协作通信中的功率分配技术研究.pdf

1、单位代码： 10293 密 级： 硕 士 专 业 学 位 论 文 论文题目： 协作通信中的功率分配技术研究 Y202092437 郭任伟 于舒娟 副教授 工程硕士 申请 全日制 在职 申请 电子与通信工程 二一二年二月 学 号 姓 名 导 师 专业学位类别 类 型 专业（领域） 论文提交日期 南京邮电大学学位论文原创性声明 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，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡

2、献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本人学位论文及涉及相关资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 研究生签名：_ 日期：_ 南京邮电大学学位论文使用授权声明 本人授权南京邮电大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档；允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。本文电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。论文的公布（包括刊登）授权南京邮电大学研究生院（筹）办理。 涉密学位论文在解密后适用本授权书。 研究生签名：_ 导师签名：_ 日期：_ 南 京 邮 电 大 学 工程硕士学位论文摘

3、要 学科、专业：工程 电子与通信工程 研 究 方 向：无线通信系统中的信号处理技术 作 者： 2009级研究生 郭任伟 指 导 教 师： 于舒娟 副教授 题 目：协作通信中的功率分配技术研究 英 文 题 目：The research of power allocation in cooperation communications 主 题 词：中继协作，功率分配，子载波选择，中继选择，信道容量 Keywords: relay cooperation, power allocation, subcarrier selection, relay selection, channel capacit

4、y 南京邮电大学全日制工程硕士学位论文 摘要 I 摘要 中继协作通信技术近年来得到了快速的发展，其基本思想是在多用户通信环境中，使用单副天线的各临近移动用户可按照一定方式共享彼此的天线协同发送数据，从而产生一种类似多天线发送的虚拟环境，获得空间分集增益，提高系统的传输性能。功率分配是中继协作通信中的一项关键技术，由于功率资源是有限的，因此对功率进行高效地利用成为各国学者研究的重点。协作通信中存在中继选择的问题，所有中继均参与协作会造成系统在反馈和同步等诸多方面的巨大负担，因此，有效地选择协作中继对提升系统性能有很重要的作用。 本文综合考虑中继选择问题，对 AF 协作方式的两跳多中继网络进行功率

5、分配问题的研究。首先分析了非并行和并行数据传输模式下的非选择中继功率分配方案，接着在此基础上，针对非并行传输模式，提出了最优子载波中继选择方案，该方案使得系统在接收机的设计方面更加简单，同时也降低了系统在同步和峰均比方面的要求；针对并行传输模式，为了降低多时隙传输对系统传输速率的影响，提出了并行模式中的最优单中继选择方案。考虑到最优单中继选择方案中对好状态的子载波存在浪费问题，随后本文将选择最优子载波的思想应用其中，提出了并行模式中的最优子载波选择方案。最后通过仿真，从系统传输速率角度加以分析，并行模式中的两种中继选择方案在系统的传输速率方面要明显优于非选择中继功率分配方案，体现了最优子载波选

6、择方案的优势。 关键词：中继协作，功率分配，子载波选择，中继选择，信道容量 南京邮电大学全日制工程硕士研究生学位论文 Abstract II Abstract Relay-based cooperative communication technology has developed rapidly in recent years. The basic idea is that in the communication environments with several single-antenna users, the mobile users can share other users a

7、ntennas to send data collaboratively according to a certain way, so as to produce a virtual environment with multiple antennas, get spatial diversity gain, and improve the systems transmission performance. Power allocation is one of the key technologies in the relay-based cooperative communication.

8、Due to power resource is limited, so how to use the power efficiently has attracted a great deal of attentions from various countries scholars. The problem of relay selection exists in the relay-based cooperative communication. If all relays are involved in cooperative communication, the system will

9、 bear a huge burden in many aspects such as feedback and synchronization, therefore, selecting cooperative relay effectively plays an important role in the improvement of the system performance. This paper considered the problem of relay selection and power allocation scheme in two-way AF relay syst

10、em. First it analyzed the non-selection relay power allocation scheme carefully in the non-parallel and parallel data transmission modes. Base on this scheme, it proposed the optimal subcarrier selection scheme in the non-parallel transmission mode, this scheme not only made the receiver of the syst

11、em more simple in design, but also reduced the requirements of the system in synchronization and peak-to-average power ratio. For parallel transmission mode, in order to reduce the influence of the transmission rate with several timeslots, the paper put forward the optimal single relay selection sch

