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未来移动通信系统多小区高谱效率传输技术研究

作　者: 孙鹏
导　师: 李道本
学　校: 北京邮电大学
专　业: 信号与信息处理
关键词: 编码调制重叠码分复用空时编码重叠频分复用干扰抑制小区边缘谱效率比例公平系统级仿真硬件仿真
分类号: TN929.5
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

本文针对未来移动通信系统中高谱效率编码调制技术、空时编码技术以及小区间干扰抑制技术进行了深入研究,并对系统级仿真平台和硬件仿真平台搭建方法进行了深入讨论。传统编码调制技术囿于固定的信道输出,在高谱效率区距离香农容量界较远。OvCDM技术则通过多路叠加逼近高斯分布,本文首先通过推导随机时变OvCDM系统误码率的一个修正上界证明其可以达到香农容量。其次给出了一种简化OvCDM设计,该简化设计本质上仍然是串行级联OvCDM系统,但通过优化编码结构,其接收机复杂度大幅度降低,同时系统性能损失不超过0.3dB。OvCDM系统在衰落信道中有较高的误码平台,本文设计了一种交织编码掺杂技术,降低了误码平台；衰落信道下,高误码平台往往与高误帧率相关,本文利用高码率的BCH码设计了一种改善误帧率的方案。基于对OvCDM系统的观察,本文还设计了一种相比普通星座减少电平数的编码调制方案,并给出了一种用以替代64QAM的36点星座图。尽管在新的方案下,比特向量与输出星座间不存在一一映射,但通过优化从比特到信道符号的映射,新的方案性能仍然能超过64QAM。而由于减少了输出电平数,该方案输出信号的峰均比低于普通的编码调制系统。高谱效率条件下,LTE系统中使用的开环发分集方案FSTD与CDD将不能获得全部空间分集增益。本文设计了一种基于位置置换的发分集方案,可以有效改善高谱效率条件下系统获得发分集的能力。在此基础上,本文推广提出了一种新型的空时交织码方案,该方案可应用于多径信道,获得全部的空间分集与频率分集增益,并且不损失速率。其编码结构中包含的交织器便于在收端设计迭代结构,从而大幅度简化接收机复杂度。本文还研究了高相关性多天线系统中的快速检测算法,包括基于格基减的MMSE-SIC以及增加割平面的半正定松弛方法。由于高谱效率重叠频分复用系统等价于高相关性多天线系统,因此上述两种快速算法也可用来降低OvFDM系统接收机复杂度。小区边缘谱效率是多小区系统的重要性能指标。本文从小区间是否存在协作的角度分多种情况分析了多小区系统容量。在完全无协作时,干扰将被作为噪声处理。此时,可以证明,仅仅通过采用干扰随机化等方法,同频组网系统的小区边缘谱效率就可以超过通过正交分割资源进行组网的系统。当小区间允许通过信令协作获得干扰信道信息时,多小区系统在高谱效率区随信噪比增加的速度可以逼近无干扰系统。而当小区间允许实时信号处理层面的协作时,小区间的强干扰不仅不会损失系统容量,还将有利于提升小区边缘谱效率。基于这一分析,本文提出了重叠交织复用技术,这一技术可以在小区间无协作时抑制强干扰源。而在有协作时,还可以通过预编码进一步提升系统谱效率。本文分别给出了两小区互干扰和三小区互干扰场景下的预编码设计方法。此外,小区间还可以通过协作进行资源联合调度,降低干扰,本文设计了一种可应用于重叠交织复用系统的多小区联合调度方案,并给出一种简化迭代调度算法。系统级仿真和硬件仿真可以对技术方案性能作出有效评估。本文以作者在"IMT-A多址技术研发”国家重大专项中设计并参与搭建的平台为例,讨论了系统级仿真平台搭建的方法与相关模块设计,给出了一套高效率开发硬件仿真模块与平台的流程。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-13
第一章绪论  13-23
  1.1 移动通信系统发展现状  13-14
  1.2 高谱效率技术发展现状  14-20
    1.2.1 编码调制技术  14-16
    1.2.2 多天线技术  16-18
    1.2.3 小区间干扰抑制技术  18-20
  1.3 论文结构及主要工作  20-23
第二章高谱效率重叠码分复用技术研究  23-63
  2.1 OvCDM系统性能分析  24-32
    2.1.1 OvCDM编码结构  24-26
    2.1.2 随机时变OvCDM编码模型与误码率修正上界  26-31
    2.1.3 仿真比较  31
    2.1.4 随机时变OvCDM可行性分析  31-32
  2.2 OvCDM系统简化设计  32-45
    2.2.1 串行级联OvCDM系统  33-34
    2.2.2 简化OvCDM系统  34-37
    2.2.3 S-OvCDM系统的优化  37-40
