（通信与信息系统专业论文）vaa小区划分方法研究.pdf

摘要 摘要 多输入多输出( m i m o ) 技术在理论上可以大幅度提高无线通信系统的容量和 抗干扰能力。虚拟m i m o 技术被认为是m i m o 的一种推广，也称为虚拟天线阵列 ( v i r t u a la n l e n n aa r r a y ，v a a ) 技术，能够克服m i m o 系统对终端天线数量的苛刻 要求，满足m i m o 系统的独立多信道条件，但它本质上是合作通信，可以看作是 信号处理技术与网络技术某种程度上的融合，相关研究才刚刚起步，仍有许多关 键问题亟待解决，如还没涉及小区的具体划分机制等。本论文针对虚拟m i m o 系 统中的、a 小区接力簇划分进行研究，主要贡献如下： 1 给出借助于a dh o c 网络的聚簇思想得出的一种不回于典型v a a 小区划 分方案的新型结构模型，从通信性能主要指标的角度出发，就两种方案模型功率、 容量、时延等指标进行考察，同时利用m a t l a b 进行数值仿真分析。 2 再次借鉴a dh o c 网的聚簇算法思想，选取有簇头的v a a 小区。从跨层 协作的角度出发，首先借助高层信息给出源端到目的端的v a a 小区整体划分机制， 即利用现有的路由协议选取主路径节点，作为v a a 小区的簇头；接着，给出在簇 头已知的前提下，采用拓扑发现建立单个v a a 小区的算法，并利用网络仿真模拟 器n s 2 对此算法进行仿真，并对仿真结果进行分析探讨，得出单个v a a 小区划分 方法；此外，讨论了利用邻居列表和路由表进一步研究动态v a a 小区划分方法， 并针对有中心网络( 1 n f r a s t r u c t u r a in e t w o r k ) ，提出利用成熟基站技术划分v a a 小 区的方法。 关键词：虚拟m i m o ，a dh o e 网络的聚簇算法思想，v a a 小区划分，拓扑发现 a b s t r a c t a b s tr a c t m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t p mt e c h n o l o g y ( m i m o ) c a r lb eu s e di nt h ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nn e t w o r kt on o to n l yo f f e rt h ep o t e n t i a lo fh ig hs y s t e mc a p a c i t y , b u ta l s o l e s s o nt h es e v e r ee f f e c t so fn o i s e v i r t u a lm i m oi se x t e n d e df r o mm i m o ，a l s ok n o w n a sv i r t u a la n t e n n aa r r a y ( v a a ) t e c h n o l o g y i t sa d v a n t a g el i e si n ：v a ab r e a k so n el i m i t ， t h a ti s ，t h ef a c tt h a tt h ef a d e sf r o ma n yt r a n s m i tt oa n yr e c e i v ea n t e n n aa r eu n c o r r e l a t e d a n do fd i f f e r e n ts t r e n g t h i t se s s e n c ei sc o o p e r a t i v ed i v e r s i t y , c a nb es e e na sas i g n a l p r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya n dn e t w o r kt e c h n o l o g yt os o m ee x t e n t ，t h er e l a t e ds t u d ys t i l li n i t si n f a n c y , t h e r e r em a n yi m p o r t a n ti s s u e sn e e dt ob es o l v e di nv i r t u a lm i m o ，s u c h 笛 l a c ko fs y s t e m a t i c a lr e s e a r c ho nf o r m i n gv a ag r o u p s i nt h ep a p e rr e f e r st oc o n s t r a c