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海大学硕士学位论文协同通信系统关键技术研究率。一般而言空时编

发布时间:2019-06-19 19:43 来源:未知 编辑:admin

  海大学硕士学位论文协同通信系统关键技术研究率。一般而言空时编码包括空时格码 和空时分组码 。空时格码可以实现满分集增益 并且具有相应的编码增益 抗衰落性能比较好。空时分组码也可以获得满分集增益 而且这种技术只需在接收端进行简单的线性处理 大大简化了接收机的结构。空间复用是通过不同的天线尽可能多地在空

  海大学硕士学位论文协同通信系统关键技术研究率。一般而言空时编码包括空时格码 和空时分组码 。空时格码可以实现满分集增益 并且具有相应的编码增益 抗衰落性能比较好。空时分组码也可以获得满分集增益 而且这种技术只需在接收端进行简单的线性处理 大大简化了接收机的结构。空间复用是通过不同的天线尽可能多地在空间信道上传输相互独立的数据。空间复用就是在接收端和发射端使用多个天线 充分利用空间传播中的多径分量 在同一信道上使用多个数据通道 子信道 发射信号 从而使得信道容量随着天线数量的增加而线性增加。这种信道容量的增加不占用额外的带宽 也不消耗额外的发射功率 因此是增加信道和系统容量的一种非常有效的手段。目前典型的空间复用技术是贝尔实验室的空时分层结构 包括 三种。其中最基本的形式是针对平衰落信道的结构 它没有得到空间分集 而是纯粹的 多路传输 可获得最大速率或流量增益【 很显然空间分集追求的最大分集增益和空间复用追求的最大频谱效率很难同时获得。因此 系统需要在编码处理时考虑二者的折衷 根据不同的目标要求采用相应的传输方案。目前 已被多种宽带移动通信标准所采纳【】。例如 无线局域网 和无线城域网 都采用 作为其物理层传输技术的可选项。 中继传输技术为解决无线蜂窝网络的覆盖问题 一个很容易想到的途径是增大基站布设密度 从而缩短终端与基站之间的距离 降低路径损耗。然而在实际中 要在市区获得一个新的基站位置 对于运营商来说是很困难的。首先 基站的铺设成本很高 其次 小区变小导致的传播损耗减少更加加剧了相邻小区间的干扰。另外一种降低通信节点之间路径损耗的途径是多跳传输技术。在多跳传输中 两个通信节点之间的通信链路被一个或多个中间节点分割为若干段。这些中间节点被称为中继 它们所承担的工作就是在基站和用户设备之间转发信号 也就是说是一种信号转发设备。与增加基站相比 布设中继的成本要低很多【 】。多跳传输的显著特点在通信节点之间的距离被缩短 各通信节点的发射功率得以降低。因此 多跳传输可用来抵抗路径损耗和阴影衰落的影响。不仅如此 上海大学硕十学位论文协同通信系统关键技术研究由于发射功率较低 多跳网络中的干扰水平和各节点的辐射水平都得以降低。制约多跳传输性能的最主要因素就是无线信道衰落导致的不稳定性。同时 随着节点数目增多 每个节点的平均吞吐量迅速下降。当前主要有两种手段来提高多跳传输的可靠性。第一种手段是研究高效的路由和媒体控制层 实现多跳无线资源管理。这种方法的不足之处在于两点 一是路由协议并不保证能找到合适的路径 二是 控制层由于需要额外的信令开销 会带来网络吞吐量的损失。第二种有效手段就是在物理层采用分集手段 将多跳技术和分集技术相结合。 协同通信技术正是在上述分集 和多跳传输技术的基础上 为提高网络容量和增强网络覆盖 协同通信技术开始逐渐兴起。协同通信技术主要利用了无线信道的广播特性。在一个源节点发射信号给目的节点时 该信号可以被其邻近的节点侦听到。