无线通信系统协作中继技术研究

华中科技大学

博士学位论文

无线通信系统协作中继技术研究

姓名：宁元辉

申请学位级别：博士

专业：信息与通信工程

指导教师：朱光喜

20090517

摘 要

协作中继是一种协作多天线技术，基于该技术可以提高无线链路的传输速率及传输可靠性，并且可以增加系统的覆盖范围和系统的鲁棒性。协作中继技术充分利用无线媒质的广播特性，在不增加系统复杂度的情况下不仅降低了终端的功耗、带宽、还可以明显提高系统的频谱效率、吞吐率、以及容量。协作通信技术在无线传感器网络(WSN)、无线Ad Hoc网、无线Mesh网、以及蜂窝网等系统中有着广泛的应用前景，并将成为下一代无线通信系统融合多种异构网络的关键技术。为此，论文开展了对协作中继通信关键技术的研究。

中断率和误符号率(SER)是无线通信系统最为常用的两种性能度量。对于放大转发(AF)和解码转发(DF)的中断率和SER分析，传统方法只是基于高信噪比(SNR)下的近似估计，而不能给出任意SNR下的准确表达式。因此，第二章研究了DF分集协议在Rayleigh衰弱信道条件下的中断率和SER性能。文中首先通过研究两个独立指数分布随机变量的线性函数的分布得到了DF分集协议的中断率闭式解，接着利用矩母函数方法给出了MPSK调制下的系统SER的闭式解。仿真结果显示，在任意信噪比下所给出的中断率闭式解与仿真结果完全吻合。所给出的中断率和SER的闭式解对于进一步研究DF分集协议相关的关键技术有着非常重要的理论价值。

利用所有信道的反馈信息，在解码转发(DF)和直接发射(DT)中选择可达数据率较大者作为当前发射模式可以实现系统中断率最小。为了减少系统的反馈开销和计算复杂度，第三章研究了在信道增益平面内最佳发射模式区域划分，目的节点只需查看当前信道状态所属区域即可知当前最佳发射模式。接着，通过反馈功率分配参数，可进一步降低系统中断率。基于以上结论，目的节点只需反馈一个发射参数到源节点和中继节点即可实现最小中断率协作策略。

Hunter等首先将信道编码引入到协作通信中，并提出了基于码率兼容删除卷积码(RCPC)的用户编码协作(CC)策略。基于编码协作，用户码字的不同部分经历不同用户信道到达基站。该模型认为经过不同信道的成对错误概率(PEP)仅与对应信道传输的符号长度成比例，然而该假设在很多应用场景下是不合理的。当基站能正确解码直接发射帧时，协作帧内为该用户转发数据将是多余的。因此，第四章对编码协作策略进行深入研究，提出了一种基于有限反馈的编码协作策略。基站对直接发射帧解码并反馈解码结果到用户，用户则根据反馈信息调整协作帧内数据的发射。相比于CC策略，在多种不同场景下的仿真结果显示所提出的协作策略不仅提高了用户

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的性能而且节省了大量的功率和带宽，并提高了用户的吞吐率和频谱效率。

在无线协作系统中，协作节点需要根据协作策略灵活调整数据包的发射与接收，这对协作节点实现算法的扩展性和兼容性提出了更高的要求。基于模块化设计思想，第六章首先设计出一种按比特映射方式调整协作节点发送数据包的透明发送机制，接着利用各通道轮询方法设计出一种接收多个协作节点数据包的多通道联合自适应数据接收机制。基于提出的数据收发机制，修改几个变量可实现协作节点对任何收发协议的支持。本章所提出的数据收发机制不仅适用于无线协作通信系统，而且还适于任何有类似需求的系统。基于高速串行收发器技术，该算法已应用于B3G TDD 系统。

通过全文的研究，我们发现，在无线协作通信系统中，针对特定的传输策略下选取合适的协作策略以及数据处理算法，就能够有效利用不同用户节点的天线以获取协作分集，从而显著改善系统性能或降低系统代价。

关键词：协作中继，协作分集，解码转发，编码协作，多跳中继，中断率， 功率分配

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Abstract

Cooperative relay is a cooperative multiple antenna technique, which can significantly increase data rate and reliability of wireless link, and can enlarge the coverage and improve the robustness of the systems.

