（电磁场与微波技术专业论文）无线协作通信网络中协作中继传输问题的研究.pdf

一7 锄 _ _ _ _ - - - - - _ - _ _ _ - - _ _ _ - - _ - - _ _ - _ - _ - _ _ - _ _ _ - _ l - - - - - _ _ _ _ - _ - - _ _ 。_ 2 h | i l m l | | | | 谴l l | l h l l | l t h | | l l m l h t 摘要 近年来，移动通信业务的迅猛发展对无线通信网络的性能指标提出了更高的 要求，国内外的科研工作者对多输入多输出( m i m o ：m u l t i i n p u tm u l t i o u t p u t ) 技术已经进行了深入的理论研究，并取得了阶段性成果。但在实际的无线通信网 络中，移动台尺寸通常较小，难以装配多根天线，因而在一定程度上限制了m i m o 技术的应用。无线协作通信技术利用通信网络中各分散用户的发射天线构造一个 容量更高的“虚m i m o 系统，克服了单天线移动终端无法获得空间分集增益的 难题，能够实现高可靠性的无线通信。因此，协作通信的研究受到了学术界和工 程领域的广泛关注。 围绕这个新兴的无线通信技术，本文针对基于空时码和空频码设计的协作中 继传输方案及其资源分配( 最佳功率分配和最佳中继定位) 进行了深入研究。主 要的研究工作和成果概括如下： ( 1 ) 针对极多数协作通信系统误码率公式结构过于复杂，不适于系统资源 分配的研究，结合传统的放大转发( a f ：a m p l i 锣柚df o n a r d ) 和解码转发( d f ： d e c o d e 趾df 0 州a r d ) 单中继协作通信系统的渐进紧逼近误码率公式，构建了相 应系统的中继定位分析模型。经过分析比较，与d f 情况不同，a f 系统的拓扑 结构具有对称性，其误码率性能也具有对称性。提出了几种经典网络拓扑结构 的最佳中继定位方案，并确定了最佳网络拓扑结构为直线型。 ( 2 ) 针对传统协作通信系统传输a l 锄o u t i 码存在速率过低的不足，本文分 别研究了a l 锄o u t i 码的高分集和全分集无线协作传输方案及其系统误码率。基 于单入单出( s i s o ：s i n g l e i n p u ts i n g l e o u t p u t ) 等效信道模型，得到了总的最大 比合并( m r c ：m a x i m 啪r a t i oc o m b i m n g ) 输出信噪比( s n r ：s i g n a lt 0n o i s e r a t i o ) ，并结合调和均值的矩量母函数( m g f ：m o m e n tg e n e r a t i n gf u n c t i o n ) 的 简化，最终推导出了结构简单的系统误码率紧逼近公式。蒙特卡罗仿真结果证 明该公式在高信噪比的条件下能够很好地对系统误码率性能进行精确描述。在 总功率一定的条件下，以最小化误码率紧逼近公式为目标，提出了最佳功率分 配方案和最佳中继定位方案。在相同的比较条件下，全分集协作传输方案的误 摘要 码率性能均优于高分集协作传输方案的误码率性能。 ( 3 ) 针对正交信道在协作传输方案中的使用导致了数据速率或频谱效率的 损失以及现有的基于空时码设计的全速率协作传输方案又存在检测复杂度高的 缺陷。因此，本文采用非正交放大转发( n a f ：n o n o n h o g o n a l a f ) 模式，并结 合线性旋转预编码与循环延迟( c d d ：c y c l i cd e l a yd i v e r s 时) 分集技术的优势， 提出了一种基于空频码设计的多中继全速率无线协作传输方案。与现有的仅追 求传输速率或误码性能的协作传输方案相比，该方案适用于多中继场景，具有 编码结构简单，目的节点处的信号检测复杂度低，并且不随中继节点数的增加 而增加的优点。与等功率分配方案相比，给出的最佳功率分配方案能够使系统 误码率性能得到一定改善。 ( 4 ) 目前，对协作通信的研究大部分都是假设各接收节点已知信道状态( c s i ： c h a l l l l e l 泓ei n f o 册a t i o n ) 信息的。但在实际中，信道估计大大增加了接收节点 的结构复杂度。在传统的单天线无线通信系统中，在无法获取信道信息的情况 下，非相干调制的使用可以简化接收节点的结构。在采用差分调制的a f ( d i 舣f ： d i 疏r e “dm o d u l “o ns c h e m e sf o ra f ) 协作传输系统中，最大比合并性能基准 是衡量该系统误码率性能的有效方法，通过完善最大比性能基准，满足了调和 均值的矩量母函数简化条件，进而实现了系统误码率公式的简化。推导出的系 统误码率紧逼近公式在高信噪比的条件下，与实际仿真有很好的拟合效果。基 于此公式提出了该系统的最佳功率分配方案和最佳中继定位方案。 