（电路与系统专业论文）协作中继高效性传输技术研究.pdf

独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本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中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：每軎牝 同期：弓4 a 4 l 占f v 、 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和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北京邮电大学。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磁盘，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一年解密后适用本授权书。非保密 论文注释：本学 本人签名： 导师签名： ，适用本授权书。 日期： 趔l ! ：2 ：2 日期： 丝 ! ： ：1 北京邮电大学博上研究生学位论文 中文摘要 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( w s n ) 、无线自组织( a d h o c ) 网、无线m e s h 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( c o g n i t i v er a d i o ，c r ) 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m i m o 传输策 略。在此基础上，提出了基于协作m i m o 的节点选择及优化算法。 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。 关键词：无线通信协作分集认知无线电中断概率高能效传输 i i r e a r c h e s0 ne f f i c i e n tc 0 0 p e r a t i v er e l a y t e c h n o l o g i e sf o rw i r e l e s sn e t w o r k s a b s t r a c t i nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e m ，c h a n n e lf a d i n gc a nd e c r e a s et h e r e l i a b i l i t yo fc o m m u n i c a t i o n s c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y , i nw h i c hu s e r ss h a r e t h e i ra n t e n n a st oo b t a i ns p a c ed i v e r s i t y , b e c o m e san e wv a l u a b l ed i v e r s i t y t e c h n i q u e t od a t e ，c o o p e r a t i v ed i v e r s i t yh a sb e e nw i d e l yu s e di nw i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k s ，w i r e l e s sa d h o cn e t w o r k s ，w i r e l e s sm e s hn e t w o r k sa n d w i r e l e s sc e l l l a rn e t w o r k s o b v i o u s l y , c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o nw i l lb e t h ek e yt e c h n o l o g yf o rc o n v e r g e n c eo fv a r i o u sh e t e r o g e n e o u sn e t w o r k s o nt h eo t h e rh a n d ，a sw i r e l e s st e c h n o l o g i e sc o n t i n u et o e x p a n d ， m o r ea n dm o r es p e c t r u mr e s o u r c e sw i l lb en e e d e d c o g n i t i v er a d i o ( c r ) i sa ne x c i t i n ge m e r g i n gt e c h n o l o g yt h a th a st h ep o t e n t i a lo fd e a l i n gw i t h t h es t r i n g e n tr e q u i r e m e n ta n ds c a r c i t yo ft h er a d i os p e c t r u m a l t h o u g h c o o p e r a t i v ed i v e r s i t yc a ni n c r e a s et h ea b i l i t yo fc o m b a t i n gc h a n n e lf a d i n g a n dt h ec o g n i t i v er a d i oc a ne n h a