（信号与信息处理专业论文）协同无线通信网络中的中继协作方法研究.pdf

l 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表 示了谢意。 研究生签名：扭 日期： 东南大学学位论文使用授权声明 p l 弓 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办 理。 研究生签名：丛生导师签名：燧日期：竺! 竺：兰羔 摘要 协作通信技术利用网络中其它节点协助当前节点进行通信，通过使用其它节点的天线可以实现 多跳或混合多跳传输。在蜂窝网络中，使用中继进行协作，可以有效地扩展小区覆盖面，提高小区边缘 用户的服务质量。如果辅以m l m o 和o f d m 技术，中继协作能进一步提高系统容最和稳定性。基于这 些优点，中继协作已经成为包括l 1 e a d v 鲫c e d 和i e e e8 0 2 1 6 m 在内的下一代移动通信系统中的一 项关键技术。本文研究了中继协作通信系统中的协作算法，以优化链路性能为目标。研究了多个场景 下基站和中继端信号处理的一些关键问题。论文的主要工作如下： 1 研究了单中继协作信道的性能，推导并分析了m l m o 中继协作模型下多路复用结构的子信道 功率分配算法，包括基站、中继独自进行功率分配和荩站、中继联合功率分配。 2 研究了m i m o 中继协作系统中基站、中继波束形成的设计，使用g r 勰湖锄n i 卸码本，提出了一 种基于降权重因子的中继端设计的有限反馈波束形成以及基于用户端设计的有限反馈波束形 成。 3 研究了单天线多中继协作场景下的分布式波束形成。包括系统总功率约束和节点独立功率约 束，并进行了性能分析和数值仿真。 4 研究了多天线多中继协作时的中继端信号处理，通过多种方案的仿真比较，全面考察了节点多 天线增益和分布式多天线增益的关系及其对系统性能的影响。 5 在节点独立功率约束条件下，使用概率论模型理论推导了几种中继选择算法信噪比的概率分布 和系统中断概率；以此为根据研究了多中继协作场景中的中继选择问题，针对d f 和a f 两种中 继转发模式设计了中继选择方案，并进行了仿真验证。 6 将多用户通信引入m i m o 中继协作系统中，分析了这种模型下几种容鼍界；提出了一种基于随 机波束形成的s d m a 多用户调度、通信方案，并考虑了其系统级实现问题。随后还简要考虑了 使用o f d m a 实现多用户中继协作通信中的关键问题。 关键词：中继，协作通信，多输入多输出( m l m o ) ，波束形成，多用户 东南火学硕上学位论文 i l a b s t r a c t i nc o o p e r a t i v en e t w o d ( s ，n o d e su s e 彻t e n n 鹬矗d mo t h e r 仃a n s c e i v e f st oc o o p e m t ct h e i rc o m m u n i c a t i o n s t h i sr e s u l t si nat w o h o po rm u l t i p l e - h o pt r 舳s m i s s i o n b ym e a n so f t h i s ，i ti sas 的i g h t f o n v a r di d e at oe m p l o y r e l a y si nc e l l u i 甜n e t v v o r k st oe x p 锄dc o v e r a g 船o f b 鹬e s t a t i o n ，e n h 硼c i n gq u a l i t yo f s e r v i c e s ( q o s ) o f u s e r so n m ee d g eo f c e l l s w 油m i m o 卸do f d m 蕾e c h n i q u e s ，r e i a y - c o o p e m t i v ec o m m u n i c a t i o n sc 锄f h r t h e ri m p r o v e t h et h r o u 曲p u t 卸ds t a b i l i t yo f s y s t e m sb ye 她c t i n gm u l t i p l e xo rd i v e r s 毋g a i n s ，私d o i n gi nu 1 e a d v 粕c e d o rl e e e8 0 2 16 ms y s t e m su n d e rd e v e l o p m e n t 1 nt h i sm e s i s ，w ef o c u so nc o o p e f a t i v ea l g o n t h m si nr e l a y n e t w o r i ( s ，p a r t i c u l a r l ya i m i n ga to p t i m i z i n gl i n kp e r f o 咖a n c eb ys i g n a ip r o c e s s i n ga tb 勰e - s t a t i o n so rr e l a y s t h em 旬o rc o n 仃i b u t i o n sa r el i s t e d 舔f o l l o w s ： 1 1 1 1 em i m or e l a yc h a n n e li sc a r e f i i l i ys t u d i e d am u l t i p l e x i n gs c h 啪eu n d e rt i l i sm o d e li se s t a b l i s h e d ， i nw h i c hp o w e ra l l o c a t l o na n dm a t c h i n go f s p a t i a is u b c h 柚n e l si se x 锄i n e d n i sk i n do fp ai n c l u d e s s e p a r a t ep o w e ra l l o c a t i o na tb 鹬e - s t a t i o no rr e l a y ，a n dj o i mp o w e ra i l o c a t i o nf o rt h et w on o d 2 1 1 l eg r 弱s m 拍n i 锄b 咖f o 肿i n gi 1 1m i m or e l a yn e t w o r k si ss t u d i e d a 如r t l l e rm o d i f i e ds c h e m ei s p r o p o s e dt 0d 郫d en l ea d v e r s ee f f b c to fq u a n t i z a t i o ne r r o re m p o s i n go nt h ed e s i g no fb e 锄f o 咖i n g v e c t o r sa tr e i a ys i d ew h e nt - e r ei sad i r e c tl i n k m o v i n gb e a m f o 咖i n gd e s i g nt ou s e rs i d ei sa i s op 睁 p o d t oe i i m i n a t et l l en dt 0 舰d b a c kd i m c tl i i l kc s it 0t i l er e l a y ；i nm ec o s to f i n c r e 嬲i n gc o m p l e x i t y o fu s e rt e 肌i n a i s 3 d i 矧b u t e db m f o 珊i n gi nn 咖o r k sw 曲m u l t i p i es i n g i e i a n t e 胁ar e l a y si ss t t l d i e d w bs u c c e s s i v e l y c o n s i d e r e dd i s 仃i b u t e db e a m f 0 咖i n gd 伪i g nw i t ht o 协lp o w e rc o n s t r a i n t sa n ds 印a m t ep 0 、v e rc o n s t r a i n 慷 p e 响姗锄c e 锄a l y s i sw 油n u m e r i c a ls i i t i u l a t i o ni sp r o v i d e d 4 am u l t i p l em u l t i p l e - 狮t e j 胁am i a y sc o o p e r a 士i n gn e 呐o r ki ss t u d i e dt oh e l pu n d e r s t a n dt h ei n t e r t i v e e f 诧c tb e t w e 蛐i n t r a n o d ea f r a yg a i n s 卸dd i s t r i b u t e da r r a yg a i n s 5 w bs t u d i e ds e v e m lr e i