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54500字硕士毕业论文多天线背景下多媒体传输平台的研究与发展综述

论文类型:硕士毕业论文
论文字数:54500字
论点:天线,系统,信道
论文概述:

媒体信号特别是图像和视频信号在无线信道中的传输需求对通信系统的容量和可靠性提出了新的挑战,而多天线技术是一种的有效的解决方案。通过在发送端或(和)接收端配置多根天线,以及设计

论文正文:

第一章导言

 本章首先介绍多天线系统的性能优势、常用的编码方案以及系统设计中所面临的挑战,接着讨论多媒体无线通信系统存在的主要问题。在相关背景介绍之后,本章进而探讨国内外研宄现状,并分析其中存在的关键问题。本章的最后介绍了本文的主要工作和贡献,并且给出了本文的结构安排。
 1.1背景介绍1.1.1多天线系统当前,无线通信技术在全球范围内迅速发展。3G技术、宽带无线接入、Wi-n等无线通信技术的发展与使用将为用户提供更高速的无线接入与更快捷的信息流通。在这些以实现高质量和髙速率通信为目标的先进技术中,多天线技术是非常重要的一种。事实上,多天线技术被认为是下一代移动通信系统中的关键结构单元,并被广泛利用在各种高速率的无线系统和标准中,例如802.11n[l], WiMAX 和3GPPLTE。相比于传统的单输入单输出系统(SISO),多天线系统可以利用无线信道多径传播的固有特性来提高无线系统的可靠性,并获得更高的吞吐量和更远的传输距离[4~6]。多天线系统的性能依赖于合适的编码和信号收发方案的设计,而基于空时编码(Space-Time Coding) [7, 8]的空时通信是一种有效地利用多天线系统中多根发送或(和)接收天线的技术。空时编码对信号同时进行空间维度和时间维度上的编码,它在多天线空间上利用多根天线带来的空间自由度来提高无线通信系统的容量和可靠性;在时间上将不同信号使用相同天线在不同时隙内发射,使接收端可以分集接收。实际上,空时编码中空间维度和时间维度的大小是任意可选的,因而包含很多不同的编码方案。这些方案大致可以分为三大类:复用型的空时编码方案,分集型的空时编码方案,以及实现分集增益和复用增益折中的编码方案。以贝尔实验室提出的BLAST为代表的复用型的空时编码方案釆用空间复用的传输方式。该类编码方案以提高数据传输速率为目的,具有较高的复用增益。对于一个有着nt根发射天线和rv根接收天线的多输入多输出MIMO系统(nt >1, nr> 1),若各发射天线与接收天线间的通道响应彼此独立,则可以将该通信信道视为若干并行的空间子信道。为了实现空间复用,系统的发送端可以先将要传输的数据流分成多个子数据流,然后将它们沿着n,根天线并行地发送出去。接收端rv根天线中的每一根可以接收到发送信号的一个线性组合值。只要接收到的线性组合值的个数足够多且满足2 nt,那么通过一个类似于求解线性方程的方法可以解出原始传输的子数据流。分集型的空时编码方案以空时分组码(STBC)和空时格形码(STTC)为代表[6,10]?在拥有多根发送或(和)接收天线的系统中,可以利用空间上分离的多个发射信号副本或多个接收信号副本来对抗多径衰落,也称为空间分集。空间分集也可以和时间分集结合在一起来获得优化的分集增益,例如适用于双发射天线系统的Alamouti编码方案。概括来说,分集型的空时编码方案一般通过空时编码增加传输的空时冗余信息以提高无线系统通信的可靠性。—般而言,由于通信系统的资源(例如带宽、能量)的限制,信号传输的可靠性和速率是一对矛盾的系统设计指标。而如何在速率和可靠性之间进行折中是单用户通信系统设计中一个最重要的问题。对于多输入单输出的MISO系统或者单输入多输出的SIMO系统而言,它们只能利用多根天线带来的分集增益以提高信号传输的可靠性,而无法得到空间复用增益,因而如何设计髙效的空时码来获得最佳的可靠性是需要重点解决的问题。对于通信条件较好的MIMO系统,利用复用型编码方:案来获得高速率通信是一个有诱惑力的选择。然而,当系统中信道衰落较为严重或者噪声干扰较大时,采用空间复用并行发送的子数据流的解码质量将无法得到保证。在这种情况下,釆用对系统可靠性更为有利的基于分集技术的传输方案比一味追求高传输速率的方案可能更为可取;或者可以通过将分集编码与复用编码叠加在一起,实现分集增益与复用増益之间的折中。因而,MIMO通信系统设计应该釆用优化的分集-复用折中[9]来实现通信系统在可靠性和有效性上的最佳权衡。相比于多天线场景下的单播系统,多天线广播系统的设计面临着更多的挑战。对于多天线广播系统,除了要考虑每个用户自身的速率和可靠性的折中,还需要权衡不同用户之间的性能。首先,如果所有的用户都有相同数目的接收天线,那么不同用户间的折中主要是针对用户之间信道信噪比的差异。在散射环境丰富的假设下,该多天线传输场景和传统的单天线广播系统是类似的,并
 第二章多天线场景下的视频单播系统
 2.1引言2.1.1问题描述现今在无线通信能力持续提高的同时,人们对相关应用的需求也在不断增涨。思科视觉网络指数(Cisco Visual Networking Index)白皮书指出,无线设备的通信流量在整个IP通信中所占的比例越来越高[52]。在无线通信流量中,移动视频流量是一个重要的组成部分。它在无线网络流量中的比例在2012时首次超过50%,并且到2017年这个比例将提高到三分之二 [53]。因而近些年来致力于提高视频在无线链路特别是无线单播系统中的通信质量的相关研究工作有很多。例如无线标准802.11ac [54]最开始设计的重要用途之一即是支持家用的无线高清视频传输。
