全速率分布式多天线协作中继传输方法的研究

第一章绪论

1. 1引言

近些年，无线通信技术在全球范围内得到了迅猛发展，并取得了巨大硕果，为人们生活带来了很大的便利。在如此急速发展的背景下，移动通信业务需求量急剧增加，目前基于码分多址(CDMA：?Code?Division?Multiple?Access)接入技术的第三代(3G)无线通信系统已无法提供满足数据服务快速发展需求和对互联网多媒体的髙要求。但频谱资源有一定的限制，要想实现高速率数据的传输，需要研究有更高频谱利用率的移动通信技术。多输入多输出(MIMO：?Multiple-Input?Multiple-Output)技术在这种背景应运而生，它能够满足新一代移动通信对高速率信息业务的要求，源于其具有明显增加通信容量和改进系统性能的优点。同时，由于应用无线中继通信技术，可进一步扩大传统MMO通信系统的覆盖范围，改善了系统的通信质量。MMO技术和空时频编码(STFC：?Space-Time-Frequency?Code)技术是实现高速率、高可靠性宽带移动通信的有效途径，己成为目前国内外的研究热点。在过去的20多年间，全球范围内的因特网和无线通信技术有了很大的变革。随着用户业务需求量的快速增加，移动技术已完成了从第一代的模拟传输系统向第二代的数字传输系统的根本转变后，我国范围内广泛应用以智能信号处理技术为基本特征的第三代的通信系统(3G)。互联网和移动通信技术的快速更新换代，促进人类科技的进步，促使人们的日常生活更加便利。但随着各种无线技术的快速推进，世人对移动技术的信息业务需求有了更大的改变。如何能早日实现任何人(Whoever)在任何时间(Whenever)、任何地点(Wherever)和任何人(Whomever)之间进行任意内容的大量信息交流已成为世界各地人们的共同心愿。

1. 2国内外研究概况

在MIMO-OFDM系统中，对编码结构设计的探讨多数集中在两个方向上，即在空间与时间或者是在空间与频率上，也就是所谓的空时编码[9_11]和空频编码空时码是一种具有高度可靠性的信道编码，为获得MMO信道容量而被提出。它依据信道特性，结合发送分集、接收分集、纠错编码和信号调制等技术，通过较低的发送功率完成较高频谱效率的通信，从而逼近MMO信道容量性能。若将不采用空时编码技术的无线通信与其比较，可知空时编码能在不提升带宽的条件下获取更大的编码增益，从而增强系统抗干扰抗噪能力，尤其是在无线移动通信系统的下行链路中，移动节点的设计负担被空时编码转移到基站，降低了系统对无线移动节点的设计要求[气文献[9，10：1中分别研究了格形码和分组码的基本原理，及对其性能进行比较，而文献[11]改进了MMO-OFDM系统模型中的空时编码方式。而空频码由于仅需在空域和频域两维方向上进行设计，引起了广泛重视。近年来，许多文献陆续报道对于空频编码的基础编码设计方法。最简易的空频码是通过将先前的空时码直接映射到空间域和频域得到，但通过这种简易映射得到的空频码通常难以获得最大的分集增益。Su等提出了具有最佳编码增益的全分集空频编码方法，但该方法能实现的最大传输速率仅为Huebner等提出了基于CDD技术并且具有鲁棒抗频率选择性衰落特性的空频编码方法。该空频码能充分利用CDD技术的优势，编码设计构造与检测模型都异常简易。但Huebner没有能深入研究，尚未提出更高速率、更高分集的空频编码传输方法。因此，为了足够利用好时域、空间域和频域三维上的分集增益，很有必要结合当前各种多天线编码技术的优势，设计具有简易接收机结构的空时频编码新方法，且该方法还能获得MMO-OFDM系统空间、时间和频率分集。

第二章分布式多天线技术的基本理论

2.1分布式多天线技术

随着蜂窝系统中移动通信、因特网和多媒体业务的发展，全球范围对无线通信的容量需求迅猛增长。此外，可利用的无线频谱有限，若通信频谱利用率无法明显提高，就无法满足通信容量的需求。在单根天线的系统链路中，若应用先进编码(比如Turbo码[23]或低密度奇偶校验码技术，则可以使系统平均容量无限趋于香农容量[26]。通过增加收发两端的天线数量，能显著提高系统的频谱利用率，从而进一步增加系统容量。因能进一步增加系统容量，MMO技术己变成移动通信研究领域的重要技术之一。1995年，Telatar研究得出了瑞利衰落条件下的MMO系统平均容量，首次挖掘了?MMO系统的潜力从Telatar的研究结果可知，在系统带宽不扩大的条件下，MIMO系统通过增加收发天线对，显著克服了信道衰落，并成倍扩大了通信系统模型的容量、加强了无线信道的可靠性、降低了误码率。在进一步发展的移动通信中，MIMO技术会得到更多的关注，并为移动通信的发展提供重大贡献。MIMO系统通过在收发两端装配多个天线来提升信道容量及改善系统性能。空时编码(STC：?Space-Time?Coding)?一方面采用多天线一定程度上的非相关性得到空间分集增益，另一方面又采用时域冗余得到时间分集增益。研究结果显示，对装配了?iV个发射天线、M个接收天线的无线MMO系统，空时编码能得到TVxM的分集增益。为利用信道间独立性得到高频谱效率，空间复用方式对相异的发送天线间传送的数据流采取复用操作。

