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北京邮电大学硕士学位论文 无线通信中的协作分集技术研究 摘要 在无线通信系统中，分集技术是一种对抗多径衰落以及信道干扰 的有效技术。相比时间分集与频率分集，空间分集可以在不增加传输 时间和带宽的条件下，提高系统的传输可靠性。协作分集技术是一种 应用在分布式通信系统中，使单用户实现空间分集的新兴技术。该技 术将分布在无线网络中的节点集合起来，构成虚拟多天线阵列，利用 多个节点的协作来获得空间分集增益。协作分集技术以分布式方式实 现一种“虚拟的 m i m o 技术，为m i m o 技术在走向实用化开辟了 一条新路。 空时编码以及空时处理是获得多天线分集增益的有力工具。分布 式空时协作系统是结合了空时编码的协作分集系统。本文首先对协作 分集系统的模型以及传输协议进行了介绍。其次，本文对传统单中继 分布式空时协作系统的误比特率性能进行分析并仿真。最后，本文针 对单中继分布式空时协作分集技术领域的两个问题进行了理论研究 及仿真验证。第一个问题是，当单中继分布式空时协作系统中的信道 为频率选择性衰落信道时，系统如何改进。本文提出的改进方案是对 空时编码方式，传输时隙结构以及接收端处理方式的联合设计。第二 个问题是，当单中继分布式空时协作系统存在延迟同步问题时，接收 端如何解决。本文提出的解决方案是在接收端采用预滤波器从能量角 度完成“隐 同步。 关键词协作分集a l a m o u t i l i k e 空时编码延迟同步预滤波器 北京邮电大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nc o o p e r a t ed n 慢r s i t yi n 厂i r e l e ssc o n 舢，n i c a t l 0 n s a b s t r a c t i nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ss y s t e m , d i v e r s i t yi sak i n do fe f f e c t i v e t e c h n i q u et or e s i s tm u l t i p a t hf a d i n ga n dc h a n n e li n t e r f e r e n c e c o m p a r i n g w i t h t i m ed i v e r s i t ya n df r e q u e n c yd i v e r s i t y , s p a c ed i v e r s i t yi sa b l et o i m p r o v et h et r a n s m i s s i o nr e l i a b i l i t yo f t h es y s t e mw i t h o u ti n c r e a s i n gc o s t o ft i m ea n db a n d w i d t hf o rt r a n s m i s s i o n c o o p e r a t i v ed i v e r s i t yi sa n e m e r g i n gt e c h n i q u ew h i c hm a k e sau s e rw i t hs i n g l et r a n s m i t t e rc a n r e a l i z es p a c ed i v e r s i t yi nd i s t r i b u t e dc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s i tc o l l e c t s t h en o d e si nt h ew i r e l e s sn e t w o r k st of o r mav i r t u a lm u l t i a n t e n n aa r r a y a sar e s u l t ，t h es y s t e me x p l o i t st h ec o o p e r a t i o na m o n ga l lt h en o d e st o o b t a i nd i v e r s i t yg a i n i naw o r d ，c o o p e r a t i v ed i v e r s i t yr e a l i z e das o c a l l e d v i r t u a l ”m i m 0t h r o u g had i s t r i b u t e df a s h i o na n dc r e a t e daw a yt oa p p l y m i m oi nr e a ls c e n a r i o s p a c e - t i m ec o d i n