【硕士论文】下一代蜂窝通信系统中同步中继传输关键技术研究.pdf

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1、浙江大学博士学位论文摘要蜂窝中继网络将中继传输技术应用于蜂窝系统中，通过多跳传输方式和合作分集提高节点间的传输性能，能够有效提高系统容量和频谱效率。本文通过研究下一代无线蜂窝通信同步中继传输的关键技术，旨在增强合作传输的分集增益，有效地提高中继网络的传输效率和系统速率。首先我们研究了O F D M 蜂窝系统的同步获取流程，包括下行链路的物理层和M A C 层同步。我们提出一种O F D M 系统的前导序列结构，并研究了基于此前导序列的符号级定时同步和频率同步算法。接下来我们研究了下行链路小区搜索的结构和算法，通过此优化小区搜索算法，能够获取帧同步和基站配置等重要信息。然后我们设计了一种新型的自

2、适应合作编码协议。传输过程中，源节点将编码序列通过不同的链路分两步发送至目标节点，其中每一步的速率都可以根据信道状况自适应地调整。由于有效利用了中继信道，此协议可以获得显著的合作分集。我们通过数学计算获得自适应合作编码协议在各类信道传输条件下的严格和近似的理论闭式性能上限。为了进一步提高性能，我们研究了此协议的理想功率分配算法。接下来我们研究了三类不同的双向无线中继传输协议，并利用香农公式给出了协议的理论系统吞吐量。为了进一步提高其性能，我们研究了三类协议的优化功率分配算法，使其能提供更高的系统吞吐量，并且对信道的非对称性更为鲁棒。在信道错误传播存在的情况下，我们通过对双向中继协议进行M a

3、r k o v 链建模，获得它们在信道错误传播下的系统吞吐量。最后我们提出了一种基于干扰相消的双向中继协议，并获得其在信道错误传播存在时的系统吞吐量。在协议传输过程中，利用干扰相消技术保证两个中继节点组成的宏中继能同时接收和发送信号，因而可以提高系统的传输效率；同时在检测过程中各节点只需要通过理想信道估计算法获得其相邻链路的信道状态信息。因此，基于干扰相消的双向中继协议能够在传输效率和信令开销之间获得平衡。关键词：蜂窝通信中继合作分集自适应合作编码干扰相消功率分配摘要A b s t r a c tW h e ni m p l e m e n t i n gt h er e l a yt e c

4、 h n i q u ei n t oaw i r e l e s sc e l l u l a rs y s t e m，t h er e s u l t a n tr e l a yc e l l u l a rn e t w o r kc a na c h i e v ed r a m a t i c a l l yh i g h e rs y s t e mc a p a c i t ya n ds p e c t r u me f-f i c i e n c yt h r o u g hm u l t i h o pt r a n s m i s s i o na n dc o o

5、p e r a t i v ed i v e r s i t y T h i sr e s e a r c hf o c u s e so ni n v e s t i g a t i n gs o m eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e sf o rs y n c h r o n o u sr e l a y i n gi nn e x tg e n e r a t i o ns y s t e m so fw i r e l e s sc e l l u l a rc o m m u n i c a t i o nF i r s tas y n c h

6、r o n i z a t i o ns t r a t e g yi sp r e s e n t e df o rt h eO F D Ms y s t e mw h i c hc o v e r sb o t ht h ed o w n l i n kp h y s i c a la n dM A Cl a y e rs y n c h r o n i z a t i o n B a s e do no u rp r o p o s e dt r a i n i n gs e q u e n c es t r u c t u r e，t h es y m b o l w i s et i

7、 m i n ga n df r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m sa r es t u d i e d T h eo p t i m i z e dd o w n l i n kc e l ls e a r c hp r o t o c o li ss h o w nt Oe n a b l et h ef l a m es y n 1 c h r o n i z a t i o na n db a s es t a t i o ni n f o r m a t i o nd e t e c t i o