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2.2分布式多天线信纖型及容量分析

在收发两端均装配多根天线能够在空间域获得空间分集(也被称为天线分集)。如图2.1所示为一个发送天线数与接收天线数分别为从M的分布式多天线无线通信系统中。图2.3的仿真结果显示，随着中继节点天线数的增加，每种方法的系统容量也随之增加。但在相等的中继节点天线数Z下，与其他三种中继转发矩阵设计相比，本节中所提出的最优方法OR在相同的信噪比下能够取得最大的系统容量，说明在多天线系统模型下，需要对中继进行一定的转发矩阵编码设计，才能够得到更好的系统容量，从而达到增加系统容量的目的。该模型在不同的信噪比下的四种中继转发矩阵设计方法下的系统容量比较分析。从图2.4可以明显地看出，与其他三种中继转发矩阵设计相比，该节中所研究的的最优设计方法的系统容量在相同的信噪比下明显最优。如图2.5所示，设置M?=?N?=?L?=?4，p，=lOdB，该模型在不同的信噪比下p，的四种中继转发矩阵设计方法下的系统容量比较分析。

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第三章分布式双向雑中继系统中差分编码..........?18

3.1编码旅..........18

3.2检測..........20

3.4仿真结果..........21

3.5本章小结..........24

第四章全速率分布式多天线双向无线协作..........?25

4.1编码..........25

4.2模型..........25

4.3检測方法..........29

4.4仿真结果..........30

4.5本章小结..........33

第五章率分布式多天线协作中继传输..........34

5.1编码..........34

5.2传输模型..........35?

5.4仿真结果..........39

5.5本章小结..........41

第五章全速率分布式多天线协作中继传输方法

5.1编码方法

本章研究一个存在直达链路的无线协作中继编码传输模型。由第三章可知，无线协作中继系统中时分转发方式和CDD技术的应用，可以简化编码过程，有效降低检测复杂度，获得更大的接收分集增益和编码增益。因此，为克服传统两时隙情况下系统存在的短板效应;而导致的速率减半问题，本章设计了一个分布式多天线协作中继编码传输方法，为简便，本章仅先研究单向传输系统，双向传输系统有待后续研究。该方法在第二阶段传输过程中借鉴了时分转发方式。本章研究一个存在直达链路的无线协作中继编码传输模型。由第三章可知，无线协作中继系统中时分转发方式和CDD技术的应用，可以简化编码过程，有效降低检测复杂度，获得更大的接收分集增益和编码增益。因此，为克服传统两时隙情况下系统存在的短板效应;而导致的速率减半问题，本章设计了一个分布式多天线协作中继编码传输方法，为简便，本章仅先研究单向传输系统，双向传输系统有待后续研究。该方法在第二阶段传输过程中借鉴了时分转发方式。行误比特率性能测试，并给出多种系统参数配置下对应的仿真结果。

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总结

本文结合MIMO技术、联合编码技术、CDD转发方式和时分转发方式的优势，对基于时分转发方式的全速率分布式多天线协作中继传输方法进行了深入研究。工作总结如下所示：(1)进行了对于分布式多天线系统的实例研究。通过分析最后得出本文应用的分布式多天线技术能够克服无线信道衰落，显著提高系统容量，增强无线信道可靠性，降低系统的误比特率，提升整个模型的误比特性能。联合编码技术能够提高系统的分集增益，去除多用户的MMO通信信道存在的多用户扰乱难题。(2)结合差分编码技术，研究了基于CDD的分布式差分编码传输的方法，该方法能够提供更高频谱效率，对检测复杂度及误比特性能进行折中，且编码设计过程简易，设计思路能够应用于一般的通用系统中。(3)结合联合编码技术、时分转发方式和联合编码技术，研究了基于CDD的通用双向协作中继传输方法，该方法编码过程简易且易于实现，且经过仿真分析，该方法能够降低系统的检测复杂度，改进误比特性能，具有很高的实用价值。

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参考文献(略)