無線協(xié)同中繼通信的預(yù)編碼技術(shù)研究.pdf

1、無線協(xié)同中繼技術(shù)提供了一種利用空間資源的新手段，多個參與通信的實(shí)體之間可通過協(xié)作的方式共享有限的資源以提高無線資源的利用率。在無線協(xié)同中繼系統(tǒng)中，多個終端相互使用對方的天線發(fā)送各自的信號，從而形成“虛擬天線陣列”，如此構(gòu)成的等效多入多出（MIMO）系統(tǒng)同樣具有較高的系統(tǒng)容量和頻譜效率。在傳統(tǒng)MIMO系統(tǒng)中，預(yù)編碼技術(shù)是一種應(yīng)用廣泛的鏈路自適應(yīng)技術(shù)，目前的研究已相對比較成熟。由于協(xié)同中繼系統(tǒng)與MIMO系統(tǒng)具有相似性，因此可以方便地將預(yù)編碼

2、技術(shù)引入?yún)f(xié)同中繼系統(tǒng)中。本論文研究協(xié)同中繼系統(tǒng)中的預(yù)編碼技術(shù)，其目標(biāo)是提升系統(tǒng)的傳輸可靠性和頻譜效率，同時降低信道狀態(tài)信息（CSI）反饋（共享）開銷。
　　 本論文中首先總結(jié)了無線協(xié)同中繼通信系統(tǒng)中的預(yù)編碼技術(shù)的研究現(xiàn)狀。根據(jù)天線陣或虛擬天線陣的構(gòu)成方式，我們可以將無線協(xié)同中繼通信中的預(yù)編碼技術(shù)分為3類，即單中繼節(jié)點(diǎn)空域預(yù)編碼技術(shù)、多節(jié)點(diǎn)分布式空域預(yù)編碼技術(shù)和時域預(yù)編碼技術(shù)。每一類預(yù)編碼技術(shù)可以進(jìn)一步根據(jù)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)細(xì)化為更多子

3、類。本論文中對3類無線協(xié)同中繼系統(tǒng)中的預(yù)編碼技術(shù)都進(jìn)行了深入研究：
　　 論文的第二部分關(guān)注第1個類別：協(xié)同中繼系統(tǒng)中的單中繼節(jié)點(diǎn)預(yù)編碼技術(shù)。在線性轉(zhuǎn)發(fā)的單中繼系統(tǒng)中，我們首先關(guān)注了簡單的迫零（ZF）中繼系統(tǒng)，提出在中繼節(jié)點(diǎn)的前向和反向ZF濾波器之間增加一個空間信道配對或映射矩陣，用以降低轉(zhuǎn)發(fā)噪聲功率。空間信道配對矩陣適用于單個源節(jié)點(diǎn)時，空間信道映射矩陣適用于單個目標(biāo)節(jié)點(diǎn)時。由于空間信道配對或映射的使用提升了每個數(shù)據(jù)流的接收信干

4、噪比，因此系統(tǒng)的可靠性和有效性可以同時得以提升。其次，我們將現(xiàn)有線性轉(zhuǎn)發(fā)的單源單中繼單目標(biāo)系統(tǒng)概括為一個統(tǒng)一框架?；诖私y(tǒng)一框架，我們提出了完整的中繼節(jié)點(diǎn)的空間信道映射矩陣設(shè)計方法：在中繼節(jié)點(diǎn)的前向和反向?yàn)V波器之間增加一個空間信道映射矩陣，用以降低中繼轉(zhuǎn)發(fā)噪聲功率或目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的處理后噪聲功率。多種單中繼系統(tǒng)下的理論分析和仿真結(jié)果證明了統(tǒng)一框架下的空間信道映射對系統(tǒng)性能的提升。
　　 論文的第三部分關(guān)注第2個類別：協(xié)同中繼系統(tǒng)中的多

5、節(jié)點(diǎn)分布式預(yù)編碼技術(shù)。根據(jù)源節(jié)點(diǎn)的發(fā)送信號形式可以將此類別分為廣播模式和單播模式。首先，我們研究了各種廣播模式的典型方案，找出了其中系統(tǒng)容量性能較為卓越的基于QR分解（QRD）的廣播方案。我們提出了兩種改進(jìn)基于QRD的廣播方案的方法：行列置換優(yōu)化和分布式預(yù)編碼（中繼節(jié)點(diǎn)功率分配）。前者的思路是對信道矩陣進(jìn)行行列置換，QRD的結(jié)果是不一樣的。我們提出了一種改進(jìn)的矩陣QRD算法，在分解的同時選擇矩陣的列置換方案，以極小的計算復(fù)雜度代價獲得了

6、系統(tǒng)容量性能的明顯提升。后者是將分布式預(yù)編碼引入基于QRD的廣播方案中，在所有的中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送功率一定時，最優(yōu)的分布式預(yù)編碼矢量搜索問題等價為一個多維空間中的球面上的最優(yōu)化問題。為此，我們提出了一種新的粒子集群優(yōu)化（PSO）算法用于多維球面上的最優(yōu)化搜索問題。基于提出的球面上的PSO算法，基于QRD的廣播方案中的分布式預(yù)編碼（中繼節(jié)點(diǎn)功率分配）可以有效的提升系統(tǒng)容量，且計算復(fù)雜度在可接受的范圍內(nèi)。其次，我們關(guān)注了多中繼系統(tǒng)中的單播模式，提

7、出和分析了多種單播模式預(yù)編碼方案，對比了單播模式和廣播模式各自的應(yīng)用場景和性能優(yōu)劣，給出了典型單播方案下的接收信噪比（SNR）的解析表達(dá)式，提出了基于單播模式的中繼節(jié)點(diǎn)選擇策略，簡化了CSI反饋，降低了系統(tǒng)開銷，取得了系統(tǒng)容量性能和反饋開銷間的折中。
　　 論文的第四部分關(guān)注第3個類別：協(xié)同中繼系統(tǒng)中的時域預(yù)編碼技術(shù)。在協(xié)同中繼系統(tǒng)中，利用源節(jié)點(diǎn)在廣播階段和多址接入階段的發(fā)送符號（矢量）作為虛擬天線陣，可以引入時域預(yù)編碼技術(shù)。在

8、單天線協(xié)同中繼系統(tǒng)中，為了最大化系統(tǒng)容量，我們提出了時域預(yù)編碼與多節(jié)點(diǎn)分布式空域預(yù)編碼的聯(lián)合優(yōu)化。在多天線協(xié)同中繼系統(tǒng)中，由于時域預(yù)編碼技術(shù)的使用需要系統(tǒng)中所有鏈路的CSI，我們提出了基于ZF中繼協(xié)議的CSI壓縮和反饋機(jī)制，將每個中繼節(jié)點(diǎn)相關(guān)的等效信道信息和轉(zhuǎn)發(fā)噪聲信息壓縮為兩個正實(shí)數(shù)，極大的降低了CSI反饋開銷。根據(jù)對歸一化等效信道矩陣的奇異值的分析，我們給出了時域預(yù)編碼技術(shù)可以支持的數(shù)據(jù)流數(shù)量的上界，并分析了影響時域預(yù)編碼性能的各種