Cooperative relay is mainly based on the nature of broadcast, which can reduce the consumption of energy, bandwidth of the terminal, and can also significantly improve the spectral efficiency, throughput, and the capacity of the system. To date, cooperative diversity has been widely used in wireless sensor networks , wireless Ad hoc networks, wireless Mesh networks, and wireless cellular networks. Obviously, cooperative communication will be the key technology for convergence of various heterogeneous networks, so, in this dissertation we will consider the special issues of cooperative relay communication.

Outage probability and error symbol rate (SER) are two mostly used performance metrics for wireless communication sytstems. For outage probability and SER performance analysis of amplify-and-forward (AF) and decode-and-forward (DF), the traditional methods are based on approximation at high signal-to-noise ratio (SNR) for the exact expressions are still unknown at arbitrary SNR regime. Accordingly, we investigate the performance of outage probability and SER for DF diverstiy protocol of Rayleigh fading channel. We first derive the closed-form expression for outage probability of DF through analysis of the distribution of the linear function of two independent exponential random variables. We further use movement generation function (MGF) method to obtain the closed-form expression of symbol error rate for system based on MPSK modulation. The simulations reveal that the analytic results are exact the same with the numeric result at arbitrary SNR regime. The proposed expressions of outage probability and SER are of great value for investigating special issues associated with DF diversity protocol.

Based on the feedback of all channels, choosing the higher achievable rate transmission mode between decode-and-forward (DF) and direct transmission (DT) can derive an outage minimization system. In order to reduce feedback overhead and computation complexity, on the channel gain coordinates plane, we first investigate the division of optimal transmission mode region. Accordingly, the destination can easily derive the transmission mode by

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checking the optimal transmission mode region of the channel state information. Then, we can further reduce the outage of the system through feedback the parameter of power allocation. Based on the proposed algorithm, the destination only needs to feedback a transmission parameter to the source and the relay, which can derive an outage minimization strategy.

Hunter et al. first combined cooperative communication with existing channel coding methods, and proposed coded cooperation (CC) strategy based on rate-compatible punctured convolution (RCPC) code. Based on CC scheme, the codeword is divided into different parts, which arrive at the base station through different fading channels. In their system model, they consider that the pairwise error probability (PEP) is only proportional to the length of the corresponding symbol part while neglecting the influence of different channel quality, which is unreasonable in many practical scenarios. There is no need to transmit data for a user in the cooperative frame when the based station can recover the user’s data only based on the direction transmission. Thus, through the investigation of codded cooperation, we propose a new codded cooperation strategy, which is based on limited feedback from the base station. The base station feedback the decode result of the direct transmission to the users, and then the users adaptively change the data transmission in the cooperative frame. The simulation results reveal that our proposed scheme achieves impressive gains in contrast with the existing cooperative schemes, while not only saving considerable power and bandwidth but also improving the throughput and spectral efficiency.

In wireless cooperative systems, the cooperative node should adjust data packet transmission and data packet reception with high flexibility, then, we need a scalable and compatible algorithm for the implementation of the cooperative node. Thus, based on the module design scheme, we first propose a transparent sending mechanism, which could adjust the sending data packets format by means of bitmap. Next, we propose an optimal adaptive data receive mechanism for multiple channels in a round robin fashion from multiple cooperative nodes. Based on the proposed mechanisms, only modifying several variables can support any data transmission and data reception protocols of cooperative node. The proposed mechanisms not only fit for wireless communication system but also for any systems with similar requirements. Based on the high speed serial transceiver technique,

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the algorithms have been applied in B3G TDD system.

From the dissertation we can find that, in cooperative communication system, selecting suitable cooperative schemes and data processing algorithms for specific transmission strategies can make full use of antennas of different user terminals, and thus achieve cooperative diversity, which can significantly improve the performance and reduce the cost of the systems.

