协作通信系统中的选择AF中继协议研究毕业设计论文.doc

西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 本科毕业设计论文题 目 协作通信系统中的选择af中继协议研究45目 录摘要iabstractii第一章绪论11.1 研究背景及意义11.2 论文结构3第二章无线通信的基本介绍42.1 无线通信的定义42.2 无线通信的发展前景和趋势42.2.1 发展前景42.2.2 发展趋势82.3无线信道92.3.1 无线信道定义92.3.2 影响无线信道的因素102.3.3 无线信道的分集112.4mimo系统的产生及其应运152.4.1 mimo的产生152.4.2 mimo的应用162.5协作分集172.5.1 协作分集的产生和发展趋势172.5.2 协作分集的优点182.5.3 协作分集面临的问题19第三章 协作通信的应用与协议203.1 协作通信的应用203.2协作通信的协议21第四章选择af中继协议研究244.1 中继信道及协议244.1.1 中继信道的概念244.1.2 中继信道的原理244.1.3 中继协议存在的问题及解决的方法244.2 协作策略254.3 中继选择协作通信方法研究284.3.1 系统模型284.3.2 最优中继选择协作通信方法314.4 利用mgf方法的ser分析324.5 调和平均的简单mgf表达33第5章 总结与展望375.1 本文工作总结375.2 未来工作展望37参考文献39致谢40毕业设计小结41摘要在无线通信网络中，由于用户终端受体积、功率等各种条件的约束，给多天线技术的实施带来了困难。协作分集技术作为一种虚拟多天线技术，可以通过中继节点的协作，对传输的信息进行转发处理，以使网络用户的能耗显著降低，保证终端的数据接收，优化网络性能。协作分集技术已经成为当前无线通信领域的一个新的研究热点。 对于协作传输系统中的中继选择问题，laneman和wornell首先提出了在两跳多分支(two-hop multiple channels)的协作网络中，利用所有可获得的中继节点进行数据转发，即“全中继协作”(apr)方案。由于apr方案需要利用所有可获得的信道，因而在多中继场景下，apr方案的频谱效率较低。中继选择(rs)方案克服了低频谱效率的问题，大致可分为单中继选择(srs)方案和多中继选择(mrs)方案。在srs中，文献选择端到端snr最大的中继节点，从而带来全分集增益(full diversity gain)。文献提出了最优最差信道的中继选择(best worse channel)方案，也实现了全分集。在mrs中，文献提出在功率限制下，基于最大接收snr的rs方案。文献提出在总能量受限的情况下选择中继节点，从而差错概率最小。 通过协作通信中选择af中继协议研究。考虑af协作通信系统的ser性能。首先，为两个独立的指数随机变量的调和平均值推导了一个简单的闭式mgf表达。然后，基于这个简单的mgf表达，得到了采用m-psk和m-qam调制的af协议系统的闭式ser表达式。次之，提出了ser近似解来显示系统的渐进性能，这个近似解在高信噪比下是紧的。最后，基于紧的近似，能够为af协作系统确定最优功率分配。关键词：协作通信，中继选择， 放大转发，协作分集 abstractto the implementation of multi-antenna technology in wireless communication network, the user terminal by the constraints of size, power and other conditions difficult. cooperative diversity as a virtual multi-antenna technology, through the collaboration of the relay node, the transmission of information to be forwarded to significantly reduce the energy consumption of network users, to ensure that the terminal data reception and optimize network performance. cooperative diversity has become a new hotspot in the field of wireless communications.for relay selection in cooperative transmission system, laneman and wornell first proposed in the collaborative network of two-hop multi-branch (two-hop multiple channels), the use of all available relay nodes to forward data, namely, allfollowing