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基于QRD和SIC检测的多入多出中继网络分布式波束形成方案

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上海交通大学学报 2012年第11期46卷 1826-1832页

作者：黄自立蒋铃鸽何晨上海交通大学电子信息与电气工程学院上海200240

考虑多天线多中继两跳半双工无线网络,基于AF协议提出了RZF和IRZF-MF 2种分布式波束形成方案.在中继节点,前者使用RZF技术进行接收和发射波束形成,后者分别使用IRZF和MF技术进行接收和发射波束形成.仿真结果显示,在瑞利信道下,2种方案... 详细信息

考虑多天线多中继两跳半双工无线网络,基于AF协议提出了RZF和IRZF-MF 2种分布式波束形成方案.在中继节点,前者使用RZF技术进行接收和发射波束形成,后者分别使用IRZF和MF技术进行接收和发射波束形成.仿真结果显示,在瑞利信道下,2种方案与现有的MF-RZF方案性能相当;而在莱斯信道下,文中RZF方案性能最优,但需要较高的计算复杂度.相对于除RZF方案的其他方案,IRZF-MF实现了系统容量增益,并且其计算复杂度低于RZF方案.

关键词：多输入多输出放大转发中继分布式波束形成正则化迫零预编码 QR分解

频率选择性信道中的多用户分布式波束形成技术

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电子与信息学报 2015年第11期37卷 2664-2671页

作者：张立陈海华何明孙桂玲南开大学电子信息与光学工程学院天津300071

该文研究频率选择性信道中多用户点对点分布式中继网络波束形成技术。为了均衡源节点与中继节点以及中继节点与目标节点之间的频率选择性信道,该文提出的波束形成技术在中继节点上采用有限长响应滤波器和滤波而后转发的中继数据传输方法... 详细信息

该文研究频率选择性信道中多用户点对点分布式中继网络波束形成技术。为了均衡源节点与中继节点以及中继节点与目标节点之间的频率选择性信道,该文提出的波束形成技术在中继节点上采用有限长响应滤波器和滤波而后转发的中继数据传输方法,以最小化中继节点的发射总功率为目标,同时满足所有目标节点的服务质量(Qo S)。该波束形成优化问题的直接形式由于其非凸性而难以求得最优解。该文采用半定松弛(SDP)方法将其近似为凸优化问题,进而可以用内点法高效快速求解。仿真结果表明,相较于传统的放大而后转发的波束形成技术,所提波束形成方法能有效提高频率选择性信道中多用户中继网络的性能。

关键词：分布式波束形成滤波转发频率选择性中继网络

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星间链路分布式波束形成同步技术研究

星间链路分布式波束形成同步技术研究

作者：张永刚国防科技大学

学位级别：硕士

随着空间任务需求的不断复杂化,航天系统发展从单星应用模式向星座和网络化应用模式逐步转变。通过星间链路可以实现卫星之间的信息传输和精密测量,将多颗卫星互联成为空间通信与测量网络。但是星间链路载荷属于功率体积受限系统,普遍... 详细信息

