无线协作网络的复数域网络编码研究-毕业论文参考.doc

毕业论文无线协作网络的复数域网络编码研究专业班级： 姓 名： 指导教师： 第1章 绪论1.1课题研究的背景及意义为了满足人们对通信越来越高的需求，未来的无线通信系统将遭遇大容量和高速率的挑战，在这样的形势下多输入多输出(MIMO)技术应运而生。MIMO是指在通信系统的发射端和接收端，分别使用多个发射天线和接收天线，以此使系统达到空间复用增益和空间分集增益，从而解决了通信系统大容量高需求与有限频带资源之间的矛盾。MIMO技术扩展了一维智能天线技术，是无线通信领域智能天线技术的重大突破。其具有极高的频谱利用率，能在不增加带宽的情况下成倍地提高无线通信系统的容量，且大大增强了信道的可靠性，是新一代无线通信系统(Beyond 3G/4G)的核心技术之一。近些年来世界各国学者也对MIMO的理论、性能、算法和实现等方面进行了广泛的研究2。但是随着研究的深入，人们发现MIMO技术虽然有效消除了无线信道多径、时变衰落的影响，但是移动终端受体积、功率以及硬件复杂度等实现因素的制约，使用多天线几乎是不切实际的，这 MIMO技术的广泛应用3。1998年，Sendonaris等人在文献4提出了一种新的空间分集技术协同MIMO(Cooperative MIMO，也称虚拟MIMO)。其基本原理是多用户环境中的单天线用户，在传输自身信息的同时还可以传输所检测到的临近用户的信息。实际上，协同MIMO就是利用这点使各单天线用户共享其终端的天线，从而在用户和基站之间建立多条虚拟的衰落信道，以此来达到空间分集增益。协同MIMO克服了传统MIMO技术的限制，为MIMO技术走向实用化道路提供了新的思路5。然而，协同MIMO在用户距离基站较远时，速率的提高仍然受到制约。为了提高小区边缘用户的传输性能，一些学者认为可以把中继技术引入到无线协同通信系统中。协同中继通信系统的关键点是将网络中部分节点作为中继节点以有效地转发源节点的信息。中继通信技术的引入可以追溯到上个世纪的七十年代早期Cover和Gamal关于中继信道的信息理论特性的研究。他们在假定所有节点工作在相同频带的情况下分析了一个三节点网络的容量，将系统分解为了一个广播信道和一个多址信道(分别从源节点和目的节点来看)。他们的研究为中继通信技术奠定了理论基础，促进了协同中继通信的发展。在无线协同网络中，任意节点都可以既作为源节点又作为中继节点。然而传统的中继节点一般只用来转发用户的信息，同时为了支持多用户，常采用频分、时分的方式来进行转发，这大大降低了资源的利用率，使中继成为无线网络传输的主要瓶颈。而网络编码技术允许中继节点对所接收到的信息进行一定的信号处理之后再转发出去，有效地提高了中继节点的转发能力和网络的容量，解决了无线通信网络的中继传输瓶颈问题3,5。1.2网络编码的研究背景网络编码是通信领域的重大突破，近年来网络编码技术作为提高网络传输速率的有效手段已经受到了国内外研究学者的普遍关注。网络编码技术源于1956年Shannon在“A Note on the Maximum Flow Through a Network6”一文中所指出的：通信网络中端对端的最大信息流，是由网络有向图模型中的最小割所决定的。但是由于传统的路由器的存储转发模式根本无法达到Shannon最大流-最小割定理所规定的最大流容量，因此，Shannon所提出的这一理论上限一度处于停滞状态。2000年，香港中文大学的R.Ahlswdee等人发表了“Network Information Flow7”一文，创造性地提出了网络编码的概念，把编码与路由有机地结合了起来，建立了一个全新的网络结构体系，使得Shannon所提出的网络容量的理论上限成为了可能。2003年，李硕彦、蔡宁和杨伟豪等人发表“Linear Network Coding 8”一文，指出通过线性网络编码可以在线性范围内实现理论容量的上限，这为网络编码的应用奠定了理论基础。2006年，国际上第一部网络编码的专著正式出版。