面向中继系统的物理层传输技术 下载 pdf 百度网盘 epub 免费 2025 电子书 mobi 在线

《面向中继的物理层传输技术》旨在总结近几年中继系统的发展情况，重点对中继系统中的传输方案与编码技术展开研究与讨论。首先，针对多用户的协作通信方案进行了系统研究。基于现状，提出一些高传输效率的协作方案，并与其他新兴的无线传输技术结合，进一步推广到多中继以及认知中继网络中。然后，深入探讨了网络编码技术。以中继系统为研究对象，结合多输入多输出技术，研究了基于网络编码的传输和检测技术，提出了一些有效可行的传输方案以及基于网络编码的接收机设计方案，并结合协作传输技术，有效降低了信息流在无线中继网络中传输的时间开销，进而提高了网络吞吐量。

目录

前言

第 1 章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 研究现状 5

1.3 本书结构 12

1.4 小结 12

参考文献 12

第 2 章 中继系统物理层基本技术介绍 20

2.1 分集技术 20

2.1.1 分集的基本概念 20

2.1.2 常用的分集技术 20

2.1.3 常用的中继协作通信技术 25

2.2 MIMO 基础概述 28

2.2.1 MIMO 系统中的空间分集 28

2.2.2 MIMO 系统中的空间复用 31

2.2.3 MIMO 及 MIMO 双向中继信道中的分集-复用折中回顾 34

2.3 网络编码技术 36

2.3.1 网络编码的基本概念 36

2.3.2 常用的网络编码方法 38

2.4 认知无线电技术 39

2.4.1 基于干扰温度的传输方案 39

2.4.2 认知环境下的协作通信方案 40

2.5 干扰对齐技术 40

2.5.1 干扰对齐基本概念 40

2.5.2 不同维度上的干扰对齐 43

2.5.3 干扰对齐在具体场景中的应用 46

2.6 物理层安全简介 51

2.7 UWB 基础介绍 52

2.7.1 UWB 信道 53

2.7.2 UWB 常用接收机设计 53

参考文献 55

第 3 章 分集-复用折中性能的研究 59

3.1 经典协作通信方案 59

3.2 轮询调度和轮询中继的多用户协作通信方案 59

3.2.1 基于轮询调度和轮询中继的多用户协作通信方案介绍 61

3.2.2 所提方案与经典方案实现要求对比 64

3.2.3 所提方案性能分析 66

3.2.4 仿真与讨论 80

3.2.5 R3SSP 方案在译码转发系统中的应用 86

3.3 多用户协作通信系统中的联合协作分集与多用户分集方案 87

3.3.1 现有联合多用户分集与协作分集方案 88

3.3.2 基于贪婪调度和轮询中继的联合多用户分集与协作分集通信方案 90

3.4 基于轮询调度的联合协作分集与多用户分集通信方案 US-LCRP 方案 102

3.4.1 基于轮询调度获得多用户分集的可行性探讨 103

3.4.2 RRFS 方案 103

3.4.3 分集阶数分析 106

3.4.4 仿真与讨论 108

3.5 基于多天线的多用户协作通信系统中的协作方案研究 111

3.5.1 VBLAST 系统介绍 111

3.5.2 基于空间复用和线性检测的多用户协作通信方案 113

3.5.3 利用中继共享改进的多天线多用户协作通信方案 115

参考文献 123

第 4 章 中继天线选择技术及用户调度 125

4.1 多天线双向中继系统中的中继天线选择技术 125

4.1.1 点到点多天线系统中的天线选择 125

4.1.2 针对单流物理层网络编码的中继天线选择方法 128

4.1.3 多流物理层网络编码中的天线选择算法 136

4.2 MIMO-Y 信道中的中继天线选择及用户选择技术 154

4.2.1 基本 MIMO-Y 信道模型及传输方法介绍 155

4.2.2 MIMO-Y 信道中的中继天线选择 160

4.2.3 MIMO-Y 信道中的用户选择 165

4.3 基于相位旋转辅助的多天线中继选择技术 170

4.3.1 系统描述 170

4.3.2 基于天线选择的传输方案 172

4.3.3 基于任意中继的传输 173

4.3.4 相位旋转辅助的 Max-Min 中继选择方案 175

4.3.5 分集阶数以及误符号率分析 181

4.3.6 基于 PR 的时间拓展方案 187

4.3.7 仿真与讨论 189

参考文献 193

第 5 章 双向中继系统中的 PNC 专属接收机 196

5.1 系统模型及已有方法回顾 197

5.1.1 系统模型 197

5.1.2 基于虚拟 MIMO 的现有设计方案回顾 198