Keywords: Cooperative relay, cooperative diversity, decode-and-forward,

coded cooperation, multihop relay, outage probability, power allocation

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独创性声明

本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

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日期： 年 月 日

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本论文属于

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1 绪论

1.1 研究背景和意义

随着移动通信系统和移动INTERNET技术的快速发展，下一代移动通信将是一个无处不在的通信系统，它能实现在任何时间、任何地点、向任何人提供安全、公平、快速的通信服务。移动通信技术已改变了人们的通信方式，移动电话已经由原来的奢侈品成为人们日常生活中的必需品。下一代蜂窝移动通信系统将采用多种先进的信号处理技术，将实现高速率，大容量，多类型的无线数据业务。为了实现通信的终极目标，世界各国已投入大量的人力物力用于3G技术的研究和开发，现已逐渐普及和商业化。

3G所采用的语音交换架构仍承袭了第二代(2G)的电路交换，而不是纯IP方式，数据传输率也只接近于普通拨号接入的水平，流媒体的应用不尽如人意，以及固有干扰问题限制等缺点，使得3G系统的数据速率很难达到50-100Mbits/s，且不能实现不同用户对不同服务质量通信要求。为此，世界各通信强国和业界著名的研究机构和国际公司纷纷投入到B3G (Beyond 3G)[1, 2]或者称为第四代移动通信系统(4G)技术的研究中，并将4G的研究作为今后发展的重要方向。2006年，ITU-R已经正式将B3G技术命名为IMT-Advanced技术，并向各国和各标准化组织征集IMT-Advanced 技术提案。IMT-Advanced将实现热点覆盖场景下1Gbit/s以上，高速移动、广域覆盖场景下100Mbit/s，并能够融合目前存在的多种无线接入技术使用户的终端设备能够在不同的制式之间透明地切换。

MIMO系统可以随着天线数目的增大而线性增大信道容量，具有很高的频谱效率，还可以在不增加频谱和功率等额外开销的情况下能获得更高吞吐率和可靠性[3-5]，成为4G移动通信系统中最富有竞争力的技术之一。然而，对于以MIMO为核心技术的4G移动通信系统还存在着许多有待解决的技术难题，这主要包括：

(1) 由于技术、功耗、尺寸以及其它限制原因，目前在无线终端上安装复杂的多天线系统似乎是不可行的，使得无线系统不能获取多天线系统提供的性能增益，阻

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碍了MIMO技术实用化；

(2) 4G移动通信必须解决高速数据传输与覆盖范围的矛盾。随着数据传输速率的提高，在给定发送功率时接收信号的能量随速率的增长而线性下降[6]。若提高发送功率以延伸系统的覆盖，将增加对其它用户的干扰。

(3) 4G通信系统的工作频谱将位于3G系统的2GHz以上，在如此高的频段下的无线传播将增加自由空间的损耗，从而在一定发送功率时基站的实际覆盖区域将大幅度减少[7]，因此加强无线传输的可靠性格外重要。

(4) 4G通信系统的瓶颈可能是吞吐速率的需求而不是额外的容量。当一个国家的移动用户数量达到了很高比例时，用户的容量达到固定值，用户吞吐率才是主要矛盾。

(5) 各种不同的通信网和通信系统的存在，使得4G通信系统的兼容性成为一个技术难题。4G通信系统将能有效融合多种异构网络，为移动用户实现在任意时间、任意地点和任何业务的无缝接入、漫游和切换[8]。因此，在4G通信系统中寻找新的网络结构势在必行。

值得一提的是，近年来引起业界广泛关注的无线协作中继的多跳技术与蜂窝网络的结合技术[9-15]和协作中继技术的策略算法[16-25]可以有效解决这些不足，被认为是4G系统的一个发展方向。协作中继该技术为MIMO技术的实用化开辟了新的途径，将有效解决了4G移动通信系统的技术难题。协作中继技术本质是一种新型的空间分集技术，多个用户间相互协作可构成一个虚拟的分布式天线阵列，使得多个分布式节点可以通过相互共享天线的方式获得了MIMO的特性[26]。从传统的集中架构的蜂窝网到分布式的多跳网络，多跳中继技术也符合未来通信技术发展的趋势，它不仅能实现高速数据覆盖而且也为下一代网络结构的设想提供了新的思路，这将对下一代无线移动网络的发展有着很重要的意义[27]。目前，从纯物理层的角度研究协作中继技术已成发展趋势[28]，可以预期该技术会为未来无线通信领域带来一个光明的前景。

