高性能、低復雜度協(xié)作分集策略研究.pdf

1、通過單天線終端間相互幫助轉(zhuǎn)發(fā)信息，可以構成虛擬的天線陣列，實現(xiàn)端到端傳輸可靠性的顯著提高。這種單天線終端間通過彼此共享發(fā)射天線實現(xiàn)空間分集的技術被稱為協(xié)作分集技術。一直以來，協(xié)作分集技術面臨著兩類基本問題：一是如何在獲取系統(tǒng)滿分集增益的同時提高傳輸?shù)念l譜效率；二是如何以較小的信令開銷和反饋延遲獲得系統(tǒng)滿分集增益。此外，現(xiàn)有協(xié)作分集系統(tǒng)中各節(jié)點角色（即作為信源或中繼）通常是固定不可變的，這不利于提高系統(tǒng)配置的靈活性和保證各節(jié)點信息傳輸?shù)墓?/p>

2、平性。本文針對上述問題展開深入研究，取得的主要成果如下：
　　一、多用戶協(xié)作系統(tǒng)高效分集增益提取方法研究
　　提出了兩種高效提取多用戶協(xié)作系統(tǒng)滿分集增益的方法：分步提取法和遞增提取法。進而，將這兩種方法分別運用于多源多中繼協(xié)作系統(tǒng)和單源-單中繼-多目的端協(xié)作系統(tǒng)，并獲得了系統(tǒng)滿分集增益。具體來說：
　　1.針對多源多中繼協(xié)作系統(tǒng)提出了分步提取多用戶分集和協(xié)作分集的方法，并在放大轉(zhuǎn)發(fā)（Amplify-and-Forwar

3、d，AF）和譯碼轉(zhuǎn)發(fā)（Decode-and-Forward，DF）兩種中繼模式下，分別提出了可獲得系統(tǒng)滿分集增益的信源-中繼兩步選擇策略，有效降低了多源多中繼協(xié)作系統(tǒng)分集開采的難度。理論分析和仿真結果均表明：兩步選擇策略同樣可獲得系統(tǒng)滿分集增益，所需的鏈路信道狀態(tài)信息由節(jié)點數(shù)二次冪量級降為節(jié)點數(shù)一次冪量級，且節(jié)點（信源和中繼）選擇可采用分布式定時器方法執(zhí)行，執(zhí)行復雜度顯著降低；
　　2.針對單源-單中繼-多目的端協(xié)作系統(tǒng)，提出了兼

4、顧傳輸可靠性和譜效率的協(xié)作傳輸策略MU-IDF（Incremental DF relaying with MUltiuser diversity）。在此基礎上，提出了二次機會選擇方法，并基于該方法提出了MU-IIDF（Improved Incremental DF relaying with MUltiuser diversity）策略。與傳統(tǒng)協(xié)作傳輸策略相比，建議策略可獲得系統(tǒng)滿分集增益，且頻譜效率顯著提升。在高信噪比條件下，建議策略

5、的頻譜效率逼近于直傳的頻譜效率；
　　3.針對ANC（Analog Network Coding）協(xié)議不能獲得系統(tǒng)滿分集增益和TDBC（Time Division Broadcast）協(xié)議頻譜效率低的缺點，將多用戶分集和遞增協(xié)作分集相融合提出了比ANC和TDBC協(xié)議的“分集復用折中性能”更優(yōu)的多用戶雙向協(xié)作傳輸策略，并完備分析了建議策略的中斷性能閉合表達式以及可達的分集復用折中。建議策略與TDBC相比具有更高的頻譜效率，與ANC相

6、比可獲得滿分集增益，是目前為止雙向中繼協(xié)議中分集復用折中性能最優(yōu)的方案，有效解決了多用戶雙向協(xié)作系統(tǒng)中傳輸可靠性與譜效率之間的矛盾。
　　二、協(xié)作系統(tǒng)分布式鏈路/天線機會選擇方法研究
　　在多天線協(xié)作系統(tǒng)中，為獲得空間分集增益經(jīng)常會涉及對鏈路和天線等無線資源的機會選擇。傳統(tǒng)方案通常采用中心化選擇方法，通過指定某節(jié)點集中獲取全局信道狀態(tài)信息以執(zhí)行鏈路/天線選擇，由此導致可觀的信令開銷和選擇延遲。為此，本文構建了局部信道狀態(tài)信息

7、判決和判決反饋機制（簡稱為分布式判決反饋機制），進而提出了分布式鏈路/天線選擇方法。分布式選擇方法相對于中心化選擇方法的最大優(yōu)勢是：在顯著降低信令開銷和反饋延遲基礎上，能夠獲得與中心化選擇方法幾乎相同的傳輸可靠性。本文通過如下兩類典型多天線協(xié)作系統(tǒng)驗證了分布式判決反饋機制的優(yōu)異性能。
　　1.針對可變增益和固定增益兩種發(fā)射波束成形AF協(xié)作系統(tǒng)，依據(jù)所提出的分布式判決反饋機制，設計了分布式鏈路選擇的判決準則和執(zhí)行流程，并與中斷最優(yōu)的

8、中心化鏈路選擇方法進行了對比。實驗結果表明：分布式鏈路選擇方法在整個信噪比區(qū)域均具有與中心化選擇方法幾乎相同的傳輸可靠性，且當中繼節(jié)點放置于移動臺附近時，建議方法將兼具高傳輸可靠性和低信令（延遲）開銷，與中心化鏈路選擇相比優(yōu)勢明顯；
　　2.針對發(fā)射天線選擇AF協(xié)作系統(tǒng)，依據(jù)所構建的分布式判決反饋機制，提出了分布式天線選擇思想（Distributed Antenna Selection，DAS），并設計了分布式天線選擇準則和關鍵執(zhí)

9、行流程。與中斷最優(yōu)的中心化天線選擇方法相比，DAS仍可獲得系統(tǒng)滿分集增益，且執(zhí)行復雜度顯著降低，所需的信令（延遲）開銷不隨天線數(shù)增長而變化。當中繼節(jié)點放置合理時，DAS的傳輸可靠性與中心化天線選擇方法非常接近。
　　三、協(xié)作角色動態(tài)配置機制及實現(xiàn)方法研究
　　針對現(xiàn)有協(xié)作分集系統(tǒng)中各節(jié)點角色（即作為信源或中繼）固定不可變的缺陷，提出了機會角色選擇思想（ROle SElection，ROSE），并基于該思想設計了中心化ROSE

10、方法（Centralized ROSE，C-ROSE）、分布式ROSE方法（Distributed ROSE，D-ROSE）和基于成比例公平規(guī)劃的ROSE方法（Proportional fair scheduling based ROSE，P-ROSE）。三種ROSE方法分別可獲得最優(yōu)的系統(tǒng)中斷性能、最低的信令開銷和最公平的角色選擇，有效提高了用戶間信息協(xié)作傳輸?shù)墓叫院涂煽啃?，并極大增強了協(xié)作系統(tǒng)配置的靈活性。理論分析和仿真實驗均表明