    2.2.4 S-OvCDM优化结果与性能仿真  40-43
    2.2.5 简化OvCDM系统可行性分析  43-45
  2.3 降低OvCDM系统误码平台  45-52
    2.3.1 利用交织编码掺杂降低误码平台  45-49
    2.3.2 通过增加外码降低误码率平台  49-50
    2.3.3 可行性分析  50-52
  2.4 一种减少传输电平数的编码调制方案  52-60
    2.4.1 系统模型  53
    2.4.2 星座点数  53-54
    2.4.3 映射规则  54-55
    2.4.4 36点星座图  55-59
    2.4.5 可行性分析  59-60
  2.5 本章小结  60-63
第三章高频谱效率条件下的空时编码设计和快速检测算法  63-97
  3.1 高谱效率时LTE下行多天线分集性能的改进  65-70
    3.1.1 LTE性能分析及改进方案  65-67
    3.1.2 性能仿真  67-68
    3.1.3 可行性分析  68-70
  3.2 空时交织码  70-80
    3.2.1 系统模型  70-72
    3.2.2 空时交织码发射机结构  72-74
    3.2.3 迭代接收机  74-77
    3.2.4 性能仿真  77-79
    3.2.5 可行性分析  79-80
  3.3 高相关性多天线系统快速检测算法研究  80-94
    3.3.1 系统模型  81-83
    3.3.2 基于格基减的MMSE-SIC算法(LR-MMSE-SIC)  83-86
    3.3.3 通过增加割平面改进半正定松弛的性能  86-89
    3.3.4 重叠频分复用系统与高相关性多天线系统的等价性  89-92
    3.3.5 仿真结果  92-93
    3.3.6 行性分析  93-94
  3.4 本章小结  94-97
第四章小区间干扰抑制技术研究  97-145
  4.1 多小区系统容量分析  98-114
    4.1.1 干扰作为噪声处理时小区边缘谱效率分析  98-100
    4.1.2 可获得干扰信道信息时多小区系统自由度分析  100-108
    4.1.3 多小区在数据层面协作时的系统容量分析  108-113
    4.1.4 三种方式的可行性分析  113-114
  4.2 利用重叠交织复用技术降低小区间干扰  114-123
    4.2.1 系统结构与容量分析  114-118
    4.2.2 干扰作为噪声时OvIDM的接收机结构  118-120
    4.2.3 仿真结果  120-122
    4.2.4 可行性分析  122-123
  4.3 通过预编码获得更多自由度  123-133
    4.3.1 两小区预编码方案  124-126
    4.3.2 三小区预编码方案  126-128
    4.3.3 仿真结果  128-132
    4.3.4 可行性分析  132-133
  4.4 重叠交织复用系统中的多小区联合资源调度  133-143
    4.4.1 比例公平调度算法分析  133-137
    4.4.2 应用于多小区重叠交织复用系统的调度算法  137-140
    4.4.3 仿真结果  140
    4.4.4 可行性分析  140-143
  4.5 本章小结  143-145
第五章系统级仿真平台与硬件仿真平台搭建方法  145-167
  5.1 系统级仿真平台搭建  145-161
    5.1.1 基本编码调制方案  147-148
    5.1.2 L2S接口  148-150
    5.1.3 多天线方案及多点协作方案  150-151
    5.1.4 网络拓扑结构  151
    5.1.5 资源调度  151-152
    5.1.6 自适应编码调制(AMC)  152-153
    5.1.7 反馈重传(HARQ)  153
    5.1.8 信道配置  153
    5.1.9 谱效率统计方法  153-156
    5.1.10 仿真平台数据处理流程  156
    5.1.11 仿真参数设置  156-158
    5.1.12 仿真结果  158-160
    5.1.13 可行性分析  160-161
  5.2 硬件仿真平台  161-164
  5.3 本章小结  164-167
第六章结论与展望  167-171
参考文献  171-177
致谢  177-179
攻读学位期间发表的学术论文目录  179

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