无线双向中继网络的研究

论文摘要

网络编码的诞生和发展引发了无线网络传输的下一代革命,其—个典型应用场景为无线双向中继网络。通过在中继节点的网络编码处理,无线双向中继能充分地利用边信息（side information）,在扩大无线传输的覆盖范围的同时能够有效地解决无线传输的频谱效率。因此,近年来无线双向中继网络备受学术界和工业界的广泛关注。本论文以无线双向中继网络为载体,对其基于网络编码的传输策略,系统容量,无线资源分配以及在软件无线电平台上的实现等问题进行了深入而全面的研究。论文的主要工作和创新之处在于：1.无线双向中继网络的物理层网络编码研究首先,论文在分析无线双向中继网络的特点的基础上,指出目前一些物理层网络编码机制存在的问题,并提出了一种基于联合调制的解码转发机制（DF-JM）的物理层网络编码策略。基于该机制,论文深入分析无线双向中继网络端到端的误码率,进而提出基于该误码率最小化的中继节点星座图标识映射的优化准则以及设计方法。其次,根据边信息的利用方式,本文提出基于联合调制机制的两种编码调制方式。当边信息被利用在中继节点的调制以及目的节点的解调模块上,称之为独立LDPC机制。当已有信息被直接应用到LDPC的编码和译码模块上,称之为联合LDPC机制。在独立LDPC机制中,论文推导出在目的节点利用边信息情况下的基于离散星座图的信道容量,从而提出基于该信道容量最大化的中继节点星座图标识映射标准,并给出了QPSK,8PSK以及16QAM星座图的最优标识映射。基于联合LDPC的联合调制机制显著的特点就是已有信息在编码和译码端的应用增加编码冗余度,从而更有效地保护信息比特。论文提出了该机制在中继节点进行联合两源信息比特的LDPC编码架构以及在目的节点利用边的LDPC译码架构；并基于总和乘积算法,提出一种利用边信息进行迭代译码算法。2.无线双向中继网络的容量分析本论文在深入分析单中继节点的无线双向中继网络的容量基础上,将其扩展到多中继节点网络,推导出多中继节点下的无线双向中继网络的容量上界,并推导出不同网络编码机制下的可达速率,比如放大转发机制（AF）,解码转发机制（DF）以及压缩转发机制（CF）。最后考虑高斯信道,推导出容量上界值以及不同机制下的可达速率。3.无线双向中继网络的资源分配考虑单中继节点模型,论文首先针对非对称信道提出了一种基于QoS最小传输速率限制下无线资源最优化分配模型,并利用优化方法分别解决了基于DF-JM机制和联合网络叠加码（DF-NSC）机制的时隙和功率的联合最优化分配问题,并在理论上证明了在资源的最优化分配后,DF-JM机制的端到端可达速率优于DF-NSC机制。考虑多中继节点模型,基于解码转发机制,论文对多中继节点的无线双向中继网络的中继节点选择机制进行研究,提出了两种中继节点选择机制：时隙最优分配下最大化系统传输速率的单中继选择机制和双中继选择机制。同时,为了减少中继选择算法的复杂度,提出基于上述机制的次优选择算法。研究表明：当中继节点的发射功率低于源节点的发射功率时,单中继选择机制性能最优；而当中继节点的发射功率高于源节点的发射功率时,双中继选择机制性能最优。4.无线双向中继网络的软件无线电验证平台针对无线双向中继网络的实现问题,论文通过一种新型的软件无线电平台Sora,搭建了无线双向中继网络平台,验证了基于DF-JM的独立LDPC机制的无线双向中继传输性能。论文给出了在Sora上实现该平台的一些物理层模块的实现方法以及发送端和接收端的流程。基于该平台,仿真表明：对比格雷码映射,基于最优化的星座图标识映射的DF-JM机制具有28.73%的吞吐量增益：同时还表明当信道状况质量比较差（SNR<7dB）,采用格雷码映射的DF-JM机制的在吞吐量性能低于传统的四阶段无线双向中继网络。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 图目录
