旋转准正交空时异步协同通信系统探究

安徽工业大学毕业设计(论文)说明书共III页第I页┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊旋转准正交空时异步协同通信系统探究通信工程黄晓敏089064297指导教师：倪梁方副教授摘要近些年来，人们对无线通信系统的信道容量和可靠性的要求越来越高，而异步协同通信系统可以利用移动自组织网的自身结构，并结合空时编码技术，实现类似于多天线系统的性能增益，满足了人们的需求，使得它受到了广泛的关注。本文将旋转准正交空时分组码应用到异步协同通信系统中，使得无线通信系统的信道容量和可靠性能在很大程度上得到提升。首先，简要阐述了异步协同通信系统的分集增益技术和性能要求，扼要的分析了Alamouti方案的特点。其次，探讨了旋转准正交空时码的编译码方案，并分析了码字的性能。再次，在介绍了协同通信系统性能要求的前提下，构建了基于旋转准正交空时分组码的异步协同通信系统；该系统的信源节点从信号星座集合中选择一半的调制符号，然后将信号星座集合旋转一个最佳相位后，再从中选出另外一半的调制符号，然后构造OFDM帧，用来克服信号的时延。在中继节点上，利用基于TBH方案的旋转准正交空时分组码，构造频域上的发送信号矩阵。这样，就能使目的节点收到的信号具有RQSTBC码字结构，从而使得码字能够实现快速成对最大似然译码。随后，在MATLAB中进行了仿真并对仿真结果进行了分析。最后，讨论了其研究状况和发展方向。关键词：异步协同通信；分集；最大似然译码；空时分组码；信号星座安徽工业大学毕业设计(论文)说明书共III页第I页┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊AbstractRecently,withthegrowthofthechannelcapacityandreliabilityinthewirelesscommunicationsystemsrapidly,theasynchronouscooperativecommunicationsystemwhichtakesadvantageofthemobileAdHocnetworkandcombineswithspace-timecodingtechniquecanachievemulti-antennasystemperformancegainssothatitmeetstherequires,thusitattractsalotofattention.Inthispaper,therotatedquasi-orthogonalspace-timeblockcodesisappliedtoasynchronouscooperativecommunicationsystem.First,itshowsthebriefdescriptionofthediversitygaintechniqueandperformancerequirementsoftheasynchronouscooperativecommunicationsystem,thenconciseanalysisofthecharacteristicsoftheAlamoutischemeisgiveninthispaper.Second,weexploretherotatedquasi-orthogonalspace-timeencodinganddecodingscheme,andanalyzetheperformanceofthecodewords.Third,aftertheintroductionoftheperformancerequirementsofthecooperativecommunicationsystem,thispaperconstructasynchronouscooperativecommunicationsystembasedonRQSTBC.Thesourceofthissystemselectshalfofthesymbolsfromasignalconstellationsetandtheotherhalfofthemfromthatconstellationrotatedwiththeoptimumangle.Then,itconstructsorthogonalfrequencydivisionmultiplexing(OFDM)framestocounterbalancetimedelaysofthesignals.Relayscreatethefrequencydomainquasi-orthogonalspace-timeblocktransmittedsignalsmatrixinsuchawaythatitsitemsarestaggeredtotakeontheTBHcodestructure.ThesestagesletthereceivedsignalsatthedestinationtakeonRQSTBCstructure,whichresultsinthefastsymbol-pair-wisemaximumlikelihood(ML)decoder.Subsequently,simulationresultsareanalyzedinMATLAB.Finally,wediscusstheresearchstatusanddirectionofdevelopment.Keywords:asynchronouscooperativecommunication;diversity;MLdecoder;STBC;signalconstellation安徽工业大学毕业设计(论文)说明书共39页第1页┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊第一章绪论1.1引言虽然无线通信在近二十年来获得了迅猛的进步，但人们对无线多媒体通信业务的需要不断增长，也就要求了下一代无线通信系统需要提供更高的传输速率和更可靠的传输性能。