t v a a g r o u p s ，t h em a i nc o n t r i b u t i o n sa r ea sf o l l o w s ： 1 w i t ha i do ft h ee x i s t i n gc l u s t e r i n gi d e a si na dh o c n e t w o r k ，an e wm o d e lo f v a ag r o u p si s d e s i g n e d t h em a i nc o m m u n i c a t i o np e r f o r m a n c e o fc a p a b i l i t yi s a n a l y z e da n dc o m p a r e dw i t ht h et y p i c a lv a ag r o u p sm o d e li nd e t a i lb ym a t l a b s i m u l a t i o na n dr e s u l t sa r es u m m a r i z e d 2 f r o mt h ec r o s s l a y e rd e s i g no f c o o p e r a t i o n ，f i r s to fa l l ，g i v et h et o t a ls c h e m e f r o mt h es o u r c et e r m i n a lt ot h ed e s t i n a t i o nt ot h e p u r p o s eo ft h ew h o l e 朔4m e c h a n i s m 。 t h a ti s ，w i t ht h ea i do fc u r r e n tn e t w o r kc l u s t e r i n ga l g o r i t h m s ，i ts e l e c t sad e s i g n i n g m e t h o dw i t hc l u s t e rh e a d s ；s e c o n d l yi tc h o o s et h em a i np a t hn o d e su s i n gt h ec u r r e n t r o u t i n gp r o t o c o l ，a sv a ag r o u p s c l u s t e rh e a d s ，t h e ns u p p o s et h ec l u s t e rh e a d sk n o w n ，i t c a nb u i l dv a ag r o u pu s i n go fo n et o p o l o g yd i s c o v e r y a l o g r i t h m s a n df r o mt h e s i m u l a t i o nr e s u l t s ，w ec a nd r a wt h ea p p r o a c hi sf e a s i b l eu n d e rs o m ec o n d i t i o n ，b y n e t w o r ks i m u l a t i o nn s 2 ；t h i r d l y , t h ee s s a ya d v a n c e dd i s c u s s e st or e s e a r c hv a a g r o u p s b yi m p r o v i n gn e i g h b o rl i s t sa n dm u t i n gt a b l e s ；w h a t sm o r e ，i tp o i n t st h a tf o r m i n gv a a g r o u p sb ys m a r ta n t e n n at e c h n o l o g i e si ni n f r a s t r u c t u m in e t w o r k s k e y w o r d s ：v i r t u a lm i m o ，c l u s t e r i n g ，v a ag r o u p s ，t o p o l o g yd i s c o v e r y 图目录 图2 1 图2 2 图2 3 图2 - 4 图2 5 图2 - 6 图3 1 图3 - 2 图3 3 图3 - 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 - 9 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图禾6 图4 7 图4 8 图4 - 9 图4 1 0 图4 1 1 图4 1 2 图4 1 3 图目录 m i m o 系统的构成原理图6 基于v a a 的通信系统示意图7 虚拟m m o 的一般模型。