无线网络多用户协作传输关键技术研究

论文摘要

未来的移动通信网需要支持不同QoS保证的高速多媒体业务,日益增大的无线数据应用服务需求促使我们去寻求更有效率的利用现有资源的新技术。然而移动环境自身具有的特性,如节点移动性带来网络拓扑的变化、节点自身的资源和能力有限、移动网络带宽受限、网络连接不稳定等,使得高速传输与覆盖的矛盾日益尖锐。协作中继是改进未来无线网络性能可行的传输手段之一。协作中继已被证明能够显著减少链路中断概率、增加链路的稳定性。在过去的几年内,协作通信技术改善信道状况、促进MIMO实用化,以及解决高速传输与覆盖的矛盾角度,受到来自学术与企业界的广泛关注,已被公认为是未来移动通信系统的候选方案。以往对于通信系统的研究主要针对点对点链路,现在我们从网络的角度重新审视通信系统,在这个协作通信系统中,各个节点可以利用无线通信系统所固有的广播性质来进行相互协作。本论文围绕无线网络多用户协作传输物理层关键技术展开研究,研究的侧重点选在空间相关信道下的协作协议的研究,如:协作机制、性能、空时协作处理。并且研究了一种用于多中继（也适用于单中继）协作通信的中继策略的自适应选择方法,给出了自适应选择机制和功率自适应分配策略。最后研究了在发送端不知道信道信息的情况下,将喷泉码应用于无线协作蜂窝系统,分析其下行链路中使用Raptor码及分布式空时分组码的新方案,并探讨相关信道中协作通信的效率、可靠性和健壮性问题;本论文的工作主要包括如下几个方面:（1）不同于以往协作分集研究仅考虑衰落信道为理想瑞利的情况,首次研究了在基于地理信息的随机信道模型（一种现实传播环境的空间相关衰落信道模型）中虚拟MIMO系统的协作分集协议性能分析。研究发现,协作分集可以有效的抵抗相关衰落,两个源节点和两个目的节点形成了一个2×2虚拟MIMO协作系统,采用了半双工的时分多址接入机制,协作分集可以对抗空间相关性衰落,通过源节点（source nodes,SNs）与目的节点（destination nodes,DNs）之间的独立的多径及散射路径,增加了链路的稳定性,即降低了链路的中断概率。因此,分析干扰中继信道下发射端协作的不同协作模式的平均误比特率（bit error rate,BER）,理论分析和仿真结果证明,在相关信道下协作分集能产生显著的性能增益,即协作机制降解了空间相关性,并利用高质量的协作用户间信道来提高虚拟MIMO协作系统的整体性能。（2）在第二章的基础上,继续深入研究在双环散射模型中虚拟MIMO系统运用分布式空时分组码（distributed space-time blockcode,DSTBC）的协作分集协议性能,研究具有空间相关性信道下的空时协作处理的性能增益,探讨相关信道中协作通信的效率、可靠性和健壮性。提出了一种总时间片的方式,用来评价系统的有效性。可靠性可通过空间相关信道中不同信噪比条件下的平均误比特率来衡量。研究发现,使用DSTBC编码将进一步提高协作系统的性能,采用DSTBC的协作系统将在无线蜂窝系统中有很好的应用前景。（3）研究了一种用于多中继（也适用于单中继）协作通信的中继策略的自适应选择方法,该方法用于支持协作通信的无线网络中,为不同用户分别选择不同数目的中继及类型;并根据当前信道状况,在兼顾通信的可靠性和有效性的前提下,为每个中继选择最佳的转发策略,并在信源和各个中继之间合理地分配功率;以及判断是否使用中继,以便能够实现系统的信道容量最大化,为用户提供满足设定可靠性条件下的高效通信。该方法以多中继系统信道容量最大化为判断标准,通过穷举的方法为各个中继分别选择不同的中继转发方式。研究发现,该方法为多中继协作通信系统中的各个中继节点提供了较好的转发方式的自适应选择和功率自适应分配策略,并给出了什么情况下不使用中继的判断标准,使得多中继系统更加智能化,进一步提高其传输性能而进入实用化。本研究既能用于支持协作通信的无线网络的上行传输,也能用于下行传输;由于协作通信技术已被公认为是未来移动通信系统的候选技术方案,因此,随着协作通信相关技术的不断发展和完善,将有很好的推广、应用前景。