无线通信系统协作分集技术研究

论文摘要

随着现代社会对无线通信需求的增加,人们不断追求更高质量的无线传输服务。为了对抗无线衰落信道的多径效应和时变性,首先应采用更适合于其传输特性的技术,以降低传输差错率。其次,在不增加发送功率或系统带宽的情况下,克服多径衰落的有效方法是采用各种分集技术。多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output,MIMO）技术,能够将传统通信系统中存在的多径因素变成对用户通信性能有利的因素,但在实际应用中,由于移动终端物理条件的制约,限制了其技术的应用。由此人们从中继信道得到启发,由Sendonaris首先提出了协作分集的概念。协作分集作为一个崭新的研究领域,一经提出,便在国内外引起了人们的广泛关注。协作分集的思想具有非常广阔的应用前景,可应用于蜂窝移动通信系统、无线Ad hoc网络、无线局域网以及无线传感器网络等多种场合。本文在分析前人研究成果的基础上,从保证信息传输可靠性的角度出发,重点研究了基于正交信号的两用户协作分集和多中继协作分集技术。基于正交信号的两用户协作分集策略具有简单可行、延时少、实用性强的优点。论文在基于正交信号的两用户协作分集模型基础上,对以下四种情况进行了分析:第一,为了更加便于实际系统的应用,论文分析了采用等增益合并（EGC）而不是原模型所采用的最大比合并（MRC）。第二,为了更加符合实际情况,论文着重研究协作用户到基站的信道条件不同的情况下的协作分集性能。研究表明,采用协作分集策略后,对于信道条件较差的用户可以显著提高传输可靠性,但是对于信道条件较好的用户则存在“门限效应”。第三,论文考虑了用户间存在相位估计偏差对协作分集性能的影响。第四,为了有效的缓解基于正交信号的协作分集技术所存在的“门限效应”,增强协作方案的公平性,论文在协作模型中引入链路自适应技术。研究表明,自适应协作分集不但可以提高信道条件差的用户的传输性能、节省发射功率,而且可以有效抑制信道条件好的协作用户性能出现明显的性能恶化。本文的第二个重点是研究无线网络环境下的多中继协作策略问题。在多中继环境下,多中继协作分集可以显著提高传输可靠性。论文分析了不同的多中继协作策略对传输性能的影响,相关研究表明:第一,中继节点间协作的多中继协作策略1和中继节点间不协作的多中继协作策略2的误符号率的近似表达式是完全一致的,但是策略2相对策略1而言,模型简单,可实现性更强。论文研究结果显示,在中继节点到目的节点的信道条件较好时,应优先选择中继节点间不协作的多中继协作策略2;第二,在前两种协作策略的基础上讨论两种功率分配方案,论文通过理论推导揭示,总发射功率固定的平均分配方案FSP-ER和总发射功率固定的次优分配方案FSP-Near Optimal两种功率分配策略的适用情况与源节点到目的节点的信道条件无关,而仅仅与信源到中继节点及中继节点到目的节点的信道条件有关。具体来说,总发射功率固定的次优分配方案FSP-Neal Optimal适用于中继节点到目的节点的信道条件好于信源到中继节点的情况,而总发射功率固定的平均分配方案FSP-ER策略适用于信源到中继节点的信道条件好于中继节点到目的节点的情况。第三,直接采用检测转发方案的多用户协作策略3在三种多中继协作策略中的的系统复杂度最低,但是总的系统传输性能不如前两种策略。但若是在其基础上采用机会中继模型及理想功率分配之后,系统性能得到大幅提升,特别是信源到目的节点的信道条件较好的情况。论文工作对蜂窝通信系统条件下的两用户协作分集技术和无线通信网络环境下的多中继协作技术有参考价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 无线通信技术发展及其面临的新挑战
• 1.2 协作分集技术及其国内外研究现状
• 1.3 本文主要研究内容和研究结论
• 1.4 本文结构和章节安排
• 第2章 分集与协作分集技术
• 2.1 分集技术的分类
• 2.1.1 空间分集
• 2.1.2 频率分集
• 2.1.3 时间分集
• 2.2 分集合并技术
• 2.3 协作分集技术
• 2.3.1 协作分集的概念及协作步骤
• 2.3.2 协作分集协议
• 2.3.3 协作分集的优点
• 2.3.4 存在的问题
• 2.4 本章小结
• 第3章 基于正交信号的两用户协作分集技术
• 3.1 基于正交信号的两个用户协作分集
• 3.1.1 系统模型
• 3.1.2 可靠性分析
• 3.1.3 分集增益及编码增益
• 3.1.4 系统中断概率
• 3.1.5 相位估计偏差条件下基于正交信号的协作分集性能分析
• 3.2 基于链路自适应技术和正交信号的协作分集技术
• 3.2.1 可靠性分析
• 3.2.2 分集增益及编码增益
• 3.3 本章小结
• 第4章 无线网络中的多中继协作分集技术
• 4.1 多中继分步协作分集策略1
• 4.1.1 系统模型
• 4.1.2 SER性能分析
• 4.2 多中继协作分集策略2
• 4.2.1 系统模型
• 4.2.2 SER性能分析
• 4.3 两种策略的比较
• 4.3.1 策略1
• 4.3.2 策略2
• 4.3.3 两种功率分配方式的比较
• 4.4 多中继协作分集策略3
• 4.4.1 系统模型
• 4.4.2 可靠性分析
• 4.4.3 机会中继模型
• 4.4.3.1 机会中继选择策略
• 4.4.3.2 机会中继系统模型
• 4.4.3.3 可靠性分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间完成的论文和参与的科研项目