1、单位代码： 10293 密 级： 公 开硕 士 学 位 论 文论文题目： 基于功率分配的中继节点选择策略的研究学姓导号名师Y001090223王倩倩黄学军 副教授学研科究专方业向通信与信息系统移动通信与无线技术申请学位类别论文提交日期工学硕士二零一二年二月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献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意
2、。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 学硕士学位论文摘要学科专业：工学 通信与信息系统研究方向：移动通信
3、与无线技术作 者：王倩倩指导教师：黄学军副教授题 目：基于功率分配的中继节点选择策略的研究英文题目： Research on Relay Selection Strategy Based onPower allocation主 题 词：协作分集，放大转发，中继选择，功率分配，信道容量Keywords: cooperative diversity, Amplify-and-Forward, relay selection,power allocation, channel capacity南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要摘 要中继节点的选择需要各个方面性能的折中，以便最大限度的提高整体的服务
4、质量。论文主要研究的是基于功率分配的中继节点选择策略。首先，论文介绍了基于 AF 多中继协作的传统模型，提出了等功率分配（ EPA）和优化功率分配（ OPA）方案。分析并模拟仿真了两种方案的信道容量和中断概率性能，得出了 OPA方案性能优于 EPA 方案的结论。但是在多中继节点参与协作的方案中，系统的信道容量并不能随着中继节点数目的增加而提高，所以需要进行中继节点的选择。其次，论文研究了单中继节点选择的策略，以目的接收端的信噪比最大化和优化节点上的功率分配为目标函数进行中继节点的选择，分析了该方案的信道容量、中断概率和平均误符号率性能，在瑞利衰落的信道条件下对该方案的三种性能进行了模拟仿真。仿
5、真结果显示不同信道条件和不同大小的候选中继节点集合下该方案的性能比传统的多中继协作的 OPA方案有明显的提高。最后，论文进一步研究了基于 AF 的中继部分链路协作模型，分析了是否要协作和与谁协作的问题，提出了在各中继节点和无线网络总功率受限的条件下，以信道容量最大化为目标的一种方案。其中将直传链路与中继协作链路的信道容量进行比较，判断是否要协作。若需要协作，给出了中继节点选择的目标函数及限制条件，那就解决了与谁协作的问题，接着又给出了节点上功率分配的目标函数及限制条件，使得信道容量最大化。在仿真环境中加入了距离衰减的大尺度衰落，对改进的中继选择协作方案的信道容量进行了模拟仿真。关键词：协作分集
6、 ， 放大转发，中继选择，功率分配，信道容量I南京邮电大学硕士研究生学位论文 AbstractAbstractThe relay selection needs to consider all the aspects of the performance, in order to maximizethe quality of service in the whole wireless network. The paper analyzes the performance of therelay cooperation based on the power allocation.1) The p
7、aper focuses on AF relays cooperation. The AF model with multiple relays isintroduced in chap III, and two power allocation on the relays are proposed: equal power allocationand optimal power allocation. Simulation results turn out that the optimal power allocation schemecan achieve better performan
8、ce than equal power allocation scheme on the channel capacity andoutage probability. But the channel capacity of the system does not increase with the increase of thenumber of relay nodes, so the relay selection problem is crucial for cooperative network.2) A new selection scheme where only one, the
9、 “best” relay node is chosen participate in thetransmission for an AF system in chap IV. The objective function is to maximize the ratio of thesignal to noise on the destination and the optimization the power of nodes. The performance ofchannel capacity, outage probability and the symbol error rate
10、of this scheme are simulated. Anddifferent channel conditions and the size of the candidate relay nodes can affect the threeperformances of the system. The relay selection scheme has significantly better channel capacityand outage behavior than that with optimal power allocation all relay nodes part
11、icipate.3) The paper designs the two questions whether to cooperate and whom to cooperate with of therelay selection partial link in AF system. In the case of limited total power on the relay nodes andthe wireless network, the aim is to maximize the channel capacity. First, compares the capacity oft
12、he direct link and relay selection partial link to determine whether or not to cooperate. If necessary,the paper gives the objective function and constrains to maximize the system capacity and to selectthe relay node. The joint optimization problem, which integrates relay node selection and powerall
13、ocation to achieve robust performance.Keywords: cooperative diversity, Amplify-and-Forward, relay selection, power allocation, channelcapacityII南京邮电大学硕士研究生学位论文 目录目 录摘 要 .IAbstract. II缩略词 . V第一章 绪论 . 11.1 本文的选题背景 . 11.2 研究现状和选题意义 . 21.2.1 协作分集技术的简介 . 21.2.2 中继节点选择算法介绍 . 31.3 本文的主要工作和内容安排 . 4第二章 协同通信技
