通信工程毕业论文3.doc
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1、大连海事大学毕业论文二一一年六月无线协作网络的复数域网络编码研究专业班级:通信工程4班姓 名: 指导教师: 信息科学技术学院摘要关键词:AbstractKeyword: 目 录第1章 绪 论 1 无线协作网络的复数域网络编码研究第1章 绪论1.1课题研究的背景及意义为了满足人们对通信越来越高的需求,未来的无线通信系统将遭遇大容量和高速率的挑战,在这样的形势下多输入多输出(MIMO)技术应运而生。MIMO是指在通信系统的发射端和接收端,分别使用多个发射天线和接收天线,以此使系统达到空间复用增益和空间分集增益,从而解决了通信系统大容量高需求与有限频带资源之间的矛盾。MIMO技术扩展了一维智能天线技
2、术,是无线通信领域智能天线技术的重大突破。其具有极高的频谱利用率,能在不增加带宽的情况下成倍地提高无线通信系统的容量,且大大增强了信道的可靠性,是新一代无线通信系统(Beyond 3G/4G)的核心技术之一。近些年来世界各国学者也对MIMO的理论、性能、算法和实现等方面进行了广泛的研究2。但是随着研究的深入,人们发现MIMO技术虽然有效消除了无线信道多径、时变衰落的影响,但是移动终端受体积、功率以及硬件复杂度等实现因素的制约,使用多天线几乎是不切实际的,这 MIMO技术的广泛应用3。1998年,Sendonaris等人在文献4提出了一种新的空间分集技术协同MIMO(Cooperative MI
3、MO,也称虚拟MIMO)。其基本原理是多用户环境中的单天线用户,在传输自身信息的同时还可以传输所检测到的临近用户的信息。实际上,协同MIMO就是利用这点使各单天线用户共享其终端的天线,从而在用户和基站之间建立多条虚拟的衰落信道,以此来达到空间分集增益。协同MIMO克服了传统MIMO技术的限制,为MIMO技术走向实用化道路提供了新的思路5。然而,协同MIMO在用户距离基站较远时,速率的提高仍然受到制约。为了提高小区边缘用户的传输性能,一些学者认为可以把中继技术引入到无线协同通信系统中。协同中继通信系统的关键点是将网络中部分节点作为中继节点以有效地转发源节点的信息。中继通信技术的引入可以追溯到上个
4、世纪的七十年代早期Cover和Gamal关于中继信道的信息理论特性的研究。他们在假定所有节点工作在相同频带的情况下分析了一个三节点网络的容量,将系统分解为了一个广播信道和一个多址信道(分别从源节点和目的节点来看)。他们的研究为中继通信技术奠定了理论基础,促进了协同中继通信的发展。在无线协同网络中,任意节点都可以既作为源节点又作为中继节点。然而传统的中继节点一般只用来转发用户的信息,同时为了支持多用户,常采用频分、时分的方式来进行转发,这大大降低了资源的利用率,使中继成为无线网络传输的主要瓶颈。而网络编码技术允许中继节点对所接收到的信息进行一定的信号处理之后再转发出去,有效地提高了中继节点的转发
5、能力和网络的容量,解决了无线通信网络的中继传输瓶颈问题3,5。1.2网络编码的研究背景网络编码是通信领域的重大突破,近年来网络编码技术作为提高网络传输速率的有效手段已经受到了国内外研究学者的普遍关注。网络编码技术源于1956年Shannon在“A Note on the Maximum Flow Through a Network6”一文中所指出的:通信网络中端对端的最大信息流,是由网络有向图模型中的最小割所决定的。但是由于传统的路由器的存储转发模式根本无法达到Shannon最大流-最小割定理所规定的最大流容量,因此,Shannon所提出的这一理论上限一度处于停滞状态。2000年,香港中文大学
6、的R.Ahlswdee等人发表了“Network Information Flow7”一文,创造性地提出了网络编码的概念,把编码与路由有机地结合了起来,建立了一个全新的网络结构体系,使得Shannon所提出的网络容量的理论上限成为了可能。2003年,李硕彦、蔡宁和杨伟豪等人发表“Linear Network Coding 8”一文,指出通过线性网络编码可以在线性范围内实现理论容量的上限,这为网络编码的应用奠定了理论基础。2006年,国际上第一部网络编码的专著正式出版。2007年,李硕彦和杨伟豪教授发起并主办了首届网络编码顶级学术会议NetCode2007。而且2011年,网络编码的国际顶级学术
7、会议NetCode2007也将在北京举行。目前,网络编码的研究也正试图转向实用化。网络编码还可以与其他的通信技术相结合,从多个角度对网络进行优化。网络编码具有很高的理论价值和应用价值,是国内外的最新研究课题。物理层网络编码的发展在无线链路的物理层,所有的数据都是通过电磁波进行传输的。无线媒介的广播特性使得一个接收节点可以同时接收到多个不同节点所传送的信息,这势必会引起信号间的干扰,从而影响网络的吞吐量。因此,大多数通信系统都致力于减少或避免干扰。2006年,香港中文大学的S.Zhang等人提出了一种处理电磁波信号接收和调制的物理层网络编码(PNC) 9,认为可以利用干扰来提升网络的吞吐量。其核