12、eme in the parallel mode. Considering to the optimal single relay selection scheme exists the waste of subcarrier in the good state, this paper applied the optimal subcarrier selection to this scenario and put forward the optimal subcarrier selection scheme in the parallel transmission mode. Finally

13、, the simulations in terms of the transmission rate showed that the two kinds of relay selection schemes in parallel mode are obviously better than the researched power allocation scheme without selection, which is the advantage of our schemes. Keywords: relay cooperation, power allocation, subcarri

14、er selection, relay selection, channel capacity 南京邮电大学全日制工程硕士研究生学位论文 目录 III 目录 摘要.I Abstract . II 目录III 第一章 绪论1 1.1 移动通信的发展.1 1.2课题的背景及研究意义3 1.3 本文的研究内容及结构安排4 第二章 中继协作通信概述.6 2.1中继协作通信的发展6 2.2选择中继.7 2.3中继功率分配9 第三章 非并行模式下的功率分配 11 3.1中继功率优化问题的表述. 11 3.2非选择中继下的最优功率分配.13 3.3选择中继下的功率分配16 3.3.1最优子载波选择16 3.

15、3.2子载波间功率分配.17 3.4算法仿真.18 3.4.1非选择中继方式的功率分配系统速率19 3.4.2中继选择方式下的系统速率.19 3.4.3中继数量对系统速率的影响.21 3.5本章小结.21 第四章 并行模式下的功率分配.25 4.1中继功率优化问题表述25 4.2非选择中继下的最优功率分配.27 4.3选择中继下的功率分配31 4.3.1最优单中继选择方案.31 4.3.2最优子载波选择方案.33 4.4算法仿真.34 南京邮电大学全日制工程硕士研究生学位论文 目录 IV 4.4.1非选择中继方式的功率分配系统速率35 4.4.2单中继选择方式下的系统速率.35 4.4.3最优

16、子载波选择方式下的系统速率36 4.5本章小结.37 第五章 总结与展望.43 5.1工作总结.43 5.2未来研究方向43 致谢44 参考文献45 南京邮电大学全日制工程硕士研究生学位论文 第一章 绪论 1 第一章 绪论 随着社会的发展，通信技术的发展对社会的推动作用越来越大，为社会创造了巨大的财富。人们对通信的依赖性越来越越大，因此对通信的水平也提出了更高的要求。通信的目标是实现任何人在任何时间，任何地点与其他任何人进行任意方式的通信1。移动通信是一门非常复杂的技术，集中了计算机技术、网络技术和无线通信的最新技术和研究成果。移动通信技术经历了从模拟到数字化的飞速发展，随着科技水平的不断提高

17、，移动通信将会达到更高的发展阶段。 1.1 移动通信的发展 移动通信已经广泛地应用到了人们的日常生活中，成为世界各国重点发展的高新技术。人们对移动通信与日俱增的需求促进了移动通信的飞速发展。20 世纪 80 年代，第一代模拟移动通信系统开始商用，在之后短短的十几年间第二代移动通信系统就带来了通信业的空前繁荣，如今第三代移动通信系统已经得到了商用，并且对第四代系统的深入研究也在进行中，移动通信的飞速发展创造了通信史上的辉煌。 第一代模拟通信系统出现于20世纪80年代，采用了频分多址接入（Frequency Division Multiple Access, FDMA）技术。由于当时模拟技术非常成

18、熟，因此在无线通信发展初期得到了广泛应用，如美国的AMPS和英国的TACS等都是典型的模拟系统。其缺点主要包括频谱利用率低，系统的抗干扰能力和保密性差。 第二代数字通信系统（2nd Generation, 2G）的接入技术主要包括码分多址接入（Code Division Multiple Access, CDMA）技术和时分多址接入（Time Division Multiple Access, TDMA）技术。相比第一代模拟系统，它可以提供更高的传输速率。典型的系统包括欧洲的全球移动通信系统GSM（Global System for Mobile）、日本的个人数字蜂窝系统PDC（Persona

19、l Digital Cellar）、北美的数字增强型系统IS-95（Interim Standard 95）等。 第三代移动通信系统（3rd Generation, 3G）的主流标准主要有我国提出的 TD-SCDMA（Time Division Synchronous Code Division Multiple Access）、美国提出的CDMA 2000、欧洲和日本提出的WCDMA（Wideband Code Division Multiple Access）。系统频谱利用率高，抗干扰能力强，并且能够满足宽带多媒体通信的要求。WCDMA 系统的核心网基于 GSM-MAP（Globle Sy

