浅谈MIMO双向中继系统性能分析的研究进展

侯艾冰

摘 要：为了提高无线通信系统的性能，提出了多输入多输出（Multiple-Input MultipleOutput， MIMO）技术与双向中继协作结合的方案。MIMO与双向中继转发技术的结合有覆盖范围大，传输速率快和效率高等优点。然后结合对不同发射策略系统性能进行仿真，仿真结果表明，相比傳统直接的传输模式该系统方案可提高系统性能。最后概述了该系统方案性能分析的研究进展。

关键词：MIMO 双向中继系统 性能分析 研究进展

1.概述

将中继技术与下一代宽带蜂窝移动通信系统融合到现有的蜂窝网络中，它能够提高系统的吞吐量，有效地扩大无线网络的覆盖能力。但在实际通信系统的通信过程是半双工模式，要4个时隙才以完成信息交换，且协作中继在提高无线传输性能的同时也带来了频谱效率的损失。为此，国外学者Rankov等人通过对网络进行编码，最后得出双向中继协议有更高的频谱效率相比单向中继协议。MIMO技术通过给每个节点配置多条天线接入中继系统，MIMO技术能够利用多天线间的协作，产生分集复用增益，能够在不增加带宽的情况下大幅度提高系统容量。

2.系统模型及双向中继转发策略

MIMO双向中继系统的模型有很多，有基于三节点模型的，有基于多中继模型的，有基于多用户模型的，也有针对ad-hoc网络的。本文主要针对移动通信系统中的三节模型进行研究，假设源节点与终端节点之间没有直达链路，通信过程必须通过中继的协助来完成，通信过程是半双工的，T1，T2分别是配备L和N根天线的源节点与终端节点，中继配备M根天线，如图1所示。

中继的转发策略通常分为：再生中继和非再生中继。对于再生中继策略，信号在中继进行解调，它的具体形式是解码转发（Decode-andforward， DF），DF的双向中继指的是两源节点同时发送信号到中继节点，中继节点在接收到混合信号之后，将两信号联合译码出来，然后编码处理后将信号广播给两源节点。非再生中继策略中继站无需对数据进行解调，中继端对来自发送端的信号进行放大，它的具体形式是放大转发（Amplify-and-forward， AF），AF是一种复杂度高的中继方案，但它是简单的转发策略。

3.性能比较与分析

图2和图3是是在假定源节点与中继节点间信道状态信息较好下所得到的仿真图，图2为非协作系统（Direct）与AF、DF的实际误码率曲线图，图3为Direct与AF、DF理论误码率曲线图。从图2和图3可以看出，非协作系统误码率高于AF和DF中继协作系统，而且，在信噪比为0-10db的范围内，协作中继的方式随着信噪比的提升对系统性能有一定的提升，故中继协作系统性能优于非协作系统。

4.研究进展

MIMO双向中继系统性能分析的研究国外很早就开始。由于双向中继有巨大的优势，在早期文献推导了双向中继系统的容量上界，对MIMO双向中继系统的容量进行分析，提出了对信道状态信息低需求下的中继方案策略，最后得出了容量的表达式。而近几年这个系统的研究方向为：文献研究了在多用户MIMO双向中继系统情况下自由度区域的优化；在空间复用下提出了两种中继选择策略来最大化信噪比，以达到最大化系统的容量。提出了两种频谱共享方案以达到首层网络与第二层网络可达到的最大化速率。提出了用户选择策略来降低系统首层网络的误码率。

5.结束语

MIMO双向中继系统是一相对新颖的研究领域，各国学者对该系统的研究并不是非常成熟，若想真正拓展到实际应用需要处理的问题还很多。未来研究的几个重要方向有：现实环境中MIMO双向中继系统的性能分析，用户、中继、基站的波束结构联合优化，功率分配和中继最优位置，多用户与多中继等。本文阐述了MIMO双向中继系统的优势，通过仿真得出，相比传统的传输通信模式，MIMO双向中继系统可提高系统性能。最后给概述了近几年MIMO双向中继系统性能分析的研究进展。

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