基于兩跳協(xié)作通信系統(tǒng)中斷概率和功率分配的研究.pdf

1、協(xié)作通信是近幾年發(fā)展起來(lái)己為人們證明的能夠?qū)篃o(wú)線信道下信號(hào)衰落提高無(wú)線通信系統(tǒng)的容量有效手段之一，因此協(xié)作通信的研究受到了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。其中協(xié)作通信系統(tǒng)的中斷概率和功率分配問(wèn)題是人們研究的熱點(diǎn)之一。本文以兩跳無(wú)線協(xié)作通信為研究背景，重點(diǎn)研究不同方式和不同場(chǎng)景下協(xié)作通信的中斷概率性能和功率分配問(wèn)題。
　　 本文主要研究的協(xié)作通信場(chǎng)景包括：三節(jié)點(diǎn)協(xié)作通信場(chǎng)景；單源節(jié)點(diǎn)、多中繼節(jié)點(diǎn)和單接收天線的單目的節(jié)點(diǎn)協(xié)作通信場(chǎng)景以及單源節(jié)點(diǎn)

2、、多中繼節(jié)點(diǎn)和多接收天線單目的節(jié)點(diǎn)協(xié)作通信場(chǎng)景；研究的協(xié)作方式主要有：放大轉(zhuǎn)發(fā)和編碼轉(zhuǎn)發(fā)方式。論文以信息論和概率論為主要數(shù)學(xué)工具，著重推導(dǎo)了不同場(chǎng)景和不同協(xié)作方式下系統(tǒng)的中斷概率閉式，以此分析了系統(tǒng)的性能，并研究了相應(yīng)協(xié)作系統(tǒng)的功率分配。
　　 本文的主要研究工作包括：
　　 1.在Nakagami-m衰落環(huán)境下，研究了三節(jié)點(diǎn)和帶有機(jī)會(huì)中繼轉(zhuǎn)發(fā)的多中繼節(jié)點(diǎn)并行協(xié)作通信系統(tǒng)的性能。每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)接收來(lái)自源節(jié)點(diǎn)的信息，中繼節(jié)點(diǎn)

3、采用解碼中繼轉(zhuǎn)發(fā)方式（DAF）。推導(dǎo)出了中斷概率的數(shù)學(xué)表達(dá)式，仿真驗(yàn)證了理論推導(dǎo)的正確。并以此理論公式為依據(jù)，分析研究了三節(jié)點(diǎn)模型下協(xié)作通信的性能和功率分配。
　　 2.分別研究了多中繼節(jié)點(diǎn)協(xié)作通信模型下對(duì)稱信道和非對(duì)稱信道的中斷概率和系統(tǒng)性能。對(duì)于對(duì)稱信道，根據(jù)推導(dǎo)出的中斷概率理論式，考察了直傳鏈路對(duì)協(xié)作通信系統(tǒng)性能的影響，并分析了源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)的功率分配問(wèn)題，得出的結(jié)論是最優(yōu)功率分配系數(shù)是一個(gè)受制于系統(tǒng)總可用功率和網(wǎng)絡(luò)中可

4、能中繼節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的系數(shù)，0.5是一個(gè)近優(yōu)值；對(duì)于非對(duì)稱信道，同樣推導(dǎo)了中斷概率閉式，討論了功率分配問(wèn)題，結(jié)論是功率分配因子α和路徑損耗都會(huì)影響協(xié)作方案的中斷概率。當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)的平均位置靠近源節(jié)點(diǎn)時(shí)，最優(yōu)的功率分配因子會(huì)小于0.5，整個(gè)系統(tǒng)的平均性能就能達(dá)到最優(yōu)；而當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)的平均位置靠近目的節(jié)點(diǎn)時(shí)，最優(yōu)的功率分配因子會(huì)大于0.5，系統(tǒng)的平均性能才能達(dá)到最優(yōu)。
　　 3.在上述多中繼節(jié)點(diǎn)協(xié)作通信模型的基礎(chǔ)上討論了目的節(jié)點(diǎn)為多接收天線的

5、場(chǎng)景下協(xié)作通信系統(tǒng)的性能。首先給出了一種中斷概率理論近似閉式，比較了此理論近似式與其它理論近似，驗(yàn)證了論文所提出的理論近似是最優(yōu)的。然后用此理論式分析討論了系統(tǒng)的功率分配和系統(tǒng)吞吐量問(wèn)題。對(duì)于功率分配的研究所得到的結(jié)論是，多中繼和多天線之間形成的虛擬MIMO，可以在中繼節(jié)點(diǎn)的功率較小的情況下獲得較好的性能，體現(xiàn)了MIMO的優(yōu)越性。對(duì)于吞吐量問(wèn)題論文給出了求解在一定信噪比下使吞吐量達(dá)到最大時(shí)的最優(yōu)R*的理論式，并給出了仿真曲線，結(jié)論是通過(guò)

6、增大信噪比或調(diào)節(jié)信息速率，可使系統(tǒng)吞吐量達(dá)到最大。
　　 4.研究了多中繼節(jié)點(diǎn)、目的節(jié)點(diǎn)為多接收天線的場(chǎng)景下協(xié)作通信的中繼節(jié)點(diǎn)間功率分配問(wèn)題。本文采用矩陣的奇異值分解的方法來(lái)分析系統(tǒng)的信道矩陣，得到一種在功率一定的條件下使信道容量達(dá)到最大的最優(yōu)功率分配方案（OPA），推導(dǎo)出了最優(yōu)功率分配系數(shù)的封閉表達(dá)式，并針對(duì)兩種不同方式下協(xié)作通信系統(tǒng)的最優(yōu)功率分配方案進(jìn)行了比較。對(duì)于中繼放大轉(zhuǎn)發(fā)（AAF）方式，通過(guò)將最優(yōu)功率分配方案與中繼節(jié)點(diǎn)

7、間平均方案比較得出此最優(yōu)方案在相同條件下降低了系統(tǒng)的中斷概率，提高了系統(tǒng)的可靠性。進(jìn)而通過(guò)比較DAF和AAF方式下的最優(yōu)功率分配方案得出DAF要優(yōu)于AAF。最后論文還考慮了AAF方式下的聯(lián)合最優(yōu)功率分配方案，分析得出與中繼節(jié)點(diǎn)間最優(yōu)功率分配進(jìn)行比較聯(lián)合功率分配能提高系統(tǒng)容量，并且源節(jié)點(diǎn)與中繼節(jié)點(diǎn)間的功率分配系數(shù)α集中于[0.4，0.7]。
　　 綜上所述，本文針對(duì)協(xié)作通信系統(tǒng)在不同場(chǎng)景下的中斷概率和功率分配問(wèn)題做了較深入的研究。