ga n dp r o c e s s i n ga rep o w e r f u lt e c h n i q u e s t oo b t a i n m u l t i - a n t e n n ad i v e r s i t yg a i n d i s t r i b u t e ds p a c e t i m ec o o p e r a t i v es y s t e m i sak i n do fs y s t e mw h i c hc o m b i n e ss p a c e - t i m ec o d i n ga n dc o o p e r a t i v e d i v e r s i t y t h i ss y s t e mi su s u a l l ya d o p t e di nt h er e s e a r c ho nc o o p e r a t i v e d i v e r s i t y f i r s to fa l l ，t h i sp a p e rm a d ea ni n t r o d u c t i o nt ot h em o d e la n d t r a n s m i s s i o np r o t o c o li nc o o p e r a t i v ed i v e r s i t ys y s t e m s e c o n d l y , t h i s p a p e ra n a l y z e da n ds i m u l a t e dt h ep e r f o r m a n c eo fb i t e r r o r - r a t eo ft h e c o n v e n t i o n a ld i s t r i b u t e ds p a c e - t i m ec o o p e r a t i v es y s t e mw i t hs i n g l e r e l a y f i n a l l y , t h i sp a p e ra c c o m p l i s h e dt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n a b o u tt w oi s s u e si ns i n g l er e l a yd i s t r i b u t e ds p a c e t i m ec o o p e r a t i v ef i e l d o n ei s s u ew a sh o wt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fb i t e r r o r - r a t eo ft h e s y s t e mw h e nt h ec h a n n e li n t h es y s t e mw a sf r e q u e n c y - s e l e c t i v ef a d i n g t h es c h e m ei nt h i sp a p e rw a sajo i n td e s i g nw h i c hi n c l u d e dt h ec o d i n g m e t h o d ，t i m es t r u c t u r eo ft h et r a n s m i s s i o na n dt h em e a s u r eo fs i g n a l l l p r o c e s s i n ga tt h ed e s t i n a t i o n t h eo t h e ri s s u ew a sh o wt or e s o l v et h e p r o b l e mo fd e l a ys y n c h r o n i z a t i o ni nt h es y s t e m t h es o l u t i o ni n t l l i s p a p e rw a sa p p l y i n gf r o n te n dp r e f i l t e rw h i c hr e s o l v e dt h ep r o b l e mi n e n e r g yp e r s p e c t i v ei m p l i c i t l y k e yw o r d s c o o p e r a t i v ed i v e r s i t ya l a m o u t i l i k es p a c e t i m e c o d i n gd e l a ys y n c h r o n i z a t i o nf r o n te n dp r e f i l t e r i 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：篮垫日期： 迎立2 苎。 