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1、西安电子科技大学博士论文无线中继网络中的协作传输技术研究作者：杨烨导师：葛建华教授学科：通信与信息系统二。一三年五月中国西安O nC o o p e r a t i v eT r a n s m i s s i o nT e c h n i q u e sf o rW i r e l e s sR e l a yN e t w o r k sAD i s s e r t a t i o nS u b m i t t e dt oX i d i a nU n i v e r s i t yi nP a r t i a lF u l f i l l m e n to ft h eR e q u i
2、 r e m e n t sf o rt h eD e g r e eo fD o c t o ro fP h i l o s o p h yi nC o m m u n i c a t i o na n dI n f o r m a t i o nS y s t e m sb yY A N GY 色P r o l e s s o rG EJ i a n h u a ，A d v i s o rX i a n ，RR C h i n aM a y2 0 1 3作者简介杨烨，江苏南通人。2 0 0 8 年7 月获西安电子科技大学通信工程专业学士学位。2 0 1 3 年8 月获西安电子科技大学通信
3、与信息系统专业博士学位。2 0 11 年1月至7 月作为访问博士生赴台湾清华大学交流。2 0 1 2年2 月至8 月作为访问学者赴香港中文大学交流。导师：葛建华教授。主要研究方向：协作通信、M I M O O F D M 系统、分集技术以及物理层安全。代表性成果：已在I E E ET r a n s a c t i o n so nW i r e l e s sC o m m u n i c a t i o n s 、I E E ES i g n a lP r o c e s s i n gL e t t e r s 、I E TC o m m u n i c a t i o n s 、I E
4、 E EW C N C 、I E E ES P A W C 等重要国际期刊和会议上发表论文多篇。Y eY a n gw a sb o r ni nN a n t o n g ，J i a n g s uP r o v i n c e ，C h i n a H er e c e i v e dh i sB Sd e g r e ei nc o m m u n i c a t i o n se n g i n e e r i n g ，a n dh i sP h D d e g r e ei nc o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns
5、 y s t e m s ，f r o mX i d i a nU n i v e r s i t y ，X i a n ，C h i n a ，i nJ u l y2 0 0 8a n dA u g u s t2 0 1 3 ，r e s p e c t i v e l y F r o mJ a n u a r yt oJ u l y2 0 11 ，h ew a sav i s i t i n gP h D s t u d e n ta tN a t i o n a lT s i n gH u aU n i v e r s i t y ，H s i n c h u ，T a i w a n
6、F r o mF e b r u a r yt oA u g u s t2 012 ，h ew a sav i s i t i n gs c h o l a ra tT h eC h i n e s eU n i v e r s i t yo fH o n gK o n g ，H o n gK o n g H i ss u p e r v i s o ri sP r o f J i a n h u aG e H i sr e s e a r c hi n t e r e s t si n c l u d ec o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o
7、 n s ，m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e - o u t p u t ( M I M O ) 一O F D Ms y s t e m s ，d i v e r s i t yt e c h n i q u e sa n dp h y s i c a l l a y e rs e c u r i t y H eh a sp u b l i s h e ds e v e r a lp a p e r si ns o m ei m p o r t a n ti n t e r n a t i o n a lj o u r n a l sa n dc
8、 o n f e r e n c e s ，s u c ha sI E E ET r a n s a c t i o n so nW i r e l e s sC o m m u n i c a t i o n s ，I E E ES i g n a lP r o c e s s i n gL e t t e r s ，I E TC o m m u n i c a t i o n s ，I E E EW C N C ，I E E ES P A W C ，e t c 西安电子科技大学学位论文独创性( 或创新性) 声明秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行