关键词：协作通信；分集技术；中继定位；全速率：差分调制 n a b s t r a c t a bs t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，也er a p i dd e v e l o p m e n to fm o b i l ec o m m u l l i c a t i o ns e r v i c e sh 缎p u t f 0 刑a r dh i 曲e rr e q u i r e m e n t sf o rt 1 1 ep e b 衄a n c eo fw i r e l e s sc o 删n u l l i c a t i o nn e m o r k m i m o ( m u l t i i n p u tm u l t i o u t p u t ) t e c l l i l o l o g yh 嬲b e e ns t u d i e di nd e p t l lb yd o m e s t i c a n df o r e i g i ls c i e n t i s t s ，锄dal o to fs t a g ea c h i e v e m e n t sh a v eb e e ng o t t e n b u ti nt 1 1 e a c n l a im o b i l ec o m m u l l i c a t i o nn e t w o r k ，t 1 1 em o b i l es t a t i o ns i z ei su s u a l l ys m a l l ，s 0i ti s d i 硒c u l tt 0 觞s e m b l em u l t i p l e 锄t e r u l 缎，锄dm u st 0s o m ee x t e n t ，也e 印p l i c a t i o no f m i m ot e c h n o l o g yi sl i m i t e d b yu s i n g u s e r si 1 1t 1 1 ed i s t r i b u t e dc o m m u n i c a t i o n n e 咄 丽r e l e s sc 0 0 p e m t i v ec 0 m m 删c a t i o nt e c l u l o l o g yc 0 n s 饥l c t sa“m 脚 m 蹦o s y s t e m ，w k c hl 粥h i g l l e rc a p a c i 劬c a l lo v e 啪m e t l l ed i 筋c u l tp r o b l e mo ft h a t t 1 1 es i n g l ea n t e 衄am o b i l et e 肌i n a l lc 观n o to b t a i nt 量l es p a c ed i v e r s i 吼趴dr e a l i z e 、啊r e l e s sc o m m u n i c a t i o no f1 1 i g l lr e l ia _ b i l i t y t h e r e f o r e ，r e s e a r c h e so nc 0 0 p e r a t i v e c 0 舢 i l u i l i c a t i o nh a v eb e e na ：t 仃a c t e d 州d ea n e n t i o nb ya c a d e m i c 觚de n g i n e e r i n g f i e l d s a r o u n dt h i se m e r g j n g 诚r e l e s sc o m m 砌嘲i o nt e c l l n o l o 鼢t h i sp a p e rc a 币e so u ta n 啪b e ro fi n - d e p ms t l l d i e sa t 炝u tc 0 0 p e r a t i v et m s m i s s i o ns c h e m e ，w m c hi sb 邪e d0 n m ed e s i 印o fs p a c e t i m ec o d e 锄ds p a c e - 缸q u e n c yc o d e ，m e i rr e s o u r c e sa l l o c “o n ( o p t i m a lp o w e ra l l o c a t i o n 狮do p t i m a lr e l a yl o c a t i o n ) t h em a i l lr e s e a r c h 、0 r ka 1 1 d r e s u l t s 踟旧刚i m m a r i z e da sf 0 l l o w s ： ( 1 ) f o rm o s ts y s t e ms e rf o m u l h a v et o oc o m p l e xs 仃1 j c t u r e s ，w r h i c h i sn o t s u i t a b l ef o rt h er e s e a r c ho fs y s t e mr e s o u r c ea l l o c a t i o i l c o m b i n i n gw i t l lt 1 1 e 嬲y m p