超高速毫米波無線通信網(wǎng)中繼關鍵技術研究.pdf

1、隨著通信技術產業(yè)的迅猛發(fā)展，人們對超高速無線多媒體應用的需求日益強烈?，F(xiàn)有工作在10GHz以下微波頻段，僅能支持兆比特每秒級信息傳輸速率的無線通信技術已難以滿足人們對無線多媒體業(yè)務服務質量的要求。此外，微波頻段帶寬已被現(xiàn)存大量通信業(yè)務消耗殆盡，頻譜資源異常匱乏，同頻干擾問題嚴重。目前尚未得到充分開發(fā)和利用的30～300GHz毫米波頻段的頻譜資源相當充裕，該波段勢必成為下一代超高速無線空中接口的理想載波頻段。特別地，具有多達5～7GHz連

2、續(xù)免許可帶寬的60GHz頻段以其得天獨厚的帶寬優(yōu)勢得到了學術界和工業(yè)界的廣泛關注。然而，60GHz無線電波處于大氣吸收“窗口”之一且穿透固態(tài)物體的能力差。在通信質量保持不變的情況下，會嚴重限制系統(tǒng)的傳輸距離;在傳輸距離保持不變的情況下，易造成通信質量惡化，甚至信息傳輸中斷。然而，基于多跳傳輸方式的協(xié)作中繼技術被公認為是一種能夠有效補償無線電波傳輸損耗的先進技術。因此，只有融合協(xié)作中繼技術，60GHz毫米波無線通信系統(tǒng)才能充分發(fā)揮帶寬優(yōu)勢

3、，實現(xiàn)超高速傳輸。值得注意的是，60GHz毫米波無線通信系統(tǒng)面向的新應用場景以及對設備硬件成本代價提出的新挑戰(zhàn)，造成現(xiàn)有微波通信系統(tǒng)協(xié)作中繼技術不再適用。因此，作為協(xié)作中繼系統(tǒng)核心的中繼站點選擇、中繼功率分配以及中繼波束賦形技術成為亟待解決的重要難題。
　　因此，本論文在充分調研60GHz毫米波無線通信系統(tǒng)新特性的基礎上，圍繞采用放大轉發(fā)和解碼轉發(fā)方式、站點配置單天線和多天線陣列的協(xié)作中繼系統(tǒng)，研究了中繼站點選擇、中繼功率分配和中

4、繼波束賦形矢量設計等問題。本文的主要研究工作及創(chuàng)新性成果如下:
　　(1)為增強60GHz毫米波無線局域網(wǎng)/無線個域網(wǎng)(Wireless Local Area Networks/Wireless PersonalArea Networks, WLANs/WPANs)中直接傳輸和協(xié)作中繼傳輸并存應用場景的通信質量，提出一種單中繼站點選擇算法。該算法通過設計的波束訓練信息上報機制判定并區(qū)分直接傳輸和協(xié)作中繼傳輸，采用Kuhn-Munk

5、res算法為非視線(Non-Line-of-Sight，NLoS)源站點-目的站點鏈路從處于視線(Line-of-Sight，LoS)路徑上的候選中繼中選出系統(tǒng)信道容量最大化的最優(yōu)中繼站點并進行數(shù)據(jù)放大轉發(fā)。針對不同遮擋概率和目標數(shù)據(jù)速率門限，通過理論推導和仿真試驗兩種方式評價該算法信道容量和中斷概率性能。仿真結果表明，該算法能夠有效排除NLoS路徑上的候選中繼站點，降低系統(tǒng)中斷概率，擴大全網(wǎng)信道容量。
　　(2)為滿足60GHz

6、毫米波WLANs/WPANs組播業(yè)務用戶體驗指標，提出最小化組播組中最大源站點-中繼站點功耗之和的方案，并為該方案實現(xiàn)中繼選擇和功率分配的聯(lián)合優(yōu)化設計。該算法通過設計的組播波束訓練協(xié)議反饋的信道特征等傳輸參數(shù)區(qū)分并判定LoS和NLoS路徑，以組播組中最大源站點-中繼站點功耗之和最小化為目標函數(shù)，在組播組中所有通信鏈路中斷概率以及所有源站點-中繼站點鏈路發(fā)射功率之和滿足限制條件的前提下，建立聯(lián)合中繼選擇和功率分配問題的數(shù)學模型，采用松弛技

7、術、庫恩-塔克條件以及拉格朗日乘子法，為NLoS鏈路實現(xiàn)最優(yōu)中繼站點選擇的同時最小化源站點-中繼站點發(fā)射功率之和，并給出最優(yōu)解的封閉表達式。通過仿真試驗對不同參數(shù)配置下的網(wǎng)絡性能進行了對比分析，研究信噪比門限變化對網(wǎng)絡功耗和中斷概率的影響。仿真結果表明，提出算法能夠有效保障組播組中用戶服務的公平性，并大大改善系統(tǒng)能耗和中斷概率表現(xiàn)。
　　(3)為克服IEEE802.11 ad(11 ad)和IEEE802.15.3c(15.3c)

8、標準中波束訓練過程時延大的缺點，提出一種基于隨機逼近優(yōu)化算法的聯(lián)合收發(fā)波束切換方法。該方法基于兩階段搜索模式，由最優(yōu)扇區(qū)索引迭代搜索最優(yōu)精細波束索引，在既定碼本范圍內尋找全局最優(yōu)解。根據(jù)既定波束碼本與信號到達方向之間存在的一一對應關系，通過設置有效初值的方式提升迭代性能;采用直接最優(yōu)波束搜索的方式減少搜索次數(shù)，改善搜索效率。仿真結果表明，該算法較11ad和15.3c標準中的波束訓練協(xié)議能有效減小波束搜索時延，降低算法復雜度，減少系統(tǒng)功耗

9、，提升波束訓練精度的自適應性和系統(tǒng)的穩(wěn)健性。
　　(4)為實現(xiàn)60GHz毫米波WLANs/WPANs多用戶通信系統(tǒng)天線陣列增益和硬件成本之間的折中，提出一種適用于協(xié)作中繼系統(tǒng)、低功耗、低硬件成本代價的聯(lián)合收發(fā)模擬數(shù)字混合波束賦形協(xié)議。該協(xié)議基于小型移動用戶站點和大型固定中繼站點之間非對稱的收發(fā)機結構，采用迭代方式進行波束訓練。在獲得用戶站點波束旋轉矢量以及中繼站點混合波束賦形矢量中模擬分量之后，中繼站點通過數(shù)字基帶接收權重矢量加權