（通信与信息系统专业论文）分布式mimo系统中传输机制与方法研究.pdf

摘要 摘要 分布式m i m o - - 种实现形式虚拟m i m o 技术( v m i m o ) 利用移动终端的天 线组成一种虚拟的天线阵列( v a a ) ，可以满足m i m o 子信道问的独立性要求。但这 种分布式m i m o 依赖于各独立终端问的紧密配合，即协作；同时，基于虚拟天线阵 列的小区接力通信也需要进行细致研究。然而，现有文献大多仍基于传统m i m o 系统模型进行理论分析和优势论证，未能就其实现机制和方法进行分析讨论，也 未给出分布式m i m o 系统的一般协作模型或参考协作模型。 因此，本文主要研究了分布式m i m o 系统中传输机制与方法，给出了分布式 m i m o 系统多终端协作中继选择方案和信道矩阵形成方法。此外，针对分布式 m i m o 系统对天线阶数敏感的问题，尝试从网络编码角度给予解决。具体内容如下： l 研究了分布式m i m o 中协作通信以及小区接力等传输机制和方法，给出了 一种两跳分布式虚拟m i m o 系统的多终端协作中继选择方案和信息传输m a c 控制 机制。本方案包含两个基本过程：1 ) 两跳接力传送中的多中继节点( r n ) 选择方法。 2 ) 两跳接力传送中的多中继节点协作中继方法。 2 提出了分布式m i m o 系统中信道矩阵形成方法，并给出了具体实现机制。 该方法主要利用了跨层合作以及信息共享思想。终端把物理层中信道测量出的结 果递交到m a c 层，并通过广播或者单播的形式在本小区内实现信道信息的共享。 由于终端分布的随机性，无序的的信道向量造成了信道矩阵在各个终端的不一致。 因此，信道矩阵向量的排序是按照终端的i d 号码顺序进行的。在分布式m i m o 系统 中，终端加入或者退出小区通信的情形是经常存在的，因此，主终端需要对小区 实时监测，并对该情形做出相应对策。 3 针对分布式m i m o 系统对天线阶数敏感的问题，本文通过网络编码方式给 予解决。通过网络编码，需要传递的信息通过共享在网络中分布，中间节点可以 将接收信息进行编码并发送出去，提高了网络吞吐量和健壮性。为不对现有网络 的软硬件设备和相应的协议做很大的修改，可以选择在高层实现网络编码。同时， 本文对已有网络编码技术进行了改进，从而提高了系统的传输成功率以及大大降 低无线网络中信息传输。 总体上，本文的主要贡献点如下： l 研究了分布式m i m o 系统协作中继机制，给出了中继节点选择以及多中继 摘要 节点协作中继方法。 2 提出分布式m i m o 系统信道矩阵形成方法，并给出具体实现机制。 3改进了网络编码方法，并应用于分布式m i m o 系统中。 上述三个贡献点均以发明专利形式，获得国家专利局受理。 关键词：分布式m i m o ，虚拟m i m o ，合作通信，网络编码，信道矩阵 h a b s t r a c t a b s t r a c t o n ef o r mo fd i s t r i b u t e dm i m oi m p l e m e n t a t i o n ，v i r t u a lm i m o ( v m i m o ) ，u s e s m o b i l et e r m i n a la n t e n n at of o r mav i r t u a la n t e n n aa r r a y ( v a a ) ，a n dc a nm e e tt h e i n d e p e n d e n c er e q u i r e m e n t sa m o n gm i m os u b c h a n n e l s h o w e v e r , s u c hd i s t r i b u t e d m i m or e l i e so nt h e i n d e p e n d e n c e t e r m i n a l s w o r k i n gt o g e t h e rc l o s e l y ，t h a t i s , c o o p e r a t i v e ；a tt h es a m et i m e ，r e l a yc o m m u n i c a t i o nb a s e d0 1 1v i r t u a la n t e n n aa r r a y n e e dt ob er e s e a r c h e da d e q u a t e l y b u t ，t h ee x i s t i n gl i t e r a t u r e sj u s tf o c u so nc o n v e n t i o n a l m i m om o d e l sa n dt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，i tc a l l