無(wú)線通信系統(tǒng)中的協(xié)同傳輸技術(shù)研究.pdf

1、隨著人們對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率和服務(wù)質(zhì)量要求的提高,無(wú)線通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和傳輸技術(shù)都在不停地演變。作為提高無(wú)線通信系統(tǒng)頻譜效率的一種有效方法,多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)在近年來(lái)得到了廣泛的關(guān)注,并被許多標(biāo)準(zhǔn)所采納。通過(guò)在收發(fā)雙方部署多個(gè)天線并采用空時(shí)編碼等方式可以獲得空間分集,增強(qiáng)無(wú)線鏈路的可靠性。但是出于終端尺寸,硬件復(fù)雜度以及實(shí)現(xiàn)成本等因素的考慮,在移動(dòng)終端上部署多個(gè)天線有一定的困難。為此,人們提出了協(xié)同通信的概念。在一個(gè)協(xié)同通信系統(tǒng)中

2、,一個(gè)用戶在系統(tǒng)中其他用戶或終端的配合下進(jìn)行通信。這種新穎的技術(shù)可以有效增加空間分集,擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍并降低終端發(fā)送功率,因此得到了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注,有望成為第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)長(zhǎng)期演進(jìn)更高級(jí)版本(LTE Advanced)的關(guān)鍵技術(shù)之一。常用的協(xié)同傳輸協(xié)議包括放大傳送,解碼傳送和壓縮傳送等。這些協(xié)議在復(fù)雜度和性能方面各有優(yōu)劣。本文圍繞協(xié)同傳輸協(xié)議的性能分析與優(yōu)化,協(xié)同終端選擇,新穎協(xié)同傳輸協(xié)議的設(shè)計(jì)等方面展開(kāi)研究。在一個(gè)放大傳送

3、協(xié)同傳輸系統(tǒng)中,接收端輸出信噪比是一個(gè)十分復(fù)雜的調(diào)和平均值的形式。要分析系統(tǒng)的精確誤符號(hào)率是十分困難的,通常只在某些簡(jiǎn)單的信道模型例如瑞利信道下可以得到誤符號(hào)率的表達(dá)式。而這些表達(dá)式卻十分復(fù)雜,通常包含貝賽爾函數(shù)的積分。本文中我們采用參數(shù)化性能分析方法,分析各種放大傳送協(xié)同系統(tǒng)在高信噪比時(shí)的誤符號(hào)率性能。這些系統(tǒng)包括兩跳正交放大傳送系統(tǒng),兩跳選擇性放大傳送系統(tǒng),多跳放大傳送系統(tǒng)。分析所得的誤符號(hào)率表達(dá)式十分簡(jiǎn)單,從中可以方便地得到這些放

4、大傳送系統(tǒng)的分集階數(shù)和分集增益。而且所提出的方法適合于任意信道,只要這些信道的概率密度函數(shù)在零點(diǎn)有一個(gè)有效的級(jí)數(shù)展開(kāi)式。在此基礎(chǔ)上,文中又討論了兩跳正交放大傳送系統(tǒng)在Nakagami-m信道下基于信道統(tǒng)計(jì)信息的功率分配方法,通過(guò)為發(fā)送端和協(xié)同終端(中繼)分配不同的功率來(lái)最小化誤符號(hào)率和中斷概率。由于最優(yōu)的功率分配需要求解一個(gè)非線性方程組,文中還提出了一種低復(fù)雜度的次優(yōu)功率分配方法,并通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真檢驗(yàn)了這兩種功率分配方法所能獲得的性能增

5、益。在一個(gè)具有多個(gè)協(xié)同終端的系統(tǒng)中,分布式空時(shí)編碼是一種高效率的多終端協(xié)同方法,不過(guò)這種協(xié)議需要多個(gè)發(fā)送終端信號(hào)之間嚴(yán)格同步以保持其正交性。為此本文提出了一種適用于同步和異步情況的基于交織器的多終端協(xié)同傳輸協(xié)議,給出了接收端相應(yīng)的信號(hào)檢測(cè)算法并仿真了其性能。這種協(xié)議不要求發(fā)送終端之間的同步,即使在異步情況下經(jīng)過(guò)適當(dāng)處理仍可以獲得良好的分集效果,并且適合于任意數(shù)目的協(xié)同終端。和傳統(tǒng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信系統(tǒng)相比,信道估計(jì)在協(xié)同系統(tǒng)中較為復(fù)雜。特別是對(duì)

6、于采用放大傳送傳輸協(xié)議的系統(tǒng)而言,由于接收端需要知道發(fā)送端與協(xié)同終端,以及協(xié)同終端與接收端之間所有信道,其信道估計(jì)的難度更大。為此我們提出了廣義差分編碼技術(shù)并將其應(yīng)用于放大傳送協(xié)同通信系統(tǒng)中來(lái)避免信道估計(jì)。這種差分編碼采用了分塊編碼的思想,發(fā)送數(shù)據(jù)按照一定長(zhǎng)度進(jìn)行分塊。每一塊第一個(gè)符號(hào)為參考符號(hào),其余符號(hào)為普通符號(hào),通過(guò)為參考符號(hào)和普通符號(hào)分配不同功率可以提升系統(tǒng)性能。在信道變化不是很快時(shí),其性能優(yōu)于傳統(tǒng)的差分編碼,并且和理想相干檢測(cè)接

7、收機(jī)的性能差距非常小。在一個(gè)多用戶協(xié)同通信系統(tǒng)中,如何選擇一個(gè)合適的協(xié)同伙伴進(jìn)行信號(hào)的傳輸需要考慮性能與公平性等諸多因素?，F(xiàn)有的協(xié)同伙伴選擇方法雖然可以獲得較好的性能但是無(wú)法保證用戶之間的實(shí)時(shí)公平性。文中提出了一種考慮實(shí)時(shí)公平性的多用戶協(xié)同伙伴選擇方法,該方法基于直接鏈路瞬時(shí)信道狀況來(lái)選擇協(xié)同用戶,直接鏈路較差的用戶可以優(yōu)先選擇其協(xié)同伙伴,這樣可以保證每次突發(fā)傳輸中的用戶公平性。文中分析了該協(xié)同伙伴選擇方法的性能下限,并通過(guò)仿真和其他幾

8、種伙伴選擇方法進(jìn)行了比較。選擇性中繼是一種高效率的協(xié)同傳輸方法。而選擇最佳的協(xié)同終端進(jìn)行傳輸需要決策者具有全局的信道信息,這在實(shí)際系統(tǒng)中是非常困難的。因此文中討論了基于部分信道信息的協(xié)同終端選擇方法?？紤]了基于理想的瞬時(shí)信道信息,統(tǒng)計(jì)信道信息以及量化信道信息的以最小化比特誤碼率或者中斷概率為目標(biāo)的協(xié)同終端選擇方法。文中還研究了信道量化器的設(shè)計(jì)問(wèn)題,提出了基于目標(biāo)速率和目標(biāo)誤碼率的量化器設(shè)計(jì)方法。仿真結(jié)果表明基于量化信道信息的協(xié)同終端選擇