（无线电物理专业论文）协作分集与中继选择算法研究.pdf

博士擘位论丈 d ( ) ( 1 d r a ld i s s e r t 了1 0 n d i s s e r t a t i o n r e s e a r c ho n c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y a n d r e l a y - - s e l e c t i o na l g o r i t h m s b y 博士擘位论文 d o 一( ) l t a ld i s s er i i 研i o n y l l i i l l l l l l l l l 9 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 2 1 1 t i i l 3 l l l l l l 3 1 1 1 u ly 1 9 0 0 2 3 3 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 1 甜钐岔 1 日期：力a r l f 年厂月矽日 学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解华中师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：研 究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华中师范大学。学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位论文被查阅和借阅； 学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手 段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人已经认真阅读“c a l i s 高校学位论文全文数据库发布章程 ，同意将本人的 学位论文提交“c a l i s 高校学位论文全文数据库”中全文发布，并可按“章程 中的 规定享受相关权益。回童途塞握变卮澄卮! 旦坐生；鱼，一生；旦三生筮查! 导师签名：办晰 日期：砂，年广月7d 日 压叼 童 州r 年备洲 签 ： 者期 作日 博士学位论文 x j 必墩a id i s s e 袋聃t l ) n 摘要 随着无线通信技术的发展，对无线应用的需求迅速增长，然而无线信道的多径衰落严重影 响了通信的质量。研究表明，分集技术是克服多径衰落影响的有效手段之一。其中空间分集由 于不占用额外带宽和时隙资源被引起广泛关注。但是具备空间分集的多天线系统由于成本和尺 寸的原因，在实际应用中存在诸多限制。s e n d o n a r i s 和l a n e m a n 等人提出利用源节点和周围一 个或多个相邻节点组成的分布式虚拟多天线系统来获得空间分集，这种利用相邻节点获得分集 的方式称为协作分集。 目前，关于协作分集的研究主要存在如下问题：( 1 ) 大多数的研究都是假定协作通信的收 发端均已知理想的信道状态信息，对于信道估计误差对协作通信的影响研究甚少；( 2 ) “b e s t ” 选择协作通信研究大多假定是“全天候协作”，即无论中继链路质量的好坏都保持协作，很少考 虑分集和带宽效率的折中问题；( 3 ) 当“b e s t 中继已经被其它用户调度，当前用户必须选择次 优或更次优中继，该条件下的协作系统性能分析有待深入研究；( 4 ) 多用户协作可以同时获得 多用户分集和协作分集，该系统性能的理论分析仍有待深入研究。 针对以上问题，论文研究了相应的协作系统及算法，主要包括： ( 1 ) 研究了存在信道估计误差条件下协作分集性能分析的数学模型，分析了信道估计误差 对协作系统的影响。对于d f 协作系统，得到了r a y l e i g h 信道存在估计误差条件下的平均码 元错误概率闭式解及其上界表达式。进一步考虑总功率约束条件，分析了优化功率分配后的平 均码元错误概率性能。对于n a k a g a m i m 信道，得到了存在信道估计误差条件下的平均码元错 误概率表达式，分析了不同n a k a g a m i 分布参数m 对协作系统的影响。对于a f 协作系统， 通过非直接链路的端到端信噪比的近似表达式得到了接收信号信噪比的概率密度函数p d f 、累 积分布函数c d f 和矩生成函数m g f ，并推导了该系统的平均码元错误概率和中断概率表达式。 ( 2 ) 研究了中继选择协作系统和中继选择算法：对于中继选择系统，考虑分集性能和带 宽效率的折中问题，提出了基于s d 链路信噪比门限的中继选择算法和基于s r - d s d 信噪比 比值门限的中继选择算法，推导了上述中继选择算法的平均码元错误概率和带宽效率表达式， 分析了不同的门限值对平均码元错误概率和带宽效率的影响。理论分析和仿真结果表明，对于 s d 准则，可通过减小协作门限值提高分集效果，可通过增大协作门限值提高带宽效率：对于 s - r - d 准则，当链路处于低信噪比时，可通过减小协作门限值获得更好的分集效果。当链路处 于高信噪比时，可通过增大协作门限值提高系统的带宽效率。做到分集和带宽效率的折中。不 仅解决了“与谁协作”的问题，而且解决了“何时协作”的问题。对于集中调度的多源多中 继协作系统，利用o r d e rs t a t i s t i c 理论研究了公平调度下选择次优或第k 优中继的协作模型，推 导了该模型下的端到端信噪比的p d f 、c d f 和m g f ，并推导了非相同分布信道参数条件下的 博士学位论文 d ( ，c 黼a i ，d i s s e r ，甜l o n 平均码元错误概率和平均信噪比增益表达式。 ( 3 )研究了r a y l e i g h 信道独立同分布条件下的联合多用户分集和协作分集系统，得到了该 协作系统平均码元错误概率和平均信道容量闭式表达式，分析了不同用户数目对协作系统的影 响。理论分析和仿真结果表明，联合多用户分集和协作分集的协作系统分集阶数不再是2 而是 2 k ，即多用户协作分集阶数随着用户数k 的增多而成倍提高。 关键词：协作分集放大前传码元错误概率中断概率信道估计误差门限选择多 用户分集 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n , t h ed e m a n df o rw i r e l e s sa p p l i c a t i o n si n c r e a s e s r a p i d l y , h o w e v e rq o so f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n si sb a d l yd e g r a d a t e db ym u l t i - p a t hf a d i n gc h a n n e l r e s e a r c hs h o w st h a td i v e r s t i yi sav a l i dt e c h n o l o g yt oo v e r c o m ed e g r a d a t i o n s p a c ed i v e r s i t y t e c h n o l o g ya n l 鼍c t sb r o a da t t e n t i o no w i n gt on oe x t r ab a n d w i t ha n di m es l o t so c c u p i e d h o w e v e rt h e m u l t i a n t e n n as y s t e mw i t hs p a c ed i v e r s i t yi sr e s t r i c t e db yt h ec o s ta n dt h es i z e s e n d o n a r i sa n d l a n e m a ns t u d i e da s y s t e mt h a ts o u r c en o d ec a nr e s o r tt oo n e o rm o r en e i g h b o r i n gn o d e sw h oc a nh e l p s o u v 七r e t r a n s m i tt h er e c e i v e ds i g n a lf r o mt h es o u r c et ot h ed e s t i n a t i o nn o d e ，c a l l e dc o o p e r a t i v e d i v e r s i t y t h ep r e s e n tr e s e a r c ho nc o o p e r a t i v ed i v e r s i t ye x i s t sf o l l o w i n gq u e s t i o n s ：( 1 ) m o s tl i t e r a t u r e s a s s a n l et h a tb o t ht h et r a n s m i t t e ra n dt h er e c e i v e rk n o wi d e a lc s if o rc o o p e r a t i v ed i v e r s i t y f e w s t u d i e dt h ep e r f o r m a n c eo fc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n 、) i ，i t l lc h a n n e le s t i m a t i o ne r r o r s ( 2 ) r e s e a r c h o n b e s ts e l e c t i o n m o s ta s s u m e st h a tc o o p e r a t i o ni s a l l - p a r t i c i p a t e - i n c o o p e r a t i v es c e n e s s e l d o m s t u d i e dt r a d e o f fb e t w e e nd i v e r s i t ya n db a n d w i t he f f i c i e n c y ( 3 ) w h i l et h e “b e s t ”r e l a yi s c o m p l e t e l ys c h e d u l e db yo t h e ru s i 懿，t h es o u r c em u s tr e s o r tt os u b - o p t i m a lo rk 伍o p t i m a l r e l a y , t h i s m o d e lr e m a i n si n t e n s i v es t u d yf o rf u t u r e ( 4 ) m u l t i - 嘲c o o p e r a t i o nc a na c h i e v en o to n l ym u l t i - u s e r d i v e r s