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期：迦2 ：i ：! 蔓 日期：j q 止 北京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论帚一早珀v 匕 无线通信是2 0 世纪8 0 年代中期以来，发展最为迅速的通信方式。随着社会 的发展，人们对通信的需求日益迫切，同时对通信的要求也越来越高。但是无线 信道固有的多径特性导致信号经无线信道传输后，在接收端发生剧烈变化，传输 质量下降，难以恢复。因而必须采取措施减轻多径衰落对于传输信号的影响。分 集技术是无线通信系统中对抗衰落的最有效手段之一。与传统的频域分集技术与 时域分集技术相比，目前空域分集技术吸引了更多了关注。而基于空域分集技术 的协作分集技术，作为近年来的新兴技术，融合了备受推崇的m i m o 技术，分 布式技术，空时编码技术，越来越受到人们的关注。协作分集技术解决了由于移 动终端的体积，功耗等限制而不能应用m i m o 技术的难题，为m i m o 技术走向 实用化，提供了一条可行途径。同时，采用协作分集技术还可以提供分集增益， 改善系统性能。这些都使协作分集技术成为目前的研究热点之一。 1 1 分集技术简介及研究意义 为了满足第三代移动通信中多速率多媒体通信的要求，移动通信系统必须采 用更先进的算法和技术，不仅要提高数据速率，还要使系统能确保不同业务所要 求的服务质量。以此为目标，学术界已经进行了大量的理论研究，并取得了令人 瞩目的成就。这些成果涵盖了各种先进的信号处理技术，包括针对无线通信环境 的编码和调制技术，检测技术以及各种分集技术。在这各项技术中，分集技术占 有重要地位。究其原因，是由无线信道的本质特性决定的。 与单一路径且封闭的有线信道不同，无线信道是一个多径并开放的信道。无 线信道中电波的传播并不是单一路径，在接收端除了接收到信号的直射波外，还 有各种反射波，绕射波和二次反射波等。由于电波通过各个路径的距离不同，所 以各个路径信号的到达时间不同，也就是各信号的时延不同。这些信号在接收端 合成后，由于它们到达接收端的相位不同，所以最终的合成信号可能是它们互相 相加的结果，也可能是它们互相抵消的结果。无论哪种倾向，都会引起信号的剧 烈变化，严重影响信号的传输质量。在这种情况下，要恢复接收信号存在很大困 难。j gp r o a k i s 已经证明在衰落的情况下，系统的误码率与信噪比只成反比关 系。由此可知，即使提高信噪比，系统性能的改善也相当有限，必须首先减小信 道衰落对传输信号的影响。 分集技术就是无线通信系统中对抗衰落最有效的技术之一。它能在不增加发 射机功率或信道带宽的情况下提高多径衰落信道下的传输可靠性。它的基本原理 北京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 是：接收来自多个信道( 时间，频率或空间) 承载的同一信息的多个独立信号副 本，利用接收信号在结构和统计特性上的不同特点加以区分，并按一定规律和原 则进行集合与合并处理来实现抗衰落。由于各个信号同时处于深衰落的概率非常 小，因此一般而言，在任一时刻至少有一个强度足够的信号副本可供接收及使用。 相比无分集的情况，采用分集技术可以大大提高多径衰落信道下传输的可靠性。 如果不采用分集，在噪声受限条件下，发射机必须提高发射功率，以保证信道条 件较差时链路能够正常连接，但这会加重这条链路对其他用户的干扰。采用分集 技术不仅可以降低发射功率，而且可以减小载波干扰比的可变性，使载波干扰比 的容限降低，提高复用系数，进而提高系统容量。 分集技术的必要条件是在接收端必须能够接收到承载同一信息且在统计上 相互独立( 或近似独立) 的若干不同的样值信号。这若干个不同样值信号的获得 可以通过不同的方式，如空间，频率，时间等。它主要是指如何有效地区分可接 收的含同一信息内容但统计上独立的不同样值信号。分集技术的充分条件是如何 将可获得的含有同一信息内容但是统计上独立的不同样值加以有效且可靠的利 用。这实际上是说在接收端对信号的集合与合并方式，最常用的有选择式合并 ( s e l e c t i v ec o m b i n g ，s c ) ，等增益合并( e q u a lg a i nc o m b i n g ，e g c ) 和最大比 值合并( m a x i m u mr a t i oc o m b i n g ，m r c ) 。 可以看出，在采用分集技术时，如何能够获得独立的信号副本至关重要。常 用的分集方式有时间分集，频率分集和空间分集。 时间分集主要是通过在不同的时隙上发送相同的信号副本来实现，这是一种 显分集技术。接收端在多个时隙中可以收到若干个不相干的衰落信号。时间分集 的最小时间间隔要大于或者等于信道的相干时间。在数字通信系统中，通常使用 差错控制编码以获得相对于未编码系统的编码增益。这其实是利用了差错控制编 码带来的时域冗余【l 】。另外，通信系统中还可以通过交织来实现时间分集，这属 于隐分集技术。