【摘要】：5G時代的到來,是對LTE歷史一次重大模式轉(zhuǎn)變,包括超大帶寬的載頻,極大的基站和設(shè)備密度以及不可計數(shù)的天線數(shù)量。和之前的2G,3G,4G不同的是,5G需要將所有新的5G空中接口和頻譜與WiFi和LTE相結(jié)合,以達(dá)到網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一高度覆蓋和無縫的用戶體驗。要達(dá)到這一目標(biāo),則要求核心網(wǎng)具有高度的靈活性與智能化,頻譜效率以及能量效率的大幅提升。全雙工技術(shù)和能量收集技術(shù)分別可以提高網(wǎng)絡(luò)整體的頻譜效率和能量效率。全雙工通信相比較于傳統(tǒng)的半雙工通信具有近兩倍的信道容量,可以為完成和維持5G技術(shù)的演進(jìn)提供中繼模式更加靈活,更加密集的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。另一方面,較之傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)中通過給無線設(shè)備更換電池以延長網(wǎng)絡(luò)壽命,能量收集技術(shù)能夠從環(huán)境甚至RF信號中收集能量,提高網(wǎng)絡(luò)的能量效率,從而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的自維持。為提高無線網(wǎng)絡(luò)的頻譜效率以及利用多中繼帶來的分集增益,本文首先研究了兩跳全雙工多中繼系統(tǒng)。為了利用全雙工帶來的高頻譜效率以及減小全雙工設(shè)備產(chǎn)生的自干擾,該系統(tǒng)中中繼采用解碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議,從所有中繼中選擇單個最佳解碼中繼幫助傳輸信源信號到目的端,與此同時,信源廣播新的信號,所有中繼,包括上一時隙中已經(jīng)被選擇的最佳中繼,嘗試解碼這一新信號。在同時考慮到中繼間干擾和自回環(huán)干擾的情況下,采用基于馬爾科夫鏈的分析模型準(zhǔn)確分析全雙工多中繼網(wǎng)絡(luò)的中斷概率,仿真結(jié)果證明了全雙工網(wǎng)絡(luò)的趨近滿分集增益。此外,為了實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)能量自維持,本文進(jìn)一步研究了能量收集技術(shù),無線功率傳輸技術(shù)在多中繼協(xié)作通信系統(tǒng)中的應(yīng)用,在提出的無線攜能多中繼網(wǎng)絡(luò)模型中,多個中繼終端,沒有電網(wǎng)供電,隨機分布在一個特定的區(qū)域內(nèi),從源端發(fā)射的信號中收集能量,并利用收集的能量解碼轉(zhuǎn)發(fā)信號。每個中繼采用功率分配架構(gòu)集能,即從源端收到的信號被分為兩部分,分別用于集能和信號解碼。之后,根據(jù)提出的不同的中繼選擇方案選擇一個或多個最佳中繼將信號發(fā)送到目的端�？紤]到中繼在空間分布上的隨機性以及能量的因果性,本文利用隨機幾何分析協(xié)作多中繼系統(tǒng)端到端的中斷概率,在此基礎(chǔ)之上,分析并得到高信噪比情況下的漸進(jìn)值。仿真結(jié)果表明在中繼選擇時,相比較于隨機中繼選擇,掌握的信息越多,例如中繼的位置,中繼電池儲能狀態(tài),系統(tǒng)的可操作性以及通信質(zhì)量都會得到顯著提升。本文將全雙工技術(shù)以及能量收集技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)協(xié)作通信系統(tǒng)中,并通過詳細(xì)分析系統(tǒng)中斷概率等多種性能指標(biāo),為提升傳統(tǒng)移動通信網(wǎng)絡(luò)的頻譜效率,能量效率,增強通信質(zhì)量提供了重要的理論依據(jù)和行之有效的方案。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN929.5
【圖文】：

技術(shù)做簡要介紹。全雙工自干擾抑制相比較與傳統(tǒng)半雙工技術(shù)利用正交信道進(jìn)行信號的發(fā)送和接收，全雙工通過多技術(shù)能實現(xiàn)信號在單個信道中同時發(fā)送和接收，從而實現(xiàn)了鏈路容量倍增，有免了頻譜資源的浪費。然而正是由于全雙工設(shè)備對信號的同時收發(fā)，如圖 2.1 所接收天線接收信號由目標(biāo)信號，發(fā)射天線發(fā)射信號以及附近散射體發(fā)射的信號。因此，接收天線會同時收到來自兩處的干擾，一是來自自身發(fā)射天線直接擾，另外則是來自障礙物/散射體反射鏈路的間接干擾，在此兩種干擾中，由于工設(shè)備中發(fā)射天線與接收天線距離很近，信號遭受的的損耗不大，故而干擾會，故而自回環(huán)干擾往往占主導(dǎo)地位。為有效抑制全雙工設(shè)備的自干擾，目前主兩種自干擾消除技術(shù)（SIC），即被動自干擾消除和主動自干擾消除[72]。

圖 3.1 中繼個數(shù)為 N 的全雙工多中繼系統(tǒng)模型如圖 3.1 所示，在本章中我們考慮了一個兩跳全雙工多中繼網(wǎng)絡(luò)模型，該模中繼個數(shù)為 N ，所有中繼 Ri， i 1 ,2, ,N 采用解碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議。由于源端 S 和目的端 D 的距離往往比較遠(yuǎn)，信道較差，所以一般可以將直路 S-D 忽略不納入考慮范圍。為了著重分析全雙工多中繼系統(tǒng)的性能分析，我為該網(wǎng)絡(luò)模型為對稱網(wǎng)絡(luò)，中繼信道 S-Ri和 Ri-D 服從瑞麗分布，且兩者是獨立布的。我們用s,ih ，i ,dh 分別表示信道 S-Ri和 Ri-D 的信道系數(shù)，因為兩者均服從分布，所以有 1,i ,0,s s rh 1, ,0,i d r dh 。進(jìn)而兩個信道的功率增益服從分布，即 2, , ,exps i s i s r h ， 2, , ,expi d i d r d h 。在該全雙工多中繼系統(tǒng)中，每個時隙t源端S都會廣播一個新的信號 sx t ，N 個中繼嘗試解碼該信號，為了簡化，我們假設(shè)每一時隙源端的發(fā)射功率相同為 。信道中的噪聲為加性高斯白噪聲，用 , , n r d表示，其均值為 0，方

上個時隙中繼的解碼狀態(tài)緊密相關(guān)的。個例子，在第 t 狀態(tài)為1的條件下，即存在解碼中繼能解碼信號 sx t ，這以選擇出一個最佳中繼用于將 sx t 傳送到目的端，這樣，在嘗試解碼源端信號 1 sx t 時，上一時刻選出的最佳中繼 Rb會受到來自本身發(fā)射天線的而其他中繼就會受到該最佳中繼的中繼間干擾。另一方面，當(dāng)?shù)?t 時隙狀態(tài)沒有中繼能夠解碼信號 sx t ，繼而在嘗試解碼信號 1 sx t 時，如公式（所有中繼都不會受到干擾的影響。這就意味著，在第 t 時隙，中繼對信號 sx狀況會導(dǎo)致中繼在第（t+1）時隙解碼信號 1 sx t 時出現(xiàn)不同的情況，這碼后一信號對前一信號的解碼情況存在依賴關(guān)系。為了將這種前后依賴關(guān)，本文提出了兩個狀態(tài)的馬爾科夫鏈[87], [88]用于描述在連續(xù)時隙內(nèi)狀態(tài)1之間的狀態(tài)轉(zhuǎn)移。如圖 3.2 所示。

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