因此这个邻近节点可以作为源节点的中继 将其侦听到的信号经过适当处理后转发给目的节点。通过中继节点的辅助传输 目的节点能接收到来自源节点和中继节点的多份信号 实现了协作分集。 研究的目的和意义协同通信技术因其综合了各种技术的特点 能进一步提高频谱效率 增加信道容量 增加覆盖 改善通信质量 减少终端复杂度等优势 成为研究的热点技术之一。其主要原因可归结为以下几点 协同通信技术为 多天线技术走向实用提供了一条新的途径。多输入多输出 技术通过在接收端和发射端同时安置多个天线形成 信道结构 从而充分利用了空域资源 在不增加频率资源和发射功率的前提下 大大提高了系统的容量和可靠性 为协同通信的实现提供了理论基础。尽管 多天线技术具有明显的优势 并已逐渐被新一代无线通信系统的主流协议所采纳 但仍然存在问题。具体地讲 现有的多天线都设置在基站端 而移动终端则很难安置多天线 这主要有两方面的原因 一是移动终端对体积、质量和功耗的要求远比基站苛刻得多 二是理想的 多天线系统要求相邻天线之间的间距要远大于电波波长 并且多个收发天线之间的传输信道是独立的上海大学硕 学位论文协 一通信系统关键技术研究 或至少是不相关的 而移动终端由于体积限制 根本无法做到这一点 尤其对于小型移动终端来说是很不现实的 这就导致 技术在蜂窝网以及 等网络中难以实用化 理想的 多天线技术在实践中步履维艰。而协同通信技术的基本思想是允许多个单天线用户通过用户之间的合作获得 系统的复用或者分集性能 技术在小型移动终端的应用找到了新的出路是一种很有前途的空间分集技术。可以说 合作分集可以使 技术的各种优势得以发挥 能够切实地利用空间资源来提高通信系统的性能 包括提升系统容量 增大数据传愉速率 有效对抗衰落以及降低系统的服务中断概率 提高系统的服务质量和可靠性等。 协同通信技术能解决未来移动通信系统实现无缝覆盖难的问题。如果未来的 无线网络是纯粹地基于传统的无线网络的体系结构而建立起来的 那么它将遭遇以下几个方面的难题。第一 未来的 无线网络的传输速率比 的无线网络更高 而众所周知的 因为信干噪比 与传输速率是成反比例的。比如 当发送信号的功率是常数的时候 如果增大传输速率 则每比特的能量相应地减少 而噪声谱密度 也是一个常数 那么 也会相应减少 导致 减少 这样 无线网络势必对接收终端的 产生不利的影响。第二 分配给 网络的带宽会大大高于 网络所使用的 而根据电磁波信号传播的特性 在如此大的带宽范围内运行 将使得接收到的信号在传播途中被极大地衰减。第三 由于未来城市环境的复杂化 无线信道的阴影衰落将是影响通信可靠性的又一重要因素。对于上述的这些困难 虽然可以通过采用干扰消除算法或者智能天线技术来解决 例如使用多输入多输出技术 或者自适应天线技术来有效地分发和收集信号。但是 这些技术只能在某种程度上解决这些问题 因为即使是最先进的天线 在严重的遮蔽 效果下也不能在网络中正常工作。为了解决终端接收的信号的 太低的问题 可以缩短基站与用户设备之间的通信链路一也就是说通过增加基站的数量或者缩小无线小区的面积来解决。皮蜂窝 和微蜂窝 的基本构架就是基站更加密集的例子之一。但是 这些方法都不是理想的解决方案 首先 成本太高 目前增加基站密度的方案 其成本仍然在社会的承受范围之外。其次 小区变小导致的传播损耗减少更加加剧了相 海大学硕士学位论文游同通信系统关键技术研究邻小区间的干扰。缩短通信链路 增加覆盖范围 提高通信可靠性的一个新技术就是协同中继通信技术 目前这种技术引起了国内外通信领域的极大关注。