物理层网络编码和协作中继选择策略研究

摘要

互联网的大规模普及和移动通信的飞速发展，给人们的生活带来了极大便利。由于无线信道具备广播特性，一方面可以利用这种特性，通过协作中继的方式提高通信的可靠性，其中物理层网络编码是一大热点研究方向；另一方面，不得不对通信的安全性加以重点考虑，物理层安全能保障通信的绝对安全，是目前为止最为严密的安全策略，因而引起了越来越多的关注。本文围绕这两大问题，具体针对非对称信道下的物理层网络编码、物理层安全中继选择以及过时信道的中继选择等问题进行了研究。
　　首先，研究了非对称双向信道对物理层网络编码性能的影响，针对阶段非对称、下行链路非对称、上行链路非对称以及节点非对称等四种情形，分析了物理层网络编码的误码率性能，并与理想对称信道情形进行了对比。仿真结果表明四种非对称情形，阶段下行非对称的误比特率性能最优，阶段上行非对称和节点非对称情形次之，性能最差的是下行链路非对称和上行链路非对称情形。当误比特率BER=10-3时，对称情形与阶段下行非对称的信噪比相差0.5dB，而下行非对称比对称曲线的信噪比高1.5dB，最差的上行非对称则比对称曲线误码率高2.2dB。
　　其次，研究了认知无线网络的物理层安全问题，分析了传统中继选择、直接传输、最优中继选择三种策略下系统的安全速率和安全中断概率性能。在推导了传统中继选择策略的瞬时安全可达速率和安全中断概率表达式的基础上，分别研究了直接传输在单个窃听节点、多窃听节点、多主用户三种情形下的安全中断概率，并类似地分析了最优中继选择策略。在高SNR下，分别对上述三种策略的渐进安全中断概率进行了推导。通过数值仿真分析比较了安全速率和安全中断概率随发射功率的变化关系，结果表明三种策略下，单窃听节点系统性能优于多窃听节点，单主用户系统性能优于多主用户系统性能。
　　最后，研究了过时CSI对机会双向中继协作系统的性能影响，针对第1最优中继在实际应用中可能失效的情况，提出了一种简单第 N最优中继选择算法。分析了过时CSI下所提中继选择策略的中断概率性能，并推导了Rayleigh衰落信道下中断概率下界的闭式表达以及高SNR下的近似值。仿真结果表明，中断概率的理论分析和Monte Carlo仿真曲线几乎完全重合，高SNR下的近似曲线也能很好地逼近理论分析曲线。

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1 绪 论

1.1 引言

1.2 研究背景及意义

1.3 国内外研究现状

1.4 研究内容和组织结构

2 物理层网络编码及中继选择理论基础

2.1 无线信道及其特性

2.2 BPSK调制及物理层网络编码模型

2.3 协作转发协议

2.4 中继选择准则

2.5 安全容量和安全中继选择

2.6 本章小结

3 非对称信道下PLNC系统的性能分析

3.1 引言

3.2 对称双向中继信道模型

3.3 对称信道下PLNC性能分析

3.4 非对称信道下PLNC性能分析

3.5 仿真结果及讨论

3.6 本章小结

4 物理层安全中继选择性能分析

4.1 引言

4.2 认知无线网络系统模型

4.3 传统中继选择性能分析

4.4 直接传输性能分析

4.5 最优中继选择性能分析

4.6 仿真结果及讨论

4.7 本章小结

5 基于过时信道信息的中继网络性能分析

5.1 引言

5.2 过时CSI下中继选择系统模型

5.3 过时CSI下中断性能分析

5.4 仿真结果及讨论

5.5 本章小结

6 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读学位期间参与的科研项目