但是，交织会引起译码延迟，所以不适合在一些对时延敏感的移 动无线系统中使用。由于时间分集在时域上引入了冗余，所以会带来带宽利用率 的损失。 频率分集主要是通过使用不同的频率发射相同的信息来实现。这种频率分集 的实现方式是一种显分集技术。为了保证在每个载频上传输的信号的衰落是独立 的，各个载频间的间隔必须足够大。发射信号的副本通常按频率冗余的形式到达 接收端。这种频率冗余可以通过直接序列扩频，多载波调制等扩频技术来实现。 当信道的相干带宽较小时，扩频技术是有效的；反之，当信道的相干带宽大于扩 展带宽时，就无法用扩频的方式来实现频率分集了。另外还有一种隐分集的频率 分集实现方式，就是c d m a 系统中的r a k e 接收。由于引入了频率冗余，频率分 2 北京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 集同样会带来带宽利用率的损失。 与时间分集以及频率分集相比，空间分集越来越受到人们的关注。因为空间 分集不需要占用额外的时间和带宽资源，因而具有较高的带宽利用率，同时能够 取得较好的抗衰落性能。典型的空间分集是通过在发送端或者接收端设置多天线 来实现的。当多根天线在空间上的排列距离满足一定条件时，各个天线所对应的 信道可以看作是互不相关的。天线的间隔大小随具体通信环境不同而有所变化。 在空间分集中，发射信号副本是以空域冗余的形式到达接收端的。 空间分集技术又可以分为接收分集技术与发射分集技术【2 】。这两种技术分别 是在发送端或者接收端布置多根天线。另外还可以将这两种空间分集技术结合使 用。多输入多输出( m u l t i p l e - i n p u tm u l t i p l e - o u t p u t ，m i m o ) 技术是一种典型的 利用空间分集技术的多天线无线通信技术。m i m o 技术可以在不增加带宽的前提 下提高系统的信道容量，同时利用收发分集和空时编码可以提高传输的可靠性。 除了m i m o 技术以外，现在常用的空间分集技术还有空时编码( s p a c e - t i m e c o d i n g ，s t c ) 技术【3 】【4 】。这种技术主要应用于发送端，属于发送分集的一种。 空时编码在多根发射天线和各个时间周期的发射信号之间能够产生空域和时域 的相关性，其本质是在时间和空间上的两维编码。如果在发送端采用多天线空时 编码技术，同时在接收端进行相应的信号处理，可以获得较大的性能增益。所以 将m i m o 技术与空时编码技术相结合，也是提高系统性能的方法之一。 1 2 协作分集技术的提出与研究意义 m i m o 技术是利用多根发射天线和多根接收天线完成无线传输的技术，具有 空间分集和空间复用的双重功能。研究表明，m i m o 技术的空间复用增益可以提 高信道的容量，而m i m o 技术的空间分集增益可以提高传输的可靠性，降低误 码率。m i m o 技术已经被认为是新一代无线传输系统的关键技术之一。但是， m i m o 技术走向实用还存在一定的障碍。从实际工程的角度考虑，对于某些特定 的应用场景，如蜂窝移动通信系统的上行链路，由于移动用户终端的自身体积， 实现复杂度及功耗的限制，在其上安置多根天线来实现空间分集非常困难。如何 能够在实际中拓展m i m o 技术的应用范围，充分发挥空间分集技术的优势，是 通信发展面临的一个挑战。正是这个挑战，促使了协作分集技术的产生与发展。 协作分集( c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y ) 【5 】【6 】【7 】【8 】，是一种使空域分集借助协作通信 这种特殊的通信方式实现的分集技术，它的研究最早源于中继信道( r e l a yc h a n n e l ) 的研究【9 】。s e n d o n a r i s 和l a n e m a n 等学者研究了实际系统在衰落环境下的中继方 式，并且分析了各种方式所能取得的分集效果，互信息和中断概掣1 0 】【】【旺】。由于 这种分集效果是多用户之间的协作所产生的，因此他们将所提出的技术称为协作 北京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 分集。它的基本思想是系统中的每个移动终端都有一个或多个合作伙伴 ( p a r t n e r ) ，合作伙伴之间有责任在传输自己信息的同时，帮助其他伙伴传输信 息。这样，每个终端在传输信息的过程中既利用了自己又利用了合作伙伴的空间 信道，从而获取了一定的空间分集增益。因此，可以说多用户协作分集是一种利 用分属于各用户端上的天线，通过协作信号处理获得分集增益的技术。协作分集 中的合作伙伴共享彼此的天线和其它资源。与传统的布置多天线方式不同，协作 分集是利用中继信道，通过分布式传输和信号处理构成了虚拟的m i m o 多天线 系统。因此可以说，协作分集为m i m o 多天线技术走向实用提供了一条新的途 径。 