a ys e l e c t i o na l g o r i t i l m si nd f 湘da fm o d e s u n d e rs 印a r a t ep o w e rc o n s t r a i n t s ， w ed e r i v e dt h ep r o b a b i l i s t i cd i s t r i b u t i o no f s n ri nb o t hc 嬲e s ，锄df b r t h e re m p i o y e di tt o 醐a l y z eo u t a g e p r o b a b i l i t i e s 6 am u l t i u rc o m m u n i c a t i o ns c e n a r i o mm l m or e l a yn e t 、l i ，o r k si se s t a b l i s h e dw 弛c a p a c h yb o u n d s 孤a l y s e s a no p p o 咖n i s t i cb e 锄f o m l i n gs c h e m ei nm i ss c e n a r i oi sp r o p o s e dt ob u i l das d m a c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s o m ek e y p o i n t si ns y g t e m - l e v e ld e s i g na m a i s os t u d j e d ，a l o n gw i t hab r i e fl o o ka t o f d m a s y s t e m s 融坚o t 抵r e l 嘞c o o p e r m 量v e 他m o r l c s m l m o b e 口嘲o r m i n g m t d l i 燃e r 东南大学硕士学位沦文 i v 目录 摘要 i a b s f 瑚c t 。 u i 插图目录 i 】【 第一章绪论 1 1 1 引言1 1 2 中继协作技术概述，1 1 2 1 雌中继协作。2 1 2 2 多中继协作3 1 2 3 中继选择4 1 2 4 多用户中继协作5 1 3 m i m o 技术概论5 1 3 1 空间复用增益6 1 3 2空间分集增益 6 i 3 3 发射预处理与智能天线技术7 1 3 4有限反馈技术 7 1 4 下一代移动通信系统及其m l m o 和中继通信技术8 1 4 1 m l m o 通信技术8 1 4 2 中继通信技术9 1 5 本文的丰要工作9 第二章单中继协作通信 1 l 2 1 衰落中继信道模型1 l 2 1 1 系统模型i l 2 1 2 协作性能分析，1 2 2 2 m i m o 中继信道与多路复用1 2 2 2 1 多路复用协作系统。1 2 2 2 2 发射端与中继端功率分配1 4 2 2 2 1独立功率约束1 5 2 2 2 2 联合功率约束。1 5 2 2 3 有商达链路时的联合设计1 6 2 3 m l m o 中继与波束形成：1 7 2 3 1 最优波束形成设计。1 7 2 3 。1 1 无直达链路时的波束形成1 8 2 3 1 2 存在亢达链路时的波束形成1 9 2 3 2 始于钉限反馈的m i m o 中继波束形成2 0 2 3 2 1 无直达链路时的有限反馈设计2 0 v 东南人学硕士学位沦文 2 4 2 5 第三章 3 1 3 2 3 3 3 4 第四章 4 1 4 2 4 3 4 4 第五章 5 1 5 2 2 3 2 2存在直达链路时的有限反馈设计 2 3 2 3 算法流程 仿真结果 小结 多中继协作通信 分布式波束形成 3 1 1 系统模型 3 1 2和功率约束下的多中继协作 3 1 2 1无直达键路 3 1 2 2 有直达链路 3 1 2 3分集度性能 3 1 3 独立功率约束下的多中继协作 3 1 3 1 无直达链路 3 1 3 2 笨ff 气达链路 3 1 3 - 3性能分析 多天线多中继协作 3 2 1 系统模毽 3 2 2多天线中继晦作系统的容垃界 3 2 3基于对角化的分布式m l m o 中继传输方案 3 2 3 1 放大转发方案 3 2 3 2z f p z f 方案 3 2 3 3q r p - z f 方案 3 2 3 4 z f p - q r 方案 3 2 3 5 q r p - q r 方案 仿真结果 小结 中继选择 系统模型 4 i 1 d f 模式中继选择 4 1 。