，其鄰近的終端由于無線的廣播特性也能夠偵聽到發(fā)送端的發(fā)送信號，若采用協(xié)作傳輸協(xié)議幫助信息傳輸，能夠有效地改善系統(tǒng)傳輸速率和中斷性能。因此協(xié)同通信引起了國內(nèi)外學術界與工業(yè)界的廣泛研究。本文基于信息理論和概率理論，圍繞無線協(xié)同網(wǎng)絡中的容量和中斷性能進行研究，提出

2、了協(xié)同網(wǎng)絡中的編碼策略，并且分析了它們實現(xiàn)的容量區(qū)域和中斷性能。本文的主要研究內(nèi)容及貢獻如下：
　　(1)物理層網(wǎng)絡編碼利用了無線電波的廣播特性來減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r隙，提升系統(tǒng)的傳輸速率。目前工作考慮無編碼QAM調(diào)制系統(tǒng)，通過仿真系統(tǒng)的誤碼率來證明物理層網(wǎng)絡編碼能夠改善網(wǎng)絡性能，但不能反映編碼系統(tǒng)的傳輸速率。針對運用比特交織編碼調(diào)制（BICM）的物理層網(wǎng)絡編碼，本文運用信息理論分析該機制的可達傳輸速率，并且利用Turbo碼的線性特性

3、，提出了聯(lián)合網(wǎng)絡編碼和Turbo碼低復雜度編碼機制。只要保證QAM信號嵌套，該機制能應用于信道增益隨機分布的衰落信道。通過理論分析和仿真結果表明：物理層網(wǎng)絡編碼在高信噪比情況下能夠逼近信道容量的上界，并且聯(lián)合網(wǎng)絡編碼和信道編碼機制能夠逼近物理層網(wǎng)絡編碼實現(xiàn)的信道容量極限。
　　(2)隨機碼沒有良好的結構性，因此聯(lián)合網(wǎng)絡編碼和隨機信道編碼機制獲得次優(yōu)的傳輸速率。利用Lattice碼的結構，本文針對雙向中繼信道提出了基于前向解碼（DF

4、）協(xié)議的方形Lattice編碼機制。方形Lattice碼雖然導致大約0.25bits/傳輸?shù)乃俾蕮p失，但降低了Lattice編碼的復雜度。通過理論分析表明，基于DF協(xié)議的Lattice編碼機制與隨機編碼相比能夠獲得更大的數(shù)據(jù)傳輸速率，但是此協(xié)議僅僅適用于需要通過反饋完全信道狀態(tài)信息機制來保證輸入中繼節(jié)點的信道增益相等和相位同步的無線通信場景，這增加了系統(tǒng)實現(xiàn)的成本和要求。因此本文進一步提出了適用于衰落信道的基于前向放大（AF）協(xié)議的La

5、ttice編碼機制。通過對中繼節(jié)點接收信號進行模操作，降低中繼節(jié)點接收信號的功率，獲得更大的前向放大因子來提升傳輸速率。由于該機制不需要反饋機制，從而降低了系統(tǒng)的實現(xiàn)要求。分析表明：當中繼節(jié)點的輸入信道增益差異大時，基于AF協(xié)議的Lattice編碼機制要優(yōu)于其它協(xié)議。
　　(3)蝶形網(wǎng)絡建模中繼節(jié)點“幫助”兩相鄰小區(qū)與兩用戶通信的通信場景，目前該系統(tǒng)的中斷性能沒有被研究。另外，需要完全信道狀態(tài)信息的功率和速率分配機制不適用于一些實

6、際應用場景，例如當從接收端到發(fā)送端的信道容量較小時，系統(tǒng)不能正確反饋完全信道狀態(tài)信息導致這些機制不能正常工作。如果使用部分信道狀態(tài)信息實現(xiàn)功率和速率分配能有效地改善傳輸質(zhì)量。本文推導出蝶形網(wǎng)絡中正交前向放大（OAF）、非正交前向放大（NAF）協(xié)議實現(xiàn)的中斷概率閉式表達式，并且以最小化中斷概率為目標提出基于信道統(tǒng)計特性的功率和速率分配算法。通過仿真表明：中斷概率的理論分析結果與仿真結果在高信噪比下幾乎重合，并且功率和速率算法能夠獲逼近最優(yōu)

7、的優(yōu)化算法。
　　(4)模擬網(wǎng)絡編碼（ANC）協(xié)議要求中繼節(jié)點僅僅放大接收信號然后轉(zhuǎn)發(fā)的簡單信號處理，因此ANC協(xié)議被廣泛研究。目前ANC協(xié)議的中斷概率分析是基于兩個信源交換信息的雙向中繼信道，這些結論不能直接推廣到通用的任意信源數(shù)目的協(xié)同網(wǎng)絡中。本文基于多源多宿分享單中繼系統(tǒng)，推導出了每個信源節(jié)點中斷概率閉式表達式和ANC協(xié)議實現(xiàn)的DMT性能。通過分析結果和仿真結果表明：中斷概率的理論分析結果在高信噪情況下逼近仿真結果，沒有假設

8、條件下的ANC協(xié)議與理想假設條件下（假設每個目的節(jié)點能夠可靠偵聽到其它信源節(jié)點的信息）基于XOR網(wǎng)絡編碼協(xié)議實現(xiàn)相同的DMT性能。
　　(5)獲得復雜協(xié)同傳輸協(xié)議精確的可達傳輸速率和中斷性能是非常困難的，所以協(xié)同網(wǎng)絡的傳輸速率和中斷概率漸近分析成為重要的分析手段。DMT性能通過分集（在高信噪比情況下漸近中斷概率）和復用增益（在高信噪比情況下漸近容量）來表示數(shù)據(jù)傳輸速率和中斷概率之間的折衷關系，是衡量協(xié)同通信協(xié)議的一項重要指標。目前

9、基于雙向中繼系統(tǒng)的DMT性能分析工作是假設兩個信源發(fā)送相同的數(shù)據(jù)速率，這是不實際的。本文基于雙向中繼多天線系統(tǒng)，考慮兩個信源節(jié)點以不同的數(shù)據(jù)速率發(fā)送信號的通信場景，分別推導出OAF、正交前向解碼（ODF）、NAF、非正交前向解碼（NDF）和動態(tài)前向解碼（DDF）協(xié)議實現(xiàn)的DMT性能的閉式表達式，并且通過分配每個節(jié)點的發(fā)送時間來最大化OAF、NAF、ODF和NDF協(xié)議的DMT性能。通過理論分析結果表明：NDF和NAF協(xié)議分別要優(yōu)于ODF協(xié)