（信号与信息处理专业论文）基于nakagamim模型的协同中继性能分析与增强技术研究.pdf

1 掣愀匙必y 1 7 6 0 5 9 3 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：绦益：么日期：塑坦：笸：! i 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：篓k 丛垒 日期：型! ! ：生：12 导师签名：毛为彩嚷l 一 日期：j 洋涵k l 卜 co o p e r a t i v er e l a yp e r f o r m a n c ea n a l y s i sa n d e n h a n c e dt e c h n o l o g yr e s e a r c ho v e r n a k a g a m i mf a d i n gm o d e l ad i s s e r t a t i o n s u b m i t t e dt ot h ef a u l t yo ft h eg r a d u a t es c h o o lo f b e i j i n gu n i v e r s i t yo fp o s t sa n dt e l e c o m m u n i c a t i o n s b y z h u s o n g f o rt h ed e g r e eo f d o c t o ro fp h i l o s o p h yi n s i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g p r o f w e n b ow a n g ，p h d a d v i s o r b e i j i n g ，c h i n a a p m l2 0 1 0 基于n a k a g a m i m 模型的协同中继性能分析与增强技术研究 摘要 协同中继技术能够实现未来无线通信系统的高速数据传输，使无 论处于离基站近还是离基站远的用户都能获得一样的服务质量，同时 能够扩展基站覆盖范围，实现多种无线网络的融合。 分析无线协同中继技术对无线通信系统带来的性能增益是无线 协同技术研究的一个重要课题。本文首先对协同中继信道进行建模， 研究了几种协同中继信道的容量，分析得到了功率配置，中继位置， 中继数量等各种因素对信道容量上界的影响。 已有研究大都基于较为简单的瑞利( r a y l e i g h ) 衰落模型对协同 中继技术在衰落信道中的性能分析，无法应用较为复杂的实际衰落信 道。在实际的无线环境中，n a k a g a m i m 分布能够更好表征信道的衰 落特性，同时体现出多种不同的信道衰落情况。基于n a k a g a m i m 衰 落模型，利用矩母函数和拉普拉斯逆变换方法，本文分析了放大转发 中继协议与解码转发中继协议的中断性能，得到了多种因素以及不同 适用场景对两种中继协议中断性能的影响。 异构协同中继技术能够使不同的异构无线网络协同工作，针对异 构无线协同中继信道的特点，本文提出一种异构协同中继信道模型， 对异构协同中继信道的容量进行了分析，并与同构协同中继信道的容 量进行比较，揭示两种不同中继信道各自具有的特点以及适用的场 景。基于n a k a g a m i m 衰落模型，分析了异构协同中继信道的中断性 能，并与同构协同中继信道进行比较，深入研究了异构与同构协同中 继信道各自的特点以及中断概率性能上的差异，得到不同场景下中继 数量的配置对中断概率性能产生的影响。 考虑反馈信道受限的场景，本文提出一种可以适用于反馈信道受 限情况下的自适应转发中继协议。利用矩母函数和拉普拉斯逆变换的 方法，分析了该协议在n a k g a m i m 衰落信道下的中断概率性能，得 到了其中断概率的近似表达式，并与现有的解码转发中继协议和放大 转发中继协议进行比较，分析其适用场景。本文还进一步分析了工作 中继数量对系统性能所造成的影响，证明了该协议的优势和特性。 针对无线广播系统的特点，本文提出了一种采用叠加码技术的分 级协同广播系统模型。分析了采用叠加码技术的协同中继系统的性能 以及影响其性能的各项参数，并详细分析了各项参数对系统性能的影 响。同时，基于n a k a g a m i m 衰落模型，对采用叠加码技术的协同中 继系统的中断性能进行了深入分析，得到了中继与用户位置，功率配 置等对系统中断概率的影响。 