2a f 模式中继选择 性能分析 4 2 1 d f 模式中继选择 4 2 i 1被动式d f 中继选择 4 2 1 2 主动式d f 中继选择 4 2 2 a f 模式中继选择 仿真结果， 小结 多用户中继协作系统 系统模颦 基站、中继端多用户预编码设计及其和容请界 v i 2 l 2 3 2 4 2 8 2 9 2 9 2 9 3 0 3 0 3 2 3 3 3 3 3 3 3 5 3 6 3 7 3 8 3 9 3 9 4 0 4 0 4 0 4 1 4 l 4 2 4 7 4 9 4 9 5 0 5 i 5 i 5 l 5 l 5 2 5 3 5 4 5 6 5 7 5 7 5 8 5 2 1 5 2 2 5 2 3 5 2 4 5 3中继多 5 3 1 中继多j l j 户系统中的t o m l n s o n h a r a s h i m a 预编码 5 3 2 中继多用户系统的随机波束形成 5 3 2 1 基站端随机波束形成 5 3 2 2 中继端随机波束形成 5 3 2 3基于信道特征空间分析的随机波束形成 5 4 l 1 r e 中的多用户预编码实现 5 5o f d m a 系统的考虑 5 6 仿真结果。 5 7 小结 第六章结束语 6 1本文工作总结 6 2 未来工作展望， 6 3 结语 致谢 参考文献 v i i 甜硒砸酊醯的记 巧饴竹 ” 钞 东南大学硕士学位论文 v i l i 插图目录 1 1 m i m o 线性检测接收机信号空间。 1 2l t e 中的m i m o 应川场景 1 ，3u t 中下行m i m o 系统艇图 2 1 衰溶中继俯道梭州 2 2 m l m o 中继协作系统模型 2 3 特征子信道的匹配示意图 2 4m i m o 中继波束形成系统模型 2 5 多路复用m i m o 协作系统的独立功率分配与和功率分配性能 2 6 多路复用m l m o 协作系统基站和中继的功率分配性能只= 辟= 丢r ： 2 7 多路复用m l m o 协作系统墓站和中继的功率分配性能p s = 2 只= ；最： 2 8 无直达链路时m l m o 协作中继的g r a s s m a n n i 釉波束形成性能 2 9 存在直达链路时枷m o 协作中继的g f 弱s m a n n i a n 波束形成性能 2 ，1 0 存在霞达链路时m i m o 挑作中继的g r a s s m a n n i 卸渡策形成性能放大) 2 1 l 存在直达链路时m l m o 协作中继的g m s s m a n n i 和波束形成性能 3 1 分布式波束形成系统框图 3 2 多天线多中继协作模型 3 3 和功率约束条件下分布式波束形成的误比特率( r = 2v s 冗= 4 ) 3 4 和功率约束条件下分布式波束形成的容醚( 月= 2v s r = 4 ) 。 3 5 和功率约束条件下分布式波束形成的容娃( 只= 竺1 只= 1 0 d b w ) 3 6 独立功率约束条件下分布式波束形成的误比特率( r = 2v s r = 4 ) 3 7 独立功率约束条件下分布式波束形成的容量( r = 2v s r = 4 ) 3 8 独立功率约束条件下分布式波束形成的容量( 只= p 1 = = b t = 2 0 d b w ) 3 9 分布式波束形成设计方案的比较 3 ，l o 基于三角化设计的m i m o 多中继协作方案容毓比较m = = 2 ，k = 2 ， 3 1 l 基于三角化设计的m j m o 多中继协作方案容破随中继数目的增长关系m = = 2 3 1 2 基于三角化设计的m i m o 多中继协作方案容醢对比m = 2 ，= 4 ，k = 2v s z = 2 ，= 2 ，k = 4 3 1 3 基于三角化设计的m i m o 多中继协作方案的容转m = 2 ，= 4 ，盯：盯! = 1 0 0 。 3 1 4 荩于三角化设计的m i m o 多中继协作方案的容髓魁= 2 ，= 4 ，! 盯：= 1 0 0 4 1 中继选择系统模型。 4 2 解百f 5 中继选择的b e r 性能比较曰= 2v s r = 4 。 4 3 解码中继选择的中断概率性能比较r = 2v s r = 4 4 4 放大转发中继选择的b e r 性能比较r = 2v s 。r = 4 4 5 放大转发中继选择的b e r 性能比较r = 2v s r = 4 。 4 6 放大转发中继选择的b e r 性能比较r = 2v s r = 4 6 8 9 n b h协抖笱筋撕弱”刀 ”诣铊乾钙够舛钳钙酊 钉钉铝 钞舛”巧孙铂 1 一 东南大学硕士学位论文 5 7 应用t o m l i n s o n h a r a s l l i m a 预编码 6 4 7 2 随机波束形成吞吐齄性能( 1 ) 7 2 隧机波束形成夼吐：矗性能( 2 ) ，7 3 随机波束形成v s t h 砸编码+ 自适应m q a m 7 3 用户分集性能7 4 x 第一章绪论 1 1引言 自1 9 世纪末马可尼的无线电波第一次传至大西洋彼岸至今已逾百年了。