a tc o n s t r u c tc o m m o nm o d e lo fm i m o a n dg i v et h ep r a c t i c a lm e c h a n i s mo rm e t h o d s t h e r e f o r ，t h i sd i s s e r a t i o nm a i n l ys t u d i e st r a n s m i s o nm e c h a n i s ma n dm e t h o d so f d i s t r i b u t e dm i m os y s t e m , a n dg i v e sm u l t i t e r m i n a lc o o p e r a t i v er e l a ys e l e c t i o ns c h e m e a n dc h a n n e lm a t r i xf o r m i n gm e t h o d s b e s i d e s ，d i s t r i b u t e dm i m o s y s t e mi ss e n s i t i v et o t h eo r d e ro fa n t e n n a , s ot h i sd i s s e r t a t i o nu s e sn e t w o r kc o d i n gt os o l v et h ep r o b l e m m a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e ra r el i s t e da sf o l l o w s ： 1t h i sd i s s e r t a t i o ns t u d i e st h ec o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o no fd i s t r i b u t e dm i m o i l l sw e l la sr e l a yt r a n s m i s i o nm e c h a n i s m sa n dm e t h o d s ，g i v e sa r e l a yt e r m i n a ls e l e c t i n g s c h e m ew i t ht w o - - h o pm u l t i - - t e r m i n a lc o o p e r a t i v er e l a ys e l e c t i o ns c h e m ei nv m i m o s y s t e ma n di n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o nm a cc o n t r o lm e c h a n i s m s t h es c h e m ec o n m i n s t w ob a s i cp r o c 懿s e s ：1 ) s e l e c t i o no fr e l a yn o d e s ( r r 0i nt w o - h o pr e l a yt r a n s m i s s i o n 2 ) m o t h o do fm u l t i - r e l a yc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o ni nt w o - h o pr e l a yt r a n s m i s s i o n 2t h i sd i s s e r t a t i o np r e s e n t sad i s t r i b u t e dm i m o s y s t e mc h a n n e lm a t r i xf o r m i n g m e t h o d ，a n dg i v e sas p e c i f i cm e c h a n i s mf o ri m p l e m e n t a t i o n t h i sm e t h o dm a i n l yu s e c r o s s l a y e rc o o p e r a t i v ea n di n f o r m a t i o n s h a r i n gi d e a t e r m i n a l ss u b m i tt h ec h a n n e l i n f o r m a t i o nm e a s u r e m e mo fp h y s i c a ll a y e rt om a cl a y e r ，a n ds h a r et h ec h a n n e l i n f o r m a t i o ni nl o c a l g r