无线协作通信网络中协作中继传输问题的研究

摘要

近年来，移动通信业务的迅猛发展对无线通信网络的性能指标提出了更高的要求，国内外的科研工作者对多输入多输出(MIMO：Multi-InputMulti-Output)技术已经进行了深入的理论研究，并取得了阶段性成果。但在实际的无线通信网络中，移动台尺寸通常较小，难以装配多根天线，因而在一定程度上限制了MIMO技术的应用。无线协作通信技术利用通信网络中各分散用户的发射天线构造一个容量更高的“虚MIMO”系统，克服了单天线移动终端无法获得空间分集增益的难题，能够实现高可靠性的无线通信。因此，协作通信的研究受到了学术界和工程领域的广泛关注。
　　 围绕这个新兴的无线通信技术，本文针对基于空时码和空频码设计的协作中继传输方案及其资源分配(最佳功率分配和最佳中继定位)进行了深入研究。主要的研究工作和成果概括如下：
　　 (1)针对极多数协作通信系统误码率公式结构过于复杂，不适于系统资源分配的研究，结合传统的放大转发(AF：AmplifyandForward)和解码转发(DF：DecodeandForward)单中继协作通信系统的渐进紧逼近误码率公式，构建了相应系统的中继定位分析模型。经过分析比较，与DF情况不同，AF系统的拓扑结构具有对称性，其误码率性能也具有对称性。提出了几种经典网络拓扑结构的最佳中继定位方案，并确定了最佳网络拓扑结构为直线型。
　　 (2)针对传统协作通信系统传输Alamouti码存在速率过低的不足，本文分别研究了Alamouti码的高分集和全分集无线协作传输方案及其系统误码率。基于单入单出(SISO：Single-InputSingle-Output)等效信道模型，得到了总的最大比合并(MRC：MaximumRatioCombining)输出信噪比(SNR：SignaltoNoiseratio)，并结合调和均值的矩量母函数(MGF：MomentGeneratingFunction)的简化，最终推导出了结构简单的系统误码率紧逼近公式。蒙特卡罗仿真结果证明该公式在高信噪比的条件下能够很好地对系统误码率性能进行精确描述。在总功率一定的条件下，以最小化误码率紧逼近公式为目标，提出了最佳功率分配方案和最佳中继定位方案。在相同的比较条件下，全分集协作传输方案的误码率性能均优于高分集协作传输方案的误码率性能。
　　 (3)针对正交信道在协作传输方案中的使用导致了数据速率或频谱效率的损失以及现有的基于空时码设计的全速率协作传输方案又存在检测复杂度高的缺陷。因此，本文采用非正交放大转发(NAF：Non-orthogonalAF)模式，并结合线性旋转预编码与循环延迟(CDD：CyclicDelayDiversity)分集技术的优势，提出了一种基于空频码设计的多中继全速率无线协作传输方案。与现有的仅追求传输速率或误码性能的协作传输方案相比，该方案适用于多中继场景，具有编码结构简单，目的节点处的信号检测复杂度低，并且不随中继节点数的增加而增加的优点。与等功率分配方案相比，给出的最佳功率分配方案能够使系统误码率性能得到一定改善。
　　 (4)目前，对协作通信的研究大部分都是假设各接收节点已知信道状态(CSI：ChannelStateInformation)信息的。但在实际中，信道估计大大增加了接收节点的结构复杂度。在传统的单天线无线通信系统中，在无法获取信道信息的情况下，非相干调制的使用可以简化接收节点的结构。在采用差分调制的AF(DiffAF：DifferentialmodulationschemesforAF)协作传输系统中，最大比合并性能基准是衡量该系统误码率性能的有效方法，通过完善最大比性能基准，满足了调和均值的矩量母函数简化条件，进而实现了系统误码率公式的简化。推导出的系统误码率紧逼近公式在高信噪比的条件下，与实际仿真有很好的拟合效果。基于此公式提出了该系统的最佳功率分配方案和最佳中继定位方案。