超高速毫米波無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)中繼關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著通信技術(shù)產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，人們對(duì)超高速無(wú)線(xiàn)多媒體應(yīng)用的需求日益強(qiáng)烈?，F(xiàn)有工作在10GHz以下微波頻段，僅能支持兆比特每秒級(jí)信息傳輸速率的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)已難以滿(mǎn)足人們對(duì)無(wú)線(xiàn)多媒體業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量的要求。此外，微波頻段帶寬已被現(xiàn)存大量通信業(yè)務(wù)消耗殆盡，頻譜資源異常匱乏，同頻干擾問(wèn)題嚴(yán)重。目前尚未得到充分開(kāi)發(fā)和利用的30～300GHz毫米波頻段的頻譜資源相當(dāng)充裕，該波段勢(shì)必成為下一代超高速無(wú)線(xiàn)空中接口的理想載波頻段。特別地，具有多達(dá)5～7GHz連

2、續(xù)免許可帶寬的60GHz頻段以其得天獨(dú)厚的帶寬優(yōu)勢(shì)得到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。然而，60GHz無(wú)線(xiàn)電波處于大氣吸收“窗口”之一且穿透固態(tài)物體的能力差。在通信質(zhì)量保持不變的情況下，會(huì)嚴(yán)重限制系統(tǒng)的傳輸距離;在傳輸距離保持不變的情況下，易造成通信質(zhì)量惡化，甚至信息傳輸中斷。然而，基于多跳傳輸方式的協(xié)作中繼技術(shù)被公認(rèn)為是一種能夠有效補(bǔ)償無(wú)線(xiàn)電波傳輸損耗的先進(jìn)技術(shù)。因此，只有融合協(xié)作中繼技術(shù)，60GHz毫米波無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)才能充分發(fā)揮帶寬優(yōu)勢(shì)

3、，實(shí)現(xiàn)超高速傳輸。值得注意的是，60GHz毫米波無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)面向的新應(yīng)用場(chǎng)景以及對(duì)設(shè)備硬件成本代價(jià)提出的新挑戰(zhàn)，造成現(xiàn)有微波通信系統(tǒng)協(xié)作中繼技術(shù)不再適用。因此，作為協(xié)作中繼系統(tǒng)核心的中繼站點(diǎn)選擇、中繼功率分配以及中繼波束賦形技術(shù)成為亟待解決的重要難題。
　　因此，本論文在充分調(diào)研60GHz毫米波無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)新特性的基礎(chǔ)上，圍繞采用放大轉(zhuǎn)發(fā)和解碼轉(zhuǎn)發(fā)方式、站點(diǎn)配置單天線(xiàn)和多天線(xiàn)陣列的協(xié)作中繼系統(tǒng)，研究了中繼站點(diǎn)選擇、中繼功率分配和中

4、繼波束賦形矢量設(shè)計(jì)等問(wèn)題。本文的主要研究工作及創(chuàng)新性成果如下:
　　(1)為增強(qiáng)60GHz毫米波無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)/無(wú)線(xiàn)個(gè)域網(wǎng)(Wireless Local Area Networks/Wireless PersonalArea Networks, WLANs/WPANs)中直接傳輸和協(xié)作中繼傳輸并存應(yīng)用場(chǎng)景的通信質(zhì)量，提出一種單中繼站點(diǎn)選擇算法。該算法通過(guò)設(shè)計(jì)的波束訓(xùn)練信息上報(bào)機(jī)制判定并區(qū)分直接傳輸和協(xié)作中繼傳輸，采用Kuhn-Munk

5、res算法為非視線(xiàn)(Non-Line-of-Sight，NLoS)源站點(diǎn)-目的站點(diǎn)鏈路從處于視線(xiàn)(Line-of-Sight，LoS)路徑上的候選中繼中選出系統(tǒng)信道容量最大化的最優(yōu)中繼站點(diǎn)并進(jìn)行數(shù)據(jù)放大轉(zhuǎn)發(fā)。針對(duì)不同遮擋概率和目標(biāo)數(shù)據(jù)速率門(mén)限，通過(guò)理論推導(dǎo)和仿真試驗(yàn)兩種方式評(píng)價(jià)該算法信道容量和中斷概率性能。仿真結(jié)果表明，該算法能夠有效排除NLoS路徑上的候選中繼站點(diǎn)，降低系統(tǒng)中斷概率，擴(kuò)大全網(wǎng)信道容量。
　　(2)為滿(mǎn)足60GHz