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31.2 协作中继技术的应用

1.2.1 微波中继与卫星中继通信

无线协作中继技术并不是一种新技术，最早古代战争时，所使用的烽火通信就是中继技术的最早模型，而在20世纪50年代，中继技术就已广泛应用于微波中继和卫星中继通信系统中，以实现远距离无线通信。微波中继通信是利用微波作为载波并采用中继方式在地面上进行的无线电通信[29]。图1-1 所示为A, B 两地间的远距离地面微波中继通信系统的示意图，为实现A 与B 远距离通信，必须在这两个之间建立若干个中继站中继站，分别把前一站送来的信号经过放大后再发送到下一站，直到A 端的数据传输到B 端。卫星中继是一种特殊的微波中继，只是实现的方式是通过太空的无人值守的微波通信中继站实现数据的无线传输，一般用于大范围区域内的数据通信。卫星中继是利用地球卫星作为中继站转发微波信号，实现多个地面站的通信。

图 1-1微波中继通信示意图

1.2.2 无线Ad hoc 网络

图 1-2移动Ad hoc 网络示意图

4协作中继技术在无线通信系统中的应用最初出现在无线分组网络[30]。这种网络的特点是可以快速组建、便于迁移、抗毁性强、易于扩展，随后的应用是Ad hoc 网络。在Ad hoc 网络中，源节点与目的节点相距较远而不能直接通信时，需要经过中间节点转发数据[31, 32]。如图1-2所示为一个简单的Ad hoc 网络的示意图，该网络包含多个相互独，且可以移动的无线节点A 、B ……G ，它们可以组成临时性的无基础设施支持的无中心网络，并相互之间通信或者借助于中间节点协作中继转发数据。

1.2.3 无线WSN 网络

协作中继技术另一个成功应用的领域就是无线传感器网络,该网络可以通过使用传感器采集各种应用场景下的数据信息，并以多跳的方式转发数据到目的节点，从而实现对各种信息实时有效的监控[33-35]。由于WSN 巨大应用价值，它已经引起了极大的关注，被广泛应用于各种领域，该技术的难点在于，在有效传输数据的情况下节省有限的能量资源来获取更长的网络寿命[36]。如图1-3所示，无线网络节点随机分布在监测区域内，这些节点具有路由功能，以够通过自组织方式构成网络。传感器节点采集的数据沿着其它传感器节点以多跳地方式进行传输，在传输过程中转发数据经过了多个中继节点的转发。

图 1-3无线传感器体系结构

1.2.4 无线Mesh 网络

无线协作中继技术在Mesh 网络中也有很多应用，该网络是一种多跳技术与蜂窝技术融合的产物，可也是一种自组织网络，它可以有效解决没有LOS 的宽带连接。

该网络中的每个节点都可以相互通信，而不需要像传统无线网络那样，需要访问接入点才可以进行通信，从而提高了网络的灵活性。同时，该网络中的节点不仅可以实现数据的收发，还可以实现路由功能，使得分组数据从一个路由到另一个路由进行多跳中继直至其目的节点[37-39]。如图1-4给出了无线Mesh的网络架构示意图，该网络结构中，无线路由器(WR)可以实现移动终端设备与接入点间通信范围的弹性延展[40]。

图1-4无线Mesh网络的体系结构

1.3 协作中继相关理论研究工作

技术、成本以及其它限制原因，目前在移动用户节点配备多根天线的技术还不成熟。因此，早期关于协作分集技术的研究[16-25, 41-47]主要集中于单天线用户节点。随着技术的发展，将来在用户节点配置多根天线也将成为可能，已有文献研究了多天线节点下的用户协作分集策略[48-51]。为了对抗频率选择性信道，人们把正交频分复用(OFDM)[52-60]和OFDMA[61-66]技术引入协作通信中，以进一步增强快衰弱信道条件下的系统性能。协作中继技术已在无中心的Ad hoc网络、WSN网络、无线Mesh 网络等应用的成功，最近几年，在蜂窝网中研究多跳协作中继技术己成为一个热点[6, 10-13, 15, 64, 67-73]。该技术符合下一代无线通信系统的演进方向，由集中的星型的网络拓

