协同中继选择与传输策略设计

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1、协同中继选择与传输策略设计重庆大学博士学位论文学生姓名：贾年龙指导教师：冯文江教授专业：通信与信息系统学科门类：工学重庆大学通信工程学院二O一四年十一月万方数据万方数据DesignsofCooperativeRelaySelectionandTransmissionStrategiesAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheDoctor’sDegreeofEngineeringByJiaNianlongSupervisedbyProf.FengWenj

2、iangSpecialty:CommunicationandInformationSystemCollegeofCommunicationEngineeringofChongqingUniversity,Chongqing,China.November,2014万方数据万方数据中文摘要摘要“协同”的基本属性是参与协作的相关实体通过贡献、共享资源以实现某个共同目标，并获取额外收益。协同通信通过网元之间彼此共享信道资源构成虚拟MIMO（virtualmulti-inputmulti-output）获得离散网元提供的空间分集增益或通过中继接力传输扩展覆盖范围、提高通信可靠性

3、。协同通信的理论依据源于中继信道容量能提供比直传方式更高的信道容量这一重要结论，随后，协同通信的研究和应用范畴不断扩展，如在同构无线通信网络内部不同终端或不同技术协同，以提高系统性能；在异构无线通信网络之间相互协同，以获得“涌现”增益。虽然协同的思想为无线通信的发展和应用提供了一种新的实现途径，但协同通信策略对系统性能也会产生影响，如选择位于不同位置的网元参与协同，由于信道条件不同，协同能获得的性能增益也不同；在无线通信网络中，由于存在多个潜在的协同网元，如何从这些候选网元集合中快捷而有效的选取协同网元，是协同中继选择关注的重要内容。特别地，当多个用户并发通信时，如何

4、选择协同网元对系统性能的提升最大，并考虑业务QoS（qualityofservice）需求、传输时延、性能增益以及公平性等将使问题更加复杂。此外，基于中继选择的协同资源分配能进一步优化网络性能，将中继选择与资源分配融合是协同策略研究的另一个重要内容。已有的协同中继选择和传输策略设计研究成果大多是针对单源协作应用场景下的系统性能和分集性能分析，而针对多源多中继、融合OFDM技术的中继选择以及双向中继传输等方面的中继策略和资源分配仍存在大量关键技术亟待深入分析研究。本文围绕协同通信中继选择和传输策略设计展开研究，重点探索OFDM下的中继策略、高密度网络的多用户中继策略、基

5、于地理位置的中继策略以及不对称双向中继传输策略，主要内容和成果包括：1）针对单源多中继单目标协同通信应用场景，研究协同传输与OFDM技术结合的协同中继选择与资源分配问题。为消除选择性OFDM中继传输中协同分集的实现受制于最差配对子载波信道质量的瓶颈，提出一种比特重加载的选择性OFDM协同中继方案。该方案仅选择单中继节点重传整个OFDM符号，通过在每跳执行自适应比特加载并采用最小最大法选择最佳中继节点，能获得选择协同的中断概率性能下界。理论分析了该中继方案的中断性能，并在固定传输速率和固定发送功率两种情形下给出了详细的中继选择和功率分配策略，通过仿真验证了所提方案的中断

6、性能和端到端可达速率。2）针对多用户协同MANET网络，依据随机方式或基于接收信噪比最大准则I万方数据重庆大学博士学位论文选择协作节点均不能通过用户间协作获得满分集，而采用固定顺序协作又忽略了信道状态因素，会降低协同增益。为了获得满分集，提出一种基于用户域协同和中继域协同的两阶段自治式协同中继选择算法，即将协同中继选择过程划分为源节点组中继选择阶段和空闲节点组中继选择阶段。在中继选择过程中，各节点独立决策是否中继和为谁中继，由于源节点组中继选择不能保证每个源节点都能找到中继，再利用空闲节点组中继选择为未找到中继的源节点选择中继。为了避免多个源节点选择同一中继节点，引入

7、中继域的概念，空闲节点集合自主形成中继域，每个源节点在各自中继域内选取中继。通过与固定优先级传输机制，就包传输率和误符号率等性能指标进行的对比仿真测试，验证了算法的有效性。3）针对多跳移动adhoc网络，在已知节点位置信息的前提下，研究基于位置信息的能效最优中继选择策略。将协同通信技术引入移动adhoc网络，根据节点位置信息进行下一跳节点选取和相应的中继选择。针对单用户多跳场景，设计了一种根据位置信息判断下一跳节点以及相应的中继节点选择方案。为了提高频谱效率，针对处于不同方位的两用户多跳场景，设计了一种能耗最小的中继选择方案。在下一跳节点选取中，利用