Nakagami-Rayleigh衰落信道下無線中繼通信系統(tǒng)及其性能分析.pdf

1、由于無線中繼技術(shù)具有擴(kuò)展無線覆蓋區(qū)域、提升系統(tǒng)抗干擾性能等優(yōu)勢，已經(jīng)被IEEE802.11s，IEEE802.16j和3GPP LTE-Advanced等通信標(biāo)準(zhǔn)所采納。根據(jù)信息流特點(diǎn)，中繼技術(shù)可以分為單向中繼和雙向中繼。在單向中繼中，一個(gè)節(jié)點(diǎn)信息通過一個(gè)或多個(gè)中繼轉(zhuǎn)發(fā)給另一個(gè)節(jié)點(diǎn);在雙向中繼中，兩個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)通過一個(gè)或多個(gè)中繼互相交換信息。眾所周知，信道衰落會嚴(yán)重影響無線通信系統(tǒng)的性能，因此研究衰落環(huán)境下各種無線中繼通信系統(tǒng)傳輸方案及

2、其性能分析具有十分重要的意義。本文重點(diǎn)研究Nakagami和Rayleigh衰落信道下單向中繼和雙向中繼通信系統(tǒng)，并取得了一些重要成果。
　　首先，通過研究單中繼兩跳中繼通信系統(tǒng)在Nakagami-m衰落信道下的性能，獲得了Nakagami-m衰落信道下兩跳中繼通信系統(tǒng)平均誤碼率(BER)和遍歷容量的一些新結(jié)果。具體包括:在兩跳信道獨(dú)立但非必要同分布情況下，得到了適用于整數(shù)衰落參數(shù)，采用二進(jìn)制相位鍵控(BPSK)調(diào)制的系統(tǒng)平均BE

3、R的準(zhǔn)確閉合表達(dá)式，并得到了適用于任意衰落參數(shù)的遍歷容量的閉合上界。在兩跳信道獨(dú)立同分布情況下，得到了適用于任意衰落參數(shù)，采用BPSK調(diào)制的系統(tǒng)平均BER和遍歷容量的準(zhǔn)確閉合表達(dá)式。數(shù)值和仿真結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性，所得理論結(jié)果可用來指導(dǎo)Nakagami-m信道下兩跳中繼通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。
　　其次，通過研究基于信道狀態(tài)信息(CSI)輔助放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼的合作分集系統(tǒng)性能，獲得了獨(dú)立但非必要同分布Nakagami-m信道下合作

4、分集系統(tǒng)平均誤符號率(SER)的準(zhǔn)確理論結(jié)果。針對信噪比(SNR)幾種上界所存在的缺陷，直接從精確SNR表達(dá)式出發(fā)，得到了SNR的矩生成函數(shù)(MGF)的閉合表達(dá)式。在此基礎(chǔ)上，利用基于MGF的方法獲得了合作分集系統(tǒng)采用多進(jìn)制相位鍵控和正交幅度調(diào)制（MPSK/MQAM）的平均SER性能表達(dá)式，為Nakagami-m衰落環(huán)境中合作分集系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。
　　接著，通過研究共道干擾環(huán)境下過期信道狀態(tài)信息對于兩跳多用戶中繼通信

5、系統(tǒng)的影響，得到了系統(tǒng)中斷概率和平均SER的下界以及高信干比(SIR)條件下系統(tǒng)的漸進(jìn)中斷概率和漸進(jìn)平均SER表達(dá)式。對系統(tǒng)參數(shù)之間約束關(guān)系的研究表明，過期信道狀態(tài)信息和共道干擾對于系統(tǒng)性能有著嚴(yán)重的影響。研究結(jié)果對存在干擾和過期信道狀態(tài)信息環(huán)境下兩跳多用戶中繼系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有重要指導(dǎo)意義。
　　論文還提出一種針對多用戶雙向中繼通信系統(tǒng)的機(jī)會式傳輸方案。通過分析該系統(tǒng)性能，獲得了其中斷概率下界及高SNR下的漸進(jìn)中斷概率表達(dá)式。從中斷

6、概率漸進(jìn)表達(dá)式可以看出，這種機(jī)會式傳輸方法可以獲得滿分集階數(shù)。所提出的傳輸方案系統(tǒng)中斷概率性能要優(yōu)于多用戶場景下的模擬網(wǎng)絡(luò)編碼(ANC)和時(shí)分廣播(TDBC)方案，尤其是在低傳輸速率情況下，因而傳輸可靠性更高。此方案為蜂窩中繼網(wǎng)絡(luò)上下行傳輸提供了一種新的解決思路。
　　進(jìn)一步，基于ANC和TBBC協(xié)議，論文提出一種基于切換停留合并的雙中繼雙向中繼通信系統(tǒng)中的中繼使用方法。通過研究切換停留合并在ANC和TDBC兩種雙向中繼協(xié)議下的中

7、斷概率和平均BER性能，得到了Rayleigh衰落信道下系統(tǒng)的中斷概率和平均BER的準(zhǔn)確閉合下界，并且分析了高SNR條件下的漸進(jìn)中斷概率和漸進(jìn)BER性能。研究結(jié)果表明，切換停留合并技術(shù)在合適的切換門限下在雙向中繼通信系統(tǒng)中可以實(shí)現(xiàn)滿分集階數(shù)。
　　最后，通過研究兩個(gè)高斯Q-函數(shù)乘積在衰落分布下的均值，分別推導(dǎo)出了Nakagami-m和Nakagami-q(Hoyt)分布下兩個(gè)高斯Q-函數(shù)乘積均值的閉合解，所得結(jié)果適用于任意衰落參數(shù)