協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)中聯(lián)合功率分配與中繼選擇算法的研究.pdf

1、協(xié)作通信技術(shù)通過建立一個虛擬的多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output, MIMO)系統(tǒng)實現(xiàn)空間分集，可以提高無線通信網(wǎng)絡(luò)的容量、覆蓋范圍和魯棒性。在協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)中，常用的中繼協(xié)議有放大轉(zhuǎn)發(fā)(Amplify-and-forward, AF)、解碼轉(zhuǎn)發(fā)(Decode-and-forward, DF)和編碼協(xié)作(Code Cooperation,CC)，網(wǎng)絡(luò)模型分為單向中繼網(wǎng)絡(luò)(One-Way Relay

2、Network, OWRN)和雙向中繼網(wǎng)絡(luò)(Two-Way Relay Network,TWRN)。
　　相對OWRN系統(tǒng)， TWRN有更高的頻譜利用率，但是系統(tǒng)由于自干擾的存在容易受到信道估計誤差的影響。中繼選擇(Relay Selection,RS)和功率分配(Power Allocation, PA)是提高協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能的兩種主要方式。RS是指系統(tǒng)根據(jù)信道條件選擇出最適合轉(zhuǎn)發(fā)信號的中繼節(jié)點，PA指對系統(tǒng)的總發(fā)送功率進行

3、合理的調(diào)配以實現(xiàn)系統(tǒng)性能的最優(yōu)化。
　　本文深入研究了TWRN的聯(lián)合RS和PA算法。一方面，根據(jù)瞬時信道狀態(tài)信息，提出了傳統(tǒng)雙向中繼網(wǎng)絡(luò)(Conventional TWRN,C-TWRN)和能量收集雙向中繼網(wǎng)絡(luò)(Energy Harvesting TWRN,EH-TWRN)的幾種聯(lián)合RS和PA算法，提升TWRN系統(tǒng)性能；另一方面，研究了信道估計誤差對TWRN系統(tǒng)功率消耗、傳輸速率和誤碼率的影響。論文的主要安排如下：
　　(1

4、)在傳統(tǒng)AF-TWRN系統(tǒng)，提出了以最大化和速率為目標的聯(lián)合RS和PA算法。首先利用瞬時信道狀態(tài)信息得出TWRN兩條通信鏈路的端到端信噪比(Signal-to-Noise Ratio,SNR)，并獲得了每個中繼節(jié)點對應(yīng)的最優(yōu)功率分配，然后比較每一個中繼節(jié)點可以實現(xiàn)的系統(tǒng)傳輸速率，最后選擇出性能最優(yōu)的中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)信號。在此基礎(chǔ)上，提出了中繼功率限制情況下的聯(lián)合RS和P A算法，極大的降低中繼的發(fā)送功率。
　　(2)在傳統(tǒng)AF-TWR

5、N系統(tǒng)中，提出了信道估計誤差存在時以最小化功率消耗的聯(lián)合RS和PA算法。利用Karush-Kuhn-Tucker KKT最優(yōu)化條件，求得了系統(tǒng)最優(yōu)功率分配，并選擇出使系統(tǒng)總功率消耗最少的中繼節(jié)點。最后比較了不同信道估計誤差情況下， TWRN滿足業(yè)務(wù)要求時的發(fā)送功率。
　　(3)在EH-TWRN系統(tǒng)中，基于功率分割協(xié)議(Power Splitting-based Relaying, PSR)提出了系統(tǒng)在完美信道估計和非完美信道估計情

6、況下的高能效聯(lián)合RS和PA算法，獲得了系統(tǒng)中每個中繼節(jié)點最優(yōu)的能量收集比例和對應(yīng)的兩個信源的最優(yōu)功率分配。分析表明，與C-TWRN相比，EH-TWRN明顯降低了系統(tǒng)的功率消耗；同樣，隨著信道估計誤差的增大， EH-TWRN系統(tǒng)的功率消耗增加。
　　(4)在EH-TWRN系統(tǒng)中，基于兩條通信鏈路的SNR平衡準則，提出了最優(yōu)的聯(lián)合RS和P A算法。分析表明，相對傳統(tǒng)的RS和P A算法，本文提出的方法可以實現(xiàn)最大的傳輸速率，在此基礎(chǔ)上分