5.1.3 基于适度检测的现有方案回顾 198

5.1.4 现有方案总结 200

5.2 一种针对 MPSK 调制的 PNC 专属接收机 200

5.2.1 基于内积运算的接收机 200

5.2.2 基于外积运算的接收机 203

5.3 基于天线选择的广播方案 204

5.4 仿真与讨论 205

参考文献 208

第 6 章 双向中继系统中基于网络编码技术的异步检测算法 210

6.1 系统模型 210

6.2 现有的异步检测算法 211

6.2.1 利用符号间干扰的碰撞解决方案 CRESM 211

6.2.2 基于置信度传播理论的 ML 检测算法 212

6.3 基于正交投影的检测算法 212

6.3.1 所提检测算法介绍 212

6.3.2 复杂度分析 214

6.4 仿真与讨论 215

参考文献 218

第 7 章 基于 MIMO 的物理层网络编码传输技术 219

7.1 获取分集增益的 MIMO 物理层网络编码传输方案 219

7.1.1 系统模型及已有方法回顾 221

7.1.2 类似**比合并的中继物理层网络编码检测器 223

7.1.3 中继物理层网络编码检测 225

7.1.4 仿真与讨论 225

7.2 获取复用增益的 MIMO 物理层网络编码方案 228

7.2.1 系统模型及传输方案设计 228

7.2.2 传输方案设计 229

7.2.3 仿真与讨论 230

参考文献 232

第 8 章 基于符号的物理层网络编码传输技术 234

8.1 系统模型 235

8.2 SIMO 系统中分集增益与阵列增益基础 235

8.3 单天线 SPNC 方案分集性能分析 237

8.4 多天线 SPNC 分集技术 240

8.4.1 PA 辅助下的 AS-SPNC 技术 241

8.4.2 PA 辅助下的 SC-SPNC 技术 244

8.5 基于 MQAM 的 SPNC 技术 252

8.6 仿真与讨论 254

参考文献 258

第 9 章 基于机会网络编码的协作传输方案 260

9.1 系统模型 260 9.2 经典的中继协作传输方案 261

9.2.1 基于**中继选择的协作方案 261

9.2.2 基于网络编码技术的协作方案 261

9.3 基于机会网络编码的协作传输方案 263

9.3.1 所提协作方案介绍 264

9.3.2 所提方案性能分析 268

9.4 仿真与讨论 276

参考文献 279

第 10 章 基于动态网络编码的协作通信方案 280

10.1 经典协作通信方案 280

10.1.1 基于 bit-xor 的协作通信方案 280

10.1.2 基于线性网络编码的协作通信方案 280

10.2 基于动态 bit-xor 的协作通信方案 281

10.2.1 所提方案介绍 281

10.2.2 所提方案的性能分析 282

10.2.3 仿真与讨论 284

10.3 基于动态 bit-xor 和机会中继的多用户多中继协作通信方案 285

10.3.1 所提方案介绍 285

10.3.2 所提方案的性能分析 287

10.3.3 仿真与讨论 289

10.4 基于线性网络编码的多用户协作通信方案 291

10.4.1 系统模型 291

10.4.2 所提方案介绍 291

10.4.3 所提方案的性能分析 293

10.4.4 仿真与讨论 296

参考文献 299

第 11 章 双向中继系统中的传输策略 300

11.1 双向中继系统中的传输策略 301

11.1.1 模拟网络编码策略 301

11.1.2 时分广播策略 302

11.1.3 自适应中继/直传传输策略 303

11.1.4 机会式用户选择策略 304

11.2 自适应模式选择传输策略 304

11.2.1 系统模型 305

11.2.2 方案介绍 305

11.2.3 AMS 传输策略的中断性能分析 307

11.2.4 仿真与讨论 311

11.3 多用户多中继系统中的 AMS 传输策略 315

11.3.1 系统模型 315

11.3.2 联合用户中继调度—AMS 传输策略 316

11.3.3 联合策略中断性能分析 317

11.3.4 仿真与讨论 321

11.4 基于 Alamouti 编码的双向中继系统中的全双工传输策略 323

11.4.1 全双工双向中继系统模型 324

11.4.2 基于分布式 Alamouti 编码的传输策略 325

11.4.3 仿真与讨论 336

参考文献 339

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第 1 章 绪 论