7 虚拟m i m o 机制的参考模型9 姨机制可能涉及的模块及其相关因素1 0 传感器网络示意图ll 新型v a a 小区结构模型一1 8 原有的v a a 小区结构模型一1 9 小区的重叠区域不变时的两种模型的功率，时延和容量比较2 2 小区间中继点数变化时的模型通信性能比较2 3 两种模型的容量相同时的总功率比较2 4 中继点数值为定值且跳数增加的模型功率和时延比较2 5 中继点个数不变且小区间功率增加时的模型功率和时延差比较2 5 小区间的功率增加，跳数增加的模型功率和容量比较2 6 w l 小区间功率增加，w 2 中继点个数增加的通信性能比较2 7 网络拓扑结构示意图3 2 物理拓扑示意图。3 2 拓扑发现用于划分v a a 小区。3 2 v a a 小区划分机制3 9 模拟环境中的节点分布及移动情况4 1 邻居管理函数4 4 缓存分组队列函数4 4 定时器相关函数4 5 发送函数4 5 接收函数4 6 接收到未知分组类型的流程。4 7 接收到拓扑分组的流程4 8 程序运行结果截图4 9 v 表目录 图4 1 4 图4 1 5 图4 1 6 图4 1 7 图4 1 8 图4 1 9 图4 2 0 图4 2 1 图4 2 2 图4 2 3 图4 2 4 图4 2 5 r l a m 仿真结果截图4 9 仿真v a a 小区划分的n a m 演示截图( 其- - ) 5 1 仿真v a a 小区划分的n a m 演示截图( 其二) 5 l 丢包率图示5 2 发送功率对吞吐量的影响( 其一) 5 3 发送功率对吞吐量的影响( 其二) 5 3 传输距离对时延的影响5 4 v a a 小区的建立5 6 v a a 接力小区的建立5 7 基站智能天线发定向波束辅助v a a 小区划分。5 9 同一基站信号覆盖范围内小区分布o 6 0 不同基站信号覆盖内的相邻小区6 l 表目录 表4 1 d i f f r e q 各段表示含义3 5 表4 2 d i f f a c k 的结构及其含义一3 5 表4 3 g a t h r e s p 各段内容及含义3 5 表4 - 4 数据结构表。3 6 表4 5 主要网络参数的设定值4 l 表4 - 6 主要流量和场景参数的没定值4 2 v l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：表刍主套日期：硝年j ，月) 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：盔金企导师签名：虚壹墨： 日期：矽夕年，月) 三e l 第一章绪论 1 1 课题背景与研究内容 第一章绪论 当前信息传输网络传输呈现分组化、接入呈现无线化的趋势，促使了互联网 技术和移动通信技术的有机结合，并推动了移动互联网业务需求的快速增长。但 是无线资源的有限性等制约了多媒体业务和实时互动业务的发展。因此如何提高 无线资源利用率和网络系统容量对移动互联网的发展起着至关重要的作用。 为了满足无线多媒体业务和实时互动业务的带宽需求，当前将多种技术进行 有机结合的研究，已成为无线信息传输领域的研究热点。特别是，o f d m 与m i m o 两种技术的有机结合被视为4 g 宽带无线信息网络的核心技术之一。 目前，虚拟m i m o 技术被认为是m i m o 的一种推广。在概念上，它与虚拟天 线阵列( v i r t u a la n t e n n aa r r a y ，w 蚺) 技术以及合作分集技术等基本一致。因它可 以大幅降低m i m o 技术的实施难度【1 h 5 1 ，突破了单终端信号处理的界限而备受关 注。 该课题的来源是由国家自然科学基金( 项目编号6 0 6 7 2 0 4 5 ) 、华为科技基金、 高等学校博士学科点专项科研基金支持的项目：“虚拟m i m o o f d m 系统框架与 协议研究”。该项目就虚拟m i m o 技术亟需解决的关键问题做创新性的理论和应用 基础研究。 在虚拟m i m o 技术迈向实用化的过程中，需亟待解决的关键问题有很多。下 面归纳如下：t 1 ) 缺乏v a a 的有效分析模型和方法：基于传统m i m o 的分析模型和方法 ( 如：利用实测的信道进行理论的容量计算) 得到的关于执的结论难 以令人信服。因为v a a 尤其是数字型v a a 实质上既是一个底层方案又是 一个上层方案，不再是一个单纯物理层的分布式m i m o ，不能简单地采用 传统m i m o 的分析模型，有必要探讨更为实际有效的分析模型对v a a 的 应用性能进行评估。 