无线通信系统中的编码协作技术研究

论文摘要

在未来的无线通信系统中,无线信道的衰落特性仍是影响系统可靠性和有效性的重要因素。多输入多输出（MIMO）技术是对抗衰落的重要手段,它可以在不增加系统带宽和发送功率的情况下,有效提高通信系统的频谱利用率和可靠性。为了使无法装配多天线的移动终端也获得MIMO技术带来的各种好处,学者们提出了协作分集技术。该技术通过单天线移动终端之间的协作共享彼此天线,形成了虚拟的天线阵,从而获得了空间分集。协作分集技术是低硬件成本条件下MIMO技术的有效补充,因此成为了目前无线通信领域的研究热点。本论文针对协作分集技术展开了研究,主要对信道编码和网络编码协作技术在无线通信系统中的应用进行了深入的分析和探讨。论文的主要工作如下:1.编码协作方案中断率与功率优化分配首先分析了基于中继系统的编码协作方案的中断率,通过一种近似计算方法化简了中断率积分,随后推导了系统中断率近似界的简单表达式,最后以最小化系统中断率为目标,提出了一种功率优化分配方案。该方案以系统中断率近似界为目标函数,通过求导得到了功率优化分配系数的数学闭式解。仿真结果表明理论推导的近似界是一条紧界。同时发现,随着中继节点与目的节点之间信道状况的改善,采用功率优化分配方案可以有效改善系统的中断率性能。其次,在此基础之上又分析了Nakagami信道下编码协作方案的中断率性能,通过近似计算推导了中断率近似界的数学闭式解,并通过对该闭式解的分析给出了高信噪比下编码协作系统完全协作时的分集阶数。最后利用计算机仿真分析了功率分配和协作度对系统中断率的影响。2.编码协作系统的中继选择方案针对编码协作中采用循环冗余校验（CRC）方案会降低系统传输速率的问题,提出了一种改进的门限选择中继方案。该方案首先推导了使用速率匹配穿孔卷积码情况下系统的误码率上界,并以误码率最小为原则得到了最佳判决门限值,然后利用中继节点接收信噪比与该门限值比较判断是否协作。计算机仿真表明,在使用最优门限和功率分配系数的条件下,与CRC方案相比,该方案使系统误码率性能获得一定提升。3.联合网络-信道编码的传输方案将网络编码与信道编码相结合,提出了一种可获得高阶分集增益的中继协作方案。该方案在中继节点处将多个时隙接收的信息分别进行信道编码,再将所有码字进行网络编码后转发。目的节点采用最大后验概率算法迭代译码,利用多个时隙收到的码字恢复源节点发送信息。对Rayleigh衰落信道下的成对错误概率分析表明,该方案可使源节点发送信息在不同时隙得到多次转发从而增加时间分集增益。仿真结果表明,该方案在快衰落和慢衰落信道下均能提高系统分集增益,并且随着中继节点接收信噪比的提升,系统误码率性能明显改善。4.多址接入协作中继方案首先,针对现有多址接入协作中继方案存在不能充分利用编码冗余的问题,提出了一种在理想用户-中继信道条件下,联合网络与信道编码的多址接入协作中继方案。该方案在中继节点利用网络编码将不同用户的编码冗余同时转发,目的节点通过对某个用户信息的正确译码恢复出其他用户的编码冗余。通过对译码错误事件概率的分析,推导了该方案的中断率与误码率近似值表达式。仿真结果表明,随着信噪比的提升,所提方案可获得比编码协作更好的中断率和误码率性能。其次,针对非理想用户-中继信道,提出了一种改进方案。随后基于对目的节点译码过程的描述,详细分析了该方案的译码错误事件,并推导了其在Nakagami信道下的误码率理论近似值表达式,最后通过仿真验证了理论推导的正确性,并分析了用户-中继信道状况对系统误码率性能的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 缩略语
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 无线传输分集技术概述
• 1.2.1 无线衰落信道特征
• 1.2.2 无线通信中的分集技术
• 1.3 协作分集技术的发展
• 1.3.1 协作分集技术的产生
• 1.3.2 协作分集技术研究现状
• 1.4 论文的主要工作及结构安排
• 第二章 协作分集传输技术
• 2.1 引言
• 2.2 基本的分集合并技术
• 2.3 协作分集系统模型及其传输协议
• 2.3.1 协作分集系统模型
• 2.3.2 协作分集传输协议
• 2.3.3 性能比较
• 2.4 信道编码协作技术
• 2.4.1 编码协作方案
• 2.4.2 空时编码协作方案
• 2.5 网络编码协作技术的应用与发展
• 2.5.1 基于网络编码的多址接入协作中继技术
• 2.5.2 基于网络编码的双向协作中继技术
• 2.5.3 联合网络-信道编码的协作技术
• 2.6 本章小结
• 第三章 编码协作系统的功率分配与中断率研究
• 3.1 引言
• 3.2 编码协作系统功率优化分配方案
• 3.2.1 系统模型
• 3.2.2 中断率性能分析
• 3.2.3 功率优化分配方案
• 3.2.4 性能仿真与分析
• 3.3 Nakagami信道下的中断率性能分析
• 3.3.1 Nakagami信道模型
• 3.3.2 中断率性能分析
• 3.3.3 性能仿真与分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 单用户中继系统中的编码协作传输技术
• 4.1 引言
• 4.2 编码协作中的门限选择中继方案
• 4.2.1 系统模型
• 4.2.2 中继协作情况分析
• 4.2.3 误码率性能与最佳门限分析
• 4.2.4 性能仿真与分析
• 4.3 联合网络与信道编码协作方案
• 4.3.1 系统模型
• 4.3.2 系统成对错误概率性能分析
• 4.3.3 性能仿真与分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 多址接入中继系统中的编码协作传输技术
• 5.1 引言
• 5.2 理想用户-中继信道下的协作传输方案
• 5.2.1 系统模型
• 5.2.2 性能分析
• 5.2.3 仿真结果与分析
• 5.3 非理想用户-中继信道下的协作传输方案
• 5.3.1 中继转发模型
• 5.3.2 性能分析
• 5.3.3 仿真结果与分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 结束语
• 6.1 论文研究工作与创新点总结
• 6.2 进一步的研究工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 在读博士期间的研究成果