随着空间任务需求的不断复杂化,航天系统发展从单星应用模式向星座和网络化应用模式逐步转变。通过星间链路可以实现卫星之间的信息传输和精密测量,将多颗卫星互联成为空间通信与测量网络。但是星间链路载荷属于功率体积受限系统,普遍天线增益低、传输能力弱。面向感知通信协同任务时单节点星间链路系统往往难以胜任远距离高带宽通信需求,成为协同任务瓶颈点环节。为了在不增加星间链路发射功率情况下实现更高的性能,可以考虑将分布式波束形成技术应用于星间链路设计中。分布式波束形成技术通过在空间分散的卫星同时发送一个公共消息并控制其相位,使得这些卫星天线能够形成定向波束,从而大大增强指向接收卫星方向的通信距离并可以抑制干扰,保障了卫星远距离通信所需的功率和增益。本文在充分调研弹性分散式空间系统和马赛克技术在空间领域发展的基础上,对星间链路分布式波束形成同步技术进行全面概述。首先建立星间链路中分布式波束形成的几何模型;然后重点研究了分布式波束形成中的相位同步方法即弱比特反馈算法,揭示了算法的统计模型,并通过理论证明了算法在星间链路中的可行性;最后将分布式波束形成理论应用于星间链路中,讨论了分布式波束形成的限制条件,分析了其波束图案特性和相位误差对接收端增益的影响。本文设计了一种星间链路分布式波束形成系统同步方案。考虑到具体的实现,将分布式波束形成问题分为两个子问题:频率同步问题和相位同步问题。关于频率同步,设计了主从架构用于频率锁定,并提出了两种低复杂度的技术用于频率同步;关于相位同步,针对静止信道下经典弱比特反馈算法收敛速度慢的特点,提出了自适应误差反馈控制算法。针对卫星环境多普勒频率变化大的特点,研究了时变信道模拟算法,并提出了二比特反馈算法。同时,在STK/MATLAB软件平台上对提出的算法进行仿真。仿真分析显示二比特反馈算法在不同信道变化条件下适应性更强,收敛速度更快,合成效率更高,该算法简单易行,适用于卫星节点较多、可扩展性要求较高的星间链路环境。最后对设计的星间链路分布式波束形成算法进行试验验证。通过软件无线电平台USRP和MATLAB软件搭建了分布式波束形成试验平台,给出了软硬件协同设计方法,设计了软件接口模型和系统的信号流程,测试了星间链路分布式波束形成算法。试验结果表明,本文提出的星间链路分布式波束形成算法可以快速实现传输信号的相干叠加,并且具有较强的鲁棒性和可扩展性。在多节点共享时钟下,实际合成效率能够达到理想值的百分之九十,两个发射节点的合成功率是单个发射节点功率的3.7倍,极大地提高了通信距离。本文的工作主要集中试验平台搭建,算法的优化和数学模型仿真等方面,对星间链路分布式波束形成算法的核心问题进行分析,并提出了简单易行的解决方案,最后通过试验证明该算法是确实可行的。

关键词：星间链路分布式波束形成软件无线电弱比特反馈算法

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基于阵列网络的分布式波束形成算法研究

基于阵列网络的分布式波束形成算法研究

作者：李菁华电子科技大学

学位级别：硕士

波束形成在雷达、无线通信、声纳、声学等领域得到了广泛的应用。近年来,随着无线传感器网络技术和嵌入式技术的快速发展,基于阵列网络的分布式协同波束形成这个较新的课题引起了越来越多的学者的关注。通过将分布式自适应信号处理技术... 详细信息

波束形成在雷达、无线通信、声纳、声学等领域得到了广泛的应用。近年来,随着无线传感器网络技术和嵌入式技术的快速发展,基于阵列网络的分布式协同波束形成这个较新的课题引起了越来越多的学者的关注。通过将分布式自适应信号处理技术应用到阵列网络中,能够相较于集中式信号处理技术,具有更加良好的扩展性、扩散性、稳健性等特性。本文以基于阵列网络的分布式波束形成算法为研究课题,从自适应组合系数、降秩技术、张量分解等方向开展研究,主要研究内容分为以下三个部分。（一）针对分布式扩散策略已有的固定组合系数的组合机制对网络中信号和噪声统计量的空间变化鲁棒性差的问题,本文基于已有的利用固定组合系数的分布式波束形成算法,推导了一种利用自适应组合系数的分布式波束形成算法。仿真实验证明,与已有的固定组合系数的组合机制相比,该自适应组合系数的组合机制能够提高分布式波束形成算法对信号和噪声统计量的空间变化的鲁棒性。（二）针对大规模阵列网络下,传统的分布式波束形成算法的收敛速度较慢的问题,以及期望信号的到达角快速发生变化时,传统的降秩波束形成算法的性能会恶化甚至失效的问题,本文将降秩的思想和分布式波束形成技术结合起来,推导了一种使用自适应组合矩阵进行组合的降秩分布式波束形成算法,并给出了两种自适应实现方案。仿真实验证明,所推导的分布式降秩波束形成算法能够在大规模阵列网络下,有效地提高算法的收敛速度,且能够在期望信号的到达角发生变化时,仍能够一直保证期望信号方向几乎为一的增益。（三）针对大规模阵列网络下,传统的分布式波束形成算法的收敛速度较慢,计算复杂度高以及通信代价大等问题,本文将张量的相关理论和分布式信号处理算法结合起来,并利用阵列具有的多线性平移不变性的结构,推导了一种基于阵列网络的分布式张量波束形成算法。与传统的分布式波束形成算法相比,分布式张量波束形成算法能够有效提高算法的收敛速度,减少计算复杂度以及阵列之间的数据通信量。