i t yb u ta l s oc o o p e r a t i v ed i v e r s i t y , t h ee x a g tt h e o r e t i c a le x p r e s s i o n sa w a i t sd e e pr e s e a r c h i no r d e rt oa n s w e rt h e s eq u e s t i o n s ，s e r v e r a lc o o p e r a t i v em o d e l sa n da l g o r i t h m sa r es t u d i e d t h e c o n t i b u t i o no f t h et h e s i si sl i s t e da sf o l l o w s ： ( 1 ) w es t u d yt h em a t h e m a t i c a lm o d e lf o rp e r f o r m a n c ea n a l y s i so fc o o p e r a t i v ed i v e r s i t yw i t h c h a n n e le s t i m a t i o ne r r o r s t h ei m p a c to fc h a n n e le s t i m a t i o ne r r o r so nc o o p e r a t i o ni sa n a l y z e d a s f o rd fc o o p e r a t i o n ，w eo b t a i nt h ea v e r a g es y m b o le r r o rp r o b a b i l i t y ( s e p ) a n di t su p p e rb o u n d e x p r e s s i o n sf o rr a y l e i g hf a d i n gc h a n n e lw i t he s t i m a t i o ne r r o r s f o r t h ec a s eo fc o o p e r a t i v ed i v e r s i t y w i t ht o t a lp o w e rc o n s t r a i n t , w ea n a l y s et h ep e r f o r m a n c eo ft h ea v e r a g es e pw i t ho p t i m a lp o w e r a l l o c a t i o n a sf o rn a k a g a m i mf a d i n gc h a n n e l ，w ea l s oo b t a i nt h ea v e r a g es e pe x p r e s s i o n sa n d a n a l y s ed i f f e r e n tmp a r a m e t e r sh o w t oa f f e c tt h ep e r f o r m a n c eo fc o o p e r a t i v ed i v e r s i t y a sf o ra f c o o p e r a t i o n ，w ea n a l y s et h ep e r f o r m a n c eo fa fc o o p e r a t i v ed i v e r s i t yw i t hc h a n n e le s t i m a t i o ne r r o r a n dd e r i v e dp d f , c d fa n dm g fe x p r e s s i o no fe n d - t o - e n ds i g n a l - t o - n o i s er a t i ob a s e do nn o n - d i r e c t l i n kw i t ha p p r o x i m a t i o nb o u n d t h e nw ed e r i v et h ea v e r a g es e pa n do u t a g ep r o b a b i l i t ye x p r e s s i o n s ( 2 ) w es t u d yr e l a y - s e l e c t i o ns y s t e ma n dr e l a y s e l e c t i o na l g o r i t h m s ：i no r d e rt oi m p l e m e n t t h et r a d e - o f fb e t w e e nd i v e r s i t yg a i na n db a n d w i d t he f f i c i e n c yf o ra fr e l a ys e l e c t i o ns y s t e m ，w e p r o p o s es ds n rt h r e s h o l d - r u l e rr e l a y s e l e c t i o na l g o r i t h ma n ds r - d s ds n rt h r e s h o l d r u l e r i i i ： 博士学位论炙 黼o r a ld i s s 鼍勰# 话i o n r e l a y - s e l e c t i o na l g o r i t h m ，a n dd e r i v et h ea v