8、n N e x ta na d a p t i v ec o o p e r a t i v ec o d i n g(A C C)p r o t o c o li sp r o p o s e d，w h e r et h es o u r c et r a n s m i t st h ec o d e db i ts e q u e n c et ot h ed e s t i n a t i o nt h r o u g ht w oi n d e p e n d e n tl i n k si nt w os t e p s，e a c hw i t hr a t e sa d a

9、p t e dt ot h ec u r r e n tc h a n n e lc o n d i t i o n N u m e r i c a la n a l y s i sd e m o n s t r a t e st h a tt h es t r i c ta n da s y m p t o t i cu p p e rb o u n d so ft h e o r e t i c a lp e r f o r m a n c ef o rt h eA C Cp r o t o c o la r ea t t a i n e du n d e rv a r i o u sc

10、h a n n e lc o n d i t i o n s T h eo p t i m a lp o w e ra l l o c a t i o na l g o r i t h mi sa l s os t u d i e dt of u r t h e re n h a n c et h es y s t e mp e r f o r m a n c eT h e nt h r e ed i f f e r e n tb i-d i r e c t i o n a lr e l a y i n gp r o t o c o l sa r ee x a m i n e da n dt

11、h e i rt h e o r e t i c a lt h r o u g h p u t sa r ep r e d i c t e db yt h eS h a n n o nt h e o r y T h eb i d i r e c t i o n a la m p l i f i c a t i o no ft h r o u g h p u t(B A T)p r o t o c o l su t i l i z i n gt h en e t w o r kc o d i n go v e r p e r f o r m st h ec o n v e n t i o n a

12、 lo n ed u et ot h e i rh i g h e rt r a n s m i te f f i c i e n c y T h eo p t i m a lp o w e ra l l o c a t i o na l g o r i t h m sf o rt h e s ep r o t o c o l sa r es h o w nt oi m p r o v et h et h r o u g h p u t sa sw e l la sr o b u s t n e s st oa s y m m e t r i cc h a n n e lc o n d i t

13、 i o n s T h eM a r k o vc h a i ni su s e dt om o d e lt h eb i d i r e c t i o n a lp r o t o c o l sf o ra n a l y z i n gt h r o u g h p u t su n d e ra d v e r s ec h a n n e lc o n d i t i o n sF i n a l l ya ni n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n(I C)b a s e dB A Tp r o t o c o li sp

14、 r o p o s e da n di t st h r o u g h p u ti se v a l u a t e dv i a t h eM a r k o vc h a i nm o d e l T h es i m u l t a n e i t yi nt r a n s m i s s i o n浙江大学博士学位论文a n dr e c e i v i n ge n a b l e db yt h em a c r or e l a yg r o u ps t r u c t u r ei nc o m b i n a t i o nw i t ht h eI Ca l g

15、o r i t h mi m p r o v e st h es y s t e mt r a n s m i te f f i c i e n c y I nt h em e a n w h i l e，e a c hn o d eo n l yn e e d st h ec h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o no ft h el i n k sc o n n e c t i n gt oi t sn e i g h b o r i n gn o d e s，t h u sr e d u c e st h es i g n a l i n go

16、v e r h e a d K e y w o r d s：C e l l u l a rc o m m u n i c a t i o n，R e l a y，C o o p e r a t i v ed i v e r s i t y,A d a p t i v ec o o p-e r a t i v ec o d i n g，I n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n，P o w e ra l l o c a t i o nI V图目录图目录1 1蜂窝中继网络基本结构。21 2三点无线中继系统模型。，42 1O F D M 蜂窝系统下行