n c et h eu n t i z a t i o no fl i c e n s e ds p e c t r u mi n t h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，i ti sn o te n o u g ht os o l v ea b o v et w o p r o b l e m s t h ec o o p e r a t i v er e l a ya n dc o g n i t i v er a d i ot e c h n i q u e sb a s e d c o n v e r g e n c em e c h a n i s mw h i c hi s ap o t e n t i a ls o l u t i o nt oi n c r e a s et h e p e r f o r m a n c eo fc o m b a t i n gt h ed e t r i m e n t a le f f e c t so ff a d i n gc h a n n e l s ， c h a n n e l c a p a c i t y a n d f r e q u e n c y u s t i l i z a t i o nf o rw i r e l e s s s y s t e m h a sa t t r a c t e dm o r ea t t e n t i o n si nr e c e n tr e s e a r c h e s t h i sd i s s e r t a t i o nc o n s i d e r st h es p e c i a li s s u e so fc o o p e r a t i v er e l a y c o m m u n i c a t i o na n di n v e s t i g a t e so p t i m i z e d d e s i g no fc o o p e r a t i v ed i v e r s i t y f u r t h e r m o r e ，h o wt oc o o p e r a t i v ed i v e r s i t yw o r k si nt h ec o g n i t i v er a d i o i 北京邮电大学博 ：研究生学位论文英文摘要 ( c r ) n e t w o r k si si n v e s t i g a t e d f i r s t ，t h ec o o p e r a t i v ea n dp o w e ra l l o c a t i o ns t r a t e g i e sb a s e do n e n e r g y - c o n s t r a i n e dl i c e n s e dw i r e l e s sn e t w o r k s ，i nw h i c ht h ef r e q u e n c y b a n d sa r ee x c l u s i v e l ya l l o c a t e dt ot h eu s e r s ，i sp r o v i d e di nc h a p e r3 f o r e n e r g y - c o n s t r a i n e dw i r e l e s sn e t w o r k s ，s u c ha sw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ( w s n ) ，m i m o ( m u l t i - i n p u t m u l t i - o u t p u t ) c o o p e r a t i v ee n e r g ye f f i c i e n t p r o t o c o l st op r o l o n gt h en e t w o r kl i f e t i m ea r ei n v e s t i g a t e d t h e n ，an e w p a r t n e rc h o i c ea l g o r i t h mb a s e do nc o o p e r a t i v em i m ot r a n s m i s s i o n i s p r o p o s e d c o m p a r e dw i t he x i s t i n gw o r k ，c o o p e r a t i v en o d e sc h o i c e i n e v e r yt r a n s m i s s i o ni sn o tb a s e do nm i n i m i z i n ge n e r g yc o n s u m p t i o nb u t b a l a n c i n gr e s i d u a le n e r g ya m o n gp a r t i c i p a n tn o d e si n c l u d i n gs o u r c en o d e a n dr e l a y sf o ro n es p e c i a la p p l i c a t i o ns oa st om a x i m i z en e t w o r kl i f e t i m e s e c o n d ，c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y w h i c hw o r k si nt h e u n d e r l a y s h a r i n g - s p e c t r u me