高效协同编码与大规模天线技术研究

发布时间：2017-08-20 12:11

  本文关键词：高效协同编码与大规模天线技术研究

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【摘要】：在未来的信息化社会,下一代移动通信网络必须提供高速可靠的通信服务,才能满足人们日益增加的通信需求,因此如何提高频谱效率成了目前研究亟待解决的关键问题之一。本文一方面引入协同编码,通过移动网络各个节点的互相协作,来充分利用系统的空间和频率资源;另一方面引入大规模天线技术,通过大幅度增加基站天线数目,来消除用户间干扰,降低快衰落和小区间干扰的影响。上述新技术的应用,能极大地提升系统的频谱效率,但对系统设计带来了巨大挑战。本文在新算法设计、系统性能分析和参数优化等几方面取得了突破,主要贡献和创新型的研究成果分为以下几个方面:提出了基于联合干扰消除和最大比合并接收机的新型叠加编码方案,推导了系统误比特率的闭式解和上界,验证了算法的有效性。在下行两点协同通信系统中,在传统叠加编码接收机的基础上,将干扰消除的思想引入最大比合并算法,提出了一种新型的联合干扰消除与最大比合并接收机。接下来,给出了该系统误比特率的闭式解和上界。以最小化系统误比特率为目标,优化了叠加编码的功率分配因子。仿真结果验证了理论推导的正确性,并且证明该方案能有效改善小区边缘用户的性能,从而提升系统总体性能。提出了多向中继系统中的二进制网络编码方案,推导了系统误码率和吞吐量,优化了编码矩阵。在多个移动用户通过一个多向中继的协助来完成信息交互的系统中,为了使每个用户均能获得其他用户的信息,提出了二进制网络编码矩阵的一些基本设计准则,并研究了编码矩阵、噪声和衰落对用户的影响。然后,推导了单个用户误码率的闭式解,并推导了系统总体误码率的闭式解和上界。接下来分析了系统的吞吐量,从理论上证明二进制网络编码技术能够提升系统的吞吐量,证明了算法的有效性。为了保证系统的可靠性,以最小化系统总误码率上界为目标,利用有限域数学解决了二进制网络编码矩阵的优化问题。提出了Nakagami-m衰落下空时网络编码的方案,解决了理论性能推导和参数优化这两个关键问题。在多用户多中继单目的端的系统中,在Nakagami-m衰落下,首先利用留数定理先给出了MPSK和MQAM下系统误码率的严格闭式解表达式。为了给工程应用提供参考价值,给出了高信噪比下误码率的近似表达式,并给出了分集增益表达式。接下来,研究了中继数目、中继位置、Nakagami-m衰落系数、功率分配和非正交编码对误码率的影响。另外,非正交编码相比于正交编码,在获得相同分集增益的情况下,能够提供更高的吞吐量。给出了仿真结果,从而验证了理论推导的正确性,并说明系统的可靠性得到了大幅度的提升。提出了考虑大尺度衰落的大规模天线系统方案,首次定量研究了大尺度衰落对系统可达速率的影响。基于完美信道信息和非完美信道信息,首次推导了单个用户的遍历可达速率的近似表达式,并给出了小区总体性能的相应表达式。采用了实际通信环境的典型参数,给出了仿真结果,从而验证了理论推导的正确性,并研究了不同大尺度衰落系数对系统性能的影响。结果说明,在大尺度衰落的影响下,城市环境中的小区间干扰会降低,满足了实际通信需求。提出了大规模天线系统中的分布式天线方案,推导了系统可达速率,优化了天线分布。在任意已知用户和天线分布的情况下,推导了分布式大规模天线系统近似可达速率的闭式解。接着提出了环形分布式天线,给出了该天线分布下单个用户的近似可达速率以及其上界和下界,并在用户均匀随机分布的情况下,给出了小区平均速率近似表达式。基于理论推导结果,以最大化系统可达速率为目标,解决了环形分布式天线半径的优化问题。给出了仿真结果,验证了理论推导的正确性,并证明了相比于集中式大规模天线技术,分布式大规模天线技术能够获得非常可观的吞吐量增益。
【关键词】：协同编码 多输入多输出 大规模天线 叠加编码 网络编码 大尺度衰落 分布式天线 性能分析
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN820
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-16