17、链路的前导结构和子载波分配。1 42 2O F D M 前导序列的时域相关函数。1 62 3同步捕获检测概率。1 9；2 4 定时同步估计方差。2 02 5载波频偏估计均方差。2 l2 6F B A 方案下行广播中子载波分配。2 22 7O A 方案下行广播中子载波分配。2 32 8F B A 方案中的三小区干扰。2 72 9节点位于小区边缘时小区搜索的检测概率。2 92 1 0 节点位于小区内部时小区搜索的检测概率。，。3 02 I l 节点在小区边缘时大范围小区搜索的检测性能。3 12 1 2 节点在小区内部时大范围小区搜索的检测性能。，3 13 1S H 和A C C 协议简单示意图。3

18、 83 2函数P E R c o。y p(7 l：7 2，)和p R。掣(，y l，y 2，z)在情形2 中的关系示例。5 23 3d i s t=0 3 时基于T u r b o 码的S H 和A C C 协议蒙特卡罗仿真性能。5 63 4d i s t=0 5 时基于T u r b o 码的S H 和A C C 协议蒙特卡罗仿真性能。，5 73 5d i s t=0 7 时基于T u r b o 码的S I 和A C C 协议蒙特卡罗仿真性能。5 73 6d i s t=0 3 时基于卷积码的S H 和A C C 协议蒙特卡罗仿真和理论性能。5 93 7d i s t=0 5 时基于卷积码

19、的S H 和A C C 协议蒙特卡罗仿真和理论性能。5 93 8d i s t=-0 7 时基于卷积码的S H 和A C C 协议蒙特卡罗仿真和理论性能。6 03 9基于卷积码的S H 协议和E P A 模式的A c c 协议在不同d i m 中的理论P E R 函数上限。，。，6】V I I浙江人学博上学位论文V l I I3 1 0=0 d B 时A C C 协议在不同L o C 下的性能3 1 ld i s t=0 3 时，S H 和A C C 协议在快速瑞利衰落信道中的性能。3 1 2d i s t=0 5 时，S H 和A C C 协议在快速瑞利衰落信道中的性能。3 1 3d i s

20、 t=O 7 时，S H 和A C C 协议在快速瑞利衰落信道中的性能。3 1 4d i s t=0 3 时，S H 和A C C 协议在慢速瑞利衰落信道中的性能。3 1 5d i s t=0 5 时，S H 和A C C 协议在慢速瑞利衰落信道中的性能。3 1 6 情形l：d i s t=0 3 时E P A 和O P A 方式的A C C 协议性能。3 1 7 情形1：d i s t=0 5 时E P A 和O P A 方式的A C C 协议性能。3 1 8 情形2：L o C=6 1 6 时E P A t i O，P A 方式的A C C 协议性能。3 1 9 较高仉时，不同L o C

21、的A C C 协议的理论功率分配增益上限。3 2 0 两路信号M R C 合并后的接收S N R 分布示意图。4 14 24 34 44 54 64 74 85 15 25 35 46 16 26 26 36 46 46 66 66 76 76 8双向中继系统模型。7 5各类双向中继协议：(a)C B R；(b)D F B A T；(c)A F-B A T 7 6D F B A T 协议的M a r k o v 链模型。一8 7=5 d B 时E P A 和0-P A 方式的c B R，D F B A T 和A F B A T 协议的理论归一化吞吐量。9 0d i s t=0 5 时E P A

22、 和O P A 方式的C B R，D F B A T 和A F B A T 协议的理论归一化吞吐量。9 ld i s t=O 3 或0 7 时E。P A 和O P A 方式的C B R，D F B A T 和A F B A T 协议的理论归一化吞吐量。9 2信道错误存在时C B R，D F B A T 和A F B A T 协议的归一化吞吐量。9 4D F B A T 和A F B A T 协议中双向流的归一化吞吐量。9 5I C B A T 协议系统模型。9 8I C B A T 协议流程。9 9I C B A T 协议M a r k o v 链模型。1 0 2=3 d B 时存在信道错误传