e r a g es e pa n db a n d w i d t he f f i c i e n c ye x p r e s s i o n s r e s p e c t i v e l y w ea l s oa n a l y s ed i f f e r e n tt h r e s h o l dv a l u eh o w t oi m p a c to nt h ep e r f o r m a n c eo fs e pa n d b a n d w i d t he f f i c i e n c y t h e o r c ：t i c sa n ds i m u l a t i o ns h o wt h a t ，a sf o rs - ds n rr u l e r , r a i s i n gd i v e r s i t y g a i n sc a nb er e s o l v e db yd e c r e a s et h r e s h o l dv a l u e ，a tt h es a m et i m ee n h a n c i n gb a n d w i d t he f f i c i e n c y c a nb er e s o l v e db yi n c r e a s i n gt h r e s h o l dv a l u e a sf o rs - r - d s - dn l l e r w e 锄a c h i e v et h eb e t t e r d i v e r s i t yg a i n sb yd e c r e a s i n gt h r e s h o l dv a l u ew h e nc h a n n e li su n d e rl o ws n rc o n d i t i o n ，a n dw ec a n a l s oe n h a n c eb a n d w i d t he f f i c i e n c yb yi n c r e a s i n gt h r e s h o l dv a l u ew h e nc h a n n e li su n d e rh i g hs n r c o n d i t i o n s ow ec a ni m p l e m e n tw a d e o f fb e t w e e f f ld i v e r s i t yg a i na n db a n d w i d t he f f i c i e n c y n o to n l y c a nw es o l v et h ep r o b l e mo f w h o mt oc o o p e r a t i o n b u ta l s os o l v et h ep r o b l e mo f w h e nt o c o o p e r a t i o n a sf o rm u l t i s o u r c em u l t i - r e l a yc o o p e r a t i o nw i t hc e n t r a l i z e ds c h e d u l i n g ，w es t u d y s u b o p t i m a lo rk 血o p t i m a lc o o p e r a t i v em o d e l sw i t ho r d e rs t a t i s t i c ，a n dd e r i v ep d f , c d fa n dm g f e x p r e s s i o n so fe n d - t o - e n ds n p , t h e na p p l yt h e s ee x p r e s s i o n st od e r i v et h ea v e r a g es e pa n dt h e a v e r a g es n rg a i n sf o rn o n - i d e n t i a ld i s t r i b u t e dp a r a m e t e r s ( 3 ) w ei n v e s t i g a t et h em o d e lo fj o i n tm u l t i - u s e rd i v e r s i t ya n dc o o p e r a t i v ed i v e r s i t yf o ri i d r a y l e i g hf a d i n gc h a n n e l ，a n dd e r i v et h ea v e r a g es e pa n dt h ea v e r a g ec h a n n e lc a p a c i t ye x p r e s s i o n s t h e nw ea n a l y s et h en u m b e ro fu s e r skh o wt oi m p a c to nc o o p e r a t i v es y s t e m t h e o r e t i c sa n d s i m u l a t i o ns h o wt h a t ，a sf o rs i n g l e - r e l a ym u l t i - u s e ra fc o o p e r a t i o n , ，t h ed i v e r s i t yo r d e ri sn ol o n g e r2 b u t2 kf o rj o i n tm u l t i - u s e rd i v e r s i t ya n dc o o p e r a t i v ed i v e r s i t ys y s t e m t h a ti st os a yt h a t d i v e r s i t y o r d e rd o u b l ei n c r e a s e sa l o n gw i t ht h en u m b e ro fu s e r sk k e y w o r d s ： c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y ,s y m b o l e r r o r p r o b a b i l i t y ,o u t a g ep r o b a b i t y , a m p l i f y a n d - f o r w a r d , c h a n n e le s t i m a t i o ne r r o r , t h r e s h o l d - s e l e c t i o n , m u l t i u s e rd i v e r s i t y i v 博士学位论文 d ( x ：t o r a ld l s s e l h j q i o n 目录 摘要i a b s t r a c t ii i 1 绪j 念1 1 1 弓i 言1 1 2 协作分集国内外研究现状2 1 3 论文研究内容与章节安排4 2 协作分集理论基础6 2 1 数学基础6 2 2 单中继协作8 2 3a f 多中继联合前传协作1 5 2 4 本章小结18 3 估计误差对协作系统影响的研究1 9 3 1 信道存在估计误差下的协作系统数学模型1 9 3 2 信道估计误差对d f 协作系统的影响2 0 3 3 信道估计误差对a f 协作系统的影响2 7 3 4 本章小结3 0 4 协作分集的中继选择算法研究3 1 4 1b e s t 选择协作3l 4 2 门限决策选择算法研究3 5 4 3 部分前传中继选择算法研究4 0 4 4 公平调度下中继选择算法研究4 l 4 5 非固定中继协作分集研究4 5 4 6 本章小结4 8 5 多用户协作分集研究4 9 5 1 两跳多用户协作模型4 9 5 2 多用户协作网络编码5 3 5 3 本章小结。5 8 6 总结与展望5 9 6 1 论文工作总结5 9 6 2 未来研究工作设想6 0 参考文献6 2 v 博士学经论丈 d o c t o r a ld i s s e r 陇r i o n 1 1 引言 1 绪论 近年来无线移动用户的数量急剧增加，用户对实时多媒体业务的容量和服务需求不断增长， 对下一代移动通信系统提出了更高的要求。因此，必须采用更先进的通信技术提高信息传输速 率。目前无线通信系统经历了3 代的发展之路，正在向4 g 迈进。第l 代无线通信系统仅能提 供模拟通话服务。第2 代移动通信系统如g s m 和i s 9 5c d m a 系统，实现了数字化传输并采 用t d m a 和c d m a 技术替代f d m a 技术，提高了系统容量和带宽效率。然而2 g 移动通信技 术仅能实现1 4 4 七的语音服务和3 8 4 k 的分组交换服务，远不能满足日益增长的容量需求。第3 代移动通信系统采用c d m a 技术，它能够提供高速数据传输，根据不同的带宽需求支持可变的 自适应的速率服务。国际电信联盟0 t u ) 提出了多个3 g 标准，其中已有3 个投入了商业运营， 分别是欧洲的w c d m a 、北美的c d m a 2 0 0 0 以及中国的t d s c d m a 标准。3 g 标准理论上可 以实现最大2 m 的通信速率。目前不同的3 g 技术正向4 ( 3 演变并形成了不同的4 g 标准，如 c d m a 2 0 0 0 发展为a l e 、w c d m a 与t d s c d m a 发展为l t e 。虽然演变的方式不同，但他们 都采用o f d m o f d m a 和m i m o 技术作为其物理层的关键技术。 o f d m 技术被普遍认为是4 g 高速传输中的关键技术之一，其基本思想是将高速的数据流 分解为若干个并行的数据流，使得o f d m 码元周期显著增加( 因此o f d m 可以有效地克服i s i 的影响) ，再将它们分别调制在不同的相互正交的子载波上，使得每个子载波都处于相对平坦的 衰落信道环境，降低了接收机均衡器的设计复杂度。 m i m o 技术已成为4 g 的另一关键技术1 1 】- 1 3 1 。在不增加系统带宽和发射功率的前提下，分 集技术可以有效抵抗多径衰落并提高传输的可靠性。根据复本存在的不同域，分集技术包括时 域分集、频域分集和空间分集 4 h 9 1 。时域分集在不同时隙接收信号复本，相邻时隙必须大于信 道的相干时间，因而消息的发送速率受到极大限制。频域分集使用不同频率的载波，且载波间 隔必须大于信道的相干带宽。空间分集可以在不占用额外时隙和频率资源条件下极大提高通信 系统容量，其中m i m o 技术是空间分集技术之一。 m i m o 技术通过在收发两端配置多根天线，只要天线距离足够远就可实现相互独立的并行 信道。但是在实际应用中，由于移动台尺寸限制，很难在移动台配置多根天线。当接收端处在 严重的阴影衰落环境时，即使配置多根天线也无法获得很好的分集效果。因此，s e n d o n a r i s 和 l a n e m a n 等人提出了一种新的空间分集技术协作分集( c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y ) 【l o 】舯。