由于协作分集是植根于m i m o 技术，所以它具有广阔的应用前景。它可以 应用于蜂窝移动通信系统，无线a dh o c 网络，无线局域网以及无线传感器网络 等多种场合【1 3 】【1 4 1 ，同时也可以与一些已经发展成熟的技术如o f d m ，空时编码 等结合使用。协作分集最初的引入是用于解决移动终端的多天线配置问题，使移 动终端实现“多发 。同时，协作分集不仅是促使m i m o 技术实用化的方法之一， 它还有可能引发新的商业变革。因为用户间的协作涉及到网络资源分配的问题。 协作能使信道质量差的用户得到信道质量好的用户的协助，从而使两者均达到某 个可以接受的性能指标，而且在协作的过程中，信道质量好的用户付出的代价较 小。这种协作就可能引起资费调整的问题。在作为提供协作方而能获得利益的前 提下，就有可能出现一些专门提供协作服务以获取经济利益的用户。而这些支出 应该由得到协助的用户来支付。那么，就应该有相应的流量计费系统。因此，协 作服务有可能成为一种新的产业。 目前对协作分集技术的研究，主要集中于采用固定中继来充当合作伙伴。而 且通信场景也由移动通信的上行链路扩展到了下行链路【1 5 】【1 6 】。为了提高频谱效 率，h u n t e r 等提出了采用信道编码的编码协作，如凿孔分布式卷积码【1 7 1 - 2 0 1 ，从中 断概率的角度也可以获得完全的分集增益。之后l a n e m a n 又提出了以空时编码 为基础的协作分集【2 1 1 ，其理论上可以实现全空间分集增益，同时没有降低频谱效 率。b a r b a r o s s a 和a n g h e l 等学者继续研究了在高斯信道和平坦瑞利衰落信道环 境下，采用空时编码技术实现协作分集的问题陋1 4 2 6 1 。n a b a r 等学者分析了分布 式空时分组码在协作分集系统中的应用【2 7 1 。s u s i n d e r 对非正交空时编码协作分集 协议进行了研究【2 引。协作分集技术不仅可以支持信源端与信宿端之间的直接通 信，也可以支持有中继节点辅助的多跳传输。这种多跳传输方式通过中继节点绕 开阻碍电波传输的障碍物，在一定程度上克服了大尺度衰落的影响，减小了收发 终端间的路径损耗，降低了设备发射功率，从而抑制系统干扰并提高信号的信噪 比( s i g n a ln o i s er a t i o ，s n r ) 。此外，由于信宿端可以采用不同的合并方式来处 4 北京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 理来自不同发送端的信号( 信源节点，中继节点) ，协作分集还可以显著地减轻 信道上的小尺度衰落影响，在一定程度上改善信号的传输环境，同时获取分集增 益。另外，值得注意的是，与其它技术相比，协作分集策略中的中继节点的复杂 度要低于蜂窝网络中的基站的复杂度，尤其是根据协作分集最初的构想，采用移 动终端作为中继节点时，可以充分利用网络中的大量移动用户来完成中继的功 能，用很少的投资即可获得网络性能的极大优化。因此，在增大网络覆盖面积， 充分利用带宽，功率等无线资源，提高网络容量方面，无线协作分集系统充分显 示了其优越性。可见，协作分集技术具有很强的活力，在未来的移动通信发展中， 将扮演重要的角色。 1 3 论文主要内容 作为近年来新兴的一种技术，协作分集在抗衰落，覆盖扩展以及m i m o 实 用化方面都具有很大的研究价值和应用价值。协作分集技术与经典a l a m o u t i 空 时块码相结合是它发展的一个方向。但是，由于经典a l a m o u t i 空时块码的适用 条件为平坦瑞利衰落的信道，所以限制了这种结合的应用前景。同时，由于协作 方与被协作方采用分布式的协作传输方式来传输空时块码矩阵，这就导致在接收 端存在延迟同步问题。基于以上问题，本文对协作分集技术的研究主要集中在以 下三个方面： 1 首先对传统的单中继分布式空时协作系统进行研究。分析采用放大中继 模式及解码中继模式的分布式空时协作系统，以b e r 性能为评价标准，仿真并 分析系统性能。 2 其次，探讨在频率选择性衰落信道下，单中继分布时空时协作系统的改 进方案。设定系统的基本假设，对改进方案进行仿真，并以系统b e r 性能为评 价标准，与原有方案进行对比。 3 最后，在内容2 的基础上，探讨在频率选择性衰落信道下，如何解决单 中继分布式空时协作系统中的延迟同步问题。设计具体解决方案，将其仿真实现， 并以系统b e r 性能为评价标准进行分析。 论文从实际出发，配以适当的假设，对上述问题设计方案并进行仿真分析， 证明设计方案的可行性及优越性。 1 4 论文结构 依据论文的研究内容，本文的结构安排如下： 第章简要介绍分集技术的原理以及研究意义，阐述协作分集技术的出现动 因，研究现状以及发展方向。 北京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 第二章详细介绍协作分集的系统模型以及协作分集协议，即固定中继协议， 选择中继协议，增强中继协议。