n v i r o n m e n t ，i nw h i c hp e a kt r a n s m i t p o w e ro fc r s y s t e mm u s tb eb e l o wt h ei n t e r f e r e n c et e m p e r a t u r ec o n s t r a i n to fp r i m a r y u s e r , i si n v e s t i g a t e di nt h ec h a p e r4 ，5a n d6o ft h i st h e s i s t h em a i n c o n t e n ti n c l u d e st h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： 1 ) f o re n e r g y - c o n s t r a i n e dc rn e t w o r k s ，s u c ha sw i r e l e s s s e n s o r n e t w o r k s ( w s n s ) ，t h eu s e rc o o p e r a t i v es t r a t e g yi nt h es p e c t r u ms h a r i n g e n v i r o n m e n ti s i n v e s t i g a t e d i n c h a p e r4 o p t i m a lp o w e ra l l o c a t i o n s t r a t e g yi no r d e rt om i n i m i z et h ee n e r g yc o n s u m p t i o no fc rs y s t e ma n d m e a n w h i l eg u a r a n t e et h eq u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) o ft h ep r i m a r ys y s t e m i sp r o p o s e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ep r o p o s e dm e t h o do b t a i n s h i g h e re n e r g ye f f i c i e n c yi nc rs y s t e ma n db e t t e rp e r f o r m a n c eo fp r i m a r y l i n kt h a nt h o s eo ft h ed i r e c tt r a n s m i s s i o n 2 ) f o rm u l t i r e l a y ss p e c t r u ms h a r i n gc o o p e r a t i v ec rs y s t e m ，c h a p e r 5p r o p o s e sad i s t r i b u t e dt r a n s m i tp o w e ra l l o c a t i o na l g o r i t h mb a s e do n a m p l i f ya n df o r w a r d ( a f ) c o o p e r a t i v em o d e l b yt h i sa l g o r i t h m ，t h e r e l a y sa d j u s tt h e i rt r a n s m i t p o w e rb a s e do nb r o a d c a s ti n f o r m a t i o nf r o m i v d e s t i n a t i o nw i t h o u tc e n t r a ln o d et oc o n t r 0 1 t h es i m u l a t i o n sv a l i d a t et h e e f f i c i e n c y o f p r o p o s e da l g o r i t h mb yc o m p a r i n gi tw i t ht h ed i r e c t t r a n s m i s s i o na n dt h es c h e m ew h e r ee q u a lw e i g h t sa r e a s s i g n e dt ot h e r e l a y s 3 ) t h ep e r f o r m a n c eo fc a p a c i t y , o u t a g ep r o b a b i l i t ya n db i te r r o r sr a t e ( b e r ) h a sr e c e n t l yb e e ni n v e s t i g a t e d o n l y i nl i c e n s e d c o o p e r a t i v e w i r e l e s sn e t w o r k s t h eo u t a g ep e r f o r m a n c eo fw i r e l e s sc o g n i t i v er a d i o r e l a yn e t w o r k sb a s e do nd e c o d i n ga n df o r w a r d ( d f ) m o d ei nas p e c t r u m s h a r i n ge n v i r o n m e n ti si n v e s t i g a t e di nc h