高效协同编码与大规模天线技术研究.pdf

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1、高效协同编码与大规模天线技术研究杨昂2015年6月中图分类号：UDC分类号：高效协同编码与大规模天线技术研究作者姓名杨昂学院名称信息与电子学院指导教师匡镜明教授答辩委员会主席阮秋琦教授申请学位工学博士学科专业通信与信息系统学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年6月11日HighEfficiencyCooperativeCodingandMassiveMIMOTechnologiesCandidateName：AngYangSchoolorDepartment:InformationandElectronicFacultyMentor:Prof.Jingmi

2、ngKuangChair,ThesisCommeetee:Prof.QiuqiRuanDegreeApplied:DoctorofPhilosophyMajor：CommunicationandInformationSystemsDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDenfence：June11,2015研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理

3、工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：北京理工大学博士学位论文摘要在未来的信息化社会，下一代移动通信网络必须提供高速可靠的通信服务，才能满足人们日益增加的通信需求，因此如何提高频谱效率成了目前研究亟待解决的关键问题之一。本文一方面引入协同编码，通过移动网络各个节点的互相协作，来充分利用系统的空间和频率资源；另一方面引入大规模天线技术，通过大幅度增加基站天线数目，来消除用户间干扰，降低快衰落和小区间干扰的影响。上述新技术的应用，能极大地提升系统的

4、频谱效率，但对系统设计带来了巨大挑战。本文在新算法设计、系统性能分析和参数优化等几方面取得了突破，主要贡献和创新型的研究成果分为以下几个方面:提出了基于联合干扰消除和最大比合并接收机的新型叠加编码方案，推导了系统误比特率的闭式解和上界，验证了算法的有效性。在下行两点协同通信系统中，在传统叠加编码接收机的基础上，将干扰消除的思想引入最大比合并算法，提出了一种新型的联合干扰消除与最大比合并接收机。接下来，给出了该系统误比特率的闭式解和上界。以最小化系统误比特率为目标，优化了叠加编码的功率分配因子。仿真结果验证了理论推导的正确性，并且证明该方案能有效改善小区边缘用户的性

5、能，从而提升系统总体性能。提出了多向中继系统中的二进制网络编码方案，推导了系统误码率和吞吐量，优化了编码矩阵。在多个移动用户通过一个多向中继的协助来完成信息交互的系统中，为了使每个用户均能获得其他用户的信息，提出了二进制网络编码矩阵的一些基本设计准则，并研究了编码矩阵、噪声和衰落对用户的影响。然后，推导了单个用户误码率的闭式解，并推导了系统总体误码率的闭式解和上界。接下来分析了系统的吞吐量，从理论上证明二进制网络编码技术能够提升系统的吞吐量，证明了算法的有效性。为了保证系统的可靠性，以最小化系统总误码率上界为目标，利用有限域数学解决了二进制网络编码矩阵的优化问题。

6、提出了Nakagami-m衰落下空时网络编码的方案，解决了理论性能推导和参数优化这两个关键问题。在多用户多中继单目的端的系统中，在Nakagami-m衰落下，首先利用留数定理先给出了MPSK和MQAM下系统误码率的严格闭式解表达式。为了给工程应用提供参考价值，给出了高信噪比下误码率的近似表达式，并给出了分集增益表达式。接下来，研究了中继数目、中继位置、Nakagami-m衰落系数、功率分配I北京理工大学博士学位论文和非正交编码对误码率的影响。另外，非正交编码相比于正交编码，在获得相同分集增益的情况下，能够提供更高的吞吐量。给出了仿真结果，从而验证了理论推导的正确性

7、，并说明系统的可靠性得到了大幅度的提升。提出了考虑大尺度衰落的大规模天线系统方案，首次定量研究了大尺度衰落对系统可达速率的影响。基于完美信道信息和非完美信道信息，首次推导了单个用户的遍历可达速率的近似表达式，并给出了小区总体性能的相应表达式。采用了实际通信环境的典型参数，给出了仿真结果，从而验证了理论推导的正确性，并研究了不同大尺度衰落系数对系统性能的影响。结果说明，在大尺度衰落的影响下，城市环境中的小区间干扰会降低，满足了实际通信需求。提出了大规模天线系统中的分布式天线方案，推导了系统可达速率，优化了天线分布。在任意已知用户和天线分布的情况下，推导了分布式大规模

8、天线系统近