20、stem for Mobile Communication, Mobile Application Part）。CDMA2000系统采用了直接扩频码分多址技术的无线接口，其核心网基于 ANSI-41（American National Standards Institute 41）。TD-SCDMA标准采用了智能天线和低码速率技术等，能够达到很高的频谱利用南京邮电大学全日制工程硕士研究生学位论文 第一章 绪论 2 率，能够解决高人口密度区的频率资源紧张问题，并在移动互联网等非对称移动数据业务方面有突出优势。 从20世纪中后期开始，移动通信技术和市场得到了迅速发展，从第一代移动通信系统很快发展到

21、了目前的第三代系统，并且将会继续发展下去。未来移动通信技术将会朝着如下方向发展：网络业务采用分组数据，网络带宽增大，网络设备更具有智能性，使用更高的频段，更有效地利用频谱频率2，移动网络更具综合性，各种网络的融合，高速率、高质量和低费用等。由此，第四代移动通信（4th Generation, 4G）技术的研究在全世界快速兴起。 第四代移动通信采用分布式网络，并允许宽带接入，具有非常高的非对称数据传输能力。宽带无线局域网和宽带移动系统就具有第四代移动通信的技术特点。此外，宽带无线局域网、宽带综合业务数字网和异步传输模式兼容，所以它将是集多种功能于一身的宽带多媒体通信系统，除了能够提供信息通信功能

22、外，还可以提供数据采集、精确定位和远程处理等综合功能。第四代通信将是一个更完美的新无线世界，其主要的技术要求和指标有: （1）通信速率高，发射功率低。 4G系统的数据速率可以从3G的2Mbps提高到100Mbps，甚至更高。同时，系统的可实现性和无线频谱的利用率能大幅度提高。较低的发射功率能够有效解决通信过程中出现的电磁干扰问题。 （2）通信终端智慧性高，网络接入更灵活。 终端设备在实际操作过程中具有智慧性，系统采用的智能技术能够对资源进行自适应地分配，能够实时监测通信过程中的业务流，并及时作出调整，从而满足用户对服务质量的要求。采用智能信号处理技术后，对各种复杂信道环境中传输的信号都能够进行

23、正常的接收。 4G系统能够广泛用于各种电信环境中，它采用先进的无线接入技术，支持各种空中接口，提供话音、高清晰度图像业务、会议电视、广播、娱乐以及虚拟现实业务等丰富的多媒体业务3，为在任何时间、任何地点全速移动的用户提供高质量的信息服务。多媒体业务与移动通信的结合极大地开阔了人们的视野，也加快了社会信息化的步伐。 （3）系统兼容性更好，容量更大。 目前，全球存在多个具有相当规模的移动通信标准，通过制定第四代移动通信标准来解决与现存系统的兼容问题。系统有可能引入空分多址接入（Space Division Multiple Access, SDMA）技术，该技术将会采取自适应波束，因此在系统的容量

24、方面会有很大的提高。 （4）通信费用较低。 由于系统引入了许多尖端技术，与现存系统的兼容性问题得到了很好的解决。因此，4G通信的部署工作就比较容易，相应的网络成本也会降低，用户能够方便地进行服务升级，不南京邮电大学全日制工程硕士研究生学位论文 第一章 绪论 3 会带来过高的升级成本。 新一代移动通信系统要实现高速率和高质量的多媒体通信，就必须具备较高的频谱利用率和足够的信道抗干扰能力，这就对系统采用的技术提出了更高的要求，4G系统中的主要技术有： （1）正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM）技术。OFDM是一种特殊的多载

25、波传输技术，相互正交的各子载波在扩频调制后的频谱可相互重叠，不但减少了子载波间的相互干扰，还大大提高了频谱利用率。其主要的技术特点包括：有效对抗信号波形间的干扰，适用于多径环境和衰落信道中的高速率数据传输；各子载波的联合编码，具有很强的抗衰落能力；各子信道的正交调制和解调可通过离散傅立叶反变换和离散傅立叶变换实现；较易与其他多种接入方式结合4。 （2）智能天线技术。由于采用智能天线技术的宽带系统设想在终端内安置多副天线，因此，研究主要集中在波长很小的毫米波，这样才能发挥该技术的优势。智能天线采用智能化空时处理算法和波束成型等技术自动跟踪信号，抑制干扰以及数字波束调制等，做到真正高效利用频谱资源

