基于预编码的协作通信系统信道估计

发布时间：2016-06-07 11:14

第1章  绪论 

1.1  研究背景 
从 1864 年英国科学家詹姆斯·麦克斯韦断定电磁波的存在，到 1887 年德国物理学家海因里希·赫兹用实验证明了电磁波的存在，再到 1897 年马可尼实现了世界上第一次无线通信，无线通信真正从理想变为了现实，此后无线通信技术取得了显著的进步，人们已经越来越离不开无线移动通信。随着经济和社会向信息化的方向前进，人们利用信息技术开拓新的工作方式，管理形式，贸易形式，金融形式，思想，文化，教育，卫生保健、消费时尚和生活等方面的方式方法。无线通信经过一百多年的发展，已经深入到了我们的日常生活当中，到目前为止，其已经经历了四代通信系统，第一代移动通信系统（1G）是采用模拟技术，主要是电话业务；第二代通信系统（2G）是全数字通信系统，能提供语音，短信等业务，还能够提供速率有限的上网服务；第三代通信系统（3G）把无线通信和国际因特网等多媒体通信连接在一起，不仅可以提供语音，传真，数据，而且支持多媒体娱乐等业务；第四代通信系统（4G）采用了采用了多用户检测、软件无线电以及多输入多输出（Multiple-Input  Multiple-Output,  MIMO）等多种技术，支持交互多媒体业务，高质量影像，3D 动画和宽带互联网接入，具有较高的数据传输速率和传输质量[1]。 目前，无线通信存在两种发展趋势，第一，由于人们对无线通信业务的需求变得越来越多，有些业务包括像多媒体传输等，需要传输大量的数据，这就需要更快的传输速率，所以下一代无线通信需要更高的数据传输速率，第二，为了实现高传输速率，需要有较高的频谱效率和较宽的频谱宽度，因此，下一代无线通信技术对频谱带宽提出了更高的要求，这两种趋势，已经成为了当下无线通信技术发展的巨大挑战，总的来说就是，下一代移动通信系统就是要实现更高的数据率，更佳的服务质量（Quality of Service, QoS），更高的频谱效率，更好的安全性，更智能，更灵活，可以支持非对称业务等要求，并能支持多种业务。然而在无线通信技术中，由于无线信道的随机性，使得传输过程中出现各种衰落，并受到噪声的干扰，在这里面，多径衰落是造成无线信道随机性的最重要的原因，多径衰落是由多径传输造成的，多径传输，顾名思义，就是由多条路径传输发射端发射的信号，接收端接收多个经历信道衰落的数据流，从而产生多径效应。由多径效应造成的信道衰落，成为了通信技术发展的最大障碍。
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1.2  研究的目的和意义 
协作通信技术作为一种“虚拟”MIMO 系统，与点对点通信系统相比，它能有效获得空间分集，在协作通信技术中，源节点可以向多个中继节点发射信号，中继节点将接收到的接收转发给目的节点，这样目的节点就能收到多个与源节点发射信号相关的副本，实现了目的节点的分集接收，接收机使用多个副本包含的信息，利用相干检测，就能比较正确的恢复出原发送信号，降低了错误译码的可能[8]。协作通信在获得空间分集，提高系统容量等优势的同时，也面临着许多新的问题，比如中继选择，该怎么去选择，是否需要选择，选择哪种协作方式，比如功率分配，每个节点该分配多少的功率，比如信号检测等，而这些问题都需要已知各个链路的信道状态信息[9]，信道估计的准确性直接影响到系统性能的好坏，信道估计技术已经成为协作通信系统的关键技术之一。只有获得准确的信道状态信息，系统才能做出准确的判断。因此，只有准确的信道估计，才能保证系统的通信质量。 预编码技术是发射端在已知和部分已知信道状态信息的时候，在发射端实施预处理的一种方法，经过预编码使不同发射端之间的信息流的干扰得到消除或者降低[10]。在协作通信系统训练序列辅助信道估计中可以通过预编码消除不同中继间训练序列的干扰，提高估计的准确度，而对于发射天线数大于接收天线数时的基于子空间算法的信道估计，可以通过利用带冗余的预编码方法获得噪声子空间，以获得良好估计性能及收敛性。另外，利用在发射端进行线性预编码，便可以在接收端以较低的运算复杂度，获得信号自相关矩阵中所包含的信道信息。对于叠加训练序列的信道估计，可以通过预预编码使训练序列和数据正交，避免训练序列和数据之间的相互干扰。 
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第2章  无线协作通信技术 