23、播的I C B A T 和D F B A T 协议的归一化吞吐量。1 l1图L j 录5 5存在信道错误传播时I C B A T 和D F B A T 协议的归一化吞吐量。1 1 25 6G s 2 R G 轧R+3 d B 时I C B A T 和D F B A T 协议中双向流的归一化吞吐量。1 1 35-7G s 2 R=G,s 1 打3 d B 时I C B A T 和D F B A T 协议中双向流的归一化吞吐量。11 3I X浙江大学博士学位论文X表目录2 1O F D M 系统下行链路同步仿真参数1 92 2O F D M 系统下行链路小区搜索仿真参数2 83 1R C P T

24、码仿真参数(N=3，P=1 2)5 63 2R C P C 码仿真参数(N=2，P=8)5 8序论1序论随着无线通信传输技术【1 J 的成熟，利用移动蜂窝组网技术【24 1 的通信产业得到了日新月异的发展。从1 9 4 8 年S h a n n o n 建立信息论f5 1 开始，移动蜂窝通信系统经历了第一代移动通信系统(F i r s tG e n e r a t i o no f W i r e l e s sC o m m u n i c a t i o n：1 G)6 1，第二代移动通信系统(S e c o n dG e n e r a t i o no fW i r e l e s s

25、C o m m u n i c a t i o n：2 G)1 7-9 1 和第三代移动通信系统(T h i r dG e n e r a t i o no f W i r e l e s sC o m m u n i c a t i o n：3 G)J i l l 2 1 等数个时代的飞跃，传输速率也从9 6 K b p s 增长到最高3 8 4 K 2 M b p s 的高速通信需求。下一代移动通信系统(N e x tG e n e r a t i o no f W i r e l e s sC o m m u n i c a t i o n)I 限1 5 l 的研究目的便是满足用户更高的

26、传输需求，提供更大的频谱带宽。下一代移动通信系统通过正交频分复用(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 eA c c e s s：O F D M A)【1 62 l】技术建立空中接口，使系统的数据率和频率效率都超过3 G 系统，是支持高速数据率(2 M 一2 0 M b p s)连接的理想模式。下一代移动通信技术可实现高速移动无线信息存取系统、移动平台技术、安全密码技术以及终端间通信技术等，具有极高的安全性。能支持交互式多媒体业务，用户将使用各种各样的移动设备接入到系统中，结合成一个公共的平台，最终将演

27、变为社会上多行业、多部门、多系统与人们沟通的桥梁。目前以长期演进计划(L o n g T e r mE v o l u t i o n：L T E)f 2 2,2 3 f f；亨发展目标。与目前的3 G 系统相比，下一代无线通信系统具有显著区别：首先，对于给定的系统发送功率，分配到每个比特上的发射功率随着数据速率的增长而线性降低，由于下一代无线通信系统的速率是3 G 系统的两倍以上，也就意味着其信号发射功率相对较低；其次，无线资源的匮乏使得下一代无线通信系统将工作在大于2 G H z 的更高频段1 2 4】，由于高频率信号对信道衰落更为敏感，造成蜂窝小区的覆盖范围随之缩小；更为严峻的是，由于通

28、信环境的恶劣，许多用户工作在非可视距(N o nL i n eo fS i g h t：N L o S)的传输环境下，信号的大尺度衰落将降低接收机的信号检测能力。要解决这些问题，最直接的办法是提高地表基站(B a s eS t a t i o n：B S)覆盖的密度，缩d,B S 和移动终端(M o b i l eT e r m i n a l：M T)之间的距离。然而，除非同时提高M T 密度，否则这种做法会大幅提高设备成本，增加小区间干扰。为此，众多机构浙江大学博-土I 学位论文图1 1蜂窝中继网络基本结构。和学者提出了各类技术用来提升现有通信系统的传输性能，扩大蜂窝小区的覆盖范围，以及增