2 ) 尚无v a a 与o f d m 结合的技术方案和措施：现有的文献主要针对基于 c d m a 网络和空时分组码( s t b c ) 的v a a 进行研究，且几乎所有的论文都 声称可以很容易地应用到其他系统，然而如前所述，尽管是传统m i m o 电子科技大学硕士学位论文 技术的推广，除了模拟型转发机制外，虚拟m i m o 与传统m i m o 有本质 区别，因此虚拟m i m o 与其他技术如o f d m 的结合不是显而易见的，而 目前未有文献报道，其应用框架还值得进一步深入研究，虚拟m i m o 与 各种技术结合的性能比较也值得进一步关注。 3 ) 还未解决v r 从技术的应用代价问题：目前还没有对v a a 技术的应用模型 和框架进行探讨的文献。v a a 技术在系统容量增加和鲁棒性增强的同时， 要求终端参与整个v a a 体系的协作机制，即必须不断地和整个网络或前 后级接力小区进行通信( 尽管这些信息对它而言毫无用处) ，这一方面对 终端是能源的耗费，同时也是无线资源的耗费。而目前对合作机制以及各 种合作机制带来的这些代价如能源消耗、计算复杂度、信令复杂度和对 q o s 参数如延迟的影响等都缺乏深入的研究。 4 ) 还未解决v a a 接力小区划分问题：在合作分集接力中，目前没有具体实 用的方案和方法进行合作小区划定( 或簇划分) ；针对不同的物理层技术和 媒体接入控n ( m a c ) 机制是否有通用的解决方案，以及虚拟m i m o 和 o f d m 结合的体系结构下小区划分设计方案也值得探讨。 如前所述，选取合理的v a a 接力簇划分小区是实现虚拟m i m o 技术的关键技 术之一，也是本论文的研究内容。通过研读和掌握虚拟m i m o 技术的原理及相关 理论，寻求合理的v a a 小区的划分方法，设计协议流程，分析仿真结果，得出结 论，以完成划分v a a 小区的目标。 1 2 论文结构与内容安排 本文首先给出虚拟m i m o 技术的起源、发展现状以及应用前景，接着就与v a a 小区划分算法相关的a dh o c 网络聚簇理论进行阐述；然后针对整个网络，提出一 种划分v a a 小区的初步方案，并通过仿真的方式同典型的v a a 小区划分方案加 以讨论、分析，并给出仿真结果；着重讲解了假设现有的路由协议找出各个v a a 接力小区的簇头，在此前提下，利用拓扑发现建立单一v a a 接力小区的算法；最 后给出进一步划分v a a 接力小区的可能实现机制思想，作为下一步的研究工作之 一。 具体而言，全文的主要贡献如下： 根据当前关于虚拟m i m o 技术的理论研究，本文给出一种适合于虚拟m i m o 技术的新型v a a 小区划分初步方案，并将此方案与典型的v a a 小区划分方案进 2 第一章绪论 行讨论，分析，给出仿真结果。 认真探讨了a dh o c 网络的聚簇算法，选取有簇头的聚簇思想，从跨层协作的 角度出发，利用现有路由协议给出通信节点间的主路径，并把主路径节点作为簇 头，采用拓扑发现建立单个v a a 小区，利用网络仿真模拟器n s 2 对建立进行仿真 实现，证实在满足一定假设条件的基础上，此方法具有可行性。 为充分发挥虚拟m i m o 的技术优势，更好的选取蚣小区内的节点，本文给 出利用邻居列表和路由协议进一步完善v a a 小区的划分机制；此外，讨论了在有 基站的基础设施网络内，如何利用现有的成熟技术划分v a a 小区。 本文的结构安排为： 第一章：绪论。主要介绍课题背景及研究内容。 第二章：首先阐述虚拟m i m o 技术的起源、发展现状以及应用前景，接着探 讨了a dh o e 网络簇划分的基本理论和算法。 第三章：从网络角度给出了一种v a a 小区划分模型方案，并与流行的小区划 分模型方案进行对比，并就诸如功耗、容量以及时延等通信性能指标进行仿真， 分析，为v a a 技术的实际应用打下理论基础。 第四章：首先介绍拓扑发现的研究现状，接着阐述文献 6 提出的拓扑发现算 法，给出协议流程，然后，给出n s 2 仿真结果，并就其进行分析阐述。 第五章：给出全文总结并对进一步的研究工作进行了展望。 最后是结束语、致谢、参考文献、附录以及在读期间所参加的科研项目和发 表论文。 3 电子科技大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章虚拟m i m o 技术介绍 移动互联网正在成为电子信息产业新的经济增长点，但是需要突破无线带宽 资源的有限性，来满足互联网业务所需的高传输带宽需求。 多输入多输出( m i m o ) 技术可以极大地提高无线通信系统的容量，但由于诸多 限制，主要用于基站侧，不能用于日益小型化泛在化的移动终端。基于协同接力 传输的分布式虚拟m i m o 技术有望降低m i m o 技术的实现复杂度和成本，可能成 为泛在、低成本无线传输的物理层核心技术。自组织( a dh o e ) 组网协议及技术则在 m a c 及以上层次进行终端间协同传输，是w l a n 及未来移动互联网的组网模式。 因此，在移动互联网的异构化、无中心化条件下，二者的充分结合是实现低成本、 易部署、无缝覆盖“新一代宽带无线移动通信网”( n g w m n ) 的理想方案之一。 