关键词：分布式波束形成自适应组合机制降秩交替优化张量

无线传感器网络中的分布式发射波束形成技术的研究

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无线传感器网络中的分布式发射波束形成技术的研究

作者：胡瑞东哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

无线传感器网络被广泛应用的同时,往往会受到传统的传感器-汇聚节点-基站结构的限制,特殊环境下汇聚节点不能布设,以至于网络无法适用。如何基于能量受限的传感器节点,建立与基站直接的通信链路,成为进一步推动无线传感器网络广泛应用... 详细信息

无线传感器网络被广泛应用的同时,往往会受到传统的传感器-汇聚节点-基站结构的限制,特殊环境下汇聚节点不能布设,以至于网络无法适用。如何基于能量受限的传感器节点,建立与基站直接的通信链路,成为进一步推动无线传感器网络广泛应用亟待解决的关键问题。波束形成是通过天线阵列的协作,形成定向功率增益,可显著提高通信性能。一般意义上,N元天线阵列能够形成2N倍的功率增益,意味着2N倍改善的信噪比,或者N倍扩展的通信范围。本文着眼于扩展通信范围,针对无线传感器网络中的分布式发射波束形成相关问题展开了研究。基本思想是将波束理论应用到无线传感器网络中,以传感器节点为阵元,形成“虚拟天线阵列”,获得定向功率增益,扩展通信范围。首先,作者在理论上分析了分布式波束的空间特征。讨论了在传感器网络中应用波束理论的限制条件;分析了随机分布传感器网络的分布式波束特征,给出了波束分布的数学结论;研究了不同相位误差水平下功率增益的统计特性。研究结论为分布式通信链路计算提供了理论参考。其次,针对实现分布式波束关键的步骤研究载波同步的方案设计。作者在充分研究典型性方案的优点和不足的基础上,设计了适用于大规模网络、远距离分布式波束形成的可扩展载波同步方案,仿真结果证明,该方案具有良好的可扩展性和抗噪声性能。最后,本文提出了基于分布式波束的传感器网络—飞艇通信链路设计方案,讨论了链路设计过程中需要考虑的具体问题。链路计算结果表明,Zig Bee协议BPSK通信方式下,通过传感器节点协作能够建立满足通信性能要求的上行链路;可扩展载波同步方案被应用在分布式波束通信链路设计过程中,实验结果验证了可扩展载波同步方案的适用性。分布式发射波束形成,可以建立传感器网络与基站的直接通信链路,扩展了通信范围,改善传感器网络的能耗效率,延长生命周期;还可以简化了网络结构,便于无线传感器网络快速布置,同时提高恶劣环境中网络的抗毁性和鲁棒性,增强了网络的生存能力。