在频谱资源日趋紧张的背景下，多输入多输出（MultipleInputMultipleOutput，MIMO）系统由于能够显著提升系统的传输性能和频谱效率，已经受到了广泛的关注。然而，移动终端的体积、功率限制或者传播环境不能满足MIMO传输的要求，大大制约了多天线系统的实际应用。为了克服MIMO应用的限制，必须探讨超越传统点对点通信的新技术。将协作的思想引入通信领域，相比之前的点对点通信带来了一个崭新的研究领域,其思想在通信领域中具有非常广阔的应用前景。利用协作技术，能够切实地利用空间资源来提高通信系统的性能：包括提升系统容量、增大数据传输速率、有效对抗衰落以及降低系统的服务中断概率，提高系统的服务质量和可靠性。在这一章中，我们将简要介绍一下无线移动通信的发展历程，并在此基础上介绍移动自组织网的知识。1.2无线移动通信的发展无线通信技术从二十世纪二十年代开始吸引人们的注意，并开始逐步发展，在二十世纪七十年代进入蓬勃发展时期。随着人们对移动通信性能和业务的要求越来越高，如今，移动通信的发展和研究已经到了第四代移动通信技术。第一代移动通信系统是指最初的模拟、仅限语音的蜂窝电话标准，制定于上世纪80年代，采用的是模拟技术和频分多址(FDMA)技术。由于受到传输带宽的限制，不能进行移动通信的长途漫游，只能是一种区域性的移动通信系统。第一代移动通信有多种制式，我国主要采用的是TACS。第一代移动通信有很多不足之处，如容量有限、制式太多、互不兼容、保密性差、通话质量不高、不能提供数据业务和不能提供自动漫游等。第二代移动通信系统引入数字蜂窝移动通信系统，提供更高的网络容量，改善了话音质量和保密性，并为用户提供无缝的国际漫游。当今世界市场的第二代数字无线标准，包括GSM、D-AMPS、PDC和IS-95CDMA等，均是窄带系统。现有的移动通信网络主要以第二代的GSM和CDMA为主，采用GSM的GPRS和CDMA的IS-95B技术，数据提供能力达115.2kbit/s，全球移动通信系统（GSM）采用增强型数据速率（EDGE）技术，速率达384kbit/s。第三代移动通信系统（IMT-2000），以宽带CDMA技术为主,并能同时提供话安徽工业大学毕业设计(论文)说明书共39页第2页┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊音和数据业务，亦即未来移动通信系统。第三代移动通信系统一个突出特色就是，要在未来移动通信系统中，使得个人终端用户能够在全球范围内的任何时间、任何地点，与任何人，用任意方式、高质量地完成任何信息之间的移动通信与传输。主要技术标准有三种：欧洲的WCDMA系统、美国的CDMA2000系统和中国的TD-SCDMA系统。其主要特点可以概括为：1、全球普及和全球无缝漫游2、具有支持多媒体业务的能力，特别是支持Internet的能力3、便于过渡和演进4、高频谱利用率5、能够传送高达2Mbit/s的高质量图像第四代移动通信系统可称为宽带接入和分布网络，具有非对称的超过2Mb/s的数据传输能力。它包括宽带无线固定接入、宽带无线局域网、移动宽带系统和交互式广播网络。第四代移动通信可以在不同的固定、无线平台和跨越不同的频带的网络中提供无线服务，可以在任何地方用宽带接入互联网（包括卫星通信和平流层通信），能够提供定位定时、数据采集、远程控制等综合功能。此外，第四代移动通信系统是集成多功能的宽带移动通信系统，是宽带接入IP系统。它的主要指标：1、数据速率从2Mb/s提高到100Mb/s，移动速率从步行到车速以上。2、支持高速数据和高分辨率多媒体服务的需要。3、对全速移动用户能够提供150Mb/s的高质量影像等多媒体业务。1.3移动adhoc网络1.3.1移动adhoc网络的概述移动AdHoc网络（MobileAdHocNetwork，MANT）是一种与传统有基站无线网络相对应的无中心结构通信网，也被称为移动自组织网[1]。MANET由一组无线移动节点组成，是一种不需要依靠现有固定通信网络基础设施并能够迅速展开使用的网络体系，所需人工干预最少，没有任何中心实体、自组织、自愈的网络；各个网络节点相互协作，通过无线链路进行通信和交换信息，实现信息和服务的共享；网络节点能够动态的、随意的、频繁的加入网络和退出网络，而常常不需要事先示警或通知，而且很可能不会破坏网络中其它节点的通信。MANET节点可以快速移动，必须既作为路由器又作为主机，能够通过数据分组的发送和接收来进行无线通信。网络节点在网络中的位置是快速变化的，缺少通信链路的情况也是经常发生的MANET是对等网络。这是MANET与使用基站和固定基础通信设施的蜂窝网络之间的一个重要区别。MANET中，任何两个节点之间的无线传播条件受制安徽工业大学毕业设计(论文)说明书共39页第3页┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊于这两个节点的发射功率，当这个无线传播条件足够充分时，这两个节点之间就可直接进行通信。如果源节点和目的节点之间没有直接的链路，那么就使用多跳路由。在多跳路由中，一个分组从一个节点转发到另一个节点，直到该分组到达目的节点为止。为了在源节点和目的节点之间寻找路由，甚至为了存在还是不存在一条至目的节点的路由，合适的路由协议是必须的。因为在MANET中没有中心单元，所以必须使用分布式协议。MANET作为数据通信网络，是一种能够在任意通信环境下迅速展开使用的、能够对网络拓扑变化作出及时响应的通信网络。因为MANET是打算在任何地方都可以使用，所以可能就不考虑原有的网络基础设施。因此，MANET中的移动节点很可能是该网络中的唯一组成单元。不同的、随时间和位置而变化的移动模式和电波传播条件可能会导致MANET中相邻节点之间的连接断断续续、零散。其最终结果就是MANET是一个时变的网络。总结一下，MANET具有如下特点：1）最小化的基础设施支持2）自组织和自管理。既然网络基础结构是