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无线网络协作通信关键技术研究

作　者: 陈纯锴
导　师: 谢红
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 无线网络协作通信节点选择编码协作 MIMO 功率分配
分类号: TN929.5
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

协作通信是一种新型传输技术，是MIMO技术实用化的重要途径。其融合分集与中继传输优势，可将传统的集中式竞争关系向分布式协作关系转变，通过协作方式来提升通信的容量与品质，在不改变基础设施前提下实现发送端多天线的技术难题，所以备受学术界和运营商广泛关注。协作通信关键技术包括：中继节点的选择、编码协作、能量消耗与最优功率分配、多小区协作以及跨层协作等。其中，前三项是基础性理论问题，本文对其进行了深入研究，具体如下：在无线网络系统中选择一个或多个节点作为协作节点，是协作通信研究的基础性问题。首先，从增加系统可靠性和降低复杂度两方面考虑，提出了一种中继节点选择策略，根据信噪比门限方法得到可靠节点，由选择因子来确定最优节点。该策略有较低的误码率和复杂度。其次，研究了Two_way中继系统中继节点选择问题。提出了放大转发和网络编码的双向中继节点选择（TWRS-AF、TWRS-NC）策略，两策略均可实现全分集，并比较了两策略的误码性能和分集增益。最后，在多S-R-D节点网络环境中，使用穷举算法可获得最优解。为降低其计算复杂度，提出了改进选择策略，该策略除了能达到与最优算法类似吞吐量，而且复杂度也大大降低。编码协作是将成熟的信道编码技术应用于协作分集系统中，可以提供分集和编码增益。首先，为解决中继端解码错误而得不到分集增益的问题，提出了一种LDPC编码混合转发协作模型（HF-LDPC）。通过不同的用户发送码字的不同部分，来获得分集增益和编码增益。研究表明：混合转发协作模型性能优于传统LDPC编码协作模型。其次，喷泉码具有编码冗余度低，发端无需考虑信道状态的优点。将LT码运用到协作通信中。讨论了两种传输模式，并说明LT喷泉编码能够降低误比特率，并加快译码速度。在传感器网等功率受限的无线网络中，节点能量消耗和功率分配同样是协作系统考虑的关键问题。首先，分析了影响协作节点能量消耗的因素，并对几种协作模式能耗进行比较。其次，提出一种能量效率的传输算法(EET)，该算法先计算出关键的路径比阈值，之后根据几何关系式来判断节点是否协作传输。最后，研究了协作方式最优功率分配问题，从中断概率角度给出最优功率分配算法并进行了仿真，讨论了最优功率分配和等功率分配所得到的协作增益，并分析了各参数间的关系。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第1章绪论  12-23
  1.1 课题研究背景及意义  12-15
  1.2 协作通信技术发展及遇到的挑战  15-20
    1.2.1 协作通信技术的发展  15-17
    1.2.2 协作通信技术的遇到的挑战  17-20
  1.3 论文的体系结构和主要内容  20-23
第2章无线衰落信道与协作通信协议  23-55
  2.1 无线衰落信道及其特征  23-28
    2.1.1 衰落的种类  23-27
    2.1.2 多径传输  27-28
  2.2 分集技术  28-29
  2.3 MIMO 系统  29-35
    2.3.1 MIMO 系统模型  30-31
    2.3.2 MIMO 信道容量  31-33
    2.3.3 MIMO 容量仿真分析  33-35
  2.4 协作通信模型及协议  35-54
    2.4.1 协作通信传输模型  35-37
    2.4.2 协作通信中继协议  37-47
    2.4.3 协作多径信号的合并方法  47-49
    2.4.4 协作传输瞬时信噪比与误码率评估  49-53
    2.4.5 协作网络信道容量的评估  53-54
  2.5 本章小结  54-55
第3章协作中继节点的选择  55-83
  3.1 单向中继网络节点选择策略  55-61
    3.1.1 协作网络系统模型  56
    3.1.2 中继节点选择策略  56-59
    3.1.3 系统仿真与结果分析  59-61
  3.2 单向多中继网络节点选择  61-65
    3.2.1 单向多中继节点模型  61-62
    3.2.2 单向多中继节点协作  62-64
    3.2.3 系统仿真  64-65
  3.3 Two_way 系统双向中继节点选择策略  65-74
    3.3.1 双向中继  66-67
    3.3.2 网络编码  67-68
    3.3.3 系统模型  68-69
    3.3.4 放大转发双向中继节点选择  69-71
    3.3.5 双向网络编码中继节点选择  71-73
    3.3.6 性能仿真  73-74
  3.4 Two_way 系统双中继节点选择  74-76
    3.4.1 Two_way 双中继节点选择策略  74-76
    3.4.2 Two_way 双中继性能仿真  76
  3.5 多 S-R-D 节点网络中继节点选择策略  76-82
    3.5.1 协作网络系统模型  77-78
    3.5.2 多 R-S-D 中继节点选择策略  78-80
    3.5.3 仿真结果与分析  80-82
  3.6 本章小结  82-83
第4章编码协作分集技术  83-103
  4.1 基于 LDPC 编码的混合转发协作模型  83-93
    4.1.1 LDPC 码概述  83-85
    4.1.2 混合转发（Hybrid-and-Forward，HF）系统模型  85-86
    4.1.3 接收端联合解码算法  86-91
    4.1.4 仿真分析  91-93
  4.2 基于 LT 喷泉编码多中继协作性能分析  93-102
    4.2.1 LT 编解码原理  93-97
    4.2.2 系统模型  97-99
    4.2.3 置信传播解码算法  99-100
    4.2.4 仿真分析  100-102
  4.3 本章小结  102-103
第5章协作网络中的能量消耗与分配  103-124
  5.1 系统能量消耗分析  103-105
  5.2 基于能量效率的数据传输算法  105-109
    5.2.1 传输模型  105-106
    5.2.2 数据传输算法  106-108
    5.2.3 性能仿真  108-109
  5.3 协作分集模式能量消耗比较  109-115
    5.3.1 系统模型  109-110
    5.3.2 协作方式及其能量消耗  110-112
    5.3.3 仿真结果与讨论  112-115
  5.4 最优功率分配研究  115-123
    5.4.1 系统模型  115
    5.4.2 直接传输最优功率分配  115-116
    5.4.3 协作传输最优功率分配  116-118
    5.4.4 解码转发模式最优功率分配  118-119
    5.4.5 放大转发模式最优功率分配  119-120
    5.4.6 多中继节点最优功率分配  120-122
    5.4.7 各种协作模式最优功率分配仿真分析  122-123
  5.5 本章小结  123-124
结论  124-128
参考文献  128-141
攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果  141-142
致谢  142-143
个人简历  143-144
附录：缩略词  144-145

无线网络协作通信关键技术研究

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