协作分 集的思想是：当源节点周围存在一个或多个相邻的节点时，即使没有配置多根天线仍然可以通 过将源节点和周围的相邻节点起组成虚拟的多天线系统，从而获得类似m i m o 的分集效果。 l 博士学位论炙 d ( x ：t o r a ld i s s e r t a t l o n 该技术一经提出，就引起了世界各国学者的广泛关注。其中欧洲著名的研究项目w i n n e r 就包 含了协作分集的相关研究课题。国内外多所大学也开展了相关的理论和应用研究，如瑞典皇家 理工学院通信技术实验室、美国马里兰大学信号与信息处理实验室、阿联酋沙迦大学电子与计 算机工程系和北京邮电大学无线信号处理与网络实验室等。很多知名学者也加入了协作通信研 究，如l a n e m a t l 、k j r a yl i u 、i k k i 和b l e t a s 等。国内如北京邮电大学王文博教授，华中科技 大学朱光喜教授，中国科学技术大学朱近康教授等。国家自然基金项目也对协作通信的研究给 予了一定的支持，如项目编号6 0 7 7 2 11 3 ，6 0 8 7 2 0 2 8 ，6 0 9 7 2 0 3 9 ，6 0 9 0 2 0 4 5 ，6 0 9 0 2 0 1l ，6 1 0 0 11 2 8 ， 6 1 0 7 2 0 4 0 等都是有关协作通信的子课题。 目前协作通信技术已成为无线通信最热点的研究领域之一，协作分集技术正广泛地应用于 蜂窝网络、a dh o e 和传感网络等环境。 1 2 协作分集国内外研究现状 协作通信模型如图1 1 所示，系统由源节点( s o u r c e ) 、目的节点( d e s t i n a t i o n ) 和一个或 多个中继节点( r e l a y ) 组成。协作通信通常采用两阶段正交信道发送信息模式：第l 阶段，源节 点广播发送消息，目的和中继节点都接收该消息；第2 阶段，中继节点要么将受噪声污染的接 收信号放大后重传到目的端，要么将接收到的信号译码后重新编码发送到目的端。l a n e m a n 在 文献【1 1 d p 研究了两种典型的协作协议：放大前传协议( a m p l i f y a n d - f o r w a r d ，a f ) 和译码前 传协议( d e c o d e - a n d - f o r w a r d ，d f ) ，并推导了高信噪比条件下的a f 和d f 系统的互信息表达式 和中断概率( o u t a g ep r o b a b i l i t y ) 表达式。 源 鼬 图1 1 协作通信模型 对于单中继模型，文献【1 2 】研究了两个指数随机变量h a m o n i c 函数的统计特性，包括概率 密度函数( p r o b a b i l i t yd e n s i t yf u n c t i o n ，p d f ) 、累积分布函数( c u m u l a t i v ed i s t r i b u t i o nf u n c t i o n ， c d f ) 和矩生成函数( m o m e n tg e n e r a t i n gf u n c t i o n ，m g f ) 。文献0 3 推导了r a y l e i g h 信道d f 协 作系统高信噪比条件下p s k 信号和q a m 信号平均码元错误概率( t h ea v e r a g es y m b o l p r o b a b i l i t y ，s e p ) 表达式及其上界表达式，并分析了给定信道统计特性条件下的优化功率分配对 2 博士学位论文 d ( ) c 。r o r a ld i s s e r ，劾汀l o n 系统性能的影响，仿真结果表明系统优化功率点更依赖于非直接链路( s r - d ) 而不是直接链路 ( s - d ) 的信道统计特性。文献【1 4 】【1 5 】研究了n a k a g a m i 信道协作系统性能。为简化了译码的复杂 度，文献【1 6 】提出了一种新的优化合并方法c m r c ，仿真结果显示采用c m r c 合并s e p 性能 已非常接近m l 译码性能。以上研究都基于如下假设：目的端知晓所有链路的信道状态信息。 慢衰落环境信道状态信息可以依靠发送导频信息通过信道估计获得，然而信道估计的代价随着 链路数目的增加而线性增大。为解决该问题，文献【1 7 】提出了基于差分调制的a f 协作框架，并 分析了该系统精确的比特错误概率表达式和优化功率分配方案。文献【1 8 】研究了低信噪比条件 下的增强型的译码前传系统平均码元错误概率。 分布式多天线系统可以获得多天线分集，但该系统仍可以通过分布式空时编码方式获得编 码增益( c o d i n gg a i n s ) 1 1 9 - 2 s 。s a m a n 在文献【2 0 仲研究了n a k a g a m i m 信道三种典型正交发送的 分布式空时编码系统的协作模型，并推导了系统容量表达式、分集阶数( d i v e r s i t yo r d e r ) 和平均 码元错误概率表达式。为优化协作系统性能，文献【2 6 】【2 7 】提出了最大化系统容量准则，文献 2 8 】 提出了最小化发送功率准则，文献 2 9 1 1 3 0 提出了最小化中断概率准则。 源节点周围存在多个相临节点时可采用多中继协作模式。文献【3 l 】首次分析了r a y l e i g h 信 道k 个中继节点的d f 协作模型的精确平均码元错误概率表达式，以及高信噪比条件下的平均 码元错误概率近似表达式。对于独立、非相同分布的n a k a g a m i m 信道，文献【3 2 】采用m g f 方 法研究了a f 多中继系统平均比特错误概率和中断概率表达式。 