第1章  緒論 

1.1  研究背景 
從 1864 年英國(guó)科學(xué)家詹姆斯·麥克斯韋斷定電磁波的存在，到 1887 年德國(guó)物理學(xué)家海因里希·赫茲用實(shí)驗(yàn)證明了電磁波的存在，再到 1897 年馬可尼實(shí)現(xiàn)了世界上第一次無(wú)線通信，無(wú)線通信真正從理想變?yōu)榱爽F(xiàn)實(shí)，此后無(wú)線通信技術(shù)取得了顯著的進(jìn)步，人們已經(jīng)越來(lái)越離不開無(wú)線移動(dòng)通信。隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)向信息化的方向前進(jìn)，人們利用信息技術(shù)開拓新的工作方式，管理形式，貿(mào)易形式，金融形式，思想，文化，教育，衛(wèi)生保健、消費(fèi)時(shí)尚和生活等方面的方式方法。無(wú)線通信經(jīng)過(guò)一百多年的發(fā)展，已經(jīng)深入到了我們的日常生活當(dāng)中，到目前為止，其已經(jīng)經(jīng)歷了四代通信系統(tǒng)，第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)（1G）是采用模擬技術(shù)，主要是電話業(yè)務(wù)；第二代通信系統(tǒng)（2G）是全數(shù)字通信系統(tǒng)，能提供語(yǔ)音，短信等業(yè)務(wù)，還能夠提供速率有限的上網(wǎng)服務(wù)；第三代通信系統(tǒng)（3G）把無(wú)線通信和國(guó)際因特網(wǎng)等多媒體通信連接在一起，不僅可以提供語(yǔ)音，傳真，數(shù)據(jù)，而且支持多媒體娛樂(lè)等業(yè)務(wù)；第四代通信系統(tǒng)（4G）采用了采用了多用戶檢測(cè)、軟件無(wú)線電以及多輸入多輸出（Multiple-Input  Multiple-Output,  MIMO）等多種技術(shù)，支持交互多媒體業(yè)務(wù)，高質(zhì)量影像，3D 動(dòng)畫和寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入，具有較高的數(shù)據(jù)傳輸速率和傳輸質(zhì)量[1]。 目前，無(wú)線通信存在兩種發(fā)展趨勢(shì)，第一，由于人們對(duì)無(wú)線通信業(yè)務(wù)的需求變得越來(lái)越多，有些業(yè)務(wù)包括像多媒體傳輸?shù)�，需要傳輸大量的�?shù)據(jù)，這就需要更快的傳輸速率，所以下一代無(wú)線通信需要更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，第二，為了實(shí)現(xiàn)高傳輸速率，需要有較高的頻譜效率和較寬的頻譜寬度，因此，下一代無(wú)線通信技術(shù)對(duì)頻譜帶寬提出了更高的要求，這兩種趨勢(shì)，已經(jīng)成為了當(dāng)下無(wú)線通信技術(shù)發(fā)展的巨大挑戰(zhàn)，總的來(lái)說(shuō)就是，下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)就是要實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)率，更佳的服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service, QoS），更高的頻譜效率，更好的安全性，更智能，更靈活，可以支持非對(duì)稱業(yè)務(wù)等要求，并能支持多種業(yè)務(wù)。然而在無(wú)線通信技術(shù)中，由于無(wú)線信道的隨機(jī)性，使得傳輸過(guò)程中出現(xiàn)各種衰落，并受到噪聲的干擾，在這里面，多徑衰落是造成無(wú)線信道隨機(jī)性的最重要的原因，多徑衰落是由多徑傳輸造成的，多徑傳輸，顧名思義，就是由多條路徑傳輸發(fā)射端發(fā)射的信號(hào)，接收端接收多個(gè)經(jīng)歷信道衰落的數(shù)據(jù)流，從而產(chǎn)生多徑效應(yīng)。由多徑效應(yīng)造成的信道衰落，成為了通信技術(shù)發(fā)展的最大障礙。
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1.2  研究的目的和意義 