本章重点概述了虚拟m i m o 技术的起源、发展现状及应用前景，接着介绍课 题组设计的虚拟m i m o 系统构架和v a a 涉及的可能机制，以及面临的问题。为后 续章节对v a a 小区划分算法的研究铺垫理论基础。 2 2 虚拟m 0 技术概况 2 2 1mim 0 与虚拟mim o 无线信道的开放性导致无线传输的信号环境非常恶劣，且易于变化，因而无 线传输比有线传输更难；同时无线频率的资源有限性使情况变得更糟。然而随着 无线通信业务的发展以及互联网技术和业务的广泛发展和应用，通信业务尤其是 无线移动通信业务的多元化和多媒体化，对无线移动通信系统的传输带宽需求越 来越大，当前各种标准和技术的传输容量离无线高速移动多媒体业务的需求还有 很大的距离。许多调制技术和编码技术对传输带宽的改善已经接近s h a n n o n 极限。 因此在无线资源极度有限的情况下，人们必须寻求调制和编码技术以外的其他方 案【5 l 。为此人们提出了多输入多输出( m i m o ) 技术【5 1 【1 6 j ，该技术在理论上可以大幅 度提高无线通信系统的容量和抗干扰能力。 4 第二章虚拟m i m o 技术介绍 虽然m i m o 技术可以成倍地提高现有无线移动通信系统的容量和抗干扰能 力，但为了获得m i m o 信道的独立性，一般要求发送天线或接收天线间距大于工 作频段信号的1 4 波长【5 】，因此不太适用频率低于1 g h z 以下的便携式终端。在单 天线的应用中，在使用先进的编码技术后，数据传输速率已经趋近香农极限。但 因移动终端体积、功耗、成本等诸多不利因素，对于现有的便携式终端要做到有 多根天线也不现实。因此限制了m i m o 技术在终端的大规模应用。现有的其他 m i m o 技术，如分布式天线系统( d i s t r i b u t e da n t e n n as y s t e m ，d a s ) 和分布式 无线通信技术( d w c s ) 都不能用于终端侧，无法提高终端的吞吐量。针对这些问题， 人们借鉴多跳无线a dh o e 网络的中继和合作通信思想，对m i m o 技术特别是分 布式m i m o 技术进行了扩展，使之适应终端侧，提出了虚拟m i m o 技术。 正如现有文献所述，从信号处理的角度和信息论的角度看，m i m o 技术与虚 拟m i m o 技术都是多天线技术，即利用天线间信道独立性进行分集收发，从而改 善系统容量或者改善抗干扰能力。然而，m i m o 技术和虚拟技术虽然从改善系统 容量的角度出发都是通过建立或利用独立的信道传输完成，但是m i m o 技术是一 种集中式信号处理方式，信号处理机很容易得到多个信号版本，且分集信号处理 是在解码前完成的，纯属物理层技术；虚拟m i m o 技术则是一种分布式信号处理 技术，协作是这种分集发送接收技术的必需环节，而且分集信号处理是在解码后 进行的( 模拟型的虚拟m i m o 技术除外，本项目只讨论数字型虚拟m i m o 技术) 。 究其二者不同之根源，正是虚拟m i m o 技术中协作机制使其本质上不同于传统 m i m o 。 然而，现有关于虚拟m i m o 的研究才刚起步，主要还处于理论研究阶段。并 且大多数关于虚拟m i m o 技术的研究均仍基于图2 1 所示的传统m i m o 系统模 型，并按照m i m o 系统的推理进行讨论，或者应用不同的信道模型进行分析，如 瑞禾l j ( r a y l e i g h ) 信道、莱斯( r i c e ) 信道下的容量特征。部分文献则通过测量虚拟 m i m o 系统中终端问的实际信道参数( 如室内、室外环境) 进行虚拟m i m o 系统容 量计算，从而对协作分集带来的好处进行印证。与此同时，现有针对虚拟m i m o 系统的容量研究也均是基于传统m i m o 系统模型进行的。在传统m i m o 系统以及 分布式m i m o ( d i s t r i b u t e dm i m o ，d m i m o ) 系统中，由于m i m o 信号处理是集中式 的，当处理器间的链路带宽足够大时( 特别地，在传统m i m o 系统中可以认为是无 穷大的) ，链路开销对m i m o 处理性能的影响基本上可以忽略，但在虚拟m i m o 系统中，由于链路带宽较窄( 尽管w l a n 可以提供最高5 4 m b p s ，但实际吞吐量小 于这个理论容量) ，无法满足协同处理的开销( 具体分析有待进一步研究) 。因此在 5 电子科技大学硕士学位论文 虚拟m i m o 系统中仍沿用传统m i m o 系统模型未必合理，有必要研究新的系统模 型，以体现虚拟m i m o 的特殊机理。 