下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵傳輸技術(shù)研究.pdf

1、無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)在進(jìn)入3G/4G通信時(shí)代之后，無(wú)線通信的需求依然旺盛，而無(wú)線通信容量賴以增加的頻譜和功率資源卻倍顯不足，因此亟需新的傳輸技術(shù)手段的更新與變革，以實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信容量的迅猛增長(zhǎng)。綜合來(lái)看，在未來(lái)的無(wú)線通信系統(tǒng)中，為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)容量，必須有效地利用空間資源和網(wǎng)絡(luò)資源。而多天線作為其中的一項(xiàng)關(guān)鍵傳輸技術(shù)，具備同時(shí)提高頻譜效率和功率效率的雙重優(yōu)勢(shì)，具有重要的理論和應(yīng)用研究?jī)r(jià)值。
　　 本論文研究立足構(gòu)建下一代乃至未來(lái)無(wú)線

2、移動(dòng)通信系統(tǒng)的增強(qiáng)傳輸技術(shù)為基本目標(biāo)。特別針對(duì)多天線傳輸技術(shù)，通過(guò)選擇兩類典型的移動(dòng)通信場(chǎng)景：多天線下行鏈路和雙向中繼網(wǎng)絡(luò)，重點(diǎn)研究了增強(qiáng)閉環(huán)空時(shí)編碼技術(shù)、空間調(diào)制技術(shù)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)三部分研究?jī)?nèi)容，通過(guò)研究，提出了若干項(xiàng)增強(qiáng)的傳輸技術(shù)方案。主要工作與創(chuàng)新點(diǎn)簡(jiǎn)述如下：
　　 1.針對(duì)多輸入單輸出系統(tǒng)，從如何有效利用發(fā)射天線實(shí)現(xiàn)發(fā)射分集，提高系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量入手，基于碼率為1的2天線正交空時(shí)編碼，構(gòu)建了一種廣義的閉環(huán)擴(kuò)展正交空時(shí)編

3、碼方案.通過(guò)選擇碼率為1的2天線正交空時(shí)編碼可以保證編碼碼率不受損失，同時(shí)實(shí)現(xiàn)接收端的線性譯碼復(fù)雜度；通過(guò)閉環(huán)設(shè)計(jì)可以有效控制多個(gè)并發(fā)空時(shí)編碼矩陣之間的相互干擾，實(shí)現(xiàn)陣列處理增益，進(jìn)而，通過(guò)將閉環(huán)問(wèn)題建模為-個(gè)可求解的凸優(yōu)化問(wèn)題，獲得了最佳的發(fā)射加權(quán)系數(shù)。研究表明，新方案可獲得滿發(fā)射分集增益，同時(shí)相對(duì)于傳統(tǒng)的閉環(huán)正交空時(shí)編碼方案，獲得了更好的陣列性能增益。而且，新最佳方案在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度和成本方面也具有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樵谌魏我粋€(gè)發(fā)射時(shí)刻僅有一半的

4、發(fā)射天線被選擇發(fā)射。在獲得最佳加權(quán)系數(shù)的基礎(chǔ)上，又提出了具體的反饋碼本設(shè)計(jì)方案，并詳細(xì)仿真對(duì)比了不同反饋方案對(duì)系統(tǒng)性能的影響。結(jié)果表明，所提p比特反饋?zhàn)罴逊桨概c傳統(tǒng)的p-1比特反饋GCC閉環(huán)方案相比，取得了1dB左右的性能增益，而反饋開銷僅增加了一個(gè)比特。在天線數(shù)目較多的情況下，這1比特額外反饋開銷將顯得微不足道。作為4天線發(fā)射情況的特例，所提方案在同樣的反饋開銷下，與傳統(tǒng)的幅度調(diào)整方案與相位調(diào)整方案相比，也獲得了1dB左右的性能增益。

5、結(jié)果還表明，反饋參數(shù)的相位對(duì)性能的影響要強(qiáng)于反饋參數(shù)的幅度，因此在維持同樣反饋開銷的情況下，最好用較多的比特反饋相位信息?？傊滦烷]環(huán)擴(kuò)展正交空時(shí)編碼方案相對(duì)于傳統(tǒng)方案在性能增益、實(shí)現(xiàn)成本與反饋開銷方面獲得了明顯改善。
　　 2.針對(duì)多輸入多輸出系統(tǒng)，詳細(xì)研究了空間調(diào)制的不等錯(cuò)誤保護(hù)特性，并基于此構(gòu)建了新型空間調(diào)制與網(wǎng)格編碼空間調(diào)制技術(shù)方案。主要成果包括：
　　 1)研究發(fā)現(xiàn)空間調(diào)制的性能主要取決于天線之間的最小距離特

6、性，以及調(diào)制符號(hào)之間的最小距離特性，而較少地取決于兩者交聯(lián)在星座空間呈現(xiàn)出的距離特性。因此基于天線域和調(diào)制符號(hào)域各自的距離特性分析，容易得到空間調(diào)制比特的不等錯(cuò)誤保護(hù)性能。
　　 2)基于空間調(diào)制不等錯(cuò)誤保護(hù)性能，并參考傳統(tǒng)網(wǎng)格編碼調(diào)制的集分割設(shè)計(jì)原則，給出了空間調(diào)制的集分割設(shè)計(jì)圖樣，并進(jìn)一步提出了網(wǎng)格編碼空間調(diào)制的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，該準(zhǔn)則與傳統(tǒng)TCM的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則類似，但也存在本質(zhì)區(qū)別，主要不同是由于空間調(diào)制是一種新的多維調(diào)制星座的自然結(jié)