the collaboration (apr) program. apr programs need to use all available channels, and thus multi-relay scenario, the lower the spectral efficiency of the apr program. relay selection (rs) scheme to overcome the problem of low spectral efficiency, can be divided into single-relay selection scheme (srs) and the multi-relay selection scheme (mrs). in the srs, the literature to select the maximum end-to-end snr of the relay node, in order to bring the full diversity gain (full diversity gain). proposed in the literature of optimal worst-case channel relay selection (the best worse channel) program to achieve full diversity. in mrs, the literature on the power constraints, based on the maximum received snr (snr) of the rs program. the literature selected in the case of total energy-constrained relay node, the minimum error probability.select the af relay protocol for collaborative communications. consider the ser performance of the af cooperative communication system. first, a simple closed mgf expression is derived for the harmonic mean of two independent exponential random variables. then, based on this simple mgf expression, has been closed ser expression for the af protocol system using the m-psk and m-qam modulation. followed by the ser to display the approximate solution of the progressive performance of the system, the approximate solution is tight at high snr. finally, based on a tight approximation to determine the optimal power allocation for af collaboration systems.key words：cooperative ，relay selection ,amplify and forward , cooperative diversity 第一章 绪论1.1研究背景及意义随着高速无线通信应用需求的增长，未来无线通信网络被要求能够提供更高数据速率和更可靠的业务。为了实现这一目标，人们已经进行了大量的研究，提出了多种能够扩大信道容量、改善通信质量的新技术，包括编码技术、调制技术、信号检测技术、复用技术及各种分集技术，其中分集技术尤为重要，这是由无线信道的衰落特性决定的。在无线通信系统中，无线信道的衰落特性是制约无线通信提高信号质量和传输速度的主要原因。分集技术通过发射或接收多个经历独立衰落的信号样本可以有效对抗无线信道中的衰落。无线通信系统中存在三类不同层次的衰落，分别是路径损耗、阴影衰落和多径衰落。路径损耗是指电磁波在空问传输所产生的损耗和弥散，它属于大尺度衰落。路径损耗在有线通信中也存在，但比无线空间中的损耗要小一些。路径损耗的大小依赖于传输距离，在能量受限的系统中，中继传输是解决路径损耗的一个很好方法，通过在发射机和接收机之间放置一个或多个中继节点来帮助传输，可以保证通信的可靠性并节约系统的功率消耗。在多用户网络中，中继传输也可以通过用户之间的相互协作来实现。阴影衰落是指无线电波在传播路径上遇到起伏地形、建筑物、植被等障碍物的阻挡而引起的衰落，它反映中等范围内接收信号电平平均值起伏变化的趋势，其变化速率比信息速率慢，故又称为慢衰落。在蜂窝系统中，阴影衰落可以通过采用宏分集技术和功率控制来改善。