i 输入数据： 发送 信号 处理 v 玛 弋了恐 接收 l 信号 输出数据 处理 v 图2 1 m i m o 系统的构成原理图 2 2 2 虚拟m 0 技术的发展现状 现有文献对虚拟m i m o 概念有多种不同的描述，以虚拟天线阵歹u ( v a a ，v i r t u a l a n t e n n aa r r a y ) t 1 7 】- f 2 1 1 ，合作分集( c d ，c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y ) ! 捌最常见，同时从技术 实现角度也称合作接力( c r ，c o o p e r a t i v er e l a y ) 。该思想最早在1 9 7 9 年就有人 研究，如t m c o v e r 等1 2 3 j 研究了中继信道( r e l a yc h a n n e l ) 的理论容量问题。但直到 最近为了满足m i m o 系统的多个独立信道条件，同时克服m i m o 系统对终端天线 数量的苛刻要求，才借鉴多跳无线a dh o c 网络的合作通信( c c ，c o o p e r a t i v e c o m m u n i c a t i o n ) 思想，并从一般概念入手提出了虚拟m i m o 概念。m d o h l e r i s l 最 早于2 0 0 1 年提出了虚拟天线阵列并申请了相关专利1 2 0 】【2 。基于虚拟天线阵列的通 信系统可以用图2 2 表示【i 7 1 。其中若干个无线终端组成一个虚拟m i m o 系统的发 送天线组，又称v a a 小区；v a a 小区内的终端同时从基站的天线阵列接收自己 的信号和其他终端的信号，并把解码结果以很小的功率( 因为距离非常近) 发送给 v a a 小区内的其他终端。 从图2 2 可知，讼系统实际上是把若干用户终端的收发天线当作整体来考 虑。从转发中继机制看，v a a 系统可以分为两类：1 ) 模拟型：放大口转发型，类 似于直放站，可以直接和传统m i m o 系统对照，其主要缺点是：不进行数字再生， 从而容易产生噪声积累；2 ) 数字型：解码( 再编码) 转发型，没有噪声积累问题，易 于和多种技术结合，因而成为主要研究热点，本文只讨论数字型系统。从系统的 网络结构看，也可以分为两类：1 ) 有基础设施的网络( i n f r a s t r u c t u r en e t w o r k ) ，需要 终端间合作，接力小区主要由基站定义；2 ) 自组织网络( a dh o e ) ，该网络没有明显 的小区划分，一般需要人工或自适应地进行簇中继小区划分。本文选取后者作为 6 第二章虚拟m i m o 技术介绍 主要研究对象。 图2 2 基于v a a 的通信系统示意图 图2 3 给出的是基于v a a 的合作接力通信系统的更一般模型，无基站的通信 系统，其中每一个v a a 小区组成了一个分布式虚拟天线阵列，从而使得前后级接 力小区构成了多级的分布式m i m o 系统【i 剐，其中，源终端在发送信号之前首先把 要发送的信息共享给小区的其他终端，然后，源小区的终端联合发送给接力小区， 接力小区通过分布式m i m o 接收并下发给后续的接力小区，如此直到信号被目的 小区的终端接收。 源v a a d 、区接力v a a d 、区 一信息共享呸一m l m o 传输 的 端 接歹j v a a o , 区目的v a a d 区 图2 3 虚拟m i m o 的一般模型 如前所述，虚拟m i m o 技术实际上是一种基于合作接力的空间分集技术。由 于j l a n e m a n 等1 2 4 1 的工作，越来越多的文献采用合作分集( c d ，c o o p e r a t i v e d i v e r s i t y ) 2 2 】 2 3 j ，或者用户分集( u d ，u s e rd i v e r s i t y ) t 2 5 l i t 6 1 的概念。这些不同表述实 7 电子科技大学硕士学位论文 质上反映了虚拟m i m o 的不同侧面，如虚拟天线阵列v a a 着重虚拟m i m o 系统 中天线阵列的分布式特征，特别是其松藕合性，以致于无法进行集中信号处理， 合作分集c d 、合作接力c r 、协作合作通信c c 等则更直接地阐明了虚拟m i m o 系 统中终端间的协作通信特征以及通过协作得到的天线分集效果，中继信道r c 则 把终端间中继接力传输的途径抽象为信道进行研究，但是它们共同的核心就是协 作。 事实上，基于多跳接力的协作传输思想早在自组织( a dh o c ) 网络技术中采用， 并成为许多标准的核心协议和技术，如i e e e 8 0 2 1 6 系列w m a n 、无线网格网络 以及传感器网络技术等。这类网络中，因应用环境的限制，无法或者不需要建立 基站，各节点以无中心的自组织( a dh o e ) 模式工作。