26、，提高系统可支持的速率和容量。 （3）软件无线电技术。在4G移动通信系统中，硬件设备将会变得很复杂。为此，专家认为可以将软件无线电技术作为3G通向4G的桥梁。软件无线电是将标准化、模块化的硬件功能单元经过一个通用硬件平台，利用软件加载方式来实现各种类型的无线电通信系统的、具有开放式结构的新技术。通过下载不同的软件程序，在硬件平台上可以实现不同的功能，能够实现同一终端在不同系统中的漫游。 总之，第四代移动通信技术正在研制过程中，相关的协议和标准也在进一步完善，我们相信第四代移动通信技术凭借其新颖的技术，定会使我们未来的移动通信技术变得更加高效和实用5。 1.2课题的背景及研究意义 宽带多媒体业务

27、是未来无线通信的发展方向，系统在带宽和传输速率方面就必须满足相应的要求。为了满足多媒体业务的需求，现有的移动通信网络必须提高基站覆盖率，这样会增加组网成本。 近年来提出的多天线技术是新一代无线通信系统的关键技术，该技术通过空间分集可有效地抵抗信道衰落的影响，提升系统性能。但由于受终端功耗、尺寸等多方面的影响，很多终端不适合安装多天线，因此，多天线技术在一些系统中的应用在一定程度上受到了限制。 针对该问题，学者们提出了中继协作分集的新思路。通过中继与源端共同协作来实现信南京邮电大学全日制工程硕士研究生学位论文 第一章 绪论 4 号的有效传输。采用中继协作技术，可以提高系统的容量，扩大基站的覆盖范

28、围，减少通信中的盲区，同时解决了因增加基站覆盖率而带来的高成本问题。中继与源端协作形成了虚拟多天线，能够达到分集复用的作用，可以有效地对抗衰落，从而让很难安置多天线的终端实现了多天线技术带来的优异性能。另外，各中继可以和用户终端共享频谱资源，具有很高的频谱效率；在中继与用户终端上实施有效的功率分配策略，可以提高功率效率，降低设备的功耗。 作为一个新的研究领域，中继协作技术具有众多优点，可以有效地解决通信过程中的一些重要问题，吸引了大批的学者对其进行研究。中继协作技术可应用在多种无线通信系统中，具有很广阔的应用领域。基于中继协作的优点及其应用前景，另外，中继协作属于虚拟多天线技术，因此，本论文选

29、择对中继协作技术进行研究，具有较大的研究价值和应用价值。 1.3 本文的研究内容及结构安排 在采用中继协作技术的通信网络中，由源节点发射的信号要经过中继节点处理之后才能向目的节点传输，这就要考虑到如何选择分集模式以及如何进行资源的有效分配等问题。分集模式的差异会影响系统的分集增益，进而会影响系统性能的提升，常见的协作分集模式包括放大转发（Amplify-and-Forward，AF）、解码转发（Decode-and-Forward，DF）、编码协作（Coded Cooperation，CC）等。另外，功率是通信系统的宝贵资源，对通信节点特别是中继节点进行功率分配成了资源优化分配研究的重点，高效

30、的功率分配方案可以显著提高中继协作通信系统的性能。 本文采用多中继协作方式下的通信系统模型，为了对抗频率选择性衰落信道的影响，系统采用了OFDM技术。在所有中继均采用AF协作分集模式的基础上，论文首先在非并行和并行两种模式中，认真研究了非选择中继方式下的中继功率分配算法。为了进一步改善系统在数据速率方面的性能，将选择中继思想融入到模型中，提出了在两种模式中的选择中继方案，并在此基础上进行功率的优化。 本文共分为五章，其结构安排如下： 第一章绪论，主要介绍了无线通信的发展，并对本课题的背景及研究意义进行了阐述。 第二章对中继协作通信的发展及研究现状进行了全面的总结。 第三章基于非并行传输模式，首

