基于协同通信的功率分配算法研究

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随着人们对无线通信带宽、覆盖率和传输容量的需求进一步提高,人们期待服务质量(Quality of Service,Qo S)更可靠和数据传输速率更高的无线通信网络。然而,在通信过程中,多径衰落与噪声影响了通信质量。为了提高通信服务质量,引入协同通信。协同通信是现代通信技术中比较重要的部分,其核心思想是无线网络中多个节点,例如中继、用户终端,通过相互协同并利用无线信道、无线网络、物理层传输技术等进行设计和优化,从而提高系统性能。最典型的协同通信模型为三节点协同通信模型,其传输过程是源节点先将信息传输至中继节点与目的节点,中继节点再把接收的信息转发至目的节点,并获得相应的分集增益。协同通信通过中继可以完成信息传输、扩大信号的覆盖范围、避免出现盲区与弱区、增加信道容量以及提高小区边缘频谱的利用率。所有参与信息传输的节点在协同通信中不仅要传输自己的信息,还要与其他节点相互协同,完成信息的传输,节点相互协同可以保证移动客户端获得较高的分集增益。因此,对协同通信进行研究是非常必要的。本文针对单中继协同场景,对协同通信系统的Qo S和传输速率问题进行深入研究,提出以目的节点信息传输速率最大化为目标的功率分配算法,并通过仿真对比说明了本论文所提算法的优势。论文内容主要包括三个方面:(1)介绍协同通信的基本概念,并介绍了无线网络信道的传输特性:快衰落、慢衰落以及路径损耗;详细地介绍三种协同传输协议分别为:放大转发(Amplify Forward,AF)协议、译码转发(Decode Forward,DF)协议和编码协作(Code Cooperation,CC)协议;介绍三种性能指标:信道容量、中断概率和平均错误概率,并将其作为衡量传输性能的标准;介绍几种常见的协同通信网络模型和典型的功率分配算法。这部分基础知识为接下来的工作奠定了基础。(2)针对单中继协同场景,以目的节点信息传输速率最大化为目标提出了一种功率分配方案。该方案的实现过程为:在约束节点发射总功率的前提下,构造目的节点信息传输速率函数。该目标函数是凸优化函数,通过拉格朗日公式求解,当目的节点信息传输速率最大时,源节点与中继节点的发射功率为最优值。此方案旨在通过优化传输节点的功率分配方法来提高系统性能。此外,分析AF和DF协议单中继和多中继系统的信道容量。(3)仿真实验研究了源节点与目的节点链路距离、节点发射功率、信噪比以及中继节点位置对信息传输速率的影响。结果表明节点功率随着源节点与目的节点距离增加而增加,通过对比其他方案,验证本文提出的功率分配方案性能更优,还节约了系统资源。此外,与非协同系统相比较,仿真结果表明协同通信方式的信道容量更优,并且DF方式得到的信道容量高于AF方式,说明AF方式在放大信号的同时放大了噪声,所以DF方式的性能更优。
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