关键词：协同中继容量中断概率n a k a g a m i m 模型解码转发中继 放大转发中继异构自适应转发中继叠加码 c o o p e r a t i v er e l a yp e r f o r m a n c ea n a l y s i sa n de n h a n c e d t e c h n o l o g yr e s e a r c ho v e rn a k a g a m i mf a d i n gm o d e l a b s t r a c t c o o p e r a t i o nt e c h n o l o g y h a sb e e n p r o p o s e d t oa c h i e v e h i g h t r a n s m i s s i o nr a t ea n de n h a n c e r e l i a b i l i t y i nt h ef u t u r ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e m i tc a np r o v i d eas t a b l eq u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) a n dt r a n s m i s s i o nr a t ew h e t h e rt h eu s e r sa r ei nt h ec e n t e ro rt h ee d g eo ft h e c e l l t h ee x p a n s i o no ft h eb s ( b a s es t a t i o n ) c o v e r a g ea n dt h ei n t e r g r a t i o n o fm u l t i p l ew i r e l e s sn e t w o r k sc a nb eo b t a i n e do b v i o u s l yv i ac o o p e r a t i o n t e c h n o l o g y , w h i c hi sg e n e r a l l yb e t t e rt h a no t h e rt e c h n o l o g i e s ： t h eg a i ne v a l u a t i o no fc o o p e r a t i v er e l a yt e c h n o l o g yp e r f o r m a n c ei s a ni m p o r t a n tt o p i c t h e c o o p e r a t i v em u l t i - r e l a yc h a n n e l m o d e li s p r o p o s e d t h ec a p a c i t yo fs e v e r a lr e l a yp r o t o c o l s i sa n a l y z e da n dt h e f a c t o r sw h i c hi m p a c tt h e c a p a c i t yu p p e rb o u n da r e o b t a i n e d t h e s e f a c t o r si n c l u d ep o w e ra l l o c a t i o ns c h e m e ，t h el o c a t i o na n da m o u n to f r e l a y s ，e t c t h ef o r m e rr e s e a r c h e so fr e l a yo u t a g ep e r f o r m a n c ea r ee x p l o i t e d r a y l e i g hf a d i n gm o d e l b u tt h en a k a g a m i md i s t r i b u t i o n i sa b l et o c h a r a c t e r i z et h ef a d i n gc h a n n e lc h a r a c t e r i s t i c sb e t t e rt h a nr a y l e i g hf a d i n g m o d e li na c t u a l w i r e l e s se n v i r o n m e n t t h e o u t a g ep r o b a b i l i t y p e r f o r m a n c eo fd e c o d e d a n d f o r w a r d ( d f ) a n da m p l i f y - a n d - f o r w a r d ( a f ) r e l a yp r o t o c o l si sa n a l y z e du t i l i z i n gm o m e n tg e n e r a t i n gf u n c t i o n ( m g f ) a n di n v e r s el a p l a c et r a n s f o r mo v e rn a k a g a m i mf a d i n gc h a n n e l ，a n dt h e a s y m p t o t i ce x