o u pt h r o u g hb r o a d c a s t i n go ru n i c a s t i n g b e c a u s eo fr a n d o m d i s t r i b u t i o n ，t h ed i s o r d e rc h a n n e li n f o r m a t i o nv e c t o rc a u s et h ec h a n n e lm a t r i xd i f f e r e n t i ne a c ht e r m i n a l s s o ，t h es e q u e n c eo fc h a n n e lm a r xv e c t o ri sb a s e do ni dn u m b e r t h e c o n d i t i o nt h a tt e r m i n a l se n t e ro r q u i tc o m m u n i c a t i o ng r o u pi s o f t e ne x i s t e n ti n d i s t r i b u t e dm i m os y s t e m t h e r e f o r e t h em a i nt e r m i n a l sn e e dt om o m t o rt h el o c a l i i i t e r m i n a l sr e a l t i m e ，a n dt om a k ec o r r e s p o n d i n gc o u n t e r m e a s u r e s 3f o rt h ed i s t r i b u t e dm i m es y s t e mi ss e n s i t i v et o t h eo r d e ro fa n t e n n a ，t h i s d i s s e r t a t i o nu s e sn e t w o r kc o d i n gt os o l v et h ep r o b l e m u s i n gn e t w o r kc o d i n g , t h e i n 内n n a t i o ni sd i s t r i b u t e di nn e t w o r kb ys h a r i n gm e t h o d t h e n , t h er e l a yn o d e sc a l l “c e i v ei n f o n n a t i o na n ds e n do u tt h ee n c o d e di n f o r m a t i o n t h e r e f o r e ，n e t w o r kc o d i n g i m p r o v e st h en e t w o r kt h r o u g h p u ta n dr o b u s t n e s sg r e a t l y i n c a s et h ee x i s t i n gn e t w o r k d o e sal o to fm o d i f i c a t i o n st ot h er i g h th a r d w a r ea n ds o f t w a r ee q u i p m e n t ，e s p e c i a l l yt o t h ec o r r e s p o n d i n gp r o t o c o l ，n e t w o r kc o d i n gc a nb ei m p l e m e n t e da th i g h l a y e r a tt h e s 锄et i m e i nt h i sd i s s e r t a t i o n , n e t w o r kc o d i n gt e c h n i q u e sh a sb e e ni m p r o v e d i no r d e rt o i m p r o v et h es u c c e s sr a t e o ft h et r a n s m i s s i o ns y s t e m ，a sw e l l a sg r e a t l yr e d u c e t r a n s m i s s i o no fi n f o r m a t i o no v e rw i r e l e s sn e t w o r k s 0 nt h ew h o l e ，t h e r ea r e t h ef o l l o w i n gc o n t r i b u t i o n si nt h ed i s s e r t a t i o n ： 1w es t u d yt h ec o o p e r a t i v er