t o t i c 印p r o x i m a t i o ns e rf o m u l 鹊o ft 1 1 et r a d i t i o n a la f ( a m p l i 矽锄df o n a r d ) 锄dd f ( d e c o d ea n df o n 】 ，a r d ) c 0 0 p e r a t i v ec o 删【n u 碰c a t i o ns y s t e m sw i t hs i n g l er e l a y t i l e c o 玳s p o n d i n gr e l a yl o c a t i o n 吼a l y s i sm o d e l sa r es 仃u c n l r e d n l r o u g l l 锄a l y s i s 锄d c o m p 撕s o n ，d i 肫r e n tf r o mt 1 1 ed fs i t u a l i o n ，m es e rp e 哟肌绷c eo fa fs y s t e mi s s y m m e t r i c a lw i m t h es y m m e t r i c a lt o p o l o g i e s t h eo p t i m a lr e l a yl o c a t i o ns c h e m e so f s e v e r a lc l 觞s i cn e t w o r kt o p o l o g i e sa r ep u tf o n a r d ， a 1 1 dm eb e s tt o p o l o g yi s i 玎 d e t e r m i n e d ，w k c hi st l l es n a 1 曲tl l n eb ，i ) e ( 2 ) t 0 吐l es h o n c o m i n go fl o wr a t ec a u s e db y 也e t r a n s m i s s i o n0 f 舢锄o u t ic o d e 谢血t 1 1 e 删i t i o n a lc o o p e r a t i v e c o m m u l l i c a l i o ns y s t e m ，t l l ek 曲。d i v e r s i 哆锄d m 1 1 d i v e r s i t ) ，诚e l e s sc o o p e 枷v e 眦l 觚s s i o n s c h e m e sf o r 砧锄o u t ic 0 d e 锄dn l e l r s e ra r er e s p e c t i v e l y s t l l d i e di n “sp 印e r b a s e d 0 nn l es i s o ( s i i l 斟e 。脚u t s i l l g l e o u t p u t ) e q u i v a l e n t c h 砌e lm o d e l ，也e t o t a lm r c ( m a x i m 哪胁i o c o m b i i l i n g ) o u 印u ts n r ( s i 印2 l lt 0n o i s e 删o ) i sg o t t e n ，t l l et i 曲t l ya p p r o x l m a t e d s e rf o m u l 如腼c hh a s as i m p l es u c t u r e ，i sg o t t e nb yu s i n gt h es h p l i f i e d c a l c u l a t i o nm e t l l o do fm g f ( m o m e n tg e n e r a t i n gf u i l c t i o n ) o f t l l eh 锄o m cm e 锄 t h es i m u l a t i o nr e s u l t so fm o n t ec a r l om e t h o ds h o wt h 矾i i lh i 曲s n r c o n d i t i o n s ， t h j sf 0 册u l ac a i ld e s c 曲et h es e rp e 而m 姗c ea c c u r a t e l y u n d e rt 1 1 ea s s u m p n o n o t t l l a tt l l et o t a lp o w e rh 嬲af i x e dv a l u e ，t h r o u 曲m i l l i r r 她m g 也es e rf 0 衄u l 笛，t l l e o p t i m a lp o w e ra l l o c a t i o n s c h e m e sa i l do p t i m a lr e l a yl o c a t i o n s c h e m e sa r ep u t f 0 俐矾i i l 也es 锄ec o m p 撕s o nc o n d i t i o m 也es e rp e 怕m a l l c eo ff u