透明中继系统的物理层转发协议及其应用

本章主要讨论了透明中继系统的物理层转发协议，即中继对接收信号做透明化的处理并转发。这里透明化处理是指中继在处理过程中并不介入信息内容，而只对其波形进行模拟处理，例如，模拟幅值放大、模拟相位偏转等。

首先讨论了多个中继无干扰转发的经典中继系统；然后讨论了分布式空时处理系统的结构，中继以可控的方式转发信息从而可实现分布式的空时处理机制；最后讨论了分布式系统的优化设计。本章主要内容总结如下：

●透明中继传输协议。这里我们分析了4种不同并行分支、不同串行跳数的经典转发协议，分别是单分支两跳、单分支多跳、多分支单跳和多分支多跳。这些经典转发协议可以构成任意一种透明中继转发协议，并可以通过给出的数学分析方法分析更复杂的系统模型。例如，可以基于CDF分析方法得到一系列相关联的透明多跳中继信道的端到端SNR的PDF和CDF，从而进一步推导错误概率。另外，透明的多分支中继系统可以通过基于MGF的方法进行处理。这样就形成了适合任意拓扑结构、任意衰落信道的一般性理论分析框架。从系统性能角度可以得到一般性的结论：当不考虑路损或阴影增益时，多跳衰落信道下的系统性能差于直传衰落信道。此外，多分支中继系统由于可以获得分集增益，因此其性能优于无中继系统。

●透明空时处理协议。我们首先介绍了如何将传统的集中式多天线下的空时处理技术应用于分布式天线系统，包括分布式空时分组码、空时网格码、空间复用和波束赋型技术。一个基本结论是：当系统理想同步或者其他参数与传统集中式多天线系统一致时，就可以很好地应用分布式空时处理技术。当系统参数不理想时，则需要进一步研究，而且目前有很多学者致力于此。这也导致改进的空时分组码和空时网格码方案相比最初的原始方案可以有一个量级的性能优势。例如，我们研究了基于线性扩散码的分布式空时编码，此时中继对接收信号进行线性处理并同时转发至目的节点；还研究了分布式空时网格码设计中适应于级联中继信道的设计准则下的最优生成矩阵；研究了基于简单的迫零准则的分布式复用传输方案，相关分析揭示了一些有用的内容，例如如何选择源节点、中继和目的节点的数目从而系统容量最优；最后，我们研究了基于全局总功率受限和单个中继功率受限条件下的波束赋形设计，其中最大的挑战在于选择最优相位和最优功率分配方案，这都对系统同步提出了很高的要求。(www.xing528.com)

●透明分布式系统优化。系统设计的基础是要对所有的或最为关键的参数进行优化设计。从上述分析可知，影响系统性能的关键之一是发射功率分配。而如何将总发射功率分配给不同中继，或者是如何设计使得每个中继满足其功率约束，这都是系统设计的难点。功率分配问题对于无线传感器网络尤为重要，因为这将直接影响到传感器的使用寿命。另一个重要的研究点在于分布式透明网络的中继选择问题，为了优化系统性能，我们选择一种简单的基于AF协议的中继选择算法。与所有中继都参与转发的正交AF方案相比，本章提出的AF-RS算法可以有效提高非正交两跳多中继网络的系统性能和容量。

本章中多数分析都没有考虑信道编码、系统干扰的影响、定时、同步、宽带影响、阴影衰落等问题，这些都是影响实际透明中继系统的重要问题。在第6章中，我们将讨论实际系统中存在的上述问题如何影响本章所介绍的技术。

尽管本章详细介绍了透明转发协议，但许多问题，尤其是涉及分布式空时处理与优化的问题还有待进一步研究。例如，在设计空时分组码和空时网格码矩阵时，哪些能够适用于通用拓扑，哪些对拓扑变化、系统不理想具有健壮性等都是有待研究的课题。此外，在系统综合领域，即系统的重要参数在协同系统中的协调，目前几乎是一片空白。我们在第6章中还将讨论更多的开放性课题。