多径衰落是电波在传输过程中受各种物体的反射和散射而产生的多个经过不同路径到达接收机的信号通过矢量叠加后合成的时变信号在时间、空间和频率上的迅速波动。由于多径衰落变化速度快，因而对系统的影响最大且最难克服。根据多径衰落产生的不同条件，它分为频率选择性衰落、时间选择性衰落和空间选择性衰落，它们分别可以通过频率分集、时间分集和空问分集来克服。在实际无线信道中这三种选择性衰落往往同时存在，因而需要采用多种分集技术。空间分集技术由于不需要额外占用时间和带宽资源，并且可以方便地与其它分集方式相结合，因而更具吸引力。近年来提出的多输入多输出(multiple input multiple output，mimo)天线技术是一种空间分集技术，它通过在接收端和发射端安装多个天线进行发射和接收信号，充分利用了系统的空间资源，从而可以大幅度提高系统的功率效率和频谱效率。尽管mim0多天线技术具有明显的优势，并已逐渐被新一代无线通信系统的主流协议所采纳，如3g蜂窝系统和8021ln等。然而，在一些场景中，例如蜂窝系统上行链路和无线传感器网络，由于无线终端自身体积、实现复杂度与功耗等冈素限制，mim0技术不管是目前还是未来仍然很难被广泛应用。这是因为mim0技术需要天线阵列和丰富的散射环境这两个前提条件，两者缺一不可。目前，由于无线通信系统使用的频率较低，电波波长较长，许多无线移动终端由于尺寸限制无法安装多个天线形成理想的天线阵列。未来，无线通信系统将使用更高的频率，移动终端可以安装多个天线，但由于高频率电波传输以视距传输为主，散射不够丰富，因而仍然不能很好的应用mimo技术。为了解决mimo技术的这两个问题，一种被称为协作通信的新方法被提出，它利用无线通信系统中无线媒质的广播特性和具有众多用户的特点，能使单天线用户获得多天线传输的优势。具体地讲，协作通信在丰富的散射环境下，通过借助协作伙伴的天线形成虚拟天线阵列，而在散射不丰富的环境下，可以将协作伙伴作为主动散射物，从而形成多径传输环境。从这个意义上讲，协作通信为mimo多天线技术走向实用提供了一条新的途径。协作通信是一种新型的空间分集技术，它的思想虽然来源于中继通信，但有别于中继通信。首先，在传统的中继通信系统中，中继节点的作用是形成主信道，它是单纯作为中继而存在的，本身没有信息要传送，而在协作通信中用户既是信源又是中继，因为每个用户既要传送自己的信息还要转发协作伙伴的信息，中继节点的作用是协助和增强主信道。此外，传统的中继通信没有分集的功能，而协作通信通过协作可以使单天线用户也获得分集增益。协作通信具有非常广阔的应用前景，可应用于蜂窝移动通信系统、无线adhoc网络、无线sensor网络和无线局域网等多种场合。协作通信的基本思想是为系统中的每个用户分配一个或多个协作伙伴，协作伙伴之间有责任在传输自己信息的同时帮助其伙伴传输信息，这样，每个用户在传输信息的过程巾既利用了自己的空间信道又利用了协作伙伴的空间信道，因而能获取一定的空间分集增益，从而可以抵抗阴影衰落和多径衰落，扩大系统容量，提高网络服务质量，节约网络功率消耗，并增大网络的覆盖范围。与传统通信系统的资源分配相比，协作通信系统的前途更加广阔，本论文即对协作通信系统中的af模式下的中继协议展开研究。1.2论文结构第一章 简述论文的结构和论文研究的背景及意义。第二章 介绍无线信道的相关知识，mimo系统的产生和应运以及协作分集的具体说明。第三章 介绍研究发展协作通信的意义和前景，比较说明几种不同的中继转发操作，并引出af放大转发协议。第四章 协作通信系统中的选择af中继协议的具体研究和讨论。通过研究得出自己的见解。然后对未来af中继协议的发展趋势进行了展望。第五章 结论与展望，重要分析一下本文所得出的结果，以及协作通信在未来发展中的重要性。第二章 无线通信基本介绍2.1无线通信的定义无线通信(wireless communication)是利用电磁波信号可以在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式，近些年信息通信领域中，发展最快、应用最广的就是无线通信技术。在移动中实现的无线通信又通称为移动通信，人们把二者合称为无线移动通信。2.2无线通信的发展前景和趋势2.2.1发展前景由于无线通信具有可移动性及真正三维物理空间的无缝隙覆盖能力；具有广域复杂网络拓扑的构成能力；具有良好的灵活性与普遍服务能力。而且，实践已经证明，无线通信对抗震救灾等突发重大事件，其高度安全可靠、灵活机动体现了其卓越的应变能力；另外，其前期投资较少，以及卫星通信对区域及国际通信等长途通信距离均不敏感等等，这一系列优点，对未来信息社会的全球个人通信的无缝隙覆盖、多媒体运行而言，无线通信尤其是地面移动通信和卫星通信，将扮演一种独具魅力的角色，而且会显得愈来愈重要。无线通信已经经历了飞速的发展演进。尽管经历了几代不同发展阶段，每一代无线设备的更新都带来了无限连路通信速度、设备尺寸、电池寿命，以及应用等方面的显著改变。近几年，通信技术的演进出现了这样一种转变，即研究者们 从传统的由中心控制器的单独点对点通信转而关注整个无线网络架构。典型的例子如ad-hoc网络和无线传感器网络，由于摒弃了传统网络分层的概念而允许任何节点帮助其他节点转发信息，因此建立了包含多天的无线通信路径。