29、大系统的频谱效率1 2 5 2 6 ：例如信号处理技术(各种干扰消除算法)，智能天线技术刚和多输入多输出(M u l t i p l eI n p u tM u l t i p l eO u t p u t：M I M O)f 2 8-3 0 1 技术，等等。其中最有效且不增加任何设备成本的一种构想是将无线网络内部的各个节点组成一个分布式系统，节点之间通过这个系统发送和接收信号。这种通过引入一个或者多个中继节点(R e l a yN o d e：R N)，将无线网络节点间的单跳传输分割为多跳传输，缩短节点间传输距离的技术称为中继传输技术i 3 135|。目前中继传输技术已被广泛应用于A dH

30、o c N 络3 6 1 和点对点(P e e rt oP e e r：P 2 P)网络f 3 7 1 中。1 1下一代移动蜂窝系统中的中继技术蜂窝中继网络【3 8 4 0 1 将多跳技术应用于蜂窝系统中，如图1 1 所示，它不仅支持B S 与M T 之间的直接通信，同时也支持B S 和M T 通过R N 交换信息。和传统蜂窝网络相比，这种新型的蜂窝中继网络有如下优势【2 4，4 1 1：1、通过R N 可以缩短节点间的通信距离，绕开建筑物、植被等阻碍电磁波传输的障碍物，在一定程度上克服了大尺度衰落的影响，减小了收发端间的路径损耗；2、传统蜂窝小区的半径为2 5 公里，而R N 的覆盖范围只有

31、2 0 0 5 0 0 米。因此M T 即使处于小区边缘，也只需要消耗较低的功耗接入R N，建立与B S 的通信，因此可以降低射频电路中功率放大器的成本f 4“3 1；3、中继信道增益较强，多跳传输可以抑制系统干扰并提高信号的信噪比(S i g n a lt oN o i s eR a t i o：S N R)。采取中继传输的蜂窝通信能够提高系统的数据速率，改进网序论络的服务质量，扩大小区的覆盖范围，有效满足下一代移动通信对大范围高速率数据业务的需求；4、R N 天线不需要放置得像B s 那么高，可以降低运营商的购置和维护成本；5、R N 通过无线信道与B S 进行通信，因此不会对有线信道产生

32、干扰。只要R N 的密度较大，任何M T 都能找到离它最近的R N，因此蜂窝网络的容量得到了扩展。蜂窝中继网络也是当今无线移动通信研究领域的热点之一1 4 4，4 引。欧盟第六框架联合项目无线世界的新无线电技术(W i r e l e s sW o r l dI n i t i a t i v eN e wR a d i o：W I N N E R)1 4 6 旨在研究创新的、提供从近距离到远距离全面覆盖的无线通信系统构架，提供比现有网络更为优越的通信性能，其研究重点课题之一就是蜂窝中继网络；由于中继传输方式的种种优势，蜂窝中继网络己成为下一代无线通信网络构架备选方案之一【4 7 4 8 I。

33、同时，I E E E8 0 2 1 6 执行委员会也专门成立了中继工作小组(R e a l yT a s kG r o u p)来制定I E E E8 0 2 1 6 j 中继技术标准【4 9 5 们，以强化I)f l,I E E E8 0 2 1 6 标准为基础的原有网络的系统性能。1 2基于同步的中继合作传输协议与传统的A dH o c 网络和其它分布式网络不同，为了保证上行链路和下行链路之间的正交性，蜂窝通信系统有着严格的帧结构定义和较为精确的同步要求。基于同步的中继传输协议能够保证各条链路的独立性f 3 3，5 l 52 1，最大限度的降低符号间干扰(I n t e r S y m b

34、 o lI n t e r f e r e n c e：I S I)【5 3 5 4 1 和多址干扰(M u l t i p l eA c c e s sI n t e r f e r e n c e：M A I)【5 5 5 6 1。在本文中只考虑基于同步的中继合作传输协议。本节介绍中继合作传输的基本思想和主要协议。考虑到中继传输的一般性，在这里采用最简单的三点中继系统模型，如图i 2 所示，模型包括源节点(S o u r c eN o d e：S N)，目标节点(D e s t i n a t i o nN o d e：D N)，和中继节点R N。s N 通过R N 将数据信号发送给D N

