無線多天線協(xié)作通信系統(tǒng)研究.pdf

1、隨著全球范圍內(nèi)移動用戶數(shù)量的不斷增加和高數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)需求的不斷增長，4G移動通信顯然不能滿足未來通信發(fā)展對頻譜效率和能源效率的要求。在頻譜資源日趨緊張的情形下，小規(guī)模MIMO通信系統(tǒng)，僅在一定程度上滿足頻譜效率和功率效率的需求。與小規(guī)模MIMO不同，大規(guī)模MIMO不但能更深度地挖掘空間維度無線資源，提高系統(tǒng)頻譜利用率和系統(tǒng)容量，而且能實現(xiàn)干擾抑制，有效降低發(fā)射功率，構(gòu)建綠色的無線通信系統(tǒng)，是未來5G移動通信的關(guān)鍵技術(shù)之一。而協(xié)作通信技術(shù)

2、能抵抗無線衰落損傷，提高通信系統(tǒng)可靠性，且是增加系統(tǒng)傳輸速率的一種有效手段。因此，研究大規(guī)模MIMO協(xié)作通信技術(shù)無疑是面向5G的重要課題。
　　本文圍繞MIMO多天線協(xié)作通信系統(tǒng)展開深入的研究，特別著重分析了其誤比特率和可達(dá)速率，尤其關(guān)注大規(guī)模天線陣列對這兩方面性能的定量影響。主要工作如下:
　　(1)在Rayleigh衰落環(huán)境下，研究了基于天線選擇和中繼選擇的協(xié)作空間調(diào)制(SM)系統(tǒng)的可靠性能。為了提升高階調(diào)制SM的分集性

3、能，首先研究了具有天線選擇的SM方案;然后結(jié)合傳感器網(wǎng)絡(luò)中的分級思想，進(jìn)一步分析了具有天線選擇的SM中繼傳輸協(xié)議。仿真結(jié)果表明，采用具有天線選擇的SM中繼傳輸協(xié)議不僅能提升SM系統(tǒng)的分集性能，而且能使系統(tǒng)配置更加靈活。
　　(2)在Rayleigh衰落環(huán)境下，研究了采用前向譯碼(DF)轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議的三節(jié)點協(xié)作模型，并分析了中繼節(jié)點分布大規(guī)模天線陣列時系統(tǒng)的可靠性能。首先對比分析了最大比合并(MRC)/最大比傳輸(MRT)、選擇合并(S

4、C)/選擇傳輸(ST)和MRC/ST三種組合傳輸方案的功率效率以及天線數(shù)目對系統(tǒng)誤比特率的影響;然后研究了SC/SM組合方案如何通過自適應(yīng)功率分配優(yōu)化其誤比特率性能。仿真實驗表明，較低復(fù)雜度的SC/ST方案最具實踐性，而大規(guī)模中繼SC/SM方案的功率分配能夠有效改善系統(tǒng)的誤比特率性能。
　　(3)在相關(guān)Ricean衰落環(huán)境下，研究了只基于視距分量的大規(guī)模SIMO系統(tǒng)的可靠性能。為了有效降低信道估計的沉重負(fù)擔(dān)，首次提出了只基于視距分

5、量的MRC檢測方案，分析了空間相關(guān)性和大規(guī)模天線陣對誤比特率的影響。然后將上述分析推廣到頻率選擇性信道以及具有同信道干擾的情景中。最后研究了單中繼分布大規(guī)模天線的協(xié)作系統(tǒng)模型，分析了功率收縮規(guī)律以及中繼天線數(shù)目對誤比特率的定量影響。仿真結(jié)果顯示，天線陣列的空間相關(guān)性對無線系統(tǒng)反而是有利的，可以有效改善系統(tǒng)的誤比特率性能。
　　(4)在Ricean衰落環(huán)境下，研究了只基于視距分量的大規(guī)模MIMO-波束賦形(BF)系統(tǒng)的性能。為了有效

6、減少用于估計信道狀態(tài)信息(CSI)的開銷，將散射分量視為干擾，首次提出了只基于視距分量的發(fā)送/接收BF方案。在沒有同信道干擾的情況下，首先分析了可達(dá)速率、發(fā)射端和接收端的天線數(shù)、發(fā)射功率之間的內(nèi)在關(guān)系，并顯示新的BF方案與具有完美CSI的BF方案具有同樣的漸近可達(dá)速率。然后將上述分析結(jié)果推廣到具有同信道干擾的情景以及具有空間相關(guān)性的DF協(xié)作中繼系統(tǒng)中。仿真結(jié)果表明，即使在天線數(shù)目不是很大的情況下，實際可達(dá)速率也能夠相當(dāng)接近理論極限速率。