基于疊加編碼的非正交傳輸理論方法研究.pdf

1、干擾會(huì)惡化無線通信的性能?，F(xiàn)有無線通信系統(tǒng)一般采取正交信號(hào)來避免用戶間干擾，雖然簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，但也影響了信道資源的使用效率。從信息論的角度，非正交傳輸才能最大化無線通信效率?；诏B加編碼的非正交傳輸近年來得到了廣泛的關(guān)注。通過與連續(xù)干擾消除(Successive Interference Cancellation,SIC)技術(shù)相結(jié)合，疊加編碼允許無線通信系統(tǒng)中的多個(gè)用戶（或數(shù)據(jù)流）共享同一信道資源，用戶信號(hào)之間不必正交，從而實(shí)現(xiàn)了更加

2、高效的信道接入方式。本論文從疊加編碼與中繼技術(shù)的結(jié)合、疊加編碼相關(guān)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、基于疊加編碼的非正交傳輸系統(tǒng)性能優(yōu)化等方面對(duì)基于疊加編碼的非正交傳輸展開研究。研究表明，對(duì)于基于疊加編碼的非正交無線通信系統(tǒng)，用戶（或數(shù)據(jù)流）之間形成了一個(gè)合作的聯(lián)盟，能以協(xié)同的方式完成通信目標(biāo)，與正交無線通信系統(tǒng)相比實(shí)現(xiàn)了更高的傳輸效率。本論文的主要工作和創(chuàng)新如下：
　　1)單用戶中繼系統(tǒng)中基于疊加編碼的中繼協(xié)議設(shè)計(jì)。分別針對(duì)信源至中繼(Source

3、to Relay，S-R)鏈路和中繼至信宿（Relay to Destination，R-D）鏈路信道狀態(tài)較好的情形提出了基于疊加編碼的部分轉(zhuǎn)發(fā)(Superposition Coding Based Partial Forward，SCPF)和時(shí)間壓縮轉(zhuǎn)發(fā)（Time Compress and Forward，TCF）中繼協(xié)議。中繼信道中各鏈路質(zhì)量的相對(duì)差異對(duì)中繼協(xié)議的性能表現(xiàn)有直接的影響，通過引入基于疊加編碼的非正交傳輸，實(shí)現(xiàn)了中繼信道

4、各鏈路的特征融入到中繼協(xié)議的設(shè)計(jì)中，從而避免了各鏈路質(zhì)量和負(fù)載不協(xié)調(diào)導(dǎo)致的傳輸效率下降。對(duì)于中繼采用重復(fù)編碼的情形，所提協(xié)議可以靈活調(diào)節(jié)各鏈路的負(fù)載。所提出的SCPF中繼協(xié)議利用了S-R鏈路質(zhì)量較好的特點(diǎn)，在信源發(fā)送信息給轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的同時(shí)，疊加一部分可以被信宿直接解碼的信息。所設(shè)計(jì)的TCF中繼協(xié)議將多個(gè)信號(hào)疊加后薦轉(zhuǎn)發(fā)，利用了R-D鏈路質(zhì)量較好的特點(diǎn)。建立了SCPF中繼協(xié)議和TCF中繼協(xié)議的性能分析方法。理論分析和仿真都表明，在對(duì)應(yīng)的場(chǎng)景

5、中，所提出的協(xié)議可以明顯改善中繼傳輸?shù)男省?br>　　2)基于疊加編碼的非正交多址(Non-orthogonal Multiple Access，NOMA)分析和設(shè)計(jì)。研究中，針對(duì)只知道統(tǒng)計(jì)信道狀態(tài)信息(Channel State Information，CSI)的情形，求解了各用戶間的中斷概率均衡問題，為用戶公平性受限情形下下行NOMA系統(tǒng)的中斷性能評(píng)估建立了解析分析方法。首先，分析了基于疊加編碼的多用戶非正交傳輸?shù)墓β史峙湟蜃?P

6、ower Allocation Factor，PAF)和解碼順序選擇，獲得了既定解碼順序下的最優(yōu)PAF選取方法、實(shí)現(xiàn)最優(yōu)用戶公平性的解碼順序、最優(yōu)中斷均衡點(diǎn)的PAF閉式解和中斷概率閉合表達(dá)式。其次，在上述結(jié)果的基礎(chǔ)上，對(duì)用戶分組問題展開研究，包括用戶分組方式、組間功率和信道資源分配，通過對(duì)KKT最優(yōu)性條件分析，提出了求解最優(yōu)組間功率和信道資源分配的算法。還進(jìn)一步討論了NOMA的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，主要考慮SIC和用戶分組引入的復(fù)雜度，以大量隨機(jī)

7、場(chǎng)景下的平均均衡中斷概率作為性能指標(biāo)，分析了不同的分組方式、分組大小、組間功率和信道資源分配對(duì)NOMA性能的影響。理論分析和仿真結(jié)果表明，用戶分組為實(shí)現(xiàn)好的性能-復(fù)雜度折中提供了有效的途徑，在適度的復(fù)雜度下，NOMA的性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的正交多址。
　　3)下行中繼網(wǎng)絡(luò)中基于疊加編碼的組對(duì)傳輸方案分析和優(yōu)化。與下行非中繼網(wǎng)絡(luò)相比，下行中繼網(wǎng)絡(luò)中不同用戶R-D鏈路之間的差異為基于疊加編碼的非正交傳輸提供了新的維度來實(shí)現(xiàn)性能增益。另外，

8、非正交傳輸產(chǎn)生的復(fù)用增益可以彌補(bǔ)中繼的半雙工頻譜損耗。為使研究結(jié)果更加符合實(shí)際，論文中考慮基于疊加編碼的組對(duì)中繼傳輸協(xié)議且中繼采用重復(fù)編碼和解碼轉(zhuǎn)發(fā)，通過該協(xié)議系統(tǒng)可以在同一時(shí)頻信道內(nèi)同時(shí)為兩個(gè)用戶提供中繼通信服務(wù)。首先，針對(duì)既定的用戶傳輸速率，建立了組對(duì)中繼協(xié)議中PAF和解碼順序的最優(yōu)選擇方法，并給出了各用戶中斷概率的解析表達(dá)式。其次，通過高信噪比分析，理論上求解了滿足各用戶服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）需求

9、下的功率最小化問題，求得了相應(yīng)的最優(yōu)PAF和解碼順序，其中QoS指用戶的數(shù)據(jù)速率和中斷概率需求。隨后，分析了如何對(duì)用戶配對(duì)以最小化系統(tǒng)總體的能量消耗。用戶配對(duì)問題被建模為非二分圖的最佳匹配問題，并為此提出一種計(jì)算復(fù)雜度為O(K2）算法，該算法的性能非常接近于復(fù)雜度為O(K3)的最佳匹配算法，其中K表示用戶數(shù)。理論分析和仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的中繼傳輸方式相比，組對(duì)中繼傳輸可以帶來明顯的功率增益，其中高信噪比近似結(jié)果與通過數(shù)值方法求得的精確