　　1.1 引 言

　　随着社会的迅速发展和科学的不断进步，人们在生活和生产中接触到的信息量也越来越大。毫不夸张的说，当今社会已经进入了一个信息爆炸的全新通信时代。对信息进行采集、传输、处理等操作的信息技术，成为当今社会发展中*为重要的动力之一，并改变着人们生活和生产的方式。通信技术是信息技术中的重要组成部分，受到了世界各国的高度重视和大力投入。近年来，信息通信技术的发展可以用日新月异来形容，它已经渗透到人们生活的各个方面，使得人们可以随时随地地获取互联网上的海量信息。

　　通信发展的终极目标可以总结为 5 个 W，即任何人（whoever）可以在任何时间（whenever）、任何地点（wherever）与任何想要联系的人（whomever）交换任何内容（whatever）的信息。而无线通信由于无需专用传输介质的便利性，必然是迈向通信终极目标的重要途径之一，因此成为通信技术发展的主流和方向，是当今通信领域发展*为迅速的热点之一。无线移动通信的发展正将人类社会推进到一个崭新的无线生活时代。这一项重要的技术成就，目前正吸引着学术界、产业界和标准化机构丰富而广泛的研究。近年来，各种无线接入技术和丰富的移动多媒体业务，激励了无线移动通信在人类生活各个层面的应用。互联网、电子商务、工业、医疗、环境、公共安全等诸多领域，都因为无线移动通信技术的推动而发生着深刻的变革。面对如此大规模的应用，无线移动通信网络也日趋专业化，出现了蜂窝网络[1]、无线局域网（wireless local area network，WLAN）[1-2]、无线传感器网络（wireless sensor network，WSN）[3]、认知无线电网络（cognitive radio network，CRN）[4]等网络。这些不同体制的无线移动通信网络，基本筑建了泛在无线移动通信网络的雏形。未来的无线移动通信，将继续迈向能够支持在任何时间、地点，实现任何人或物之间的泛在通信；同时，在网络覆盖范围内提供更高速率、更加可靠的数据传输业务。这些需求，都对现有的无线移动通信基础技术、网络构架等方面提出了巨大的挑战。因而，学术界、产业界和标准化机构对无线通信新技术不断进行探索和创新，以提高系统的性能和资源利用率。

　　基于蜂窝网络的移动通信系统是应用*为广泛和*为重要的无线通信系统，在此前二十年间得到了飞速的发展和普及。**代移动通信系统出现于 20 世纪 80 年代，它基于频分复用（frequency division multiple access，FDMA）和模拟技术，以语音业务为主，几乎无法提供数据业务。90 年代则出现了第二代移动通信系统，以欧洲的全球移动通信系统（global system of mobile communication，GSM）和美国的 1995 年暂行标准（Interim Standard 1995，IS-95）系统为代表。第二代移动通信系统基于数字技术，可提供语音业务及低速数据业务，到目前为止在全球取得了极大成功，使得移动通信成为现代生活中至关重要和必不可少的组成部分。第二代移动通信系统的成功推动了人们对于移动通信的要求，催生出了第三代移动通信系统（3rd generation，3G）。第三代移动通信系统均采用码分多址（code division multiple access，CDMA），主要有三个标准，即 CDMA2000，WCDMA 和我国自主知识产权的 TD-SCDMA[5]。它们结合功率控制、多用户检测、先进信道编码等技术手段，能为人们提供较高速率的数据业务，已经成为当前网络建设和发展的重点。随着 2013 年底工信部发放第四代（4th generation，4G）技术牌照，我国的无线通信产业正式进入 4G 时代，这必将为我国移动互联网的发展注入巨大能量。4G 技术以其更高数据传输速率，更大传输带宽，高度的系统无缝连接相容性和更广泛的智能化迅速得到人们的认可并投入使用。第四代移动通信系统包括分时长期演进技术（time division long term evolution，TD-LTE）和频分双工长期演进技术（frequency division duplexing long term evolution，FDD-LTE）两种制式。它采用正交频分复用（orthogonal frequency division multiple access，OFDMA）、多重输入与输出（multiple-input multiple-output，MIMO）、软件无线电（software defined radio，SDR）和智能天线等技术（smart antenna，SA），是多功能集成的宽带移动通信系统。