这些研究方向最显著的特点之一表现在点对点链路截然相反的广播信道特性。这种特性导致了用户终端发送的信息，可以通过其他节点获得性能增益，而不是被当做干扰。这种发展法导致了分布式通信和协作网络这一新名词的诞生。无线通信技术的发展离不开众多基础知识，如集成电路能量储存以及天线技术的发展。数字信号处理技术作为这些基础技术之一，对无线通信的发展起到了巨大的推动作用。近几年来，被认为对通信技术有巨大推动作用的是mimo(multiple-input multiple-output)技术。mimo技术在接收端和发射端使用使用多根天线，从而形成多条路径，通过数字信号处理技术对多路径传送的信号进行形成和合并，提高了接受信号的质量和数据传输速率。随着高速无线通信应用需求的增长，未来无线通信网络被要求能够提供更高数据速率和更可靠的业务。为了实现这一目标，人们已经进行了大量的研究，提出了多种能够扩大信道容量、改善通信质量的新技术，包括编码技术、调制技术、信号检测技术、复用技术及各种分集技术，其中分集技术尤为重要，这是由无线信道的衰落特性决定的。在无线通信系统中，无线信道的衰落特性是制约无线通信提高信号质量和传输速度的主要原因。分集技术通过发射或接收多个经历独立衰落的信号样本可以有效对抗无线信道中的衰落。无线通信系统中存在三类不同层次的衰落，分别是路径损耗、阴影衰落和多径衰落。路径损耗是指电磁波在空问传输所产生的损耗和弥散，它属于大尺度衰落。路径损耗在有线通信中也存在，但比无线空间中的损耗要小一些。路径损耗的大小依赖于传输距离，在能量受限的系统中，中继传输是解决路径损耗的一个很好方法，通过在发射机和接收机之间放置一个或多个中继节点来帮助传输，可以保证通信的可靠性并节约系统的功率消耗。在多用户网络中，中继传输也可以通过用户之间的相互协作来实现。阴影衰落是指无线电波在传播路径上遇到起伏地形、建筑物、植被等障碍物的阻挡而引起的衰落，它反映中等范围内接收信号电平平均值起伏变化的趋势，其变化速率比信息速率慢，故又称为慢衰落。在蜂窝系统中，阴影衰落可以通过采用宏分集技术和功率控制来改善。多径衰落是电波在传输过程中受各种物体的反射和散射而产生的多个经过不同路径到达接收机的信号通过矢量叠加后合成的时变信号在时间、空间和频率上的迅速波动。由于多径衰落变化速度快，因而对系统的影响最大且最难克服。根据多径衰落产生的不同条件，它分为频率选择性衰落、时间选择性衰落和空间选择性衰落，它们分别可以通过频率分集、时间分集和空间分集来克服。在实际无线信道中这三种选择性衰落往同时存在，因而需要采用多种分集技术。空间分集技术由于不需要额外占用时间和带宽资源，并且可以方便地与其它分集方式相结合，因而更具吸引力。近几年来，全球通信技术的发展日新月异，尤其是近两三年来，无线通信技术的发展速度与应用领域已经超过了固定通信技术，呈现出如火如荼的发展态势。 其中最具代表性的有蜂窝移动通信、宽带无线接入，也包括集群通信、卫星通信，以及手机视频业务与技术。蜂窝移动通信从上世纪80年代出现到现在，已经发展到了第三代移动通信技术，目前业界正在研究面向未来第四代移动通信的技术;宽带无线接入也在全球不断升温，近几年来我国的宽带无线用户数增长势头强劲。宽带无线接入研究重点主要包括无线城域网（wman）、无线局域网(wlan)和无线个域网(wpan)技术;模拟集群通信的应用开始得比较早，但随着技术的发展，数字集群通信技术越来越赢得大家的关注;卫星通信以其特殊的技术特性，已经成为无线通信技术中不可忽视的一个领域;手机视频广播作为一种新的无线业务与技术，正在成为目前最热门的无线应用之一。蜂窝通信的发展方向,蜂窝通信技术从1g、2g向3g、4g发展;涵盖wlan、wpan、bluetooth、wimax、rfid等技术的发展。这些技术都朝向移动的、宽带的、高速的方向发展。总结这些年来蜂窝移动通信技术的演进过程，可以得出这样一些特点:（1）无线接口频谱效率更高，速率更快。首先，每10年出现一代新技术，每1520年退出一代;速率从几十kbit/s、几百kbit/s到几mbit/s再到几百mbit/s。其次，技术在平稳中演进。第一代模拟系统已经基本退出;第二代gsm/cdma数字系统处于主导地位，占据约95%的市场;3g技术已经成熟开始商用，今后10年将与2g长期并存，最终逐步替代2g;超3g正处在初期研究阶段，将在10年后进入实质商用阶段。（2）核心网既考虑与现有网的后向兼容，又积极向基于ip的方向演进以3gpp标准为例，r99完全与gsm/gprs兼容，r4在电路域引入软交换，r5保留电路域、分组域，增加ip多媒体子系统（ims)。（3）在ieee802涉及的无线领域中，目前主要分为四类无线接入技术，分别是个域网（pan:802.15）、局域网wifi（lan:802.11）、城域网wimax（man:802.16)、广域网（wan:802.20）。这里着重介绍wimax技术（802.16）。802.16d是一种固定无线接入技术，802.16e技术目标是一种移动宽带接入技术，支持车速移动(120km/h)，可以提供宽带接入（几十mbit/s），覆盖范围一般在几公里之内。