一百多年来，由于无线电 传输的独特优势，无线通信得到了长足发展和广泛应用。特别是进入信息时代后，人们对任何时间、任 何地点、与任何人进行信息交流的需求更是大大刺激了移动通信的发展。数十年来，移动通信经历了 从第一代模拟蜂窝系统到第二代数字蜂窝系统再到第三代宽带多媒体通信系统的三大阶段。目前，第 三代移动通信技术已进入全球范围内的实施阶段，手机上网冲浪、视频传送、手机电视等大数据最业 务已经全面进入商用。与此同时，b 3 g 以及4 g 无线通信系统的研究也进入了崭新的时代。在国际电信 联盟( i n t e m a t i a it e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n ，i t u ) 的框架下，下一代移动通信系统的国际标准化进程 ( i n t e m a t i o n a im o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n sa d v 卸c e d l m t - a d v 卸c e d ) 已经取得了显著进展。作为此框架 下的两大竞争对手，以欧洲为主的l 1 r e - a d v a n c e d 和美国为主的i e e e8 0 2 1 6 m 在标准化上做出了大 量的努力，各自都提出了系统的方案。虽然这些方案之间存在很多差异，但也基本上可以确定下一代 移动通信系统的技术轮廓，o f d m o f d m a 、m l m o 和智能天线、中继扩展、协作通信等将成为4 g 的 主流技术。 4 g 系统是为了满足各种高速数据和高q o s 要求的业务而设计的，这些业务可能包括无线宽带接 入、多媒体消息、视频通话、移动电视、数字视频广播( d v b ) 甚至高清电视。在无线通信中，当数据速率 提高时系统将不可避免地受到衰落影响。无线通信中的衰落可以分为大尺度衰落和小尺度衰落。其中 大尺度衰落是由建筑物的遮挡、无线电波的传输衰减等导致的，且载波频率越高衰减越严重。因此在 高速无线通信( 主要是蜂窝通信) 中如何确保小区覆盖面是一个重要的问题；而小尺度衰落主要由多 径引起，特别是当传输带宽很大时，由于信道相干带宽小于数据带宽，此时将产生频率选择衰落，对通 信质：i ；= 产生严重影响。这些都是高速无线数据传输所要面临的营要问题。在下一代移动通信系统演进 中，l t e a d v a n c e d 和8 0 2 1 6 m 均对上述问题给予了足够的关注。 协作通信是解决上述问题的一个非常有效的方案。协作通信是指利用其它节点协助当前发射机 进行通信，通过其他节点的天线进行多跳或混合多跳传输。通过辅以m l m o 和o f d m 技术，协作传输 可以在扩大小区覆盖面、保证小区边缘用户q o s 的同时，提高系统的容量和稳定性。协作通信被认为 是未来无线通信发展的重要方向之一，这一方面是因为它创建了额外的传输路径使得通信更可靠；另 一方面，协作通信( 特别是中继协作) 为现有网络的扩展提供了可能，也使得移动通信系统在遇到灾 害、战争受损时能够较快地恢复；还有，众所周知多天线系统能够显著提高系统容量和传输可靠性，然 而由于设备体积的限制，实际上很多时候并不能够配备多根天线，而此时协作通信可以使用协作节点 的天线，组成一个分布式的m i m o 系统，这在诸如无线传感器网络等场景中是十分有用的。截至目前， 扩展型竹p ei ) 中继已经被正式加入u e a d v 锄c e d 协议中；而协作型中继竹p ei i ) 正在进行热烈讨 论，有望在未来一两年内正式加入。 本文研究蜂窝网络中的协作通信技术，特别地，本文主要考虑中继协作方法。 1 2中继协作技术概述 在蜂窝网络中专门引入中继一方面可以扩展小区覆盖面，提高热点地区、死区的服务质量( 此时 的中继可以看作是一个微基站) ；另一方面，通过中继的协作，辅以传统一跳系统的技术，还可以提高系 统容最、获得协作分集。早在1 9 7 9 年文献【1 】中，c o v e r 等人就研究了纯粹的中继信道的信息论问题。而 通过中继进行协作通信则只是近几年的事情，其研究主要包括设计协作及中继处理的策略、系统容量 东南大学硕士学位论文 分析、中断概率与分集性能分析等。 