無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中協(xié)作分集和中繼選擇機(jī)制研究.pdf

1、無(wú)線信道遭受的衰落會(huì)嚴(yán)重降低檢測(cè)性能。空間分集可以有效地抵抗衰落所帶來(lái)的有害作用?？臻g分集一般是通過(guò)從不同位置傳輸信號(hào)使得目的節(jié)點(diǎn)可以收到相同信號(hào)獨(dú)立衰落的不同副本來(lái)獲得的。為了實(shí)現(xiàn)空間分集，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)需要支持多根天線，如多輸入多輸出(multiple-input multiple-output, MIMO)系統(tǒng)。然而，因?yàn)榇笮?，成本，硬件限制等原因，一個(gè)無(wú)線節(jié)點(diǎn)可能支持不了多根天線。
　　 近來(lái)，人們提出協(xié)作通信(coop

2、erative communication)技術(shù)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。其基本思想是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中單天線的節(jié)點(diǎn)共享它們的天線并像虛擬MIMO系統(tǒng)一樣協(xié)作傳輸，進(jìn)而形成空間分集來(lái)有效抵抗多徑衰落。在轉(zhuǎn)發(fā)接收到的信號(hào)時(shí)，中繼節(jié)點(diǎn)可以采用放大轉(zhuǎn)發(fā)(amplify-and-forward, AF)和譯碼轉(zhuǎn)發(fā)(decode-and-forward,DF)兩種轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制。在譯碼轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制中，中繼譯碼并重傳接收的信號(hào)。然而，在放大轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制中，中繼僅僅簡(jiǎn)單地放大并重傳

3、接收到的含有噪音的信號(hào)。
　　 協(xié)作通信中還有許多問(wèn)題需要去解決。其中一個(gè)是協(xié)作分集機(jī)制，即什么時(shí)候協(xié)作并且怎樣協(xié)作。另外一個(gè)重要的問(wèn)題是多中繼節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中的中繼選擇問(wèn)題，換句話說(shuō)，就是如果有多個(gè)可用的中繼節(jié)點(diǎn)，和誰(shuí)協(xié)作的問(wèn)題。傳統(tǒng)方法是邀請(qǐng)所有可用的中繼節(jié)點(diǎn)都轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)，目的節(jié)點(diǎn)采用最大比合并(maximum ratiocombining，MRC)技術(shù)來(lái)結(jié)合收到的所有信號(hào)。然而，近來(lái)一種新的觀點(diǎn)認(rèn)為在每一次源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)的傳輸中

4、，僅一個(gè)最佳的節(jié)點(diǎn)應(yīng)該被選出來(lái)作為中繼。這種最佳中繼選擇機(jī)制的性能優(yōu)于傳統(tǒng)的協(xié)作網(wǎng)絡(luò)（所有可用的中繼都轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)），并可以通過(guò)有限反饋以一種分布式的形式實(shí)現(xiàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，這種最佳中繼選擇機(jī)制可以和傳統(tǒng)的協(xié)作網(wǎng)絡(luò)在中斷概率上達(dá)到相同的分集階數(shù)。
　　 基于這些問(wèn)題，本論文著重對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中協(xié)作分集和中繼選擇機(jī)制進(jìn)行研究。論文的主要貢獻(xiàn)及創(chuàng)新點(diǎn)有：
　　 (1)結(jié)合增量DF中繼策略和選擇DF中繼策略，提出了一種新的協(xié)作分集方案

5、，命名為增量-選擇DF中繼。同時(shí)，推導(dǎo)了增量-選擇DF中繼和增量DF中繼兩種機(jī)制誤比特率(bit error rate，BER)的閉式表達(dá)式。進(jìn)而討論了信噪比(signal tonoise ratio，SNR)門限對(duì)BER的影響。
　　 (2)針對(duì)獨(dú)立不同分布的Rayleigh信道環(huán)境，分析了基于SNR的譯碼放大混合轉(zhuǎn)發(fā)(hybrid decode-amplify-forward, HDAF)協(xié)作分集機(jī)制的性能，推導(dǎo)了HDAF機(jī)

6、制誤BER的閉式表達(dá)式。采用計(jì)算機(jī)仿真對(duì)理論分析進(jìn)行了驗(yàn)證并調(diào)查了SNR門限和中繼節(jié)點(diǎn)位置對(duì)BER性能的影響。
　　 (3)分析了DF協(xié)作網(wǎng)絡(luò)中機(jī)會(huì)中繼(opportunistic relaying，OR)機(jī)制的平均誤符號(hào)率(symbol error rate，SER)性能。信道環(huán)境是獨(dú)立不同分布的Rayleigh信道，接收端采用MRC技術(shù)，調(diào)制方式是M-PSK，推導(dǎo)出了固定譯碼轉(zhuǎn)發(fā)(fixed DF, FDF)機(jī)會(huì)中繼和自適應(yīng)

7、譯碼轉(zhuǎn)發(fā)(adaptive DF, ADF)機(jī)會(huì)中繼兩種機(jī)制平均SER的近似閉合表達(dá)式。最終用仿真結(jié)果驗(yàn)證了理論推導(dǎo)的正確性。
　　 (4)在采用DF機(jī)制和目的節(jié)點(diǎn)采用等增益合并(equal gain combinig，EGC)的情境下，研究了選擇協(xié)作(selection cooperation, SC)中繼選擇機(jī)制的性能。假設(shè)信道經(jīng)歷獨(dú)立不同分布的Rayleigh衰落信道，首先推導(dǎo)了目的節(jié)點(diǎn)采用等增益合并后總瞬時(shí)SNR的累積分

8、布函數(shù)(cumulative distribution function, CDF)和概率密度函數(shù)(probability density function, PDF)。接著這些統(tǒng)計(jì)函數(shù)被用來(lái)推導(dǎo)選擇協(xié)作機(jī)制中斷概率和平均SER的閉式表達(dá)式。此外，在選擇協(xié)作機(jī)制的基礎(chǔ)上，為譯碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼網(wǎng)絡(luò)提出一種改進(jìn)型的選擇協(xié)作(ISC)機(jī)制。信道環(huán)境是獨(dú)立不同分布的Rayleigh信道，接收端采用MRC技術(shù)，推導(dǎo)出了ISC機(jī)制的平均SER的閉合表達(dá)式