协作通信中继选择方案及ARQ联合优化研究

论文摘要

无线宽带技术使人们摆脱了传统的有线通信的束缚,让人类进入了移动通信时代。面对广大的应用和研究市场,无线移动通信技术得到了快速发展,促使第一代移动通信（1G）到第三代移动通信（3G）的演进和过渡越来越快,突显了人们对无线宽带业务越来越高的需求,特别是下一代移动通信技术,即第四代移动通信技术（4G）,要求通信系统实现静止时达到1Gbps和移动时100Mbps信息传输速率。但是,频谱资源的有限性成为了下一代无线通信技术发展的“瓶颈”。此时,多天线技术在不增加带宽的前提下,能够提高系统的信息传输速率和频谱效率,因此成为无线通信技术的研究热点。尽管如此,由于终端的一些实际限制,许多终端不能安装多天线,因此,便产生了一种新兴技术：协作通信。协作通信在多用户环境下能够使单天线终端彼此相互共享天线,形成虚拟的多天线发射机,从而实现发射分集增益。因此,在无线蜂窝网,ad-hoc网和无线传感器网络中,协作通信技术在近些年里得到了广泛研究。目前得到广泛认可的协作协议主要有三种：放大向前（AF）,译码向前（DF）和码协作（CC）。对于中继节点选择方案的研究一直是协作通信技术的难点和热点,考虑到了实际应用的多用户环境和网络便产生了三种主要的方案：确定优先级列表（FPLRS）,机会中继（ORS）和增加传输（ITRS）中继选择方案。但是,对于协作通信仍然有几个难题需要解决,比如：如何确定协作中继终端数量,采用什么的适合网络情况的中继节点选择方案,如何通知网络中目的端中继终端采用了哪种协作协议选择,如何实现网络内最优的功率分配,基于多方面因素的协作多用户网络联合优化问题等等。在系统的学习和掌握协作通信技术一些关键技术之后,本文便根据目前协作通信发展比较热点和重要的技术进行改进和创新,在给出了系统详细的理论分析的同时,还给出了大量的性能仿真和相应的分析。首先,我们主要考虑了单天线终端网络结合空时分组码（STBC）并根据信息论的互信息和最大流最小割（MFML）算法去分析和计算出整个协作系统的信道容量,综合考虑信道情况得到整个协作系统的中断概率。开始我们采用FPLRS选择“最优”和“次最优”中继终端,其中两个中继终端采用译码向前（DF）协议和结合Alamouti-STBC方案。随后,信源和中继终端间的最优功率分配方案被详细地研究。最后,协作节点间距离以及协作节点天线间的相关性对整个协作通信系统中断概率的影响也被综合地考虑。其次,我们应用ORS方案于协作多天线（MIMO）系统。其中中继终端都安装有多根天线。中继终端自动检测CSI并采用MRRC和Beamforming。为了最小化整个系统的中断概率,我们基于ORS提出了最新的中继选择方案并进行了统计最优功率分配方案,并给出了中断概率的闭式表达式和分集阶数。最后,针对同一网络内,具有相同中继终端数分别带有不同数量的天线数和具有不同中继终端数但每个终端带有相同天线数两种情况给予了详细的仿真和分析。最后,我们重点研究如何利用ARQ技术进行协作通信系统整体优化去降低无线分布式网络不可回避的碰撞问题。“基于自适应协作协议转换和中继选择方案的联合优化方案”不仅比ORS和ITRS两个中继选择方案获得更好的中断概率,同时,还降低了分布式协作网络的碰撞概率,并且对于不同的网络拓扑有很强的鲁棒性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 英文缩略语
• 第一章 绪论
• 1.1 论文的选题背景
• 1.2 论文的主要工作
• 1.3 论文的内容安排
• 第二章 协作通信中的协作协议与中继选择方案
• 2.1 协作协议
• 2.1.1 放大向前协议（AF）
• 2.1.2 译码向前重传（DF）
• 2.1.3 码协作协议（CC）
• 2.2 中继选择方案
• 2.2.1 确定优先级列表中继选择（FPLRS）
• 2.2.2 机会中继选择（ORS）
• 2.2.3 增加传输中继选择（ITRS）
• 2.3 自动重传请求（ARQ）技术
• 2.4 总结
• 第三章 改进的基于STBC方案的协作系统性能分析
• 3.1 引言
• 3.2 协作方案与系统模型
• 3.2.1 协作协议选择方案
• 3.2.2 系统模型
• 3.3 协作系统中断概率分析
• 3.3.1 信道容量分析
• 3.3.2 中断概率分析
• 3.4 理论性能分析
• 3.4.1 中继选择方案的影响
• 3.4.2 终端间距离对系统性能的影响
• 3.4.3 协作用户信道间的相关性的影响
• 3.5 仿真结果分析
• 3.6 结论
• 第四章 协作MIMO系统的性能分析
• 4.1 引言
• 4.2 协作MIMO系统模型
• 4.3 基于协作MIMO系统的创新
• 4.3.1 修改的多天线中继选择方案准则
• 4.3.2 统计最优功率分配方案
• 4.4 新方案性能理论分析
• 4.5 仿真结果和解析
• 4.6 结论
• 第五章 基于自适应协作协议转换和中继选择的联合优化协作系统研究
• 5.1 引言
• 5.2 协作系统模型
• 5.3 新中继节点选择方案及其性能分析
• 5.3.1 中继选择方案
• 5.3.2 中断概率分析
• 5.3.3 碰撞概率分析
• 5.4 仿真结果和解析
• 5.5 结论
• 第六章 总结与展望
• 6.1 论文的主要工作总结
• 6.2 前景与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士研究生期间发表的学术论文及研究成果
• 学位论文评阅及答辩情况表