下一代移動通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵傳輸技術(shù)研究.pdf

1、無線移動通信系統(tǒng)在進入3G/4G通信時代之后，無線通信的需求依然旺盛，而無線通信容量賴以增加的頻譜和功率資源卻倍顯不足，因此亟需新的傳輸技術(shù)手段的更新與變革，以實現(xiàn)無線通信容量的迅猛增長。綜合來看，在未來的無線通信系統(tǒng)中，為了進一步提高系統(tǒng)容量，必須有效地利用空間資源和網(wǎng)絡資源。而多天線作為其中的一項關(guān)鍵傳輸技術(shù)，具備同時提高頻譜效率和功率效率的雙重優(yōu)勢，具有重要的理論和應用研究價值。
　　 本論文研究立足構(gòu)建下一代乃至未來無線

2、移動通信系統(tǒng)的增強傳輸技術(shù)為基本目標。特別針對多天線傳輸技術(shù)，通過選擇兩類典型的移動通信場景：多天線下行鏈路和雙向中繼網(wǎng)絡，重點研究了增強閉環(huán)空時編碼技術(shù)、空間調(diào)制技術(shù)和無線網(wǎng)絡編碼技術(shù)三部分研究內(nèi)容，通過研究，提出了若干項增強的傳輸技術(shù)方案。主要工作與創(chuàng)新點簡述如下：
　　 1.針對多輸入單輸出系統(tǒng)，從如何有效利用發(fā)射天線實現(xiàn)發(fā)射分集，提高系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量入手，基于碼率為1的2天線正交空時編碼，構(gòu)建了一種廣義的閉環(huán)擴展正交空時編

3、碼方案.通過選擇碼率為1的2天線正交空時編碼可以保證編碼碼率不受損失，同時實現(xiàn)接收端的線性譯碼復雜度；通過閉環(huán)設計可以有效控制多個并發(fā)空時編碼矩陣之間的相互干擾，實現(xiàn)陣列處理增益，進而，通過將閉環(huán)問題建模為-個可求解的凸優(yōu)化問題，獲得了最佳的發(fā)射加權(quán)系數(shù)。研究表明，新方案可獲得滿發(fā)射分集增益，同時相對于傳統(tǒng)的閉環(huán)正交空時編碼方案，獲得了更好的陣列性能增益。而且，新最佳方案在實現(xiàn)復雜度和成本方面也具有優(yōu)勢，因為在任何一個發(fā)射時刻僅有一半的

4、發(fā)射天線被選擇發(fā)射。在獲得最佳加權(quán)系數(shù)的基礎上，又提出了具體的反饋碼本設計方案，并詳細仿真對比了不同反饋方案對系統(tǒng)性能的影響。結(jié)果表明，所提p比特反饋最佳方案與傳統(tǒng)的p-1比特反饋GCC閉環(huán)方案相比，取得了1dB左右的性能增益，而反饋開銷僅增加了一個比特。在天線數(shù)目較多的情況下，這1比特額外反饋開銷將顯得微不足道。作為4天線發(fā)射情況的特例，所提方案在同樣的反饋開銷下，與傳統(tǒng)的幅度調(diào)整方案與相位調(diào)整方案相比，也獲得了1dB左右的性能增益。

5、結(jié)果還表明，反饋參數(shù)的相位對性能的影響要強于反饋參數(shù)的幅度，因此在維持同樣反饋開銷的情況下，最好用較多的比特反饋相位信息?？傊?，新型閉環(huán)擴展正交空時編碼方案相對于傳統(tǒng)方案在性能增益、實現(xiàn)成本與反饋開銷方面獲得了明顯改善。
　　 2.針對多輸入多輸出系統(tǒng)，詳細研究了空間調(diào)制的不等錯誤保護特性，并基于此構(gòu)建了新型空間調(diào)制與網(wǎng)格編碼空間調(diào)制技術(shù)方案。主要成果包括：
　　 1)研究發(fā)現(xiàn)空間調(diào)制的性能主要取決于天線之間的最小距離特

6、性，以及調(diào)制符號之間的最小距離特性，而較少地取決于兩者交聯(lián)在星座空間呈現(xiàn)出的距離特性。因此基于天線域和調(diào)制符號域各自的距離特性分析，容易得到空間調(diào)制比特的不等錯誤保護性能。
　　 2)基于空間調(diào)制不等錯誤保護性能，并參考傳統(tǒng)網(wǎng)格編碼調(diào)制的集分割設計原則，給出了空間調(diào)制的集分割設計圖樣，并進一步提出了網(wǎng)格編碼空間調(diào)制的設計準則，該準則與傳統(tǒng)TCM的設計準則類似，但也存在本質(zhì)區(qū)別，主要不同是由于空間調(diào)制是一種新的多維調(diào)制星座的自然結(jié)

