多用户协作通信系统的中继选择策略研究

摘要

无线通信发展过程中遭遇了很多的障碍,其中之一就是,由于难以在移动终端配置多根发送天线,导致终端用户无法获得MIMO增益。为此,Sendonaris等人2003年提出了“用户协作分集”的概念,实现了协作通信,亦即通过虚拟的天线阵列从而使终端用户获得空间分集的协作技术。自协作通信的概念提出以来,中继节点选取和功率分配就一直是协作通信研究的两大热点,而且两者相互影响。本文主要研究的是多用户协作通信系统中的中继节点选择和功率分配问题。全文主要做了以后几方面的工作:
　　 (1)首先介绍了几种常见的中继转发协议,重点讨论了放大转发(AF)和译码转发(DF)。详细介绍了AF和DF的转发过程,求出了各自的瞬时互信息量表达式、中断概念的近似表达式以及误符号率(SER)的闭式表达式。其次基于AF瞬时信道容量最大化准则介绍了一种最优功率分配(OPA)方案。最后,通过计算机仿真了AF和DF协议下SER和信道容量性能指标,仿真结果表明,采用AF和DF转发较直接传输极大的改善了系统的性能
　　 (2)研究了多用户协作系统模型下的中继节点选择算法。首先给出了多中继放大转发协议的网络模型,继而给出了多中继情况下的信道容量和中断概率表达式;同时介绍了一种基于瞬时信道状态信息的中继选择方案,也即机会中继(OR)方案;最后为了弥补OR方案实现复杂度太高的缺陷,本文提出了一种基于信道统计状态信息的RSR算法,即根据信道统计状态信息的情况随机的选择参与协作的中继节点个数,并基于RSR算法之上推导了一种最优功率分配方案,仿真结果表明本文提出的RSR算法与AAF和SAF算法相比在中断概率性能上有很大的提高。高信噪比情况下,如当中断概率为10-3时,与SAF相比,RSR算法有近3dB的性能提升。提出的最优功率分配方案与等功率分配方案相比,系统的性能也得到了提升。
　　 (3)针对One-way模式下频带利用率不高这点不足,本文研究了Two-way的模式下的中继节点选择算法和功率分配方案。首先推导了Two-way模式下AF和DF协议下各自的系统容量,然后简单介绍了物理层网络编码PNC的概念以及最大最小化(Max-Min)中继选择方案,在此基础上,基于Two-way系统速率和最大化的准则建立了一个功率最优化问题,提出了一种次优化功率分配方案;最后为了进一步改善系统性能,介绍了一种双向中继选择(BRS)策略,并基于BRS策略推导了一种最优功率分配OPA算法。仿真结果表明本文介绍的BRS较传统的RRS中继选择算法以及Max-Min算法在系统性能上有很大的改善,而且最优功率分配OPA算法也比等功率分配EPA算法要好得多。
　　 (4)结合未来无线通信的发展,探讨了协作通信当中存在的一些有待解决的问题。