l l d i v e r s i t ) ， 馏a n s m i s s i o ns c h e m ei sa l w a y s b e t t e rt 1 1 锄t h a to fk g h d i v e r s i 锣 c o o 删i v e t 均n s m l s s l o ns c h e m e ( 3 ) t h ec o o p e m t i v e 恤s m i s s i o ns c h e m e sm e n t i o n e dd b o v e a l lu s eo m l o g o i l a l c h 锄e l s w h a tr e s u n si i lal o s so fm t e 妒s p e c 砌e f f i c i e n c y ，锄d 恤e x i t 啦m l l - m t e c 0 0 p e r a t i v e 仃a n s i i l i s s i o ns c h e m e sb 弱e d 0 ns p a c e 缸n ec o d ed e s i 印h a v e t l l ed e 钕t0 f l l i g l ld e t e c t i o nc 0 m p l e x i 够n e r e f o r e ，a d o p t i n g 也en o n - o n h o g o n a l 锄p l i 母锄d f 0 刑矾( n a f ) m o d e ，锄dc o m b i i l i n g 谢t ht l l ea d v a n 诅g e so f p r e c o d i n gt e c m q u c a n d c d dt e c l “q u ei n “sp a p e r ，an e wm l l r a t e 、衍r e l e s sc o o p e m t i v e 仃a n s m l s s l o n s c h e n l ed e s i 卯e db a s e d0 ns f ci sp r o p o s e d c o m p 鲫e d 埘t hm ee x i s t i i 培伽l - 触 c o o p e m t i v e 们i 姗血s s i o ns c h e m e ，“sn e w s c h e m ei ss l l i 讪l ef o rm u l t i - r e l a ys c e n 锄o ， 锄dl l a s 也ea d v 枷a g e so fs i m p l es 劬c t u r e ，l o ws i 刚d e t e c t i o nc 0 m p l e x 咄w h j c h d o n 优i n c r e a w i t ht 1 1 en 哪b e ro fr e l a yi n c r e a s c c o m p a r e d 、衍t l l t l l ec q u a jp o w 盱 a l l o c a t i o ns c h e m e ，t l l eo 面m a lp o w e ra l l o c a t i o ns c h e m ec 狮m a l ( em es y s t e ms e r p e r f - 0 咖锄c e 硫p r o v e d ( 4 ) a tp r e s e 吐m o s to f 血er e s e a r c ho nc 0 0 p e m t i v ea l w a y s 勰s 啪e s t l l a tt l l e r e c e i v i n gn o d e s h a v ek n o w l e d g eo fc s i ( c h 锄e ls 协t ei n f o n n a t i o n ) b u ti nr e a l i 吼 也e 吐脚m e le s t i m a t i o ng r e a t l yh 1 c r e a s e sm es t m c t u r ec 0 m p l e x i 哆o f 也er e c e i v i n g n o d e s i nt h et r a d i t i o n 2 l ls i n g l e a n t e n n aw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，i f 也ec s i c a nn o tb eg o t t e n ，t l l eu s eo fn o n m o d u l a t i o nc a ns i i n p l i f ym e s t n l c m r e so fr e c e i v i n g n o d e s i i ld i f f a f( d i f f e r e n t i a lm o d u l a t i o n s c h e m e sf o r a f )c o o p e r a t i v e c 0 删m u n i c a t i o ns y s t e 峨也em r cp e r f