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IDMA通信系统若干关键技术及其在协作无线通信中的应用

罗智峰  
【摘要】: 交织分多址(Interleave-Division Multiple-Access,IDMA)已成为近年无线通信领域的一个热门研究方向。同时,协作通信(cooperative communications)也是目前国内外的研究热点。本文主要致力于研究IDMA通信系统中的若干关键技术以及IDMA在协作通信方面的应用。另外,由于通信的保密性是一种广泛的要求,IDMA通信系统也具有保密性的要求,应用混沌于保密通信是目前一个新兴的研究方向,本文将混沌在IDMA系统实现保密通信方面的应用也作为IDMA通信系统的一项关键技术来进行研究。本文主要对以下的四个方面进行研究:IDMA交织器设计;IDMA在多源宿节点对和多共享中继节点所组成的协作无线通信网络中的应用;IDMA在中继协作部分包恢复(relay-assisted partial packet recovery)中的应用;混沌在IDMA保密通信中的应用。 本文的主要成果包括: 1、专门针对多用户IDMA通信系统,提出了一种基于线性同余的IDMA交织器设计新方案。本文首先提出了一种基于完全剩余系交织器的设计概念,然后将这种概念应用于设计基于线性同余的IDMA交织器,该设计算法既有较低的实现复杂度又能针对IDMA系统的特点。本文提出的设计继承了现有的伪随机交织器和嵌套式交织器这两种设计的优点,并且比伪随机交织器要求更少的存储容量,同时,与嵌套交织器相比,它可以独立地并同时地产生各个用户的交织器。由于算法的基本运算是线性同余,算法的实现复杂度低,而且本文的设计需要用于同步发射机与接收机的交织器数据量少,可以有效减少用于传输同步数据所需要的带宽开销。仿真结果表明,在用户数较大的情况下,采用本设计的IDMA系统性能要优于采用伪随机交织器的IDMA系统。 2、针对多源宿节点对和多共享中继节点所构成的网络模型,提出了一种基于IDMA的协作通信方案。该方案可以采用解码转发(DF)和放大转发(AF)作为协作通信协议,IDMA的迭代多用户检测被利用来消除在中继节点和目的节点的多址干扰。在本方案中,当在网络中中继节点数目受限的情况下,多个源节点可以共享一组中继节点进行协作通信,各中继节点可以同时向目的节点发射信号,与TDMA和FDMA的方式不同,这样可以有效节省时隙和正交频率资源。另外,在一对特定的源宿节点对中目的节点可以利用低复杂度的接收机消除来自其他源节点发射出的干扰信号,并且从通过多个中继节点协作传输的信号中获得分集增益。仿真结果表明所提出的协作通信方案可以获得令人满意的分集增益,而共享中继节的位置不同,相应的协作通信方案的性能也会不同。另一方面,本文的仿真结果还展示了源节点和中继节点的发射功率分配对系统性能的影响,这些结果对于设计自适应协作通信协议提供了重要的参考参数。本文提出的方案通用性好,可以灵活选择协议,当需要在DF协议和AF协议之间变换时,目的节点接收机不需要增加额外设计。 3、提出了一种基于IDMA方法的中继协作部分包恢复方案。在本方案中,位于不同位置的中继节点利用IDMA的方式协助重传,用于恢复不同源的数据包信息,以在重传时获得分集增益。IDMA迭代多用户检测接收机被用来接收多个中继节点发送的不同源和不同长度的数据块。为了最小化部分包恢复的反馈请求的开销,本文给出了基于递归代价计算(cost-based)的方法来制定反馈策略。仿真结果表明,在CDMA无线网络中本方案的吞吐量性能要优于传统的ARQ方案。 4、结合Diffie-Hellman密钥交换协议和离散混沌映射,本文提出了一种具有保密通信功能的非对称IDMA交织器跨层设计方案,使IDMA系统可以在物理层上实现保密通信。本保密通信方案主要通过一种集成了伪随机交织和加密两种功能的非对称IDMA交织器方案来实现,利用离散混沌映射的类随机性和对初始值敏感的特性,并结合业界常用的Diffie-Hellman密钥交换协议,对物理层的IDMA交织器进行跨层(cross-layer)配置。仿真结果表明本文提出方案中的交织器不但在通信性能上等同于伪随机交织器,而且能提供保密通信的功能。 5、为使混沌保密通信系统能实用化,研究了一个混沌实时保密通信系统方案,并且对该方案进行了软件实现。本方案利用具有成熟密钥空间设计的DES分组加密算法来解决混沌加密算法密钥空间的问题,采用RSA公钥制加密方法加密混沌加密算法和DES算法的私钥,解决了混沌保密通信同步密钥安全性的问题。该系统软件的实时保密通信试验结果表明该方案是一种具有良好实用前景的混沌保密通信系统。


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