多中繼協(xié)作通信的跨層設(shè)計(jì)與優(yōu)化.pdf

1、智能手機(jī)、平板電腦、智能可穿戴設(shè)備等移動(dòng)終端的爆炸性增長(zhǎng)，以及用戶對(duì)各種服務(wù)、鏈接、內(nèi)容、體驗(yàn)等需求的不斷上升，對(duì)新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)提出了艱巨的挑戰(zhàn)。面對(duì)有限的頻譜資源，如何為蜂窩網(wǎng)絡(luò)、以及將來(lái)融合接入的物聯(lián)網(wǎng)、車(chē)載網(wǎng)等異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)提供高速、高可靠性的傳輸支持是未來(lái)移動(dòng)通信網(wǎng)需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。在網(wǎng)絡(luò)層面，通過(guò)小區(qū)分裂形成宏基站與家庭基站、微基站等形成異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)，提高頻譜復(fù)用因子。然而，密集的小區(qū)部署帶來(lái)了更加復(fù)雜和嚴(yán)重的小區(qū)間干擾。

2、在物理層面，大規(guī)模多輸入多輸出技術(shù)(MassiveMultiple Input Multiple Output，Massive MIMO)通過(guò)在基站架設(shè)天線陣列(Antenna Array，AA)獲取空間分集或復(fù)用增益。然而，考慮到終端設(shè)備體積受限，無(wú)法配備多天線，協(xié)作通信成為了給用戶提供高可靠性和高速率上行傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)之一。
　　協(xié)作通信的核心思想是網(wǎng)絡(luò)中的多個(gè)分布式節(jié)點(diǎn)通過(guò)協(xié)作的方法共享同一資源，形成一個(gè)分布式的虛擬天線陣列

3、(Virtual AA)，實(shí)現(xiàn)空間分集。協(xié)作通信技術(shù)具有擴(kuò)大覆蓋范圍、提供可靠傳輸以及降低小區(qū)間干擾的優(yōu)勢(shì)。然而，協(xié)作通信依然具有明顯的缺陷。一方面，由于節(jié)點(diǎn)的半雙工特性，協(xié)作傳輸將原本的單跳直傳鏈路轉(zhuǎn)化為多跳轉(zhuǎn)發(fā)鏈路，降低了數(shù)據(jù)傳輸速率和頻譜利用效率。另一方面，數(shù)據(jù)包的多次轉(zhuǎn)發(fā)意味著多次的能量消耗，尤其在能量受限的場(chǎng)景下，已有協(xié)作策略無(wú)法實(shí)現(xiàn)較高的能量效率。因此，本論文從頻譜效率和能量效率兩方面出發(fā)開(kāi)展協(xié)作通信技術(shù)的研究，建立了單用戶

4、雙通道中繼(Two-Path Relay，TPR)協(xié)作的鏈路層干擾模型，提出了基于復(fù)數(shù)域網(wǎng)絡(luò)編碼(Complex FieldNetwork Coding，CFNC)的多用戶TPR協(xié)作策略，設(shè)計(jì)了能量采集(EnergyHarvesting，EH)環(huán)境下的多中繼鏈路層協(xié)作機(jī)制，為提升半雙工多中繼協(xié)作系統(tǒng)的頻譜效率以及能量效率提供了新的有效的解決途徑。
　　本文主要工作和貢獻(xiàn)如下:
　　1)基于單用戶TPR協(xié)作模型，提出中繼間干擾

5、的跨層建模思想，在保證系統(tǒng)各條鏈路穩(wěn)定的情況下，通過(guò)用戶與中繼間的功率分配機(jī)制最大化端到端可達(dá)吞吐量。
　　TPR模型利用多中繼輪流接收和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，提升了頻譜效率的同時(shí)引入了中繼間干擾（Inter-Relay Interference，IRI），在此基礎(chǔ)上，本論文借鑒排隊(duì)論理論，考慮發(fā)送節(jié)點(diǎn)處的數(shù)據(jù)包到達(dá)、排隊(duì)與服務(wù)過(guò)程，提出鏈路層的IRI模型，推導(dǎo)給出系統(tǒng)的穩(wěn)定吞吐量區(qū)間。并且在用戶和中繼節(jié)點(diǎn)間建立功率分配優(yōu)化模型，最大化端到端