关键词：无线传感器网络分布式波束形成波束特征载波同步链路设计

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基于分布式回复反射波束聚焦的无线能量传输

电子科技 2015年第8期28卷 1-3,7页

作者：何金梅王薪南京航空航天大学电子信息工程学院江苏南京210016

研究了一种基于分布式天线阵列波束聚焦的微波无线能量传输系统。该系统的能量发射端由两个四单元天线阵列组成,两个天线阵列相隔一定的距离,呈分布式摆放。天线阵列各单元接收到移动目标设备发来的导航信号后,根据回复式反射原理协同... 详细信息

研究了一种基于分布式天线阵列波束聚焦的微波无线能量传输系统。该系统的能量发射端由两个四单元天线阵列组成,两个天线阵列相隔一定的距离,呈分布式摆放。天线阵列各单元接收到移动目标设备发来的导航信号后,根据回复式反射原理协同产生聚焦于目标设备的功率波束。仿真结果表明,所设计的分布式回复反射波束聚焦系统能在一定范围内跟踪移动设备,并将无线能量准确地传送至移动设备所在位置。

关键词：无线能量传输回复式反射分布式波束形成导航信号

基于单比特反馈的分布式多点协作微波输能方法

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信号处理 2019年第4期35卷 720-726页

作者：林孟涵林则瑜王文杰西安交通大学

无线传感器和移动电子设备的普及推动了无线输能技术的研究,并随着近年物联网技术的发展,无线节点大幅增加,无线输能有了更广泛的应用空间。微波输能作为一种有效的无线输能方式,具有能量传输距离远的优势,而利用在无线通信上被广泛应... 详细信息

无线传感器和移动电子设备的普及推动了无线输能技术的研究,并随着近年物联网技术的发展,无线节点大幅增加,无线输能有了更广泛的应用空间。微波输能作为一种有效的无线输能方式,具有能量传输距离远的优势,而利用在无线通信上被广泛应用的分布式多点协作技术,还可在遮挡环境下输能,并能提升输能效率。但是目前已有研究通过各节点检测相位以进行协作,输能节点成本较高,难以通过增加节点数量以提升效率。为此本文提出使用单比特反馈方法,免去了复数乘除法计算,只检测幅度实现协作,在输能效率小幅下降的代价下大幅降低了各节点的硬件成本。通过仿真得出在64个全向节点下能达近5%的输能效率;实验验证在七个输能节点下可获得15.6dB增益。本文提出的低成本方案使得通过增加发射节点来提升输能效率变得可行。

关键词：无线输能微波输能多点协作分布式波束形成

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协作通信系统中的中继协作技术研究

协作通信系统中的中继协作技术研究

作者：廖春兰西安电子科技大学

学位级别：硕士

近年来,得益于协作分集技术具有有效提升系统的容量以及传输的可靠性等优势,它在学术界和工业界都得到了广泛关注。协作分集技术利用网络中分散各处的节点共享彼此之间的天线资源,从而形成一种分布式的多天线系统。这种多天线系统就被... 详细信息

近年来,得益于协作分集技术具有有效提升系统的容量以及传输的可靠性等优势,它在学术界和工业界都得到了广泛关注。协作分集技术利用网络中分散各处的节点共享彼此之间的天线资源,从而形成一种分布式的多天线系统。这种多天线系统就被称为虚拟多输入多输出(Multiple-Input-Multiple-Output, MIMO)系统,它突破了传统MIMO技术在配备多天线方面的限制,因此在很多无线通信网络中都具有非常广阔的应用前景。特别的,基于中继转发的协作分集技术还能够扩大网络的覆盖面积、增强边缘区域数据速率、覆盖阴影区域,是无线协作通信领域研究的热点之一。本文针对多中继协作通信系统中,中继如何进行协作的问题,分别从中继选择和分布式波束形成两个方面展开的研究,主要工作内容如下：首先,针对经典的三节点无线协作通信系统,在充分分析两个服从指数分布的变量的调和平均数的统计特性(概率密度函数PDF、累积分布函数CDF、矩量母函数MGF)的基础上,推导了系统的精确中断概率以及比特误码率的表达式。其次,针对多中继无线协作通信系统,提出两种联合功率分配中继选择算法。第一种以最大化接收端接收信噪比为目标函数建立优化问题,第二种以最小化系统消耗的总功率为目标函数建立优化问题。然后,根据得到的闭合形式最优解,分别给出联合功率分配中继选择算法。仿真结果显示本文提出的算法能够有效改善系统性能。最后,针对多中继无线协作通信系统,所有中继联合协作,组成虚拟的多天线系统,分析了两种分布式波束形成的方法。第一种方法,在接收速率满足特定门限的条件下,最小化中继节点处总发射功率,从而求得波束形成权矢量;第二种方法,分别在中继总发射功率受限和各中继发射功率分别受限的情况下,最优化接收端信噪比,从而求得波束形成权矢量。

