多中继终端网络中的性能、编码和协议设计（博士论文）

liuwei_0613

Contents
Acknowledgments iii
List of Figures vii
1 Introduction 1
1.1 Objectives and Signi¯cance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Design Challenges of Ad Hoc Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2.1 Modulation/Coding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.2 Multiple Antennas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.3 Adaptive Resource Allocation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.4 Medium Access Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.5 Routing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.6 The Impact of Finite Energy Reserve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2.7 Cross-Layer Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.3 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2 A Block-Fading Perspective on Random Access Relay Networks 12
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2 System Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3 Rate Constrained Orthogonal Relay Channels 20
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.2 Nonadaptive Single-Relay Protocols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.2.1 Direct Transmission (DT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.2.2 Decode-Forward Relaying with Diversity-Combining (DF-MRC) . . . . . . . 22
3.2.3 Decode-Forward Relaying with Code-Combining (DF-CC) . . . . . . . . . . . 23
3.2.4 Amplify-Forward Relaying (AF) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.3 Single-Relay Adaptive Protocols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.3.1 Source Adaptive Protocols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.3.2 Relay Adaptive Protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.3.3 Performance of Di®erent Relaying Schemes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.4 User Cooperative Coding: A Relaying Perspective . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.4.1 Cooperative Coding under Source Adaptive Protocol SA-CC . . . . . . . . . 34
3.4.2 Cooperative Coding under Source Adaptive Protocol SB-CC . . . . . . . . . 39
3.5 Multiple-Relay Protocols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.5.1 Relay Selection Strategies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.5.2 Nonadaptive Protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.5.3 Adaptive Protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.5.4 Macrodiversity Multihop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.5.5 Performance Comparison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4 Hybrid ARQ Protocols for Rate Constrained Relay Networks 50
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.2 Hybrid-ARQ Based Protocols for Relay Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.2.1 Interference-Free Relaying Protocols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.2.2 Relaying vs. Multihop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.3 Relaying under In¯nite Delay/Rate Constraint . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.3.1 Throughput . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.3.2 Energy E±ciency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.3.3 E®ects of Network Topology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.3.4 Diversity Combining vs. Code Combining . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.4 Implementation Issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.4.1 Finite Delay/Rate Constraint . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.4.2 Probabilistic Transmission: A Practical Design Approach . . . . . . . . . . . 71
4.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5 Hybrid ARQ-Based Intra-cluster Geographically-informed Relaying 77
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.2 Geographic Random Forwarding: A Brief Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.3 The HARBINGER Protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.4 A Mathematical Framework . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.5 Performance Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
5.5.1 GeRaF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
5.5.2 Slow-HARBINGER A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
5.5.3 Slow-HARBINGER B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
5.5.4 Fast-HARBINGER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
5.6 Numerical Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
5.6.1 Message Delay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
5.6.2 Energy E±ciency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
6 Distributed Turbo Coding for Relay Networks 103
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
6.2 Turbo Coding for the Noisy Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
6.2.1 Turbo Code Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
6.2.2 Iterative Decoder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
6.2.3 Performance Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
6.3 Distributed Turbo Coding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
6.3.1 Constrained Relay Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
6.3.2 Relay Networks with larger Rate Constraint . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
6.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
7 Conclusions 115
7.1 Summary and Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
7.2 Future Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

lyd964201

谢谢