　　中国移动互联网发展大会发布的移动互联网蓝皮书《中国移动互联网发展报告（2014）》表明，截至 2014 年 1 月，我国移动互联网用户总数达 8.38 亿，在移动电话用户中的渗透率达 67.8%，其中手机网民规模达 5 亿，占总网民的 80%，保持着**大上网终端地位，由此表明，我国互联网发展进入全民时代。随着 4G 技术投入应用，移动互联网产业已经出现了前所未有的飞跃。同时，移动互联网的爆炸式增长也对无线通信技术的各个方面提出了更高的要求，包括用户体验速率、连接数密度、端到端时延、流量密度、移动性和用户峰值速率等[6-10]。这就要求新一代，即第五代（5th generation，5G）无线通信系统必须是具有海量通信能力的宽带移动通信系统。具体表现为：首先，支持的业务从单纯的语音业务发展到更丰富的多媒体业务，包括视频点播、视频会议等高速率的实时流媒体业务；其次，随着智能手机和平板电脑等便携设备的普及，选择无线方式接入互联网的用户数量将迅速增长。研究表明，从 2010 年到 2015 年，全球移动网络数据流量增加了 26 倍。我国 IMT-2020（5G）标准推进组制定的《5G 愿景与需求》白皮书表明，5G 将为用户提供光纤般的接入速率，峰值可达几十 Gbps。然而，随着对无线通信传输速率的要求越来越高，频谱资源的严重不足日益突出，已经成为遏制无线通信发展的瓶颈。

　　20 世纪 90 年代末，MIMO[11]技术的出现，为研究者们找到了一条提高频谱效率和传输可靠性的新途径。MIMO 技术使用由多个天线组成的天线阵列来进行信号的发射和接收，从而将空间维度引入到通信系统中，利用不同收发天线间的不同信道同时传输多流数据。MIMO 技术的引入，实现了空间复用以及提高频谱效率的目的[11-12]，还能够通过获取空间分集来改善传输质量[13-14]。理论研究证明，在理想情况下，MIMO 技术可以通过增加天线数成倍地提高数据传输速率，也可相应地提高系统的分集增益[15-16]。一方面多天线的应用会带来设备尺寸增大、成本增高的问题，同时多个天线配置会极大增加相应的信号处理算法复杂度，使得设备需要较强的处理能力，也增加了信号处理时的功率消耗。另一方面，MIMO 系统的性能和信道的空间相关性有关，在信道空间相关性较大时，其性能往往会受到较为严重的影响。因此，虽然 MIMO 技术在理论上展现了极大的优势，但在实际蜂窝系统实现中仍然遇到了一定的困难。

　　为了克服 MIMO 技术在实际应用中遇到的困难，研究者们提出了协作通信概念[17]。协作通信的主要思想是利用系统中各个通信节点位置不同的特点，由多个单天线的节点组成一个分布式的多天线阵列，从而使得单天线系统也可获得由多天线阵列带来的性能提升，即获得协作分集增益。它根据分布式多天线阵列带来的空间维度，利用各个节点之间的协作使得各节点都能够帮助其他节点进行传输，在不增加设备复杂度的同时形成了广义的 MIMO 系统，所以又称为虚拟 MIMO 系统。此外，由于组成分布式天线阵列的各个节点距离较远，一般情况下远大于传统 MIMO 阵列对于近似无空间相关性时天线相距约为二分之一载波波长距离的限制要求[18]，因而消除了空间相关性对 MIMO 系统性能的影响。协作通信技术通过信道条件较好的用户协助信道条件较差的用户传输，提高了后者的传输质量，改善了用户之间的公平性。