并介绍取得广泛应用的放大中继模式及解码中继 模式。同时，结合中断概率，信道容量分析各种协议的性能。 第三章主要介绍单中继分布式空时协作系统。并对结合a l a m o u t i 空时编码 技术，采用固定中继协议，放大中继模式及解码中继模式的单中继分布式空时协 作系统进行b e r 性能仿真，同时分析所得到的结果。 第四章扩展单中继分布式空时协作系统的应用范围。针对信道条件为频率选 择性衰落的情况，设计具体的传输方案。具体内容包括空时编码方式，传输时隙 结构以及接收端的信号处理方式。同时，对所设计的传输方案进行仿真，并以 b e r 性能为评价标准，与原有的方案进行比较，证明所设计方案的优越性并进 行分析。 第五章首先对协作分集系统的同步问题进行介绍，重点介绍其中的延迟同步 问题。以单中继分布式空时协作系统为例，研究在频率选择性衰落的信道条件下， 解决延迟同步问题的方案。对所提出的方案进行仿真，以系统b e r 性能为评价 标准，将所得结果与未解决延迟同步问题的系统进行比较，证明所提出方案的优 越性，并对结果进行分析。 第六章对论文的工作进行概括性总结，并探讨进一步的研究方向。 6 北京邮电大学硕士学位论文第二章协作分集技术 第二章协作分集技术 协作分集技术允许多个单天线用户通过多个用户之间的协作来获得多天线 系统的分集增益。其基本思想是利用网络中的多个用户共享其天线，并向目的节 点发送相同信号的副本，由于这些信号是相关的并经历了独立的信道衰落，接收 端即可获得多个独立衰落信号，因此协作通信以一种分布式方式达到了分集的目 的。 在分布式协作分集系统中，最常用的协作分集协议是由l f m e l l l 8 1 l 定义的固 定中继协议( f i x e dr e l a y i n g ) ，选择中继协议( s e l e c t i o nr e l a y i n g ) 和增量中继 协议( i n c r e m e n t a lr e l a y i n g ) 【儿】。其中，应用比较广，研究比较多的是固定中继 协议。在固定中继协议中，常见的中继节点信号处理模式包括放大中继模式 ( a m p l i f y - a n d f o r w a r d ，a f ) 和解码中继模式( d e c o d e - a n d f o r w a r d ，d f ) 。本 章首先介绍协作分集模型，并对上述各种协作分集协议及协作模式进行简要介 绍。 2 1 协作分集系统模型 为了方便介绍协作分集的基本概念，首先在本节介绍包含两个节点相互协作 的协作分集系统模型1 1 1 。具体模型如图2 1 所示。 图2 - 1 两节点互相协助的协作分集模型 在图2 一l 所示的协作分集模型中，包含d 如，d 如，d 如和n o d e 4 四个 节点。其中，d 如和d 如为源节点，d 如和d 妃为目的节点。为便于分析， 本文考虑的通信场景为源节点d d e , ( s 1 ，2 ) ) 向目的节点n o 嘞( d 3 ，4 ) ) 传输信号，n n o d e ，( ， l ，2 ) ) 作为中继节点协助n o 啦与d 嘞间的通信。 在该协作系统模型中，假设窄带传输所通过的信道为平坦性衰落，并且受到 7 北京邮电大学硕士学位论文第二章协作分集技术 加性噪声的影响。影响系统中两个节点d 如与呐( i ep ，厂) ，j f ，d ) ) 之间信号传输的衰落系数为吩，接收节点处的加性噪声为乃( 刀) 。对于瑞利衰落 信道，j l f ，服从均值为0 ，方差为蠢的复高斯随机分布 2 9 1 ；乃o ) 服从均值为0 ， 方差为n o 的复高斯随机分布。此外，假设每个通信链路的接收端可以准确估计 出该链路的信道状态信息( c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ，c s i ) ，而发送端并不掌握 c s i 。对于带宽为w i - i z 的连续时间信道，其等效的离散时间信道每秒包含矿个 二维符号。如果发送节点在连续时间信道中平均功率受限为，则在离散时间信 道中，若每个节点仅用一半的可用自由度发送，其功率受限为p = 2 w 。同时， 点n o d e z 与节点d 奶之间的衰落信道( f ，j ) 可以用s n r l h i 表示， 则信噪比可定义为 定义频谱效率为 s n r ；里：三 n 浮n ( 2 - 1 ) r = 2 r w ( b s h z ) ( 2 - 2 ) 式( 2 2 ) 中，厂( b s ) 为传输速率。 为便于分析，将系统参数化为( 舳喂一，r ) y 戈( s n r ，兄。) 两个参数对，其中， 跏；再s n r ( 2 - 3 ) 足一- 研面r 网 2 川 对于带宽为w 2 ，信噪比为s n r o 己的加性白高斯信道，眠。( 1 ) 表示为 了达到频谱效率r 而要求达到的最小信噪比进行归一化后得到的信噪比嗍；类 似地，屯。( 1 ) 表示用最大可达频谱效率，也就是信道容量进行归一化后的频 谱效掣3 1 】【3 2 】。在这个意义上来说，上述两个参数对是对偶的关系。 