中继的引入 这在减少成本方面是一种行之有效的途径 因为在本文中所介绍的协同中继 在功能上要比基站简单得多 甚至在很多场合下 可以由用户终端承担作为中继的角色。可见 由于信号的传输 是在中继的协同下完成的 因此中继传输也可看成是协同通信的一种形式。信号的中继机制是双向的 可以从基站到用户设备 也可以从用户设备到基站。这在很大程度辅助了基站和用户设备之间的信号传输 并且能够保证功率更强、更加稳定地接收信号 特别是对于那些在小区的边缘上的用户设备。因此 这种技术也能以这样的方式全面地提高系统的吞吐量。 论文主要研究内容和贡献本文主要对协同通信中所涉及的一些关键技术和理论进行了深入研究 特别是在同步性能改善算法和协同用户配对算法方面 针对目前算法的不足进行了改进和创新 并结合实际系统提出了应用方案。 在中继合作模式中 本文提出一种优化的并行干扰消除算法。该算法考虑由一个源节点 一个目的节点和两个中继节点组成的系统模型。如果两个中继节点到目的节点的时刻不同步 将会破坏空时编码的正交性 从而产生符号间干扰 因此接收端译码前必须先消除非同步带来干扰的影响。该算法不需要在检测开始前通过其他技术消去部分干扰再进行并行干扰消除 就能消除绝大部分的不同步带来的符号间干扰。另外将优化的并行干扰消除算法应用于存在两个目的节点的系统 也能取得更好的系统性能。 在虚拟 合作模式中 本文提出了一种公平性优化的用户配对算法。已有的配对算法假定系统能有理想功率控制 而实际系统的功率控制能力往往是有限的 这样接收端接收到的各个用户的功率是不同的。基于最大系统容量准则下 具有信噪比大的用户将会被经常选中作为选定用户的配对用户 导致用户公平性较差。本文提出的公平性优化算法 同样基于最大系统容量准则 通过将信噪比映射到特定数值 上海大学硕士学位论文协同通信系统关键技术研究从而优化用户配对因子 能以较小的容量损失 换取较大幅度系统公平性改善 使各待选择用户能有相对公平的机会被选为配对用户。特别是信噪比较小的用户选中的概率将远远大于未采用公平性优化配对算法时的概率。 提出了协同通信在 系统中的应用方案 并分别针对虚拟 和中继合作两种合作模式进行了性能分析 仿真结果验证了协同通信相对非协同通信系统在系统误码率 吞吐量 提高接收信噪比和减少发送功率等方面都具有技术优势。 论文的篇章结构本文的主要内容安排如下 第一章首先介绍了本论文的研究背景 综述了无线通信的最新发展。接着介绍了新一代无线通信中的几项关键技术 从而引出了协同通信技术发展的原因背景和研究目的及意义。接着介绍了论文主要贡献和篇章安排。第二章对协同通信技术进行深入论述 包括协同的基本概念 协同通信中虚拟 和中继合作两种协同模式 放大转发 解码转发和编码协同三种中继转发方式。接着介绍了协同通信物理层和系统层的关键技术 并概述了宽带协同通信的现状。第三章先介绍了系统不同步产生干扰的影响 引出几种干扰消除的方法。然后对本章将会采用的 发射分集方案进行介绍。接着本章详细介绍一种优化的并行干扰消除算法 能消除绝大部分系统不同步带来的符号间干扰。并且该算法应用于目的节点两天线模型 能带来更好的分集增益。最后 通过仿真可以看到系统比特误码率的改善。第四章首先介绍了虚拟 的一些基本问题 再在理想功率控制条件下介绍了随机用户配对和行列式配对两种配对算法。在非理想功率控制条件下 由于接收端接收到各个用户的信噪比不同会产生公平性严重不平衡 由此本章提出了一种公平性改进的配对算法 在保证容量最大化的前题下 改善了公平性。仿真显示公平性优化的配对算法相对其他配对算法 能较好的兼顾系统容量和用户公平性。 