当一个节点需要同一个其无线 覆盖范围( c o v e r a g er a n g e ) 之外的节点进行通信时，可以借助该节点对 ( s o u r c e d e s t i n a t i o np a i r ) 之间的一个或多个转发节点( 相当于路由器) 进行接力传输， 即进行多跳接力传输( m u l t i h o pr e l a y i n g ) 。由于多跳a dh o c 网络具有无中心、成 本低、易部署的特点，在许多商用和军事场合广泛采用。p e il i u 等【2 7 儿2 8 1 对 i e e e 8 0 2 1 1 b 的a dh o e 网络协议( 单跳a dh o c ) 进行改进，提出了一种m a c 层协 作机, 铝w j ( c o o p m a c ) 。该协议在源端和目的端之间引入一个或多个接力站( r e l a y ，又 称h e l p e r ) ，虽然增加了数据传送的跳数( h o pc o u n t ) ，但各跳间的距离变小，因而 多跳间的信道性能会更好，从而可用更高的速率进行传输，另外可以利用空间分 集，以提高传输速率、降低时延和功耗。c o o p m a c 协议有两种模式1 2 剐：无分集合 并模式和分集合并模式。前者实质上退化为前述的多路由分集。后者考虑了物理 层的空间分集合并，当目的终端不能正确解码其中的接力信号或直接信号时不是 直接丢弃，而是将信号( s i g n a l ) 先存储起来，以便收到所有信号时进行分集合并； 但文献没有考虑多接力终端的情形，也没有给出信号合并的具体方法。 gj a k l l a r i 掣2 9 】提出了一种基于广播的合作分集机制。该协议重复利用无线信 道的广播特性，类似v a a 原理，分三个步骤进行：本地合作( l o c a lc o o p e r a t i o n ) ， 发端节点通过邻居选择确定邻居集合后，将要发送的数据先广播给这些邻居； 合作广播( c o o p e r a t i v eb r o a d c a s t i n g ) ，这些邻居将接收到的数据继续广播给“下游节 点”直至收端节点；收端合并，接收端对接力终端广播的数据进行合并。该协议 实现较为简单，但正如文献所言，协议不能保证所选的邻居均能参与合作广播； 而且该协议和前面的协议一样无法保证接力节点在物理位置处于源端一目的端节点 对之间，从而有许多接力节点的广播白白消耗能量却对协作毫无帮助，反而可能 带来大量干扰。 8 第二章虚拟m i m o 技术介绍 综上所述，尽管有大量的文献对m i m o 技术进行了研究并己列入某些标准的 关键技术，如i e e e 8 0 2 1 6 、i e e e 8 0 2 1 5 9 、i e e e 8 0 2 2 0 等，但就目前而言其实现还 有许多难点，虚拟m i m o 虽然提供了实现m i m o 的一种思路，但实际上还有许多 问题未能解决，而且它实际上已不再是纯粹的物理层技术，因此，虚拟m i m o 系 统在技术实现中涉及的因素远比传统m i m o 系统更多，也更复杂，需要突破许多 关键技术。但由于v a a 技术能在提高系统容量的同时降低对终端天线数目的要求， 具有更高的灵活性，有望实现低成本的无缝无线覆盖，可能成为未来泛在、易扩 展、分布式移动通信组网及自适应信息传输的主流方式，因此具有一定应用前景。 2 2 3 虚拟川m 0 系统架构的关键因素及技术 如前所述，课题组的前期调研表明，一个虚拟m i m o 系统不仅涉及物理层技 术，它涉及到各个协议层次，包括物理层、链路层、甚至第三层( 已有部分研究) ， 其中主要内容将集中在物理层和链路层方面，为此课题组单独设立一个参考机制 模型，如图2 4 。从理论上讲，虚拟m i m o 是m 1 m o 技术的推广，但除了模拟的 转发机制外，由于各终端的天线收集的信号必须通过数字解码之后利用相同或不 相同的无线信道把解码后的信息共享，虚拟m i m o 技术建立的虚拟m i m o 系统与 传统m i m o 系统有本质区别，虚拟m i m o 技术的引入将对现有的接入控$ 1 ( m a c l 甚至网络协议产生重大影响，因此如何在现有各种网络中引入虚拟m i m o 技术是 值得思考的问题。 一 ： 虚拟m i m o虚拟m i m o虚拟m l m 0 控制层 h - - 一 控制层控制层 一i - - 一一一一一 网络层网络层网络层 一- j _ - - 。 接入控制层 。、一 接入控制层 - 一一。一。 接入控制层 物理层物理层列络层 。 源虚拟m i m 0 4 、区接力虚拟m i m o 小区 目的虚拟m i m o t j , 区 i 虚拟m i m 0 协作控制消息 非接力无线信道 - 一 网络层消息 一 接力无线信道 图2 4 虚拟m i m o 机制的参考模型 为此，本项目将以图2 4 给出的基于v a a 技术的立体跨层初步参考模型为依 据，建立了跨层的控制面( 见图2 5 ) ：v a a 控制面，其涉及的主要内容包括：v a a 9 电子科技大学硕士学位论文 小区控制、邻居发现、资源分配和信息共享等靠近链路层的功能模块，自适应调 制与编码、功率控制、干扰控制等模块等。