e l a ym e c h a n i s mo fd i s t r i b u t e dm i m es y s t e m ，a n d g i v er e l a yn o d e ss e l e c t i o nm e t h o da n dm u l t i - r e l a yc o o p e r a t i v e c o m m u n i c a t i o n 2w ep r o p o s ec h a n n e lm a t r i xf o r m i n gm e t h o do fd i s t r i b u t e dm i m os y s t e m ，a n d i m p l e m e n t i ti np r a c t i c e 3w ei m p r o v eo nn e t w o r kc o d i n ga n dm a k eu s eo fi t a td i s t r i b u t e dm i m e s y s t e m a l lo ft h ec o n l 矗b u t i o 船h a v eb e e na c c e p t e db ys t a t ei n t e l l e c t u a l o f f i c eo ft h e p e o p l e sr e p u b l i co f c h i n aa sf o r mo fp a t e n t k e y w o r d s ：d i s t r i b u t e dm i m e ，v h t u a l c o d i n g , c h a n n e lm a t r i x m i m e ，c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n , n e t w o r k i v 图目录 图目录 图1 1 基带m nm i m o 系统示意图2 图1 2 基站端天线阵列的方向性3 图1 3d a s 系统的典型结构4 图1 - 4d w c s 结构5 图1 5 典型虚拟m i m o 系统结构5 图1 - 6d m i m o 和v m i m o 的通用系统模型7 图1 7v m i m o 中包含的p h y 及m a c 功能及其可能的连接7 图2 1 三种中继选择和中继方案示意1 1 图2 - 2 文献【3 lj 的信号结构( 图2 1 中的方案c ) 1 2 图2 3 现有文献未考虑的典型场景1 2 图2 _ 4 合作接力应用示意1 3 图2 - 5 两跳虚拟m i m o 系统示意1 5 图2 - 6 两跳合作段的接力终端选择及合作接力过程1 5 图2 7 本方案中用到的消息格式1 6 图2 8 本方案定义的新帧字段定义示意18 图2 - 9 合作接力时序示意2 l 图2 1 0 包含三个合作接力段内的两个合作接力跳的详细时序示意2 3 图2 1 1 不同节点数【o ，6 4 条件下无冲突子载波数的均值变化2 5 图2 1 26 4 点o f d m 系统下利用4 8 个子载波上进行中继选择的效果2 6 图3 - 1 ( m ，n ，l ) 分布式天线m i m o 系统。3 3 图3 2 无线虚拟m i m o 通信系统图3 7 图3 3 终端通信协议栈3 8 图3 4 虚拟m i m o 小区间通信测量流程3 9 图3 - 5 信道测量初始化4 0 图3 - 6 主终端在本小区内广播对方小区终端i d 号码使用的数据帧格式4 0 图3 7 终端共享信道信息的数据帧格式4 l 图3 8 终端进行信道测量的流程图4 2 v i i l 图目录 图3 - 9 小区终端更新流程图4 3 图舡i 网络编码的应用4 5 图4 2 传感器网络模型4 8 图4 3 不同编码方式下数据解码成功率5 2 图4 - 4 网络中不同编码方式下传送的数据量5 3 图4 5 分布式m i m o 网络系统图5 4 图4 - 6 收发端编解码流程5 5 图4 7 发送端发送示意图5 6 图4 8 终端需要完成的编码操作5 7 图年9 终端发送共享的数据格式5 8 图4 一1 0 发送端发送侧数据格式5 8 图4 - 1 1 数据分块缓存结构5 9 图4 - 1 2 分布式m i m o 网络编码工作框图5 9 i x 缩略词表 m i m o v a a d a s b d a s s d a s g d a s c g d a s c d a s d m i m o v m i m o c c c d c r u c u c d r c 缩略词表 m u l t i p l e i n p u t m u l t i p l e o u t p u t 多输入多输出 v i r t u a la t e n n aa r r a y 虚拟天线阵列 d i s t r i b u t e da n t e