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无线MIMO与协作通信系统的分析与设计

闫秋娜  
【摘要】:为了解决全球移动用户数量不断增加和高速率、宽带无线业务量迅速增长所带来的无线业务需求与有限频谱资源之间的矛盾,以及抵抗无线衰落损伤、提高通信系统可靠性和增加系统传输速率,多输入多输出(MIM)O技术和协作(oCpoertiave)通信技术成为目前无线通信领域的研究热点。MIMO技术充分开发空间资源,利用多个天线实现多发多收,在不需要损失额外频谱和发射功率资源的情况下可以成倍的提高通信系统的容量和频谱利用率;而协作通信技术在源节点与目的节点之间构建多条通信链路,形成一个虚拟的MIMO系统,从而为小型移动设备的MIMO实用化提供了一条崭新的出路。 本文围绕MMIO通信系统和协作通信系统展开深入的研究。在追踪报道国内外无线MIMO与协作通信相关工作的基础上,分别研究了MIMO信道容量和系统性能、协作中继网络下的分集性能以及跨层设计四个方面。主要结果如下: 1、研究了Rvlaeihg衰落环境下具有同信道干扰和发射空间相关性的MMIo信道容量问题。在假定接收端完美的知道信道状态信息(CIs),但发送端不知道cls的情况下,依据多元统计分析,特别是矩阵变量分布理论,推导出MIMO信道互信息矩生成函数和各态历经信道容量的确切闭式表达式。 2、研究了基于发射分集的空时分组码系统。基于数值积分中的梯形法,对iRican一Nkaagmai信道中正交空时分组码O(STB)C系统进行近似性能分析,并给出了简洁而有效的近似性能表达式。通过对近似曲线与精确曲线的仿真比较,验证了梯形近似的良好效果。由于采用较小分段数目就能满足实际需求,因此所给出的近似表达式会使系统性能分析和仿真的复杂度大幅降低。 3、研究了基于接收分集的最优合并(OC)系统。主要针对在不等功率干扰和噪声下的OC性能进行分析。利用矩阵变量超几何函数,推出了OC输出信干噪比S(NIR)的特征函数确切表达式,该表达式是以行列式形式给出,其上元素都能用简单的一重积分来表示。 4、研究了采用信噪比门限和硬判决检测的无线协作前向放大(A)F中继网络分集性能。对于两跳情况,推出了端到端的误比特概率和中断概率的数学表达式,分析了无线协作网络的分集性能。然后将该分集分析推广到每一个中继链路都需要多个门限的多跳协作情景。理论分析和仿真结果表明,随着信噪比的增加,所提出的基于信噪比门限的方案和使用所有源节点到中继链路的CIS的方案相比,二者的性能是非常接近的。 5、针对前向译码(D)F协作无线传感器网络的特点和要求,提出了一种通过把物理层的等增益合并(EG)C和数据链路层的自动请求重传(ARQ)结合起来的实用的跨层设计方案,并进行了系统性能分析。仿真结果表明,源节点和中继都参与重传的EGc一ARQ方案和只有中继参与重传的EGc一ARQ方案以及不带有ARQ的EGC方案相比具有更好的性能。 上述这些研究结果会为无线MIMO与协作通信技术的进一步研究和具体设计提供一些理论依据,具有一定的理论意义和应用价值。


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