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多用户/多中继协同无线通信技术研究

作　者: 陈宇
导　师: 武刚
学　校: 电子科技大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 协同通信中继网络编码中断概率空时编码 MIMO
分类号: TN925
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)技术作为下一代无线通信关键技术之一,能够有效克服无线信道固有的多径衰落。然而,由于移动台尺寸、功耗等因素的限制,在上行链路实现MIMO技术具有一定难度。基于此,被称作“虚拟”MIMO的协同通信技术应运而生,该技术使多个单天线终端共享彼此天线而获得空间分集增益,从而提高系统容量和传输性能。本文从分集技术与中继传输技术的有效结合方案入手,对多用户/多中继协同无线通信系统方案设计以及性能分析做系统研究。第二章研究了基于解耦转发(Decouple-and-Forward,DCF)的单用户单中继协同通信系统。传统的解码转发(Decode-and-Forward , DF)方式和放大转发(Amplify-and-Forward,AF)方式之间寻求性能与复杂度的折中,学术界提出DCF协同方案。本文基于DCF协议模型,首次推导出空时编码DCF系统在Nakagami-m信道下的中断概率精确表达式以及上下界,并通过计算机仿真对理论结果进行了验证。研究结果表明:由于Nakagami-m分布比Rayleigh分布更具一般性(当m = 1,即为Rayleigh),本文结论能够代表更广泛的衰落情形。第三章研究了基于网络编码(Network Coding,NC)的多用户单中继协同通信系统。通过对比传统多址中继信道(Multiple Access Relay Channel,MARC)、点对点系统以及基于网络编码的协同通信系统(Network Coding Based Cooperation,NCBC)的资源开销,得出NCBC是未来解决多用户单中继协同传输效率问题的可能途径。本文借鉴网络编码的思想,根据中继采用静态和自适应模式,分别推导出用户级和系统级中断概率精确表达式,并研究了中继位置对系统性能的影响。研究结果表明:在同样的信道和节点位置情形下,自适应模式性能较静态模式有一定提高。不过,静态模式在处理上更为简单。第四章研究了单用户多中继协同的中继选择问题。无论采用哪种协同分集方法,源节点的潜在协同伙伴可能不止一个,如何从众多潜在中继节点中选择最佳中继,既可使分集增益最大,又能够增加中继的可分配资源,减少系统复杂度,这就是中继选择的问题。本文研究了基于位置信息的中继选择算法和基于瞬时信道状态的中继选择算法,并对两种算法进行了对比。研究结果表明:基于位置信息的选择算法,最佳中继的选择依赖于源节点、中继节点及目的节点的位置信息,需要知道或者估计所有中继节点和目的节点之间的距离,这就要求系统有距离或位置估计装置,例如在各个终端安装GPS接收机,这种方法虽然可行,但是成本较高。基于瞬时信道状态的中继选择算法,综合考虑了各种衰落和噪声的影响,可获得和协同空时编码相同的分集—复用性能,适用于动态无线网络中中继的选择。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-17
第一章绪论  17-24
  1.1 研究背景及意义  17-21
    1.1.1 协同通信的基本理论  17-20
    1.1.2 协同通信存在的问题  20-21
  1.2 课题来源和本文工作  21-22
    1.2.1 课题来源  21
    1.2.2 本文研究的核心问题  21
    1.2.3 主要内容及创新  21-22
  1.3 本文结构  22-24
第二章单用户单中继协同  24-42
  2.1 引言  24-25
  2.2 传统单用户单中继协同  25-27
    2.2.1 放大转发AF  25
    2.2.2 解码转发DF  25-26
    2.2.3 编码协同CC  26-27
  2.3 解耦转发DCF协同  27-41
    2.3.1 数学原理  27-32
      2.3.1.1 重要分布  27-28
      2.3.1.2 重要函数  28-32
    2.3.2 系统和信道模型  32-33
    2.3.3 理论分析  33-38
      2.3.3.1 中断概率精确表达式  33-36
      2.3.3.2 中断概率上下界  36-38
    2.3.4 数值与仿真结果  38-41
  2.4 本章小结  41-42
第三章多用户单中继协同  42-61
  3.1 引言  42
  3.2 传统单用户多中继系统  42-45
    3.2.1 点到点系统  42-44
    3.2.2 传统MARC系统  44-45
  3.3 基于网络编码的协同  45-60
    3.3.1 网络编码原理  45-47
    3.3.2 系统和信道模型  47-48
    3.3.3 理论分析  48-56
      3.3.3.1 中断概率  48-53
      3.3.3.2 分集增益  53-54
      3.3.3.3 两用户到多用户拓展  54-56
    3.3.4 数值与仿真结果  56-60
  3.4 本章小结  60-61
第四章单用户多中继协同  61-72
  4.1 引言  61
  4.2 基于位置信息的中继选择算法  61-66
    4.2.1 系统和信道模型  62-63
    4.2.2 理论分析  63-65
      4.2.2.1 用户协同区域确定  63-64
      4.2.2.2 协同区域内的最优中继选择  64-65
    4.2.3 数值与仿真结果  65-66
  4.3 基于瞬时信道状态的中继选择算法  66-71
    4.3.1 系统和信道模型  66-67
    4.3.2 算法描述  67-69
      4.3.2.1 机会中继算法  67-68
      4.3.2.2 次优门限算法  68-69
    4.3.3 仿真与讨论  69-71
  4.4 本章小结  71-72
第五章总结  72-74
  5.1 全文总结  72-73
  5.2 未来研究方向  73-74
致谢  74-75
参考文献  75-79
攻读硕士学位期间研究成果  79-80
个人简历  80-81

多用户/多中继协同无线通信技术研究

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