35、，它可以表示蜂窝中继网络中的上行链路(M T B S)，或者下行链路(B S M T)的传输。与传统的s N 直接将信号发送至D N 的单跳传输(S i n g l el _ l o p：S t t)相比，中继合作传输技术将s N 和R N 构建为一个虚拟t 均M I M O 发射机【5 7|，降低了S N 和D N 之间的实际路径损耗，能使系统的传输效率接近M I M O 技术的理论上限1 5 8 1。浙江大学博士学位论文丫，a，r，察、一、Vh S,Rh R,DVS 虻N 二一一一一夏一一一一二=D 卤N囱：，一一，一，一一一一一：?，一。二自(一一一一一一图1 2三点无线中继系统模型。由

36、于各个节点采用无线方式发送信号，中继传输的各跳之间容易产生干扰。为了保证多跳传输中每一跳不会干扰其它节点之间的传输，我们可以采用时分方式(T i m eD i v i s i o nM u l t i p l e x i n g：T D M)或者频分方式(F 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：F D M)使中继传输的每跳之间保持独立。T D M 方式将传输时间分为多个步骤，每个步骤内只有一个节点能发送信号，这样就能保证每个节点发送的信号不被干扰。基于T D M 方式的中继传输实现方法简单，且不消耗多余的频域资源，但其缺点

37、是传输的不连续性。类似的，我们也可以采用F D M 方式，即每一跳的传输都占用不同的频带，频带之间互相正交，也能保证各跳传输的独立性。基于F D M 方式的中继传输能保持时域传输的连续性，其缺点是需要较大的带宽，造成频谱资源的冲突。本文中为了分析的简洁性，只考虑基于T D M 方式的中继传输技术(基于F D M 方式的中继传输技术与之相似)。基于T D M 方式的中继传输分为两个步骤：第一步中S N 将数据信号广播至R N 和D N；R N 对接收信号进行处理后，在第二步中发送至D N。在传输过程中，S N 通过两条独立的链路将信号发送至D N，通过信号合并D N 可获得明显的分集增益，称为合

38、作分集(C o o p e r a t i v eD i v e r s i t y)【5 蛐，从而提高中继系统的检测性能。根据中继节点是否对接收信号进行解码处理，无线中继传输技术主要分为非重生中继技术和重生中继技术两大类【6 2 1。放大前向(A m p l i f ya n dF o r w a r d：A F)中继技术是典型的非重生中继技术。在A F 模式中，R N 根据自身功率的限制，简单地对前一个步骤中接收到的信号进行线性放大，再发送给D N。而解码前向(D e c o d ea n d4序论F o r w a r d：D F)中继技术是典型的重生中继技术。在D F 模式中，R N

39、对上个步骤内接收的信号进行解码，重新编码后再发送给D N。基于A F 和D F 模式的合作分集协议主要有三种：固定中继(F i xR e l a y i n g)协议，选择中继(S e l e c t i v eR e l a y i n g)协议和增量中继(I n c r e m e n t a lR e l a y i n g)协议f 3 3 1。固定中继协议指的是R N 在固定的时隙帮助S N 转发信息给D N。单纯利用A F 和D F 技术的中继协议采用固定的分集方式，因此都属于固定中继协议。固定中继协议是所有中继协议中最简单的，中继节点处理复杂度最低的协议。然而固定中继协议受到链路S

40、 N R N 传输性能的限制，中断概率(O u t a g e P r o b a b i l i t y)1 6 3 较大。例如在A F 模式下，当噪声功率较大时，R N 不但放大有效信号的功率，同时也放大噪声功率，造成D N 解码的困难度；而在D F 模式下，如果R N 不能正确解码，就会引起错误传播(E r r o r P r o p a g a t i o n)，降低D N 解码的可靠性。选择中继协议根据S N R N 信道的特点央定中继传输方式。最典型的选择中继协议是选择性动态(S e l e c t i v ea n dD y n a m i c：S D)中继协议。S D 协议通过

