無線網(wǎng)絡(luò)多用戶協(xié)作傳輸關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、未來的移動通信網(wǎng)需要支持不同QoS保證的高速多媒體業(yè)務(wù)，日益增大的無線數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)需求促使我們?nèi)で蟾行实睦矛F(xiàn)有資源的新技術(shù)。然而移動環(huán)境自身具有的特性，如節(jié)點(diǎn)移動性帶來網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓?、?jié)點(diǎn)自身的資源和能力有限、移動網(wǎng)絡(luò)帶寬受限、網(wǎng)絡(luò)連接不穩(wěn)定等，使得高速傳輸與覆蓋的矛盾日益尖銳。協(xié)作中繼是改進(jìn)未來無線網(wǎng)絡(luò)性能可行的傳輸手段之一。協(xié)作中繼已被證明能夠顯著減少鏈路中斷概率、增加鏈路的穩(wěn)定性。在過去的幾年內(nèi)，協(xié)作通信技術(shù)改善信道狀況、

2、促進(jìn)MIMO實(shí)用化，以及解決高速傳輸與覆蓋的矛盾角度，受到來自學(xué)術(shù)與企業(yè)界的廣泛關(guān)注，已被公認(rèn)為是未來移動通信系統(tǒng)的候選方案。以往對于通信系統(tǒng)的研究主要針對點(diǎn)對點(diǎn)鏈路，現(xiàn)在我們從網(wǎng)絡(luò)的角度重新審視通信系統(tǒng)，在這個協(xié)作通信系統(tǒng)中，各個節(jié)點(diǎn)可以利用無線通信系統(tǒng)所固有的廣播性質(zhì)來進(jìn)行相互協(xié)作。 本論文圍繞無線網(wǎng)絡(luò)多用戶協(xié)作傳輸物理層關(guān)鍵技術(shù)展開研究，研究的側(cè)重點(diǎn)選在空間相關(guān)信道下的協(xié)作協(xié)議的研究，如：協(xié)作機(jī)制、性能、空時協(xié)作處理。并且

3、研究了一種用于多中繼(也適用于單中繼)協(xié)作通信的中繼策略的自適應(yīng)選擇方法，給出了自適應(yīng)選擇機(jī)制和功率自適應(yīng)分配策略。最后研究了在發(fā)送端不知道信道信息的情況下，將噴泉碼應(yīng)用于無線協(xié)作蜂窩系統(tǒng)，分析其下行鏈路中使用Raptor碼及分布式空時分組碼的新方案，并探討相關(guān)信道中協(xié)作通信的效率、可靠性和健壯性問題；本論文的工作主要包括如下幾個方面： (1)不同于以往協(xié)作分集研究僅考慮衰落信道為理想瑞利的情況，首次研究了在基于地理信息的隨機(jī)信

4、道模型(一種現(xiàn)實(shí)傳播環(huán)境的空間相關(guān)衰落信道模型)中虛擬MIMO系統(tǒng)的協(xié)作分集協(xié)議性能分析。研究發(fā)現(xiàn)，協(xié)作分集可以有效的抵抗相關(guān)衰落，兩個源節(jié)點(diǎn)和兩個目的節(jié)點(diǎn)形成了一個2×2虛擬MIMO協(xié)作系統(tǒng)，采用了半雙工的時分多址接入機(jī)制，協(xié)作分集可以對抗空間相關(guān)性衰落，通過源節(jié)點(diǎn)(source nodes，SNs)與目的節(jié)點(diǎn)(destination nodes，DNs)之間的獨(dú)立的多徑及散射路徑，增加了鏈路的穩(wěn)定性，即降低了鏈路的中斷概率。因此，分

5、析干擾中繼信道下發(fā)射端協(xié)作的不同協(xié)作模式的平均誤比特率(bit error rate，BER)，理論分析和仿真結(jié)果證明，在相關(guān)信道下協(xié)作分集能產(chǎn)生顯著的性能增益，即協(xié)作機(jī)制降解了空間相關(guān)性，并利用高質(zhì)量的協(xié)作用戶間信道來提高虛擬MIMO協(xié)作系統(tǒng)的整體性能。 (2)在第二章的基礎(chǔ)上，繼續(xù)深入研究在雙環(huán)散射模型中虛擬MIMO系統(tǒng)運(yùn)用分布式空時分組碼(distributed space-time blockcode，DSTBC)的協(xié)作

6、分集協(xié)議性能，研究具有空間相關(guān)性信道下的空時協(xié)作處理的性能增益，探討相關(guān)信道中協(xié)作通信的效率、可靠性和健壯性。提出了一種總時間片的方式，用來評價系統(tǒng)的有效性。可靠性可通過空間相關(guān)信道中不同信噪比條件下的平均誤比特率來衡量。研究發(fā)現(xiàn)，使用DSTBC編碼將進(jìn)一步提高協(xié)作系統(tǒng)的性能，采用DSTBC的協(xié)作系統(tǒng)將在無線蜂窩系統(tǒng)中有很好的應(yīng)用前景。 (3)研究了一種用于多中繼(也適用于單中繼)協(xié)作通信的中繼策略的自適應(yīng)選擇方法，該方法用于支

7、持協(xié)作通信的無線網(wǎng)絡(luò)中，為不同用戶分別選擇不同數(shù)目的中繼及類型；并根據(jù)當(dāng)前信道狀況，在兼顧通信的可靠性和有效性的前提下，為每個中繼選擇最佳的轉(zhuǎn)發(fā)策略，并在信源和各個中繼之間合理地分配功率；以及判斷是否使用中繼，以便能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的信道容量最大化，為用戶提供滿足設(shè)定可靠性條件下的高效通信。該方法以多中繼系統(tǒng)信道容量最大化為判斷標(biāo)準(zhǔn)，通過窮舉的方法為各個中繼分別選擇不同的中繼轉(zhuǎn)發(fā)方式。研究發(fā)現(xiàn)，該方法為多中繼協(xié)作通信系統(tǒng)中的各個中繼節(jié)點(diǎn)提供了

8、較好的轉(zhuǎn)發(fā)方式的自適應(yīng)選擇和功率自適應(yīng)分配策略，并給出了什么情況下不使用中繼的判斷標(biāo)準(zhǔn)，使得多中繼系統(tǒng)更加智能化，進(jìn)一步提高其傳輸性能而進(jìn)入實(shí)用化。本研究既能用于支持協(xié)作通信的無線網(wǎng)絡(luò)的上行傳輸，也能用于下行傳輸；由于協(xié)作通信技術(shù)已被公認(rèn)為是未來移動通信系統(tǒng)的候選技術(shù)方案，因此，隨著協(xié)作通信相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，將有很好的推廣、應(yīng)用前景。 (4)不同于傳統(tǒng)的采用固定碼率編碼的協(xié)作中繼系統(tǒng)，首次將具有無限編碼速率(Ratele

9、ss code)的Raptor碼應(yīng)用于無線協(xié)作蜂窩系統(tǒng)中，考慮在發(fā)送端不知道信道狀態(tài)信息(channel stateinformation，CSI)，提出協(xié)作蜂窩系統(tǒng)下行鏈路中使用無限碼率Raptor碼及分布式空時分組碼(distributed space-time block code，DSTBC)的新方案，并研究該方案有效性、可靠性和健壯性的問題?？紤]到編碼速率的靈活性，提出了一種新的測量方法(總時間片)來評估系統(tǒng)性能。因此，在采用