6、可達(dá)穩(wěn)定吞吐量。對(duì)優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行降維變換，利用系統(tǒng)本身具有的性質(zhì)簡(jiǎn)化計(jì)算，求解最優(yōu)值。此外，當(dāng)直傳鏈路對(duì)目的節(jié)點(diǎn)的干擾不可忽略時(shí)，提出了解耦奇數(shù)時(shí)隙和偶數(shù)時(shí)隙傳輸?shù)乃枷耄瑲w納出了一般化的兩鏈路同頻干擾場(chǎng)景，并推導(dǎo)了一般化場(chǎng)景的穩(wěn)定吞吐量區(qū)間。仿真結(jié)果驗(yàn)證了鏈路層干擾模型相比于Full buffer假設(shè)的優(yōu)勢(shì)，并給出了不同中繼部署場(chǎng)景下系統(tǒng)吞吐量的變化，給實(shí)際中繼部署以及功率配置提供參考依據(jù)。
　　2)建立多用戶TPR協(xié)作模型，提出基

7、于CFNC的中繼間干擾和多用戶干擾抑制策略，并通過(guò)優(yōu)化預(yù)編碼因子的選取降低端到端誤碼率（Symbol ErrorProbability，SEP）。
　　將傳統(tǒng)單用戶TPR模型推廣至多用戶場(chǎng)景，在用戶和中繼節(jié)點(diǎn)引入CFNC對(duì)傳輸?shù)姆?hào)進(jìn)行預(yù)編碼操作，形成一個(gè)分布式的聯(lián)合調(diào)制系統(tǒng)，在接收節(jié)點(diǎn)通過(guò)最大似然檢測(cè)進(jìn)行最優(yōu)譯碼，來(lái)抑制IRI、用戶間干擾以及目的節(jié)點(diǎn)的直傳鏈路干擾。接著，利用聯(lián)合界和Chernoff界給出了協(xié)作模型端到端SEP的

8、緊致上界。提出基于SEP或者互信息，目的端采取不同解碼方式的譯碼策略，在保證系統(tǒng)性能的同時(shí)降低解碼復(fù)雜度。進(jìn)一步地，考慮到編碼因子的選取決定了誤碼性能，因此，提出等相位預(yù)編碼(Equiphase Precoder，EP)思想，通過(guò)設(shè)計(jì)分布式聯(lián)合調(diào)制的星座圖來(lái)降低SEP。仿真結(jié)果驗(yàn)證了EP準(zhǔn)則帶來(lái)的編碼增益以及基于CFNC的IRI抑制策略相較于已有方案的SEP增益。
　　3)針對(duì)能量受限場(chǎng)景，提出EH環(huán)境下的多中繼鏈路層協(xié)作方案，設(shè)

9、計(jì)最優(yōu)的跨層協(xié)作參數(shù)，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下最大化端到端可達(dá)吞吐量。
　　在EH約束下，針對(duì)傳統(tǒng)物理層協(xié)作和鏈路層協(xié)作的缺陷，首先提出簡(jiǎn)單三節(jié)點(diǎn)模型下的解碼轉(zhuǎn)發(fā)鏈路層協(xié)作方案。推導(dǎo)得到該協(xié)作模型的穩(wěn)定吞吐量區(qū)間，并建立最優(yōu)化問(wèn)題來(lái)尋找最優(yōu)參數(shù)配置，使得能量受限的情形下達(dá)到吞吐量的最大化。挖掘系統(tǒng)的內(nèi)在性質(zhì)，將多變量?jī)?yōu)化問(wèn)題降解成若干單變量?jī)?yōu)化子問(wèn)題并行求解。然后，將單中繼模型推廣到多中繼協(xié)作模型，建立中繼間的索引思想，同樣給出系統(tǒng)