無(wú)線中繼通信系統(tǒng)的性能研究.pdf

1、無(wú)線中繼技術(shù)具有低成本、擴(kuò)大發(fā)端覆蓋范圍、提高通信系統(tǒng)可靠性和增加系統(tǒng)傳輸速率的作用。將無(wú)線中繼技術(shù)引入到蜂窩網(wǎng)中，能擴(kuò)大基站覆蓋范圍和提高小區(qū)邊緣用戶性能。因此，利用中繼技術(shù)有望構(gòu)建高效、低成本的移動(dòng)通信系統(tǒng)。中繼技術(shù)是下一代無(wú)線通信系統(tǒng)LTE-Advanced的關(guān)鍵技術(shù)之一。中繼主要分為放大轉(zhuǎn)發(fā)（AF）中繼和譯碼轉(zhuǎn)發(fā)（DF）中繼。AF中繼又可分為CSI（Channel StateInformation）-assisted中繼和固定增

2、益中繼。本論文將對(duì)這兩種AF中繼進(jìn)行深入的性能研究。
　　 中繼通信在小尺度衰落信道下的性能，已有不少文獻(xiàn)進(jìn)行研究。由于Nakagami-lognormal分布表達(dá)式比較復(fù)雜，目前還沒(méi)有文章研究在中小尺度復(fù)合衰落信道下的無(wú)線中繼系統(tǒng)的性能。不過(guò)，很多文章已經(jīng)驗(yàn)證Generalized-K（KG）分布適合建模中小尺度復(fù)合衰落信道，并能降低數(shù)學(xué)處理的復(fù)雜度。因此，本論文第二章研究在獨(dú)立不同分布（i.n.d）KG衰落信道下配有固定增益

3、中繼的兩跳通信系統(tǒng)性能。文中首先得到端到端信噪比n階矩的閉式表達(dá)式，接著利用PA（PadéApproximant）方法也得到了相應(yīng)矩母函數(shù)（Moment GeneratingFunction，MGF）的近似閉式表達(dá)式。利用這些結(jié)果，可直接得到平均端到端信噪比和衰落量的準(zhǔn)確閉式表達(dá)式，以及平均誤比特率（Average Bit Error Probability，ABEP）和中斷概率的近似閉式表達(dá)式。另外，根據(jù)琴生（Jensen）不等式，得

4、到了系統(tǒng)遍歷容量下界的閉式表達(dá)式。數(shù)值仿真結(jié)果表明，在發(fā)端和中繼間的功率分配比例對(duì)無(wú)線通信系統(tǒng)的性能影響比較大。
　　 只需知道信道統(tǒng)計(jì)信息的半盲中繼是固定增益中繼的一個(gè)特例，但對(duì)比需要實(shí)時(shí)跟蹤信道信息的CSI-assisted中繼，半盲中繼的性能降低并不多。因此，具有研究?jī)r(jià)值。第二章得到了KG衰落信道下的半盲中繼增益因子的閉式表達(dá)式。仿真結(jié)果表明，增益因子對(duì)第一跳平均信噪比（）在高值處的變化比較敏感，即相對(duì)于（）在低值處的增加

5、，其在高值處的增加會(huì)使中繼端的發(fā)送功率減少的更快。
　　 最近研究表明，Weibull分布是一個(gè)適用性很廣的衰落信道模型，室內(nèi)和室外環(huán)境都能適用，且在某些場(chǎng)景的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合效果往往比Nakagami-m好。因此，第三章研究了i.n.d Weibull衰落信道下配有CSI-assisted中繼和固定增益中繼多跳通信系統(tǒng)的性能。首先，基于調(diào)和幾何平均不等式，得到了更易于數(shù)學(xué)處理的端到端信噪比上界。然后，求得該界MGF、PDF和矩的閉

6、式表達(dá)式。利用這些理論結(jié)果，得到了平均端到端信噪比、信道容量、ABEP和中斷概率等性能的閉式界。仿真結(jié)果表明，當(dāng)跳數(shù)越少或信道衰落越嚴(yán)重時(shí)，該界會(huì)越緊。
　　 中斷概率是無(wú)線通信系統(tǒng)重要的性能指標(biāo)。第三章還給出了一個(gè)通用的分析配有CSI-assisted中繼的多跳系統(tǒng)中斷概率下界的方法。研究發(fā)現(xiàn)，min（γ1，…，γN）即為端到端信噪比上界，因此，根據(jù)min（γ1，…，γN）的CDF表達(dá)式，只要求得γi的CDF，就能獲得中斷概率

7、下界。這將使原本復(fù)雜的多跳系統(tǒng)中斷概率分析變得簡(jiǎn)單。
　　 繼續(xù)利用該界，第三章還分析了Nakagami-m衰落信道下配有CSI-assisted中繼多跳系統(tǒng)性能。在求得MGF函數(shù)的基礎(chǔ)上，可得到平均誤比特率的下界。仿真結(jié)果表明，在中高信噪比下，該界曲線與蒙特卡羅仿真曲線幾乎重合。
　　 在協(xié)作中繼通信系統(tǒng)中，終端通過(guò)收到信號(hào)的多個(gè)獨(dú)立副本而獲得分集增益。但如果附近可協(xié)作的中繼比較多，系統(tǒng)復(fù)雜度會(huì)比較高。此時(shí)，可通過(guò)選擇

8、信道質(zhì)量好的中繼信號(hào)進(jìn)行合并，既可降低復(fù)雜度，又不致性能損失太多。第四章主要分析在i.n.d Nakagami-m衰落信道下，配有CSI-assisted中繼的兩跳并行通信系統(tǒng)模型的廣義選擇合并（Generalized Selection Combining，GSC）技術(shù)性能。首先利用PA方法得到各分支終端信噪比PDF的閉式表達(dá)式；在此基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)計(jì)算得到GSC系統(tǒng)終端信噪比的MGF閉式表達(dá)式。有了MGF就可方便分析GSC的平均錯(cuò)誤率等

9、性能。從仿真的結(jié)果可知，在低信噪比下GSC的性能更接近具有最優(yōu)性能的MRC技術(shù)。
　　 認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)能顯著提高頻譜利用率，是目前一個(gè)熱門研究領(lǐng)域。頻譜檢測(cè)是認(rèn)知無(wú)線電的關(guān)鍵技術(shù)之一。協(xié)作檢測(cè)是一種能有效對(duì)抗衰落的頻譜檢測(cè)方法。第五章提出一種協(xié)作檢測(cè)優(yōu)化方案，即讓檢測(cè)信道最好的次用戶優(yōu)先向集中控制節(jié)點(diǎn)匯報(bào)檢測(cè)結(jié)果。分析結(jié)果表明，在給定誤檢概率下，該優(yōu)化方案能顯著提高系統(tǒng)的靈敏度和檢測(cè)概率。另外，為達(dá)到相同檢測(cè)概率，該方案所需要的