（4）不同于传统的采用固定码率编码的协作中继系统,首次将具有无限编码速率（Rateless code）的Raptor码应用于无线协作蜂窝系统中,考虑在发送端不知道信道状态信息（channel stateinformation,CSI）,提出协作蜂窝系统下行链路中使用无限码率Raptor码及分布式空时分组码（distributed space-time block code,DSTBC）的新方案,并研究该方案有效性、可靠性和健壮性的问题。考虑到编码速率的灵活性,提出了一种新的测量方法（总时间片）来评估系统性能。因此,在采用半双工模式和时分多址情况下,计算不同编码方案所需正确发送的总时间片数量和平均误码率（biterror rate,BER）,理论分析和仿真结果证明,当发送端不知道CSI时,结合应用Raptor码和DSTBC,即使在低信噪比（signal-to-noiseratio,SNR）环境中仍能降低总传输时间及能量消耗,给无线蜂窝系统带来显著的性能增益。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 协作通信的背景
• 1.1.2 新型协作网络架构
• 1.1.3 有关协作通信技术的项目研究
• 1.2 国内外相关研究现状及面临的主要问题
• 1.2.1 协作伙伴选择策略的理论研究现状
• 1.2.2 协作分集协议的理论研究现状
• 1.2.3 空时协作处理的理论研究现状
• 1.3 本论文的主要贡献
• 1.4 本论文的结构安排
• 本章参考文献
• 第二章 基于地理信息的随机信道模型下的协作分集研究
• 2.1 引言
• 2.2 协作模型与协作机制
• 2.2.1 发送端协作的干扰中继信道模型
• 2.2.2 两个协作用户的时分多址接入机制
• 2.2.3 干扰中继信道模型下的各协作阶段描述
• 2.2.4 协作容量分析
• 2.3 信道模型与空间相关性计算
• 2.3.1 基于地理信息的随机信道模型
• 2.3.2 信道模型的链路计算
• 2.3.3 信道相关性计算
• 2.4 性能分析
• 2.5 本章小结
• 本章参考文献
• 第三章 空间相关信道下的空时协作处理研究
• 3.1 引言
• 3.2 协作模型与协作机制
• 3.2.1 实际无线中继网络模型
• 3.2.2 多用户的无线协作机制
• 3.2.3 分布式空时分组码设计
• 3.2.4 协作容量分析
• 3.3 信道模型与相关性计算
• 3.4 性能分析
• 3.5 本章小结
• 本章参考文献
• 第四章 协作通信的中继策略的自适应选择方法
• 4.1 引言
• 4.2 中继策略的自适应选择方法操作流程
• 4.3 单中继系统的的自适应选择方法
• 4.3.1 放大转发模式（Amplify-and-Forward）
• 4.3.2 译码转发模式（Decode-and-Forward）
• 4.3.3 直接传输模式
• 4.3.4 自适应策略
• 4.4 多个中继节点的自适应选择方法
• 4.4.1 放大转发模式（Amplify-and-Forward）
• 4.4.2 译码转发模式（Decode-and-Forward）
• 4.4.3 自适应策略
• 4.5 性能分析
• 4.5.1 单中继系统仿真结果
• 4.5.2 多中继系统仿真结果
• 4.6 本章小结
• 本章参考文献
• 第五章 喷泉码在下行协作无线蜂窝系统中的研究
• 5.1 引言
• 5.2 系统协作模型
• 5.2.1 协作无线蜂窝系统的下行传输模型
• 5.2.2 多用户协作系统的时分多址接入机制
• 5.2.3 协作无线蜂窝系统的两个阶段描述（同步模式）
• 5.3 使用Raptor码和DSTBC的协作方案
• 5.3.1 Raptor码编码器结构
• 5.3.2 LT码的编译码过程
• 5.3.3 协作传输模型分析
• 5.3.4 分布式空时分组码的编码方案
• 5.3.5 协作性能的理论分析
• 5.4 性能仿真及结论
• 5.5 本章小结
• 本章参考文献
• 第六章 结束语
• 致谢
• 附录: 攻博期间已完成论文列表