協(xié)作通信技術(shù)作為一種“虛擬”MIMO 系統(tǒng)，與點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信系統(tǒng)相比，它能有效獲得空間分集，在協(xié)作通信技術(shù)中，源節(jié)點(diǎn)可以向多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)射信號(hào)，中繼節(jié)點(diǎn)將接收到的接收轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點(diǎn)，這樣目的節(jié)點(diǎn)就能收到多個(gè)與源節(jié)點(diǎn)發(fā)射信號(hào)相關(guān)的副本，實(shí)現(xiàn)了目的節(jié)點(diǎn)的分集接收，接收機(jī)使用多個(gè)副本包含的信息，利用相干檢測(cè)，就能比較正確的恢復(fù)出原發(fā)送信號(hào)，降低了錯(cuò)誤譯碼的可能[8]。協(xié)作通信在獲得空間分集，提高系統(tǒng)容量等優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，也面臨著許多新的問(wèn)題，比如中繼選擇，該怎么去選擇，是否需要選擇，選擇哪種協(xié)作方式，比如功率分配，每個(gè)節(jié)點(diǎn)該分配多少的功率，比如信號(hào)檢測(cè)等，而這些問(wèn)題都需要已知各個(gè)鏈路的信道狀態(tài)信息[9]，信道估計(jì)的準(zhǔn)確性直接影響到系統(tǒng)性能的好壞，信道估計(jì)技術(shù)已經(jīng)成為協(xié)作通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。只有獲得準(zhǔn)確的信道狀態(tài)信息，系統(tǒng)才能做出準(zhǔn)確的判斷。因此，只有準(zhǔn)確的信道估計(jì)，才能保證系統(tǒng)的通信質(zhì)量。 預(yù)編碼技術(shù)是發(fā)射端在已知和部分已知信道狀態(tài)信息的時(shí)候，在發(fā)射端實(shí)施預(yù)處理的一種方法，經(jīng)過(guò)預(yù)編碼使不同發(fā)射端之間的信息流的干擾得到消除或者降低[10]。在協(xié)作通信系統(tǒng)訓(xùn)練序列輔助信道估計(jì)中可以通過(guò)預(yù)編碼消除不同中繼間訓(xùn)練序列的干擾，提高估計(jì)的準(zhǔn)確度，而對(duì)于發(fā)射天線數(shù)大于接收天線數(shù)時(shí)的基于子空間算法的信道估計(jì)，可以通過(guò)利用帶冗余的預(yù)編碼方法獲得噪聲子空間，以獲得良好估計(jì)性能及收斂性。另外，利用在發(fā)射端進(jìn)行線性預(yù)編碼，便可以在接收端以較低的運(yùn)算復(fù)雜度，獲得信號(hào)自相關(guān)矩陣中所包含的信道信息。對(duì)于疊加訓(xùn)練序列的信道估計(jì)，可以通過(guò)預(yù)預(yù)編碼使訓(xùn)練序列和數(shù)據(jù)正交，避免訓(xùn)練序列和數(shù)據(jù)之間的相互干擾。 
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第2章  無(wú)線協(xié)作通信技術(shù) 

2.1  無(wú)線信道基礎(chǔ) 
無(wú)線信號(hào)從發(fā)送端傳輸?shù)浇邮掌魉?jīng)過(guò)的由各種傳輸媒介組成的所有路徑，稱之為無(wú)線信道。一般情況下，信號(hào)經(jīng)無(wú)線信道傳播時(shí)會(huì)有許多條路徑，這就是所謂的多徑，通常無(wú)線信道都是多徑信道。無(wú)線電信號(hào)從發(fā)射端到接收端，會(huì)經(jīng)歷有噪聲、衰減、損耗和干擾等因素影響的傳播過(guò)程。無(wú)線電波作為一種電磁波，就像光波一樣，在自由空間中以直線方式進(jìn)行傳播，傳播方式主要有以下三種： 1.  反射：反射一般在障礙物的表面發(fā)生。當(dāng)電磁波射到障礙物的表面時(shí)，且電磁波的波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于障礙物的尺寸，就會(huì)發(fā)生電磁波的反射； 2.  繞射：波的繞射一般在傳播路徑中存在大型障礙物時(shí)發(fā)生。