31、先研究了所有中继在和功率约束下的最优功率分配问题，并在此基础上提出了非并行模式中的最优子载波选择功率分配方案，并对各种算法进行了仿真分析。 第四章基于并行传输模式，首先研究了所有中继在和功率约束下的最优功率分配问题，南京邮电大学全日制工程硕士研究生学位论文 第一章 绪论 5 并在此基础上提出了并行模式中的最优单中继选择功率分配方案和最优子载波选择功率分配方案，最后对各种算法进行了仿真分析。 第五章对本文研究的内容进行了总结，并指出了未来的研究方向。 南京邮电大学全日制工程硕士研究生学位论文 第二章 中继协作通信概述 6 第二章 中继协作通信概述 2.1中继协作通信的发展 协作通信技术近年来得到

32、快速发展，基本思想是在多用户通信环境中，相互临近的移动用户间可共享彼此的天线进行数据的传输，这样等效产生类似于多天线发射的虚拟环境，系统可以获得空间分集增益，其性能也会得到提高6。在传统通信网络中，数据的传输是在移动用户和基站之间直接进行的，中继参与协作后，增加了系统的分集优势，使传统网络达到了多天线系统的效果，并且可以实现多跳传输的性能增益。 关于这方面的研究可追溯至上世纪七十年代，最早讨论的是三节点中继信道的容量问题7,8。近年来，随着多输入-多输出技术（Multi-input Multi-output，MIMO）的发展，中继协作通信成为了无线通信领域的研究热点，多天线技术要求天线间距为若

33、干个波长，这样产生的统计独立信号才能通过合并后抵抗无线信道中的衰落现象，为系统提供空间分集增益9。在实际中，移动终端的尺寸限制了多天线技术的应用，于是在源和目的节点间添加中继来形成分布式的虚拟天线阵列，借此来提高系统的空间分集增益10,11。除提供协作分集增益外，由于电磁波强度在近地表环境下依距离四次方衰减，因此，在无线网络中设置中继还可以提高功率效率12。例如，在 Ad-hoc 网络和传感器网络中设置中继可以在达到目标服务质量的前提下节省功率资源，从而延长节点及网络寿命；在蜂窝网中设置中继可以在系统功耗一定的情况下增大通信的有效覆盖面积13。除此之外，中继协作通信还能够提升系统的容量以及降低

34、差错概率等。 中继协作通信需要经过中继对信息的共享和传输两个阶段来实现数据传输，Hong 等14将这两个阶段分别命名为协调阶段和协作传输阶段。各中继在协调阶段获取需要接力传输的信息；目的节点在协作传输阶段获得来自于各中继的信息。可以看出，协作通信与传统的非协作通信的主要区别在于：使用多个信道资源以实现对同一信息的传输；接收端能够对多个信号进行恰当的合并15。对于中继协作通信系统可以从以下几个角度进行归类。 依据中继的工作原理划分，可以将中继分为AF型、DF型、CC型和压缩转发型（Compress-and-Forward，CF）等几种，其中，AF中继对接收信号进行功率放大后转发，其缺点在于噪声沿

35、传输路径累加；DF中继需要进行解调-解码-编码-调制的过程，其缺点在于会导致差错扩散；CF中继通过对接收信号进行压缩或量化来分析中继与目的节点接收信号间的统计相关性；与DF中继相比，CC中继在编码阶段加入了额外的差错保护16。目前，AF和DF型中继因具有简单、直观等优点成为大多数文献讨论的重点。 南京邮电大学全日制工程硕士研究生学位论文 第二章 中继协作通信概述 7 依据信息在传输过程中被中继处理的次数，中继系统可分为两跳系统和多跳系统。传统的蜂窝移动通信网络就是典型的两跳系统，而对于复杂度及功率资源受限的远距离传输场景就需要采用多跳系统，如用于传感器网络等。当多个中继共同参与通信时，他们之间

36、可通过并行或非并行模式来进行协作，在并行模式下，中继使用正交时隙（如采用TDMA技术）或频隙（如采用FDMA技术）向目的节点发送数据，目的节点对各中继信号使用最大比合并器（Maximum Ratio Combiner，MRC）可最大化系统的端对端输出信噪比，例如Zhao17、Chen18的研究均采用了并行模式；在非并行模式下，各中继同时同频地与目的节点通信，目的节点收到的是各中继信号的线性叠加，它无法将各信号区分开，例如 Larsson19、Quek20及 Jing等21,22的研究均采用该模式。与并行模式相比，尽管非并行模式无法获得最大的输出信噪比 (signal to noise rati