2.1  无线信道基础 
无线信号从发送端传输到接收器所经过的由各种传输媒介组成的所有路径，称之为无线信道。一般情况下，信号经无线信道传播时会有许多条路径，这就是所谓的多径，通常无线信道都是多径信道。无线电信号从发射端到接收端，会经历有噪声、衰减、损耗和干扰等因素影响的传播过程。无线电波作为一种电磁波，就像光波一样，在自由空间中以直线方式进行传播，传播方式主要有以下三种： 1.  反射：反射一般在障碍物的表面发生。当电磁波射到障碍物的表面时，且电磁波的波长远小于障碍物的尺寸，就会发生电磁波的反射； 2.  绕射：波的绕射一般在传播路径中存在大型障碍物时发生。当电磁波的波长大于障碍物的尺寸，无线电波便会绕过障碍物，在其背面继续传播，这种现象称为绕射； 3.  散射：波的散射一般在无线电波在有大小比其波长小的阻碍物中传播的时候产生。 当无线电波发生反射、绕射或者散射后，电波到达接收端的振幅、相位、时延等参数将发生变化，而多路发生不同参数变化的信号同时到达接收端后产生相互作用，从而产生多径衰落。根据无线信道对电磁波的振幅、相位、时延等参数影响的不同，又可将无线信道的衰落分成大尺度衰落和小尺度衰落。下面对噪声和衰落对传输信号的的影响一一进行分析。  
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2.2  无线协作通信系统模型 
协作通信系统的模型是由多输入多输出（MIMO）系统模型演化而来的，根据参与协作的中继个数的不同，一般可分为两种：单中继协作通信系统和多中继协作通信系统，其中每个节点又有单天线和多天线两种不同的发射或接收方式，本章仅介绍单天线的协作通信系统模型，每个天线不能同时进行收发，并且介绍多中继协作通信模型时，忽略源节点-目的节点间的直接传输链路。 放大转发（AF）协议最先是 Laneman 提出来的，，是“非再生”的中继方式，是一种简单容易实现的协作通信协议。在放大转发协议下，中继节点 R 只需简易地将接收的由源节点 S 发来的信号放大并发送到目的节点。虽然该协议算法简单易于实现，但在中继节点 R 对信号放大转发的同时，中继节点处的噪声信号也被放大转发，从而增加了噪声的影响。在目的节点 D，接收机可同时收到多个中继节点发来的信号，他们各自经历了相互独立的衰落，从而得到分集增益。目的节点在采用一定的算法对收到的信号进行运算，最终得出正确判决。
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第 3 章  基于预编码的协作通信系统级联信道估计研究 .......... 19 
3.1  引言 ........... 19 
3.2  系统模型 ........... 20 
3.3  信道估计 ........... 22 
3.4  中继间噪声干扰的消除 ........... 25 
3.5  仿真与分析 ....... 27
3.5.1  仿真条件 ........... 27 
3.5.2  仿真结果与分析 ....... 27 
3.6  本章小结 ........... 30 
第 4 章  基于预编码的协作通信系统分段信道估计研究 .......... 31 
4.1  引言 ........... 31 
4.2  系统模型 ........... 32
4.3  信道估计 ........... 33
4.4  仿真与性能分析 ....... 35
4.5  本章小结 ........... 41 
第 5 章  基于预编码的叠加训练序列信道估计研究 ...... 43 
5.1  引言 ........... 43 
5.2  系统模型 ........... 44 
5.3  级联信道估计 ........... 45
5.4  分段信道估计 ........... 51
5.5  本章小结 ........... 57 

第5章  基于预编码的叠加训练序列信道估计研究 

本章针对瑞利平坦衰落下的 AF 多中继协作通信系统，研究了基于预编码的叠加训练序列信道估计方法。文中利用叠加训练序列分别对 AF 多中继协作通信系统的中继级联信道和分段信道进行了估计，该方法需要在源节点对训练序列和数据序列进行预编码，使训练序列和数据序列正交化，并在中继节点预编码，使不同中继的训练序列相互正交。仿真结果表明，本章提出的方法不仅能有效估计出级联信道的信道状态信息，而且能有效地估计出分段链路的信道状态信息，减小了训练时隙的开支，提高了信道的传输效率。 

