未来无线网络中协作通信算法研究

论文摘要

无线通信在世界范围内的高速发展促使人们对无线系统提出了更高的业务需求。为了满足多速率多媒体通信的要求,下一代无线系统必须采用更先进的算法和技术,不仅要提高数据速率,还要使系统能确保不同媒体所要求的服务质量。协作通信是近几年发展起来的能够有效对抗衰落,提高频谱效率和通信可靠性的容量增强技术,如今正受到学术界的广泛关注。本论文针对协作通信领域的四个热点问题:协作时机、伙伴选择、协作ARQ和协作频谱感知做了相关研究,进行了详尽的理论分析和仿真验证,并提出了对应的解决方案。论文的主要工作包括三个方面,概括总结如下:1.提出无线局域网中一种支持QoS的协作分集算法。a)根据用户的QoS指标判断是否协作,即按需协作。如果直接发送无法达到业务所需的最低数据速率,源节点将利用伙伴协作发送;反之,由源节点直接发送,若传输失败了,再寻求伙伴协作重传。b)选择能够满足用户QoS需求的伙伴执行协作。无线局域网小区中每个移动站都维护一张数据速率统计表,需要伙伴协作时,搜索该表,选择能够满足相应业务QoS需求的移动站作为自己的伙伴。支持QoS的协作分集算法能够显著改善系统吞吐量和能量效率。2.提出无线Ad hoc网络中协作ARQ机制的改进方案。a)区分协作与非协作数据帧,解决了协作重传过程中出现的ACK/NAK指向不明问题,防止了应答对象的混淆和协作扩散,简化了协作进程的复杂度。b)在节点内部设定业务流优先级,使协作重传的帧总有机会先被发送出去,避免了协作过程中,在同一个协作组内,旧的协作重传尚未结束,新的协作重传就已开始的协作混乱问题。c)采用基于优先级的退避机制,对节点之间相同优先级的业务流进一步区分优先级,选择瞬时信道条件最优的节点重传,使协作重传的过程处于一种“有序”的状态,降低了碰撞概率。改进的协作ARQ机制提高了重传成功率,改善了吞吐量性能。3.提出异构无线网络中基于多用户分集的协作频谱感知策略。a)在整合了TD-SCDMA和WiMAX的异构无线网络中,将WiMAX用户分成若干个簇,选择每个簇内瞬时信道条件最好的WiMAX终端协作检测频谱,有效降低了虚警概率。b)利用软硬结合的判决手段,提高了判决结果传输的可靠性,同时使控制信道的开销和判决算法的复杂度较低。基于多用户分集的协作频谱感知策略保证了频谱感知的准确性,达到了提升频谱利用率和系统吞吐量的目的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 论文的研究背景与研究意义
• 1.2 论文的主要内容与组织结构
• 参考文献
• 第二章 无线网络中的协作通信
• 2.1 引言
• 2.2 协作通信的提出
• 2.2.1 分集技术的基本原理
• 2.2.1.1 分集的独立性要求
• 2.2.1.2 分集的合并准则
• 2.2.2 空间分集技术
• 2.2.2.1 接收分集
• 2.2.2.2 发送分集
• 2.2.3 中继信道模型
• 2.2.4 多输入多输出（MIMO）模型
• 2.2.5 用户间协作技术
• 2.3 协作通信的方法
• 2.3.1 放大转发协作模式
• 2.3.2 解码转发协作模式
• 2.3.3 编码协作模式
• 2.3.4 各种协作方式的性能分析与比较
• 2.3.4.1 差错概率性能分析
• 2.3.4.2 优缺点比较
• 2.4 协作通信的推广与应用
• 2.4.1 协作通信在协议栈各层的推广与应用
• 2.4.1.1 物理层
• 2.4.1.2 媒体接入（MAC）层
• 2.4.1.3 网络层
• 2.4.2 协作通信在各类无线网络中的推广与应用
• 2.4.2.1 集中式网络中的协作通信
• 2.4.2.2 分布式网络中的协作通信
• 2.4.2.3 异构无线网络中的协作通信
• 2.5 本章小结
• 参考文献
• 第三章 无线局域网中具有服务质量保证的协作分集算法
• 3.1 引言
• 3.2 协作时机的相关研究及存在的问题
• 3.2.1 利用部分信道状态信息的协作通信系统模型
• 3.2.2 利用部分信道状态信息的协作通信性能分析
• 3.2.3 协作门限与功率分配的联合优化
• 3.2.3.1 误符号率优化准则
• 3.2.3.2 误符号率与数据速率联合优化准则
• 3.2.4 算法的适用场合与存在的问题
• 3.3 协作分集中的伙伴选择算法
• 3.3.1 基于位置信息的选择方案
• 3.3.2 基于平均SNR的选择方案
• 3.3.3 基于瞬时信道状态的选择方案
• 3.3.4 伙伴选择方案的分析与比较
• 3.4 具有服务质量保证的协作分集算法
• 3.4.1 支持QoS的协作分集算法
• 3.4.2 吞吐量分析
• 3.4.3 功率消耗模型
• 3.4.4 仿真结果与讨论
• 3.5 本章小结
• 参考文献
• 第四章 无线Ad hoc网络中的协作ARQ机制及其改进
• 4.1 引言
• 4.2 协作ARQ的系统模型
• 4.2.1 网络与协议模型
• 4.2.2 衰落信道模型
• 4.2.3 误包率模型
• 4.3 现有的协作ARQ机制及其存在的问题
• 4.3.1 CMAC协议
• 4.3.2 NCSW ARQ协议
• 4.4 改进的协作ARQ机制
• 4.4.1 协作组模型
• 4.4.2 协议改进的基本思想
• 4.4.2.1 区分协作与非协作的数据帧
• 4.4.2.2 在节点内部设定业务流优先级
• 4.4.2.3 对节点之间相同优先级的业务流进一步区分优先级
• 4.5 理论分析与仿真结果
• 4.5.1 碰撞概率分析
• 4.5.2 丢包率分析
• 4.5.2.1 协作ARQ的丢包率
• 4.5.2.2 协作混合ARQ的丢包率
• 4.5.3 分集增益
• 4.5.4 平均吞吐量
• 4.5.5 仿真结果与讨论
• 4.6 本章小结
• 参考文献
• 第五章 异构无线网络中健壮的协作频谱感知技术
• 5.1 引言
• 5.2 频谱感知技术
• 5.2.1 能量检测
• 5.2.2 匹配滤波器检测
• 5.2.3 静态循环特征检测
• 5.2.4 小波检测
• 5.2.5 几种检测技术的优缺点比较
• 5.3 协作频谱感知
• 5.3.1 系统模型
• 5.3.2 性能分析
• 5.3.2.1 通知信道可靠时的性能分析
• 5.3.2.2 通知信道不可靠时的性能分析
• 5.3.3 健壮的协作频谱感知
• 5.3.3.1 基于空间分集的协作频谱感知
• 5.3.3.2 基于中继转发的协作频谱感知
• 5.4 基于多用户分集的协作频谱感知策略
• 5.4.1 研究动机
• 5.4.2 基于多用户分集的协作频谱检测
• 5.4.3 软硬结合的判决方法
• 5.4.4 判决结果传输差错率
• 5.4.5 仿真结果与讨论
• 5.5 本章小结
• 参考文献
• 第六章 结束语
• 6.1 论文的工作总结
• 6.2 下一步研究方向
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 作者攻读学位期间发表的学术论文目录