中继网络编码协作传输功率分配与安全策略研究

摘要

近年来，随着微电子技术和数字信号处理技术的发展，移动通信技术得到了空前的发展，移动用户的数量也急剧增加，因此人们对于无线通信的性能的要求越来越高。中继协作技术的广泛应用大大改善了蜂窝网络的通信质量。它通过信源和中继之间的相互协作形成“虚拟MIMO”系统，不仅可以扩大通信的覆盖范围，还可以通过分集增益增强通信的可靠性，有效地提高了通信质量。上行链路多址接入中继信道(MARC，Multiple-Access Relay Channel)模型是协作中继网络中经典的拓扑结构，由两个发射节点、一个中继节点和一个目的节点构成。MARC通信系统恰好可以将协作中继技术和网络编码技术结合，打破了协作中继技术容量受限的缺陷，进一步提高系统的信道容量。然而，目前针对该上行链路的研究仍然面临许多问题。由于MARC系统中节点较多，而系统中的功率资源有限，节点间合理地功率分配十分必要。除此之外，MARC系统中源节点和基站完成一次通信需要多次广播有用信息，而无线信道的广播特性使得窃听者能够不被发现地获取有用信息，对该上行链路的安全性造成巨大的威胁。针对以上两个问题，本文基于蜂窝网上行链路的多址接入中继MARC系统，结合网络编码技术，以最优化系统信道容量的功率分配和优化系统保密容量的安全策略进行研究，主要工作包括:
　　(1)针对采用网络编码技术的MARC系统，本文假设在系统发射总功率一定的条件下，以系统的信道容量最大化为目标，研究分析了两个信源和中继的功率分配方案;并通过数值仿真，与未采用网络编码技术的中继系统比较，得出使用网络编码技术为系统信道容量带来的增益。
　　(2)针对MARC系统中存在窃听者的场景，本文分别提出了友好干扰节点干扰和基站干扰的几种不同加扰策略;然后，推导出不同策略对应的保密容量公式;最后，通过数值仿真比较，得到最优的加扰策略，并结合第一部分主信道容量最大时信源和中继的功率分配结果，合理分配发射有用信号和干扰信号的功率资源从而最大地提升系统保密容量。
　　本文从优化MARC系统的传输性能和安全性能出发，首先对采用网络编码技术的MARC系统多节点功率分配解决上行链路资源制约的问题，验证了合理地功率分配可以大大提升系统的信道容量;然后提出不同的协作加扰方案针对上行链路中存在窃听者的问题，分析了不同的加扰策略对系统保密容量的提升。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．3 论文主要研究内容和创新性

1．4 论文内容安排

2 中继系统的网络编码与协作干扰技术概述

2．1 无线中继协作技术

2．1．1 放大转发(AF)中继方案

2．1．2 解码转发(DF)中继方案

2．1．3 编码协作(CC)中继方案

2．2 网络编码技术

2．2．1 基本原理

2．2．2 数字网络编码(DNC)

2．2．3 物理层网络编码(PNC)

2．3 协作干扰技术

2．3．1 保密容量的概念

2．3．2 两种窃听信道模型下的保密容量

2．3．3 协作干扰技术的分类

2．4 本章小结

3 多址接入中继协作传输功率分配研究

3．1 系统模型

3．2 传输方案分析

3．2．1 直接传输方案

3．2．2 中继协作传输方案

3．2．3 采用模拟网络编码传输方案

3．3 信道容量分析

3．3．1 直接传输方案

3．3．2 中继协作传输方案

3．3．3 采用模拟网络编码传输方案

3．4 最优功率分配研究

3．5 性能仿真与分析

3．6 本章小结

4 多址接入中继系统安全增强的策略分析

4．1 友好干扰节点协作干扰的安全增强策略

4．1．1 友好干扰节点协作干扰方案

4．1．2 性能仿真与分析

4．2 目的节点协作干扰的安全增强策略

4．2．1 目的节点协作干扰方案

4．2．2 性能仿真与分析

4．3 本章小结

5 结论

5．1 工作总结

5．2 工作展望

参考文献

附录

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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