无线通信平台之协作分集理念探微

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1、无线通信平台之协作分集理念探微第一章绪论1.1研究背景近年来，无线通信发展十分迅速，成为通信领域最为活跃的研究热点之一，大量新标准、新系统不断涌现。之所以受到学者和工业界的广泛关注，是因为无线通信技术快速发展，使得人们随时随地方便快捷地通信成为可能。蜂窝移动通信和无线互联网接入的快速增长使人们对无线通信的未来普遍感到乐观。然而，无线通信又是一个极具挑战性的课题。无线信道中广泛存在多径衰落（multipathfading）、路径损耗（pathloss）和阴影衰落（shadoultiplexing）获得独立的信号通路，以提高数据的传输速率[10]-[13

2、]；也可以将多天线应用于分集合并，以提高传输的可靠性[14]-[19]。采用MIMO技术获得性能增益的代价是安装多个天线所需要的成本、空间和功耗的增加，以及多维信号处理的复杂度的增加。在一些实际的无线通信系统中，比如蜂窝移动通信系统、无线自组织网和无线传感器网络等，由于受到成本、尺寸以及功耗的限制，很难在无线终端上布置多个天线，因此，很难直接应用MIMO技术以获得性能增益。1.2协作分集技术的历史及研究现状协作通信的思想起源于1971年VanDerMeulen在文献[25]中对中继信道（relaychannels）的研究。在该文献中，经典的三节点中继

3、信道模型被首次提出，并且文中分析了中继信道的信道容量界。1979年，关于中继信道的开创性工作由Cover和ElGammal在文献[26]中给出，该文推导了中继信道较紧的信道容量界，文中的诸多结果至今仍未被取代。对中继信道的研究一直持续到上世纪80年代，其中，文献[27]和[28]试图将文献[25]中的单中继模型扩展到多中继的情形，文献[29]推导了半确定中继信道的信道容量。然而，从上世纪80年代初开始，由于理论分析和工程实现上的巨大挑战，人们对中继信道的研究热情开始逐步减退。事实上，在几十年后的今天，中继信道准确的信道容量仍然是一个未知数。在此期间，

4、与中继信道相关的领域取得了重大进展，比如广播信道（BroadcastChannels,BC）[30]-[33]、多址接入信道（MultipleAccessChannels,MAC）[34]-[36]以及多信源编码[37][38]。在中继信道模型中，可以将源节点到中继节点和目的节点的传输看作一个广播信道，而将源节点和中继节点到目的节点的传输看作一个多址接入信道。此外，因为中继节点发送的信息与源节点发送的信息是相关的，所以中继信道问题与多信源编码问题也有着密切的关系。因此，在上述领域取得的成果可以帮助人们更好地理解中继信道。特别地，文献[39]指出中继和

5、协作通信可以看作多址接入信道的特例，因为中继节点发送的信息可以看作是通过反馈得到的数据。以上提到的文献为近年来这些领域的进展[40]-[43]打下了坚实的基础，并且也使得人们对中继信道的认识更进了一步[44]-[47]。第二章基于重复码的ADF协作方案2.1引言在协作通信系统中，基于重复码的译码转发（DF）协议[23]是一种简单且常用的中继转发协议。在DF协作系统中，中继节点先将接收到的源节点的信息进行解码，然后再重新编码并转发给目的节点。DF协议可以进一步分为两类[104]-[106][112]，即固定式译码转发（FixedDecode-and-F

6、oreErrorRate,FER）以及功率分配的影响。但是，文中得到的误帧率的表达式是基于数值积分的，并且仅仅在高信噪比（Signal-to-NoiseRatio,SNR）范围内比较精确。此外，文中并未得到最优功率分配（OPA）相对于平均功率分配（EPA）的信噪比增益的闭式表达式。因此，有必要对这些问题进行进一步的研究，以方便协作系统设计。2.2系统模型考虑一个无编码的基于ADF协议的单中继协作通信系统。如图2.1所示，源节点S在单中继节点R的帮助下与目的节点D进行通信，源节点S和目的节点D之间存在直传信道。每个节点均装备单天线并且工作在时分双工模式

7、下。为了更符合实际，我们假设信息的传递并非通过逐符号传输，而是通过逐帧传输来实现。假设所有的信道经历相互独立且不同分布的（IndependentandNon-identicallydistributed,I.NI.D）准静态平坦Rayleigh衰落。具体来说，信道衰落系数在一帧内保持不变，但是在帧与帧之间独立变化。特别地，节点i到节点j之间的信道衰落系数用ijh表示，ijh服从均值为0，方差为ijΩ的复高斯分布，其中，i∈{S,R}，j∈{R,D}并且i≠j。假设每个节点处的噪声为均值为0，方差为0N的加性高斯白

8、噪声（Additive）的协作方案[109]-[111]，即先将用户的本地信息和伙伴的信息分别安放在二维QA