假设无线信道可以分成若干个相互正交的子信道，并能够合理地分配给系统 中的各节点。为了实现协作分集，系统采用半双工方式。信道在时分传输方式下 8 北京邮电大学硕士学位论文第二章协作分集技术 有三种信道分配方案：d 如和呐直接将各自的信号发送给d 如和 d 妃，此过程中存在着相互间的干扰，如图2 - 2 ( a ) 所示；和肠如用 不同的时隙向n o 如和发送信号，此时为时域正交传输，如图2 2 ( b ) 所 示；d 如和d 如进行协作，实现协作分集，此时为时域正交协作传输，如 图2 - 2 ( c ) 所示。本文只考虑图2 2 ( b ) 及图2 2 ( c ) 两种情况。 一j | ，4 _ 卜一j i ，4 叫h 卜_ 一4 叫h 卜一j | ，4 _ 图2 - 2 协作分集系统时分信道分配( a ) 存在相互干扰的直接传输；( b ) 正交直接传输；( c ) 正交协作分集传输 对于图2 - 2 ( b ) 所示的直传通信，目的节点d 妃在刀= 1 ，n 2 时刻的接 收信号为 儿o ) = 红t ( 刀) + 乃( 刀)( 2 - 5 ) 其中t o ) 为d 炽处的发送信号。另外一个发送节点在刀= n 2 + l ，n 时刻向 目的节点发送信号，如图2 2 ( b ) 所示。当输入为独立同分布( i i d ) 零均值复 高斯变量时，输入和输出之间的平均互信息最大，这个最大平均互信息可以表示 为 i 。= l o g ( 1 + 洲 k 1 2 ) ( 2 6 ) i d 是信道衰落系数h s d 的函数。当频谱效率为r 时，直传通信的中断事件可以定 义为i d r ，其等效为 吃，。1 2 等 9 ( 2 7 ) 北京邮电大学硕士学位论文第二章协作分集技术 当信道条件为瑞利衰落时，中断概率满足 p 7 ( s n r 固一( i d 胪p * j 1 2 哿l 小唧【- 】。专案1 仁回 对于图2 2 ( c ) 所示的协作通信模式，在刀= l ，n 4 时刻，接收信号可以 表示为 只( 刀) = b ( 刀) + 乙o ) 儿( 刀) = h , a x , ( n ) + z a ( n ) ( 2 9 ) 其中，( 一) 为n o d e , 处的发送信号，”( 刀) 和儿( 刀) 分别表示中继节点和目的节点 处的接收信号。在力= 3 4 + l ，时刻，接收信号的表达式与式( 2 9 ) 相似。 而在数据块的另一半传输时间内，即刀= 4 + 1 ，n 2 时刻，目的节点接 收信号为 儿( 甩) = k ( 力) + 乞( 万) ( 2 一l o ) 式( 2 1 0 ) 中，t ( 疗) 是中继传输的信号。值得注意的是，在图2 2 ( c ) 所示的 协作通信模式中，系统为每个信源节点分配了信道自由度的一半，而系统为相应 的中继节点则分配了信道自由度的1 4 。 在下面一节中，本文将对基于本小节所描述的模型所确定的三种协作分集协 议进行介绍，包括固定中继协议，选择中继协议和增强中继协议。同时分析在高 s n r 时，各种协议的中断概率的近似表达式以及分集阶数。之所以对协议的中 断概率进行分析，是因为中断概率不考虑具体的编码方式，能对协议性能进行比 较客观的衡量，对功率分配策略和伙伴选择策略也有重要指导意义【1 2 】。 2 2 协作分集协议简介 l a n e m a n 在文献 1 l l q h 提出了协作分集的三种协议，即：固定中继协议，选 择中继协议和增强中继协议。本节结合中断概率以及分集阶数的分析，对这三种 协议进行介绍。其中，在介绍固定中继协议时，介绍了在协作分集系统中最常采 用的放大中继模式以及解码中继模式这两种中继对信号的处理模式。 1 0 北京邮电大学硕士学位论文 第二章协作分集技术 2 2 1 固定中继协议 固定中继协议是一种最简单的协作分集协议。参与协作的节点是固定的中 继，而不是网络中移动的用户。在整个协作期间，中继节点都为源节点转发消息。 根据中继节点处的信号处理方式不同，固定中继协议可分为放大中继和解码中继 两种模式。 ( 1 ) 放大中继模式( a m p l i f y - a n d f o r w a r d ，a f ) a f 模式是一种非再生的中继模式。在a f 模式下，中继节点接收到源节点 发射的被噪声污染的数据，只进行简单放大后即向目的节点转发。目的节点按照 一定的准则合并源节点和中继节点所发送的信号，并形成最终的判决。对a f 模 式的具体分析如下。 中继节点d 抛接收到式( 2 - 9 ) 中所示信号y 之后，在r(n) n = n 4 + l ，n 2 时刻向目的节点转发的信号为 墨( 厅) = 3 v r ( n n 4 )( 2 - 1 1 ) 式( 2 - 1 1 ) 中，p 为d 旭处的放大系数。为了保证中继节点处的功率受限，放 大系数p 需满足条件 p ( 2 - 1 2 ) 由式( 2 1 2 ) 可以看出，放大系数p 依赖于源节点与中继节点间的信道衰落系数 b 。 a f 模式可以看成是具有两个分布式发送端的重复码。