a p e r6 i np a r t i c u l a r , t h er e l a t i o n b e t w e e nt h eo u t a g ep e r f o r m a n c eo ft h e s e c o n d a r yr e l a yl i n ka n dt h e i n t e r f e r e n c ei n f l i c t e do nt h ep r i m a r yu s e ri sq u a n t i f i e d n u m e r i c a lr e s u l t s a r ep r o v i d e dt ov a l i d a t et h i sa n l y s i s f r o mt h e d i s s e r t a t i o n ，i tc a nb ef o u n dt h a t ，i n c o o p e r a t i v e c o m m u n i c a t i o n s s y s t e m ，s e l e c t i n g s u i t a b l e c o o p e r a t i v es c h e m e sa n d p o w e ra l l o c a t i o na l g o r i t h m s f o r s p e c i a l t r a n s m i s s i o n s t r a t e g i e s c a n a c h i e v e c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y , w h i c hc a ns i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h e p e r f o r m a n c ea n dr e d u c et h ee n e r g yc o s to fs y s t e m s k e yw o r d s ：w i r e l e s sn e t w o r k s ，c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y , c o g n i t i v er a d i o ， o u t a g ep r o b a b i l i t y , e n e r g y e f f i c i e n tt r a n s m i s s i o n v 北 北京邮电人学博1 j 研究生学位论文 目录 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景：1 1 - 1 1 国内外研究现状2 1 2 协作通信面临的挑战3 1 2 1 高能效性传输技术一3 1 2 2 协作通信和认知无线电结合技术4 1 3 论文研究内容及章节安排5 1 4 参考文献7 第二章认知无线电与协作分集技术1 1 2 1 认知无线电技术概述1 1 2 1 1 无线传输场景分析1 2 2 1 2 信道状态估计及其容量预测1 4 2 1 3 传输功率控制和动态频谱管理1 5 2 2 分集技术介绍一1 7 2 3 协作通信技术概述一1 9 2 3 1 协作分集技术介绍2 1 2 3 1 1 中继转发信号方法分类2 3 2 3 1 2 中继网络结构分类2 5 2 3 2 协作通信需要解决的问题一2 7 2 3 2 1 协作通信网络中继选择及功率分配策略2 7 2 3 2 2 协作分集容量及中断概率研究2 8 2 3 2 3 协作通信用于提高网络能效的研究2 8 2 3 2 4 协作和认知网络结合技术2 9 2 4 本章小结3 2 2 5 参考文献3 3 第三章高能效性协作m i m o 技术4 3 3 1 协作m i m o 能耗模型4 3 3 2 协作式m i m o 策略的设计4 5 3 3 网络生命周期最大化的m i m o 协作节点选择算法一4 7 v n 北京邮电人学博士研究生学位论文目录 3 3 1 系统模型描述4 7 3 3 2 无线信道模型描述4 8 3 3 3 第一跳传输4 8 3 3 4 第二跳传输4 9 3 3 5 生命周期最大化的节点选择算法5 0 3 3 6 算法实现一5 1 3 3 7 仿真结果一5 4 3 4 本章小结一5 7 3 5 参考文献5 7 第四章基于c r 系统的高能效性协作传输技术一6 1 4 1 协作分集中的d f 模式6 1 4 2 授权网络能效性协作功率分配算法6 2 4 2 1 情况1 6 3 4 2 2 情况2 6 4 4 3c r 协作系统传输能量最小化的功率分配算法6 5 4 3 1 情况1 6 7 4 3 2 情况2 6 9 4 3 3 授权系统链路性能分析7 1 4 4 仿真结果7 2 4 5 本章小结一7 3 4 6 参考文献7 5 第五章基于c r 系统的协作多中继功率分配算法7 7 5 1 协作分集中的a f 模式策略7 8 5 2 基于a f 模式的c r 协作功率分配策略7 9 5 2 1 系统协作模型描述7 9 5 2 2 授权系统干扰模型一8 1 5 2 3c r 协作系统功率优化模型：一8 2 5 2 4c r 系统中断概率分析8 4 5 3 仿真结果8 5 5 4 本章小结8 7 v m 北京邮电火学博j 二研究生学位论文 目录 5 5 参考文献一8 8 第六章c r 系统中继协作中断概率分析一8 9 6 1c r 协作系统模型8 9 6 2c r 系统协作中断概率分析一9 1 6 2 1 无峰值传输功率限制一9 1 6 2 1 1c r 接收信噪比分布分析9 1 6 - 2 1 2c r 中断概率分析9 2 6 2 2 有峰值传输功率限制9 3 6 2 2 1c r 接收信噪比分布分析一9 