阴影相关复合衰落信道下的分集中断性能研究

摘要

无线通信系统性能评估和信道模型选择有着很大的关系，信道模型的准确性和完备性决定着系统性能评估的正确性和有效性。很多研宄中选择的信道模型就过于简单，从而导致了不准确或误导性的性能评估结果。为了克服这种缺陷，需要关注更准确完备且贴合实际的信道模型。一方面，在同时能够获得宏分集和微分集增益的应用场景中，比如方兴未艾分布式天线系统，复合衰落信道模型的应用越来越受到重视。另一方面，相关阴影效应较相关多径效应在分集中对系统性能处于支配性的地位。本研究主要内容包括：
　　⑴回顾了阴影相关单纯大尺度衰落信道条件下分集系统中断性能评估方法。接着，转入阴影相关复合衰落信道下分集系统中断性能评估问题，并对此提出了完备的解决方案。具体的，在 Nakagami-m小尺度衰落参量m为整数的特殊约束条件下，提出了阴影相关复合衰落信道向阴影相关单纯大尺度衰落信道的近似，使得阴影相关复合衰落信道下分集中断性能评估问题可以利用阴影相关单纯大尺度衰落信道下此类问题的解决方法进行处理；在 m为任意数的一般约束条件下，提出了两种准确有效的数值计算方法来解决阴影相关复合衰落信道下分集系统中断性能评估问题，并分析了这两种数值计算方法的精度和复杂度，给出了在实际应用中的相应选择方案。最后，利用上述评估方法，提出了阴影相关复合衰落信道条件下混合分集系统中断性能评估问题的有效解决方案，并通过在典型分布式天线系统中的应用，分析了相关参数对混合分集系统中断性能的影响。论文的解决的问题和主要贡献如下。
　　⑵在Nakagami-m小尺度衰落参量m为整数的特殊约束条件下（包含Rayleigh衰落），针对阴影相关复合衰落信道条件下分集系统中断性能评估问题，提出了一种简单易操作的近似方法，使得上述中断性能评估问题可以转化为阴影相关单纯大尺度衰落信道下的对应问题。具体的，在单个复合衰落信道向大尺度衰落信道近似的基础上，提出了多维阴影相关复合衰落信道向多维阴影相关大尺度衰落信道的近似方法，通过联合匹配给出了原始复合信道衰落参量、相关系数矩阵和近似后的单纯大尺度信道衰落参量、相关系数矩阵之间的映射关系式，并分析了其近似精度和影响近似精度的参数。仿真结果验证了该近似方法的准确性，以及通过其来解决阴影相关复合衰落信道条件下分集系统中断性能评估问题的有效性。值得注意的是，将阴影相关复合衰落信道近似为阴影相关单纯大尺度衰落信道的方法，并不局限于应用在论文中的分集系统中断性能评估问题，也能够方便的应用在其它问题中。其潜在的优势是可预见的，必将简化阴影相关衰落信道上相关问题的解决方法，同时也使得直接利用相关大尺度衰落信道上已有的解决方案和结论成为现实。
　　⑶在Nakagami-m小尺度衰落参量m为任意值的一般约束条件下，针对阴影相关复合衰落信道条件下M R C分集系统中断性能评估问题，将“多个Lognormal随机变量的和向单个Lognormal随机变量近似”扩展为“多个任意阴影相关Nakamgai-m/Lognormal随机变量的和向单个Lognormal随机变量近似”，从而给出了准确有效的中断性能评估解决方案。具体的，通过原始随机变量和与近似后随机变量的矩生成函数匹配，以及数值求解匹配方程式，获得近似后的单个Lognormal分布参数，从而利用其对阴影相关复合衰落信道条件下M R C分集系统中断性能进行评估。仿真结果验证了该近似方法的准确性和有效性。值得注意的是，该近似方法也具有通用性，并不局限于M RC分集系统中断性能评估问题，也可以用来处理多个任意阴影相关Nakamgai-m/Lognormal随机变量的和的问题。
　　⑷针对阴影相关复合衰落信道条件下分集系统中断性能的数值评估问题，引入了Genz迭代算法，使得大分集阶数时的数值计算效率得到了显著的提高。阴影相关复合衰落信道条件下分集系统中断性能评估中包含多维Lognormal联合分布，且呈现出多重积分的形式，传统处理方式是使用Gaussian-Herimite多项式方法来对其进行数值计算。然而，考虑到Gaussian-Hermite多项式方法在分集阶数增大时，其计算负担指数级剧增，计算效率骤减，于是引入了计算负担仅仅随分集阶数线性增加的Genz迭代算法。通过仿真结果对以上两种方法在解决阴影相关复合衰落信道下分集系统中断性能评估问题中的数值计算精度和效率进行了分析，证实了Genz迭代算法在大分集阶数时优于Gaussian-Hermite多项式方法，既能满足了较高计算精度，又维持了较低计算负担。由此可见，Genz迭代算法的引入可以高效的解决支路数目较大的分集系统中断性能数值评估问题，能够方便的适用于大规模分布式天线系统中。
　　⑸针对阴影相关衰落信道下混合分集系统中断性能评估问题，按照不同的混合分集方案提出了相应的解决方案，尤其是在OSC宏分集和M RC微分集并存的混合分集系统中，提出了同时考虑任意相关衰落和指数相关多径衰落时的中断性能评估方法。具体的，对于AA型混合分集（宏分集和微分集使用相同的合并策略）中断性能的评估问题，可以通过调整阴影相关系数矩阵\bm{\Sigma丨，将其直接等效一般情形下的“阴影相关复合衰落信道下分集系统中断性能评估”问题；对于AB型混合分集（宏分集和微分集使用不同的合并策略）中断性能的评估问题，也可以通过将微分集系统的输出作为宏分集系统的输入，将其等效为一般情形下的“阴影相关复合衰落信道下分集系统中断性能评估”问题。通过计算机仿真结果，证实了该评估方法的有效性。同时以典型分布式天线系统为例，分析了相关复合衰落信道参数对混合分集系统中断性能的影响。

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第一章绪论

1 .1 衰落信道概述

1 .2 存在相关阴影效应的衰落信道模型

1 .3 存在相关阴影效应的衰落信道在无线通信系统中的应用

1 .4 论文研究思路和组织结构

1 .5 论文的主要贡献

第二章阴影相关大尺度衰落信道下的分集中断性能

2 .1 引言

2.2 O S C分集中断性能评估

2 .3 合并分集中断性能评估

2 .4 本章小结

第三章阴影相关复合衰落信道下分集中断性能的近似评估

3 .1 引言

3 .2 复合衰落信道向单纯大尺度衰落信道的近似

3 .3 阴影相关复合衰落信道向阴影相关大尺度衰落信道的近似

3 .4 本章小结

第四章阴影相关复合衰落信道下分集中断性能的数值计算

4 .1 引言

4 . 2 通过联合CDF数值评估OSC分集系统的中断性能

4 . 3 通过MGF匹配数值评估MRC分集系统的中断性能

4 .4 数值评估精度和运算量分析

4 .5 本章小结

第五章相关复合衰落信道下的混合分集中断性能

5 .1 引言

5.2 A A型混合分集系统的中断性能评估

5.3 A B型混合分集系统的中断性能评估

5 .4 本章小结

第六章结束语

6 .1 主要研宄成果和创新点

6 .2 后续工作展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果

附录A G enz数值计算方法

附录B 交替投影方法