双向协作通信系统的中继选择与功率分配算法研究

摘要

多天线输入输出(MIMO)等空间分集技术能大幅提升无线移动通信系统容量，但实现MIMO的智能天线等技术复杂度高，价格昂贵，目前难以实用。协作通信则是提升无线移动通信系统容量的另一种有效途径，它在多用户通信环境中，通过共享邻近移动通信用户的天线来产生一种与MIMO等效的虚拟多天线输入输出通信系统环境，从而获得相应的空间分集，大幅提高无线移动通信系统传输性能和容量。本文重点研究中继选择算法及协作中各节点的功率分配方案。
　　 具体的研究内容如下:
　　 (1)论文简要阐述了协作通信的理论基础知识，主要包括无线信道的特点及几种常用的信道衰落模型，时间分集、频率分集和空间分集及三种合并技术，及放大转发、解码转发和编码转发等三种协作传输协议的详细过程。
　　 (2)本文详细分析了几种已有的中继选择算法，并在基于信噪比和信道增益的双向中继选择算法的基础上，考虑了源节点和目的节点之间的直接传输链路。只有当直接传输失败时，才采取协作通信模式，即探讨了何时需要协作的问题。此外，还分析了改进后算法的中断概率性能。
　　 (3)本文研究了发送功率的分配问题，提出了一种适用于双向AF协作系统的功率分配(R-OPA)方案，此方案以平均总速率上界为目标函数。在选择单个中继参与协作时，此算法对源节点和中继节点的发送功率进行合理地分配。此外，在R-OPA算法的提前下，分析了系统的中断概率性能，并得出了中断概率上下界的闭合表达式。
　　 仿真实验表明，本文改进的中继选择算法，能获得4dB左右的增益，并系统总速率提升为原来的1.4倍。本文提出的功率分配算法是基于信道统计特性的，不需要实时地更新信道状态信息，有低复杂度的特点，并且和等功率分配算法相比能提高系统的平均总速率，降低系统的中断概率。

目录

声明

摘要

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 协作通信研究现状

1．2．1 中继选择算法研究现状

1．2．2 功率分配算法研究现状

1．3 协作通信在LTE-Advanced中的应用

1．4 本文的主要内容和结构

1．4．1 主要研究内容

1．4．2 论文的组织结构

第2章 协作通信的理论基础

2．1 无线信道的特点

2．1．1 大尺度衰落

2．1．2 小尺度衰落

2．2 无线信道的衰落模型

2．2．1 高斯白噪声

2．2．2 瑞利信道

2．2．3 莱斯信道

2．2．4 参数为m的Nakagami信道

2．3 分集技术

2．3．1 时间分集

2．3．2 频率分集

2．3．3 空间分集

2．3．5 分集合并技术

2．4 协作传输协议

2．4．1 放大转发协议

2．4．2 解码转发协议

2．4．3 编码协作协议

2．5 性能评价指标

2．5．1 中断概率

2．5．2 信道容量

2．5．3 误码率

2．6 小结

第3章 双向协作中继系统的中继选择

3．1 中继系统模型

3．2 现有的中继选择算法

3．2．1 随机中继选择算法

3．2．2 机会中继选择算法

3．2．3 基于门限值的中继选择算法

3．2．4 基于信道容量增益的中继选择算法

3．2．5 基于信噪比和信道增益的选择算法

3．2．6 中继选择算法的比较

3．3 改进的中继选择算法

3．3．1 系统模型

3．3．2 性能分析

3．3．3 仿真分析

3．4 小结

第4章 双向协作中继系统的功率分配

4．1 典型的功率分配算法

4．1．1 等功率分配算法

4．1．2 注水功率分配算法

4．1．3 基于最小中断概率的功率分配算法

4．1．4 基于最小化误码率的功率分配算法

4．1．5 功率分配算法的比较

4．2 基于平均总速率的功率分配算法

4．2．1 系统模型

4．2．2 R-OPA算法

4．2．3 性能分析

4．2．4 仿真分析

4．3 小结

结论

参考文献

致谢

附录A (攻读硕士学位期间所发表的学术论文目录)

附录B (攻读硕士学位期间所参与的学术科研活动)