协作通信网络中联合功率分配与中继选择算法的研究

摘要

协作通信技术通过建立一个虚拟的多输入多输出(Multiple Input Multiple Output, MIMO)系统实现空间分集，可以提高无线通信网络的容量、覆盖范围和鲁棒性。在协作通信网络中，常用的中继协议有放大转发(Amplify-and-forward, AF)、解码转发(Decode-and-forward, DF)和编码协作(Code Cooperation,CC)，网络模型分为单向中继网络(One-Way Relay Network, OWRN)和双向中继网络(Two-Way Relay Network,TWRN)。
　　相对OWRN系统， TWRN有更高的频谱利用率，但是系统由于自干扰的存在容易受到信道估计误差的影响。中继选择(Relay Selection,RS)和功率分配(Power Allocation, PA)是提高协作通信网络系统性能的两种主要方式。RS是指系统根据信道条件选择出最适合转发信号的中继节点，PA指对系统的总发送功率进行合理的调配以实现系统性能的最优化。
　　本文深入研究了TWRN的联合RS和PA算法。一方面，根据瞬时信道状态信息，提出了传统双向中继网络(Conventional TWRN,C-TWRN)和能量收集双向中继网络(Energy Harvesting TWRN,EH-TWRN)的几种联合RS和PA算法，提升TWRN系统性能；另一方面，研究了信道估计误差对TWRN系统功率消耗、传输速率和误码率的影响。论文的主要安排如下：
　　(1)在传统AF-TWRN系统，提出了以最大化和速率为目标的联合RS和PA算法。首先利用瞬时信道状态信息得出TWRN两条通信链路的端到端信噪比(Signal-to-Noise Ratio,SNR)，并获得了每个中继节点对应的最优功率分配，然后比较每一个中继节点可以实现的系统传输速率，最后选择出性能最优的中继节点转发信号。在此基础上，提出了中继功率限制情况下的联合RS和P A算法，极大的降低中继的发送功率。
　　(2)在传统AF-TWRN系统中，提出了信道估计误差存在时以最小化功率消耗的联合RS和PA算法。利用Karush-Kuhn-Tucker KKT最优化条件，求得了系统最优功率分配，并选择出使系统总功率消耗最少的中继节点。最后比较了不同信道估计误差情况下， TWRN满足业务要求时的发送功率。
　　(3)在EH-TWRN系统中，基于功率分割协议(Power Splitting-based Relaying, PSR)提出了系统在完美信道估计和非完美信道估计情况下的高能效联合RS和PA算法，获得了系统中每个中继节点最优的能量收集比例和对应的两个信源的最优功率分配。分析表明，与C-TWRN相比，EH-TWRN明显降低了系统的功率消耗；同样，随着信道估计误差的增大， EH-TWRN系统的功率消耗增加。
　　(4)在EH-TWRN系统中，基于两条通信链路的SNR平衡准则，提出了最优的联合RS和P A算法。分析表明，相对传统的RS和P A算法，本文提出的方法可以实现最大的传输速率，在此基础上分析了信道估计误差对系统传输速率和误码率的影响。

目录

声明

缩写词表

符号说明

第一章 绪 论

1.1课题背景

1.2 双向中继网络研究现状

1.3 论文主要结构

第二章 协作通信网络基础理论知识

2.1 引言

2.2 分集技术

2.3 单向中继系统

2.4 转发协议

2.5 双向中继系统

2.6 传统中继选择和功率分配算法

2.7 小结

第三章 传统双向中继网络的中继选择和功率分配算法

3.1引言

3.2传统双向中继系统模型

3.3 功率限制的中继选择和功率分配算法

3.4高能效的中继选择和功率分配算法

3.5 结 论

第四章 能量收集双向中继网络的中继选择和功率分配算法

4.1 引言

4.2 能量收集双向中继网络的中继协议

4.3接收端信噪比公式

4.4 高能效的中继选择和功率分配算法

4.5 总功率限制的中继选择和功率分配算法

4.6 结论

第五章 结束语

5.1 本文总结和主要贡献

5.2 下一步工作的展望

致谢

参考文献

个人简历

攻读硕士学位期间的研究成果