• 第1章 绪论16-27
• 1.1. 移动通信系统的发展情况和未来趋势16-17
• 1.2. 协作通信技术概述17-20
• 1.3. 网络编码技术20-22
• 1.4. 大规模天线技术22-24
• 1.5. 论文的课题来源及意义24-25
• 1.6. 论文的研究内容和组织结构25-27
• 第2章 下行两点协同通信系统中的叠加编码技术27-42
• 2.1. 引言27-28
• 2.2. 下行两点协同通信系统中叠加编码的方案设计28-30
• 2.3. 下行两点协同通信系统中叠加编码的性能分析30-37
• 2.3.1. 系统误比特率闭式解31-36
• 2.3.2. 系统误比特率上界36-37
• 2.4. 下行两点协同通信系统中叠加编码的功率分配优化37-38
• 2.5. 下行两点协同通信系统中叠加编码的性能仿真38-41
• 2.6. 本章小结41-42
• 第3章 多向中继协作通信系统中的二进制网络编码技术42-65
• 3.1. 引言42-43
• 3.2. 系统模型43-45
• 3.3. 设计准则45-47
• 3.4. 性能分析47-55
• 3.4.1. 网络编码矩阵分析47-49
• 3.4.2. 系统误码性能闭式解49-52
• 3.4.3. 系统误码性能上界52-53
• 3.4.4. 系统吞吐量53-55
• 3.5. 网络编码矩阵设计55-61
• 3.6. 仿真结果61-64
• 3.7. 本章小结64-65
• 第4章 多中继协作通信系统中的空时网络编码技术65-84
• 4.1. 引言65-66
• 4.2. 系统模型66-69
• 4.3. Nakagami-m衰落下的误码性能分析69-76
• 4.3.1. 严格误码率的推导70-73
• 4.3.2. 近似误码率的推导73-76
• 4.4. 仿真结果76-81
• 4.4.1. 中继数目和相同Nakagami-m衰落参数的影响76-78
• 4.4.2. 中继位置的影响78
• 4.4.3. 不同Nakagami-m衰落参数的影响78-80
• 4.4.4. 不同功率分配的影响80
• 4.4.5. 非正交编码的影响80-81
• 4.5. 本章小节81-82
• 4.6. 附录A82-84
• 第5章 大规模天线系统中的大尺度衰落分析84-99
• 5.1. 引言84-85
• 5.2. 系统模型85-86
• 5.3. 系统遍历可达速率分析86-96
• 5.3.1. 完美信道信息情况下系统的近似遍历可达速率86-92
• 5.3.2. 非完美信道信息情况下系统的近似遍历可达速率92-96
• 5.4. 仿真结果96-98
• 5.5. 本章小结98-99
• 第6章 大规模天线系统中的分布式天线技术99-119
• 6.1. 引言99-101
• 6.2. 系统模型和近似可达速率分析101-104
• 6.2.1. 分布式大规模天线系统模型101-102
• 6.2.2. 近似可达速率分析102-104
• 6.3. 环形分布式天线系统的近似可达速率104-109
• 6.3.1. 环形拓扑结构下单个用户的近似可达速率105-107
• 6.3.2. 环形拓扑结构下小区平均近似可达速率107-109
• 6.4. 环形分布式天线的位置优化109-111
• 6.5. 仿真结果111-115
• 6.5.1. 单个用户的可达速率111-112
• 6.5.2. 小区平均可达速率112-114
• 6.5.3. 环形分布式天线半径的影响114-115
• 6.6. 本章小结115-116
• 6.7. 附录B116
• 6.8. 附录C116-119
• 第7章 总结与展望119-123
• 7.1. 本文主要贡献和创新119-120
• 7.2. 本文严谨性说明120-121
• 7.3. 下一步研究的展望121-123
• 参考文献123-130
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单130-131
• 致谢131

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本文编号：706532