关键词：协作通信放大转发协议中继选择分布式波束形成

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协同通信中的中继协作策略研究

协同通信中的中继协作策略研究

作者：黄自立上海交通大学

学位级别：硕士

近年来,随着无线通信技术的快速发展,人们对于无线通信的质量及性能提出了更高的要求。下一代无线通信系统不仅需要提高数据传输速率,还要确保系统能够满足不同媒体所要求的服务质量。无线信道衰落极大地限制了无线通信的性能,而分集技... 详细信息

近年来,随着无线通信技术的快速发展,人们对于无线通信的质量及性能提出了更高的要求。下一代无线通信系统不仅需要提高数据传输速率,还要确保系统能够满足不同媒体所要求的服务质量。无线信道衰落极大地限制了无线通信的性能,而分集技术则能很好地对抗无线信道衰落,基于分集技术出现了MIMO、协同通信等技术。MIMO技术是实现高数据速率、高传输质量和高系统容量的未来高速宽带移动通信系统的关键技术之一,具有广阔的应用前景,目前针对单纯MIMO系统的研究已日渐成熟。相对而言,协同通信能以较低的硬件复杂度获得分集增益,相关技术尚在快速发展中。对于协同无线通信系统,协同中继策略是目前研究的热点问题。本文在AF中继策略的基础上对单源单宿多中继半双工两跳MIMO无线网络的分布式中继策略进行了研究和分析。对于这样的中继网络,目前已有很多文献对其进行了分析,并提出了相应的分布式中继方案,其中包括在中继节点进行QR分解的中继方案:QR-P-QR、QR-P-ZF和ZF-P-QR,以及在目的节点进行QR分解的中继方案:MF和MF-RZF。本文首先对QR-P-QR、QR-P-ZF和ZF-P-QR三种方案进行研究和分析,分析可知,对于QR-P-ZF和ZF-P-QR方案,它们都没有充分利用MIMO多中继系统由多天线带来的自由度,这是因为QRD不是唯一的。但源节点各个天线和目的节点的各个天线之间的对应关系并不是一致的,通过行列置换,它们都还有进一步优化的空间,可进一步提升系统容量。因此,本文在QR-P-ZF和ZF-P-QR方案的基础上提出了两种基于行列置换的优化方案Permutation QR-P-ZF以及Permutation ZF-P-QR。其次,本文对MF和MF-RZF中继方案进行了研究和分析。仿真发现MF和MF-RZF两种分布式中继方案在瑞利信道条件下均表现出较优异的性能,但在莱斯信道下MF-RZF和MF方案的性能均有较大程度的降低。考虑到莱斯信道下这种特点,本文提出两种分布式中继波束形成方案RZF和IRZF-MF,其中RZF方案均使用RZF技术进行接收和发射波束形成,IRZF-MF方案则分别使用IRZF和MF技术进行接收和发射波束形成。最后分别在瑞利和莱斯信道条件下对两种方案进行仿真。仿真结果证明提出的两种方案同时适用于瑞利信道和莱斯信道。

关键词：协同通信中继放大转发分布式波束形成 QR分解连续干扰抵消置换