具有信道狀態(tài)信息的中繼信道容量研究.pdf

1、在許多情況下，信道可能是時變的或處于不同的狀態(tài)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)或接收節(jié)點(diǎn)可以獲取關(guān)于信道狀態(tài)的信息，從而提高信道的容量。這種具有信道狀態(tài)信息的信道模型可以表示多個通信問題，例如，在認(rèn)知無線通信系統(tǒng)中，隨機(jī)信道狀態(tài)可以表示主用戶的發(fā)送信號，而具有信道狀態(tài)信息的節(jié)點(diǎn)可視為具有認(rèn)知能力的次級用戶，次級用戶節(jié)點(diǎn)如何設(shè)計相應(yīng)的編譯碼技術(shù)消除或降低主用戶間通信對次級用戶造成的干擾以提高次級用戶間通信的信息碼率對提高頻譜利用率有著重要的作用，因此，對發(fā)送節(jié)

2、點(diǎn)具有信道狀態(tài)信息的信道容量的研究具有重要的理論價值和現(xiàn)實意義。此外，無線信道的廣播特性給節(jié)點(diǎn)間的協(xié)作提供了條件，如何設(shè)計具有較低復(fù)雜度的高性能的協(xié)作策略也是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)內(nèi)容之一。本研究主要內(nèi)容包括：
　?、艑τ诟咚苟嗵€性中繼信道，中繼節(jié)點(diǎn)每一時隙的發(fā)送信號是其當(dāng)前時隙及之前所有時隙接收信號的線性組合，得到了這類高斯多跳線性中繼信道的容量，并證明了在一定的條件下高斯多跳線性中繼信道的容量可以等效為一個“單字母”表示的優(yōu)化問題，

3、而該優(yōu)化問題的解與分時放大轉(zhuǎn)發(fā)（Time-Sharing Amplify-and-Forward，TSAF）中繼策略的可達(dá)碼率的形式相同。針對此“單字母”優(yōu)化問題，本文給出了迭代算法對TSAF的可達(dá)碼率進(jìn)行計算，數(shù)值仿真的結(jié)果表明當(dāng)多跳中繼信道每一跳的信道增益變化較大時，TSAF的可達(dá)碼率與信道容量接近。對于多跳中繼信道而言，雖然采用譯碼前傳(Decode-and-Forward，DF)中繼策略能夠達(dá)到信道的容量，但TSAF不需要中繼節(jié)

4、點(diǎn)進(jìn)行復(fù)雜的編譯碼運(yùn)算，它的復(fù)雜度與傳統(tǒng)的放大轉(zhuǎn)發(fā)（Amplify-and-Forward，AF）中繼策略復(fù)雜度相當(dāng)，遠(yuǎn)低于DF的復(fù)雜度。因此，TSAF中繼策略對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)這一類節(jié)點(diǎn)處理能力有限、傳輸功率受限、節(jié)點(diǎn)一般通過多跳鏈路通信、每一跳的信道增益變化較大的無線網(wǎng)絡(luò)能很好實現(xiàn)可達(dá)碼率與復(fù)雜度的折中。
　　⑵對于一類具有信道狀態(tài)信息的離散無記憶正交中繼信道，源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)間的信道與源節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)間的信道相互正交

5、，且分別依賴于獨(dú)立的隨機(jī)信道狀態(tài)，設(shè)源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)已知信道狀態(tài)信息，本文分別研究了源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)非因果已知信道狀態(tài)信息和因果已知信道狀態(tài)信息兩種情況下信道的容量。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)非因果已知信道狀態(tài)信息時，采用部分譯碼前傳(Partial-Decode-and-Forward，PDF)中繼策略和協(xié)作的GP（Gel'fand-Pinsker）編碼得到了該信道的容量下界，并證明了對于一類半確定的正交中繼信道，所得到的容量下界是緊的，即，

6、得到了這一類具有信道狀態(tài)信息的半確定正交中繼信道容量的確切表示。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)因果已知信道狀態(tài)信息時，基于PDF中繼策略和Shannon策略得到了信道容量的下界。
　?、菍τ谑艿郊有愿蓴_的高斯正交中繼信道，本文將離散無記憶正交中繼信道所得到的容量結(jié)果擴(kuò)展到了高斯信道，信道狀態(tài)表示了節(jié)點(diǎn)所受到的加性干擾。分別針對源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)非因果已知信道狀態(tài)信息和因果已知信道狀態(tài)信息兩種情況研究了信道的容量。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)非因果已知信道

7、狀態(tài)信息時，采用協(xié)作的臟紙編碼和PDF中繼策略，得到了信道容量的表達(dá)式，并且所得到的信道容量與不受額外干擾的正交中繼信道的容量相同，信道所受到的加性干擾被完全消除。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)因果已知信道狀態(tài)信息時，基于廣義的臟紙編碼和PDF中繼策略僅得到了信道容量的下界。然而，當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)的平均發(fā)送功率足夠大且滿足一定的條件時，本文得到了信道容量的確切表示。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)因果已知信道狀態(tài)信息時，本文還通過信道可達(dá)碼率的數(shù)值仿真說明了中繼節(jié)點(diǎn)在

8、消除干擾和信息協(xié)作傳輸中所起到的作用。
　?、妊芯苛司哂行诺罓顟B(tài)信息的雙向中繼信道的容量。雙向中繼信道受到兩個獨(dú)立的加性干擾，信道狀態(tài)表示了節(jié)點(diǎn)所受到的加性干擾，信道中的部分節(jié)點(diǎn)分別已知了部分的信道狀態(tài)信息。根據(jù)各節(jié)點(diǎn)已知信道狀態(tài)信息的不同，本文考慮了三種情況：兩個用戶節(jié)點(diǎn)分別已知其中一個干擾的信息；其中一個用戶節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)分別已知其中的一個干擾的信息；中繼節(jié)點(diǎn)已知了全部的干擾信息。在以上三種情況下，已知信道狀態(tài)信息的節(jié)點(diǎn)可利用

9、已知的信道狀態(tài)信息消除部分的干擾，從而實現(xiàn)對干擾的“預(yù)消除”。采用嵌套的晶格碼和計算轉(zhuǎn)發(fā)中繼策略，分別得到了這三種情況下信道容量區(qū)域的內(nèi)界：當(dāng)兩個用戶節(jié)點(diǎn)分別已知其中一個干擾時，容量區(qū)域內(nèi)界與割集外界的間隙小于1比特；當(dāng)用戶節(jié)點(diǎn)1和中繼節(jié)點(diǎn)分別已知其中一個干擾時，用戶節(jié)點(diǎn)1消息的碼率R1與容量上界的間隙小于1比特，而用戶節(jié)點(diǎn)2消息的碼率R2與容量上界的間隙小于1/2比特；當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)已知全部的干擾時，容量區(qū)域內(nèi)界與割集外界的間隙小于1/2