高效低復(fù)雜度的雙向放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼傳輸技術(shù)研究.pdf

1、協(xié)作分集技術(shù)作為一種虛擬多輸入多輸出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）技術(shù)，在無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景。它不僅能夠獲得提高數(shù)據(jù)傳輸速率和傳輸質(zhì)量方面的益處、突破無(wú)線(xiàn)終端必須配備多天線(xiàn)方面的限制，而且還能有效地?cái)U(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍、覆蓋陰影區(qū)域、節(jié)約能耗。然而，由于在實(shí)際通信系統(tǒng)中使用的是半雙工的中繼，導(dǎo)致基于傳統(tǒng)單向中繼技術(shù)的協(xié)作系統(tǒng)頻譜利用率低。為此，一種稱(chēng)之為雙向中繼的新協(xié)作技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生

2、，該技術(shù)允許中繼在同一時(shí)刻同時(shí)為兩個(gè)終端節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)，大幅度提高了系統(tǒng)的速率以及頻譜利用率。其中，基于放大轉(zhuǎn)發(fā)（Amplify-and-Forward，AF）的雙向中繼技術(shù)，由于具有較高的頻譜利用率和較低的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，成為了無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域最重要的熱點(diǎn)之一。本文以基于高效低復(fù)雜度的雙向AF中繼傳輸技術(shù)的協(xié)作通信系統(tǒng)為研究對(duì)象，從性能分析、節(jié)點(diǎn)選擇和功率分配三個(gè)方向，圍繞中斷概率研究、鏈路速率非對(duì)稱(chēng)性、頻譜效率（Spetrum Efficie

3、ncy，SE）和能量效率（Energy Efficiency，EE）的權(quán)衡、非理想信道狀態(tài)信息（Channel State Information，CSI）等問(wèn)題展開(kāi)的研究。本文的主要工作和貢獻(xiàn)概括如下：
　　第一部分針對(duì)雙向 AF中繼協(xié)作通信系統(tǒng)的傳統(tǒng)中斷概率分析方法適用范圍不夠廣泛的問(wèn)題，考慮更一般的衰落信道模型：兩個(gè)終端節(jié)點(diǎn)與中繼間的信道相互獨(dú)立，且可以分別服從不同的衰落，研究更為全面、通用的中斷概率表達(dá)式。首先，提出一種基

4、于積分區(qū)域的幾何分析法，該方法不依賴(lài)于信道衰落分布函數(shù)的具體形式。針對(duì)三節(jié)點(diǎn)雙向AF中繼協(xié)作通信系統(tǒng)，分別推導(dǎo)得到了單向中斷概率和系統(tǒng)中斷概率通用表達(dá)式及閉合下界。然后，將研究場(chǎng)景拓展到多中繼多用戶(hù)雙向AF中繼協(xié)作通信系統(tǒng)，推導(dǎo)得到了系統(tǒng)中斷概率表達(dá)式和閉合下界。這些表達(dá)式很簡(jiǎn)潔，都是信道增益模平方的分布函數(shù)（Cumulative Distribution Function，CDF）的函數(shù)，適用于不同的衰落信道。特別是得到的閉合下界，可

5、用于系統(tǒng)漸進(jìn)性能的分析，如分集增益、編碼增益等。仿真結(jié)果驗(yàn)證了本文推導(dǎo)得到的公式的正確性，與現(xiàn)有其他工作相比，還具有高效性、通用性和靈活性的優(yōu)勢(shì)。
　　第二部分針對(duì)多中繼雙向AF協(xié)作通信系統(tǒng)中雙向鏈路速率非對(duì)稱(chēng)問(wèn)題，在充分分析速率的非對(duì)稱(chēng)性對(duì)系統(tǒng)性能的影響的基礎(chǔ)上，研究該系統(tǒng)下的最優(yōu)中繼選擇算法。根據(jù)信道速率的非對(duì)稱(chēng)性，提出一種基于信道流量信息的中繼選擇算法并分別在Rayleigh和Rician衰落信道下進(jìn)行詳細(xì)的性能分析。對(duì)于R

6、ayleigh衰落信道，給出了系統(tǒng)中斷概率精確閉合表達(dá)式及分集增益和編碼增益；對(duì)于 Rician衰落信道，推導(dǎo)得到了系統(tǒng)中斷概率的閉合表達(dá)式，并確定該中繼選擇算法獲得的分集增益和編碼增益。仿真結(jié)果表明，相比于傳統(tǒng)的中繼選擇，本章提出的選擇算法在非對(duì)稱(chēng)的條件下能顯著地提高系統(tǒng)的性能。
　　第三部分針對(duì)SE和EE往往無(wú)法兼得的問(wèn)題，主要研究非對(duì)稱(chēng)雙向AF中繼協(xié)作通信系統(tǒng)的SE-EE權(quán)衡問(wèn)題。首先基于統(tǒng)計(jì)CSI分別建立了SE和EE的統(tǒng)計(jì)

7、模型，并根據(jù)這兩個(gè)模型建立最優(yōu)化功率分配問(wèn)題聯(lián)合優(yōu)化 SE和EE，然后根據(jù)非線(xiàn)性分式規(guī)劃相關(guān)理論，得到閉合形式全局最優(yōu)解，同時(shí)證明了該解為 SE和EE的帕累托最優(yōu)解。最后針對(duì)多中繼系統(tǒng)，提出基于SE-EE權(quán)衡的中繼選擇算法。實(shí)現(xiàn)了通過(guò)調(diào)節(jié)一個(gè)權(quán)衡因子就能簡(jiǎn)單高效地完成SE和EE間的權(quán)衡，達(dá)到它們間的帕累托最優(yōu)。
　　第四部分針對(duì)實(shí)際場(chǎng)景中無(wú)法獲得理想CSI的問(wèn)題，研究非理想CSI對(duì)雙向AF協(xié)作通信系統(tǒng)的性能的影響并通過(guò)魯棒的功率分

8、配的方法袮補(bǔ)其帶來(lái)的性能損失。分別分析了該系統(tǒng)的單向中斷概率、平均SER和系統(tǒng)中斷概率的影響，分別推導(dǎo)得到了它們的準(zhǔn)確表達(dá)式、高信噪比漸進(jìn)表達(dá)式以及由非理想 CSI引入的誤碼平層（Error floor，EF）。分析結(jié)果和仿真結(jié)果表明，非理想CSI給雙向中繼系統(tǒng)帶來(lái)了嚴(yán)重的性能損失，在高SNR條件下會(huì)出現(xiàn)地板效應(yīng)。于是，根據(jù)系統(tǒng)的需求，提出兩種魯棒的功率分配問(wèn)題：以總消耗的功率為約束條件，以系統(tǒng)中斷概率為優(yōu)化目標(biāo)，建立功率分配最優(yōu)化問(wèn)題