無線通信中的頻譜聚合、波束成形與線性接收技術(shù)及性能分析.pdf

1、離散譜系統(tǒng)由頻域上一系列間隔的空閑譜段構(gòu)成，利用頻譜聚合技術(shù)，結(jié)合合適的預(yù)編碼，非授權(quán)用戶可以靈活地占用授權(quán)用戶未使用的空閑頻段，從而有效地提高實際頻譜利用效率。多天線(MIMO，Multiple Input Multiple Output)技術(shù)開辟了除時間、頻率之外的空間自由度，可以有效提高頻譜資源效率，獲得的分集增益、復(fù)用增益、陣列增益有效地提高了數(shù)據(jù)的傳輸速率和信號的可靠性。當(dāng)天線數(shù)進(jìn)一步增加，形成大規(guī)模天線(Massive MI

2、MO)陣列時，相比傳統(tǒng)的MIMO系統(tǒng)，僅利用線性接收機(jī)就可以達(dá)到可達(dá)速率的性能上界。頻譜聚合、MIMO和Massive MIMO都極大提高了頻譜效率，成為未來第五代無線通信的物理層技術(shù)基礎(chǔ)。
　　類似于MIMO系統(tǒng)，離散譜系統(tǒng)在頻域上具有多個自由度，存在分集-復(fù)用折中(DMT，Diversity and Multiplexing Tradeoff)問題，因此MIMO系統(tǒng)中DMT的分析方法可以用來獲取其DMT性能。相比中低速運動，高

3、速移動下無線信道發(fā)生很大變化，而MIMO系統(tǒng)除分集、復(fù)用增益之外還可獲得陣列增益，這在高速列車通信系統(tǒng)的切換中得到極大應(yīng)用。當(dāng)MIMO中天線數(shù)進(jìn)一步增加，成為Massive MIMO系統(tǒng)時，線性接收機(jī)就可以達(dá)到可達(dá)速率的性能上界。本文圍繞無線通信系統(tǒng)中的這三個問題，基于MIMO相關(guān)技術(shù)和數(shù)學(xué)分析方法，進(jìn)行了創(chuàng)新性的探索，得到了有限信噪比下離散譜系統(tǒng)的DMT性能;創(chuàng)新性地利用多天線中繼的波束成形實現(xiàn)了高速列車通信系統(tǒng)的軟切換;分析了一種線

4、性接收機(jī)，匹配濾波(MF,Matched Filter)接收機(jī)，在分布式Massive MIMO系統(tǒng)中的性能。
　　首先研究了無線通信中離散譜聚合系統(tǒng)的DMT性能。離散譜系統(tǒng)在頻域上呈現(xiàn)為一系列獨立衰落的子頻帶，存在頻域的DMT問題。不同于MIMO系統(tǒng)，離散譜系統(tǒng)各子頻帶具有不同的帶寬以及不同的功率限制。在總功率受限情況下提出了最大化系統(tǒng)遍歷容量的功率分配策略，進(jìn)一步分析了子頻帶分別在獨立編碼和聯(lián)合編碼，有限信噪比以及無限信噪比下

5、的DMT性能，分析結(jié)果顯示聯(lián)合編碼相比獨立編碼，在相同的復(fù)用增益下，分集增益得到顯著提升。子頻帶的帶寬分布、有限信噪比下各子頻帶的功率限制帶來的對DMT的影響也得到了分析，結(jié)果顯示在相同復(fù)用增益下，某一子頻帶過低的功率限制會降低系統(tǒng)的分集增益。
　　其次研究了無線通信中基于多天線波束成形的移動切換策略及其性能。MIMO系統(tǒng)除了能夠獲得分集、復(fù)用增益之外，還能夠獲得陣列增益，這在高速移動的列車通信系統(tǒng)的切換中得到極大應(yīng)用。高速移動會

6、帶來嚴(yán)重的多普勒干擾、信道估計誤差和頻繁的硬切換，而多天線中繼在高速移動環(huán)境下可以無需復(fù)雜的信道測量，只利用主徑信號做波束成形即可獲得陣列增益。提出了兩種基于位置信息的波束成形方法，統(tǒng)計最優(yōu)波束成形和錐形濾波，并分別分析了其優(yōu)缺點。隨著列車的移動，在一定目標(biāo)函數(shù)的約束下，分配給服務(wù)基站鏈路的功率逐漸降低而分配給目標(biāo)基站鏈路的功率逐漸增高，直至功率完全分配給目標(biāo)基站鏈路，最終完成軟切換過程，避免了高速移動下快衰落信道的信道測量誤差以及頻繁

7、的硬切換帶來的高掉話率。由于列車在極短的時間內(nèi)運動基本符合線性，本系統(tǒng)中用到的一些參數(shù)也符合線性更新原則，這就使得本方案在實際場景中非常實用和高效。
　　最后研究了無線通信中分布式Massive MIMO系統(tǒng)中MF接收機(jī)的性能。當(dāng)MIMO系統(tǒng)中天線數(shù)進(jìn)一步增大，直至無窮大時，形成Massive MIMO，最大可達(dá)速率以及相比傳統(tǒng)MIMO系統(tǒng)達(dá)到相同可達(dá)速率付出的代價會發(fā)生重大變化。這里分析了最簡單的接收機(jī)，MF接收機(jī)。分析結(jié)果顯示