两跳协作通信系统波束成形科技概述

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1、两跳协作通信系统波束成形科技概述第一章绪论1.1研究背景及意义协作通信的出现，在不用花费较大的布网开销下提供了一种有效利用空间资源的新方案。比如在无线蜂窝网络中，可以通过放置中继站帮助基站传输信息来解决热点、盲点问题可以通过小区基站之间的联合处理来解决小区边缘用户的干扰问题。初始的协作通信基本上基于三节点协作模型，研宄如何让中继节点有效的处理转发信号，产生了很多研究成果。如果将这些成果应用到多中继协作通信模型，即使各个节点都能很好的处理接收信号，但是会涉及到这多个中继之间如何髙效协作的问题。这是研究协作通信的重点和难点，一直是热门话题。如果将各中继节点视为一个独立天线，这些节

2、点就可以构成一个虚拟MIMO系统，于是可以将相关的MIMO技术应用到协作系统中去，从而获得MMO系统的传输技术带来的增益。波束成形（Beamforming，BF)技术作为MIMO系统中最引人注目的技术之一可以调整信号的传播方向以指向期望用户，从而实现天线分集，最大化系统增益。与其他MIMO技术相比，波束成形不但提高了信息传输的可靠性，而且可以显著提升系统的信道容量因而非常适应于协作通信网络。作为LTE-Advanced的关键技术之一，研宄协作通信系统的波束成形问题，已经成为目前的研究热点。1.2协作系统波束成形问题的研究现状协作通信系统的研究可以追溯到上世纪七十年代。首先，V

3、anderMeulen于1968年提出了一种包括源节点、中继节点和目的节点的三节点模型并初步推导了该信道容量的上下界。随后，Cover对VanderMeulen的研宄进行了拓展，从信息论的角度讨论了中继系统的容量问题[16]，从此为协作通信的基本理论奠定了基础。随着MIMO技术的发展，协作通信的研宄范围得到了进一步的深入，其与波束成形技术的有效结合，更是为无线通信的发展带来了无限的可能。然而协作系统中的波束成形问题更为复杂：不但与协作方式相关，而且与MIMO系统下的波束成形技术差异较大。这是因为协作系统下中继端的接收信号与源节点的发射信号已经不同，不仅需要考虑信道状态信息(C

4、hannelstateinformation,CSI),还要考虑中继端的处理函数。目前，协作通信系统中波束成形的研究内容还是比较广泛的。主要可以分成异步协作系统下的波束成形、波束成形矢量的设计和基于全部或部分CSI的波束成形技术等等[17]。文献[18][19]研究了协作网络在中继节点存在频率以及相位误差下的波束成形问题。文献[20][21]提出了解决符号同步问题的方案，但是对于时间同步问题没有给出有效的解决方案。时间和频率同步是所有实际系统中必须考虑的问题，现有的文件绝大部分都基于理想情况，没有考虑同步误差。文献[22][23]分析了源节点和目的节点配备多根天线的单用户协作

5、系统波束成形问题，前者基于MIMO系统中的匹配滤波器(MF)和正规化置零预编码(RZF)技术，推导了AF协作下的MF波束成形矩阵，并通过利用前向和后向信道状态信息设计了新的中继波束成形(MF-RAF)矩阵；后者釆用动态解码转发(DDF)协议来恢复解码转发（DecodeandForalRatiobining,MRC)在等增益合并中接收端对收到的各链路信号进行相位偏移校正，当它们的增益相同时，接收端进行直接的相加合并，这种合并方式需要接收机己知部分或者全部CSI。选择合并通过对每个接收信号进行逻辑选择，将其中具有最佳瞬时SNR的基带信号作为输出信号。但是由于最佳瞬时SNR不容易得

6、到，通常的做法是用平均SNR最大来代替瞬时SNR最大作为选取的标准。对于协作系统中的终端，有两种基本的工作模式：半双工(HalfDuplex)模式和全双工(FullDuplex)模式。在半双工模式下，中继节点不能同时进行接收和发送数据；而在全双工模式下节点可以同时进行接收和发送,理论上拥有比半双工模式更高的系统性能。但在实际通信系统里，半双工模式下的节点工作起来要比全双工模式下的更简单，对其协作协议的研究也更广泛。对于半双工通信系统，有这么几种典型的协作协议，紐括放大转发UF)、解码转发(DecodeandForIMO系统的信道容量..................193.

7、3AF方式下协作通信系统的信道容量203.4BF发射下两跳协作系统的信道容量.........253.4.1结果仿真与分析.........263.5本章小结.........27第四章两跳协作系统波束成形技术.........284.1系统模型.........284.2最小化中继端总发射功率.........304.3传输速率最大化.........334.3.1中继端总功率受限.........334.3.2单个中继节点功率受限.........354.4性能分析与仿真.........374.5