n n as y s t e m 分布式天线系统 b u s t y p ed a s 总线式分布式系统 s t a r - t y p ed a s 星形分布式天线系统 g e n e r a l i z e dd a s通用分布式系统天线模型 e x t e n d e dg d a s 扩展的通用分布式天线系统模型 c a s c a d e dd a s 级联的分布式天线系统 d i s t r i b u t e dm i m o 分布式多输入多输出系统 v i r t u a lm i m o 虚拟多输入多输出系统 c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n 协同协作通信 c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y 协作分集 c o o p e r a t i v er e l a y 协同协作接力 u s e rc o o p e r a t i o n 用户协同协作 u s e rc o o p e r a t i v ed i v e r s i t y 用户协作分集 r e l a yc h a n n e l接力信道 x 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： 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：一燃一 导师签名： 日期：夕夕 第一章绪论 第一章绪论 第二代移动通信系统已度过了发展的巅峰期，而早在十几年前就开始进行预 研的第三代移动通信系统( 3 g ) 正在逐步走向商用化。无线通信技术的迅猛发展和 互联网在各个领域的深入渗透促进了移动互联网技术的快速发展。移动互联网作 为互联网与无线移动通信技术的结合，其实质是基于无线传输技术的互联网，它 可为人们提供无处不在的泛在接入，可以将人们从现有互联网的固定接入点解脱 出来，以其便利性、灵活性、移动性可以极大地提高生产率，因而正在并必将成 为信息产业经济的新增长点，且被看成一个国家科技发展水平的重要标志之一。 为此，国际国内都启动了b 3 g 4 g 计划，如i t u 的b e y o n di m t - 2 0 0 0 计划、第四 代( 4 g ) 系统的标准化工作，以及我国的未来通用无线环境技术( f u t u r e ) 的国家 “8 6 3 ”研究计划( 2 0 0 2 年正式启动) 等i l 七1 。 1 1 m 0 技术 现有无线技术除了解决高度动态的移动接入难题以外，最重要是要提供与有 线网相当的无线传输带宽，才能给人们提供现有固定互联网上相同或类似、甚至 未来带宽密集型的互联网业务接入体验。但是，一方面已分配和可分配的无线频 率资源远无法和固定网络带宽资源比拟，另一方面，现有已分配无线资源由于分 配相对固定，灵活性差，造成资源浪费。在蜂窝通信系统中，可以通过降低蜂窝 小区大小，如采用智能天线技术和微蜂窝技术，在提高频率复用度的同时增加用 户密度，解决容量问题，但这些提高是很有限的。 目前除了启用免执照频段并采用全新的接入体制进行宽带传输技术( 如i e e e 系列标准中的w l a n 技术和w m a n 技术等) 以外，提高无线传输带宽的途径包 括： 采用多输入多输k b ( m i m o ) 技术，及其衍生技术，如分布式多天线( d a s ) 、 分布式无线通信和虚拟m i m o 技术，充分利用空间分集提高系统容量。 采用分布式协同传输机制，在m a c 层及以上层引入终端间的协作、接力 机制，进行所谓合作分集( c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y ) 用户分集( u s e rd i v e r s i t y ) 等。 电子科技大学硕士学位论文 多输入多输出( m i m o ) 技术可以提供比单输入单输出( s i s o ) 系统高许多倍的 传输容量，因而受到广泛关注，并从常规m i m o 系统逐渐演变到分布式天线系统 ( d a s ，d i s t r i b u t e da n t e n n as y s t e m ) 、分布式无线通信通信( d w c s ，d i s t r i b u t e d w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) ，最后发展到虚拟m i m o 技术，又称虚拟天线阵 列( v i r t u a la n t e n n aa r r a y ) 技术。 众所周知，m i m o 系统( 如图1 1 所示) 可以利用多元天线阵列获得多个独立 衰落的信号，再通过最优合并就能实现改善整体信号质量的高分集增益。