协作通信系统性能和功率分配研究

论文摘要

协作通信技术在原有网络拓扑结构基础上通过多用户协作,提升无线频谱资源利用率和系统功率效率。通过对无线通信系统频率、时间、空间等多维资源的有效复用,协作通信实现和支撑更高速率、更高带宽的无线传输,改善网络覆盖性能,已经成为B3G/4G移动通信的关键技术。本文分析了协作通信在不同系统模型和协作协议情况下的性能（SER误符号率、Outage中断概率和Throughput吞吐量）、协作伙伴选择、协作时机选择和功率分配,等问题。另外,研究了认知与协作技术相结合的问题,包括协作认知系统建模和性能分析。以优化多中继、放大转发协作（AF）通信系统误符号率（SER）性能为目的,我们在本文第三章提出一种多点协作最优功率分配（OPA）和协作伙伴选择方案。首先,分析多中继AF协作通信系统的理论SER。然后,推导出一种在高、低信噪比（SNR）情况下均较紧于SER理论值的下界。最后,以SER下界为代价函数,综合考虑系统整体统计信道增益,提出适用于多中继AF协作通信系统的最优功率分配与协作伙伴选择方案。理论分析和仿真结果表明,在系统总功率受限情况下,基于该方案的SER性能明显优于基于平均功率分配（EPA）方案。与现有算法相比,在低SNR情况下,基于该方案的SER下界较紧于理论值。第四章以优化多MIMO中继节点、译码转发（DF）、选择译码转发协作（SDF）和增强型SDF （ISDF）通信系统中断概率为目的,我们提出一种多点协作最优单MIMO中继选择方案,给出中断概率封闭表达式,并讨论了协作时机的问题。首先给出MIMO中继系统模型,并分析了不同中继节点情况下的中断概率。然后给出最优中继选择方案,在中继采用最大比合并接收和Beam-forming技术的情况下,推导出基于该方案的源-目的节点的互信息和中断概率,并证明了该方案的中断概率是普通SDF/ISDF协作系统中断概率的下界,其次,讨论自适应最优功率分配和协作时机问题,最后给出仿真结果和性能分析。第五章分成两部分。第一部分研究认知MIMO干扰系统中断概率、吞吐量和最优功率分配分析。重点推导了认知MIMO系统在理想、实际系统和平坦、瑞利衰落信道环境下的授权用户和认知用户的中断概率和吞吐量,给出相应的闭合数学表达式。在授权用户分组到达率随机到达,并且确保授权系统稳定的条件下,对授权、认知用户的功率分配和系统吞吐量进行了分析。提出适用于认知MIMO干扰系统的授权和认知用户的最优功率分配方案以及相应的最优吞吐量表达式。最后,通过仿真验证理论分析。仿真结果表明功率优化算法在确保授权用户稳定性前提下,同时提高了授权和认知用户系统吞吐量。为了对比分析,我们还给出了功率参数和信道参数相同情况下的,授权和认知系统均为SISO系统的仿真结果。第二部分研究协作通信与认知干扰无线通信系统结合问题,目的在于提高非对称认知干扰系统的性能。重点推导了放大转发（AF）协作模式的认知干扰系统在平坦、瑞利衰落信道环境下的授权用户和认知用户的中断概率和吞吐量,给出相应的闭合数学表达式。在随机授权用户分组到达率给定,并且确保授权系统稳定的条件下,对认知用户的功率分配和吞吐量进行了分析。提出认知协作干扰系统中的认知用户的最优功率分配算法,以及相应的授权和认知用户最优吞吐量。仿真分析表明协作技术和功率优化算法在确保授权系统稳定性前提下,能同时提高授权和认知系统性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 英文缩略语
• 第1章 绪论
• 1.1 移动通信技术发展
• 1.2 移动通信面临挑战
• 1.2.1 多径传播
• 1.2.2 多普勒效应