p r e s s i o n so fo u t a g ep r o b a b i l i t yi sd e r i v e d t h ea p p l i c a t i o n s c e n a r i o so fd fa n da fp r o t o c o la r ea c q u i r e d t h eh e t e r o g e n e o u sc o o p e r a t i v er e l a yt e c h n o l o g yc a ni n t e g r a t e v 锄o u s w l r e l e s s n e t w o r k s c o n s i d e r i n g t h e c h a r a c t e r i s t i c so f n e t e r o g e n e o u sc o o p e r a t i v er e l a yc h a n n e l ，t h eh e t e r o g e n e o u s c o o p e r a t i v e r e i a yc h a n n e lm o d e l sa r ep r e s e n t e d at h e o r e t i c a la n a l y s i so n t h ec a p a c i t y o ft h e h e t e r o g e n e o u sc o o p e r a t i v e r e l a yc h a n n e li s g i v e n ， a n di ti s c o m p a r e dw i t h h o m o g e n o u sc o o p e r a t i v e r e l a yc h a n n e l ，i no r d e rt o e j a b o r a t et h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f t h et w od i f f e r e n tr e l a y c n a n n e l s ，a sw e l ja st h ea p p l i c a b l e s c e n a r i o s an u m e r i c a le x 绷p l ei s g l v e nt od e s c r i b eh o wt h e p o w e rd i s t r i b u t i o na n dt h e1 0 c a t i o no f t h er e l a y l m p a c to nt h ec a p a c i t yo ft h er e l a y c h a n n e l t h eo u t a g ep r o b a b i l i w p e r f o r m a n c eo fh e t e r o g e n e o u s c o o p e r a t i v er e l a yi s a n a l y z e do v e r n a k a g a m i 。mf a d i n gm o d e l t h ei m p a c to f r e l a ya r l l o u n to nt h eo u t a g e p e r f o n n a n i nd i f f e r e n ts c e n a r i o sa n d d i s t i n g u i s ht h ed i f f e r e n c e so f h e t e r o g e n e o u sa n dh o m o g e n e o u s s y s t e m s a n a d a p t i v e - f o r w a r dr e l a yp r o t o c o li sp r o p o s e d c o n s i d e r i n gt h el a c k o ff e e d b a c k a n n e l s i t u a t i o n t h eo u t a g ep r o b a b i l i t y p e r f o m i a n c eo ft h i s p r o t o c o li sa n a l y z e du t i l i z i n gm o m e n tg e n e r a t i n gf u n c t i o na n di n v e r s e l a p i a c et r a n s f o 册i nf a d i n gc h a n n e l ，a n dt h e a s y m p t o t i ce x p r e s s i o n so f o u t a g ep r o b a b i l i t yi sd e r i v