當(dāng)電磁波的波長(zhǎng)大于障礙物的尺寸，無(wú)線電波便會(huì)繞過(guò)障礙物，在其背面繼續(xù)傳播，這種現(xiàn)象稱為繞射； 3.  散射：波的散射一般在無(wú)線電波在有大小比其波長(zhǎng)小的阻礙物中傳播的時(shí)候產(chǎn)生。 當(dāng)無(wú)線電波發(fā)生反射、繞射或者散射后，電波到達(dá)接收端的振幅、相位、時(shí)延等參數(shù)將發(fā)生變化，而多路發(fā)生不同參數(shù)變化的信號(hào)同時(shí)到達(dá)接收端后產(chǎn)生相互作用，從而產(chǎn)生多徑衰落。根據(jù)無(wú)線信道對(duì)電磁波的振幅、相位、時(shí)延等參數(shù)影響的不同，又可將無(wú)線信道的衰落分成大尺度衰落和小尺度衰落。下面對(duì)噪聲和衰落對(duì)傳輸信號(hào)的的影響一一進(jìn)行分析。  
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2.2  無(wú)線協(xié)作通信系統(tǒng)模型 
協(xié)作通信系統(tǒng)的模型是由多輸入多輸出（MIMO）系統(tǒng)模型演化而來(lái)的，根據(jù)參與協(xié)作的中繼個(gè)數(shù)的不同，一般可分為兩種：?jiǎn)沃欣^協(xié)作通信系統(tǒng)和多中繼協(xié)作通信系統(tǒng)，其中每個(gè)節(jié)點(diǎn)又有單天線和多天線兩種不同的發(fā)射或接收方式，本章僅介紹單天線的協(xié)作通信系統(tǒng)模型，每個(gè)天線不能同時(shí)進(jìn)行收發(fā)，并且介紹多中繼協(xié)作通信模型時(shí)，忽略源節(jié)點(diǎn)-目的節(jié)點(diǎn)間的直接傳輸鏈路。 放大轉(zhuǎn)發(fā)（AF）協(xié)議最先是 Laneman 提出來(lái)的，，是“非再生”的中繼方式，是一種簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn)的協(xié)作通信協(xié)議。在放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議下，中繼節(jié)點(diǎn) R 只需簡(jiǎn)易地將接收的由源節(jié)點(diǎn) S 發(fā)來(lái)的信號(hào)放大并發(fā)送到目的節(jié)點(diǎn)。雖然該協(xié)議算法簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，但在中繼節(jié)點(diǎn) R 對(duì)信號(hào)放大轉(zhuǎn)發(fā)的同時(shí)，中繼節(jié)點(diǎn)處的噪聲信號(hào)也被放大轉(zhuǎn)發(fā)，從而增加了噪聲的影響。在目的節(jié)點(diǎn) D，接收機(jī)可同時(shí)收到多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的信號(hào)，他們各自經(jīng)歷了相互獨(dú)立的衰落，從而得到分集增益。目的節(jié)點(diǎn)在采用一定的算法對(duì)收到的信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，最終得出正確判決。
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第 3 章  基于預(yù)編碼的協(xié)作通信系統(tǒng)級(jí)聯(lián)信道估計(jì)研究 .......... 19 
3.1  引言 ........... 19 
3.2  系統(tǒng)模型 ........... 20 
3.3  信道估計(jì) ........... 22 
3.4  中繼間噪聲干擾的消除 ........... 25 
3.5  仿真與分析 ....... 27
3.5.1  仿真條件 ........... 27 
3.5.2  仿真結(jié)果與分析 ....... 27 
3.6  本章小結(jié) ........... 30 
第 4 章  基于預(yù)編碼的協(xié)作通信系統(tǒng)分段信道估計(jì)研究 .......... 31 
4.1  引言 ........... 31 
4.2  系統(tǒng)模型 ........... 32
4.3  信道估計(jì) ........... 33
4.4  仿真與性能分析 ....... 35