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6扑结构向集中协调下的分布式网络拓扑结构演变。目前，协作中继技术是当前的研究工作热点，已在IEEE 的标准化组织中开展标准化进程，这包括IEEE802.16j [74]，IEEE802.11s ，IEEE802.15，而LTE-Advanced 和IMT-Advanced 已考虑使用协作中继技术作为物理层关键技术。由于协作可能涉及多个用户的隐私和个人利益问题，关于协作通信与蜂窝网的结合还处于初期的研究阶段。随着这些制约因素的解决和可用频谱资源进一步紧张，相信协作通信技术会是一种理想的选择，最终将会广泛应用于实际的蜂窝通信系统中。

1.3.1 协作中继信道容量研究

人们对中继信道的理论研究开始于1971年Meulen 的工作[75]。他研究了图1-5所示的三节点构成的中继信道模型，并给出了该中继信道基本容量下界。在1979年，Cover 和EI Gamal [76]研究了加性高斯白噪声(AWGN)信道下的中继信道的信息论特性，第一次给出了不同编码方案和总容量的上界，并得到了一些最为重要的容量研究成果。关于无线协作中继的信息论方面的研究一直是大家所关注的热点领域[44, 47, 77-91]。由于中继信道本身的复杂性，以及在90年代人们把网络信息论理解为纯粹的数学理论而没有实际的应用驱使，使得这期间关于中继信道的研究并没有新的进展。随着网络信息论的发展，基于协作中继技术的一些应用取得了很大的性能增益[12, 14-18, 67-69]，从而再一次吸引了许多学者对协作中继技术的理论研究工作。

图1-5三个节点协作中继信道示意图

1.3.2 协作策略的研究

1998年，Sendonaris 等在文献[16]中首次将协作分集概念引入到蜂窝网中，并指

出小区内的两个用户通过相互转发彼此的数据不仅可以增加系统容量还可以增强系统的鲁棒性。Laneman等[17, 18]研究了不同的用户协作策略以及其接收机结构，分析了不同协作策略的性能，并指出采用放大中继节点的分集发射在能量效率方面是最为有效的传输方式。随着人们对协作中继技术进一步研究，产生了多种技术与协作中继的融合，这包括Ad hoc网络[92, 93]、WSN网络[33, 36]、无线Mesh网络[37, 40]以及多跳与蜂窝网的融合[6, 12, 15, 67-69]。Hunter等[19, 94]首先将信道编码引入到协作中继，该策略是用户转发协作伙伴的冗余信息，而非重复方式地转发。基于RCPC码[95]，协作伙伴通过转发对方码字的不同部分，从而获得上行发射分集，结果表明通过一定的编码协作，可以有效降低系统的误码率并可以极大改善系统的性能[24, 96-101]。此外，关于卷积码、Turbo码、LDPC码[102]、以及分组码等方式的编码协作出现了许多研究成果[20, 21, 24, 52, 103-109]。随后，Sendonaris等在文献[22, 23]中研究了CDMA系统下的用户协作的信号处理算法，并给出了协作带来的覆盖的增加量，同时还给出了用户协作的实现方面的理论。Laneman等在文献[25]中对几种最为经典的协作中继协议进行了非常深入的研究，这包括AF策略、DF策略、选择中继(Selection relaying，SR)、增量中继(Incremental relaying，IR)。随着协作中继技术研究的进一步深入，近来出现了很多新的协作协议和策略，这包括将已有的方法相互融合而成的混合协议[110-113]。其中，文献[110-112]研究了压缩转发(Compress-forward，CF)，中继节点转发源节点的量化、压缩、或者估计值。

1.3.3 协作中继技术的性能分析

性能分析是比较和选择不同协作策略最为直观的方式，通过性能分析，可以为合理设计系统算法指明方向。协作中继通信技术之所以受到学术界的关注，就是因为其优越的性能增益[16, 19, 22, 25, 114]。因此，关于不同协作中继协议的性能分析是一个比较热的研究点，这包括，误码率(Bit error rate，BER)[19, 43, 94, 115]、误符号率(Symbol error rate，SER)[45, 116, 117]以及中断率(Outage probability) [101, 118-122]等性能分析。由于协作中继通信涉及多个协作节点的信号联合处理，关于性能分析显得十分复杂，大多不能得到精确表达式。基于大SNR下近似估计[25, 43]和矩母函数(MGF) [45, 118, 120]的