6、毫米波WLANs/WPANs組播業(yè)務(wù)用戶(hù)體驗(yàn)指標(biāo)，提出最小化組播組中最大源站點(diǎn)-中繼站點(diǎn)功耗之和的方案，并為該方案實(shí)現(xiàn)中繼選擇和功率分配的聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì)。該算法通過(guò)設(shè)計(jì)的組播波束訓(xùn)練協(xié)議反饋的信道特征等傳輸參數(shù)區(qū)分并判定LoS和NLoS路徑，以組播組中最大源站點(diǎn)-中繼站點(diǎn)功耗之和最小化為目標(biāo)函數(shù)，在組播組中所有通信鏈路中斷概率以及所有源站點(diǎn)-中繼站點(diǎn)鏈路發(fā)射功率之和滿(mǎn)足限制條件的前提下，建立聯(lián)合中繼選擇和功率分配問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型，采用松弛技

7、術(shù)、庫(kù)恩-塔克條件以及拉格朗日乘子法，為NLoS鏈路實(shí)現(xiàn)最優(yōu)中繼站點(diǎn)選擇的同時(shí)最小化源站點(diǎn)-中繼站點(diǎn)發(fā)射功率之和，并給出最優(yōu)解的封閉表達(dá)式。通過(guò)仿真試驗(yàn)對(duì)不同參數(shù)配置下的網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行了對(duì)比分析，研究信噪比門(mén)限變化對(duì)網(wǎng)絡(luò)功耗和中斷概率的影響。仿真結(jié)果表明，提出算法能夠有效保障組播組中用戶(hù)服務(wù)的公平性，并大大改善系統(tǒng)能耗和中斷概率表現(xiàn)。
　　(3)為克服IEEE802.11 ad(11 ad)和IEEE802.15.3c(15.3c)

8、標(biāo)準(zhǔn)中波束訓(xùn)練過(guò)程時(shí)延大的缺點(diǎn)，提出一種基于隨機(jī)逼近優(yōu)化算法的聯(lián)合收發(fā)波束切換方法。該方法基于兩階段搜索模式，由最優(yōu)扇區(qū)索引迭代搜索最優(yōu)精細(xì)波束索引，在既定碼本范圍內(nèi)尋找全局最優(yōu)解。根據(jù)既定波束碼本與信號(hào)到達(dá)方向之間存在的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)設(shè)置有效初值的方式提升迭代性能;采用直接最優(yōu)波束搜索的方式減少搜索次數(shù)，改善搜索效率。仿真結(jié)果表明，該算法較11ad和15.3c標(biāo)準(zhǔn)中的波束訓(xùn)練協(xié)議能有效減小波束搜索時(shí)延，降低算法復(fù)雜度，減少系統(tǒng)功耗

9、，提升波束訓(xùn)練精度的自適應(yīng)性和系統(tǒng)的穩(wěn)健性。
　　(4)為實(shí)現(xiàn)60GHz毫米波WLANs/WPANs多用戶(hù)通信系統(tǒng)天線(xiàn)陣列增益和硬件成本之間的折中，提出一種適用于協(xié)作中繼系統(tǒng)、低功耗、低硬件成本代價(jià)的聯(lián)合收發(fā)模擬數(shù)字混合波束賦形協(xié)議。該協(xié)議基于小型移動(dòng)用戶(hù)站點(diǎn)和大型固定中繼站點(diǎn)之間非對(duì)稱(chēng)的收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)，采用迭代方式進(jìn)行波束訓(xùn)練。在獲得用戶(hù)站點(diǎn)波束旋轉(zhuǎn)矢量以及中繼站點(diǎn)混合波束賦形矢量中模擬分量之后，中繼站點(diǎn)通過(guò)數(shù)字基帶接收權(quán)重矢量加權(quán)