• 表目录
• 第1章 绪论
• 1.1 论文研究背景
• 1.2 无线双向中继网络研究现状
• 1.3 论文的主要内容及创新
• 1.4 论文组织结构
• 参考文献
• 第2章 无线双向中继网络的物理层网络编码研究
• 2.1 系统模型
• 2.2 相关研究现状以及存在的问题
• 2.2.1 相关研究
• 2.2.2 存在的问题
• 2.3 基于联合调制的解码转发机制（DF-JM）
• 2.3.1 DF-JM基本思想
• 2.3.2 基于DF-JM机制的无线中继网络性能分析
• 2.3.2.1. MAC阶段:中继节点的误码率
• 2.3.2.2. BCSI阶段:端到端误码率
• 2.3.3 仿真结果分析
• 2.4 无线双向中继网络中编码调制机制
• 2.4.1 研究背景
• 2.4.2 无线双向中继网络模型
• 2.4.3 独立LDPC机制
• 2.4.4 联合LDPC机制
• 2.4.4.1. 中继节点联合LDPC编码
• 2.4.4.2. 目的节点基于已有信息下的LDPC译码
• 2.4.5 仿真分析与讨论
• 2.5 本章总结
• 参考文献
• 第3章 多中继节点无线双向中继网络的容量研究
• 3.1 网络信息论基础
• 3.1.1 多址接入信道
• 3.1.2 中继信道
• 3.1.3 广播信道
• 3.2 单中继节点的无线双向中继网络的容量
• 3.2.1 无线双向中继网络容量上界
• 3.2.2 解码转发的无线双向中继网络
• 3.2.3 无解码转发的无线双向中继网络
• 3.2.3.1. 基于AF机制的容量
• 3.2.3.2. 基于CF机制的容量
• 3.2.3.3. 基于Lattice coding机制的容量
• 3.3 多中继节点的无线双向中继网络的容量
• 3.3.1 多中继节点无线双向中继网络系统模型
• 3.3.2 无线双向中继网络容量上界
• 3.3.3 基于AF机制的容量
• 3.3.4 基于DF机制的容量
• 3.3.5 基于CF机制的容量
• 3.3.6 数值仿真分析
• 3.4 本章总结
• 参考文献
• 第4章 无线双向中继网络的资源分配研究
• 4.1 基于DF机制的无线双向非对称信道中继网络资源分配
• 4.1.1 研究背景
• 4.1.2 系统模型以及问题建模
• 4.1.2.1. 系统模型
• 4.1.2.2. 问题建模
• 4.1.3 资源最优化分配以及分析
• 4.1.3.1. 基于DF-JM机制的资源分配
• 4.1.3.2. 基于DF-NSC机制的资源分配
• 4.1.3.3. 可达速率分析
• 4.1.4 仿真分析及讨论
• 4.2 多中继节点无线双向中继网络资源分配
• 4.2.1 研究背景
• 4.2.2 时隙最优分配下最大化系统传输速率的单中继节点选择机制
• 4.2.3 时隙最优分配下最大化系统传输速率的双中继节点选择机制
• 4.2.4 仿真分析与讨论
• 4.3 本章总结
• 参考文献
• 第5章 基于软件无线电的无线双向中继网络仿真
• 5.1 软件无线电的基本结构
• 5.2 一种新型的软件无线电的平台:Sora
• 5.3 基于Sora平台的无线双向中继网络的实现
• 5.3.1 物理层的基本技术与实现
• 5.3.1.1. ADR的物理层结构
• 5.3.1.2. 无线双向中继网络的物理层及其在Sora平台上的实现
• 5.3.2 无线双向中继网络的实现
• 5.3.2.1. 发送端
• 5.3.2.2. 接收端
• 5.3.3 仿真结果与分析
• 5.4 本章总结
• 参考文献
• 第6章 总结与展望
• 6.1 论文总结
• 6.2 未来研究展望
• 附录1 定理3-6（3.3.6节）的证明
• 符号说明
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的学术论文