海大学硕 学位论文协同通信系统关键技术研究第五章是协同通信在 系统中的应用。首先介绍了 标准 接着给出 系统仿真平台的介绍。基于 仿真平台 仿真可得在虚拟 和中继合作两种合作模式下 通过用户协同分别对系统性能有所改进。第六章对全文的研究工作进行了总结 并对下一步研究方向进行展望。 上海大学硕。 学位论文协同通信系统关键技术研究 第二章协同通信技术概述 协同通信的基本概念协同通信的基本思想要追溯到 的突破性研究他们研究了中继信道的信息理论特性【 见图。这项工作分析了系统只由三个节点 源端、目的端和中继构成时的容量问题。中继端的引入 使得网络进入了“多跳 的革命性转变 但该网络与传统多跳网络不同的是 该信道模型既包括源端到中继端和中继端到目的端的两跳传输链路 还包括源端到目的端的直传链路。假设所有节点都在相同的带宽下工作 系统可以被分解地看成是一个广播信道和一个多址接入信道 这也为后来的协同通信研究奠定了理论基础。广播图 三节点中继模型多址接入尽管近年来中继信道信息论层面的研究成果不断涌现 但是中继 容量迄今仍未有一个完整、准确的答案。对于拥有多个中继节点的并行高斯中继信道 其容量分析更为复杂 许多学者对多中继节点的高斯并行中继信道展开了广泛的研究。 上海大学硕士学位论文踟同通信系统关键技术研究 协同通信的合作模式协同通信的合作模式多种多样 本文主要研究上行链路的协同通信合作模式。另外本文根据用户间能否直接通信实现信息共享 将协同通信分为两个模式 即虚拟 合作模式和中继合作模式。在现有的蜂窝系统和 或者 系统中 由于技术和安全性的考虑 用户间无直接的空中接口 用户间无法实现信息共享 只能分别传输各自独立的数据 但单天线用户通过合作 共享相同的资源块 在上行组成多天线传输的模式 但只能利用 的复用增益 在此种场景下的协同通信技术 本文称之为虚拟 合作模式。而在未来的 系统中 由于中继技术的引入 假定用户间有直接的空中接口 可以交换所需传输的信息 因此可以采用非常灵活多样的合作模式 比如分布式 集中式的空时编码合作传输 以及编码合作传输和重复合作分集等方式 利用 的分集增益 此种方式下的协同通信 本文称之为中继合作模式。下面将分别简要介绍这两种不同的合作模式。 虚拟 合作模式 技术因其能够明显提高系统容量和频谱效率而得到了广泛关注 是下一代移动通信的关键技术之一。然而 系统的主要缺点是部署多根天线而导致的高复杂度以及高成本。而且理想的 多天线系统要求相邻天线之间的间距要远大于电波波长 并且多个收发天线之间的传输信道是不相关的。在蜂窝环境中 这个缺点在基站端还能够克服 但在用户端将变得尤为棘手 成为 在上行应用的一个瓶颈。这是由于一般要求用户设备具有复杂度低、体积小、成本低、功耗低等特点 特别是对手持用户设备来说。正是由于以上这些原因 以及移动通信的初期 大部分用户还是使用单根天线的设备。而且 即使到 阶段 对设备更小更轻的普遍期望和需求 用户端的天线数量仍受到限制 因此 的优势还是不能完全发挥。于是 等人提出了一种新的空域分集技术一协同分集 其基本原理是 每个单天线的移动终端都有一个或多个协同伙伴 它除了要传输自己的信息之外 还要负责传输其协同上海大学硕士学位论文协同通信系统关键技术研究伙伴的信息。这样 相当于相互合作的移动终端共享了彼此的天线 构造了一个“虚拟”的 虚拟 因此得名【 】。在虚拟 合作传输系统中 每个终端在传输信息的过程中既利用了自己又利用了其它终端的空间信道 从而获取了一定的空间分集增益 实现了单天线移动终端的空域分集。在平衰落环境下 虚拟 合作传输可以扩大系统容量 提高网络服务质量 改善系统性能。