e d i ti sc o m p a r e dw i t ht h ei n f o r m e dd f a n d 舢r e l a yp r o t o c o l s - a n dt h ea p p l i c a t i o ns c e n a r i o so f t h e s er e l a yp r o t o c 0 1 s a r ea c q u i r e d t h e i m p a c to fr e l a y sa m o u n to nt h es y s t e mp e 墒n 1 1 a n c e a r e t u n h e r a n a j y z e n d a c c o r d i n g t o t h e s e r e s u l t s ，t h e a d v a l l t a g e sa n d c h a r a c t e r i s t i c so ft h i sp r o t o c o la r ec o n 矗n n e d ah i e r a r c h i c a l c o o p e r a t i v eb r o a d c a s t s y s t e mm o d e lw j t h s u p e r p o s l t l o n c o d i n gi sp r o p o s e d a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so f w i r e l e s sb r o a d c a l s ts y s t e m t h ep e r f o r m a n c eo f c o o p e 例- i v er e l a ys y s t e m a d o p o t e ds u p e r p o s i t i o nc o d i n gi s a n a l y z e d a n dt h ei m p a c t so fs y s t e m p a l r a i n e t e ro nt h es y s t e mp e r f o r m a n c ea r ef u r t h e r 觚a l y z e d t h e o u t a g e p e n o m a n c eo fc o o p e r a t i v er e l a ys y s t e ma d o p o t e d s u p e r p o s i t i o nc o d i n g o v e rn a k a g 猢i - mf a d i n gm o d e li s f u t h e ra n a l y z e da n dm ea s y m p t o t i c -jiiijlffjjfffjfff e x p r e s s i o n so fo u t a g ep r o b a b i l i t yi sd e r i v e d t h ei m p a c to fr e l a yl o c a t i o n a n dt h ep o w e ra l l o c a t i o ns c h e m eo nt h eo u t a g ep e r f o r m a n c ei sg i v e n 。 k e yw o r d s ：c o o p e r a t i v er e l a y , c a p a c i t y , o u t a g e p r o b a b i l i t y , n a k a g a m i mf a d i n g m o d e l ，d e c o d e d a n d - f o r w a r d r e l a y , a m p l i f y - a n d f o r w a r dr e l a y , h e t e r o g e n e o u s ，a d a p t i v e - f o r w a r dr e l a y , s u p e r p o s i t i o nc o d i n g 北京邮电大学博上学位论文目录 第一章绪论 目录 l 1 1协同中继技术的发展2 1 2 n a k a g a m i m 衰落模型。4 1 3 异构协同中继技术。