全双工通信下多普勒效应技术研究

发布时间：2020-07-14 17:54

【摘要】：随着高速铁路的快速发展,列车操作控制系统为高速列车乘客实现“随时随地”通信的呼声越演愈烈。全双工通信技术为快速、安全地提供通信创造了条件。同时,随着全双工通信技术的不断应用,也发现一些有待研究的问题。如用户处于移动状态时,系统将受到多普勒频移的影响。因此,本文系统地研究了多普勒频移对全双工(Full-Duplex,FD)大规模多输入多输出(Multi-input Multi-output,MIMO)系统的影响,具体研究内容如下:首先,本文研究了单小区大规模MIMO系统中多普勒频移对系统性能的影响。主要从已知信道状态信息(Channel State Information,CSI)情形和未知CSI情形这两个方面,建立了系统模型。对于CSI已知的情况,通过对信道建模,并应用了最大比组合/传输(Maximum Ratio Combining/Transmission,MRC/MRT)处理以及大数定律,最终推导出了多普勒频移影响下的全双工大规模MIMO的上行链路渐近可达速率和下行链路渐近可达速率,并通过数值仿真得出了相应参数下的系统性能,并对不同参数下的系统性能做出对比,也证明了理论分析的正确性。对于CSI未知的情况,除了分析MRC/MRT处理时的系统性能,又增加了迫零接收/迫零传输(Zero-Forcing Reception/Transmission,ZFR/ZFT)处理与之进行对比。然后,本文研究了多小区大规模MIMO系统中多普勒频移对系统性能的影响。分别从已知CSI和未知CSI两种情形进行研究。对于已知CSI的情况,通过对信道建模以及应用MRC/MRT处理,最终分析出多普勒频移影响下的全双工大规模MIMO的上行链路渐近可达速率和下行链路渐近可达速率。对于CSI未知的情况,同样分析了在MRC/MRT处理下多普勒频移影响下的全双工大规模MIMO的上行链路渐近可达速率和下行链路渐近可达速率。从数值仿真上,可直观地看出多普勒频移对多小区全双工大规模MIMO系统的影响。最后,本文考虑了研究的实际应用场景。主要研究了高铁应用中全双工系统的设计方案,考虑多普勒频移的影响,介绍并分析了全双工中继系统。中继站采用MRC/MRT来处理信号,通过数学分析得出了系统可达速率的表达式,并比较了不同参数下的的性能,从仿真结果可以直观地观察多普勒频移对高铁系统的影响。当列车速度提升时,由于多普勒频移的影响,系统速率有所下降。仿真表明,可以通过增加一定数目的天线来维持系统速率,降低多普勒频移的影响。
【学位授予单位】：南京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN929.5
【图文】：

关系图,关系图,多用户,全双工

的关于多普勒频移的研究均是针对大规模 MIMO 半双工模式而模 MIMO 全双工模式中的分析尚未发现。并且交通和通信已成因素。这些年以来，中国交通事业蓬勃发展，依照《综合交通网020 年左右，12 万 km 的铁路将在全国范围内铺展，并且速度大于将有 1.8 万 km。研究和试验发现，在高速移动场景中的无线通信快速切换、多普勒频移等。于上述全双工技术、大规模 MIMO 以及交通发展的知识，本文拟 MIMO 系统，研究大规模 MIMO 中多用户全双工通信中的多用户和多小区多用户两个场景着手，研究用户移动过程中的多普引起的时变信道中大规模 MIMO 系统的可达速率表达式，并分影响以及系统对此如何优化。最后，本文将针对高铁这一高速通优化方案。实现从理论到实践的跨越。如图 1.1 所示。

多用户系统,小区,信道误差

图 2.1 单小区多用户系统时间 n ( n 0)开始移动，我们应用自回归模型[59]： , , ,[ ] [0] [ ], ,b k b k b kg n ag e n b U D)D s T n是时间相关参数，其中0J ()是零阶第一类贝塞尔函数，是用户的相对速度），fc是载波频率，c 是光速）。 , [ ] b k e n 起的信道误差矢量，它与,[0]b kg 无关。设, ,[ ] [0]b k b kg n ag ，, , ,[ ] [ ] [ ]b k b k b kg n g n e n析上行链路的通信，BS 处的接收信号可以表示为： 0 H H HU U U D BB D P F n G n x n P F n G W n x n F

下行链路,上行链路,多普勒效应,速率

大学专业学位硕士研究生学位论文第二章单小区多用户全2.3 示出了 K 6和 10UP dB时，对于不同的归一化多普勒频移，系统的上速率随天线数量N 变化的关系。从该图中我们可以发现，随着天线数量的下行链路速率变得越来越大。总之，随着归一化多普勒频移变大，即多普，如我们预期的那样，速率损失变得越来越大。最后，我们观察到在具有多普勒频移的情况下，BS 部署更多的天线可以显著减轻由于多普勒频移的失。.4 示出了具有 128 个天线和 10 个用户的上行链路/下行链路速率与用户速出，随着用户速度变大，上行链路/下行链路速率变得越来越小，这与我们要的是，我们观察到当用户移动得更快时，速率从一开始就急剧下降，然慢，在这种情况下，通信质量相当差。

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