5.1  引言 

信道估计方法一般分为非盲估计，盲估计和半盲估计三种[44]。非盲估计的训练序列在不同于数据的时隙进行发送，数据和训练序列在时间上是相互独立的，信道估计的准确度高，算法简单，容易实现，但是需要额外的时隙进行训练时隙的传输，降低了信道传输的效率。盲信道估计不额外发送训练序列或者导频，因此提高了数据传输速率，但是运算步骤较为复杂，收敛速度慢，在实际的场合的运用有些困难。半盲估计算法介于非盲估计和盲估计之间，是两种算法的结合，这类算法不仅有效的简化了盲估计算法的运算步骤，使估计算法的收敛速率得到加速，也提高了信道传输的效率。最近几年，一种利用叠加导频辅助的半盲信道估计方法受到了学者们的关注，该方法事先在发射端将训练序列叠加到数据序列上，然后进行发射，接收端接收到信号后，按照设计好的方法把将训练序列和数据符号分离开，进而利用训练序列进行信道估计。该方法节约了信道资源，不占用额外的时隙，减小了训练时隙的开支，提高了数据传输的效率[45]。文献[46]研究了叠加导频技术在 AF 单中继和多中继网络信道估计中的应用，剖析了系统的性能，并提出了功率分配方案。文献[47]针对三节点 AF 单中继网络，提出了在中继节点，将导频叠加到收到的来自源节点的导频上放大前传至目的节点，这样就可以在两个时隙内估计出源-目的、源-中继和中继-目的三个信道链路的 CSI。文献[48]针对 MIMO 系统信道估计进行了训练序列、预编码的设计以及解码矩阵的设计，并且对训练序列和数据的功率分配进行了研究，文中提出了一种基于映射预编码的叠加训练序列信道估计方法，本方法可以进行数据和训练序列的叠加发送，在接收端通过解编码实现了数据和训练序列的独立，充分利用了系统带宽，提高了发送效率。

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结论

在无线通信系统，发射机和接收机之间的传播路径是十分复杂的，并且无线信道的变化带有较大的随机性，使得信号的传输信道变得十分恶劣，而恶劣的无线信道环境，像频率选择性衰落等，会严重影响到无线信道的传输性能，这就对接收机的设计提出了很大的挑战。在接收端，系统往往会对信号进行相干检测，而相干检测需要获知信道的信道状态信息，这就需要对信道进行估计，准确的信道估计成为了提高系统性能的重要前提。因此，如何获得准确的信道状态信息就变得十分关键，信道估计一直都是移动通信领域内的一个研究热点。目前，协作通信系统作为“虚拟”的 MIMO 系统，在不增加额外的系统资源的情况下，能够获得空间分集增益，已经下一代移动通信系统的关键技术，得到了人们越来越多的研究。论文在前人研究的基础上，分别研究了 AF 多中继协作通信系统中基于预编码的中继级联信道的信道估计算法、基于预编码的分段信道估计方法以及基于预编码的叠加训练序列信道估计算法。概括地说，论文主要研究了以下几个方面的内容： 
1.  首先介绍了课题研究的背景，国内外研究现状及趋势，为后面研究工作的展开奠定了基础。  
2.  研究了无线信道的衰落特性，分析了大尺度衰落和小尺度衰落的形成原因，概括出了四类小尺度衰落信道，即：平坦慢衰落、平坦快衰落、频率选择性慢衰落、频率选择性快衰落。建立了单中继和多中继协作的系统模型，研究了协作中继系统的基本转发协议，大致包括三种即放大转发、译码转发和编码协作，分析了各转发协议的基本原理，并比较了三种转发协议的优缺点。 
3.  建立了瑞利平坦衰落信道条件下的 AF 多中继协作通信系统模型，在此模型上，研究了中继级联信道的信道估计问题，推导出了最优训练序列和最优预编码，针对不同中继的训练序列会在目的端产生混叠的问题，引入了中继预编码，从而在目的节点使不同中继的训练序列正交，消除了不同中继间训练序列的互相干扰，并对 LS、LS-SLS 和 LMMSE 三种不同的信道估计算法进行了分析与仿真，在此基础上，通过消除中继间噪声的交叉干扰，进一步提高了信道估计的性能。 
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参考文献(略)

本文编号：54279