根据信号处理方式的不同，中继的转发策略主要可以分为放大转发模式( a m p l i 匆锄d f o 刑盯d ， a f ) f 2 】【3 j 、解码转发模式( d e c o d e 卸d f o n a r d ，d f ) 【3 】、编码协作模式( c o d ec o o p e r a t i o n ，c c ) 【4 l 以及计算 转发模式( c o m p u t c 狮d - f o n v a r d ，c f ) f 5 j 等。 在【2 】中，a s e n d o n a r i s 等人首先提出在蜂窝网中进行用户协作，分析了协作传输的可达速率域、中 断概率以及此时的蜂窝覆盖性能，并提出了一种c d m a 实现【o 】的具体通信策略并分析了其性能。该文 章最早提出，通过网络中其他节点的协作，能够获得容量、中断概率、b e r 等性能的增益，这种通过协 作提供的增益称为协作分集。由于这种分集是通过其它节点的天线获得的，因此也是一种分布式的天 线分集。在【3 】中。j l 锄e m 绷和d a v i d1 如分析了几种主要中继协作方案的分集性能和中断概率性能。 文章指出，放大转发模式、中继选择模式可以达到对应节点配置所具有的满分集度，而由于解码转发 模式需要额外解码，因此在没有直达链路存在时并不能提供分集，反而造成额外的时隙需求。文献【7 坝0 研究了中继信道的性能，分析了不同时隙设计时a f 模式和d f 模式中继信道的信道容鼍。这些早期 的文献建立了协作通信的主要系统模型，并细致地研究了系统模型的信息论性能，为后面的工作打下 了很好的基础。 此后研究者们陆续提出了很多协作方案。在f 8 】中提出了一种基于时间上正交的信道进行协作的重 复编码方案。在f 7 】【s j l 9 】中则研究了通过设计空时码进行协作，这种空时码的设计不需要发射端知晓信 道信息。当发射端已知全部或部分信道信息时，则可以通过波束形成设计进一步提高系统性能，比如 文献【1 0 1 【i i 】。在传统一跳系统中，空时码的设计属于开环技术而波束形成或预编码的设计则属于闭环， 这些技术已经相对成熟。值得一提的是这些方案均存在一些缺点。比如空时码设计需要考虑到系统 节点之间的同步：波束形成或预编码则要受限于信道信息的反馈情况。这些都是在具体场景的设计中 需要特别注意的问题。此外，虽然这些技术已相对成熟，然而由于中继协作系统是多跳通信，之间引入 了噪声甚至是噪声放大，因此往往需要联合考虑两跳甚至多跳链路的设计，这与传统的点对点或点到 多点链路是不同的。尽管如此，经过合理改进，其中的设计方法和思路仍然值得借鉴。 根据应用场景不同，中继协作大致可以划分为：仅配备一个中继，使川中继链路与直达链路协作或 者使用多天线中继进行天线间协作；使用多个中继同时参与协作；从多个可服务中继中进行中继选择， 选出一个或几个中继进行协作：以及同时服务多个用户或有多个信源信宿对的网络协作。 1 2 1 单中继协作 单中继协作是指仅有一个中继与发射端协作进行通信。在蜂窝网络中，中继的分布常常是比较分 散的，因此绝大多数情况下协作通信仅发生在三个节点之间，即基站、中继和用户。在很多场景中，经 历中继选择后系统模型也可能退化为三节点协作通信模型。因此单中继协作具有模型现实、实现和分 析简便等优点，值得关注。 单中继协作的研究首先起始于中继信道的信息论分析。文献【7 1 讨论了几种三节点、各节点单天线 模型下的协作协议设计，主要集中在时隙分配和其相应衰落中继信道的容量分析上。在1 2 】中则详细分 析了该模型下的信道容量界，给出了不同场景假设下的遍历容量和中断容量，并指出发射端和中继间 的功率分配在单中继协作模型中具有重要意义，即使是单天线配置也需考虑协作链路之间的功率分 配，这与一跳系统是不同的。由于功率分配需要发射端和中继已知信道信息，【1 3 1 研究了信道信息的已 知程度对功率分配及相应中断概率性能影响，并分析了有限反馈条件下功率分配对性能的影响。 更多的情况下是假设发射端、中继和接收端都配备多根天线，这种场景与下一代移动通信系统中 的配置是吻合的。更进一步，多天线的中继可以看作是多中继之间能够完全协作的情况，而多天线的发 射端和接收端则可以抽象成m i m o 广播信道( b r o a d c a s tc h 姗e i ，b c ) 和多址接入信道( m u l t i p i e - c e s s c h 锄e l ，m a c ) ，因此这个场景的研究是非常具有代表意义的。文献【1 4 】研究了m i m o 中继信道的信息 2 第一章绪论 论性能，推导了中继解码转发时该信道遍历容量的上下界。【1 5 】研究了放大转发模式的中继处理矩阵的 设计问题。最简单的设计方法是中继简单地放大接收信号后转发。