2007年，李硕彦和杨伟豪教授发起并主办了首届网络编码顶级学术会议NetCode2007。而且2011年，网络编码的国际顶级学术会议NetCode2007也将在北京举行。目前，网络编码的研究也正试图转向实用化。网络编码还可以与其他的通信技术相结合，从多个角度对网络进行优化。网络编码具有很高的理论价值和应用价值，是国内外的最新研究课题。1.3物理层网络编码的发展在无线链路的物理层，所有的数据都是通过电磁波进行传输的。无线媒介的广播特性使得一个接收节点可以同时接收到多个不同节点所传送的信息，这势必会引起信号间的干扰，从而影响网络的吞吐量。因此，大多数通信系统都致力于减少或避免干扰。2006年，香港中文大学的S.Zhang等人提出了一种处理电磁波信号接收和调制的物理层网络编码(PNC) 9，认为可以利用干扰来提升网络的吞吐量。其核心思想是：通过在中继节点处应用恰当的调制解调技术，将电磁波信号的叠加映射到数据比特流叠加的伽罗华域(GFNC)中，使干扰变成了网络编码算法中的一部分。这一理论的提出为进一步提高无线网络的吞吐量提供了新的思路，从2007年开始，物理层网络编码的研究受到越来越多研究学者的关注3, 5,10。2008年，Tairan Wang 等人又提出了一种物理层的网络编码方法复数域网络编码，并且研究表明：比起GFNC和PNC，复数域网络编码能够达到更高的吞吐量，且能在多用户检测条件下实现最大分集增益，更适合应用于无线网络。这一网络编码方法的提出，使得网络编码的研究变得更加有意义。 第二章：分集技术无线通信的质量取决于链路上的信号强度，而路径的损耗、障碍物的影响以及天气情况的变化都会影响信号的传播，使信道处于深度衰落的状态，从而造成通信的错误甚至中断。衰落是影响无线通信质量的主要原因，其中快衰落的深度可达3040dB，因此要想通过增加发射机的功率(100010000倍)或者增加天线的尺寸、高度等方法来抑制这种深度衰落是不切实际的，而且还可能会给其它的电台造成干扰。目前，能够有效减轻衰落的技术就是对独立的衰落信号进行分集合并。分集就是在独立的衰落信道上传输相同的数据，由于独立路径同时经历深度衰落的可能性很小，经过适当的合并处理之后，接收信号的衰落程度就会被减小。分集技术在不增加发射机功率和信道带宽的情况下充分利用传输中的多径信号能量，提高了系统的接收性能，从而大大提升了多径衰落信道下的传输可靠性1,2。2.1分集技术的分类分集有两层含义，一是分散传输，二是集中处理。为了在接收端得到几乎相互独立的不同路径，可以通过空域、频域或时域的不同角度、不同方法来实现。因此，分集技术研究的是利用信号在时域、频域和空域中的基本参量，如何将其分散开又收集起来的技术。分集技术可以分为显分集和隐分集两大类。其中显分集是指利用多根天线来接收信号的分集，其构成了明显的分集。显分集又分为宏分集和微分集，时间分集、频率分集、角度分集、场分量分集、多径分集、空间分集、极化分集等都属于微分集。而隐分集是指只利用一副天线来接收信号的分集，分集被隐含在传输信号之中。隐分集需要接收端利用信号处理技术来实现分集接收，又可以分为交织编码技术、调频技术、直接扩频技术等2。2.2分集技术本节介绍几种常用的分集技术：(1)时间分集：快衰落除了具有空间独立性和频率独立性之外，还具有时间独立性，即当以大于相干时间的时间间隔重复传输同一信号次，那么各次发送信号所呈现的衰落性能将会是彼此独立的，则可以得到条独立的分集支路。接收机将重复收到的同一信号进行合并，以减弱衰落的影响。时间分集技术一般在信道相干时间较小的快衰落信道中应用的比较多。该技术的缺点是频带利用率比较低。【原文已删除，如需完整论文，加QQ：10247336详谈】【通信工程本/专科毕业论文修改与拟稿组】4.5 本章小结 本章研究了一种物理层网络编码方法复数域网络编码(CFNC)，并分析了其在、型和型无线协同网络中的性能。研究表明CFNC方法具有可观的传输速率以及分集方面的特性，在任何信噪比(SNR)和星座图下，使用最大似然(ML)多用户检测，CFNC方法所能达到的吞吐量和分集阶数比目前的网络编码方案