 第三章多天线场景下的图像广播系统...................433.1引言...................433.2压缩感知相关背景介绍...................453.3可压缩信号模型的广播...................473.4图像广播系统...................583.5本章小结...................73第四章虚拟多天线场景下协作中继网络中协作传输研究...................774.1引言...................774.2系统框架...................794.3基于压缩感知的协作方案...................844.4实验结果...................884.5本章小结...................93第五章总结和展望...................955.1本文工作总结...................955.2未来工作展望...................97
 总结
 现代通信技术和系统的发展呈现两个重要趋势:通信向无线方向发展,以及移动通信多媒体化。相关调查数据表明,无线设备通信在整个IP通信中所处的地位越来越重要。在移动系统通信能力提升的同时,人们对通信服务的需求也发生了转变。人们己经不满足于传统的单一的话音业务,而是倾向于提供包含语音文字图像视频等多种业务的多媒体服务。多媒体信号特别是图像和视频信号在无线信道中的传输需求对通信系统的容量和可靠性提出了新的挑战,而多天线技术是一种的有效的解决方案。通过在发送端或(和)接收端配置多根天线,以及设计合适的编码和信号收发方案,多天线系统可以显著的提高系统的可靠性和吞吐量。本文重心是研究多天线场景下如何提高多媒体传输系统的可靠性和有效性。基于这条主线,本文分别讨论在三种不同类型的多天线通信系统中多媒体信号的传输方案,主要工作和创新点如下:在这一部分,我们考虑的是视频信号在MIMO-OFDM无线局域网中的传输。事实上,MIMO-OFDM技术已经成为下一代无线网络中的默认的构建模块‘。通过充分利用信源和信道的非均勾分布特性,我们设计并实现了一个线性的联合信源信道编解码系统。该系统设计与实现的主要创新点在于:通过预处理,将视频信源的DCT系数分解为一些并列的有不同重要性的系数流;同时利用信道状态信息的反馈信息,将每个子载波的MIMO信道分解为一些独立的子信道。在实现信源到信道分配过程中将去相关之后的独立信源子层和预处理之后的空间子信道匹配起来,并根据子信道增益及各子系数流的能量实现发射功率在子信道之间的优化分配。
 参考文献:[1 ] IEEE 802.11 n 2009. Part 11 : Wireless LAN medium access control (MAC) and physical layer (PHY) specifications, Amendment 5: Enhancements for higher throughput, October 2009.[2]Andrews J, Ghosh A, Muhamed R. Fundamentals ofWiMAX: understanding broadband wireless networking.Prentice Hall PTR, 2007.[3]Lee J, Han J, Zhang J. MIMO technologies in 3GPP LIE and LTE-advanced. EURASIP Journal on WirelessCommunications and Networking, 2009..Foschini G J, Gans M J. On limits of wireless communications in a fading environment when using multipleantennas. Wireless personal communications, 1998,6(3):311-335.[5]Wolniansky P, Foschini G, Golden G,et al. V-BLAST: An architecture for realizing very high data rates overthe rich-scattering wireless channel. Proceedings of URSI International Symposium on Signals, Systems, andElectronics. IEEE,1998. 295-300.Tarokh V, Seshadri N,Calderbank A. Space-time codes for high data rate wireless communication: Performance criterion and code construction. IEEE Transactions on Information Theory, 1998, 44(2):744-765.Vucetic B,Yuan J. Space-Time coding. New York, NY, USA; John Wiley & Sons, Inc.,2003.Tolga M Duman A G. Coding for MIMO Communication Systems. Wiley, 2007.[9]Zheng L, Tse D. Diversity and multiplexing: A fundamental tradeoff in multiple-antenna channels. IEEETransactions on Information Theory, 2003, 49(5):1073-1096.Tarokh V,Naguib A, Seshadri N, et al. Space-time codes for high data rale wireless communication: performance criteria in the presence of channel estimation errors, mobility, and multiple paths. IEEE Transactionson Communications. 1999, 47(2):199-207.