802.16e具备后向兼容802.16d的能力，物理层主要采用ofdm、ofdma技术。目前只对无线接口物理层和mac层进行标准化，预计明年中完成;核心网部分标准化尚不明朗。其频谱可能包括现有的固定无线接入频段、wlan频段或新划分许可频段。wimax可能的应用包括:接入移动通信网、固定网无线宽带接入、单独组网。它与3g、b3g的不同在于:3g及其增强型技术强调无处不在(连续覆盖)、移动性和全业务(话音和数据)，数据速率较高；wimax提供的是热点覆盖、游牧式移动或有限移动，以数据业务为主，数据速率高;b3g则以蜂窝移动通信技术为主多种无线技术集成应用，提供全业务，数据速率高、覆盖连续。802.16的目标与3g、3g增强型及b3g有交叠，并在动态地变化，采用的关键技术也较接近。但从标准化程度、产品成熟度、市场应用和频谱情况等综合分析，3g及其增强型和b3g等蜂窝移动通信的主导地位难以撼动。总体上来讲，3g、wimax和b3g是满足不同速率和不同需求，在不同时间推出的技术，是互补和共存的。国际上对wimax监管主要体现在频谱分配方面，目前只有韩国在2004年底发放了wibro许可证，使用频段为2.3 ghz2.4 ghz。rfid（无线射频识别技术）的理念是实现物与物的通信，它的发展经过了物品识别、跟踪记录、环境感知阶段，正向着物物通信和实时控制方向演进。集群通信是多个用户共用一组无线电信道的专用移动通信系统的技术，群组内用户共享前向信道，支持群组呼叫;它采用ptt方式，呼叫接续快，被叫不需摘机，适合调度类业务和专用系统。相比过去的模拟集群技术，数字集群通信在系统性能、用户体验等方面有着模拟集群不能比拟的优点：(1) 数字集群采用的大区制和蜂窝小区技术频率复用率高;(2) 采用数字信令方式、语音编码、调制解调；频谱利用率高、抗无线信道衰落能力强;(3)在覆盖漫游范围、容量、保密性、业务种类（数据、短消息）等方面弥补了模拟集群通信的种种不足。数字集群的基础技术包括:tdma（gt800）、fdma/cdma（gota）和fhma（跳频）等;运营方式分专网和共网两种，专网由某一单位独自建设、维护和使用，共网由运营商负责建设和维护，多个单位通过vpn方式共同使用。共网运营将是数字集群的发展方向。我国无线通信技术的标准化工作有下面几点：（1）蜂窝移动通信:已经制订了由100多个标准组成的3g系列标准;包括了td-scdma、wcdma、cdma2000系列标准;同时积极参与3gpps面向未来的标准制订。（2）宽带无线接入:scdma系列标准、wlan系列标准（包括与蜂窝移动通信的互通、互操作标准）、wimax的行业标准正在制订中。（3）数字集群:我国已经制订了基于gsm（gt800）和cdma（gota）技术的数字集群标准。（4）短距离通信:uwb、rfid等技术标准正在研究中。2.2.2发展趋势当前，无线通信技术和市场飞速发展，在新技术和市场需求的共同作用下，未来的无线通信技术呈现出网络异构化、扁平化、ip化、泛在化等几大趋势。（1）异构化异构无线网络融合是移动通信系统发展的重要趋势。为了适应不同的通信环境以及满足用户业务的宽带化、个性化、智能化要求，无线接入网络出现了多种技术并存的情况。一方面，3g技术拥有强大的网络管理和业务提供能力；另一方面，ieee 802系列的技术研发和商业应用的速度非常迅速，并且其鲜明的技术特征、清晰的市场定位成为这些技术快速占领市场的关键。此外，包括超宽带(uwb)、蓝牙等在内的短距离无线通信为用户提供了更高速、更快捷的无线接入。因此，异构性更强、多样化更明显成为今后无线通信发展的主旋律。（2）扁平化未来无线通信的发展中，扁平化也是一个重要的特征。层次复杂的网络结构，会造成一些严重的问题：首先，全网多级投资计划建设，建设模式不尽相同，缺乏统一规划和管理，难以达到全网最优化设计；其次，网络结构层次和网络管理层次增多，会造成网络的性能指标下降，同时加大了建设和维护成本；第三，较多的网络层次，会使业务开展成本和业务维护成本增加，尤其是给全网性增值业务的开放带来困难。因此，网络结构的简单化、扁平化已成为未来无线通信发展的一个重要趋势。（3）ip化随着ip技术的发展，移动网络逐渐面向全ip网络的趋势发展。业界希望最终能够形成具备互操作的、融合的网络结构，这将使得企业节省大量的投资，控制成本和风险，对最终用户实现各种网络的漫游和业务接入。未来要实现不同无线技术共用同一个核心网络，就必须积极推动网络融合工作，网络的全ip化有助于无线技术和核心技术的紧密集成。除此之外，全球移动用户和业务流量将不断增加，无线通信中不同的应用和服务对数据速度和带宽会产生不同的需求，只有使网络向着全ip的方向演进，才能同时满足各种高流量等级和不断变化的需求。未来网络的全ip化将是一个渐进的过程，它会逐步从核心网到接入网再到移动台。（4）泛在化随着it产业的深入发展，信息逐渐渗透到人们日常生活的方方面面。网络的泛在化使得任何人无论何时何地都可以通过合适的终端设备与网络进行连接，获取个性化的信息服务。在未来的泛在网络环境中，网络将自然而深刻地融入人们日常的工作和生活中，主动感知用户场景的变化并进行信息交互，通过分析用户的个性化要求主动地提供服务。