高频谱效率协作中继技术研究

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1、西北工业大学博士学位论文（学位研究生）题目：高频谱效率协作中继技术研究作者：范捷学科专业：信息与通信工程指导教师：张会生教授2017年8月Title:ResearchonCooperativeRelayingWithHighSpectralEfficiencyByFanJieUndertheSupervisionofProfessorZhangHuishengADissertationSubmittedtoNorthwesternPolytechnicalUniversityInpartialfulfillmentoft

2、herequirementForthedegreeofDoctorofInformationandCommunicationEngineeringXi’anP.R.ChinaAugust2017摘要摘要随着无线数据流量的爆炸性增长以及新业务和应用场景的不断出现，如何提高频谱效率，利用有限的频谱资源支持更高的数据速率和海量的设备连接成为未来无线通信面临的核心问题。协作中继技术在扩大无线通信覆盖范围和提高系统可靠性等方面拥有巨大优势，但与直接传输相比，传统的半双工（Half-Duplex,HD）协作通信带来了频谱效率的损失。

3、因此，一些先进的高频谱效率协作中继技术成为当前无线通信领域的研究热点，主要包括双路中继（Two-PathRelaying,TPR）、全双工（Full-Duplex,FD）中继和双向中继（Two-WayRelaying,TWR）。大多数现有的高频效协作中继方法采用相干检测，需要瞬时信道状态信息（ChannelStateInformation,CSI）。然而，在信道环境变化迅速或传输时延较大等情况下，很难获得准确的瞬时CSI。本文基于差分调制和非相干检测，提出了一系列不需要瞬时CSI的高频谱效率协作中继方法。本文的主要创新点

4、有以下三点。1.提出了一种去噪转发（Denoise-and-Forward,DNF）TPR（DNF-TPR）方法，并进行理论分析。两个HD中继交替接收和发送以形成虚拟FD中继，在瞬时CSI未知的情况下，中继通过一个非相干最大似然（MaximumLikelihood,ML）译码器将接收到的来自源节点和另一个中继的叠加信号映射成一个去噪符号，目的节点利用上一个时隙收到的去噪符号来消除当前时隙接收信号中的中继间干扰。推导了DNF-TPR的端到端误比特率（BitErrorRate,BER）的闭合表达式和分集增益。仿真结果验证了理

5、论分析的结论，并表明，DNF-TPR的BER性能和频谱效率都优于残余自干扰（ResidualSelf-Interference,RSI）超过特定值（将近8dB）的FD中继。与HD中继选择方法相比，DNF-TPR方法显著提高了系统的频谱效率。2.提出了一种FD分布式天线译码转发中继（Full-DuplexDistributedAntennaRelaying,FDDAR）方法，并进行理论分析。该方法在瞬时CSI未知的情况下，根据ML准则为采用分布式天线的中继设计了一个非相干译码器，从接收到的叠加了自干扰的源节点信号中得到源节

6、点的发送信息，避免了经典FD中继系统性能依赖于RSI等级的问题。推导了FDDAR的端到端BER的闭合表达式。仿真结果验证了理论分析的结论，并表明，FDDAR的BER性能和频谱效率都优于RSI超过特定值（将近6dB）的FD中继。与HD中继方法相比，FDDAR方法显著提高了系统的频谱效率。3.提出了FD模式下基于DNF方式的TWR（FD-DNF-TWR）方法和二时隙FD模式分布式天线（Full-DuplexDistributedAntenna,FDDA）译码转发TWR（FDDA-TWR）方法，并进行理论分析。FD-DNF-T

7、WR方法中，两个源节点向中继发送信息，在瞬时CSI未知的情况下，中继通过一个非相干ML译码器从存在RSI的两个源节点的叠加信号中产生共同信息，同时中继将上一个时隙产生的共同信息转发给两个源节点，两个源I西北工业大学博士学位论文节点能够根据该共同信息和自己的信息得到另一个源节点的发送信息。FDDA-TWR方法中，一个源节点在奇数时隙与中继交换信息，另一个源节点在偶数时隙与中继交换信息，在瞬时CSI未知的情况下，采用分布式天线的源节点和中继分别通过非相干ML译码器从有用信息与自干扰的叠加信号中提取有用信息，避免了FD-DNF

8、-TWR中存在回传自干扰和RSI的问题。推导了FD-DNF-TWR和FDDA-TWR的端到端BER的闭合表达式。仿真结果验证了理论分析的结论，并表明，与HD模式下基于DNF的TWR（DNF-TWR）方法相比，FD-DNF-TWR获得了相近的BER性能，并进一步提高了系统的频谱效率。FDDA-TWR的BER性能和频谱效