非正交多址中繼信道復數(shù)域網(wǎng)絡編碼系統(tǒng)性能分析與優(yōu)化.pdf

1、多址中繼信道是指兩個或兩個以上的源節(jié)點在一個或多個中繼節(jié)點的幫助下與目的節(jié)點進行通信，是蜂窩通信系統(tǒng)上行鏈路協(xié)作中繼傳輸?shù)囊环N典型模型。根據(jù)源節(jié)點的傳輸方式，可分為正交多址中繼信道和非正交多址中繼信道。相比正交多址中繼信道，非正交多址中繼信道有較高的吞吐率。復數(shù)域網(wǎng)絡編碼(CFNC)是指多個用戶信息在復數(shù)域上進行網(wǎng)絡編碼，利用“和信號”的星座空間來區(qū)分用戶，接收端則采用最大似然檢測算法識別不同用戶信號。采用非正交多址中繼信道的CFNC系

2、統(tǒng)可以進一步提高非正交多址中繼信道的吞吐率。然而，已有研究很少涉及非正交多址中繼信道CFNC系統(tǒng)的CFNC編碼系數(shù)設計、中繼轉發(fā)策略、功率分配優(yōu)化和編碼增益分析，這些問題就是本論文的主要研究內(nèi)容。
　　首先，針對非正交多址接入CFNC系統(tǒng)，通過分析瞬時和統(tǒng)計的誤符號概率(SEP)上界，優(yōu)化設計了源節(jié)點和中繼節(jié)點的CFNC編碼系數(shù)，這里得到的優(yōu)化算法適用于任意用戶個數(shù)的情況。根據(jù)提出的中繼節(jié)點優(yōu)化CFNC編碼系數(shù)設計方法，獲得了一批

3、優(yōu)化的CFNC編碼系數(shù)。研究表明，利用優(yōu)化后的中繼節(jié)點CFNC系數(shù)，可以避免網(wǎng)絡編碼后的信號星座的重疊現(xiàn)象，大幅度提高了系統(tǒng)的SEP性能。此外，論文還提出了自適應和非自適應源節(jié)點CFNC編碼系數(shù)優(yōu)化算法。優(yōu)化的自適應源節(jié)點CFNC系數(shù)能提高系統(tǒng)瞬時的SEP性能，進而改善整個系統(tǒng)的平均SEP性能;而優(yōu)化的非自適應源節(jié)點CFNC系數(shù)能在多址接入信道相關性較高的情況下，提高系統(tǒng)的SEP性能。
　　接著，通過分析基于第K個最優(yōu)中繼選擇(K

4、BS)的非正交多址接入CFNC系統(tǒng)(N個源節(jié)點、M個中繼節(jié)點和1個目的節(jié)點)的SEP上界，得到了KBS-CFNC系統(tǒng)的分集度、編碼增益和功率優(yōu)化算法。理論研究表明:KBS-CFNC系統(tǒng)的分集度為M-K+2，當K=1時達到滿分集M+1;在保證分集度前提下，優(yōu)化功率分配因子能極大地改進KBS-CFNC系統(tǒng)的SEP性能。優(yōu)化的功率算法表明:當源-中繼鏈路的性能差于中繼-目的鏈路時，源節(jié)點應該分配更多的功率資源以便至少滿足有一個中繼節(jié)點被成功選

5、擇;隨著源-中繼鏈路性能的提高（增大M值或提高源-中繼鏈路信噪比），更多的功率資源應該分配給中繼節(jié)點以便提高中繼-目的鏈路的性能;中繼節(jié)點個數(shù)M給定時，隨著K值的增加，更多的功率資源應該分配給源節(jié)點，使得第K個最優(yōu)中繼節(jié)點被成功選擇的概率增加。
　　然后，基于自適應譯碼轉發(fā)中繼，深入地理論分析了三種典型的并行多中繼(PR)CFNC系統(tǒng)的SEP性能上界、分集度和編碼增益。研究表明:在目的節(jié)點沒有整個網(wǎng)絡的CSI而僅有單跳鏈路的CSI

6、時，自適應譯碼轉發(fā)中繼能避免中繼節(jié)點的錯誤傳播現(xiàn)象;對于Ⅰ型PR-CFNC系統(tǒng)，在2M個時刻內(nèi)發(fā)送NM個符號，其吞吐率為1/2 sym/S/CU;對Ⅱ型PR-CFNC系統(tǒng)，在2個時刻發(fā)送N個符號，吞吐率為1/2 sym/S/CU;對Ⅲ型PR-CFNC系統(tǒng)，在M+1個時刻發(fā)送了N個符號，吞吐率為1/(M+1)sym/S/CU。此外，Ⅰ型和Ⅲ型PR-CFNC系統(tǒng)能達到滿分集度M+1，而Ⅱ型PR-CFNC系統(tǒng)分集度為2;從復雜度比較，Ⅰ型系統(tǒng)

7、復雜度最高，其次是Ⅱ型系統(tǒng)，最低的是Ⅲ型系統(tǒng);從中高信噪比的誤符號性能比較，Ⅲ型系統(tǒng)的誤符號性能最優(yōu)，其次是Ⅰ型系統(tǒng)，最低的是Ⅱ型系統(tǒng)。
　　通過最小化SEP性能上界，對Ⅲ型PR-CFNC系統(tǒng)的功率分配進行了優(yōu)化研究。理論和仿真結果表明:在保證分集度的前提下，優(yōu)化功率分配因子能改進Ⅲ型PR-CFNC系統(tǒng)的SEP性能。優(yōu)化功率算法表明:隨著源-中繼鏈路性能的改善（增大M、提高源-中繼鏈路信噪比、減小源節(jié)點的個數(shù)或者降低源的調(diào)制階數(shù)等

8、），應該減小源節(jié)點發(fā)射功率，將更多的功率資源分配給中繼節(jié)點以便提高中繼-目的鏈路的性能，從而提高系統(tǒng)的SEP性能。
　　其次，通過引入信道編碼機制，研究了非正交多址接入CFNC系統(tǒng)性能。在源節(jié)點和中繼節(jié)點引入基于軟輸入軟輸出譯碼算法的信道編碼，分別給出了中繼節(jié)點和目的節(jié)點的迭代譯碼結構以及相應的最大后驗概率算法(Max-Log-MAP)迭代譯碼算法。由于在譯碼結構中采用了多用戶的迭代譯碼算法，本文研究的軟輸入軟輸出迭代譯碼器不是針

9、對單個用戶，而是面向整個網(wǎng)絡，可以糾正多條鏈路的信息傳輸錯誤，提高系統(tǒng)的可靠性。
　　最后，研究了多址接入中繼信道的導頻符號設計方案，重點給出了間隔放置導頻符號的方法，包括放置的起始位置p和放置的間隔s。通過Crámer-Rao下界分析，得知導頻位置p不會影響系統(tǒng)頻偏估計性能，而間隔s的增加則能提高系統(tǒng)頻偏估計的準確性，由此產(chǎn)生的頻偏估計增益稱為“放置增益”。接著，論文通過uMMV算法得出了相應的有效信噪比，并揭示了獲得“放置增益