9、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中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技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r f l 做了明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。本人签名：辨西安电子科技火学关于论文使用授权的说明本人完全了解西安电子科技人学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期问沦文：1 ：作的知识产权币位属西安t 乜予科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文
10、的伞部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存沦文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。( 保密的论文在解密后遵守此规定)本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。本人签名：导师签名：日期：自立厘! 兰!日期：2 1 1 兰：墨：丝摘要新笥要在过去的数年问，协作中继技术由于能够增加覆盖范围、系统容量以及传输可靠性而成为无线通信领域最为广泛的探讨话题之一。其基本原理是多个中继相互合作通过虚拟多输入多输出( M u l i t p l e I n p u tM u l t i p l e O u t p u t ，M I M O ) 的
11、形式来转发信源信息。从这层意义上讲，协作中继为M I M O 技术在单天线设备中的应用铺平了道路，比如蜂窝移动网络中绝大多数的手持设备以及无线自组织网络或无线传感器网络中的节点设备。对于协作中继技术而言，目前的研究兴趣主要集中在如何设计有效的中继传输方案来获取传统M I M O 技术的优势。本文针对兀线L 1 = l 继网络中的中继选择( R e l a yS e l e c t i o n ) 、分布式空时编码( D i s t r i b u t e dS p a c e T i m eC o d i n g ) 和协作波束成形( C o o p e r a t i v eB e a m
12、f o r m i n g )三种协作传输技术展开研究。具体来说，本文的主要贡献总结如下：1 对于中继选择技术，以基于放大转发( A m p l i f y a n d F o r w a r d ，A F ) 协议的双向机会巾继( T w o W a yO p p o r t u n i s t i cR e l a y i n g ，T W O R ) 系统为研究对象。i ) 给出了当采用平均功率分配( E q u a lP o w e rA l l o c a t i o n ，E P A ) 方案时T W O R A F 系统在独立非同分布瑞利衰落信道下的性能分析。推导了系统中断概率的
13、闭合上下界和渐近近似表达式，这些公式在高信噪比下都是紧的。从渐近近似公式中还得到了分集增益、编码增益和分集复用折中。此外，利用矩母函数的方法推导了E P A 方案在采用多进制移相键控( ，一a r yP h a s eS h i f tK e y i n g ，M P S K ) 或多进制正交调幅( M a r yQ u a d r a t u r eA m p l i t u d eM o d u l a t i o n ，M Q A M ) 信号时系统误码率的通用闭合表达式。仿真结果验证了所给理论分析的准确性。i i ) 为了进一步提升性能，还研究了T W O R A F 系统的发射功率优
14、化问题。当在信号发送前已知信道瞬时强度时，通过求解信噪比平衡的优化问题设计了一种最优功率分配( O p t i m u mP o w e rA l l o c a t i o n ，O P A ) 方案。而当只己知信道统计特性时，针对更为通用的N a k a g a m i m 信道模型，以最小化系统中断概率为目标提出丁，一种次优功率分配( S u b O P A ) 方案。仿真结果表明所提功率分配方案在中断概率方面显著优于E P A 方案。2 对于分布式空时编码技术，以在频率选择性衰落信道下联合采用比特交织编码调制( B i t I n t e r l e a v e dC o d e dM
15、 o d u l a t i o n ，B I C M ) 、分布式正交空时分组编码( D i s t r i b u t e dO r t h o g o n a lS p a c e T i m eB l o c kC o d i n g ，D O S T B C ) 和正交频分复用( O r t h o g o n a lF r e q u e n c yD i v i s i o nM u l t i p l e x i n g ，O F D M ) 的译码转发中继网络为研究对象。无线中继网络巾的盼作传输技术研究i ) 利用O F D M 子载波问的关系，针对B I C M D O S
16、 T B C O F D M 系统提出了一种导频有效的非相干译码器。其优点是既不需要预先知道信道状态信息( C h a n n e lS t a t eI n f o r m a t i o n ，C S I ) 也不需要预先知道参与协作的中继状态信息( R e l a yS t a t eI n f o r m a t i o n ，R S I ) ，而H 一还能够在一个D O S T B C O F D M分组内完成译码，因此适合C S I 和R S I 在分组问都变化的较快衰落环境。i i ) 在理论性能方面，主要关注非相干译码器获取的分集增益。为此，研究了一类具有完美信道识别特性( P e r f e c tC h a n n e lI d e n t i f i a b i l i t y ，P C I ) 的传输方案。然后建立了一种最差情况分集分析框架来证明只要采用具有P C I 特性的传输方案，所提的非相干译码器就能达到B I C M D O S T B C O F D
