基于软信息转发的波束形成技术研究

发布时间：2020-11-16 02:49

　　多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)技术有效改善信号传输性能,是下一代无线通信领域中所研究关键技术之一,空时编码技术和波束形成技术在实际通信环境中是改善信号质量的两种有效手段,均可提高无线通信系统的可靠性和数据传输率。同时,中继协作转发技术能够有效的延长通信距离,扩大通信系统覆盖面积,还能够对抗数据传输过程中的各种衰落,是当前研究的热门技术之一。本论文结合MIMO和中继协作转发的优势,构造出中继协作模型并在中继端进行软信息协作转发,提出收发端之间并行多中继的估计转发方案和互信息转发方案,并在目的端对接收信号进行检测,找到最佳检测方案,最后通过广义信噪比分析所提出方案的性能。本文的主要研究工作具体如下:(1)介绍了MIMO及协作通信理论,重点介绍了空时编码和波束形成两种技术带来的性能增益。通过分析MIMO技术和中继协作转发技术各自的优势,建立无直达路径下的协作MIMO系统模型,对中继端接收信号采用传统的放大方案和译码方案进行协作转发,并对目的节点接收到的信号采用最大似然检测(ML)、迫零检测(ZF)、最小均方差检测(MMSE)、二次规划检测(QP)四种方案检测,通过仿真分析各检测方案的优劣,确定二次规划检测是最佳检测方案。(2)提出了适合波束形成技术的估计转发机制。在基于MIMO软信息转发的基础上,分析了在无直达路径协作通信系统下利用中继节点接收信号的条件数学期望构造估计转发函数,推导出目的节点接收信号的表达式从而提出检测方案,分析各种检测方案的优劣,找到合适的检测方案。(3)提出了适合波束形成技术的互信息转发机制。在基于MIMO软信息转发的基础上,分析了在无直达路径协作通信系统下利用中继节点接收信号的条件互信息构造互信息转发函数,推导出目的节点接收信号的表达式从而提出检测方案,分析各种检测方案的优劣,找到合适的检测方案。(4)将整个协作波束系统等效成只有收、发信号和乘性因子以及加性噪声的传输系统,计算各种检测方案的广义信噪比验证所提方案给系统带来的增益。分析仿真结果表明,本论文所提出的估计转发方案和互信息转发方案两种协作模式均能明显改善无线通信系统的性能。
【学位单位】：山东师范大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN919.3
【部分图文】：

原理图,MIMO系统,接收端,发射端

多输入多输出是一种用来表征多天线的通信系统模型，一个发送端具有多根天线发送信息，接收端也具有多根天线接收信息的无线通信系统就可以看成一个无线 MIMO系统，MIMO 系统可以明显提高通信的质量和速率。采用 MIMO 技术进行无线通信可以提升通信系统的通信性能，提高传输信道的容量，扩大无线通信系统的覆盖面积，还能改善通信系统的可靠性，降低误码率。发送端通过多根天线发出多组数据流，数据流通过无线信道将信号传输给接收机，接收端将收到的信号分析解码并解调为原信号。传统的单输入单输出(SISO)系统收发端均仅有单根天线，收发端每次仅能进行单一信号的交流。MIMO 系统发送端和接收端每次可以发送和接收多个信号，并将每个信号区分开，大大提高了无线信道的容量，同时，MIMO 系统无需增加带宽和发送端信号发射功率就能改善频谱利用率，且在对抗信道衰落上效果良好。

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11图 2-2 M N 4, R 1各种检测算法性能比较图 2-2 中可看出，ML 算法性能最优，但其数据复杂度高，ZF、MMSE 算法实现比较简单但是性能相对较差，二次规划算法能够保证性能的同时大大降低数据运算复杂度，能在复杂度和性能之间取得最佳折衷，从仿真结果来看，二次规划检测相对于 ZF、MMSE 在510 的 BER 可提供 8dB 的性能增益，在实际环境中实用性最佳。2.1.2 波束形成在通信系统中，当散射较少、天线间距小于一半波长，并且天线分布比较规整时，利用移动空间阵列优势提高通信系统的系统容量的技术，即为波束形成技术。发射端每个阵元上每组信号以每个增益和相移传输

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