衰落信道上多用户通信的优化技术研究

摘要

提高信道容量，高效率利用资源是无线通信的目标之一。多用户共享无线信道时，用户间干扰是制约吞吐量的主要因素，同时无线信道的随参特性造成接收信号的不确定性，降低了传输可靠性。本文主要目标是提高无线衰落信道多用户通信的容量，降低误码率，提供高效可靠的无线传输服务。
　　 OFDM和CDMA是下一代通信的重要技术，结合二者构成多载波CDMA系统能对抗高速通信中的频率选择性衰落和窄带干扰。但多载波中会有部分子信道处于深衰落，导致系统误码率升高，论文中采用截断深衰落时比特发射的方法，改善了多载波系统的性能。某个子信道处于深衰落时，传输误码率很高，还对其它子信道产生干扰，截断此子信道上用户的发射功率，能够降低多用户间的干扰，而且将节省的功率重新分配可以提高有效发射时的信号能量，从而提高通信质量。截断深衰落子信道上的信息发射，在接收端标识为删除，译码时相当于已知错误位置，有利于译码。文中分析了结合纠错编码的功率截断多载波系统的平均误码率性能，对瑞利衰落下的系统性能进行了仿真，可以看出系统误比特率明显降低，可容纳的用户数增加。
　　 通过截断深衰落子信道上的信息发射提高了系统容量，对于剩余的子信道，最优的功率分配方式是注水分配，但注水功率分配过于复杂不利于实际应用。基于此，论文讨论了多用户在任意衰落的时变信道中自适应反馈的资源分配方法，提出了基于相关时间周期检测的增量调整及基于容量变化自适应反馈两种功率分配方案，仿真了多径衰落信道中自适应反馈功率分配方式下多用户OFDM系统的容量，通过与理想的注水分配时的容量做比较，证明了本文自适应反馈分配方法的性能与最佳分配基本一致，并能够减少迭代次数，降低系统的复杂度，提高了效率。
　　 多天线阵列中采用奇异值分解技术可形成独立的并行信道，提高吞吐量，但要求发射端己知准确的信道状态信息，不易实现。机会波束技术利用多用户分集达到与采用相干波束成形时相近的吞吐量，受到广泛的关注。为了优选随机发射波束并减少系统中过多地反馈，论文提出了自适应截断机会波束技术。在用户端预先设定截断门限，只有接收的信干噪比大于门限值时才反馈，基站截断没有反馈的发射波束，利用截断达到优选随机波束、降低波束间干扰的目的，从而最大化系统容量，并减少了用户反馈。通过分析与仿真多用户自适应截断机会波束MISO系统在瑞利衰落信道上的性能，得到了不同环境中的最佳截断门限，并证明了最佳门限下的自适应截断机制提高了系统的吞吐量。为了进一步降低系统反馈，提出询问反馈策略下的自适应截断机会波束技术，基站随机询问用户端，用户只有在被询问且接收信干噪比大于门限值时，才能反馈，基站与第一个反馈的用户通信，并停止对该波束地询问。系统中反馈的用户数在阵元个数以内，有效降低了反馈量，若所有用户对某一波束的接收信干噪比均低于门限值，截断该波束。论文中分析并仿真了瑞利信道中询问反馈策略下的自适应截断机会波束技术的性能，证明了能够大幅度降低反馈量，并提高系统中用户数较少时的吞吐量。
　　 为了有效降低用户间干扰，提出一种基于空域滤波和最大比合并的组合天线阵列，解决了多用户无线通信中同时存在的共道干扰和衰落的问题，分析了存在任意功率的共道干扰时组合天线阵列在Nakagami-m衰落信道上的中断概率和误码率的近似性能，通过与单纯的空域滤波或最大比合并比较，可看出组合天线阵列提高了多用户衰落信道的通信性能。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.1.1 无线通信发展概述

1.1.2 无线信道对通信的影响

1.2 衰落信道中多用户通信优化技术的研究现状

1.2.1 功率分配技术

1.2.2 多天线技术

1.2.3 机会波束

1.3 论文的结构及内容安排

第2章 无线衰落信道与多址接入

2.1 无线衰落信道特性

2.1.1 多径传播的时延扩展和相干带宽

2.1.2 多普勒效应的频谱扩展和相关时间

2.1.3 衰落信道模型

2.2 抗衰落技术

2.2.1 均衡技术

2.2.2 分集合并

2.2.3 交织与信道编码

2.3 多用户接入方式

2.3.1 码分多址

2.3.2 时分多址

2.3.3 频分多址和空分多址

2.4 本章小结

第3章 多载波CDMA中的功率截断技术

3.1 多载波CDMA系统介绍

3.1.1 MC-CDMA系统模型

3.1.2 MC-DS-CDMA系统模型

3.2 功率截断多用户MC-DS-CDMA系统

3.2.1 系统模型

3.2.2 功率截断策略

3.2.3 用户端分析

3.3 性能分析和仿真

3.4 本章小结

第4章 多用户时变信道中的自适应功率分配

4.1 单用户OFDM系统中的功率和比特分配

4.1.1 已有算法介绍

4.1.2 单用户系统中功率分配的改进

4.1.3 几种分配方式性能比较

4.2 多用户上行链路资源分配

4.2.1 多用户衰落信道通信中的自适应反馈资源分配

4.2.2 多用户间公平性

4.3 性能分析和仿真

4.4 本章小结

第5章 多用户自适应机会波束技术

5.1 机会波束

5.1.1 机会单波束

5.1.2 正交机会多波束

5.2 自适应截断机会波束

5.2.1 系统模型

5.2.2 最佳门限值的选择

5.2.3 性能仿真和数值结果

5.3 随机询问策略下的自适应截断机会波束

5.3.1 随机询问策略的系统模型

5.3.2 ATOBF-IF性能分析

5.3.3 数值结果与分析

5.3.4 两种改进方案比较

5.4 本章小结

第6章 多天线接收中的组合干扰抑制

6.1 多天线接收的空间分集、复用和干扰抑制

6.2 组合天线阵列

6.2.1 组合天线阵列模型

6.2.2 Nakagami-m衰落信道

6.3 组合天线阵列的干扰抑制性能分析

6.3.1 组合天线中空域滤波后的输出信号

6.3.2 组合天线中最大比合并后的性能

6.3.3 一般分析法及特殊限制情况下的分析

6.3.4 近似分析及性能

6.4 数值分析

6.5 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