41、测量S N 一刚的信道增益决定中继传输方式，如果信道增益小于菜一特定门限，S N 就简单地采用重复编码或更有效的编码方案往D N 发送信息；如果信道增益大干这一特定门限，R N 就采用A F 或D F 方式转发它从S N 接收的信息至D N。由于无论S N R N 链路的信道衰落处于何种状态，S D 协议总是采用更好的方式进行中继传输，避免了固定中继协议的错误传播，保证系统始终获得最佳性能。选择中继协议的缺点是，当S N R N 信道质量较差时，始终由S N 发送信号给D N，无法获得合作分集。增量中继协议可以被看作是一种合作混合自动重传请求(H y b r i dA u t o m a t

42、i cR e p e a tr e Q u e s t：H A R Q)(6 4 6 6 1 机制。D N 返回一个比特的信息告诉s N 和R N 译码是否成功，只有在s N 到D N 的信息无法正确接收时，R N 才帮助S N 转发信息，最后由D N 把这两部分信息合并后进行检测。与固定中继和选择中继协议相比，增量中继协议更充分地利用了信道的自由度，提高了中继传输的效率，省略了当D N 正确检测S N 信号时的R N 发送步骤。然而由于中继天线通常工作在半双工模式，增量中继协议与固定中继和选择中继协议相同，多跳传输发送一个数据包需要消耗更多的时频资源，因此传输效率大为降低。为了提高中继传输的

43、效率，H u n t e r 等学者提出了针对两用户的合作编浙汀大学博士学位论文码(C o o p e r a t i v eC o d i n g)协议1 6 7 埘】。合作编码将信道编码与合作传输相结合，它的主要的思想是：S N 将发送的编码序列分割为两部分，分别通过两条独立的信道发送给D N 节点。就能保持与S H 协议相同的系统速率，并且有效提高接收性能。合作编码算法还可以将空时编码与合作编码相结合，更有效的利用中继信道的独立性，提高合作传输的分集增益。然而，前人工作中提出的合作编码协议缺乏系统性，其编码方式过于单一又不够灵活，无法应对现实中随时变化的信道传输状况，当信道状况不理想时，

44、这种合作编码方式甚至还可能会降低系统的频谱效率。1 3蜂窝中继系统的关键技术作为一种新型的无线网络传输技术，中继合作传输具有不需要增加设备投入而且灵活度高的优点，因此得到了广泛的关注和研究。当我们将中继传输引入蜂窝系统中时，除了要解决上述的各类传统中继传输技术的限制外，蜂窝中继系统还需要考虑以下关键问题：中继节点移动性的选择，蜂窝中继网络同步性的获取，多跳协议传输效率的提升，蜂窝中继网络的频谱复用技术等。1 3 1中继节点的移动性无线蜂窝网络的拓扑结构中，根据中继节点的移动性，无线中继节点分为固定中继和移动中继两种。固定无线中继是指R N 和B S 节点所构成的无线网络的拓扑结构是固定不变的，

45、也即每个R N 只负责转发特定B S 的信号。由于R N 与B S 之间的位置相对固定，所以B S 可以使用波束成型技术1 7 0 7 1 l 向特定R N 发送信号。另外，各个R N 的覆盖范围不同，所以不同的R N 之间可以使用相同的频谱资源。基于这两个原因，固定中继技术可以提高无线资源的复用率。相对于来说，移动无线中继的无线网络拓扑结构随时可改变，因此它适合一些特殊的应用场景。比如对高速移动列车进行覆盖，可以避免大量用户同时切换带来的大量突发信令；或者在发生重大事件的时候，在事件现场的热点地区(H o t P o i n t)应对大量突发的话务量。根据现有的传输协议，固定无线中继是目前最