5 1 4 自适应转发中继协议7 1 5 采用叠加码的分级协同广播系统7 1 6 本文的结构安排和成果8 第二章协同中继容量分析 2 1网络信息论相关知识1 0 2 1 1 最大溺- 最小韵定理1 0 2 ，2 蔚粥鳓锲乞入露氯茧j j 2 j 3 扇粥- 广播菇羲澎门 2 2 协同中继信道容量1 4 2 2 j三7 箩j 点雠五妻澎j 4 2 2 2 童罗移篇矽继石澎2 5 2 2 3 乡矽有磅：彰易局手继露享道j 彳 2 3 本章总结3 7 第三章基于n a l 认g 蝴i - m 模型的协同中继信道中断概率分析3 8 3 1 矩母函数与托普拉斯变换及逆变换3 8 i ，j 矩母厨线3 8 3 1 2 拉普拉斯交换及其逆变换3 9 3 2系统模型4 0 3 3 解码转发中继中断概率分析4 1 3 4 放大转发中继中断概率分析4 4 3 5数值与仿真分析4 7 3 6 本章总结5 3 第四章异构协同中继性能分析 4 1异构协同中继技术简介5 5 4 2 异构协同容量研究5 7 4 2 1莠绕湾g 型5 7 4 2 2 芬拗猡f 船 4 2 3 露气菖分荔f 6 ， 4 2 4 缮趁6 5 4 3 基于n a k a g a m ! m 模型的异构协同中继信道的中断概率研究6 5 4 3 ， 莠绣荔蓑型6 6 4 3 2 手筋彻荦分痧f 一6 7 4 3 3 裁店撕一7 ， 4 3 4 霹争趁7 7 北京邮电大学博士学位论文 目录 4 4本章总结7 7 第五章自适应转发中继协议 5 1 协议模型7 8 5 2基于n a k a g a m l m 模型的中断概率分析8 l 5 3 仿真结果与数值分析8 7 5 4本章总结9 l 第六章采用叠加码的分级协同广播系统 6 1 系统模型9 2 6 2 采用叠加码的分级协同广播系统设计9 4 6 2 1 6 2 2 6 2 3 6 3 6 3 1 6 2 6 3 3 力蓁发萨舛 列咨缸鏖争榘一9 9 缮礁1 0 2 采用叠加码的分级协同广播系统中断性能分析。1 0 3 掀的手蜥解攀分析1 0 3 用户处的中断概率分析1 0 6 仿真s 数值分析结果n l 6 4 本章总结1 1 5 第七章总结与展望 1 1 6 7 1本论文总结1 1 6 7 2 进一步工作展望。l i 7 参考文献 攻读博士学位期间发表的学术论文及申请专利目录 1 1 8 1 2 4 1 2 5 北京邮电大学博l ：学位论文 目录 图目录 图1 1 用户协同示意图4 图1 2 基于异构协同机理的多尼线接入网络结构一6 图1 3 广播信道示意图8 图2 1 最大流最小割示意图l l 图2 2 高斯多址接入信道示意图“ 图2 3 广播信道示意图1 2 图2 - 4 高斯可退化广播信道1 3 图2 5 三节点中继信道模型1 4 图2 - 6 可退化中继信道模型l5 图2 7s _ ( 尼d ) ，( s ，r ) - d 半双工中继方法1 7 图2 8s ( 兄，d ) ，r d 半双工中继方法1 7 图2 - 9s _ 尺，( s ，r ) _ d 半双t 中继方法18 图2 1 0s r 。r _ d 半双工中继方法18 图2 1l 解码转发传输机制1 9 图2 1 2 三节点高斯解码转发中继信道模型2 0 图2 1 3 放大转发传输机制2 l 图2 1 4 三节点高斯放大转发中继信道模型2 2 图2 1 5 双中继节点中继信道模型2 6 图2 1 6 双中继节点中继信道子集2 7 图2 1 7 弱割集原理图2 8 图2 1 8 中继选择不同码本时广播信道容量c ，以及多址接入信道容量c ，与发射功率 凡，以及2 关系3 2 图2 1 9 中继选择相同码本时广播信道容量c ，以及多址接入信道容量c 与发射功率只 关系一3 2 图2 2 0 中继选择不同码本时双中继信道容量与发射功率凡，以及p 幻关系：3 3 图2 2 l 中继选择相同码本时双中继信道容量与发射功率只关系3 3 图2 2 2 多节点高斯协同中继信道模型一3 5 图3 1n a k a g a m i m 衰落协同中继信道模型4 0 图3 2m = lr a - - od b 时a f 与d f 中断概率比较4 9 图3 3m = 2r a = 0d b 时a f 与d f 中断概率比较4 9 图3 4m - - 4r a = 0d b 时a f 与d f 中断概率比较5 0 图3 5m = lr a = 3d b 时a f 与d f 中断概率比较一5 0 图3 6m = 2r a = 3d b 时a f 与d f 中断概率比较。5l 图3 7m - - 4r a = 3d b 时a f 与d f 中断概率比较。5l 图3 8m = lr a = 3d b 时a f 与d f 中断概率比较5 2 图3 9m = 2 忍萨3d b 时a f 与d f 中断概率比较5 2 图3 1 0m = 4r a - - - 3d b 时a f 与d f 中断概率比较。5 3 图4 1 异构协同中继信道的模型5 8 图4 2 同步十分精确的上行协同中继信道容量比较6 2 图4 3 采用空时码时的上行协同中继信道容量比较6 3 图4 4 同步十分精确的下行协同中继信道容量比较6 3 图4 5 采用空时码时的下行协同中继信道容量比较6 4 i h 北京邮电大学博：i ：学位论文 目录 图4 6 中继位置与协同中继信道容量的关系一“ 图4 7m = l 下行协i 一中继信道中断概率7 2 图4 8m = 2 下行协同中继信道中断概率7 3 图4 9m = 3 下行协l j 中继信道中断概率7 3 图4 1 0m = 4 下行协同中继信道中断概率7 4 图4 1 lm = l 上行协同中继信道中断概率7 4 图4 1 2m = 2 上行协同中继信道中断概率7 5 图4 - 1 3m = 3 上行协同中继信道中断概率7 5 图4 - 1 4m = 4 上行协同中继信道中断概率7 6 图5 1 一种协同中继协议模型。