● 摘要
中继传输技术通过在收发机之间布置中继节点进行接力传输，可以有效扩展无线系统的覆盖范围，提高通信链路的数据率和可靠性，已被现有无线系统广泛采用，并成为未来无线通信系统的关键技术之一。由于无线通信系统的碳排放和运营成本不断攀升，未来无线通信系统除了要求高频谱效率，还将追求高能量效率。因此，本文研究放大转发中继系统的频谱效率与能量效率。在面向高频谱效率的研究中，本文考虑多天线多用户蜂窝双向中继（TWR）系统，其中一个多天线基站与多个单天线用户通过一个多天线中继交换上下行信息。本文针对该系统设计最大化系统双向和频谱效率的无干扰收发机。为了给设计提供性能基准，首先使用交替优化技术来迭代优化基站和中继的收发处理矩阵。然后，通过对交替优化的结果在高发射功率场景中进行渐进分析，提出一种低复杂度的收发机构，其中基站收发机为迫零收发机，中继收发机通过权衡上下行数据率来提高双向和数据率。仿真结果表明，所提出的权衡上下行和率的收发机频谱效率与交替优化结果很接近，高于现有的收发机结构。在面向高能量效率的研究中，现有文献大多仅考虑系统发射能耗，因而得到TWR能量效率总是高于单向中继（OWR）的结论。当考虑了除发射能耗外、如电路能耗等开销后，上述结论不一定成立。本文在同时考虑发射和电路能耗后，研究一个三节点中继系统的能量效率，其中两个信息节点通过一个中继节点交换信息。首先通过联合优化系统传输时间以及各节点发射功率来最大化OWR以及TWR传输方式的能量效率，并与直接传输的能量效率进行对比。分析结果表明，中继传输的能量效率并不总是高于直接传输，而TWR的能量效率也并不总是高于OWR。当各节点电路功耗相等、并且双向待传输数据量也相等时，TWR的能量效率高于OWR；否则，OWR的能量效率可能更高。由于当考虑了电路能耗后，TWR的能量效率并不总高于OWR，为了能使中继系统在各种场景中均达到较高的能量效率，我们针对单载波系统提出一种包含OWR和TWR的混合中继传输方法，通过联合优化OWR和TWR传输阶段的传输时间以及比特数来最大化混合中继传输的能量效率，并且分析电路功耗和待传输数据量不同时，最优混合中继相对于OWR和TWR的能量效率增益。分析和仿真结果表明，当待传输数据量较高、发射能耗在总能耗中起主导作用时，最优混合中继退化为TWR；而当待传输数据量较低、电路能耗在总能耗中起主导作用时，所提出的最优混合中继相对于OWR和TWR有明显的能量效率增益。我们同样针对OFDM系统提出一种混合中继传输方法，其中系统在部分子载波上使用OWR传输，在其它子载波上使用TWR传输。提出一种基于子载波缩减的双向灌水算法，通过联合优化两个信息节点在各个子载波上的比特分配，在满足双向数据率需求的前提下最小化系统总的发射与电路功耗。仿真结果表明，所提混合中继传输方法的能量效率高于单纯的OWR以及TWR传输，也高于仅针对发射功耗进行优化的传输方法。