46、主要的中继应用方式，而移动无线中继由于受其协议复杂度，信息安全、电池消耗等问题的限制，只能用于一些用户密集区作为改善覆盖、提高容量的方式。本文研究的中继传输技术基于最一般的6序论网络结构，中继节点可以是固定的f 7 己7 3 1，也可以是移动的i 7 4 1，它可以应用于任意的无线中继系统拓扑结构。1 3 2 蜂窝中继网络的同步性在蜂窝中继传输过程中，必须保持各个节点之间的同步，降低各个节点之间的I S I 和M A I 干扰，提高蜂窝通信系统容量。蜂窝中继传输的同步，包括物理层的同步，例如符号级的定时同步，频率同步等；也包括媒体访问控制(M e d i aA c c e s sC o n t

47、 r o l：M A C)层的节点同步，例)2 I J M T 和B S，M T 和R N，R N 和B s 之间的同步。物理层同步在蜂窝系统下行链路中进行，可以利用同步算法 7 5-7 8】使M T 和R N 保持与B S 相同的采样频率和载波频率，达到符号同步，降 f 氐1 s l 的目的。M A C 层同步则依靠蜂窝系统下行链路的小区搜索完成。通过蜂窝系统小区搜索算法，所有的M T 或者R N 节点都能知道当前小区B s 的配置信息，如用户I D 号，帧同步信息，帧结构信息，接入时隙和接入频段等。结合这些信息，节点之间就能保持同步。1 3 3多跳协议的传输效率制约多跳传输协议的瓶颈在于其

48、受限的系统传输速率。这是因为中继天线在T D M F D M 复用方式中通常工作在半双工模式，它无法在相同的时频资源内接收和发送信号【7 9 1。和S H 协议相比，中继传输发送一个相同的数据包需要消耗更多的时频资源，因此传输效率大为降低。特别是在长距离传输过程中，当数据包传输需要通过多级R N 从S N 发送到D N 时，系统效率更低。为了提高多跳系统的传输效率，我们主要是利用网络编码技术(N e t w o r kC o d i n g：N C)g O-S 3 1，将通过多条链路的信号内容合并后再进行传输，便可以有效提高中继网络的传输效率【6 9 1。1 3 4 蜂窝中继网络的频谱复用在蜂

49、窝中继系统中，由于增加了中继节点，会增加额外的频谱开销，R N 和B s 之间存在着频率资源共用的问题，因此需要对现有蜂窝系统的帧结构做适当的调整，对R N 和B S 进行频谱资源分配和干扰协调。现有的蜂窝中继系统中采用“基于复用划分4 的频率分配方式，可以支持两跳浙江大学博士学位论文的通信。其基本思想是将蜂窝系统中的复用划分的概念引入到中继网络的频谱分配中，对B S M T 链路、B S R N 链路和R N M T 链路的频带使用不同的复用因子，以提高频谱利用效率，同时保证中继传输与S H 传输之间不会产生干扰。当然，还有其他的方法可以更好地利用频率资源，需要进一步的研究。本文限于篇幅，对

50、中继网络的频谱复用不作讨论，感兴趣的读者可以参考文献 8 4-8 7 1。1 4 本文的主要贡献蜂窝中继系统目前还处于理论研究阶段，下一代无线通信网络利用到中继传输的具体方案还没有完全定义，很多关键技术仍然处于讨论过程中。本论文旨在通过研究蜂窝中继网络中的关键技术，增强合作传输的分集增益，有效地提高中继网络的频谱效率和系统速率。本论文的主要创新点和贡献有：1、提出基于O F D M 技术的蜂窝中继网络同步获取，包括物理层的同步算法和M A C 层的小区搜索技术；2、提出一种自适应合作编码协议，并研究其功率分配算法；3、研究放大前向双向中继协议的功率分配算法；4、提出一种基于干扰相消的双向中继传