7 9 图5 2 自适应解码转发中继工作流程8 0 图5 3m = l 中断概率性能曲线8 9 图5 4m = 2 中断概率性能曲线9 0 图5 5m f f i 3 中断概率性能曲线9 0 图6 1 采用叠加码技术的无线广播协同系统示意图9 3 图6 2 每个中继覆盖区域1 0 0 图6 3 中继位置与用户平均速率关系曲线1 0 0 图6 4 中继位置与基本流速率关系曲线1 0 l 图6 5 中继位置与增强流速率关系曲线1 0 2 图6 - 6 中继位置与增强流覆盖区域关系曲线1 0 2 图6 - 7 r b = l b p s h zq = 0 9 ，口= 0 8 。1 1 3 图6 8r b = 1 3 b p s h z q = 0 9 ，口= 0 9 11 3 图6 9r b = 1 5 b p s h z 口= 0 9 5 ，口= 0 9 11 4 图6 1 0 如= 1 4 b p s h za = 0 9 ，口= 0 9 1 1 4 i v 北京邮电大学博i ：论文第一章绪论 第一章绪论 随着无线技术以及多媒体技术的快速发展，用户希望未来无线通信系统能够 支持更加丰富的业务，如因特网接入、视频点播、广播电视等。这就要求未来的 无线通信系统能够支持更高的传输速率，使得系统需要面对更为严重的功耗问 题，无线网络的覆盖问题也随之出现。同时，由于无线频谱资源的有限性，较低 频段的频谱资源目前已非常紧张，未来的无线通信系统将不得不采用较高频段的 频谱资源。在非可视距条件下，这些频段的传播性能较差，会造成网络的覆盖范 围进一步下降。 为了解决这些问题，传统的无线通信系统可以采用加大基站的分布密度的方 法，如小区分裂技术、微微小区( p i c o c e l l ) 覆盖等。但这些方法会大大提高系 统的部署成本，在用户数量无法随之大量增加的情况下，运营商将无法接受。同 时，运营商也更希望下一代的无线通信系统能够更易于加载各类新业务、融合各 种新技术，而无需频繁地进行系统结构和设备的变动。这些需求使得传统的蜂窝 组网模式面临着前所为有的挑战。 而协同中继技术能够保证高速数据传输，保证无论处于离基站近还是离基站 远的用户都能获得一样的业务和服务质量，扩展基站覆盖范围和不大幅度增加基 站处的控制和管理复杂度。同时，由于中继站相对基站成本低廉，能够有效控制 部署成本，并可以有效利用现有的无线网络资源，实现多种无线网络的融合。正 是由于协同中继技术具有上述特点，目前越来越受到业界的重视，已经作为 l t e a d v a n c e d 的关键候选技术之一广泛被讨论。 评估无线协同中继技术为无线通信系统带来的性能增益是无线协同研究中 的一个重要课题。需要对协同中继信道进行建模，分析协同中继信道容量，获得 功率配置、中继位置、中继数量等各种因素对信道容量上界的影响。 目前对协同中继中断性能的研究多是基于瑞利衰落模型进行的，这种模型较 为简单，虽然能够对一些情况下信号通过衰落信道之后的包络进行建模，但无法 表征更为一般的情况。n a k a g a m i m 衰落模型作为一种通用衰落信道模型，能够 较好地表征无线信号在实际环境中的传播衰落特性。基于n a k a g a m i m 衰落模型 对无线协同中继的中断性能进行分析，对于协同中继技术在未来无线通信系统的 使用具有重要意义。 在同构协同中继技术中，由于中继链路和基站以及终端链路所使用的无线资 源需要区分，还需要重新定义和设计无线空中接口和帧结构，使得协同通信的应 用面临一些问题。而异构协同中继技术能够能够解决上述问题之外，还能实现多 j 匕京邮电大学博士论文第一章绪论 种无线网络的协同工作，获得单一无线网络或者技术所不具有的能力。 同时，无线协同中继技术在实际应用中存在一些问题，如某些场景下频谱利 用率较低、反馈信道受限时性能较差、中继的配置对系统性能影响等。解决这些 问题对未来无线协同中继技术的应用显得十分重要。 1 1 协同中继技术的发展 无线中继信道的基本思想最初是由v a nd e rm e u l e n 在参考文献【l 】中提出， 该文献证明了中继技术能够提高频谱利用率，增强无线网络的可靠性。c o v e r 和 g a m a l 随后对协同中继信道的信息论特性进行了深入的研究【2 】。该参考文献分析 了三节点中继网络( 一个源节点、一个目的节点和一个中继节点) 的容量。利用 网络信息论的相关结论，将协同中继信道划分为一个广播信道( 从源节点来看) 和一个多址接入信道( 从目的节点来看) 。在此基础之上，该参考文献进一步研 究了几种情况下的中继信道容量界，在理论上证明了协同中继技术具有的优势， 奠定了协同中继技术的理论基础，促进了协同通信的发展。 