用于下一代无线通信系统的协同中继网络关键技术研究

论文摘要

随着宽带技术的发展,人们对移动通信也提出了更高的要求。将协同中继技术应用于无线通信系统可以提高系统容量、扩大网络覆盖、提升服务质量以及提高频谱效率和能量效率等关键性能指标,而且通过在蜂窝网中布放中继可以大大降低高速数据的传输成本,它是未来4G的关键技术之一。因此,多跳中继技术引起了学术界、产业界和标准化领域的广泛关注。本文以无线中继技术为研究背景,在多中继的编码协同系统、增量选择中继的功率分配和位置优化、LTE-Advanced Relay的方案设计,以及基于混合自组织蜂窝网的分群算法等方面做了广泛的调研和深入的研究。首先,借鉴经典编码协同的思想,结合实际应用,提出了一种基于分布式Turbo码的多中继的编码协同模型,相比传统的单中继模型,此模型可以获得多重分集增益,而且避免了用户间协同的非对称性。然后,在瑞利信道下对此模型的中断概率、分集度和误比特率性能进行了推导,并得出了其中断概率的单重积分闭式表达式和误比特率上界。最后,进行了仿真,通过仿真结果可以直观看到编码协同方案较重复转发方案的诸多性能优势,这归因于编码协同增量冗余的编码增益,并且理论界和实际仿真结果实现了很好的拟合,得到了相互印证。另外,为了提高引入中继后LTE-Advanced系统的物理层性能,还提出了一个基于TypeⅡRelay的编码协同方案。其次,和其它中继策略相比,基于放大转发的增量选择中继（ISAF）具有最佳的性能,本文提出了一种基于ISAF中继的功率分配和中继位置联合优化方案以降低系统的中断概率,并推导了其基于接收端最大比合并的最优功率分配算法的闭式解。从仿真结果可以看出,本文提出的方案的性能优于平均功率分配方案,如果在相同的中断概率下可以使用较小的发射功率,相比平均功率分配方案大概有9dB的性能增益。多跳中继是下一代的移动通信系统LTE-Advanced中的一项重要的空中接口技术,本文搭建了基于LTE-Advanced中继的系统级仿真平台,通过这个平台可以对中继中采用的新方案的进行评估验证,比如,站址规划技术,多用户MIMO方案设计,以及回传链路的增强方案等。为了解决回传链路的瓶颈问题,本文提出了多种MIMO方案进行了对比,比如EBB算法、块对角化算法以及信泄漏比算法等,并且通过仿真证明多用户方案更适合回传链路传输。另外,为了提高整个小区的吞吐量,还提出了一种基于回传链路和接入链路平衡原理的正比公平调度算法,并将此算法应用于整个中继网络的系统级仿真中。最后,为了提高下一代无线蜂窝网的吞吐量和系统性能,针对混合自组织蜂窝网络提出了分群算法。具体实现方式为：首先将用户分为两部分,一部分为超级用户,位于小区的中心区域；另一部分为普通用户,位于小区的边缘。超级用户由基站直接提供服务,普通用户必须通过所在群的群首转发信息才能和基站进行通信,而群首通过分群算法从普通用户组中选出。从仿真分析可以看出,这种方法可以大大改善用户的信噪比分布,提高整个系统的吞吐量和小区边缘用户的吞吐量。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 协同中继技术简介
• 1.1.1 协同中继技术的研究背景
• 1.1.2 经典的三节点中继
• 1.1.3 半双工中继
• 1.1.4 中继转发协议
• 1.2 RELAY在LTE-A系统中的应用
• 1.2.1 LTE-A Relay的研究背景
• 1.2.2 LTE-A Relay的分类
• 1.2.3 LTE-A Relay的双工方式
• 1.3 论文的选题来源和创新点
• 1.3.1 博士研究生期间参加的科研项目
• 1.3.2 论文的主要创新点
• 1.4 论文的结构安排
• 参考文献
• 第二章 基于多中继的编码协同方案
• 2.1 研究背景
• 2.2 编码协同基本原理
• 2.3 基于分布式TURBO码的多中继编码协同方案
• 2.3.1 系统模型
• 2.3.2 编码方式
• 2.3.3 收发过程
• 2.3.4 中断概率分析
• 2.3.5 分集度分析
• 2.3.6 误比特率分析
• 2.3.7 仿真结果
• 2.4 基于LTE-A的编码协同方案
• 2.4.1 系统模型
• 2.4.2 仿真结果
• 2.5 本章小结
• 参考文献
• 第三章 增量中继的功率分配与位置优化
• 3.1 研究背景
• 3.2 系统模型
• 3.3 中断概率分析
• 3.4 优化算法
• 3.4.1 假设中继位置固定,对功率进行优化
• 3.4.2 假设功率分配确定,对中继位置进行优化
• 3.4.3 功率分配和中继位置联合优化
• 3.5 仿真分析
• 3.6 本章小结
• 参考文献
• 第四章 LTE-A RELAY的方案设计和性能评估
• 4.1 仿真系统模型
• 4.1.1 仿真平台总体设计及功能
• 4.1.2 中继的帧结构及资源分配
• 4.1.3 中继的站址优化方法
• 4.2 MIMO方案设计
• 4.2.1 MIMO技术基础
• 4.2.2 基于EBB算法的单用户方案
• 4.2.3 基于BD算法的多用户方案
• 4.2.4 基于信漏噪比算法的多用户方案
• 4.3 配对算法
• 4.3.1 随机配对
• 4.3.2 正交配对
• 4.3.3 基于多用户的正交分组算法
• 4.3.4 基于多用户简化的半正交的分组算法
• 4.4 回传链路增强方案设计及性能分析
• 4.4.1 回传链路方案设计
• 4.4.2 仿真分析
• 4.4.3 结论
• 4.5 改进的基于中继的调度算法
• 4.5.1 研究背景
• 4.5.2 技术方案概述
• 4.5.3 结论
• 4.6 系统级仿真方案设计及性能分析
• 4.6.1 系统级方案设计
• 4.6.2 仿真分析
• 4.6.3 结论
• 4.7 本章小结
• 参考文献
• 第五章 用于混合自组织蜂窝移动通信系统的分群算法研究
• 5.1 研究背景及意义
• 5.1.1 混合网络的研究背景
• 5.1.2 混合网络的研究意义
• 5.2 系统模型
• 5.2.1 应用场景
• 5.2.2 假设条件
• 5.3 分群算法实现
• 5.3.1 加权平均算法
• 5.3.2 基于最大群容量的分群算法
• 5.4 仿真分析
• 5.4.1 信道模型
• 5.4.2 仿真假设
• 5.4.3 仿真结果
• 5.5 本章小结
• 参考文献
• 第六章 结束语
• 附录
• 缩略语表
• 致谢
• 攻读博士期间论文发表情况