相应地，终端设备也将具备智能型接口及环境感知能力，使用户的使用更加简单和方便，从而满足我们对未来无线通信技术以用户为中心、随时随地接入网络的要求。2.3 无线信道2.3.1无线信道定义信道是对无线通信中发送端和接收端之间的通路的一种形象比喻，对于无线电波而言，它从发送端传送到接收端，其间并没有一个有形的连接，它的传播路径也有可能不只一条，但是我们为了形象地描述发送端与接收端之间的工作，我们想象两者之间有一个看不见的道路衔接，把这条衔接通路称为信道。由于无线信道的广播特性使得节点间可以互相帮助，进行分布式的通信，并且可以获得和固定mimo系统相同的性能增益，所以出现了协作通信的思想。其目的是通过采用一种新的技术达到提高通信容量、传输速率和系统性能；减少电池能耗和延长网络寿命；提高吞吐量和多址接入方案的稳定区；增大传输范围；为多媒体通信的信源-信道编码提供一种折中方案。2.3.2 影响无线信道的因素由于传播媒介带来的有害因素，无线通信成为一种极具挑战性的工作。无线信号的影响有噪声衰减损失和干扰。下面介绍几种重要的干扰因素：awgn（加性高斯白噪声）从统计上而言是随机无线噪声，其特点是其通信信道上的信号分布在很宽的频带范围内。高斯白噪声的概念.白指功率谱恒定;高斯指幅度取各种值时的概率p (x)是高斯函数.加性高斯白噪声在通信领域中指的是一种各频谱分量服从均匀分布（即白噪声），且幅度服从高斯分布的噪声信号。因其可加性、幅度服从高斯分布且为白噪声的一种而得名。该噪声信号为一种便于分析的理想噪声信号，实际的噪声信号往往只在某一频段内可以用高斯白噪声的特性来进行近似处理。由于awgn信号易于分析、近似，因此在信号处理领域，对信号处理系统（如滤波器、低噪音高频放大器、无线信号传输等）的噪声性能的简单分析(如：信噪比分析)中，一般可假设系统所产生的噪音或受到的噪音信号干扰在某频段或限制条件之下是高斯白噪声。加性高斯白噪声只是白噪声的一种，另有泊松白噪声等大尺度传播效应，大尺度损耗传播模型描述发射机和接收机之间长距离上平均场强的变化,反映由路径损耗和阴影效应所引起的接收信号功率随距离变化的规律。该模型主要用于预测平均场强并估计无线覆盖范围,如用于电信运营商的网络规划设计、预测覆盖。建立准确的无线信道大尺度传播模型对于蜂窝设计至关重要,它可以确定小区的覆盖大小、最佳位置,从而达到减少相邻小区之间的干扰、优化通信网络的目的。准确确定小区的覆盖范围是衡量整个系统性能的关键,也是其它各项技术如功率控制、小区软切换、快速实现小区“软容量”等的基础。路径损耗导致了信号功率的降低，其产生于信号从发射机到接收机的衰减。小尺度传播效应，无线信道的主要特征是多径，多径性指的是由于同一传输信号沿两个或多个路径传播，以微小的时间差到达接收机的信号相互干涉所引起的。接收机天线将它们合成一个幅度相位都极具变化的信号，其变化程度取决于多径波的强度。2.3.3 无线信道的分集正如我们所解释的，无线衰落信道所呈现的挑战随着时间的推移不断发生变化。在通信系统的设计中，源和目的之间的单一信号路径可能出现严重衰落，因此需要通过增加信道编码部分的纠错能力、降低传输速率、使用更精密的探测器等技术进行解决。然而这些解决办法对于许多实际路径的实现来讲还远远不够。从不同的角度看待衰落信道的通信问题，整体链路的可靠性通过在源和目的端提出多个信号路径可以得到明显改善，每一个衰落过程尽可能独立其他过程。用这种方法，至少有一个足够强的路径的有机会提高。这些旨在提供多个理想独立的信号路径的技术统称为分集技术。时间分集：是被cdma系统使用用来克服多路径衰减的技术。通过一个犁耙式接收机，单个元素或手指，能够偏移及时地说明多程信号的不同到达时间。时间分集主要用于在衰落信道中传输数字信道，它是将同一信号相隔一定的时隙进行多次重发，只要各次发送的时间间隔大于信道的相干时间（相干时间定义：多普勒频展的倒数），则在接收端就可以获得衰落特性相互独立的几个信号。信道相干时间等于或者超过几个符号传输时间的通信环境相当普遍。这意味着在远大于相干时间的独立时间内，两个符号将经历高度相关的信道实现，因此可以用来获得分集。获得这种分集的最简单的方法是使用重复编码机制来形成两个符号。同样，为了保证重复符号在不相关的信道中实现，符号流的传输过程中要用到适当的交织。频率分集：将调制在不同载波频率上的同一路信号进行合并，从而带来信号增益的一种接收技术。在发信端将一个信号利用两个间隔较大的发信频率同时发射，在收信端同时接收这两个射频信号后合成，由于工作频率不同，电磁波之间的相关性极小，各电磁波的衰落概率也不同。频率分集抗频率选择性衰落特别有效，但付出的代价是成倍地增加了收发信机，且需成倍地多占用频带，降低了频谱利用率。空间分集：也称天线分集，利用在不同地点的接收天线进行分集接收的方式。是通信中使用较多的分集形式，简单的说，就是采用多付接收天线来接收信号，然后进行合并。为保证接收信号的不相关性，这就要求天线之间的距离足够大，在理想情况下，接收天线之间的距离只要波长的一半就可以了。多径衰落和阴影衰落产生原因是不相同的。随着移动台的移动，瑞利衰落随信号瞬时值快速变动，而对数正态衰落随信号平均值（中值）变动。