AF协作通信系统中节点选择和功率分配问题的研究

摘要

随着无线通信技术的不断发展，人们对无线通信的服务质量要求日益提高，无线通信正朝着高速率、高可靠性、低功耗和大覆盖范围的方向发展。分集技术，可以有效地对抗无线信道中存在的多径衰落和信道干扰，成为提高通信传输质量的重要技术。MIMO通过在发送端或接收端设置多个天线，可以获得空间分集，受到了广泛的关注。但是受到体积、尺寸、成本和功耗等诸多方面的限制，很多情况下无法在终端安装多个天线，因而提出了协作分集技术。该技术通过单天线终端设备之间彼此共享天线进行协作，形成一种虚拟MIMo系统，从而获得空间分集增益。协作通信技术可以扩大系统的覆盖范围，改善通信质量，降低发送功耗，同时具有广阔的应用前景，比如可以应用于蜂窝网、Ad hoc、WLAN和WSN等。
　　 本文首先从分集合并技术入手，介绍协作分集的概念和基本原理，分析协作通信中的三种基本协议，对各协议的优缺点进行了比较，并简要介绍了解决协作通信系统中节点选择和功率分配问题的一般思路。然后基于放大前传(AF)协作协议，重点研究分析了瞬时信道信息下协作通信系统中的节点选择和功率分配问题。针对不同的系统模型，给出了节点选择算法和功率分配方案，并通过仿真实现，对比分析说明提出的方法可以有效地改善系统的性能，对协作通信系统的设计具有一定的指导意义。
　　 根据选择的中继节点数目，将节点选择问题分为单中继和多中继节点选择。以单中继节点选择为研究基础，给出三种选择方案，并对比他们的效果，以系统的BER性能为评价标准，说明节点选择对系统性能的改善情况。针对多中继节点选择提出一种简单的迭代选择算法，该算法利用接收信噪比的特点，选择近似最佳的中继节点参与协作通信，具有较低的复杂度，可以有效地改善系统的BER性能。然后提出一种结合空时编码和节点选择的AF协作方案，利用空时编码和节点选择的优点，非常有效地改善了系统的性能。
　　 根据用户节点、中继节点的数目不同，给出了AF协作通信系统的三种模型：单用户单中继、单用户多中继和多用户多中继协作通信系统。以单用户单中继的情况为入手点，讨论了功率分配方案的设计，重点研究另外两个模型下的功率分配问题。针对单用户多中继系统提出了一种基于节点选择的功率分配方案，算法简单易行，效果明显；针对多用户多中继系统，从中继总功耗和用户间公平性角度考虑，提出了两种凸优化形式的功率分配方案：基于最小化中继总功率的功率分配方案和基于最大化最小信噪比的功率分配方案。基本思想是，在保证每个用户传输质量的前提下，降低中继总功耗；在中继总功率一定的条件下，平衡用户之间的服务质量差别。可以有效地保证每个用户服务质量，同时降低发送功耗。