7、果?；谛碌脑O(shè)計(jì)準(zhǔn)則，我們?cè)O(shè)計(jì)了數(shù)種網(wǎng)格編碼空間調(diào)制技術(shù)方案，理論分析與仿真結(jié)果表明，新方案具有優(yōu)于傳統(tǒng)方案的明顯優(yōu)勢(shì)，尤其是在賴斯與相關(guān)衰落信道條件下。而且新方案具有對(duì)信道變化的魯棒性，這是傳統(tǒng)網(wǎng)格編碼空間調(diào)制方案所不具備的。
　　 3)同樣基于空間調(diào)制的不等錯(cuò)誤保護(hù)性能，以及調(diào)制星座的集分割原理，提出了一種新型空間調(diào)制技術(shù)，該技術(shù)用一個(gè)擴(kuò)大的調(diào)制星座承載一個(gè)空間調(diào)制符號(hào)的所有比特，其中用于天線選擇的比特還用于選擇調(diào)制星座的集

8、分割子集，而剩余的比特用以選擇子集中的星座點(diǎn)。通過(guò)采用Ungerboeck集分割，可以在盡力維持對(duì)應(yīng)子集中星座點(diǎn)的比特性能不變的情況下，通過(guò)將天線選擇比特再次映射到每個(gè)分割子集，提高天線比特的性能。研究表明相對(duì)于傳統(tǒng)空間調(diào)制，新型空間調(diào)制在獨(dú)立衰落信道下不具優(yōu)勢(shì)。但是在賴斯和相關(guān)信道下具有明顯性能增益，尤其在星座集分割所帶來(lái)的性能損失很小的情況下，如采用PSK星座進(jìn)行分割，或者采用QAM星座進(jìn)行分割，而分割子集所含星座點(diǎn)個(gè)數(shù)大于4的情況

9、。值得注意的是新型空間調(diào)制與傳統(tǒng)空間調(diào)制相比，譯碼復(fù)雜度相同，只是在發(fā)射端增大了比特到符號(hào)調(diào)制的映射選擇數(shù)，而這個(gè)過(guò)程可以通過(guò)簡(jiǎn)單的查表即可獲得，所以在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度上，兩者幾乎沒(méi)有差別。因此新型空間調(diào)制是賴斯和相關(guān)信道下的一種優(yōu)選方案，可以用在未來(lái)的大規(guī)模天線系統(tǒng)或光通信系統(tǒng)中，因?yàn)樵谶@類系統(tǒng)中，很難做到天線陣子之間的相互獨(dú)立，而在光通信中，直射分量往往占據(jù)較大成分。
　　 3.針對(duì)雙向(Two-way)中繼網(wǎng)絡(luò)，研究了物理層網(wǎng)絡(luò)

10、編碼與調(diào)制技術(shù)。
　　 1)在中繼節(jié)點(diǎn)采用多天線配置的情況下，研究了基于最大似然準(zhǔn)則(ML)的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼方案，該方案可直接產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于兩個(gè)接入用戶信息按位異或所形成比特的對(duì)數(shù)似然比信息，當(dāng)兩個(gè)用戶采用相同的信道編碼方案時(shí)，該軟信息可直接作為信道譯碼器的輸入；分析了所提物理層網(wǎng)絡(luò)編碼在中繼節(jié)點(diǎn)的平均錯(cuò)誤性能，獲得了其平均比特錯(cuò)誤性能的上界閉式表達(dá)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該表達(dá)式可以很好地評(píng)估所提物理層網(wǎng)絡(luò)編碼在各種調(diào)制方式下的性能。結(jié)果還

11、表明所提方案可以獲得滿接收分集增益(Nr階，Nr為接收天線數(shù))，優(yōu)于傳統(tǒng)先進(jìn)行ZF或MMSE譯碼然后再進(jìn)行信息比特異或的網(wǎng)絡(luò)編碼策略，那里它們僅能獲得Nr-1階分集增益。因此，在中繼節(jié)點(diǎn)天線數(shù)目配置較少的情況下，基于ML譯碼原則的中繼網(wǎng)絡(luò)編碼方案明顯優(yōu)于先進(jìn)行ZF或MMSE譯碼然后再進(jìn)行信息比特異或的網(wǎng)絡(luò)編碼策略。另外，在所提網(wǎng)絡(luò)編碼方案中，Max-Log近似算法幾乎提供與ML算法相同的性能，因此可作為實(shí)際通信系統(tǒng)中的優(yōu)選方案。

12、　　 2)針對(duì)非對(duì)稱廣播傳輸中的廣播瓶頸問(wèn)題，基于比特異或的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼，提出了一種改進(jìn)的矩形QAM星座嵌套映射機(jī)制。該機(jī)制通過(guò)一個(gè)大的信號(hào)星座傳送信道質(zhì)量較好的信號(hào)，而通過(guò)大信號(hào)星座的子集傳送信道質(zhì)量較差的信號(hào)，兩者通過(guò)網(wǎng)絡(luò)編碼嵌套在一起。研究表明，基于傳統(tǒng)UP分割進(jìn)行星座嵌套的機(jī)制并不是最佳方案，新方案通過(guò)改進(jìn)基于UP分割的星座嵌套機(jī)制，獲得了性能的提升。該結(jié)論對(duì)進(jìn)一步研究物理層網(wǎng)絡(luò)編碼、信道編碼以及調(diào)制技術(shù)等方面的聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì)