中繼協(xié)作通信作為提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋率和頻譜使用效率的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),在許多實(shí)際通信場(chǎng)景有著廣泛地應(yīng)用。而中繼系統(tǒng)的容量和傳輸策略一直是學(xué)術(shù)界和工業(yè)界研究的熱點(diǎn),因?yàn)樗鼘?duì)實(shí)際通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)有著不可替代的指導(dǎo)作用。幾十年來(lái)中繼系統(tǒng)容量和傳輸策略的研究雖然已經(jīng)取得了豐碩的成果,但還有一些基礎(chǔ)性的關(guān)鍵問(wèn)題還沒(méi)得到很好的解決,就連最簡(jiǎn)單的三節(jié)點(diǎn)中繼協(xié)作信道的容量仍然是未知的,整個(gè)中繼系統(tǒng)仍有大量有價(jià)值的問(wèn)題值得深入研究。本論文首先從信息論的角度對(duì)一類特殊的中繼信道-無(wú)線蝶形網(wǎng)絡(luò)展開(kāi)了研究,隨后研究了全雙工MIMO中繼多播系統(tǒng)的波束成形設(shè)計(jì),主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)包括以下幾個(gè)方面:1)無(wú)線蝶形網(wǎng)絡(luò)容量研究,該部分對(duì)無(wú)線蝶形網(wǎng)絡(luò)兩種工作模式即非連續(xù)方式和連續(xù)方式下的容量進(jìn)行了研究,這兩種工作模式唯一的區(qū)別就在于非連續(xù)方式下源節(jié)點(diǎn)在中繼給目的節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)保持靜默,而連續(xù)方式下則不保持靜默。對(duì)于對(duì)稱蝶形網(wǎng)絡(luò)的兩種工作模式,本文從信息論角度分別給出了其在線性移位確定性模型下的容量區(qū)域。該結(jié)果表明,蝶形網(wǎng)絡(luò)中的旁聽(tīng)鏈路為系統(tǒng)容量提供了可觀的增益,非連續(xù)方式其提供的增益為旁聽(tīng)鏈路容量的一半,連續(xù)方式其提供的增益為旁聽(tīng)鏈路的容量,但旁聽(tīng)鏈路提供的容量增益都有上限,即不會(huì)超過(guò)源-中繼-目的的兩跳鏈路的容量。進(jìn)一步,對(duì)于對(duì)稱蝶形網(wǎng)絡(luò)的兩種工作模式,本文給出了它們?cè)诟咚剐诺滥Ｐ拖碌娜萘繀^(qū)域上界和常數(shù)差距的可達(dá)速率。該容量區(qū)域上界通過(guò)割集理論以及精靈輔助等信息論工具獲得。為了獲得常數(shù)差距的可達(dá)速率,本文提出了一種能有效利用旁聽(tīng)鏈路的傳輸策略,即源節(jié)點(diǎn)采用晶格編碼+隨機(jī)高斯編碼的疊加編碼,接收節(jié)點(diǎn)采用連續(xù)干擾消除解碼,中繼節(jié)點(diǎn)則采用解碼轉(zhuǎn)發(fā)。結(jié)果表明,非連續(xù)方式下對(duì)于任何信道增益該傳輸策略所達(dá)到的和速率離和速率上界的差距都在每用戶1.15比特/秒/赫茲以內(nèi);連續(xù)方式下對(duì)于任何信道增益該傳輸策略所達(dá)到的和速率離和速率上界的差距都在每用戶1.65比特/秒/赫茲以內(nèi)。2)一般MIMO蝶形網(wǎng)絡(luò)自由度研究,本文從信息論角度給出了一般MIMO蝶形網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)自由度區(qū)域。該自由度區(qū)域的刻畫(huà)從兩個(gè)方向進(jìn)行:一是通過(guò)割集理論和精靈輔助等信息論工具獲得其自由度區(qū)域上界;二是通過(guò)利用旁聽(tīng)信號(hào)消除干擾證明自由度區(qū)域上界可達(dá)。隨后將MIMO蝶形網(wǎng)絡(luò)和兩對(duì)MIMO中繼信道的最優(yōu)自由度區(qū)域進(jìn)行了分析對(duì)比。結(jié)果表明,與兩對(duì)MIMO中繼信道相比,大多數(shù)情況旁聽(tīng)鏈路都能帶來(lái)自由度的增益。特別是每節(jié)點(diǎn)配置相同數(shù)量天線的對(duì)稱情況,更能獲得兩倍于兩對(duì)MIMO中繼信道的自由度,該結(jié)果與有線蝶形網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景中眾所周知的增益翻倍結(jié)果相對(duì)應(yīng)。3)全雙工MIMO中繼多播系統(tǒng)的波束成形設(shè)計(jì)研究,本文以優(yōu)化系統(tǒng)的多播速率為目標(biāo),分別設(shè)計(jì)了放大轉(zhuǎn)發(fā)和解碼轉(zhuǎn)發(fā)工作方式下的全雙工MIMO中繼多播系統(tǒng)的波束成形方案。鑒于該問(wèn)題是一個(gè)高度非凸的問(wèn)題,很難直接求解,本文分別提出了放大轉(zhuǎn)發(fā)和解碼轉(zhuǎn)發(fā)方式下的三步迭代算法。對(duì)于該三步迭代算法,源的發(fā)射波束成形矢量和中繼的接收波束成形矢量都能找到閉式解,但中繼的發(fā)射波束成形矢量與兩段通信鏈路的性能都有耦合,其優(yōu)化問(wèn)題高度非凸。為了求解中繼的發(fā)射波束成形矢量,本文在放大轉(zhuǎn)發(fā)方式利用了高信噪比近似、秩1近似以及半正定規(guī)劃進(jìn)行近似求解,在解碼轉(zhuǎn)發(fā)方式則利用了連續(xù)凸近似、秩1近似以及半正定規(guī)劃進(jìn)行近似求解。數(shù)值結(jié)果顯示,無(wú)論放大轉(zhuǎn)發(fā)方式還是解碼轉(zhuǎn)發(fā)方式,全雙工MIMO中繼多播系統(tǒng)都能獲得比半雙工MIMO中繼多播系統(tǒng)更高的頻譜效率。
【學(xué)位單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TN929.5
【部分圖文】：

圖 1.1 三節(jié)中繼的概念最早要追溯到 van der Meu個(gè)信息理論模型。然而，其容量的表征仍E1 Gamal 在他們的經(jīng)典論文[9]里給出了中分解碼轉(zhuǎn)發(fā)(Partial Decode-and-Forward，P此外，他們還建立了退化和反向退化中繼信長(zhǎng)達(dá) 40 年的關(guān)于該問(wèn)題的文獻(xiàn)中，高斯中El Gamal 在 1979 年提出的所謂割集界。但大的中繼網(wǎng)絡(luò)的可實(shí)現(xiàn)策略的論文則很多案，例如 DF、CF、AF、計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)（（Quantize-Map-Forward，QMF）、噪聲網(wǎng)[7][9][12-16]。其中，DF、CF 和 AF 被特別深據(jù)不同的原理(分別是數(shù)字到數(shù)字、模擬到

圖 1.2 雙與單向中繼信道一樣，雙向中繼信道的容端節(jié)點(diǎn)可以利用自干擾消除，網(wǎng)絡(luò)編碼很和2S 之間存在直連鏈路的我們稱之為常規(guī)連鏈路的我們稱之為分離雙向中繼信道。香農(nóng)最早進(jìn)行了兩節(jié)點(diǎn)之間雙向通信中繼信道，即一個(gè)額外節(jié)點(diǎn)作為中繼支持得到關(guān)注。文獻(xiàn)[37]獲得了分離雙向中繼信信道的一些中繼策略，如 DF、CF 和 AF 進(jìn)達(dá)界。為了提高傳輸速率，文獻(xiàn)[39-42]提出技術(shù)。文獻(xiàn)[39]在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中首次使用網(wǎng)絡(luò)換數(shù)據(jù)分組所需的傳輸次數(shù)。以前需要 4 因此獲得了更高的數(shù)據(jù)速率。[40]中的傳輸

無(wú)線蝶形網(wǎng)絡(luò)實(shí)例

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本文編號(hào)：2810345