o 咖a j l c eb e n c h m a r ki s a ne 金b c t i v em e t l l o d u s e dt 0m e 嬲u r et l l es y s t e ms e rp e r f o m a n c e ，m r o u 曲也ei m p r 0 v e m e n to fm r c p e r ：f o n n a n c eb e n c a r l l c ，也es i m p l i 6 e dc 0 n d i t i o n so ft 1 1 e m g fo ft l l eh a n n o n j c m e 锄i ss a t i s f i e d ，s 0 鼬t ot 1 1 es i m p l i 匆i n go ft l l es y s t e ms e r f o n l l m ai sr e a l i z e d i n 蛐出s i 鲈a l - t 0 n o i s er a t i o ( s n r ) c o n d i t i o n s ，t l l ed e d u c e ds e r f 0 咖u l ac 觚d e s 嘶b e t h es e rp e r f o 锄a n c eo ft l l e a c n i a ls i m u l a t i o na c c u r _ a c e l y ，a n dm e 觚a l y s i sa i l d r e s e a r c ha b o u to p t i m a lp o w e ra l l o c a t i o n 锄do p t i m a lr e l a yl o c a t i o n i sc o n d u c 硼 b a s e do nt h i sf 0 n n u l a k e yw o r d s ：c o o p e r a t i v ec 0 n 蚰砌c a t i o n ；d i v e r s i t yt e c h n o l o g y ；r e l a y1 0 c a t i o n ； f u l l r a t e ；d i 能r e n t i a lm o d u l a t i o n v 第一章绪论 1 1 研究的背景 第一章绪论 无线通信系统的性能与其通信信道的质量是有着很大关系。信道状态随着 时间和频率的变化而变化是无线信道的主要特点。信号在空间传输的过程中， 承载信息的电磁波由于受到空间物体的作用，会产生反射、绕射、散射的物理 现象。从而导致了电磁波在传播中的产生了多种衰落和损耗。采用高性能的检 测技术、信道均衡技术、高效的编码、调制技术、分集技术可提高无线通信系 统的性能。这些技术单独使用，也可相互结合使用。其中，分集技术的提出和 发展对无线通信的发展和性能的提升起着非常重要的作用。 分集传输技术示意图如图1 1 所示。 糯7 - - 一丫丫喜 分 发 j j 罐 - 集 射 机 厶 并 。 、矿 l 阿 l 1 甏 - - i 一 图1 1 分集传输技术示意图 f i g1 1s c h e m a t i cd i a 伊锄o fd i v e r s i t ) ，t r a i l s m i s s i o nt e c h n o l o g y 在无线环境中，影响通信质量的一个重要因素是衰落。特别地，深度衰落 在传输过程中对信号的破坏非常严重。在实际的无线通信环境中，通过加大天 线的发射功率或改变天线尺寸和高度的方法来克服衰落对信号的影响存在很大 的限制。在复杂的无线环境中，这些方法也会影响到其他通信系统的正常工作。 分集技术通过在多个信道( 时间、频率或空间信道) 上传输承载同一信息的多 个副本，由于各个信道的传输特性不同，多个副本各自经过独立的衰落信道， 因此副本之间的相关性很小。并且所有的独立衰落信道同时处于深衰落的可能 无线协作通信网络中协作中继传输问题的研究 性也比较小，从而大大避免了深衰落发生的可能。接收端接收到各信息副本后， 通过合并技术来获取分集增益。分集技术的使用使得信号的衰落程度被减弱， 能够抵抗衰落引起的不良影响。 分集技术中的空间分集，也被称为天线分集。因为没有引入时间和频率的 冗余，所以既不会降低频谱效率，也不会因为时间间隔带来时间冗余。相对于 时间分集和频率分集，空间分集技术的应用更为广泛，从而成为研究的热点。 其中，m i m o 技术是空间分集的一个典型应用。 m i m o 技术最早由m 鲫c o n i 于1 9 0 8 年提出。在衰落信道下，m i m o 技术通 过在发送端和接收端配置多个天线，利用天线阵列产生的空间分集来抑制无线 信道的衰落。在不增加带宽和发送功率的情况下，m i m o 技术可以成倍地提高 系统频谱利用率，并且其信道容量具有随着天线数量的增大而线性增大的特点。 根据发送端与接收端的天线数量，与单输入单输出系统相比，m i m o 系统包括 单输入多输出( s u o ：s i n g l e i n p u tm u l t i p l e - o u t p u t ) 系统和多输入单输出系统 ( m i s o ：m u l t i p l e i i l p u ts i n 鲥e - o u t p u t ) 系统【卜4 】。 