蜂窝通信系统中的中继器技术及性能研究

摘要

蜂窝网络可以用来覆盖不同的地理区域。一方面，它们可以覆盖有室内用户的高密度楼宇市区，另一方面蜂窝网络又对偏远农村地区的大地理区域提供接入。在这两种情况下覆盖整个服务区都是具有挑战性的。要么离基站的连接距离比较大，要么大部分对基站有阴影，使无线电传播具有挑战性。为了应付不同的电波传播条件，多处文献提出多跳通信。通过中间节点，如中继器，无线电链路分为两跳或多跳，这些比直传连接有更好的传播条件，增强了链路质量，从而增加吞吐量和提高了覆盖范围。
　　 本论文首先研究了MIMO中继系统的天线在集中情况和分布情况下的容量增益。在多天线的情况下所有的天线位于同一中继器形成集中式模式，在分布情况下，多天线分布在不同的中继器，形成合作中继器。本文考察了在不同中继器位置情况下，不同天线总数下，以及有无天线相关性下的MIMO中继容量增益，既考虑了编解码转发中继器又考虑了放大转发中继器。当中继离基站较近时，容量主要局限于第二跳，分布式和集中式天线之间没有太大的差异。当中继离终端较近时，容量主要局限于第一跳，第一跳的能力与每个中继器天线的数量相关，这时集中模式性能较好。
　　 本文进一步在集中式和分布式下研究了MIMO放大转发中继器的滤波器矩阵。根据第一跳和第二跳的信道状态信息，分别考虑了盲放大转发中继器，匹配滤波放大转发中继器和SVD放大转发中继器。其后提出并讨论了一种基于第一跳信道状态信息和等效的基站到终端信噪比的MIMO放大转发中继器。提出的滤波器矩阵是一个对角线矩阵和第一跳信道矩阵的左奇异的共轭转置矩阵的乘积。这里对角矩阵是通过最大化的遍历信道容量得到的。这样在现有的系统中引入这样的放大转发中继器不需要改变现有系统的基站和终端，保证了中继器对现有的系统是透明的。仿真结果表明，该方法优于没有信道状态信息的方法，尤其是当放大转发中继器天线数量比基站天线数量大的情况。
　　 对于多中继器的情况，本论文研究了多中继器中的中继器选择的算法，分别考虑多中继器服务单用户的情况和多中继器服务多用户的情况。提出了基于平均容量（遍历容量）或者中断容量的中继器选择算法。利用泰勒公式分解提出了基于信道的平均状态信息或二阶统计得到平均容量（遍历容量）或者中断容量。对于中继器系统，在中继器中通常只有第二跳的平均信道状态信息，本文考虑基于第二跳信道的平均状态信息或二阶统计为基础的中继器选择。结果显示这种基于信道的二阶统计是一种简单而且准确的方法。
　　 最后本文比较两跳编解码中继器和放大转发中继器在蜂窝系统的性能。在蜂窝系统中有多小区干扰，情况相对于单链路复杂，这导致单链路的结论在蜂窝中可能很不一样，本文着重考虑了这两种中继器在蜂窝中的特性。对于编解码中继器主要是L2/L3的中继器，由于编解码中继器不可能同时接收和发送，在蜂窝系统中编解码中继器的容量增益来自于频率复用或空间分集。在蜂窝系统中，同频放大转发中继器可以同时发送和接收，但同频放大转发中继器可以带来更多的干扰，放大信号的同时放大了其它小区的干扰和噪声。结论表明对半径小的小区，放大转发中继器比编解码中继器系统能带来更多的增益。对于半径大的小区，编解码中继器比放大转发中继器能带来更多的增益。本文同时给出了蜂窝系统中部署中继的建议。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 中继器分类[1]

1.1.1 常用中继器名称

1.1.2 按部署概念分类

1.1.3 按转发方式分类

1.1.4 按协议特性分类

1.2 中继器系统研究状况

1.2.1 分析模型

1.2.2 相关算法

1.2.3 相关技术

1.2.4 可扩展中继器技术

1.2.5 中继器技术在现标准中的研究与应用

1.3 论文中主要创新点

1.4 论文内容安排

1.5 参考文献

第2章 集中式和分布式MIMO中继器的性能

2.1 介绍

2.2 情景和参数

2.2.1 情景

2.2.2 符号列表

2.3 容量分析

2.3.1 编解码转发中继器

2.3.2 放大转发中继器

2.4 仿真假定

2.4.1 仿真参数

2.4.2 性能评判

2.5 计算/仿真分析

2.5.1 编解码中继器

2.5.2 放大转发中继器

2.6 本章小结

2.7 进一步的研究

2.8 参考文献

第3章 MIMO放大转发中继器中滤波矩阵的设计

3.1 介绍

3.2 情景和参数

3.3 容量分析

3.3.1 放大转发中继器

3.3.2 功率放大器

3.4 仿真假定

3.5 仿真分析

3.5.1 在不同位置上中继器的性能

3.5.2 中继器总天线数目的性能

3.6 本章小结

3.7 进一步的研究

3.8 参考文献

第4章 减少反馈的放大转发中继器

4.1 介绍

4.2 系统模型

4.3 滤波器矩阵的设计

4.3.1 滤波器矩阵的格式

4.3.2 增益分配

4.3.3 系统图

4.4 仿真分析

4.5 本章小结

4.6 参考文献

第5章 编解码中继器的中继器选择

5.1 介绍

5.2 单用户的情况下的中继器选择

5.2.1 系统描述

5.2.2 分析

5.2.3 结果分析

5.3 多用户的情况下的中继器选择

5.3.1 模式描述

5.3.2 模式分析

5.3.3 仿真和分析

5.4 本章小结

5.5 参考文献

第6章 中继器在移动蜂窝通信系统中的性能比较

6.1 两跳编解码中继器模型

6.1.1 系统结构

6.1.2 路由算法

6.1.3 调度

6.1.4 链路自适应和功率控制

6.1.5 自动重传

6.2 放大转发中继器的模型

6.2.1 同频放大转发中继器

6.2.2 放大转发中继器和OFDM

6.2.3 射频放大转发中继器模型

6.3 公共模型

6.3.1 传播模型

6.3.2 天线

6.3.3 业务模型

6.3.4 中继器的部署

6.3.5 性能评价

6.3.6 其它仿真假定

6.4 结果

6.4.1 编解码中继器

6.4.2 射频放大转发中继器

6.4.3 编解码中继器和转发放大中继器的比较分析

6.5 本章小结

6.6 进一步的研究

6.7 参考文献

第7章 结束语

7.1 研究工作小结

7.2 下一步的研究方向

附录 Ⅰ 符号及缩略语说明

致谢

攻读博士期间发表的与本论文相关的论文

攻读博士期间申请专利情况