• 1.3 无线通信关键技术
• 1.3.1 MIMO技术
• 1.3.2 OFDM技术
• 1.3.3 MIMO&OFDM系统
• 1.4 CR技术及其背景
• 1.5 协作通信技术背景
• 1.6 论文主要工作
• 1.7 论文结构安排
• 1.8 本章参考文献
• 第2章 协作通信系统研究
• 2.1 引言
• 2.2 现代协作通信
• 2.3 协作通信分类
• 2.3.1 按照信号处理方式
• 2.3.1.1 译码转发协作
• 2.3.1.2 放大转发协作
• 2.3.1.3 编码协作
• 2.3.1.4 空时编码协作
• 2.3.1.5 网格编码协作
• 2.3.2 按照协作拓扑结构
• 2.3.2.1 两跳单中继模型
• 2.3.2.2 两跳多中继模型
• 2.3.2.3 多跳中继模型
• 2.3.2.4 多跳分集协作模型
• 2.4 协作通信系统研究热点问题
• 2.4.1 同步和信道估计
• 2.4.2 无线资源管理
• 2.4.3 协作伙伴选择
• 2.4.4 协作与认知结合
• 2.5 本章小结
• 2.6 本章参考文献
• 第3章 AF协作通信系统性能和功率分配研究
• 3.1 引言
• 3.2 系统模型和SNR分析
• 3.2.1 系统模型
• 3.2.2 接收SNR分析
• 3.3 SER分析
• 3.3.1 SER理论分析
• 3.3.2 SER上界和下界
• 3.3.3 仿真结果分析
• 3.4 最优功率分配和协作时机选择算法
• 3.5 仿真结果及分析
• 3.6 本章小结
• 3.7 本章参考文献
• 第4章 MIMO协作系统中断概率和功率分配研究
• 4.1 引言
• 4.2 单MIMO协作系统模型和中断概率分析
• 4.2.1 单MIMO协作系统模型
• 4.2.2 单MIMO DF中断概率分析
• 4.2.3 单MIMO中继SDF/ISDF互信息和中断概率分析
• 4.2.4 单MIMO中继SDF/ISDF仿真结果及分析
• 4.3 多MIMO协作SDF/ISDF系统模型和中断概率分析
• 4.3.1 多MIMO协作SDF/ISDF系统模型
• 4.3.2 多MIMO协作SDF/ISDF信息和中断概率分析
• 4.3.3 多MIMO协作最优单中继选择方案
• 4.3.4 最优单中继SDF/ISDF信息和中断概率分析
• 4.3.5 最优单中继SDF/ISDF仿真结果及分析
• 4.3.5.1 功率分配因子与中断概率的关系
• 4.3.5.2 最优单中继SDF/ISDF中断概率
• 4.4 本章小结
• 4.5 本章参考文献
• 第5章 认知协作系统性能和功率分配研究
• 5.1 引言
• 5.2 认知MIMO系统性能和最优功率分配分析
• 5.2.1 认知MIMO干扰系统模型
• 5.2.2 理想系统稳态吞吐量分析
• 5.2.2.1 系统中断概率分析
• 5.2.2.2 系统吞吐量分析
• 5.2.3 实际系统稳态吞吐量分析
• 5.2.4 仿真结果及分析
• 5.2.5 本节小结
• 5.3 AF协作SISO认知干扰系统性能和最优功率分配分析
• 5.3.1 认知协作干扰系统模型
• 5.3.2 想认知协作系统稳态吞吐量分析
• 5.3.2.1 认知协作系统中断概率分析
• 5.3.2.2 认知协作系统吞吐量分析
• 5.3.3 实际认知协作系统稳态吞吐量分析
• 5.3.4 仿真结果及分析
• 5.3.5 本节小结
• 5.4 本章参考文献
• 第6章 总结与展望
• 6.1 论文工作总结
• 6.2 进一步研究方向
• 附录A
• 附录B
• 附录C
• 致谢
• 攻读博士学位期间完成的科研论文