近年来，人们对数据传输的速率要求越来越高，为了能够进一步提高无线频 谱利用率，m i m o ( m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ) 技术得到了极大的发展( 参 考文献【1 1 】) ，并已经得到了部分应用。m i m o 技术是使用多根发射天线和多根 接收天线进行数据传输的技术。该技术能够利用多径传播环境，提高传输性能： 一方面可以利用空间复用增益来提高传输速率，另一方面利用空间分集增益来有 效消除无线信道多径、时变衰落的影响，提高信号传输的可靠性，降低误码率， 参考文献【1 2 】对多天线系统中的分集与复用折中算法进行了深入研。这种能够极 大提高无线通信系统频谱利用率的技术已成为现代通信中最重要的技术之一。但 是，考虑到无线设备，尤其是终端设备受到尺寸、功率以及硬件复杂度等多方面 因素的制约，m i m o 系统的天线数量以及计算复杂度都不能够无限制地增加，这 些问题限制了m i m o 技术的应用。 在这种情况下，无线协同中继技术由于自身所具有的优势和特点，同时能够 与其他一些先进的无线传输技术结合( 如m i m o 技术等) ，逐渐被重视起来，目 前已成为未来无线通信标准的关键技术之一。无线协同中继技术得到了进一步的 发展，参考文献【3 】- 【1 0 】对协同中继系统中的资源分配算法进行了深入研究，研 究出发点包括容量，中断概率，生命期，系统开销，计算复杂度等，而分配的资 源包括了功率，时问，频率等多种资源。参考文献 1 6 1 中提出了几种具有实际意 义的协同中继模型，并对其性能进行了详细的分析。其中对放大转发中继 ( a m p l i f ya n df o r w a r d ，a f ) 方案和解码转发中继( d e c o d e da n df o r w a r d ，d f ) 北京邮电大学博士论文第一章绪论 方案的分析结果在之后的研究中被广泛采用，并得到了进一步的细化和发展。参 考文献 1 5 1 进一步研究了几种中继协议的性能以及不同配置方案对中继性能的 影响。 对于放大转发中继，中继节点不考虑接收信号强度，直接放大并转发从源节 点接收到的信号，而不对信号进行解码处理，即中继节点只对输入的信号进行线 性处理，将带有噪声的信号进行放大转发。目的节点接收来自源节点的信号和中 继节点的信号之后，并进行合并判决。尽管中继放大有用信号的同时也放大了噪 声信号，但目的节点能够接收到两个以上独立的衰落信号，所以在能够做出良好 判决的前提下，目的节点可以获得分集增益。 对于解码转发中继，中继节点会对接收到的信号进行译码，并转发译码之后 的信息至目的节点。目的节点接收来自源节点的信号和中继节点的信号，并进行 合并判决。在这种情况下，中继发送的信号是没有噪声的，但要求中继能够顺利 解码，一旦中继无法顺利解码，则整个系统的性能将急剧下降。为了弥补这一问 题，文献【1 6 】提出了增加型中继与选择性中继，使得解码转发中继的性能得到了 进一步提升。 为了进一步提升无线协同中继的性能，近年来出现了一种新的空间分集技 术：协作m i m o ( c o o p e m v i em i m o ) ，将空时码的思想引入到协作中继系统中， 每个节点都可以配置单天线，中继节点互相协作，以获得空间分集增益( 参考文 献【1 3 】，【1 4 1 和d o 】) 。该技术的实质是利用中继的天线与自身天线构成多发射天 线阵，形成虚拟的m i m o 系统来获得分集增益。协同m i m o 克服了传统m i m o 技术的一些限制，为m i m o 技术走向实用化提供了新的思路。 ， 在目前对协同技术的研究中，还存在一种用户协同传输的方法( 参考文献 【1 7 】，【1 8 】，【1 9 】和 5 0 】) 。在这种协同方案中，没有专门的中继站，取而代之的 是用户相互作为中继站进行协同。图1 1 显示了两个用户与基站的通信，每个 用户只有一根天线，所以是无法获得空间分集增益的。但由于两个用户所接收到 的信号所经历的衰落是统计独立的，所以如果某个用户可以接收其他用户的数 据，并将接收到的数据再转发出去，这样其他用户就能够获得空间分集增益。当 用户之间开始协作的时候，由于每个用户都需要发送自身的数据，这与采用独立 中继站的时候并不一样。用户既需要发送自己的数据的同时，也需要作为其他用 户的协同中继发送其他用户的数据。此时，两种数据的传输速率和发送功率都需 要综合考虑才能在获得理想的性能。同时，此类方案还存在着复杂度、安全性等 问题，都亟待解决。 北京邮电大学博士论文第一章绪论 用户l 8 jl 8 。 用户2 图1 1 用户协同示意图 1 2 n a k a g a m i m 衰落模型 目前对无线协同中继衰落信道性z h 匕l - , 的分析多是基于瑞利分布进行建模，这种 模型相对简单，分析起来较为容易，但无法表征一些更为复杂的信道衰落特性。 在实际的无线环境中，n a k a g a m i m 分布能够很好的表征信道的衰