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方法成为了分析性能的主要方式。

1.3.4 协作伙伴选择策略研究

在含有多个节点的协作网络中，协作伙伴的选择显得十分重要[97]。虽然选取更多的中继节点可以获得更好的性能，但是随着中继节点数目的增加，带来的性能增益将增加缓慢，有的增益甚至开始下降，而协作算法、信号检测以及多址问题等的复杂度也会增加，网络成本也会提高。因此，目前关于协作伙伴选择的研究趋于在多个候选节点中，根据一定的优化目标选择一个最佳的作为协作伙伴[123, 124]。协作伙伴的选择有集中式算法[124, 125]和分布式算法[123, 125, 126]。集中式中继选择策略需要节点之间交互大量的信息到指定的网络控制节点，从而增加了系统的复杂度。分布式的中继选择算法则不需要全局信息的机制，是比较理想和可行的算法。对于有功率限制的应用领域，用户选择算法还需要考虑到单个协作节点以及整个网络的功耗约束，从而对用户选择策略算法[126, 127]提出了更高的要求。

1.3.5 协作中继系统的功率分配研究

协作中继系统的无线资源优化分配能有效提高系统的整体性能，具有重大的意义[128]。这种优化一般是基于整个网络总资源一定或者单个用户节点在基于时间的平均值一定的条件下进行的。无线资源的分配主要指的是功率资源和信道资源的分配。大多数功率分配关注的是在一个中继节点的网络中，最优分配功率以最大化容量[85, 87, 129]、最小化发射功率[130]、最小化中断率[85, 131, 132]等。文献[133-135]研究了源节点和多个中继节点的功率分配问题。文献[131, 136]研究了在已知信道平均统计信息下的功率分配问题。为满足多媒体通信的QoS要求，结合交叉层(Cross-layer)设计思想进行功率分配可以明显改善系统的性能[137]。随着未来移动通信系统的发展，高速数据传输和复杂算法协议必将消耗更多的能量和带宽，因此，协作通信协议的能量效率[42, 130, 138]和频谱效率[139]将会成为制约因素。因此，关于协作中继通信的研究具有非常重要意义，必将成为未来未来移动通信研究领域的热点技术。

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91.4 论文的体系结构和技术路线

本文在国家高技术研究发展计划（863计划）重大专项课题“新一代蜂窝移动通信系统无线传输链路技术研究（FuTURE ）”（编号：2003AA12331005），国家863项目“区域网虚拟多天线（MIMO ）传输关键技术研究”（编号：2008AA01Z204），以及国家自然科学基金项目“基于效用的自组织网络虚拟MIMO 协同通信研究”（编号：60802009）的资助下，对无线协作中继通信技术进行了创新性研究。

图1-6本文的技术路线

前文综述了当前无线通信技术的发展现状，在分析目前协作中继技术的研究成果以及热点研究问题之后，本文主要研究了无线协作中继通信的协作分集、以及协

作节点相关实现等技术，论文的主要内容和结构安排如下：

第一章是导论，首先介绍了论文的研究背景和意义、协作中继技术的相关应用、然后总结了协作通信系统的研究现状以及热点问题，最后给出了论文的研究内容。

第二章首先通过研究两个独立指数分布随机变量的线性函数的分布得到了DF 分集协议的中断率闭式解，接着利用矩母函数(MGF)的方法给出了MPSK调制下的系统的SER闭式解。本章所给出的中断率和SER的闭式解对于进一步研究DF分集协议相关的关键技术有重要的理论价值。

第三章研究了实现系统中断率最小的协作策略。根据反馈信息，选择DF和直接发射(DT)中可达数据率较大者作为当前发射模式，从而可以实现任意信道条件下的中断率最小发射。为了减少系统的反馈开销和计算复杂度，首先研究了在信道增益平面内最佳发射模式区域的划分，目的节点只需查看当前信道状态所属区域即可知当前最佳发射模式。基于以上结论，目的节点只需反馈一个发射参数到源节点和中继节点即可实现最小中断率协作策略。

第四章对编码协作策略进行深入研究，提出了一种基于有限反馈的编码协作策略。Hunter等首先将信道编码引入到协作通信中，并提出了基于RCPC码的用户编码协作策略。基于该策略，基站对直接发射帧解码并反馈解码结果到用户，而用户根据反馈信息调整协作帧内的数据发射。相比于Hunter提出的编码协作，所提出的协作策略不仅提高了用户的性能而且节省了大量的功率和带宽，并提高了用户的吞吐率和频谱效率。