8、心思想是:通过在中继节点处应用恰当的调制解调技术,将电磁波信号的叠加映射到数据比特流叠加的伽罗华域(GFNC)中,使干扰变成了网络编码算法中的一部分。这一理论的提出为进一步提高无线网络的吞吐量提供了新的思路,从2007年开始,物理层网络编码的研究受到越来越多研究学者的关注3, 5,10。2008年,Tairan Wang 等人又提出了一种物理层的网络编码方法复数域网络编码,并且研究表明:比起GFNC和PNC,复数域网络编码能够达到更高的吞吐量,且能在多用户检测条件下实现最大分集增益,更适合应用于无线网络。这一网络编码方法的提出,使得网络编码的研究变得更加有意义。 分集技术无线通信的质量取决于链
9、路上的信号强度,而路径的损耗、障碍物的影响以及天气情况的变化都会影响信号的传播,使信道处于深度衰落的状态,从而造成通信的错误甚至中断。衰落是影响无线通信质量的主要原因,其中快衰落的深度可达3040dB,因此要想通过增加发射机的功率(100010000倍)或者增加天线的尺寸、高度等方法来抑制这种深度衰落是不切实际的,而且还可能会给其它的电台造成干扰。目前,能够有效减轻衰落的技术就是对独立的衰落信号进行分集合并。分集就是在独立的衰落信道上传输相同的数据,由于独立路径同时经历深度衰落的可能性很小,经过适当的合并处理之后,接收信号的衰落程度就会被减小。分集技术在不增加发射机功率和信道带宽的情况下充分利
10、用传输中的多径信号能量,提高了系统的接收性能,从而大大提升了多径衰落信道下的传输可靠性1,2。分集技术的分类分集有两层含义,一是分散传输,二是集中处理。为了在接收端得到几乎相互独立的不同路径,可以通过空域、频域或时域的不同角度、不同方法来实现。因此,分集技术研究的是利用信号在时域、频域和空域中的基本参量,如何将其分散开又收集起来的技术。分集技术可以分为显分集和隐分集两大类。其中显分集是指利用多根天线来接收信号的分集,其构成了明显的分集。显分集又分为宏分集和微分集,时间分集、频率分集、角度分集、场分量分集、多径分集、空间分集、极化分集等都属于微分集。而隐分集是指只利用一副天线来接收信号的分集,分
11、集被隐含在传输信号之中。隐分集需要接收端利用信号处理技术来实现分集接收,又可以分为交织编码技术、调频技术、直接扩频技术等2。分集技术本节介绍几种常用的分集技术:(1)时间分集:快衰落除了具有空间独立性和频率独立性之外,还具有时间独立性,即当以大于相干时间的时间间隔重复传输同一信号次,那么各次发送信号所呈现的衰落性能将会是彼此独立的,则可以得到条独立的分集支路。接收机将重复收到的同一信号进行合并,以减弱衰落的影响。时间分集技术一般在信道相干时间较小的快衰落信道中应用的比较多。该技术的缺点是频带利用率比较低。(2)频率分集:频率分集就是将信息分别携带在不同的载频上发送出去。但是为了在接收端得到衰落
12、性能不相干的信号,必须要求各载频间的频率间隔要大于或等于信道的相干带宽,以保证各频率分集信号在频域上的相互独立性。在移动通信技术中,可以采用信号载波频率跳变扩展频谱技术来达到频率分集的目的。与空间分集相比,频率分集虽然减少了天线的数目,但其是以占用更多的频谱资源和发射机为代价的。频率分集技术一般用在频分双工(FDD)方式的视距微波链路中。(3)角度分集:在工作频率高于10GHz时,从发射机到接收机的散射信号由不同方向来的互不相关的信号产生。这样接收端利用方向性天线,在同一位置设置指向不同方向的两个或者更多的有向天线,向合成器提供信号,以达到抑制衰落的目的。(4)场分量分集:根据电磁场理论可知,
13、电磁波的H场和E场载有相同的消息,而其反射机理是不相同的。例如,一个散射体发射H波和E波的驻波图形相位相差,即当H波最大时,E波却是最小的。因此利用场分量的这个特点就可以实现场分量分集。场分量分集不要求各天线间有实体上的间隔,通常适用于较低的工作频段。(5)多径分集:多径分集(也称码分集),其要求直扩系统的时间与带宽的积远大于1,即。对于带宽为的系统,其所能分离的最小路径时延差为。对于码片宽度为的直扩序列的系统,其所能分离的最小路径时延差为,并且其要求直扩序列信号的互相关性和自相关性要好2。(6)空间分集:空间分集是根据快衰落的空间独立性,使用多个发射或接收天线,并保证相邻天线的间隔距离为(表
