無(wú)線通信中的頻譜聚合、波束成形與線性接收技術(shù)及性能分析.pdf

1、離散譜系統(tǒng)由頻域上一系列間隔的空閑譜段構(gòu)成，利用頻譜聚合技術(shù)，結(jié)合合適的預(yù)編碼，非授權(quán)用戶可以靈活地占用授權(quán)用戶未使用的空閑頻段，從而有效地提高實(shí)際頻譜利用效率。多天線(MIMO，Multiple Input Multiple Output)技術(shù)開辟了除時(shí)間、頻率之外的空間自由度，可以有效提高頻譜資源效率，獲得的分集增益、復(fù)用增益、陣列增益有效地提高了數(shù)據(jù)的傳輸速率和信號(hào)的可靠性。當(dāng)天線數(shù)進(jìn)一步增加，形成大規(guī)模天線(Massive MI

2、MO)陣列時(shí)，相比傳統(tǒng)的MIMO系統(tǒng)，僅利用線性接收機(jī)就可以達(dá)到可達(dá)速率的性能上界。頻譜聚合、MIMO和Massive MIMO都極大提高了頻譜效率，成為未來(lái)第五代無(wú)線通信的物理層技術(shù)基礎(chǔ)。
　　類似于MIMO系統(tǒng)，離散譜系統(tǒng)在頻域上具有多個(gè)自由度，存在分集-復(fù)用折中(DMT，Diversity and Multiplexing Tradeoff)問(wèn)題，因此MIMO系統(tǒng)中DMT的分析方法可以用來(lái)獲取其DMT性能。相比中低速運(yùn)動(dòng)，高

3、速移動(dòng)下無(wú)線信道發(fā)生很大變化，而MIMO系統(tǒng)除分集、復(fù)用增益之外還可獲得陣列增益，這在高速列車通信系統(tǒng)的切換中得到極大應(yīng)用。當(dāng)MIMO中天線數(shù)進(jìn)一步增加，成為Massive MIMO系統(tǒng)時(shí)，線性接收機(jī)就可以達(dá)到可達(dá)速率的性能上界。本文圍繞無(wú)線通信系統(tǒng)中的這三個(gè)問(wèn)題，基于MIMO相關(guān)技術(shù)和數(shù)學(xué)分析方法，進(jìn)行了創(chuàng)新性的探索，得到了有限信噪比下離散譜系統(tǒng)的DMT性能;創(chuàng)新性地利用多天線中繼的波束成形實(shí)現(xiàn)了高速列車通信系統(tǒng)的軟切換;分析了一種線

4、性接收機(jī)，匹配濾波(MF,Matched Filter)接收機(jī)，在分布式Massive MIMO系統(tǒng)中的性能。
　　首先研究了無(wú)線通信中離散譜聚合系統(tǒng)的DMT性能。離散譜系統(tǒng)在頻域上呈現(xiàn)為一系列獨(dú)立衰落的子頻帶，存在頻域的DMT問(wèn)題。不同于MIMO系統(tǒng)，離散譜系統(tǒng)各子頻帶具有不同的帶寬以及不同的功率限制。在總功率受限情況下提出了最大化系統(tǒng)遍歷容量的功率分配策略，進(jìn)一步分析了子頻帶分別在獨(dú)立編碼和聯(lián)合編碼，有限信噪比以及無(wú)限信噪比下

5、的DMT性能，分析結(jié)果顯示聯(lián)合編碼相比獨(dú)立編碼，在相同的復(fù)用增益下，分集增益得到顯著提升。子頻帶的帶寬分布、有限信噪比下各子頻帶的功率限制帶來(lái)的對(duì)DMT的影響也得到了分析，結(jié)果顯示在相同復(fù)用增益下，某一子頻帶過(guò)低的功率限制會(huì)降低系統(tǒng)的分集增益。
　　其次研究了無(wú)線通信中基于多天線波束成形的移動(dòng)切換策略及其性能。MIMO系統(tǒng)除了能夠獲得分集、復(fù)用增益之外，還能夠獲得陣列增益，這在高速移動(dòng)的列車通信系統(tǒng)的切換中得到極大應(yīng)用。高速移動(dòng)會(huì)

6、帶來(lái)嚴(yán)重的多普勒干擾、信道估計(jì)誤差和頻繁的硬切換，而多天線中繼在高速移動(dòng)環(huán)境下可以無(wú)需復(fù)雜的信道測(cè)量，只利用主徑信號(hào)做波束成形即可獲得陣列增益。提出了兩種基于位置信息的波束成形方法，統(tǒng)計(jì)最優(yōu)波束成形和錐形濾波，并分別分析了其優(yōu)缺點(diǎn)。隨著列車的移動(dòng)，在一定目標(biāo)函數(shù)的約束下，分配給服務(wù)基站鏈路的功率逐漸降低而分配給目標(biāo)基站鏈路的功率逐漸增高，直至功率完全分配給目標(biāo)基站鏈路，最終完成軟切換過(guò)程，避免了高速移動(dòng)下快衰落信道的信道測(cè)量誤差以及頻繁

7、的硬切換帶來(lái)的高掉話率。由于列車在極短的時(shí)間內(nèi)運(yùn)動(dòng)基本符合線性，本系統(tǒng)中用到的一些參數(shù)也符合線性更新原則，這就使得本方案在實(shí)際場(chǎng)景中非常實(shí)用和高效。
　　最后研究了無(wú)線通信中分布式Massive MIMO系統(tǒng)中MF接收機(jī)的性能。當(dāng)MIMO系統(tǒng)中天線數(shù)進(jìn)一步增大，直至無(wú)窮大時(shí)，形成Massive MIMO，最大可達(dá)速率以及相比傳統(tǒng)MIMO系統(tǒng)達(dá)到相同可達(dá)速率付出的代價(jià)會(huì)發(fā)生重大變化。這里分析了最簡(jiǎn)單的接收機(jī)，MF接收機(jī)。分析結(jié)果顯示