基于OFDM的寬帶協(xié)作中繼系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、協(xié)作中繼是由多個物理位置獨立的充當中繼角色的用戶節(jié)點協(xié)助信源用戶傳輸信息的新型無線通信模式。它利用了虛擬MIMO的概念,可以通過多個用戶間的有效協(xié)同獲取額外的空間分集,尤其適用于小型化無線終端,可以有效的解決它們無法配備多個天線的缺點。此外,協(xié)作通信還具備提高系統(tǒng)容量和頻譜效率、擴大通信覆蓋等一系列重要優(yōu)點。另一方面,在高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶拵ㄐ畔到y(tǒng)中,作為關(guān)鍵技術(shù)的OFDM,可以有效的對抗頻率選擇性衰落,具有低實現(xiàn)復(fù)雜度以及帶寬資源分配靈

2、活等優(yōu)點,在當前以及將來的移動通信系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。將協(xié)作中繼與OFDM將結(jié)合,可以同時獲取兩者的優(yōu)點,具有重要的應(yīng)用前景,但也帶來許多與窄帶協(xié)作通信截然不同的技術(shù)問題。于是,如何在OFDM系統(tǒng)中有效的使用協(xié)作中繼技術(shù),使兩者的結(jié)合發(fā)揮最大的功效,便成為很有研究價值的問題。為此,本文將研究其中幾個關(guān)鍵問題,主要包括:信道估計與訓(xùn)練設(shè)計、對抗多個載波頻偏(CFO)的均衡技術(shù)、寬帶環(huán)境下協(xié)作OFDM的分集性能、低復(fù)雜度的中繼選擇(RS)

3、方法以及利用信道狀態(tài)信息(CSI)反饋的波束成形(BF)等。本研究主要內(nèi)容包括：
　　 ⑴研究了放大轉(zhuǎn)發(fā)模式下多中繼頻率選擇性信道的信道估計問題和相應(yīng)的訓(xùn)練設(shè)計方案。通過在中繼節(jié)點使用循環(huán)卷積濾波(CCF),保證了信道可辨識,在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)了CCF以及訓(xùn)練序列的次最優(yōu)設(shè)計方案,同時證明了該方案是隨信源到中繼鏈路信噪比增大漸進最優(yōu)的。為進一步提升估計性能,推導(dǎo)了信源與中繼間功率分配的閉合表達式。仿真結(jié)果表明所提出方案的估計精度高,

4、與未經(jīng)優(yōu)化的訓(xùn)練方案相比,能大幅度提升系統(tǒng)性能。
　　 ⑵基于使用正交空時編碼的協(xié)作OFDM系統(tǒng),研究了多個CFO存在時,對抗信號間干擾的均衡技術(shù)。考慮到不同CFO條件下對均衡器需求的差異,首先設(shè)計了一種快速實現(xiàn)迫零均衡的迭代算法,由于主要步驟可通過FFT/IFFT完成,其計算復(fù)雜度非常低,適用于載波頻偏差(DCFO)較小,也即干擾較弱的場合。其次,通過先以串行的方式做信道間干擾消除,再將所得結(jié)果在所有信號間進行并行干擾消除,得

5、到了一種DCFO較大時可以有效對抗嚴重干擾的均衡方法,相比一些現(xiàn)有方法,可以大幅提升較大DCFO場合下的誤碼性能。該方法設(shè)計時實現(xiàn)了均衡所需矩陣求逆的遞推計算,從而有效節(jié)省了計算量,保證了該方法的實用性。
　　 ⑶深入研究了固定增益放大轉(zhuǎn)發(fā)(FG-AF)模式下協(xié)作OFDM的分集性能。已有研究表明FG.AF模式下的窄帶系統(tǒng)所能獲得的分集性能要用分集增益函數(shù)(DGF)(logρ/ρ)的形式來表示,其中ρ表示信噪比。而我們在采用線性星

6、座預(yù)編碼的OFDM系統(tǒng)中,全面研究了寬帶信道條件下FG-AF可獲得的分集性能及其與預(yù)編碼分組長度J之間的關(guān)系。假設(shè)信源到中繼以及中繼到目標信道上的可分辨路徑數(shù)分別為L1和L2,定義L=min{L1,L2)。成對差錯概率(PEP)的理論分析結(jié)果表明:若L1≠L2,只要選取J≥L+1就能獲得形如ρ-L的最優(yōu)DGF,選取J≤L則只能獲得(logρ/ρ)J的DGF效果;如果L1=L2,則此時可達的最優(yōu)DGF為(logρL/ρ),選取J≥2L-1

7、則可以確保獲得該DGF性能。同時,根據(jù)分布式空頻碼(DSFC)系統(tǒng)與單中繼預(yù)編碼系統(tǒng)PEP性能間的聯(lián)系,以上單中繼DGF結(jié)論可以方便的推廣到多中繼協(xié)作OFDM系統(tǒng)中。
　　 ⑷為了克服多中繼協(xié)作OFDM獲取分集時的高復(fù)雜度缺陷,研究了譯碼轉(zhuǎn)發(fā)模式下基于預(yù)編碼的中繼選擇策略。提出了兩種不同的方案,一種要求每一個預(yù)編碼塊都指定一個中繼進行轉(zhuǎn)發(fā),另一種則由一個中繼轉(zhuǎn)發(fā)所有的預(yù)編碼塊。通過分組差錯概率分析,給出了兩種方案下各自的中繼選取

8、準則。進一步的理論分析表明,在給出的準則下,兩者都能達到全部的協(xié)作與頻率分集效果。仿真結(jié)果說明了相比DSFC方案,前者能在大大降低編譯碼復(fù)雜度的同時提供非常相近的性能,后者會有部分性能損失,但實現(xiàn)更加簡單,通信開銷更小。此外,為進一步降低譯碼復(fù)雜度,提出了一種改進的球形譯碼算法。通過使處于搜索結(jié)構(gòu)底部的節(jié)點快速擴張,使得該算法擁有明顯低于傳統(tǒng)方法的計算復(fù)雜度,且僅有很小的性能損失。
　　 ⑸研究了利用完整CSI的協(xié)作OFDM波束

9、成形技術(shù),用以提高閉環(huán)條件下的系統(tǒng)性能?；谥欣^獨立功率約束,以最大化容量和為目標,推導(dǎo)了單獨中繼BF以及與信源功率分配聯(lián)合后的優(yōu)化算法。使用拉格朗日對偶原理,從對偶域上證明了兩個問題都可通過迭代計算一系列可用線搜索算法求解的一維優(yōu)化子問題來完成,并保證收斂于對偶最優(yōu)解。因此兩種算法都具有較低的復(fù)雜度。上述算法隨著子載波數(shù)增大是漸進最優(yōu)的,同時證明了當子載波數(shù)目較小時,也能至少保證得到滿足原始約束的可行次優(yōu)解。此外,由最優(yōu)BF權(quán)值的特殊