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通过单天线终端间相互帮助转发信息,可以构成虚拟的天线阵列,实现端到端传输可靠性的显著提高。这种单天线终端间通过彼此共享发射天线实现空间分集的技术被称为协作分集技术。一直以来,协作分集技术面临着两类基本问题:一是如何在获取系统满分集增益的同时提高传输的频谱效率;二是如何以较小的信令开销和反馈延迟获得系统满分集增益。此外,现有协作分集系统中各节点角色(即作为信源或中继)通常是固定不可变的,这不利于提高系统配置的灵活性和保证各节点信息传输的公平性。本文针对上述问题展开深入研究,取得的主要成果如下:一、多用户协作系统高效分集增益提取方法研究提出了两种高效提取多用户协作系统满分集增益的方法:分步提取法和递增提取法。进而,将这两种方法分别运用于多源多中继协作系统和单源-单中继-多目的端协作系统,并获得了系统满分集增益。具体来说:1.针对多源多中继协作系统提出了分步提取多用户分集和协作分集的方法,并在放大转发(Amplify-and-Forward,AF)和译码转发(Decode-and-Forward,DF)两种中继模式下,分别提出了可获得系统满分集增益的信源-中继两步选择策略,有效降低了多源多中继协作系统分集开采的难度。理论分析和仿真结果均表明:两步选择策略同样可获得系统满分集增益,所需的链路信道状态信息由节点数二次幂量级降为节点数一次幂量级,且节点(信源和中继)选择可采用分布式定时器方法执行,执行复杂度显著降低;2.针对单源-单中继-多目的端协作系统,提出了兼顾传输可靠性和谱效率的协作传输策略MU-IDF(Incremental DF relaying with MUltiuser diversity)。在此基础上,提出了二次机会选择方法,并基于该方法提出了MU-IIDF(Improved Incremental DF relaying with MUltiuser diversity)策略。与传统协作传输策略相比,建议策略可获得系统满分集增益,且频谱效率显著提升。在高信噪比条件下,建议策略的频谱效率逼近于直传的频谱效率;3.针对ANC(Analog Network Coding)协议不能获得系统满分集增益和TDBC(Time Division Broadcast)协议频谱效率低的缺点,将多用户分集和递增协作分集相融合提出了比ANC和TDBC协议的“分集复用折中性能”更优的多用户双向协作传输策略,并完备分析了建议策略的中断性能闭合表达式以及可达的分集复用折中。建议策略与TDBC相比具有更高的频谱效率,与ANC相比可获得满分集增益,是目前为止双向中继协议中分集复用折中性能最优的方案,有效解决了多用户双向协作系统中传输可靠性与谱效率之间的矛盾。二、协作系统分布式链路/天线机会选择方法研究在多天线协作系统中,为获得空间分集增益经常会涉及对链路和天线等无线资源的机会选择。传统方案通常采用中心化选择方法,通过指定某节点集中获取全局信道状态信息以执行链路/天线选择,由此导致可观的信令开销和选择延迟。为此,本文构建了局部信道状态信息判决和判决反馈机制(简称为分布式判决反馈机制),进而提出了分布式链路/天线选择方法。分布式选择方法相对于中心化选择方法的最大优势是:在显著降低信令开销和反馈延迟基础上,能够获得与中心化选择方法几乎相同的传输可靠性。本文通过如下两类典型多天线协作系统验证了分布式判决反馈机制的优异性能。1.针对可变增益和固定增益两种发射波束成形AF协作系统,依据所提出的分布式判决反馈机制,设计了分布式链路选择的判决准则和执行流程,并与中断最优的中心化链路选择方法进行了对比。实验结果表明:分布式链路选择方法在整个信噪比区域均具有与中心化选择方法几乎相同的传输可靠性,且当中继节点放置于移动台附近时,建议方法将兼具高传输可靠性和低信令(延迟)开销,与中心化链路选择相比优势明显;2.针对发射天线选择AF协作系统,依据所构建的分布式判决反馈机制,提出了分布式天线选择思想(Distributed Antenna Selection,DAS),并设计了分布式天线选择准则和关键执行流程。与中断最优的中心化天线选择方法相比,DAS仍可获得系统满分集增益,且执行复杂度显著降低,所需的信令(延迟)开销不随天线数增长而变化。当中继节点放置合理时,DAS的传输可靠性与中心化天线选择方法非常接近。三、协作角色动态配置机制及实现方法研究针对现有协作分集系统中各节点角色(即作为信源或中继)固定不可变的缺陷,提出了机会角色选择思想(ROle SElection,ROSE),并基于该思想设计了中心化ROSE方法(Centralized ROSE,C-ROSE)、分布式ROSE方法(Distributed ROSE,D-ROSE)和基于成比例公平规划的ROSE方法(Proportional fair scheduling based ROSE,P-ROSE)。三种ROSE方法分别可获得最优的系统中断性能、最低的信令开销和最公平的角色选择,有效提高了用户间信息协作传输的公平性和可靠性,并极大增强了协作系统配置的灵活性。理论分析和仿真实验均表明:a)三种ROSE方法的高信噪比中断性能完全相同,且由用户至目的端链路完全决定而不受用户间链路影响;b)在平衡的用户-目的端链路场景下,三种ROSE方法的中断性能在整个信噪比区域几乎完全相同;c)在非平衡的用户-目的端链路场景下,P-ROSE方法的中断性能在中低信噪比区域要劣于C-ROSE和D-ROSE方法,这在用户间链路质量较差时尤为明显。