　　应用协作通信的思想，一种专门用于帮助用户传输的中继节点被引入实际蜂窝系统。这些中继节点利用无线信道的广播特性，接收用户传输的数据并向基站进行转发，从而改善了传输质量，提高了数据速率，改善了小区的覆盖性能。目前，中继技术已经在 LTE 系统、全球微波互联接入（worldwide interoperability for microwave Access，Wi MAX）等系统中采用。中继技术的引入，极大改善了通信网络的覆盖能力，尤其体现在通信网络中不具备直传能力的节点可以在中继节点的协助下传输数据。这种基于中继协助的工作方式也给通信网络的运行机制带来了深刻的变革[1]。虽然从信息论角度出发，中继技术的引入在一定情况下能够提高点到点无线通信系统的容量，但在实际系统中，中继通常以半双工模式工作，这使得传统协作通信系统对无线网络容量的利用率相对较低。例如，在蜂窝网络中加入中继以后，原始基站无法直接服务的盲点区域可以借由中继进行覆盖，继而系统边缘用户的服务质量得以提高[21]。但是，基站经由中继两跳传信给用户，需要耗费更多的时隙资源，降低了系统对频谱的利用率。鉴于中继系统在未来无线移动通信系统中的重要地位，研究高效率的中继协作传输的新方法，是进一步提升传统无线通信网络系统的重要手段。

　　不仅如此，中继节点的引入，还丰富了移动通信网络内的功能拓扑结构，将传统的点到点链路式无线通信模式，拓展到更为多样的网络化无线通信模式，对崭新的通信协议和传输方法提出了新要求。然而，受困于传统的存储/转发中继传输协议和方法的限制，学术界以及工业界在如何利用中继扩大覆盖范围，并同时提升系统频率效率的关键问题上，一直没有获得重大突破。直到 21 世纪初，网络编码（network coding，NC）的出现才极大推动了这一领域的研究进展。NC 技术创造性地将编码和路由有机结合，通过在中间节点引入编码，获得网络容量的提升[20]。这一信息论上的成果，也激励了网络编码在无线通信中的应用，其中**代表性的研究场景就是双向中继（two-way relay，TWR）通信系统[21]。为了提高半双工中继系统的信道频率利用率，学者们提出了适用于双向中继系统（two-way relay network，TWRN）的物理层网络编码（physical layer network coding，PNC）技术[22-23]。相比传统单向中继（one-way relay channel，OWR）协议，基于 PNC 的双向中继协议，能够有效降低信息流在网络中传输的时间开销，进而提升网络频谱利用率。不仅如此，基于 PNC 的双向中继系统改变了学术界对无线网络中干扰及信息流管理的认识，这些观点将有望在不同的传输系统中启发新的传输方法。

　　虽然双向中继技术可以大幅度提高无线网络的容量利用率，其潜力仍然有待开发。*有望直接推动双向中继达到更高频谱利用率、更高传输可靠性的关键技术之一就是基于 MIMO 技术的中继系统研究。MIMO 技术利用多天线带来的空间自由度实现空间分集增益或者空间复用增益，可以在不提高带宽和发射功率的前提下极大地提高通信的频谱效率和传输质量。并且，多天线中继还可以同时支持多组用户进行组内的双向中继通信，实现多向中继通信[24-25]。在第三代合作伙伴计划（3rd generation partnership project，3GPP）提出的长期演进技术升级版（long term evolution advanced，LTE-A）标准中，中继转发以及基于虚拟 MIMO 概念的协同多点技术（coordinated multiple point，Co MP）更是被明确列为推荐解决方案[26]，由此

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