无线多点协作分集技术研究

论文摘要

多用户以及多用户间信道耦合是信息网络产业化的基本特征。无线信道的开放、时变与衰落特性,使得无线网络地规划、设计必须面对复杂的干扰与复用平衡问题。基于相关研究结论,为了充分利用信道间的耦合,而不是完全受限于干扰,3G/B3G/4G将多点协作通信作技术列为小区分裂技术演进的重要的方向。多点协作通信增益产生方式与MIMO链路空间信道分集增益产生方式非常类似,但又存在本质不同。为描述方便,本文将多点协作多入多出系统称为C-MIMO。为深入对比研究C-MIMO与MIMO,论文将MIMO系统,Gupta干扰受限模型,Jafar X网络模型映射到广义MIMO中。由于矩阵特征值分解不对矩阵元素作任何假设,理论上,广义MIMO系统只要能够构造出信道线性方程组,并且保证方程组的满秩,那么该系统就可以获得MIMO系统所有增益。C-MIMO与MIMO最本质的区别就是C-MIMO链路是一个多点链路的集合,在发送或接收端天线间的互信息必须依赖于信道传输,而不是节点内部的电路处理。可以证明,在不考虑协作消耗的特定信道构造条件下,C-MIMO与经典MIMO有着完全相同的瞬时容量表达式。这一结论是C-MIMO研究过程中,借鉴MIMO技术的理论基石。为深入研究C-MIMO的实用性,进行相应算法设计。本文根据协作方式与协作消耗的明显不同,将C-MIMO划分为两大类:基于组织架构的Cell-MIMO以及基于自组织架构的Relay-MIMO。并针对不同协作模型选择不同侧重点进行讨论。基于最小化叻、作复杂度,最大化的协作增益的思路,本文以协作天线选择作为Cell-MIMO模型的研究重点,以分布式编码与传输机制作为Relay-MIMO模型的研究重点。蜂窝系统中,邻近基站间、基站分布式天线间总是存在着可靠的光纤或射频光纤链路,因此,可以假设Cell-MIMO的无线协作部分是理想的。基于C-MIMO与MIMO有相同瞬时容量表达式的结论,MIMO的天线选择算法,可以向C-MIMO移植。但是,源于拓扑结构,Cell-MIMO信道矩阵元素是独立非同分布（i.n.d）的。本文研究表明,由于i.n.d传输衰落的引入,Cell-MIMO在分集信道增益的CDF以及容量CDF,上均表现出强烈的拖尾特性。结合相应研究结论,本文提出一组有限复杂度的次优协作天线选择策略。仿真研究表明,该策略以较小的协作代价与计算复杂度,获得了接近最优容量曲线的增益。依据Goldsmith等人研究结论,本文将简单、实用,并且可以有效平衡分集与复用增益的BLAST-STBC算法扩展为基于Relay-MIMO的分布式编译码算法。并提出一种新的Relay-HARQ策略。基于这一策略的理论分析与仿真研究表明,在低SNR条件下,该策略以极低的协作复杂度,在中继节点以较小的存储与转发冗余,获得源节点吞吐量的大幅上升。网络域的根本问题在于复用与干扰的平衡。无论是网络融合,还是协作通信,多跳是一种可预见的高效、低成本的网络扩展模式。本文基于广泛接受的基本网络模型基础上,假设时隙操作与方向选择路由方案,得到节点位置任意的,解耦多跳信道容量。并以此为基础,给出不同网络架构,不同流量下网络容量与节点数,节点相对密度、用户帧发送概率的间的解析表达式。这一模型,可以用于类似同构多跳网络性能预测,也可以用于网络域的解析与半解析仿真。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 分集技术与协作分集技术
• 1.3 协作分集技术研究现状
• 1.4 本文主要工作
• 2 C-MIMO模型
• 2.1 引言
• 2.2 基于广义MIMO的讨论
• 2.3 有组织网络与C-MIMO模型
• 2.4 无组织网络与C-MIMO模型
• 2.5 C-MIMO信道模型与系统容量
• 2.6 本章小结
• 3 基于C-MIMO节点/天线选择
• 3.1 引言
• 3.2 等功率发送天线选择基本理论
• 3.3 基于Cell-MIMO的天线选择
• 3.4 本章小结
• 4 基于B-S编码的分布式HARQ传输
• 4.1 引言
• 4.2 空时码
• 4.3 基于Relay-MIMO的分布式B-S编码策略
• 4.4 基于（准）正交B-S的传输策略仿真
• 4.5 本章小结
• 5 多跳容量渐近分析
• 5.1 引言
• 5.2 多跳网络特性
• 5.3 基于随机多址多跳概率模型
• 5.4 基于竞争多跳解耦吞吐量分析
• 5.5 本章小结
• 6 全文总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 未来工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间论文目录
• 附录2 英文缩写对照
• 附录3 数学符号说明