多用戶協(xié)作分集關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)無(wú)線數(shù)據(jù)服務(wù)的需求越來(lái)越大。無(wú)線信道的衰落特性是阻礙信道容量增加和服務(wù)質(zhì)量改善的主要原因之一，而多天線分集技術(shù)是應(yīng)對(duì)衰落的有效方法。多天線的分集要求通信設(shè)備具有多個(gè)天線，但是很多系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)受到體積和功耗等的限制無(wú)法安裝多個(gè)不相關(guān)的天線，協(xié)作分集通信技術(shù)就是在這種背景下應(yīng)運(yùn)而生的。
　　協(xié)作分集通信的概念是建立在中繼信道模型的基礎(chǔ)上的，它是一種新的空間分集技術(shù)。它利用了無(wú)線電波的廣播特性，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都可

2、以接收到其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信號(hào)并經(jīng)過(guò)一定的處理后轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點(diǎn)，這樣不同的用戶就可以共享彼此的天線而形成空間分集。協(xié)作分集可以提高無(wú)線通信系統(tǒng)的容量，減少通信的中斷概率，擴(kuò)大無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍和連通性，節(jié)省傳輸數(shù)據(jù)的能量等，從而提高無(wú)線通信系統(tǒng)的有效性和可靠性。協(xié)作分集技術(shù)不僅可以應(yīng)用在蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)中，而且在傳感器網(wǎng)絡(luò)、認(rèn)知無(wú)線電等無(wú)線通信系統(tǒng)中都可以得到很好的應(yīng)用。協(xié)作分集技術(shù)的出現(xiàn)也促進(jìn)了多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)的實(shí)用化，因而成為

3、未來(lái)無(wú)線通信技術(shù)的重要研究領(lǐng)域。
　　本文著眼于協(xié)作分集系統(tǒng)中存在的問(wèn)題，圍繞著什么時(shí)候進(jìn)行協(xié)作，與誰(shuí)協(xié)作和怎么協(xié)作三個(gè)研究方向，重點(diǎn)對(duì)協(xié)作的時(shí)機(jī)，協(xié)作伙伴的選擇，協(xié)作方法的改進(jìn)等協(xié)作分集的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。
　　第一，協(xié)作通信的原理分析與協(xié)議設(shè)計(jì)。首先介紹了協(xié)作分集的信道模型和基本原理，給出了協(xié)作分集理論計(jì)算的增益。然后介紹了解碼轉(zhuǎn)發(fā)（DF）和放大轉(zhuǎn)發(fā)（AF）兩種基本的協(xié)作方法，并給出了幾種協(xié)作方法的性能比較。接著介紹了

4、協(xié)作通信的流程，考慮了協(xié)作通信的特殊性，并將其結(jié)合現(xiàn)有的通信系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了帶有協(xié)作通信的幀結(jié)構(gòu)和通信流程。該協(xié)作流程加入了協(xié)作伙伴選擇、協(xié)作建立等所需的時(shí)間和流程。并在此基礎(chǔ)上分析了協(xié)作通信建立的時(shí)機(jī)，也就是什么時(shí)候需要進(jìn)行協(xié)作通信的問(wèn)題。
　　第二，針對(duì)兩種不同的場(chǎng)景分別提出了對(duì)應(yīng)的協(xié)作伙伴選擇方法。在用戶節(jié)點(diǎn)密集區(qū)域，結(jié)合最差鏈路優(yōu)先匹配的原則，提出了互惠的和非互惠的“用戶間信道優(yōu)先”的匹配方法，該方法不需要求解方程來(lái)計(jì)算用戶與

5、其它節(jié)點(diǎn)相互協(xié)作可能得到的能量增益，而只需要知道用戶到目的節(jié)點(diǎn)的信道增益和用戶之間的信道增益就可以直接將節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分組。該匹配方法可以在能量增益變化不大的情況下顯著降低計(jì)算量，減少系統(tǒng)的開(kāi)銷。而對(duì)于鐵路和高速公路場(chǎng)景下的高速移動(dòng)的用戶節(jié)點(diǎn)，則在分析了高速移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的特殊性的基礎(chǔ)上，根據(jù)用戶節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向和速度將其分成不同的組，高速移動(dòng)的用戶節(jié)點(diǎn)只從與自己方向相同的高速運(yùn)動(dòng)的用戶中選擇協(xié)作伙伴，這樣就可以降低協(xié)作伙伴之間的相對(duì)速度，提高協(xié)作持

6、續(xù)的時(shí)間，減少協(xié)作伙伴的切換次數(shù)，從而降低系統(tǒng)的開(kāi)銷，增加協(xié)作的有效性。
　　第三，研究了協(xié)作分集策略的改進(jìn)和協(xié)作代價(jià)分析。由于放大轉(zhuǎn)發(fā)和解碼轉(zhuǎn)發(fā)各有優(yōu)缺點(diǎn)，因此提出了一種結(jié)合解碼轉(zhuǎn)發(fā)和放大轉(zhuǎn)發(fā)的協(xié)作分集策略。該策略在用戶節(jié)點(diǎn)間信道較好、協(xié)作伙伴可以正確解碼的時(shí)候就采用DF協(xié)作，否則就采取AF協(xié)作的方法，這樣就可以綜合DF和AF的優(yōu)點(diǎn)，提高頻譜的利用率，取得更好的物理層和MAC層的性能。然后分析了在DF協(xié)作中應(yīng)用自適應(yīng)調(diào)制的協(xié)作方

7、法的性能，可以提高協(xié)作系統(tǒng)的頻譜效率。最后提出了一個(gè)協(xié)作代價(jià)表示函數(shù)，該函數(shù)中綜合了能量、時(shí)間和頻率三種資源，可以全面的計(jì)算協(xié)作帶來(lái)的增益或者建立協(xié)作的開(kāi)銷。通過(guò)該函數(shù)的計(jì)算就可以判斷采取協(xié)作可能帶來(lái)的增益，從而為是否需要建立協(xié)作以及是否應(yīng)該更換協(xié)作伙伴提供了依據(jù)。
　　第四，分析了寬帶信道下的協(xié)作分集方法。首先針對(duì)具有較低峰均比的單載波頻域均衡系統(tǒng)，提出了一種均衡轉(zhuǎn)發(fā)的協(xié)作方法來(lái)達(dá)到瞬時(shí)功率控制的目的，并且把均衡轉(zhuǎn)發(fā)與解碼轉(zhuǎn)發(fā)兩