然而在蜂窝系统或者无线局域网中 各用户的信道彼此独立 用户之间没有直接的空中接口 用户之间不能实现直接的信息共享。因此 用户一般能够知道自己的信道状态信息 却很难获得其他用户的信道信息。因此 下文所指虚拟 合作模式 主要基于蜂窝系统或者无线局域网系统 即用户间没有直接的空中接口 不能实现信息共享。以无线蜂窝网络为例 基站由于功耗、体积限制更宽 处理能力更强 因此比移动台拥有更多的天线配置 而每个移动台鉴于质量、体积和功耗的限制 只有一个天线。考虑上行链路 对于每一个移动台来说 都是一个单输入多输出 系统。倘若把多个移动台的发送联合起来 动态的将两个单天线发送的移动台配成一对 共享移动台之间的天线 进行虚拟的 发送 这样 信道具有较好正交性的移动台可以共享相同的时频资源 从而提高上行系统的容量。上行链路中 被调度组成虚拟 合作模式的用户工作在相同的频段上 向同一个基站发送信号 然后基站通过适当的方法来区分用户数据 比如基站可以通过干扰抵消 最大似然 等联合检测技术 有效的对抗多用户干扰 区分不同的用户数据流。虚拟 合作模式目前己应用于 网络中 同时 它是 工业标准的一部分 版本标准所规范。虚拟 合作模式下 用户间不能互相通信 调度工作由中央调度单元 在蜂窝系统中 由基站担任 完成 被调度的用户除了导频传输需要正交外 其他跟一般的 模式下的用户几乎没差别。虚拟 合作模式可看作是一种空分复用技术 也可看成是上行多用户 的一种特殊形式。多用户的多天线配置带来许多好处 多天线具有的分集增益可以提高误比特率性能 多天线的复用增益使多用户的信道容量区域扩大 多天线同样可以带来方向性增益从空间上区分用户而消除用户间的干扰。使用同 上海大学硕上学位论文协同通信系统关键技 术研究一频段的多用户 系统可以应用各种多址接人方式。时分多址 的频谱效率低 系统容量不高 码分多址 需要消耗大量的码资源。空分多址 技术频谱利用率高且不消耗码资源 是多用户 系统的一种重要方式 与其它多址方式相结合使系统应用的灵活性进一步提高。虚拟 相对传统的 来说 除了每个用户只需要一根天线的设备复杂度的显著优势 主要还有以下的好处 提高了多用户分集 对于传统的 系统来说 所有的 信号来自同个用户的所有天线 因此即使发送天线是不相关的 信道矩阵也不是很好 而对于虚拟 而言 信号来自不同的用户 如果这些用户的信道衰落是不相关的 调度器便可根据各用户的瞬时信道质量来分配资源 获得多用户分集增益和更高的系统吞吐量。 可以通过基站调度器选择近似正交的信道来选择用户组成虚拟 传输 这样在维持无线连路的鲁棒性的同时提高了系统吞吐量。 虚拟 合作模式中 由于基站可以方便的知道所有用户的信道信息 用户决策反馈干扰消除的空间复用可以通过基站完成 用户终端除了导频需要正交外 般的终端没有区别从而用户中断的复杂度可以大大减少。 虚拟 合作模式中 由于是不同的用户组成的多天线发射 因此每个用户的发射功率还是一个单位 而不像传统的 的多天线发射 是同个用户的不同天线 因此每根天线的发射功率只有 个单位 假设每个用户有 根天线 。因此 从基站的角度而言 接收到的上行传输功率得到提高。 中继合作模式为了解决 系统所面临的瓶颈问题 中继合作 技术越来越多的受到人们的关注 采用中继合作技术的宽带无线接入迅速成为无线通信领域目前的研究热点。在传统网络中 基站 与用户终端 之间的无线连接是直接的无线连接 也就是采用单跳

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