1 9 8 7 年 j w i n t e r s 等率先研究了瑞利衰落条件下的m i m o 系统分集容量，并且证明了 m i m o 系统容量随着m 和n ( 尤其是随着接收天线数n ) 的增加而增加。贝尔实验 室在1 9 9 8 年已经实验证明在室内环境下，其频谱效率为2 0 4 0 b p s h z ( 3 l 【4 l 发送信号 处理 睁 j 昆 e 足2 l y - 凡 l ( a ) m i m o 系统结构( b ) m i m o 系统模型 图1 1 基带m x nm i m o 系统示意图 由于m l m o 技术在高频谱效率上的巨大潜力，学者们从不同方面如天线分集、 时间分集和空间分集对其进行了广泛的研究，主要集中在m i m o 信道建模和估计， 容量和中断性能分析等方面。研究表明：m i m o 系统容量的提高仅在m i m o 阶数f 收 发天线数) 足够高时才比较明显，而且m i m o 系统采用“天线集中、处理集中”的模 式，在具体实施上还有许多限制，如要求天线间距离至少m 4 以上，以使子信道间 相互独立( 不相关) ，因此在移动端实现起来非常困难，而且对精确的信道状态信息 ( c s i ) 的要求会消耗大量的计算功率，故对电池驱动的便携设备而言是个难点。同 时，有文献已经证明，即使是对供电良好，并配备了更有力的资源以进行信号处 理的基站而言，要如理论上所期望的获得良好的m i m o 性能也不是一个简单的任 务，因为在基站( b s ) 部署集中的天线阵列不可能对于小区中的所有终端都是最优 的，尤其是当b s 所服务的小区不规则或被服务小区中的用户并非均匀分布时( 如图 1 2 所示) 。 2 第一章绪论 v 乞v 、一点：当， 图1 2 基站端天线阵列的方向性 根据【3 】给出的经典理论，一个， d 阶m i m o 系统，即有m 副发送天线和 副接收天线的m i m o 系统，其系统容量将随着阶数，特别是的增加线性增长， 已有实验表明可以获得高达几十b i t h z s 的信道容量。但是，一方面，系统容量 的提高仅在m i m o 阶数( 收发天线数) 足够高时才比较明显；另一方面，在具体实 施上还有许多限制，如要求天线间距离至少1 4 a 以上，以使子信道间的相互独立 ( 不相关) 。 为了便于实施m i m o 技术，人们提出了两种新的m i m o 系统：分布式天 线系统( d a s ，d i s t r i b u t e da n t e n n as y s t e m ) t 6 】【9 1 ；分布式无线通信系统( d w c s ， d i s t r i b u t e dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) t l o 】【1 1 1 。虽然相比传统m i m o 系统，d a s 和d w c s 系统中天线可以布置灵活，其中d w c s 具有更好的开放性、灵活性和 扩展性，但天线单元与信号处理单元间需要较高带宽资源( 如采用光副载波调制系 统等) 用于信号传输，因而不适用于终端系统，主要用于基站侧。 为此，m i s c h ad o h l e r 等【1 2 l 【1 3 】提出了虚拟多天线阵列( v a a ，v i r t u a la n t e n n a a r r a y ) 概念。在v a a 系统中，若干单天线终端可以进行协作组成姨小区，于 是基站与v a a 小区可以组成分布式虚拟多天线系统，即虚拟m i m o 系统，这样 一方面降低了对终端天线数量的要求，另一方面可以充分利用终端间信道的独立 性和分集效果以提高系统容量。 基于其终端间的相互协作和多跳接力思想，人们从不同的侧面进行研究，并 在许多文献中又称合作通信( c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n ) 系统【1 4 】【1 9 1 ，或者接力通 信( r e l a yc o m m u n i c a t i o n ) 系统等【1 3 l 。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。 电子科技大学硕士学位论文 现有关于虚拟m i m o 技术中的调制编码方式大多仅考虑c m d a 方式或空时 编码( 如s t b c 、s t r c ) 等t 1 0 】 【l ，而在这类方法及在m i m o 信道模型方法中均要 求m i m o 阶数已知，然而在现实情况下这个假设很难成立：同时，相关文献在涉 及s t b c s t i c 时仅给出2 x 2 的m i m o 模型，但一方面阶数较高时s t b c 的设计 和选择较难，另一方面这些模型要求系统严格同步、m i m o 阶数和信道参数( 至少 需要统计参数1 已知，因而很不现实。 1 2 分布式m lm o ( a ) 总线型( b d a s ) 瓣慧m 翮，。