煤矿井下编码协作MC-CDMA跨层自适应无线传输技术研究

发布时间：2017-07-29 00:20

  本文关键词：煤矿井下编码协作MC-CDMA跨层自适应无线传输技术研究

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【摘要】：煤矿井下电磁波传播特性复杂,影响了煤矿井下移动用户的通信性能。但矿井巷道空间、频率和时间资源是开放的,移动用户采用时频编码协作多载波码分多址(MC-CDMA, Multiple Carrier-Code Division Multiple Access)调制方式可易于充分且灵活地利用煤矿井下开放的空时频资源来提高无线传输性能。本论文在时频编码协作MC-CDMA基础上,分别提出自适应功率分配、多用户检测、联合跨层传输等算法来进一步提高用户的无线通信性能。当用户采用MC-CDMA调制时,用户各子信道的信道增益不同,导致信号到达接收端后各子载波上的接收信噪比(SNR, Signal Noise Ratio)不同。因此,文中在仿真中采用发射SNR来研究用户误比特率(BER, bit error rate)变化情况。由于煤矿井下信道条件较差,用户的通信质量不太好。为重点考察算法在用户高误比特率区间下的性能,仿真主要在误比特率为(0,0.5]范围内进行。结果表明,用户在高误比特率区间下采用所提算法时的性能得到了明显的改善。(1)为了充分利用煤矿井下有限的功率,本文研究了煤矿井下时频编码协作MC-CDMA无线传输自适应功率分配算法。当目标用户与协作用户的发送功率之和为定值时,因目标用户、协作用户与基站间的信道增益会随用户位置变化而变化,在目标用户和协作用户间采用平均功率分配方案会造成功率资源的浪费。为充分利用有限的功率,保证目标用户的无线通信性能,在目标用户、协作用户和基站处设置接收信噪比门限,目标用户功率对总功率的功率分配比例需满足目标用户、协作用户和基站的接收信噪比高于该接收信噪比门限。推导得出目标用户和协作用户间的功率分配比例。从而在用户位置改变或总功率变化时能动态地为目标用户和协作用户分配功率,实现了功率的自适应分配。(2)针对煤矿井下时频编码协作MC-CDMA无线传输多用户干扰的问题,提出基于粒子群的多用户检测算法来减少或消除多用户干扰。所提粒子群多用户检测(D-PSO, Decorrelating particle Swarm Optimization Multiuser Detection)算法在协作用户和基站处采用粒子群寻优算法来对解相关检测(D-MUD, Decorrelating Multiuser Detection)的输出结果进行优化。该多用户检测算法性能优于解相关多用户检测,复杂度远远低于最佳多用户检测(O-MUD, Optimum Multiuser Detection)。仿真结果表明所提解相关粒子群多用户检测算法在复杂相对较低时显著提高了煤矿井下时频编码协作MC-CDMA网络的无线传输性能。(3)针对MC-CDMA的高峰均功率比(PAPR, Peak to average power ratio)会引起发送信号非线性失真继而导致井下无线传输网络性能下降的问题,提出采用基于选择映射(SLM, Selective Mapping)的子载波相位补偿算法来抑制峰均功率比。为进一步改善井下无线通信系统的监测性能,提出基于时频编码协作混合自动重传(HARQ, Automatic Repeat reQuest)的无线网络联合跨层传输方案。时频编码协作HARQ将物理层时频编码协作与MAC(Media Access Control)层HARQ有机结合,即协作用户在每次重传目标用户数据包时按时频编码协作方式同时获取编码和分集增益。仿真结果表明,煤矿井下采用基于SLM相位补偿算法的时频编码协作HARQ联合跨层传输方案,显著地降低了MC-CDMA调制的峰均功率比,提高了煤矿井下MC-CDMA无线传输网络的性能。以上所提算法应用于煤矿井下时频编码协作MC-CDMA无线传输网络中可有效地改善井下信道条件较差的目标用户的通信性能,从整体上提高井下无线传输网络的误比特率性能及容量,非常有利于井下生产的可持续性。
【关键词】：煤矿井下 时频编码协作 MC-CDMA 自适应功率分配 多用户检测 峰均功率比 联合跨层传输
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD655
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-12
• 1 引言12-22
• 1.1 研究背景及意义12-18
• 1.1.1 矿井通信系统概述12-13
• 1.1.2 多载波码分多址(MC-CDMA)13-16
• 1.1.3 编码协作通信16-18
• 1.2 MC-CDMA相关技术研究现状18-21
• 1.2.1 自适应功率分配研究现状18-19
• 1.2.2 多用户检测研究现状19-20
• 1.2.3 峰均功率比抑制研究现状20
• 1.2.4 时频编码协作HARQ跨层传输研究现状20-21
• 1.3 论文章节安排21-22
• 2 煤矿井下时频编码协作MC-CDMA基本原理22-28
• 2.1 井下信道22-25
• 2.1.1 煤矿井下电磁波传播特性22-23
• 2.1.2 MC-CDMA子载波信道建模23-24
• 2.1.3 仿真结果24-25
• 2.2 MC-CDMA时频编码协作25-28
• 2.2.1 典型协作用户选择策略25-26
• 2.2.2 时频编码策略26-28
• 3 煤矿井下时频编码协作MC-CDMA自适应功率分配28-40
• 3.1 系统模型28-30
• 3.2 自适应功率分配方案30-33
• 3.2.1 用户两个时隙信号传输30-31
• 3.2.2 功率分配比例31-33
• 3.2.3 自适应功率分配步骤33
• 3.3 仿真结果33-38
• 3.4 本章小结38-40
• 4 煤矿井下时频编码协作MC-CDMA多用户检测40-54
• 4.1 系统模型40-43
• 4.1.1 巷道模型40-41
• 4.1.2 协作传输模式41-43
• 4.2 MC-CDMA时频编码协作传输与功率分配43-45
• 4.2.1 目标用户和协作用户1个时间周期的时频编码协作传输43-44
• 4.2.2 目标用户和协作用户间的功率分配44-45
• 4.3 无通信网络时频编码协作粒子群多用户检测45-49
• 4.3.1 协作用户解相关粒子群多用户检测45-48
• 4.3.2 基站解相关粒子群多用户检测48
• 4.3.3 基站对两时隙检测结果的合并48-49
• 4.4 仿真结果49-53
• 4.5 本章小结53-54
• 5 煤矿井下MC-CDMA时频编码协作HARQ联合跨层传输54-68
• 5.1 系统模型54-59
• 5.1.1 系统发射和接收处理过程55-56
• 5.1.2 系统传输方案56-59
• 5.2 基于SLM相位补偿的MC-CDMA调制59-61
• 5.2.1 MC-CDMA峰均功率比59-60
• 5.2.2 SLM相位补偿算法60-61
• 5.3 时频编码协作HARQ联合跨层传输61-64
• 5.3.1 时频编码方案61-62
• 5.3.2 时频编码协作HARQ跨层设计62-64
• 5.4 仿真结果64-67
• 5.5 本章小结67-68
• 6 结论68-70
• 参考文献70-74
• 作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果74-78
• 学位论文数据集78

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本文编号：586701