37、o, SNR)，但它消耗的系统资源相对较少。 依据源端和目的端配置的天线数目，可将中继系统分为MIMO系统和单天线系统23。MIMO技术可为系统带来复用增益24，针对多中继的两跳AF型MIMO系统，研究表明，若各中继的天线个数均大于源和目的节点的天线个数，那么系统可以获得的复用增益与无中继的MIMO系统相同；针对单中继的两跳AF型MIMO系统，Tang25、Munoz26及Fan等27均独立地提出了最优的中继收发结构，该结构能够最大化系统的瞬时可靠速率。后来，Rong等28进一步将该最优结构推广至每跳仅经历一个中继的多跳系统。 有关中继协作通信技术的研究主要围绕分布式空时码设计29,30、中继

38、选择及功率控制等几个方面展开，其中，前两方面的问题是中继网络所特有的问题。下面对协作通信中的中继选择和功率控制问题进行详细介绍。 2.2选择中继 协作通信中存在选择中继的问题。所有中继均参与协作会对系统造成反馈和同步等诸多方面的巨大负担，因此，对于由简单中继所构成，且复杂度受限的大规模网络来说，让所有中继参加协作是无法实现的，例如Ad-hoc网络及传感器网络等31。相对于全部中继参与协作的模式而言，仅选择部分中继进行协作也许会降低系统某些方面的性能，但是，和减少的系统负担相比，该性能损失是非常小的，例如，Bolcskei等32研究指出，大规模两跳MIMO中继网络的容量关于中继数量呈 2log2

39、M K 的变化趋势，其中M 代表源与目的节点配置的天线数目，K代表中继数目，因此，若协作中继的数量减少一半，那么对系统容量性能造成的损失仅为 2M bps/Hz，但是，由于每个中继都需要根据自己精确的信道状态信息（Channel State Information，CSI）来进行发射匹配滤波，因此，目的节点仅需对剩余的另一半中继进行CSI南京邮电大学全日制工程硕士研究生学位论文 第二章 中继协作通信概述 8 反馈，极大的减轻了系统负担。此外，相对于全部中继参与协作的模式，仅在其中选择部分进行协作反而可能提高系统在某些方面的性能33。例如，对于点对点的两跳并行 AF 型中继系统而言，系统的信道容

40、量为 11log K SNR ，若所有中继均参与协作，那么系统的中继数目和输出 SNR 要同时达到最大，若仅部分中继参与协作，则 SNR 和中继数目在同时减小的情况下，反而可能提升系统速率性能；对于非并行的 AF 中继系统而言，减少协作中继数目会同时减少目的节点处的有用信号功率和噪声功率，因此反而可能增加系统的瞬时输出SNR，进一步，由于非并行模式下的速率损耗因子为12，是一个固定值，所以减少协作中继数目反而可能提升速率性能34。虽然是部分中继参与协作，但是依然能够获得全中继参与时的最大协作分集度，原因在于选择过程是对各中继信道质量按照一定的标准进行了排序。Zhao 等17和 Jing 等35

41、研究表明，对于点对点的两跳中继系统，选择具有最大输出 SNR 的单个中继可获得在并行和非并行模式下的系统满分集度。下面对目前中继选择领域的研究现状进行总结。 针对DF型中继系统，Ibrahim等36给出了能够提升系统传输速率，且能同时达到满分集度的单中继选择方案，该方案基于部分信道信息，其中，源节点只知道自身到中继和目的节点的精确 CSI；后来，他们37又提出了能够获得更高带宽效率，并且能够同时获得满分集度的单中继选择策略，该策略的选择依据是系统中CSI 模值的调和平均，因此也是一个基于部分信道信息选择方案。针对DF型中继，Bletsas等38提出了机会接力中继选择方案，是一种基于接收 SNR

42、 阈值的单中继选择方案，在该方案中，各中继把前、后向信道输出 SNR 较小的那个作为互相对比的值，然后，系统选择具有最大值的那个中继进行协作，该方案同样能够达到满分集度，并且，它能够在仅选择一个中继的条件下使系统速率最大。类似地，Beres等39提出了选择协作（selection cooperation，SC）的概念，首先，系统基于给定的SNR阈值选择出第一跳中所有能够正确解码的中继，然后，在这些中继中，选择出在第二跳具有最大输出 SNR 的那个中继进行协作，该策略也能够达到满分集度。Michalopoulos40将 Bletsas38和Beres39的结果进行了性能比较，研究表明，在系统中断