这两者是构成移动通信接收信号不稳定的主要因素，使接收信号被大大地恶化，虽然通过增加发信功率、天线尺寸和高度等方法能取得改善，但采用这些方法在移动通信中比较昂贵，有时也显得不切实际。而采用分集方法即在若干个支路上接收相互问相关性很小的载有同一消息的信号，然后通过合并技术再将各个支路信号合并输出，那么便可在接收终端上大大降低深衰落的概率。在移动通信中，空间略有变动就可能出现较大的场强变化。当使用两个接收信道时，它们受到的衰落影响是不相关的，且二者在同一时刻经受深衰落谷点影响的可能性也很小，因此这一设想引出了利用两副接收天线的方案，独立地接收同一信号，再合并输出，衰落的程度能被大大地减小，这就是空间分集，空间分集是利用场强随空间的随机变化实现的，空间距离越大，多径传播的差异就越大，所接收场强的相关性就越小。这里所提相关性是个统计术语，表明信号间相似的程度，因此必须确定必要的空间距离。经过测试和统计，ccir建议为了获得满意的分集效果，移动单元两天线间距大于0.6个波长，即d0.61，并且最好选在l/4的奇数倍附近。若减小天线间距，即使小到l/4，也能起到相当好的分集效果。空间分集分为空间分集发送和空间分集接收两个系统。其中空间分集接收是在空间不同的垂直高度上设置几副天线，同时接收一个发射天线的微波信号，然后合成或选择其中一个强信号，这种方式称为空间分集接收。接收端天线之间的距离应大于波长的一半，以保证接收天线输出信号的衰落特性是相互独立的，也就是说，当某一副接收天线的输出信号很低时，其他接收天线的输出则不一定在这同一时刻也出现幅度低的现象，经相应的合并电路从中选出信号幅度较大、信噪比最佳的一路，得到一个总的接收天线输出信号。这样就降低了信道衰落的影响，改善了传输的可靠性。空间分集接收的优点是分集增益高，缺点是还需另外单独的接收天线。随着现代社会对无线通信需求的扩大，人们不断追求更高质量的无线传输速率和服务质量但无线通信中信号传输的多经衰落效应始终是困扰无线传输速率和服务质量提高的最大问题，因此，人们采用了多种抗多经衰落的技术这些技术包括分集、自适应均衡、扩频通信、交织以及纠错编码技术等，其中分集是抵抗多经衰落最主要且行之有效的技术之一，它的发展经历了从最初的时间分集，频率分集，编码分集，到最近的空间分集的过程尤其是空间分集，由于不需要占用额外的时间和频带资源，并且可以和其他信号处理方式相结合，因此得到了广泛的关注其中最典型的就是多入多出multiple input-multiple output，mimo技术，它能够将传统通信系统中存在的多径因素变成对用户通信性能有利的因素，在抗多径衰落，提高通信链路的通信速率和质量方面有着明显的优势，它的空域发射分集技术已经成为3gpp的wcdma标准协议但在实际应用中，由于移动终端物理条件的制约，如终端的体积，功耗，多天线的位置设置等，限制了空间分集技术的应用由此人们从中继信道得到启发，由sendonaris提出了协作分集的概念 本文首先对移动通信系统中应用比较广泛的分集技术作了详细的介绍并重点介绍了本课题主要相关的分集技术并对分集与非分集方式所得到的效果改善和衡量指标进行了介绍 其次，本文提出了协作分集的概念协作分集这种新的空域分集技术是为了解决蜂窝移动通信系统中传统空域分集技术在移动终端的多天线设置制约而生的与传统的空域多输入多输出mimo系统相比，协作分集使得在多用户环境下，具有单天线的多个终端可以共享彼此的天线，以形成一个虚拟的多天线结构，实现空域分集 本文讨论了协作分集已取得的进展和性能改善，同时介绍了协作分集的三种常用方法放大中继法、解码中继法、编码协作法，然后对放大中继和编码协作方案进行了简要说明最后，本文讨论了基于上述三种方法的协作分集模型分析同时设计了它的各个部分子模块，包括卷积编码和vitcrbi软译码、分集接收、几种信道模型、最大比合并等并通过大量的计算机仿真分别实现了在加性高斯信噪声信道awgn、慢衰落信道、快衰落信道这几种不同信道传输环境下，协作系统与非协作分集方式下的性能比较，充分验证了协作系统性能的优异性。空间分集接受是利用多副接收天线来实现的。在发射端采用一副天线发射，而在接收端采用多副天线接收。接收端天线之间的距离d/2（为工作波长），以保证接收天线输出信号的衰落特性是相互独立的，也就是说，当某一副接收天线的输出信号很低时，其他接收天线的输出则不一定在这同一时刻也出现幅度低的现象，经相应的合并电路从中选出信号幅度较大、信噪比最佳的一路，得到一个总的接收天线输出信号。这样就降低了信道衰落的影响，改善了传输的可靠性。空间分集接收的优点是分集增益高，缺点是还需另外单独的接收天线。为了克服这个缺点，近来又生产出定向双极化天线。两个在同一地点、极化方向相互正交的天线发出的信号呈现出互不相关衰落特性。利用这一特点，在发射端同一地点装上垂直极化和水平极化两副发射天线，在接收端同一地点装上垂直极化和水平极化两副接收天线，就可以得到两路衰落特性互不相关的极化分量ex和ey。所谓定向双极化天线就是把垂直极化和水平极化两副接收天线集成到一个物理实体中，通过极化分集接收来达到空间分集接收的效果，所以极化分集实际上是空间分集的特殊情况。