而i l s 】证明了，无论是否存在直达路 径，在中继完全已知接收和发射信道时，中继的最优处理矩阵对应为一跳和二跳信道的特征信道的对 接，从而将m i m o 中继链路转化为并行的s i s o 链路，并可以对并行信道进行最优功率注水。存在直达 路径时该模犁的信道容 i ：界也在文中给出了。1 1 6 1 也进行了类似的工作并得出了棚同的结果。 文献【l l 】考虑了更一般的模型，其假设发射端与中继一样均可知道各自发射信道的信息。即发射端 已知其与中继之间的信道信息和直达链路信道信息：中继已知其接收信道和中继与接收端之间的信 道信息。论文联合考虑了发射端波束形成设计和中继的处理舞i 阵。在不存在直达路径两跳链路的优化 对应予在两个信道的主特征信道上发送：而存在直达链路时则因发射波束形成矢馈要联合考虑直达 路径和中继路径，没有最优闭式解。文中证明了，此时发射波束形成矢量和中继波束形成矢量的可行 域均处于超球面上，并且gr ：弱s m 卸n i a n 码本设计适用于此，从而可以用于该模型下有限反馈波束形成 的设计。仿真结果表明，有限反馈波束形成能够逼近最优设计。 另一类系统模犁是两跳信道均为频率选择性衰落，此时需要通过o f d m 调制方式将信道分割为 窄带平坦衰落信道进行传输。使用o f d m 调制传输信息时需要考虑子信道分配和相应的功率分配，文 献【1 7 】研究了这种情形下m i m o o f d m 中继信道的子信道和功率分配。由于节点均配备多天线。在子 信道内又可以进一步由s v d 分解将其划分为空问子信道。设频率子信道为k 个，空间子信道为个， 则共有k 个子信道需要进行功率分配。该论文用凸优化建模了该问题，分别对发射端和中继端独 立功率分配、发射端和中继端联合功率分配两种情况进行了分析，并给出了近似解。 o f d m 是下一代移动通信系统的标准调制方式，将其与m i m o 和中继技术结合起来研究具有相 当的现实意义。 1 2 2 多中继协作 多中继协作是指发射端与接收端之间使用多个中继同时参与通信，节点可以都是单天线，也可以 都是多根天线。这种多个节点同时参与协作在无线传感器网络、自组织网络中具有很好的应用前景。 文献【1 8 】首先研究了这种场景下中继的信号处理，发射端、各中继和接收端均配备单根天线。在各 中继具有和功率约束时，最优的中继处理算法是相干地合并各中继上的信号，这是一种分布式的最优 波束形成。在【1 9 l 中作者也给出了一个类似的结果，不同的是此时的场景还存在直达链路。在有直达链 路存在时，中继的处理与没有直达链路时并无不同，但为了有效利用直达链路的信息接收端需要采用 最大比合并( m r c ) 接收。【i o 】中则研究了中继独立功率约束时的多中继协作。由于中继之间不能共享 功率此时的优化可行域不再是超球面，因此设计更困难。但这种限制条件也更符合实际。 上述算法均要求中继完全已知其接收和发射信道的信息，这需要很高的反馈开销。在更实际的系 统中，常常假设仅具备部分信道信息。部分信道信息分为两大类：信道统计信息：量化的信道信息。【1 9 】 研究了和功率约束时仅已知信道统计信息时分布式波束形成的设计文章通过推导得出此时的波束 形成设计退化为根据信道统计量进行中继选择。f 2 0 】则考虑了仅依靠二阶统计量进行设计，其所有优化 都是统计意义上的优化。【2 l 】研究了利用信道统计最针对成对误差概率( p a i 刑i s ee n o rp r o b a b i “坝p e p ) 进行波束形成设计，这是一种利用统计量进行瞬时优化方案。文献1 2 2 】则研究了使用量化的信道信息进 行分布式波束形成，通过g l a ( g e n e r a i i z e dl l o y da i g o r i t h m ) 算法设计出码本供用户进行有限反馈。这 其中【1 9 】【2 0 】为节点和功率约束：而【2 l l 【2 2 1 贝为各中继独立功率约束。 h b o l c s k e i 等人在文献【2 3 】中研究了各节点配备多根天线的情况。多天线中继在提高频谱效率、复 用和分集性能上有显著优势。文中证明了，设发射机和接收机均配备m 根天线。中继和接收机完全已 知信道信息，发射机未知任何信道信息时，通过k 个单天线或多天线中继扩展的两跳系统的容；l ；：不但 和m 呈线性增长关系，而且还与中继的个数k 呈对数增长关系，即c = 等l o g ( k ) + d ( 1 ) 。而中继未知 3 算法设计的码本。实际上，中继选择也可以看作是一种反馈比特为l o g ( k ) 的有限反馈多中继协作( k 为可供选择的中继数) ，只不过这些反馈比特中仅有一个为1 其它皆为o 。而【1 9 】中已经推导，如果中继仅 已知信道统计信息由最大化接收信噪比设计的多中继协作方案正是退化为中继选择问题。 文献【3 2 】