43、概率方面，选择协作要优于机会接力，但两者在误比特率方面的性能却是互有优劣。 针对两跳AF型中继系统，Zhao等34提出了以最大化系统输出SNR为目标的最优单中继选择方案，并从误符号率（Symbol Error Rate，SER）角度证明了该方案能够达到系统的满分集度。后来他们又提出了以最大化系统可靠速率为目标的最优单中继选择方案17，并从中断概率的角度证明了该方案同样能够达到系统的满分集度。 如上所述，绝大部分的工作都是针对单中继选择进行的。相比之下，多中继选择问题涉及到两个层面的问题，即“选几个”和“选哪些”，因此显得更加复杂。由于最优选择方案的复南京邮电大学全日制工程硕士研究生学位论文 第

44、二章 中继协作通信概述 9 杂度关于中继数目呈指数量级变化，因此，设计多项式量级且性能良好的次优策略成为了研究的重点。Michalopoulos等41针对两跳并行AF型中继系统，基于在总功率约束下最大化系统输出 SNR 和在达到给定目标 SNR 的约束下最小化系统总功率消耗这两个标准进行多中继选择，文章给出了低复杂度的次优选择策略及最优的源与中继联合功率控制。Jing 等35针对两跳非并行AF中继系统进行中继选择，中继要么使用全部功率参与协作，要么不参与协作，将最大化系统输出 SNR 作为选择的依据，并且首先证明了不存在线性复杂度的最优选择方案，随后提出了一种二次方量级的次优中继选择策略，该方

45、案能达到系统最大分集度，并且在输出SNR方面要优于其他已有的线性复杂度的次优策略。本文在后面的章节中就提出了一种基于最优子载波的中继选择方案。 2.3中继功率分配 由于提供给系统的功率资源是有限的，所以，针对不同目标的功率优化问题一直以来都是无线通信领域的研究热点。功率控制问题首先出现在并行独立子信道系统容量的求解问题中，Gallager和Cover8等提出的著名的注水算法，该算法可以用于计算MIMO系统及OFDM系统的信道容量等。功率分配作为中继协作通信中的一项关键技术成为各国学者研究的重点，在传统CDMA系统中，进行功率控制为了克服远近效应的影响，而协作通信中的功率分配是针对不同的系统模型

46、，依据某些评判准则，考虑在不同的约束条件下将有限的功率在各通信链路上进行合理分配，能够更高效地利用功率资源，进一步提高中继系统的性能4。当前关于中继协作通信系统中功率分配问题的研究很多，出现了多种系统模型，而且也得出了很多成果。下面对目前功率控制问题的研究现状进行总结。 对于包含单个AF型中继的点对点两跳系统，在频率平坦性（Frequency-Flat，FF）衰落信道环境下，Li等15提出了总功率约束下，基于精确的CSI并且能最大化系统瞬时输出SNR的最优源与中继联合功率控制方案；Gedik等42进一步将模型的信道估计问题考虑进来，提出了源与中继混合功率约束下的联合功率分配方案。针对该模型，在

47、频率选择性（Frequency-Selective，FS）衰落信道环境下，Hammerstrom等43用凸分析的方法提出了源或中继受独立功率约束时，能够最大化系统可靠速率的源或中继在各OFDM子载波上的最优功率分配，并且进一步证明了，在中继采用最优收发结构的前提下，该方法同样适用于FS信道环境下的两跳MIMO系统；针对该模型，Satio等44进一步讨论了FS信道衰落环境下的联合功率优化，其中，源与中继或者具有独立功率约束，或者具有总功率约束，并且将最大化系统的瞬时可靠通信速率作为优化目标。 对于由多个AF中继构成的点对点系统，并且中继均采用非并行模式进行协作时，南京邮电大学全日制工程硕士研究生

48、学位论文 第二章 中继协作通信概述 10 Larsson45、Jing21,22和Quek等20研究了FF信道衰落环境下的中继功率控制问题。其中，Larsson给出了中继总功率约束下的最优功率分配；Jing等首先提出了中继独立功率约束下能够收敛到最优功率控制的数值迭代算法，随后又给出了最优功率控制的解析结果；Quek等进一步研究了该模型在中继混合功率约束下的最优功率控制，并提出了能够收敛到最优解的二阶锥优化数值迭代算法。当中继采用并行模式进行协作时，Zhao等17提出了中继总功率约束及混合功率约束下的最优功率控制，同时，Li等15给出了该模型在源与中继总功率约束下的一种次优联合功率分配策略。前述各种功率控制策略都是基于各中继