这种方法的优点是它只需一根天线，结构紧凑，节省空间，缺点是它的分集接收效果低于空间分集接收天线，并且由于发射功率要分配到两副天线上，将会造成3db的信号功率损失。分集增益依赖于天线间不相关特性的好坏，通过在水平或垂直方向上天线位置间的分离来实现空间分集。空间上的位置分离保证两面接收天线分别接收不同路径来的微波信号，同时也使两面天线间满足一定隔离度的要求。若采用交叉极化天线，同样需要满足这种隔离度要求。对于极化分集的双极化天线来说，天线中两个交叉极化辐射源的正交性是决定微波信号上行链路分集增益的主要因素。该分集增益依赖于双极化天线中两个交叉极化辐射源是否在相同的覆盖区域内提供了相同的信号场强。两个交叉极化辐射源要求具有很好的正交特性，并且在整个120扇区及切换重叠区内保持很好的水平跟踪特性，代替空间分集天线所取得的覆盖效果。为了获得好的覆盖效果，要求天线在整个扇区范围内均具有高的交叉极化分辨率。双极化天线在整个扇区范围内的正交特性，即两个分集接收天线端口信号的不相关性，决定了双极化天线总的分集效果。为了在双极化天线的两个分集接收端口获得较好的信号不相关特性，两个端口之间的隔离度通常要求达到30db以上。 分集天线把多径信号分离出来，使其互不相干，然后通过合并技术将分离出来的信号合并起来，获得最大的信噪比收益。常用的合并方法有选择性合并、切换合并、最大比合并、等增益合并等。2.4 mimo系统的产生及其应运2.4.1 mimo的产生mimo(multiple-input multiple-out-put)系统，该技术最早是由marconi于1908年提出的，它利用多天线来抑制信道衰落。根据收发两端天线数量，相对于普通的siso(single-input single-output)系统，mimo还可以包括simo(single-input multiple-output)系统和miso(multiple-input single-output)系统。利用mimo信道可以成倍地提高无线信道容量，在不增加带宽和天线发送功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高。同时也可以提高信道的可靠性，降低误码率。mimo(multiple-input multiple-out-put)系统是一项运用于802.11n的核心技术。802.11n是ieee继802.11bag后全新的无线局域网技术，速度可达600mbps。同时，专有mimo技术可改进已有802.11a/b/g网络的性能。该技术最早是由marconi于1908年提出的，它利用多天线来抑制信道衰落。根据收发两端天线数量，相对于普通的siso(single-input single-output)系统，mimo还可以包括simo(single-input multi-ple-output)系统和miso(multiple-input single-output)系统。利用mimo技术可以提高信道的容量，同时也可以提高信道的可靠性，降低误码率。前者是利用mimo信道提供的空间复用增益，后者是利用mimo信道提供的空间分集增益。实现空间复用增益的算法主要有贝尔实验室的blast算法、zf（zero-forcing，迫零）算法、mmse（minimum mean square error），最小均方差）算法、ml（maximum likelihood，最大似然）算法。ml算法具有很好的译码性能，但是复杂度比较大，对于实时性要求较高的无线通信不能满足要求。zf算法简单容易实现，但是对信道的信噪比要求较高。性能和复杂度最优的就是blast算法。该算法实际上是使用zf算法加上干扰删除技术得出的。目前mimo技术领域另一个研究热点就是空时编码。常见的空时码有空时块码、空时格码。空时码的主要思想是利用空间和时间上的编码实现一定的空间分集和时间分集，从而降低信道误码率。mimo将多径无线信道与发射、接收视为一个整体进行优化，从而实现高的通信容量和频谱利用率。这是一种近于最优的空域时域联合的分集和干扰对消处理。2.4.2 mimo的应用为了提高系统容量，下一代的无线宽带移动通信系统将会采用mimo技术，即在基站端放置多个天线，在移动台也放置多个天线，基站和移动台之间形成mimo通信链路。应用mimo技术的无线宽带移动通信系统从基站端的多天线放置方法上可以分为两大类：一类是多个基站天线集中排列形成天线阵列，放置于覆盖小区，这一类可以称为集中式mimo；另一类是基站的多个天线分散放置在覆盖小区，可以称为分布式mimo。mimo技术可以比较简单地直接应用于传统蜂窝移动通信系统，将基站的单天线换为多个天线构成的天线阵列。基站通过天线阵列与小区内的具有多个天线的移动台进行mimo通信。从系统结构的角度看，这样的mimo系统与传统的单入单出(siso)蜂窝通信系统相比并没有根本的区别。 传统的分布式天线系统可以克服大尺度衰落和阴影衰落造成的信道路径损耗，能够在小区内形成良好的系统覆盖，解决小区内的通信死角，提高通信服务质量。最近在mimo技术的研究中发现，传统的分布式天线系统与mimo技术相结合可以提高系统容量，这种新的分布式mimo系统结构分布式无线通信系统(dwcs)8成为mimo