3 6 2 2 2c r 中断概率分析9 4 6 3 仿真结果9 5 6 4 本章小结9 6 6 5 参考文献1 0 0 第七章总结与展望一1 0 3 7 1 全文总结1 0 3 7 2 工作展望1 0 4 7 3 参考文献1 0 5 附录a 1 0 7 论文使用符号说明1 0 9 致谢j 1 1 3 博士期问发表论文及专利1 1 5 i x 北京邮电大学博士研究生学位论文目录 x 北京邮电人学博十研究生学位论文 图目录 图目录 图1 - 1 论文主要研究内容5 图2 1c r 基本任务1 2 图2 2 频谱感知技术分类1 3 图2 3m i m o 系统原理图1 8 图2 4 中继信道模型2 0 图2 5 两用户协作通信原理图一2 2 图2 6 多用户协作通信原理图2 2 图2 7 不同协作方法比较2 4 图2 8 单中继双跳中继模型2 5 图2 - 9 单中继双跳协作模型2 5 图2 1 0 多中继并行协作模型2 6 图2 1 1 多中继串行协作模型一2 6 图2 1 2 协作m i m o 原理图2 7 图2 1 3 虚拟m i m o 无线传感器网络中应用的网络拓扑结构2 9 图2 1 4c r 系统和授权系统共存示意图3 0 图2 - 1 5 文献 1 1 4 c r 协作模型一3 1 - 图3 1 发送端电路框图( 模拟) 4 4 图3 2 接收端电路框图4 4 图3 3 协作m i m o 传输系统模型4 7 图3 4 协作竞争机制5 1 - 图3 5 协作m i m o 执行流程5 3 图3 - 6 生命周期和节点存活数目关系毒- 0 0 0 2 2 ，d = 3 0 m 5 5 图3 7 生命周期和节点存活数目关系d = 6 0 m ，当= o 0 0 2 2 5 5 图3 - 8 生命周期和节点存活数目关系d = 1 0 0 m ，善= 0 0 0 2 2 5 6 图3 - 9 平均能量消耗和圆心到汇聚节点的距离的关系当= 0 0 0 2 2 5 6 图3 1 0 平均的能量消耗和节点密度的关系d = 1 0 0 m 5 7 x i 北京邮电人学博十研究生学位论文 图日录 图4 1d f 协作中继系统示意图6 2 图4 2 协作策略：( a ) 中继和目的节点接收，直到l ；( b ) 源节点和中继 节点联合发送，持续0 一z ) l 一6 3 图4 3 频谱共享模式下认知无线电系统协作传输应用场景6 6 图4 4 无相位衰落信道功率参数优化示意图1 6 8 图4 5 无相位衰落情况下功率分配优化示意图2 6 9 图4 6 相位衰落信道功率参数优化示意图1 7 0 图4 7 相位衰落信道协作功率分配参数优化示意图2 7 1 图4 8c r 中继坐标变化对能量增益一7 4 图4 - 9c r 中继节点坐标变化对授权系统链路中断概率一7 4 图4 1 0 授权系统接收设备接收信噪比变化对授权系统链路中断概率7 5 图4 - 1 1 干扰温度门限对授权系统链路中断概率7 5 图5 - 1a f 协作中继系统示意图7 8 图5 2 认知系统下的协作系统模型7 9 图5 3 功率分配流程图8 4 图5 4 不同传输方式下的系统性能比较8 6 图5 5 分布式功率分配中中继数目对c r 系统性能比较8 7 图5 6 授权系统接收设备最大干扰门限对授权系统中断概率8 7 图6 - 1 频谱共享c r 单点协作系统结构9 0 图6 2 干扰温度对中断概率( 九。= 1 ) 9 7 图6 - 3c r 中继到授权系统接收设备信道参数丸，p 对中断概率( p = 8 d b ， q = 8 d b ) - 9 8 - 图6 - 4 峰值传输功率对中断概率( ；t r 。，= 1 ) - 9 9 一 图6 5 仿真和理论比较1 0 0 i 北京邮电人学博十研究生学位论文表目录 表目录 表3 - 1 传感器网络系统参数4 5 表3 2m i m o 协作仿真参数设置5 4 表4 1 能效性c r 协作参数设置7 2 表5 1c r 网络多协作中继参数设置一8 6 表6 - 1c r 协作系统中断概率分析参数设置9 5 北京邮 北京邮电大学博卜研究生学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 无线移动通信是当今通信领域中最活跃和发展最为迅速的科研领域之一。近 几年来，无线通信技术的发展速度已经超过了有线通信技术，呈现出如火如荼的 发展态势。诸如家庭、办公室以及公共场所等多种环境当中，与无线通信相关的 新技术、新设备以及新业务也一个接一个地接踵而至，这种场景使我们期待的无 处不在、无时不在的泛在通信网络将在不久的将来成为现实。 未来的无线通信的概念是一个无所不在的网络，是集多种无线技术和无线局 域网系统为一体的综合系统。与现在的通信系统相比具有更快的传输速率、更高 质量的多媒体通信、更强的网络自组织和自适应能力。另一方面，未来的无线网 络技术还要求在保证用户在有效通信的基础上提高能效性，将对环境的影响降到 最低点。为了达到这些目的，需要采用更为先进的关键技术，如：高效的调制解 调技术、无线链路增强技术、多天线技术、空时编码技术以及本文要研究的协作 通信技术。 与有线信道相比，无线信道是一个多径信道，其中特有的衰落现象会对信号 的传输产生很大影响。分集技术是通过有效的传输和处理同一信号各不相关的传 输副本，达到补偿衰落损耗的目的。目前无线通信中抗衰落的分集技术包括空间、 时间、频率、角度和极化分集等，抗衰落的隐分集技术包括交织编码、跳频和直 接序列扩频等f 1 1 。 近几年来，空间分集成为研究热点。因为无线通信中，空间略有变动就可能 出现较大的场强变化。当使用多个传输信道时，它们受到的衰落影响是互相独立 或者相关性很小的，且多个信道在同一时刻处于深衰落的可能性极小。