协作中继高效性传输技术研究

摘要

在无线移动通信系统中，信道的衰落会降低信号传输的可靠性。空间或多天线协作分集技术通过用户之间共享天线，实现虚拟多天线传输以获得空域分集，从而减小无线信道衰落影响，提高通信性能，是一种具有较大实用价值的新型空间分集技术。协作分集技术在无线传感器网络（WSN）、无线自组织（Ad-Hoc）网、无线Mesh网、以及蜂窝网等系统中有着广泛的应用前景，并将成为以多种异构融合网络为特征的下一代无线通信系统的关键技术之一。
　　 另一方面，随着无线通信技术的飞速发展，频谱资源变得越来越紧张，认知无线电（Cognitive Radio，CR）技术已经被公认为是提高网络频谱资源利用率问题的有效解决方法。尽管协作通信技术能够提高系统的抗衰落能力，认知无线电技术可以提高无线频谱的使用效率，但这还不足以解决无线通信中存在的上述两个问题。协作通信技术和认知无线电技术结合已经成为近年来的研究热点。两种技术结合将为同时提高系统的抗衰落性能、信道容量、频谱利用率提供一种可能的解决方案。
　　 为此，论文开展了对协作中继通信关键技术的研究，研究提高协作分集性能或效率的方法。进一步，论文将研究协作通信和认知无线电结合技术，对认知网络协作分集进行优化设计。论文的主要研究内容和研究成果如下：
　　 首先，研究在授权网络中用户固定分配信道资源情况下的协作策略，内容涵盖于第三章。考虑能量受限的网络，如传感器网络，研究最小化网络传输能量消耗，延长网络生命周期的协作MIMO传输策略。在此基础上，提出了基于协作MIMO的节点选择及优化算法。和以前的研究不同的是：算法不考虑源节点到目的节点一次传输中一跳或多跳能耗最小化问题，而是考虑整网为执行整个应用的能量消耗，从而最大化网络生命周期。
　　 其次，研究共存式（underlay）频谱共享模式下认知网络协作分集技术，将研究CR系统在峰值传输功率限制条件下的协作策略及性能分析，内容涵盖于第四、五、六章。具体如下：
　　 1、第四章针对能量受限的认知网络，如传感器网络，研究频谱共享模式下提高网络能效的认知网络协作技术，提出了一种基于认知网络协作功率分配策略，该策略在保证授权用户服务质量的前提下最小化认知系统的能量消耗。仿真结果表明，和直接传输相比，所提出的算法提高了认知网络的能效性。
　　 2、第五章针对多个中继与源节点协作通信的认知无线电协作场景，提出了一种基于放大转发（Amplify and Forward，AF）模式下的功率分配优化算法，算法不需要中心节点控制，中继节点根据目的节点广播的很少信息进行传输功率调整，算法实现简单。仿真结果表明和直接传输及等功率传输方案相比，提出的分布式协作功率分配方案获得了进一步的性能增益，中断概率显著下降。
　　 3、现有的对协作分集容量、中断概率及误码率（BER）等的分析主要是针对固定频谱分配情况。第六章对共存式频谱共享环境下的认知无线电单节点协作系统性能进行了分析，并给出了基于译码转发模式的认知系统协作中断概率近似表达式。仿真结果验证了理论分析的正确性。
　　 通过全文的研究可以看出：在无线协作通信系统中，针对特定的传输策略选取合适的协作策略以及功率分配算法，就能够有效利用不同用户节点的天线以获取协作分集，从而显著改善系统性能或降低系统能量消耗。

目录

文摘

英文文摘

图目录

表目录

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 国内外研究现状

1.2 协作通信面临的挑战

1.2.1 高能效性传输技术

1.2.2 协作通信和认知无线电结合技术

1.3 论文研究内容及章节安排

1.4 参考文献

第二章 认知无线电与协作分集技术

2.1 认知无线电技术概述

2.1.1 无线传输场景分析

2.1.2 信道状态估计及其容量预测

2.1.3 传输功率控制和动态频谱管理

2.2 分集技术介绍

2.3 协作通信技术概述

2.3.1 协作分集技术介绍

2.3.2 协作通信需要解决的问题

2.4 本章小结

2.5 参考文献

第三章 高能效性协作MIMO技术

3.1 协作MIMO能耗模型

3.2 协作式MIMO策略的设计

3.3 网络生命周期最大化的MIMO协作节点选择算法

3.3.1 系统模型描述

3.3.2 无线信道模型描述

3.3.3 第一跳传输

3.3.4 第二跳传输

3.3.5 生命周期最大化的节点选择算法

3.3.6 算法实现

3.3.7 仿真结果

3.4 本章小结

3.5 参考文献

第四章 基于CR系统的高能效性协作传输技术

4.1 协作分集中的DF模式

4.2 授权网络能效性协作功率分配算法

4.2.1 情况 1

4.2.2 情况 2

4.3 CR协作系统传输能量最小化的功率分配算法

4.3.1 情况 1

4.3.2 情况 2

4.3.3 授权系统链路性能分析

4.4 仿真结果

4.5 本章小结

4.6 参考文献

第五章 基于CR系统的协作多中继功率分配算法

5.1 协作分集中的AF模式策略

5.2 基于 AF模式的CR协作功率分配策略

5.2.1 系统协作模型描述

5.2.2 授权系统干扰模型

5.2.3 CR协作系统功率优化模型

5.2.4 CR系统中断概率分析

5.3 仿真结果

5.4 本章小结

5.5 参考文献

第六章 CR系统中继协作中断概率分析

6.1 CR协作系统模型

6.2 CR系统协作中断概率分析

6.2.1 无峰值传输功率限制

6.2.2 有峰值传输功率限制

6.3 仿真结果

6.4 本章小结

6.5 参考文献

第七章 总结与展望

7.1 全文总结

7.2 工作展望

7.3 参考文献

附录 A

论文使用符号说明

致谢

博士期间发表论文及专利