衰落信道中无线中继技术的分析与性能评估

摘要

随着无线电系统不断的加速发展，无线用户对高可靠性、高速度、大容量的需求越来越迫切。无线协作通信根据无线通信的广播特性在独立的单个天线上构造虚拟天线阵列进行通信。当空间上分隔的独立天线终端进行合作时，多天线技术的一系列重要优点就会体现出来，比如分集增益，以及总是存在的从源节点到目的节点的路径。大量的研究工作表明，协作分集的使用能够为传输半径、容量和可靠性带来重大的潜在优势。在恶劣的情况下，信号的传输很难达到高吞吐量和低误符号率。为了解决这个问题，研究人员提出了大量的协作策略，其中，中继是改善信道容量和增强传输可靠性的主要方法。当前关于协作通信的大部分工作都集中在一个利用放大、转发（Amplifyand Forward,AF）或者解码、转发（Decodeand Forward,DF）的协议上。在前一类协议中，中继节点对接受信号进行放大并转发，而后一种协议下，中继节点对接受信号进行解码并转发。同时，研究者们对这种协作系统中的中断概率性能做了评估。
　　当中继节点不能对接受信号进行连续正确地解码时，DF协议的性能将会降低，而当中继节点对接收到的含噪声的信号进行放大并转发时，AF协议的性能也将受到损失。
　　但是根据现有研究，目前基本上还没有学者研究多中继时的中继协议选择。
　　本文第一部分提出了一种如何选择AF协议或DF协议的方法（ORPS），并给出了这种方法相比现有协议的优势。中继采用如下策略持续工作：当中继可以对接收到的信号进行完全正确的解码时，该中继解码并转发该信号；当中继不能正确解码信号时，剩余的中继将在空闲周期内放大并转发信息。这样，中继节点可以根据本文提出的ORPS来高效地转发从源节点到目的节点的信号。
　　在此基础上，本文对比了ORPS策略和仅使用单一AF协议时的误符号率（SER）性能进行了比较。结果表明：相对于只采用AF方式的协议，ORPS策略表现出了相当优异的性能，拥有约2dB的优势。更重要的是，本文提出的机制达到了满分集增益。
　　在ORPS策略的基础上，本文进一步研究了当中继节点受到相邻节点的同频干扰问题，其中，干扰信号是其他发送节点同其目的节点通信时产生的。本文对不同中继及不同干扰功率下的ORPS策略和DF协议进行了对比。
　　最后，多中继节点的数据传输在实际应用中比较困难，由于无线网络中节点电池的寿命有限，能量有效性是无线协作网络中最重要的问题之一。针对这个问题，本文第二部分研究了多中继节点时放大、转发的中继方法，提出了最优的功率分配策略，使得连续接收的信号信噪比（SNR）最大，且最大程度上降低了端到端的误符号率（SER）。最后，本文给出了Nakagami-m和瑞利衰落信道下误符号率的上下界。

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List of Figures

List of Tables

List of Abbreviation

1 Introduction

1.1 Motivation

1.2 Background and related work

1.3 Relaying Strategies:

1.4 Multiple relay nodes:

1.5 Selection relaying protocol:

1.6 Relaying selection protocol with interferences at relay node:

1.7 Optimal power allocation for multiple relay:

1.8 Problem formulation

1.9 Contributions

1.10 Thesis outlines

2 Fading Channels and an Effective Techniques to Combat Fading

2.1 Fading channels

2.2 Evaluating Error Over Rayleigh Fading:

2.3 Diversity

2.4 Diversity Combining Techniques

3 Optimal relaying protocol selection between AF and DF

3.1 Background

3.2 System Model

3.3 SER performance analysis

3.4 Comparison with fixed protocol

3.5 Simulation results

3.6 Chapter summary

4 Performance analysis of optimal relay and optimal protocol selection with an exciting interferences at relay nodes

4.1 Introduction

4.2 System and Channel Models

4.3 Interference and SINR analysis

4.4 Symbol Error Rate Analysis

4.5 Outage Probability Analysis

4.6 Diversity order

4.7 SINR analysis and selection scheme

4.8 MGF and SER performances analysis

4.9 Performance evaluation

4.10 Chapter conclusion

5 Optimal Power Allocation for multiple relay system

5.1 Introduction

5.2 A concept and system model

5.3 Evaluation of the SER

5.4 Simulation Results

5.5 Chapter Conclusion

6 Conclusion and Future Work

6.1 Conclusion

6.2 Future work

致谢

参考文献

Appendices

CURRICULUM VITAE