第五章对无线协作系统中节点实现数据收发的算法结构进行了研究。在无线协作系统中，协作节点需要根据协作策略灵活调整数据发射与接收，因而对协作节点实现算法的扩展性和兼容性提出了更高的要求。基于模块化设计思想，本章首先设计出一种按比特映射方式调整协作节点发送数据包格式的透明发送机制，接着利用各通道轮询方法设计出一种接收多个协作节点数据包的多通道联合自适应数据接收机制。基于提出的数据收发机制，修改几个变量即可实现协作节点对任何收发协议的支持。本章所提出的数据收发机制不仅适用于无线协作中继通信系统，还适于任何有类似需求的系统。

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2 DF协作中继协议的中断率与误符号率闭式解

2.1 引言

由于协作中继通信算法涉及多个协作节点，且信号处理因协议策略的不同而不同，因此，关于协作策略的误码率(BER)[17, 19, 114]、中断率[18, 21]、误符号率(SER)[115-117]、容量[16, 47, 80]等分析显得极为重要。只有对给定模型下的协作策略性能有充分的认识才可以选择代价最小，性能最优的策略作为系统实现的方法，从而为系统算法设计指明了方向。然而，从Cover和Gamal[76]开始研究图1-5所示经典三节点协作中继信道容量的30年以来，对于加性高斯白噪声(AWGN)信道条件的信道的容量至今依旧是一个为解决的问题。Sendonaris等[16, 22, 23]首先将协作中继技术引入到CDMA系统中，提出了协作通信的概念以及具体的信号处理算法，然而他们只是使用了近似的方法得到了系统的可达数据率、吞吐率以及覆盖的性能。Laneman等最早研究了DF 和AF协议，并近似分析了不同接收机算法下多跳以及两跳无线网络的BER性能[17]，并在文章[18, 25]进一步研究了中断率性能。Hasna等人巧妙地应用调和平均数和矩母函数(MGF)的方法，近似分析了Rayleigh和Nakagami衰弱信道下AF和DF协议在多跳网络中的BER、SER、中断率、以及中断容量性能[43, 46, 114, 129, 140, 141]。Laneman等在文献[25]对含有直接路径的协作模型，近似分析了AF、DF、选择中继(SDF) 、以及增量中继(IR)等几种最为最为经典的协作策略的中断性能。虽然这些文献的研究可以在大信噪比(SNR)下能定性的分析系统的性能，然而不适应于小的或者中等SNR 情况。因此，关于协作中继协议精确性能分析[45, 118, 120]成了该领域内研究的热点问题。

本章将通过对DF分集协议深入研究，结合概率统计方法得到了DF分集协议的中断率性能以及MPSK调制系统的误符号率(SER)的闭式解。相比于传统的近似分析方法的局限性，本章所给出的结论适合于任意SNR下，并精确给出DF分集协议的中断率理论值。得到DF分集协议的中断率闭式解之后，借助于矩母函数的方法，我们得到了基于MPSK调制系统的SER闭式解。本章所提出的结论为分析DF分集系统性能奠定了理论基础。

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12本章内容安排如下：第2.2节首先介绍无线通信系统的中断率概念，以及矩母函数(MGF)分析误码率的方法；接着，第2.3节分类介绍AF 和DF 协作策略以及其性能特性；第2.4节给出了基于DF 协作分集策略的信道模型，并从两个函数的统计特性角度出发得出要解决的目标问题；基于第2.4节提出的问题，第2.5节进一步研究了两个随机变量的函数的概率密度函数(PDF)和累计分布函数(CDF)，首先得到任意SNR 下的DF 分集协议的中断率闭式解，接着借助于MGF 数学工具，得到了MPSK 调制下的系统SER 闭式解；基于第2.5节得到的中断率和SER 的闭式解，第2.6节给出了性能仿真以和讨论；最后，在第2.7节给出本章的小结。

2.2 中断率与矩母函数

在分析无线协作中继系统的性能的时候，会涉及到BER 、SER 、中断率、吞吐率、中断容量、遍历容量等多种性能度量。概率密度函数(PDF)和累计分布函数(CDF)是研究系统性能最为常见的方法，然而，由于许多复杂的过程和随机变量的PDF 和CDF 往往不能由定义求得，从而增加了系统性能分析的难度。然而，矩母函数(MGF)作为一个强大的数学工具，为很好的分析无线协作中继系统的性能提供了有利的手段[45, 117, 118, 120]。