这种多中继协作方式是以牺牲频谱效率为代价的，如果采用f d m 正交发送方式，k 个中 继节点共需要点，+ 1 个独立的子载波信道。如何从众多候选中继中选择最优中继，即中继选择问 题受到越来越多研究者的关注1 3 3 】。【4 3 1 。b l e t s a s 第一次提出了中继选择概念”1 j 3 4 ，并给出了瞬时 端到端的中继链路信噪比最大化的选择准则，即“b e s t ”选择。文献【3 6 】分析了r a y l e i g h 信 道独立同分布条件下中继选择系统端到端信噪比的p d f 、c d f 和m g f 表达式，并推导了系统 平均码元错误概率、中断概率和信噪比增益，实验结果表明中继选择系统的端到端平均信噪比 增益、码元错误概率性能随着中继数目m 的增大而显著改善，其他文献也得到相似结论【3 7 】，【3 8 1 。 文献【4 0 】研究了约束功率条件下“b e s t ”选择系统优化功率分配后的中断概率性能。也有以上 研究都假定目的端知晓所有的信道信息。文献【4 3 】研究了中继目的链路信道状态信息不可知情 况下仅依靠源一中继链路信道信息进行中继选择的协作系统。近来双向协作模型也引起了很多研 究者的关注 4 4 1 。 4 7 1 。中继选择算法研究也引起了国内学者的关注 4 s l - s o 。 目前协作分集的相关研究主要包括： ( 1 ) 不同协作协议研究 协作协议包括a f 、d f 和压缩前传( c o m p r e s s a n d f o r w a r d ，c f ) t 5 1 1 【5 3 1 等。 ( 2 ) 不同信道模型研究 r a y l e i g h 信道、n a k a g a m i 信道【1 4 1 【1 5 l 1 2 0 1 【3 1 m 1 1 、r i c e 信道和w e i b u l l 信道【5 4 】，【5 5 1 。 3 博士学位论戈 d i t t o r a ld i s s e r t a 丁l o n ( 3 ) 不同的分集合并方式研究 典型的分集合并方法包括m r c 、c m r c 、s c 、e g c 5 6 j 【5 8 1 和g s c l 5 9 l 等。 “) 不同的性能分析指标研究 协作系统性能分析指标包括错误概率、中断概率【6 0 】- 6 2 1 、系统容量、分集阶数【6 3 】，【州和信噪 比增益。 目前协作分集研究存在以下问题： ( 1 ) 信道的状态信息c s i 是理想的、无误差的。信道估计误差对协作系统的影响相关研究 不多见。 ( 2 ) 选择协作大多只考虑最优选择的场景即“b e s t ”选择。对于多用户竞争中继的情况，最 优中继已经被其他用户调度而转向次优或更次优中继的情况研究甚少。 ( 3 ) “b e s t ”选择提高了系统的分集效果，但“b e s t 选择”仍然是全协作系统，即无论中 继链路质量的好坏都“全天候协作”，所以系统带宽效率是s i s o 系统的1 2 。必须考虑 整个系统的分集和带宽效率折中问题。 ( 4 ) 多中继协作研究都假定候选中继的数目是固定的，但实际情况下源节点的周围节点数 目由于移动性却是时常变化的。 ( 5 ) 多用户协作可以同时获得多用户分集和协作分集，该系统性能的理论分析仍有待深入 研究。 1 3 论文研究内容与章节安排 论文针对无线协作通信中存在的问题及协作系统的一些关键性的技术和原理进行了深入的 研究和探讨：研究了r a y l e i g h 和n a k a g a m i m 信道存在估计误差条件下的d f 协作系统性能； 对于带宽效率和分集效果的折中问题，研究了a f 协作系统两种典型门限选择算法；针对多用 户竞争中继情况，研究了次优或k 也优中继选择系统的性能；针对节点移动特性，研究了变化 的中继数目分布特性对协作系统性能的影响；研究了多用户协作的分集特性和中断概率。 本文的研究内容和章节安排如下： 第2 章主要阐述了协作通信的数学基础和理论模型。介绍了r a y l e i g h 信道和n a k a g a m i - m 信道统计特性，阐述了a f 和d f 协作分集的数学模型，分析了a f 和d f 单中继系统的平均码 元错误概率性能和中断概率性能，推导了a f 多中继联合前传协作端到端信噪比的p d f 和 m g f ，分析了a f 多中继联合前传协作的m p s k 和q a m 信号的平均码元错误概率性能。 第3 章研究了存在信道估计误差条件下协作分集性能分析的数学模型，分析了信道估计误 差对协作系统的影响。对于d f 协作系统，得到了r a y l e i g h 信道存在估计误差条件下的平均 码元错误概率闭式解及其上界表达式。进一步考虑总功率约束条件，分析了优化功率分配后的 4 博士学位论更 d o c l d 釉钝d i s s 秘h 解i o n 平均码元错误概率性能。对于n a k a g a m i m 信道，得到了存在信道估计误差条件下的平均码元 错误概率表达式，分析了不同n a k a g a m i 分布参数i l l 对协作系统的影响。对于a f 协作系统， 通过非直接链路的端到端信噪比的近似表达式得到了接收信号信噪比的概率密度函数p d f 、累 积分布函数c d f 和矩生成函数m g f ，并推导了该系统的平均码元错误概率和中断概率表达式。 第4 章研究了中继选择协作系统和中继选择算法：对于多中继选择系统，考虑分集性能 和带宽效率的折中问题，提出了基于s - d 链路信噪比门限的中继选择算法和基于s - r - d s d 信 噪比比值门限的中继选择算法，推导了上述中继选择算法的平均码元错误概率和