4.5  本章小結(jié) ........... 41 
第 5 章  基于預(yù)編碼的疊加訓(xùn)練序列信道估計(jì)研究 ...... 43 
5.1  引言 ........... 43 
5.2  系統(tǒng)模型 ........... 44 
5.3  級(jí)聯(lián)信道估計(jì) ........... 45
5.4  分段信道估計(jì) ........... 51
5.5  本章小結(jié) ........... 57 

第5章  基于預(yù)編碼的疊加訓(xùn)練序列信道估計(jì)研究 

本章針對(duì)瑞利平坦衰落下的 AF 多中繼協(xié)作通信系統(tǒng)，研究了基于預(yù)編碼的疊加訓(xùn)練序列信道估計(jì)方法。文中利用疊加訓(xùn)練序列分別對(duì) AF 多中繼協(xié)作通信系統(tǒng)的中繼級(jí)聯(lián)信道和分段信道進(jìn)行了估計(jì)，該方法需要在源節(jié)點(diǎn)對(duì)訓(xùn)練序列和數(shù)據(jù)序列進(jìn)行預(yù)編碼，使訓(xùn)練序列和數(shù)據(jù)序列正交化，并在中繼節(jié)點(diǎn)預(yù)編碼，使不同中繼的訓(xùn)練序列相互正交。仿真結(jié)果表明，本章提出的方法不僅能有效估計(jì)出級(jí)聯(lián)信道的信道狀態(tài)信息，而且能有效地估計(jì)出分段鏈路的信道狀態(tài)信息，減小了訓(xùn)練時(shí)隙的開支，提高了信道的傳輸效率。 

5.1  引言 

信道估計(jì)方法一般分為非盲估計(jì)，盲估計(jì)和半盲估計(jì)三種[44]。非盲估計(jì)的訓(xùn)練序列在不同于數(shù)據(jù)的時(shí)隙進(jìn)行發(fā)送，數(shù)據(jù)和訓(xùn)練序列在時(shí)間上是相互獨(dú)立的，信道估計(jì)的準(zhǔn)確度高，算法簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，但是需要額外的時(shí)隙進(jìn)行訓(xùn)練時(shí)隙的傳輸，降低了信道傳輸?shù)男省Ｃば诺拦烙?jì)不額外發(fā)送訓(xùn)練序列或者導(dǎo)頻，因此提高了數(shù)據(jù)傳輸速率，但是運(yùn)算步驟較為復(fù)雜，收斂速度慢，在實(shí)際的場(chǎng)合的運(yùn)用有些困難。半盲估計(jì)算法介于非盲估計(jì)和盲估計(jì)之間，是兩種算法的結(jié)合，這類算法不僅有效的簡(jiǎn)化了盲估計(jì)算法的運(yùn)算步驟，使估計(jì)算法的收斂速率得到加速，也提高了信道傳輸?shù)男省Ｗ罱鼛啄�，一種利用疊加導(dǎo)頻輔助的半盲信道估計(jì)方法受到了學(xué)者們的關(guān)注，該方法事先在發(fā)射端將訓(xùn)練序列疊加到數(shù)據(jù)序列上，然后進(jìn)行發(fā)射，接收端接收到信號(hào)后，按照設(shè)計(jì)好的方法把將訓(xùn)練序列和數(shù)據(jù)符號(hào)分離開，進(jìn)而利用訓(xùn)練序列進(jìn)行信道估計(jì)。該方法節(jié)約了信道資源，不占用額外的時(shí)隙，減小了訓(xùn)練時(shí)隙的開支，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男蔥45]。文獻(xiàn)[46]研究了疊加導(dǎo)頻技術(shù)在 AF 單中繼和多中繼網(wǎng)絡(luò)信道估計(jì)中的應(yīng)用，剖析了系統(tǒng)的性能，并提出了功率分配方案。文獻(xiàn)[47]針對(duì)三節(jié)點(diǎn) AF 單中繼網(wǎng)絡(luò)，提出了在中繼節(jié)點(diǎn)，將導(dǎo)頻疊加到收到的來(lái)自源節(jié)點(diǎn)的導(dǎo)頻上放大前傳至目的節(jié)點(diǎn)，這樣就可以在兩個(gè)時(shí)隙內(nèi)估計(jì)出源-目的、源-中繼和中繼-目的三個(gè)信道鏈路的 CSI。文獻(xiàn)[48]針對(duì) MIMO 系統(tǒng)信道估計(jì)進(jìn)行了訓(xùn)練序列、預(yù)編碼的設(shè)計(jì)以及解碼矩陣的設(shè)計(jì)，并且對(duì)訓(xùn)練序列和數(shù)據(jù)的功率分配進(jìn)行了研究，文中提出了一種基于映射預(yù)編碼的疊加訓(xùn)練序列信道估計(jì)方法，本方法可以進(jìn)行數(shù)據(jù)和訓(xùn)練序列的疊加發(fā)送，在接收端通過(guò)解編碼實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)和訓(xùn)練序列的獨(dú)立，充分利用了系統(tǒng)帶寬，提高了發(fā)送效率。