2.2.1 中断率

中断率(Outage probability)是衡量无线通信系统性能的重要参数，通过该参数可以很好的反映系统的抗衰弱性能。设0γ为达到一定性能所必须的最小信噪比，s γ为信噪比随机变量，则中断率out P 定义为[142]：

s 0()out r P P γγ=< (2.1)

对于给定的参考信噪比，中断率越小则系统性能越好，可以字面理解为系统中断的概率小。另外，中断率还可以通过系统互信息与频谱效率来定义的中断事件。对于给定的目标频谱效率R ，系统互信息为I ，则中断率out P 还可以定义为[25]：

(I )out r P P R =< (2.2)

132.2.2 矩母函数

在分析衰弱信道中的各种调制的性能时，矩母函数(MGF)是一个非常有用的工具，无论是分集或非分集的情形都能适用。本小节将介绍使用矩母函数来研究衰弱信道中的平均误码率的方法。非负随机变量γ的矩母函数[143]定义为：

0()()s r M s p e d γγγγ∞

=∫ (2.3) 其中()r p γ，0γ≥是γ的概率密度函数。若将s 取负号，上式就是()r p γ的拉普拉斯

变换，即[()](-)r p M s γζγ=。因此，大部分衰弱分布的矩母函数都可以通过标准的拉普拉斯变换或者积分的方法得到。文献[143]给出了对于常见的衰弱分布的矩母函数，具体可以表示为：

(1)、Rayleigh 衰弱：

1s ()(1-)M s s γγ?= (2.4)

(2)、Ricean 衰弱(K 因子)：

s s s

1()exp[11Ks K M s K s K s γγγγ+=

+?+? (2.5) (3)、Nakagami-m 衰弱： s ()(1-m s M s m

γγ?= (2.6) 为了用矩母函数计算衰弱信道的平均误码率，首先先把AWGN 信道中的误码率表示成s γ的指数函数：

12s exp[]s P c c γ=? (2.7)

其中1c 和2c 都是常量。或者把误码率表示成这种指数函数在有限区间上的积分：

12s exp[]B

s A P c c dx γ=?∫ (2.8) 其中2c 可以和积分变量x 有关，但它不能出现在积分限上，信噪比s γ与积分变量无关且也不出现在积分限上。这些表达形式使衰弱信道中的平均误码率可以用矩母函数来表示。具体来说，如果12s exp[]s P c c γ=?，那么

1412s 120exp[-]()(-)s s s P c c p d c M c γγγγγ∞

==∫ (2.9) 若12s exp[]B

s A P c c dx γ=?∫，则 12(-())s B

s A P c M c x dx γ=∫ (2.10) 由此可知，借助于矩母函数的方法求解无线通信系统中的平均误码率成为了一种有据可依的通用处理过程。该类问题的关键在于把系统在AWGN 下的误码率转换为式 (2.7)和式(2. 8)的形式。

2.3 AF 和DF 协作中继协议

Sendonaris 等[16]首先把解码转发(DF)协作中继协议引入到CDMA 蜂窝网中，并研究了系统的容量和中断性能。随后，Laneman 在文献[17]中研究分布式天线共享技术的时研究了放大转发(AF)和解码转发(DF)策略，并且分别研究了多跳与两跳协作中继以及不同译码结构时AF 和DF 的性能。在协作中继网络中，根据中继节点对源节点信息处理方式的不同，这包括AF 、DF 、编码协作(CC)[19]、空时编码协作(STCC)[21]等多种方式。AF 和DF 是最为常用和简单的协作策略，已经广泛应用于实际的协作通信系统中。由于目前无线技术的限制，协作节点一般不能在同一个频带上同时接收和发射数据。因此，在协作通信过程中，源节点和目的节点采用正交方式发射数据，这包括FDMA 、CDMA 和TDMA 方式。为了方便描述，本论文选择如图2-1所示的三个节点构成的协作网络，并协作节点将工作于TDMA 方式下的半双工模式。

图2-1 AF 和DF 协作中继模型

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