高谱效与高能效多中继系统性能研究

发布时间：2020-07-14 15:49

【摘要】：5G时代的到来,是对LTE历史一次重大模式转变,包括超大带宽的载频,极大的基站和设备密度以及不可计数的天线数量。和之前的2G,3G,4G不同的是,5G需要将所有新的5G空中接口和频谱与WiFi和LTE相结合,以达到网络统一高度覆盖和无缝的用户体验。要达到这一目标,则要求核心网具有高度的灵活性与智能化,频谱效率以及能量效率的大幅提升。全双工技术和能量收集技术分别可以提高网络整体的频谱效率和能量效率。全双工通信相比较于传统的半双工通信具有近两倍的信道容量,可以为完成和维持5G技术的演进提供中继模式更加灵活,更加密集的异构网络。另一方面,较之传统无线网络中通过给无线设备更换电池以延长网络寿命,能量收集技术能够从环境甚至RF信号中收集能量,提高网络的能量效率,从而实现网络的自维持。为提高无线网络的频谱效率以及利用多中继带来的分集增益,本文首先研究了两跳全双工多中继系统。为了利用全双工带来的高频谱效率以及减小全双工设备产生的自干扰,该系统中中继采用解码转发协议,从所有中继中选择单个最佳解码中继帮助传输信源信号到目的端,与此同时,信源广播新的信号,所有中继,包括上一时隙中已经被选择的最佳中继,尝试解码这一新信号。在同时考虑到中继间干扰和自回环干扰的情况下,采用基于马尔科夫链的分析模型准确分析全双工多中继网络的中断概率,仿真结果证明了全双工网络的趋近满分集增益。此外,为了实现网络能量自维持,本文进一步研究了能量收集技术,无线功率传输技术在多中继协作通信系统中的应用,在提出的无线携能多中继网络模型中,多个中继终端,没有电网供电,随机分布在一个特定的区域内,从源端发射的信号中收集能量,并利用收集的能量解码转发信号。每个中继采用功率分配架构集能,即从源端收到的信号被分为两部分,分别用于集能和信号解码。之后,根据提出的不同的中继选择方案选择一个或多个最佳中继将信号发送到目的端。考虑到中继在空间分布上的随机性以及能量的因果性,本文利用随机几何分析协作多中继系统端到端的中断概率,在此基础之上,分析并得到高信噪比情况下的渐进值。仿真结果表明在中继选择时,相比较于随机中继选择,掌握的信息越多,例如中继的位置,中继电池储能状态,系统的可操作性以及通信质量都会得到显著提升。本文将全双工技术以及能量收集技术应用于传统协作通信系统中,并通过详细分析系统中断概率等多种性能指标,为提升传统移动通信网络的频谱效率,能量效率,增强通信质量提供了重要的理论依据和行之有效的方案。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN929.5
【图文】：

自干扰

技术做简要介绍。全双工自干扰抑制相比较与传统半双工技术利用正交信道进行信号的发送和接收，全双工通过多技术能实现信号在单个信道中同时发送和接收，从而实现了链路容量倍增，有免了频谱资源的浪费。然而正是由于全双工设备对信号的同时收发，如图 2.1 所接收天线接收信号由目标信号，发射天线发射信号以及附近散射体发射的信号。因此，接收天线会同时收到来自两处的干扰，一是来自自身发射天线直接扰，另外则是来自障碍物/散射体反射链路的间接干扰，在此两种干扰中，由于工设备中发射天线与接收天线距离很近，信号遭受的的损耗不大，故而干扰会，故而自回环干扰往往占主导地位。为有效抑制全双工设备的自干扰，目前主两种自干扰消除技术（SIC），即被动自干扰消除和主动自干扰消除[72]。

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图 3.1 中继个数为 N 的全双工多中继系统模型如图 3.1 所示，在本章中我们考虑了一个两跳全双工多中继网络模型，该模中继个数为 N ，所有中继 Ri， i 1 ,2, ,N 采用解码转发协议。由于源端 S 和目的端 D 的距离往往比较远，信道较差，所以一般可以将直路 S-D 忽略不纳入考虑范围。为了着重分析全双工多中继系统的性能分析，我为该网络模型为对称网络，中继信道 S-Ri和 Ri-D 服从瑞丽分布，且两者是独立布的。我们用s,ih ，i ,dh 分别表示信道 S-Ri和 Ri-D 的信道系数，因为两者均服从分布，所以有 1,i ,0,s s rh 1, ,0,i d r dh 。进而两个信道的功率增益服从分布，即 2, , ,exps i s i s r h ， 2, , ,expi d i d r d h 。在该全双工多中继系统中，每个时隙t源端S都会广播一个新的信号 sx t ，N 个中继尝试解码该信号，为了简化，我们假设每一时隙源端的发射功率相同为。信道中的噪声为加性高斯白噪声，用 , , n r d表示，其均值为 0，方

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上个时隙中继的解码状态紧密相关的。个例子，在第 t 状态为1的条件下，即存在解码中继能解码信号 sx t ，这以选择出一个最佳中继用于将 sx t 传送到目的端，这样，在尝试解码源端信号 1 sx t 时，上一时刻选出的最佳中继 Rb会受到来自本身发射天线的而其他中继就会受到该最佳中继的中继间干扰。另一方面，当第 t 时隙状态没有中继能够解码信号 sx t ，继而在尝试解码信号 1 sx t 时，如公式（所有中继都不会受到干扰的影响。这就意味着，在第 t 时隙，中继对信号 sx状况会导致中继在第（t+1）时隙解码信号 1 sx t 时出现不同的情况，这码后一信号对前一信号的解码情况存在依赖关系。为了将这种前后依赖关，本文提出了两个状态的马尔科夫链[87], [88]用于描述在连续时隙内状态1之间的状态转移。如图 3.2 所示。

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