一：畿蕊踱囊，u 工，“m 伊嘞，。! i ：媛，晦l 距接踱i 荔 r a l l 丑辐凡跬单“ ( b ) 星形( s d a s ) 街澎嚷踵：_ - ，。o j 箍r “”即叼于锈 貉。l jt 埘i c m 和e 瞒i 叻址，。z 一，礅蝴矧4 辐s 圭鑫 毒黻i 盔 r u 避端灭缝午，c ( c ) e g d a s 图1 - 3d a s 系统的典型结构 为此，人们提出了分布式m i m o 方案，如：1 ) x d a s 系统，包括总线型分布 式天线阵列( b d a s ) ，星形分布式天线系统( s d a s ) ，通用分布式天线系统( g d a s ) ； 2 ) 分布式无线通信系统( d w c s ) ，以及v m i m o 系统，如图l 一3 所示。 4 第一章绪论 f 溉睇 。 乳￥ 图1 - 4d w c s 结构 其中，典型的d a s 结构如图1 3 所示，分布式天线系统提供了一个有效的方 法来增强系统性能，或增加信号覆盖范围，如消除地下隧道及复杂地形下高阴影 区域的盲区。然而，d a s 仅仅考虑了所定义小区的天线元，它只对属于该小区的 终端进行最优化，因此d a s 不适于移动系统的全局部署。d w c s 系统的结构如 图1 4 所示，d w c s 分3 个分布式层次：分布式天线系统( d a s ) ，分布式信号处 理( d s p ) 和分布式高级控带j j ( d h l c ) ，它实际上是d a s 概念的进一步推广，具有更 好的自适应、灵活性和可扩展性，但需要极高带宽的天线间传输链路和高密度天 线部署，以及先进分布式软件无线电技术和分布式信号处理技术支撑等，也无法 适用于终端。 接力v a a d , 匿目的v a a 小区 图1 5 典型虚拟m i m o 系统结构 一 删 2 ) 不一定与a u 相等，且a u s 通 过时不变链路如光纤、同轴电缆或f s o 链路与至少一个s p 相连，s p s 间的 c p l s 是由高速互联兼容网络提供的虚拟链路。注意到在x d a s 和d w c s 的 情况中，在接收端仅有一个a u ( n = i ) ，且a u 可以通过多天线形成宏分集( 参 见图1 4 ) 。 4 ) v m i m o 。这种情况中，每对a u 和s p 属于一个移动终端( 如图6 中阴 影区域所示) 。由于a u 和s p 直接相连，a f l 可被忽略；但协处理器间的c p l 是时变和带宽受限的无线信道，这是与分布式m i m o 技术的一个关键不同点 ( 其它不同点还有用户间协作等) 。c p l 可以是w l a n ，蓝牙链路或与m i m o 子信道相同的空中接口，注意到在v m i m o 中，从是虚拟a a 或v ：f | 认( 参见 图1 - 5 ) 。 由图1 6 给出的通用m i m o 系统模型可以看出：事实上，v m i m o 与d m i m o 、 m i m o 系统区别很大，直接采用传统的m i m o 模型对v m i m o 进行性能分析过于理 想化。此外，我们还从图1 6 可以看到，v m i m o 与m i m o 系统的本质区别引出了许 多新的问题，如用户协作时的带宽限制及无线信道的时变特征等，因此还存在一 些有待解决的难题，如：1 ) 协作用户之间如何通过带宽有限的无线c p l 有效地共 享信息；2 ) 现有m i m o 、d m i m o 和v m i m o 相关文献中均假定了m i m o 系统的阶 数( m ，n ) 已知，而这在实际中，特别是v m i m o 系统中的( m ，很难预测；3 ) v m i m o 中的终端如何聚簇形成虚拟天线阵列( v 从) 还没有解决方案；等。 在所提出的通用m i m o 系统模型( 图1 6 ) 基础上的研究表明，用户间的协作 使得v m i m o 系统比其它m i m o 技术更加复杂，从而v m i m o 不仅仅是一个物理 层的技术，它包括了许多新的因素。通过初步的研究和分析，项目研究得出了如 图1 7 所示的v m i m o 系统功能结构要素及其关系模型图，特别是p h y 及m a c 功能要素及这些要素间的相互联系。 1 3 本文的主要工作及结构安排 从上一节分析可以看出：分布式m i m o 可以显著提升系统容量。但是，目前的 分布式m i m o 的模型仍然建立在传统m i m o 基础上而没有进一步研究系统传输模 第章绪论 型以及方法。因此，分布式m i m o 阶数未知传输机制与方法是分布式m i m o 实用化 的关键技术。 具体而言，本文的主要工作如下： l 、研究了两跳合作接力传输机制，并给出该模式下通信的具体协议过程，随 后把它推广到多跳合作接力传输的情况。 2 、从物理层角度，建立一种信道信息共享的传输机制，使得收发端在分布式 情况下获得信道矩阵。 3 、通过对网络编码的研究，结合共享合作通信思想，寻找通过信息分发机制 来解决收发端天线阶数未知情况下的通信方法：通过设置通信传输量以及通信 成功率等参数来对新的方法进行仿真，并与传统通信方式进行比较。 