因此，如 果能使用多个传输信道发送信息，在若干个支路上接收相关性很小的载有同一消 息的信号，然后对各个支路的信号做适当的合并处理，便可在接收端大大降低衰 落的影响，改善传输的可靠性，这就是空间分集的意义所在。空间分集是利用场 强随空间的随机变化实现的，空间距离越大，多径传播的差异就越大，而接收场 强的相关性就越小。一种不需要损失额外频带和发射功率资源就能提供前所未有 的数据传输速率的多输入多输, h q ( m i m o ，m u l t i i n p u tm u l t i o u t p u t ) 技术在这样的 背景下诞生了。m i m o 系统的一个典型特点是能够将多径传输作为一个有利因素 加以利用，在收发两端采用多根天线配置来达到收发分集和复用效果，解决了 未来移动通信系统对高性能传输的需求f 1 1 。 北京邮电大学博 ：研究生学位论文第一章绪论 但是，在一些实际场景中，例如蜂窝系统上行链路，由于自身体积、实现复 杂度与功耗等限制，m i m o 技术不容易直接应用于移动用户终端或者网络节点。 在支持更多节点和具有更大覆盖范围的分布式网络中如何提高系统频谱效率的 挑战促使了协作通信技术的产生与发展。用户间协作是其基本思想，它使一个网 络节点可以通过一定的协作方式，合理利用其它节点的资源。由于共享资源的两 个或多个节点上的天线在无线网络中形成了一个虚拟天线阵列，因此可以使协作 节点比非协作节点获得更高的传输速率和分集性能。 1 1 1 国内外研究现状 近年来，协作通信技术已经被宽带无线通信系统广泛关注，并且，不同的 i e e e8 0 2 通信标准已经把它作为研究对象。以i e e e 8 0 2 1 6 e 技术标准为基础的 w i m a x 系统广受市场的关注。但是，w l m a x 基站在市区的半径仅为几公罩， 而且数据传输的速率随着与基站之间距离的增加而递减，尤其是处于基站覆盖边 缘的用户信号较差，影响了该系统商用的普及，传统的移动网络主要通过安装微 蜂窝基站来改善覆盖问题，但前者成本较高而后者会把干扰信号一同放大，缺乏 智能控制，难以达到最优效果。为此，i e e e 8 0 2 1 6 标准组织于2 0 0 6 年3 月成立 移动多跳中继技术小组以研究在8 0 2 1 6 系统中采用中继技术的可行性。各大通 信设备商正在积极参与以中继技术为核心、以5 0 2 1 6 e ( w i m a x ) 茭j 基础架构的新 一代无线城域网8 0 2 1 6 j 标准。同时，现有的无线局域网标准i e e e 8 0 2 1 1 ( w l a n ) 系列标准也存在同样的问题。工作频率的提高、带宽的增大，有利于数据速率的 提升，但是，频率的提升会导致小区覆盖范围缩小，进而引起数据速率和覆盖范 围之间的矛盾，需要在数据速率和覆盖范围之间进行折中。比如，i e e e8 0 2 1 l n 期望在1 5 m 范围内，媒体接入控s 0 ( m a c ) 层数据速率达到1 0 0m b s 。在这种情 况下，要在较大覆盖范围内实现高数据速率，将来的无线网络需要部署大量的 a p 。然而，安装部署数量庞大的a p 在现实中比较困难，一方面是建设成本太高， 另外一方面是全部将无线a p 连接到有线骨干网中也是不太现实的，特别是在目 前那些没有有线服务的地区。为此，作为8 0 2 1 1 的m e s h 演进版本，8 0 2 1 1 s 将 考虑对m a c 层进行改进，目的是达到w l a n 网能够自我配置，并且采用多跳 拓扑来提高通信范围。由于协作可能涉及多个用户的隐私和个人利益问题，关于 协作通信与蜂窝网的结合还处于初期的研究阶段。随着可用频谱资源进一步紧 张，已经有人开始了协作通信和认知网络结合的研究，但是刚刚起步。 在我国，国家重点基础研究发展计封j ( 9 7 3 计划1 已经丌启关于中继方面的基 础性研究项目。另外，中国产业界已经参与i e e e 8 0 2 1 6 j 和i e e e 8 0 2 1 1 s 标准的 相关技术开发。中继技术在标准化领域的研究处于起步阶段，国际大公司投入研 北京邮电人学博上研究生学位论文第一章绪论 发时间并不长，国内厂商如果尽早融入该进程，将在未来巨大的市场中占有一席 之地。 1 2 协作通信面临的挑战 进。 虽然协作通信的研究已取得很多突破，但仍有不少问题需要进一步探讨和改 1 2 1 高能效性传输技术 下一代移动通信不但要提供更可靠的通信质量以及更高的通信带宽，而且无 线传输所带来的高能耗问题也需要被很好地解决。一方面来说，当前应用的无线 网络如蜂窝网，w l a n ，无线传感器网络等，终端设备大都使用电池供电，使得 网络可利用的资源受到限制，因此如何高效的利用网络资源、延长网络的生存时 间是无线网络设计的一个重要问题；另一方面，能源的开销、环境的保护成为越 墓 来越关注的新课题，移动通信绿色化是我们面临着一个很大的挑战。“绿色”是 一个涉及多领域的广泛的概念，对无线移动通信，其“绿色 的含义就是节约资 源，保护环境。无线移动通信中最重要的资源是频谱资源。研究无线通信绿色化， 一 就是要根据无线通信的特征和目标，在设计高效、高速无线传输方案前提下，有 效利用频谱资源、减少功率，节省能源，避免电磁污染和信息污染【2 】。 2 0 1 0 年2 月召开的世界移动通信大会，指出通信“绿色 发展道路是移动 ； 通信产业的一个必要方向。在中国，政府已把移动通信“绿色”化上升到国家战 略高度，为研讨未来无线移动通信发展的绿色要求，2 0 0 9 年6 月1 2 同在黄山 召开了“绿色革命的无线移动通信”学术会议，从多个方面分析研讨了高能效无 线通信系统设计问题f 2 1 。 从目前的研究来看，能量问题是影响“绿色”通信技术发展和市场应用的关 键问题。能量高效的算法设计是一个基本的设计原则，也是无线网络算法设计面 临的首要挑战。目前能量高效研究热点包括：能量高效的调制与解调技术【3 6 】， 低功耗射频传输和本文要研究的多用户协作传输技术【7 1 3 】、高能效