m i m o 技术是b 3 g 4 g 等未来移动通信系统提高数据速率、系统容量和传 输质量的核心技术【4 】，作为未来无线通信领域的关键技术之一，受到研究者们 的强烈关注。空时编码( s t c ：s p a c e n m ec o d i n g ) 技术在m i m o 系统中的应 用不但能够利用多个天线的空间上的不相关性来获取相应的空间分集，而且可 以利用时域冗余来获取时间分集增益【5 1 。在平坦衰落信道中，m i m o 系统可以 利用传播中的多径分量来实现系统性能的提高，但对频率选择性信道，m i m o 系统却无能为力。但是，在宽带无线网络中，o f d m ( o n h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm 山t i p l e x i i l g ) 技术能够很好地解决频率选择性衰落问题。未来的移动 通信系统要求有更高的频谱效率和数据传输速率，因此必须增加o f d m 的载波 数量。从而导致了系统设计复杂度的提升和系统总带宽的增大。m i m o 技术与 o f d m 技术的融合是无线通信领域发展的一个重大突破，既可以充分利用两者 优势，又互相弥补了两者的不足之处【瞄】。为了实现低功耗、高可靠性、高速率 的信息传输，近年来，国内外的科研工作者对采用m m o 技术和空时频编码 ( s t f c ：s p a c e 1 - 皿e f r q u e n c yc 0 d i i l g ) 技术的第四代移动通信网络进行了深 入的理论研究，并取得了阶段性成果陟埘。 2 第一章绪论 但在实际的移动通信网络中，移动台尺寸通常较小，难以装配多根天线， 因而在一定程度上限制了m i m o 技术的应用，同时也限制了无线通信网络频谱 效率和传输质量的提高。这样就使得m i m o 技术在实际网络环境中的应用成为 了一个巨大难题。为了克服上述问题，在文献 1 1 1 3 】中提出了一种新的空间分 集技术- 协作通信( c 0 0 p e r a t i v ec o i i 1 1 u 1 1 j c a t i o n ) 。 1 2 协作通信技术的发展 “协作 ( c 0 0 p e r a t e ) 这个词来源于拉丁文“”和“d 阳阳，e 组合，直 译为“一起工作 。其概念最早来源自生物界现象，引入到通信领域后，引起了 广泛的研究兴趣。2 0 世纪7 0 年代，文献【1 4 】中提出了三点中继协作模型，即： 源节点，中继节点和目的节点，并初步推导了该协作模型信道容量的上下边界。 随后，文献【1 5 】对以往的研究成果进行了拓展。从信息论的角度证明了中继信 道的容量大于源节点与目的节点间直达信道的容量，并为协作通信的研究奠定 了理论基础。文献【1 l 】中提出了的用户协作分集概念，分析了两个用户协作场景 下的信道容量和中断概率( o p ：o u 魄ep r o b a b i l i t ) ，) ，这是协作通信技术上一个 重要的里程碑【1 2 1 3 1 。 在随后多年的研究中，在信息论方面取得了协作通信技术的较大突破，而 在技术应用方面却面临了较大的挑战。因此，一直到2 0 世纪8 0 年代，有关协 作通信技术的相关研究逐渐沉默。到了2 l 世纪初，协作通信技术再次成为了无 线通信领域的研究热点。文献【1 4 】提出并分析了协作中继系统的几种常用协议： 固定中继( f r ：f i x e dr e l a ) ，i n g ) 、选择中继( s r ：s e l e c t i v er e l a y i n g ) 和增量中 继( i r ：i n c r e m e n t a lr e l a y i n g ) 。同时，对不同协作协议在放大转发和解码转发 两种不同协作模式下的中断概率和分集增益进行了分析和比较，指出选择中继 和增量中继协作策略也可达到满分集增益。文献【1 6 - 1 8 】提出了编码协作( c c ： c o d e dc o o p e r a t i o n ) 协议，其本质上是d f 协作的一种特例，中继节点完全解码 后，还可与分布式空时编码相结合。因此，相对于放大转发和解码转发，编码 协作模式在系统容量和中断概率上具有一定的优势。在慢衰落信道下，即使各 通信节点之间的质量很差，编码协作依然能够显著系统的误码率性能，并且在 协作双方都能正确解码时，系统可以获得满分集增益。但是在快衰落信道的情 无线协作通信网络中协作中继传输问题的研究 况下，信道质量较好的用户性能会被牺牲。此后，有人将t u 而。码【l i j 和l d p c 码【1 2 】等信道编码和协作通信相结合，并取得了良好的性能。 在早期的研究中，对于协作通信研究的另一个重点是关注协作中继节点的 工作方式。其工作方式可分为：半双工传输方式和全双工协作传输方式。所谓 半双工协作中继系统是指该系统的中继节点在相互正交的信道资源( 时间或频 率等) 上分别发送和接收信号。全双工协作中继系统可以实现中继节点在同一 频率上同时发送和接收信号，此时发送信号会对接收信号造成干扰。