这些模块间相互控制、相互影响，如 信息共享机制中就牵涉到自信息的接收和他信息接收问在物理层的协调控制，如 通过码分复用、频分复用、时分复用及其结合方式完成；再比如干扰控制过程 同时涉及功率控制和资源调度与分配等过程。 因此，虚拟m i m o 系统在技术实现中涉及的因素远比传统m i m o 系统更多， 也更复杂，需要突破许多关键技术。 厂4 扰榨$ i 、l e 璺$ 讶h a c 崖 一v a a 4 # ，z - - j , , j u j j i ir i h 图2 5 v a a 机制可能涉及的模块及其相关因素 虽然虚拟天线阵列技术为移动性高速宽带多媒体应用提供了新的希望，但是 对于v a a 的实际应用等方面还有若干关键技术亟待解决： 1 ) 对上述模型进行进一步的细化，研究v a a 控制层与其他各层的相互作用 机制： 2 1 研究虚拟m i m o 技术的应用框架； 3 ) 研究虚拟m i m o 技术中的具体合作机制以及备种合作机制带柬的负面影 响，如因此带来的能源、计算复杂度、信令复杂度增加以及对q o s 参数 如延迟等性能的影响。 4 ) 研究合作分集，接力中，合作小区的划定( 或簇划分) 的具体实施方案和方 法，以及针对不同的物理层技术和媒体接入控制( m a c ) 机制的可能的通用 解决方案。 5 ) 虚拟m 1 m o 系统中的综合安全架构及分布式协作认证机制。 第二章虚拟m i m o 技术介绍 2 2 4 虚拟m 0 技术的应用前景 虚拟m i m o 具有m i m o 系统的优点，但还有许多关键理论和技术有待突破。 虚拟m i m o 技术可以应用于无线广域网、无线传感器网络、无线局域网等等系统 中，大幅提高分集容量，改善数据传输率，提高服务质量，降低系统运营成本， 因此具有很大的市场潜力。 众所周知，诺基亚西门子通信公司研究人员已经证明在l t e 系统中，虚拟 m i m o 技术可以实现。公司在2 0 0 6 年末于香港召开的3 g s m 世界大会上成功地 进行了l t e 无线网络的现场运行展示，其展示内容是在与f r a u n h o f e ri n s t i t u t ef o r t - e l e e o m m u n i c a t i o n s ( 海因里希一赫兹通信技术研究所) 合作搭建的实验台中，两台 共同运转的无线最终用户设备形成了虚拟m i m o 系统，其中天线元件分布在两台 设备上。通过使用空分多路复用技术，这两台设备可以使用同一频带获得数据。 使用这项技术，聚合上行链路的传输速率增加一倍( 达到1 0 8m b p s ) ，同时因采用 虚拟m i m o 技术，用户设备只需要一个功率放大器和一根传输天线，因此可以降 低生产成本，减少功耗需求。但是当前的研究只考虑了单跳，且主要是上行链路 中将多个终端联合起来构成虚拟天线阵列，还未解决下行链路虚拟m i m o 接收以 及无基站系统的应用问题，因此虚拟m i m o 亟待深入研究。 与虚拟m i m o 技术类似，传感器网络采用a dh o c 方式将一组具有有限通信 和计算能力的传感器自组织地构成分布式有线或无线网络，其目的是协作地感知、 采集和处理网络覆盖的地理区域中的对象信息，并发布给观察者【3 0 】1 3 1 】，如图2 - 6 。 图2 6 传感器网络示意图 传感器网络具有如下特剧3 2 】- 【3 4 l ：一是以数据为中心，二是资源受限，三是分 布式自组织，四是强容错和抗毁能力，五是动态拓扑，六是面向应用。由此可以 看出，二者有许多相通或相近的地方，虚拟m i m o 技术可用于传感器网络，提高 传感器的信息传播距离，减少传感器的节点数目，从而节约成本，推动传感器网 络的发展和应用。 电子科技大学硕士学位论文 此外，目前的无线局域n ( w l a n ) ，如i e e e 8 0 2 1 l 标准规定的a dh o e 网，是 单跳接入。即便存在接入点( a p ) 时，w l a n 可同时互联多个终端，但仍是单跳网 络。于是，当某个终端与a p 的距离超出距离门限时，此终端则无法连和其他终端 通信或接入i n t e m e t 。但如果利用虚拟m i m o 技术，将多个a p 或终端组建成w 蚺 小区，通过多跳方式，提高距离门限值，从而实现i n t e m e t 互联。此外，当移动终 端m t ( 如手机) 的离基站较远，信号较弱，将无法与外界通信，但当它附近的某个 或多个m t 恰好处于基站覆盖范围内时，则可利用虚拟m i m o 技术，借此强信号 终端联入基站，或者当该终端具有的其他无线通信接口如w l a n 或蓝牙可以通过 另一个或多个附近的