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基站协作技术及其在高速铁路宽带无线通信系统中的应用研究

朱亚洲  
【摘要】:随着无线通信发展,用户对无线网络的数据速率和服务品质的要求越来越高。因此,下一代无线蜂窝系统引入了可以获得更高频谱效率的多输入多输出(MIMO)技术,并采用全频率复用的方式进行组网。这种部署将产生小区间干扰,会严重地降低MIMO技术带来的高频谱效率。因此,作为抑制小区间干扰的有效方法,基站协作(也称协作多点传输)技术的研究已经引起了学术界和工业界的极大关注。协作多点传输(CoMP)技术旨在避免或利用干扰来提高蜂窝边界和平均数据速率。但是,所有的CoMP方案存在大容量和低延时的回传链路需求,复杂度高,数据和信道状态信息交换量大等实际的挑战性问题。另外,高速铁路已经成为3G(3rd Generation)和4G(4th Generation)业务的一个很大的商业应用场景,而传统的铁路无线通信系统存在频谱效率低和切换过于频繁的问题,急需设计关键物理层技术来实现高速铁路宽带无线通信系统。 针对以上问题,论文对已有的基站协作算法进行了相应的改进,并通过MATLAB仿真进行了实验验证。另外,也对如何将CoMP技术应用到高速铁路宽带无线系统进行了理论讨论。本论文取得如下主要研究成果: (1)针对集中式多基站协同处理方式中整个系统的反馈开销很大的缺点,提出一种基于反馈增强的组播单频网预编码方案。该方案在各用户端采用最小均方算法自适应获得等效信道并将其量化,然后反馈至基站端。从而,基站端通过迫零准则来获得最佳预编码矢量。基于基站间的用户信息交互,基站执行联合式协作多点传输来消除小区间干扰。实验证明该方案能有效地提高系统性能。 (2)针对分布式多基站协同处理方式如何利用本地信道状态信息消除小区间干扰同时又能在每个蜂窝内支持多个用户进行了研究,提出了一种基于汤姆林森-哈拉希玛预编码的分布式预编码方案。具体为,在传输到每个用户组的过程中,每个基站根据本地获得的信道状态信息,为每个用户组设计相应的前向预编码和反馈滤波器。然后,基于基站端之间的信息交换,每个基站执行分布式CoMP来同时服务小区每个用户组。仿真结果表明该方案能取得较好的性能。 (3)针对Jafar提出的原始的干扰对齐预编码方案,提出了两种有效的非迭代算法。基于最大化信噪比准则的预编码方案用来最大化相应无干扰等效信道的信息速率。而基于最小化均方误差的预编码方案用来改进相应无干扰等效信道的误比特率(Bit Error Ratio:BER)。分析表明,两种优化方案均能有效的利用天线资源,并具有低复杂度的特性。另外,仿真结果表明,两种次优算法有效地改进了系统性能。 (4)研究了CoMP系统的可行性问题,论文提出了一种可行的基于机会干扰对齐的联合预编码和调度方案,该方案能消除信道状态信息的交换所带来的开销。具体地讲,首先,每个基站端给出了基于机会干扰对齐的联合预编码和调度过程。然后,在每个选择的用户端,基于构建的预编码矩阵和相应的本地信道状态信息,设计了一种可行的两阶段接收机。仿真结果表明,该方案明显的改善了系统性能。 (5)研究了CoMP技术在高速铁路宽带无线系统中的应用,论文首先提出一种高速铁路宽带无线接入系统的网络结构。然后,在此网络结构基础上,针对单数据流场景,提出了一种基于光载无线(RoF)的CoMP方案。针对多个数据流的场景,论文又进一步提出了基于全球定位系统辅助估计离开角的预编码技术来执行基于RoF的CoMP方案。分析表明,两种方案都能减少车载台频繁切换同时避免了高速列车上的旅客终端设备的切换,并提高系统的传输功率的效率和系统的吞吐量。


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