由于精确 进行干扰消除的难度较大，所以近年来大部分的研究都是基于中继节点半双工 协作传输方式的。在本文中，中继节点的工作方式采用半双工传输方式。 1 3 协作通信技术的研究范畴 在协作通信技术的基础理论研究基础上，近年来涌现出大量针对协作通信 技术更深层次的研究，包括多个节点间的协作通信传输方式和协作通信与其他 技术的结合等。具体的研究主要集中在以下几个范畴。 ( 1 ) 分布式空时编码设计 在协作中继网络中，将多个数据发送节点( 包括源节点和中继节点) 的天 线等效为分布式“虚拟天线阵列”进行空时编码的设计。文献【1 9 】分析了放大 转发协议下分布式空时码( d s t c ：d i s 仃i b u t e ds p a c e n m ec o d e ) 的成对差错概 率( p e p ：p a i 晰s ee n d rp r o b a b i l i 哆) ，证明了传统空时编码设计中的秩准则和行 列式准则在特定的中继节点功率控制原则下，可以拓展应用于d s t c 的设计中。 另一方面，d s t c 与其他技术有效结合的研究也收到广泛的关注。例如，功率 控制、接收机设计、分集与复用的折中等。 ( 2 ) 分布式空频编码设计 绝大多数对于协作通信的研究工作都是假设信道为平坦衰落信道的。但是， 在实际环境中，特别地对于高速率和高移动性通信场景，其信道具有频率选择 性衰落的特点。因o f d m 技术能够很好地解决频率选择性衰落问题，如何将 m 蹦o 系统中的相关成果应用于协作通信网络中，成为重点考虑的问题。目前， 已有一些文献将o f d m 技术与协作通信相结合，并取得了积极的成果【2 如。 ( 3 ) 差分协作传输 4 第一章绪论 目前，很多对协作通信的研究都是基于知道各信道状态信息在慢衰落情况 下，信道信息的获取较为容易实现。然而，在实际的环境中，信道信息的获取 增大了中继节点与目的节点设计的复杂度。特别是，在快衰落的情况下，将很 难准确获取信道信息。差分调制具有可以避免接收端进行信道估计，降低通信 开销的技术优势。对于如何将差分调制技术与协作通信相结合的相关研究还较 少，主要集中在d f 差分、a f 差分，差分空时码等方面。 ( 4 ) 协作系统中的无线资源分配 协作通信系统中的无线资源分配的研究主要包括功率分配和跨层优化等方 面。对于功率分配的研究主要集中在源节点与中继节点之间的功率分配。对于 协作中继系统的资源联合优化尚处于初期阶段。现有的算法大致分为：物理层 中继节点转发与m a c 层资源分配的联合优化算法【2 4 1 、物理层中继转发与网络 层多条路由选择的联合优化算法2 5 1 、m a c 层资源划分与网络层多跳路由选择 的联合优化算法【2 6 】等。 ( 5 ) 协作中继节点选择 当协作通信系统中存在多个可用的中继节点时，如何通过选择协作中继节 点来提高传输的可靠性也是研究的热点问题之一。文献【2 7 】提出了“机会中继 ( o r ：o p p o m 血s t i cr e l a y i n g ) 的概念，并将传统m i m o 系统中的天线选择技术 应用到协作中继系统中，提出了简单的分布式单中继节点选择算法。根据决策 时所需信息的不同，大多数协作中继节点选择算法可以分为两类，一类是基于 地理位置信息、网络拓扑结构信息或传播路径损耗信息的选择算法【2 引，另外一 类是基于瞬时信道状态信息等。 ( 6 ) 协作感知 在无线通信系统中，利用协作感知( c o 印i t i v ec o o p e r a t i v e ) 技术，感知用 户间的相互协作可以有效地提高频谱效率和消除阴影衰落的影响，还可以降低 单个感知用户的检测复杂度。文献【2 9 】提出了多用户协作感知的基本方案，并 对其性能进行了分析。文献【3 0 】引入了局部频谱感知可信度的概念，在中心接 入点中采用d s ( d e m p s t e r - s h a f e re v i d e n t i a l lt h e o 巧) 证据理论，实现不同感知 结果的联合判决，使系统性能明显优于硬判决方法。 ( 7 ) 网络编码 5 无线协作通信网络中协作中继传输问题的研究 网络节点对其他节点发来的信息不仅进行数据的转发，还参与数据处理， 这样可以大幅度提高网络性能。在文献【3 1 】中提出了网络编码的概念。随后， 文献【3 2 】提出了网络编码的代数框架，并证明了存在满足多播容量的线性时不 变编码。文献【3 3 提出了随机网络编码，拓宽了网络编码的适用场景，使得网 络编码不再局限于确定的网络拓扑和集中式的算法。文献【3 4 】利用分布式网络 编码进行整个网络中的差错的纠正，并论述了在安全方面网络编码的应用，为 网络编码增加了新的应用领域。 1 4 研究的目的和意义 无线频谱分配方式以及恶劣的无线传输环境，对实现无线通信系统的高速 率传输的需求提出了巨大的挑战。为了提高未来宽带无线通信系统的频率效率 并改善链路的可靠性，近年来涌现出各种新技术，例如先进的信道编码技术和 调试技术、基于多天线又称为多入多出的m i m o 空时处理技术等。先进的编码 和调制技术是逼近单个系统已有信道容量的有效手段之一，而多天线技术的引 入则可进一步显著提高单个系统具有的信道容量，因而更具有发展的潜力。