本文以所在项目组的项目为中心，围绕虚拟m i m o 技术作出多方面研究，建立 分布式m i m o 传输方法与机制。在具体章节上安排情况如下： 第二章，本章主要研究移动终端如何进行合作通信，并对移动终端如何形成 小区并进行合作接力给与关注，从而建立一种小区合作接力机制。 第三章首先概述了无线移动通信信道的特点，重点分析了分布式m i m o 与传统 m l m o 通信中信道矩阵形成的不同，并从共享合作的角度，探寻一种分布式m i m o 通信中与终端个数无关信道矩阵形成机制。 第四章，本章主要介绍了传感器网络模型，并对数据传输机制作了详细的说 明。对传统传感器网络传输模型中存在问题提出了改进方法，并通过仿真给与验 证。该章主要从数据分发的角度，从数据链路层解决无线通信中由于收发端天线 阶数未知而带来通信失败的问题。 第五章，对所做论文进行总结，并对未来发展提出展望。 9 电子科技大学硕士学位论文 第二章虚拟m i m o 小区合作接力机制及方法 多输入多输出( m i m o ) 技术已经广泛用于雷达、通信系统中以对抗无线信道的 恶劣环境，并充分利用无线信道的空间开放性获取多径增益并提高系统容量。但 m i m o 技术难以适用于越来越小型化的移动节点，特别地，不太适用频率低于1 g h z 以下的便携式终端节点。人们借鉴多跳无线a dh o c 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，使之适应节点侧，提出了虚拟 m i m o 技术( 包括v a a 等) 【2 5 h 3 。 在v m i m o 中，中继节点( r e l a yn o d e ，r n ) 相对于源节点( s o u r c 宅n o d e ，s n ) 和 目的节点( d e s t i n a t i o nn o d e ，d n ) 而言，其信道状态是随机的，如果一个r n 相对s n 或d n 的信道很恶劣，则其参与协作中继( c o o p e r a t i v er e l a y ) 不会给系统带来任何好 处，反而会( 甚至严重) 劣化系统性能。因此，r n 或其集合( r e l a yn o d es e t ，s - r r 0 的选择是非常重要的一个步骤之一。 目前，关于虚拟m i m o 或虚拟天线阵列的众多文献主要集中在理论分析方面， 大多假定v m i m o 的协作中继簇已经形成，而且各级中继之间的m i m o 信道参数( 获 其统计参数) 已知，没有给出中继簇的形成机制和方法；b l e t s 舔【9 】等给出了一种基 于信道质量的主动式中继选择方案，但该方案仅能选出一个信道质量最好的中继 终端( 见“2 1 现有技术方案”) 。 本方案给出一种基于两跳协作的多终端协作中继选择方案，更多跳的合作接 力方案可以在本方案基础上进行扩展。 2 1 现有技术方案分析 文献【3 2 】给出了目前文献中最常讨论和使用的接力方案。当仅考虑两跳 v m i m o 系统时，如图2 1 所示，在s n 和d n 间假定有k 个r n ，则究竟多少个 r n 参与合作接力( r e l a y ) 大致可以分为三种参与模式： l 、全部参与，如图2 1 ( a ) ，该方案不需要复杂的选择协议，实现起来较简单， 但那些相对s n 和d n 的信道条件恶劣的r n 的参与将对整个系统造成严重的负 面作用，因此较少采用。 l o 第二章虚拟m i m o 小区合作接力机制段办法 2 、部分参与，如图2 - 1 - ( c ) ，通过一定选择机制选出部分r n 参与合作接力， 接力传输的方式大多采用空时分组编码等进行联合发送，足传统m i m o 的。种变 形具有较好的性能，因此受到较多文献关注。但是正如文献”所述，但仍存在 许多关键问题，如：现有文献( 包括关于模式的文献诸假定这些节点间的协作 是“完美的”( p e r f e c t l yc o o r d i a a t e d ) ，每个r n 都知道是否以及何时进行发送，并采 用两种方式之一进行协作：分布式相控阵传输或波束成形，即每个r n 都能准 确地控制其信号传输的时问、频率和相位，从而在d n 叠加获得最佳增益，显然 这种严格的时间、频率、相位对准在实际中难以实现，仅具有理论分析价值； 分布式空时分组编码传输，它同样需要较严格的同步，同时目前仪有2 x 2 的最优 空时编码方案。 3 、虽佳参与，如图2 - 1 - 和图2 - 1 一( c ) 所示。通过对模式和模式的分析， b l e t s a s 掣竭认为较实际可行的方案是仅选出r n 中信道较好的进行合作接力，为 此 3 2 1 给出了种两跳环境下的晟佳中继选择和合作接力传送方案，阁2 - 2 给出了 其信号结构。s n 首先发送r t s 给d n ，d n 将返回c t s 。此时，能接收r t s