14、术 . 62.1 引言 . 62.2 协同通信发展概述 . 62.2.1 协同通信相关技术概述 . 72.2.2 相关系统的应用和标准 . 82.3 协同中继概述 . 102.3.1 无线中继模型概述 . 102.3.2 协同中继模型 . 112.4 协作分集技术概述 . 122.4.1 分集技术概述 . 122.4.2 协作分集技术 . 142.4.3 协作分集协议 . 152.5 本章小结 . 17第三章 协同通信中继节点协作方案 . 183.1 基于 AF 的中继节点协作模型 . 183.1.1 信道模型描述 . 183.1.2 AF 协作描述 . 193.2 基于功率分配的中继节点协作
15、方案 . 203.2.1 协作系统模型 . 20III南京邮电大学硕士研究生学位论文 目录3.2.2 协作方案描述 . 223.2.3 方案性能分析 . 243.3 中继节点协作方案仿真结果 . 273.3.1 系统性能指标 . 273.3.2 仿真结果分析 . 303.4 本章小结 . 35第四章 基于优化功率分配的中继节点选择方案 . 364.1 典型的中继节点选择算法分析 . 364.1.1 协同中继节点选择算法研究 . 364.1.2 已有中继节点选择算法分析 . 374.2 基于优化功率分配的中继节点选择方案 . 384.2.1 AF 协作的中继选择系统模型 . 384.2.2 基于
16、优化功率分配中继选择方案描述 . 394.3 方案性能分析 . 414.3.1 信道容量性能分析 . 414.3.2 中断概率性能分析 . 414.3.3 误符号率性能分析 . 434.4 仿真结果 . 444.4.1 信道容量仿真分析 . 444.4.2 中断概率仿真分析 . 464.4.3 误符号率仿真分析 . 484.5 本章小结 . 49第五章 基于最优功率分配的中继选择策略的改进方案 . 505.1 系统模型 . 505.2 方案的描述 . 525.2.1 最大化 SNR 的中继选择 . 525.2.2 优化中继节点的功率分配 . 525.2.3 最大化信道容量的协作传输 . 545
17、.3 仿真结果与性能分析 . 565.3.1 仿真环境 . 565.3.2 信道容量仿真分析 . 57IV南京邮电大学硕士研究生学位论文 目录5.4 本章小结 . 58第六章 总结和展望 . 596.1 本文总结 . 596.2 研究展望 . 59致 谢 . 61参考文献 . 62附录 . 66VMIMO Multiple-Input Multiple-Out-put 多输入多输出OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing 正交频分复用技术Virtual MIMO Virtual Multiple-Input Multiple-Out-put
18、 虚拟 MIMOAF Amplify and Forward 前向放大DF Decode and Forward 前向解码CC Coded Cooperation 编码协同WCDMA Wideband Code Division Multiple Access 宽带码分多址CDMA2000 Code Division Multiple Access 2000 码分多址TD-SCDMA Time Division-Synchronous Code Division 时分同步码分多址IP Multiple AccessInternet Protocol 因特网协议Wi-Fi Wireless Fi
19、delity 无线保真IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers 电气和电子工程师协会LTE Long Term Evolution 长期演进SER Symbol Error Rate 误符号率SNR Signal-to-Noise Ratio 信噪比QoS Quality of Service 服务质量VAA Virtual Antenna Array 虚拟的天线阵Ad-hoc multi-hop network 自组织网WLAN Wireless Local Area Network 无线局域网MRC Maximal Rat
20、io Combining 最大比合并PDF Probability Density Function 概率密度函数TDMA Time Division Multiple Access 时分多址FDMA Frequency Division Multiple Access 频分多址CDMA Code Division Multiple Access 码分多址AWGN Additive White Gaussian Noise 加性高斯白噪声EPA Equal Power Allocation 等功率分配OPA Optimal Power Allocation 优化功率分配DSTC Distrib
21、uted Space Time code 分布式空时编码S-AF Selection AF 选择放大转发CDF Cumulative Distrbution Function 累积分布函数AP Access Point 接入点南京邮电大学硕士研究生学位论文缩略词VI缩略词南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论第一章 绪论1.1 本文的选题背景协同通信技术 1将无线网络、无线信道、物理层传输技术等从协作的角度综合在一起进行设计和优化，是下一代无线通信技术研究备受关注的热点之一 2 。它贯穿于 MIMO3、OFDM4、认知无线电等技术的始末，能够为无线传输技术和无线通信网络带来意想不到的增益
22、，使得无线频率的使用效率和系统可实现性大幅度的提高。众所周知的，基站之间发射的信号通过无线信道都会随着基站间距离的增加而不断衰减。随着距离的增加，无线电波会发生弥散损耗，由于传播环境中的地形起伏、建筑物及其他障碍物的遮蔽会发生 “阴影效应 ”，信号经过障碍物的多点反射，这样到达移动天线的信号不是单一路径的，而是从多条路径传输到达接收点，因此产生了多径信号。移动通信系统利用信号处理技术来改进恶劣无线电传播环境中的链路性能，由于多径衰落和多普勒频移的影响，会导致信号衰落很大。因此要利用各种信号处理的方法来对抗衰落，分集和均衡技术就是用来克服衰落、改进接收信号质量的。最通用的分集技术 5是空间分集，
23、其他分集技术还包括天线极化分集、频率分集和时间分集。空间分集是利用了无线传输路径上的信号在空间上经历了多个不相关的信道样本来对抗多径衰落的。多输入多输出（ MIMO）技术 3就是典型的空间分集技术。 MIMO 技术通过在发射端和接收端同时使用多个天线，形成了 m 个输入 n 个输出的无线信道结构，有效的消除了无线信道多径、时变衰落的影响，使得采用多输入多输出（ MIMO）天线系统的频谱利用率。但是由于移动终端受到体积、功率、实现等因素的限制，使得上行链路几乎不可能使用多 天 线 ， 限 制 了 MIMO 技 术 3 的 实 现 。 由此 诞 生 了 新 的 空 间 分 集 技 术 协 同 MI
24、MO（ Cooperative MIMO） ,也被称为虚拟 MIMO（ Virtual MIMO）。协同 MIMO 的基本原理就是在多用户环境下，每个单天线用户一方面传输自己的信号，一方面也帮助传输所接收和检测到的临近伙伴的信息。这样合作伙伴的天线和自己的天线就构成了多发射天线，从中获得分集增益，从而形成了虚拟的 MIMO 系统。通过无线介质的广播特性实现了协同分集，被发送的信号可以被其他用户接收到并进行信息的处理。这样，除了用户将信号独立的传输到各自的目的节点之外，各用户还相互监听各自的传输信息，从而联合传输它们的信息，实现协同通信。协同 MIMO 使得具有单天线配置的终端用户也可以获得分集复用自适应增益。对于无线1