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結(jié)論

在無(wú)線通信系統(tǒng)，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的傳播路徑是十分復(fù)雜的，并且無(wú)線信道的變化帶有較大的隨機(jī)性，使得信號(hào)的傳輸信道變得十分惡劣，而惡劣的無(wú)線信道環(huán)境，像頻率選擇性衰落等，會(huì)嚴(yán)重影響到無(wú)線信道的傳輸性能，這就對(duì)接收機(jī)的設(shè)計(jì)提出了很大的挑戰(zhàn)。在接收端，系統(tǒng)往往會(huì)對(duì)信號(hào)進(jìn)行相干檢測(cè)，而相干檢測(cè)需要獲知信道的信道狀態(tài)信息，這就需要對(duì)信道進(jìn)行估計(jì)，準(zhǔn)確的信道估計(jì)成為了提高系統(tǒng)性能的重要前提。因此，如何獲得準(zhǔn)確的信道狀態(tài)信息就變得十分關(guān)鍵，信道估計(jì)一直都是移動(dòng)通信領(lǐng)域內(nèi)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。目前，協(xié)作通信系統(tǒng)作為“虛擬”的 MIMO 系統(tǒng)，在不增加額外的系統(tǒng)資源的情況下，能夠獲得空間分集增益，已經(jīng)下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，得到了人們?cè)絹?lái)越多的研究。論文在前人研究的基礎(chǔ)上，分別研究了 AF 多中繼協(xié)作通信系統(tǒng)中基于預(yù)編碼的中繼級(jí)聯(lián)信道的信道估計(jì)算法、基于預(yù)編碼的分段信道估計(jì)方法以及基于預(yù)編碼的疊加訓(xùn)練序列信道估計(jì)算法。概括地說(shuō)，論文主要研究了以下幾個(gè)方面的內(nèi)容： 
1.  首先介紹了課題研究的背景，國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)，為后面研究工作的展開奠定了基礎(chǔ)。  
2.  研究了無(wú)線信道的衰落特性，分析了大尺度衰落和小尺度衰落的形成原因，概括出了四類小尺度衰落信道，即：平坦慢衰落、平坦快衰落、頻率選擇性慢衰落、頻率選擇性快衰落。建立了單中繼和多中繼協(xié)作的系統(tǒng)模型，研究了協(xié)作中繼系統(tǒng)的基本轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議，大致包括三種即放大轉(zhuǎn)發(fā)、譯碼轉(zhuǎn)發(fā)和編碼協(xié)作，分析了各轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議的基本原理，并比較了三種轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議的優(yōu)缺點(diǎn)。 
3.  建立了瑞利平坦衰落信道條件下的 AF 多中繼協(xié)作通信系統(tǒng)模型，在此模型上，研究了中繼級(jí)聯(lián)信道的信道估計(jì)問(wèn)題，推導(dǎo)出了最優(yōu)訓(xùn)練序列和最優(yōu)預(yù)編碼，針對(duì)不同中繼的訓(xùn)練序列會(huì)在目的端產(chǎn)生混疊的問(wèn)題，引入了中繼預(yù)編碼，從而在目的節(jié)點(diǎn)使不同中繼的訓(xùn)練序列正交，消除了不同中繼間訓(xùn)練序列的互相干擾，并對(duì) LS、LS-SLS 和 LMMSE 三種不同的信道估計(jì)算法進(jìn)行了分析與仿真，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)消除中繼間噪聲的交叉干擾，進(jìn)一步提高了信道估計(jì)的性能。 
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號(hào)：54279