14、示工作波长),以确保各接收天线输出信号的衰落特性是互相独立的。空间分集技术在TDMA、FDMA和CDMA移动通信系统中都受到了广泛的应用。(7)极化分集:极化分集实际上也是一种空间分集,只不过比较特殊。由于两个在同一地点极化方向相互正交的天线所发出的信号的衰落特性是互不相关的。所以如果在发送端的同一地点上安装上两幅方向相反的极化 (垂直极化和水平极化) 天线,那么就可以得到两路衰落特性相互独立的极化分量。该技术的优点在于结构紧凑,节省了空间,缺点在于将发射功率分配到了两副天线上,会造成3dB的信号功率损失。(8)协同分集:协同分集实质上是一种分布式空间分集,下一小节将会介绍到。上面介绍的8种分
15、集技术中最常用的是时间分集、频率分集和空间分集,对比该三种分集技术,还会发现空间分集具有更为广阔的发展空间,极化分集和协同分集实质上都是空间分集的体现。空间分集又分为接收空间分集、发送空间分集和收发空间分集。在接收空间分集中,不需要增加发送功率和带宽就能够实现独立的衰落路径,且通过对分集信号的相干合并还能够提高接收的信噪比(其相对于单天线的信噪比增益称作阵列增益)。当然发送空间分集也可以通过对天线的适当加权获得阵列增益。除了阵列增益之外,空间分集还能够带来分集增益,后面针对具体的分集合并技术将会详细介绍分集增益1,2,11,12。协同分集如果用户与基站之间仅仅依赖视距路径传输,那么由于地形、气
16、象等因素,其通信质量将会受到严重影响,甚至中断。而采用协同通信,将会明显的提高用户与基站的通信质量,下面将介绍几种简单的协同通信模型。1 用户间的协同图2.1 两用户间的协同Fig. 2.1 Cooperation between two users如上图2.1所示,用户1和用户2相互协同,共同完成他们与基站之间的通信。在第1时隙,用户和用户均广播自身的信息给基站,与此同时他们各自也将会收到对方的信息。在第2时隙,他们分别将对方的信息传送给基站。这样,即使他们与基站之间的直接链路中断,基站依然会收到他们的信息。在这种情况下,用户不仅通过自身的天线,同时也通过用户 的天线向基站发送信息,相当于用
17、户用了2根实体天线来实现信息的传输,从而实现了空间分集。同样的,用户也实现了空间分集。2 用户与中继间的协同与上一小节2.3.1类似,下图2.2中使用中继R与用户协同来完成与基站BS之间的通信。图2.3中使用多中继与用户协同来完成与 基站BS之间的通信。这里仅列举了一个用户的情况,当然也可以是多用户的情况,它们同样都能够实现空间分集。图2.2单用户与中继间的协同Fig. 2.2 Cooperation between single user and relay图2.3单用户与多中继间的协同Fig. 2.3 Cooperation between single user and multi-re
18、lays分集合并技术分集合并是将多个接收天线上的独立的衰落信号进行相干合并,其目的是为了减轻衰落的影响。合并可以在解调器之前(即在中频和射频上合并,但大部分是在中频上合并),也可以在解调器之后(即在基带上合并)进行。合并的方法有很多种,它们的复杂度和性能也是各不相同的,其中大多数的合并方式是线性合并,即不同衰落信号的加权和。常用的分集合并方式有三种:最大比值合并、选择合并和等增益合并。如下图2.4所示,假设M个输入信号分别为,则合并器的输出就为: (2.1)其中,表示第k个信号的加权系数。图2.4 合并器Fig. 2.4 The combiner假设这三种合并方式都满足以下条件:各支路的噪声均
19、为加性噪声且与该支路的信号不相关,噪声均值为零,均方根值恒定;各支路信号的衰落互不相关,彼此独立;各支路信号幅度的衰落速率远低于信号的最低调制频率。下面对这三种合并方式进行详细讨论。1 最大比值合并技术最大比值合并1,12 (MRC)是在接收端由M个分集支路,经过相位调整后,按照适当的增益系数,同相相加,再送入检测器进行检测。利用切比雪夫不等式,可以证明出当各支路的加权系数与该支路的信号幅度呈正比,与该支路的噪声功率成反比,即式(2.1)中各加权系数为(其中为各支路的噪声功率)时,MRC后可以获得最大的输出信噪比。假设各支路都是独立同分布的瑞利衰落信道,且它们具有相同的平均支路信噪比,则合并输
20、出的总的信噪比服从自由度为的分布,其期望为,方差为,则MRC的信噪比的概率密度函数为: (2.2)则在给定门限下相应的中断率为: (2.3)MRC的平均输出信噪比为,则平均输出信噪比随分集支路的数目增加而增加,MRC的平均信噪比改善因子为: (2.4)平均误码率为: (2.5)式中。相干解调的误码率的通式2为,其中和取决于调制类型, 表示星座图中距离为最小欧式距离的近邻个数,表示反映星座图中最小欧氏距离与平均符号能量之间关系的常量。则由Q函数的切尔诺夫界可以得到的一个上界: (2.6)对积分可以得到: (2.7)又,则在高信噪比条件下可以得到: (2.8)由上式(2.8)可知:在高信噪比的条件
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