基于机会中继选择策略的协作通信研究

发布时间：2020-09-11 17:51

　　近几年发展起来的协作通信技术让用户以协作的方式将信息传递至信宿,摒弃了各用户为独立传输消息而与其他用户抢占信道资源的方式,有效突破了传统无线通信技术的工作极限,成为当今推动无线通信发展的关键技术之一。作为协作通信策略之一的机会中继选择(Opportunistic Relay Selection,ORS),能够将更多的资源分配给更可靠的信道,避免在低劣信道上的功率消耗,具有协作分集增益高、不受网络规模限制、开销小和易于物理实现等优点,业已成为国内外学者的研究热点。论文针对机会中继选择的协作通信策略、技术和方案,以及在复杂信道衰落和各种不利因素影响下的通信性能展开研究。论文取得的主要贡献及创新性成果包括:(1)提出全网总功率约束条件下的增量型机会中继选择(Incremental Opportunistic Relay Selection,IORS)协作通信策略。针对两阶段中继转发的ORS协作策略频谱效率低的问题,将三节点增量中继协作通信策略扩展到多中继协作通信网络中,形成IORS协作通信策略。其核心思想是在总功率约束条件下,依据可能存在的源节点到目的节点无线链路的信道容量是否满足通信要求的准则,选择源节点到目的节点直接通信或者进行ORS协作转发。理论和仿真结果表明,在全网总功率约束条件下,该策略相比于两阶段中继转发的ORS,具有更高的频谱效率和更小的中断概率。(2)提出利用解码转发ORS/IORS策略以及在节点配置分集天线用于抵抗信道级联衰落、级联阴影衰落和混合信道衰落的方案。针对常见的瑞利、Nakagami、莱斯和对数正态等分布函数描述无线信道衰落特性时,由于形式简单、可调参数有限,难以精确描述实际通信节点间的无线信道衰落特性的问题,论文结合Shankar P M等人关于无线信道衰落的最新研究成果,建立基于信道级联衰落、级联阴影衰落和混合信道衰落,以及节点配置分集天线的全网总功率约束条件下解码转发IORS/ORS的协作通信模型,并进行理论推导和仿真分析。理论与仿真结论表明,该方案能够有效减小信道级联衰落、级联阴影衰落以及混合信道衰落的影响,实现协作分集增益,解码转发IORS相比解码转发ORS具有更高的频谱效率和更小的中断概率,采用天线分集技术能够实现在不增加物理体积和能耗的同时进一步改善协作通信性能,所得结论更加契合实际情况,具有更为广泛的适用性。(3)提出利用解码转发ORS/IORS策略以及节点配置分集天线抵抗共道干扰的方案。由于现代无线通信多采用频率复用技术来提升频率利用率和通信容量,所产生的共道干扰对无线通信的影响不亚于噪声和信道衰落。研究了解码转发ORS/IORS协作通信中期望信号遭受随机共道干扰在干扰受限、干扰和噪声共存等情形,以及节点配置分集天线的协作通信性能。理论与仿真结果表明,在全网总功率约束条件下的解码转发ORS/IORS能够有效抵抗共道干扰,解码转发IORS相比解码转发ORS具有更高的频谱效率和更小的中断概率,结合天线分集技术可以进一步改善协作通信性能。(4)提出采用解码转发和放大转发ORS/IORS策略构建中继节点随机分布的协作通信网络的方案。针对实际无线通信网络中的节点,如移动用户,在某一地理范围内的分布的个数、位置以及是否参与协作具有一定的随机性,使得通信网络规模和拓扑随机随时变化,导致现有诸多协作通信策略难以实现或者实现起来开销巨大的问题,提出基于随机和随机几何理论的解码转发和放大转发IORS/ORS协作通信模型并进行理论推导和仿真分析。理论与仿真结果表明,当参与协作的中继节点个数满足泊松分布或者当中继节点在某一地理区域满足二维齐次泊松点过程分布,且信号经历路径损耗、共道干扰、衰落和阴影等因素的影响时,该方案在实现协作分集增益的同时可以通过均衡天线增益和网络规模等手段减小节点随机性的影响,有利于扩大网络覆盖范围、延长网络寿命、改善移动性和布局临时协作网络。
【学位单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN925
【部分图文】：

关联关系,协作策略,传统策略,无线通信网

图 1-1 各章研究内容的关联关系容的关联关系如图 1-1 所示。依据在无线通信网中存在的不利因形成以第二、三章为基础，以第四章和第五章为核心的研究路线改进的协作策略，结合实际情况扩展了传统策略的适用条件和场

中继,机会,本地信道,协作策略

又分为主动型和被动型[42-45]。在市区无线通信环境下，一个典型的半双工两跳机会中继选择协作通信过程如图2-2 所示。其中图 2-2（a）显示源节点和目的节点存在直连链路无协作的情况。图 2-2（b）显示被动型机会中继选择方案。图 2-2（c）显示主动型机会中继选择方案。在利用中继进行协作转发的图 2-2（b）和图 2-2（c）中源节点和目的节点的直连通路由于障碍物的阻碍或者强烈衰减而不存在，中继节点位于障碍物的周边，中继可以和源节点和目的节点进行直接通信。在某一相干时间内，非协作情况下源节点可以发送 N 个符号信息，而两跳半双工协作时每阶段只能发送同样N 2个符号信息到目的节点。协作通信时，第一阶段源节点发送而中继节点侦听，第二阶段中继转发接收到的符号信息。如图 2-2（b）所示被动机会中继协作过程，第一阶段源节点广播发送符号信息，第二阶段所有中继（AF）或成功解码（DF）的中继中选择产生最佳中继，从而利用最佳中继转发符号信息。AF 的最佳中继选择方式较为简单，目的节点选择最强信号中继路径即可。这里对 DF 方式产生最佳中继的协作过程作一解释：首先，中继需要侦听来自于源节点 RTS（Read to Send）和 CTS（Clear to Send）信息包或导频信号。利用些信息包或导频信号

级联图,信道,级联,信道衰落

图 3-1 信道级联衰落如果信道中信号没有经历散射体簇的多次散射，簇到簇之间信道衰落为 Nakaga分布的话，那么其信噪比满足 Gamma 分布，PDF 为 11exp2mmf mb m b ，（3-1

【参考文献】