然 而，由于受移动节点体积和功率等其他因素的制约，在终端上难以配置较多的 天线单元，从而在相当大程度上制约了m i m o 技术的在实际网络环境中的广泛 应用。 另一方面，采用协作通信机制的新型无线通信技术，即“协作通信 ，提供 了利用空间资源的一种新手段。在协作通信系统中，多个参与通信的实体之间 通过协作的方式共享有限资源以提高无线资源的利用率。多个单天线终端采用 协作机制建立通信后，可相互使用对方的天线发射各自的信号，从而形成“虚 拟天线阵列 ，克服了单天线移动终端无法获得空间分集增益的难题，能够实现 高可靠性的无线通信，已成为国内外的最新研究热点。如此构成的等效m i m o 系统同样具有较高的系统容量和频谱效率。 协作通信在小的布网开销的条件下，能够极大地提升系统性能。通过与其 他先进技术的结合，通信系统性能能够得到进一步的改善。协作通信是一种极 具发展潜力的技术，其主要技术优势如下： ( 1 ) 扩大覆盖范围。通过协作节点之间的协作传输，使得单个节点数据的 6 第一章绪论 传输有效半径大大增加。 ( 2 ) 消除覆盖盲点。通过多个节点间协作传输，使得处于通信盲点的两个 节点之间形成视距传输，改善通信链路质量。可以提高覆盖边缘或者覆盖盲区 用户的数据传输速率。 ( 3 ) 提升系统性能。利用协作通信的传输方式，通过合并接收或空时联合 发射，可以获得分集增益或者复用增益。 虽然国内外目前对无线协作通信技术的研究还处于起步阶段，先进的协作 通信技术作为未来移动通信系统的关键技术之一已经在各大研究机构、设备商 和运营商之间展开深入的研究和热烈的讨论。i m t - a d v 锄c e d 系统中的协作通信 技术不仅可以改善小区边缘用户的通信质量、扩大校区覆盖范围，还可以降低 网络运营成本和投资风险，有利于3 g 网络向4 g 网络的平滑过渡。在不久的将 来，低功耗、高可靠、高速率的无线协作通信网络将会在对实时性和准确性要 求很高的“城市应急”、“数字城管”、“智能交通管理 、“湖泊污染预警”等国 家重大项目中扮演着极其重要的角色，有力带动我国社会信息化水平的整体提 升。 1 5 论文的结构安排 第一章对无线协作通信技术进行了一个比较完整的综述。首先介绍了课题 研究的技术背景，其次概述了无线协作通信技术的定义、发展现状及研究范畴， 最后阐明了研究目的与意义。 第二章介绍了影响信道传输质量的三种传播损耗和四种传播效应。随后， 主要介绍了可以提高衰落信道传输可靠性的分集技术，并针对协作通信中的网 络模型以及传输协议进行了阐述。最后对几种合并方式进行了分析、讨论。 第三章研究了中继定位对系统误码率性能存在的影响。在传统的单中继协 作通信系统中，建立了包含路径损耗信道的误码率数学分析模型。利用该模型 研究了几种等功率分配情况下的几种经典网络拓扑结构的最佳中继定位，并比 较、分析了这几种网络拓扑结构的优劣性。 第四章分别研究了a l 锄o u t i 码高速率的高分集和全分集无线协作传输方 案及其系统误码率。推导出的系统误码率紧逼近公式在高信噪比的条件下能够 7 无线协作通信网络中协作中继传输问题的研究 很好地对系统误码率性能进行精确描述。在此基础上，分析、研究了砧a n l o u t i 码的高分集和全分集无线协作传输方案的最佳功率分配和最佳中继定位。 第五章结合预编码技术与循环延迟分集技术的优势，提出了一种基于空频 码设计的多中继全速率无线协作传输方案。与现有的全速率协作传输方案相比， 该方案编码结构简单，并且适用于任意中继天线数目的情况，能在获得全分集 增益性能的同时，明显降低检测复杂度。 第六章研究了无线差分协作传输方案及其系统误码率。在传统a f 中继协 作通信网络模型下，借助最大比合并性能基准，推导出了d i 舣f 协作通信系统 的误码率紧逼近公式。在高信噪比的条件下，该公式与实际仿真有很好的拟合 效果，并基于此公式进行了最佳功率分配和最佳中继定位的分析和研究。 第七章对本文的工作进行总结和对未来的工作和研究方向进行展望。 本章参考文献 【1 】v o l k e rk u l u l ，w i r e l e s sc o r m u l l i c a t i o n so v e rm i m oc h a 肌e l s ，j o h nw i l e y & s o n s ，2 0 0 6 【2 】a b g e r s h i i l 峨n d s i d i r o p o u l o s ，s p a c e t i m ep r o c e s s i n gf o rm i m o c o 删n u m c a t i o 巩j o h nw i l e y & s o n s ，2 0 0 5 【3 】c 蛐胁，n ，鼬m o l d i ，b ，t e l a 瞰，e ，“o nt 1 1 ec a p a c i t ) ro fm u l t i - a n t e 肌ag a u s s i 觚 c h 锄e l s ， ，2 0 01 i e e ei n t e m a t i o 蹦s ) ，i i l p o s i 姗o n 施m a t i o nt h e 0 巧，2 4 - 5 3 ， 2 0 0 1 【4 】g j f o s