7、果?；谛碌脑O計準則，我們設計了數(shù)種網(wǎng)格編碼空間調(diào)制技術(shù)方案，理論分析與仿真結(jié)果表明，新方案具有優(yōu)于傳統(tǒng)方案的明顯優(yōu)勢，尤其是在賴斯與相關(guān)衰落信道條件下。而且新方案具有對信道變化的魯棒性，這是傳統(tǒng)網(wǎng)格編碼空間調(diào)制方案所不具備的。
　　 3)同樣基于空間調(diào)制的不等錯誤保護性能，以及調(diào)制星座的集分割原理，提出了一種新型空間調(diào)制技術(shù)，該技術(shù)用一個擴大的調(diào)制星座承載一個空間調(diào)制符號的所有比特，其中用于天線選擇的比特還用于選擇調(diào)制星座的集

8、分割子集，而剩余的比特用以選擇子集中的星座點。通過采用Ungerboeck集分割，可以在盡力維持對應子集中星座點的比特性能不變的情況下，通過將天線選擇比特再次映射到每個分割子集，提高天線比特的性能。研究表明相對于傳統(tǒng)空間調(diào)制，新型空間調(diào)制在獨立衰落信道下不具優(yōu)勢。但是在賴斯和相關(guān)信道下具有明顯性能增益，尤其在星座集分割所帶來的性能損失很小的情況下，如采用PSK星座進行分割，或者采用QAM星座進行分割，而分割子集所含星座點個數(shù)大于4的情況

9、。值得注意的是新型空間調(diào)制與傳統(tǒng)空間調(diào)制相比，譯碼復雜度相同，只是在發(fā)射端增大了比特到符號調(diào)制的映射選擇數(shù)，而這個過程可以通過簡單的查表即可獲得，所以在實現(xiàn)復雜度上，兩者幾乎沒有差別。因此新型空間調(diào)制是賴斯和相關(guān)信道下的一種優(yōu)選方案，可以用在未來的大規(guī)模天線系統(tǒng)或光通信系統(tǒng)中，因為在這類系統(tǒng)中，很難做到天線陣子之間的相互獨立，而在光通信中，直射分量往往占據(jù)較大成分。
　　 3.針對雙向(Two-way)中繼網(wǎng)絡，研究了物理層網(wǎng)絡

10、編碼與調(diào)制技術(shù)。
　　 1)在中繼節(jié)點采用多天線配置的情況下，研究了基于最大似然準則(ML)的物理層網(wǎng)絡編碼方案，該方案可直接產(chǎn)生對應于兩個接入用戶信息按位異或所形成比特的對數(shù)似然比信息，當兩個用戶采用相同的信道編碼方案時，該軟信息可直接作為信道譯碼器的輸入；分析了所提物理層網(wǎng)絡編碼在中繼節(jié)點的平均錯誤性能，獲得了其平均比特錯誤性能的上界閉式表達，實驗結(jié)果表明該表達式可以很好地評估所提物理層網(wǎng)絡編碼在各種調(diào)制方式下的性能。結(jié)果還

11、表明所提方案可以獲得滿接收分集增益(Nr階，Nr為接收天線數(shù))，優(yōu)于傳統(tǒng)先進行ZF或MMSE譯碼然后再進行信息比特異或的網(wǎng)絡編碼策略，那里它們僅能獲得Nr-1階分集增益。因此，在中繼節(jié)點天線數(shù)目配置較少的情況下，基于ML譯碼原則的中繼網(wǎng)絡編碼方案明顯優(yōu)于先進行ZF或MMSE譯碼然后再進行信息比特異或的網(wǎng)絡編碼策略。另外，在所提網(wǎng)絡編碼方案中，Max-Log近似算法幾乎提供與ML算法相同的性能，因此可作為實際通信系統(tǒng)中的優(yōu)選方案。

12、　　 2)針對非對稱廣播傳輸中的廣播瓶頸問題，基于比特異或的物理層網(wǎng)絡編碼，提出了一種改進的矩形QAM星座嵌套映射機制。該機制通過一個大的信號星座傳送信道質(zhì)量較好的信號，而通過大信號星座的子集傳送信道質(zhì)量較差的信號，兩者通過網(wǎng)絡編碼嵌套在一起。研究表明，基于傳統(tǒng)UP分割進行星座嵌套的機制并不是最佳方案，新方案通過改進基于UP分割的星座嵌套機制，獲得了性能的提升。該結(jié)論對進一步研究物理層網(wǎng)絡編碼、信道編碼以及調(diào)制技術(shù)等方面的聯(lián)合優(yōu)化設計