唯一不同的是中继节 点将自身接收端处的噪声也放大并发送至目的节点。目的节点通过采用适当的 合并技术来处理两个时刻接收到的信号，并对源节点发送的信号石。伽) 进行估计。 此时，系统输入和输出之间的最大平均互信息为 i _ f = 丢l o g ( 1 + s u r i h 耐1 2 + f ( s n rh s r 2 , s n r h , 2 ) ) ( 2 1 3 ) 式( 2 - 1 3 ) 中，所定义的函数厂( ，) 为 m ，夕) ：= 百x 而y ( 2 - 1 4 ) 需要指出的是，式( 2 - 1 3 ) 中的i 一，是在p 取等号时得到的，因此该式不包含p 项。 将频谱效率为r 时的中断事件定义为i f r ，则中断事件等效为 北京邮电大学硕士学位论文第二章协作分集技术 k 1 2 + 志厂( 册叭s n r i h 耐1 2 ) 哿 ( 2 - 1 5 ) 对于平坦瑞利衰落信道，i 嘞1 2 服从参数为町2 的指数分布。在高s n rf 载g - v ，中 断概率可近似表示为 簖c 册, r ) - - - - p r c i 州，一( 去学】 哿】2 仁峋 根据分集阶数的定义 2 9 1 5 - l i r a - l o g f ( s n r ) ( 2 17 ) 姗+ o o i o g ( s n r ) 、 式( 2 1 7 ) 中，f ( s n r ) 是以信噪比为参数的衡量系统性能的某一物理量，例如 中断概率或误码率。那么，根据式( 2 1 6 ) 和式( 2 1 7 ) 可得到a f 模式的分集 阶数在高s n r 时为2 。可以注意到，尽管在放大中继过程中，噪声在中继节点 处被放大并转发，但是由于目的节点接收到两个经历独立衰落的信号，因此可以 做出较好的检测和判决【1 1 1 。 ( 2 ) 解码中继模式( d e c o d e - a n d f o r w a r d ，d f ) d f 模式是一种再生的中继模式。在d f 模式下，中继节点接收并检测源节点 的比特信息，并重传经过判决后的比特信息。这种中继模式相对a f 模式而言， 比较复杂。并且，当源节点和中继节点间信道质量较差时，中继节点有可能对源 节点的信息做出错误判决，此时协作分集不能达到完全分集。具体分析如下。 在甩= 0 ，n 4 时刻，中继节点对接收到的源节点信号以( 甩) 译码。得到对 t q ) 的估计信号茸o ) 。若仍按原来的编码方式进行编码，中继节点n o d e , 在 疗= n 4 + 1 ，n 2 时刻向目的节点转发的信号为 0 ) = 置o n 4 ) ( 2 1 8 ) 在d f 模式中，中继节点可以对整个数据块进行完全译码，也可以对逐个符 号进行译码。假设中继节点是完全译码的，此时，重复编码解码中继系统的输入 和输出之间的最大平均互信息为 1 2 北京邮电大学硕士学位论文 第二章协作分集技术 i 胛= 昙m i i l l o g ( x + s n r i h 。1 2 ) ，1 0 9 ( 1 + s n r i h 甜1 2 + s n r i h , d 2 ) ( 2 1 9 ) 式( 2 1 9 ) 中，r a i n 函数中的第一项为中继节点o 如可以可靠的对”( 以) 进行译 码的最大速率，第二项为目的节点可以准确的对包含源节点信息的两个信号，即 来自源节点发送的信号以及中继节点重复传输的信号，进行译码的最大速率。当 中继节点和目的节点都能准确地对整个码字进行译码时，两个互信息最小。 在频谱效率为r 时，定义中断事件为i d p r ，则中断事件可以等效为 幽耐w + 等( 2 - 2 0 ) 对于瑞利衰落信道，重复编码解码中继模式的中断概率为 断o u ( s n r ，r ) ；p r ( 1 0 p r ) = p r ( 蚶 g ( s n r ) ) ( 2 - 2 1 ) + p r ( i h 1 2 g ( 册) ) p r ( 蚶+ 蚶 g ( s n r ) ) 式( 2 2 1 ) 中，g ( s n r ) = 2 从一1 s n r 。在高s n r 时，可以对式( 2 2 1 ) 进存 如下近似 志群( 册，月) = 厕1 p r ( 蚶 g ( 姗) ) - - a a 三 + p r ( 蚶g ( 姗) ) 一+ i 一1 最后，当s n r _ o 。时，可以得到 丽1 可p r ( 蚶+ 2 g ( s n r ) ) ( 2 - 2 2 ) p 茹( s n r ，尺) 一巧1 丽2 2 r 1 ( 2 2 3 ) 式( 2 2 3 ) 中，1 s n r 表明固定中继d f 模式在高s n r 时并不能提供分集增益， 其分集阶数为1 。导致这种现象发生的原因是，中继节点需要能够完全对接收到 北京邮电大学硕士学位论文第二章协作分集技术 的源节点发送的信息比特进行译码，这使d f 模式的系统性能受限于从源节点到 中继节点的直传通信的性能【1 1 1 2 2 2 选择中继协议 为了克服解码中继模式的缺点，选择中继协议( s e l e c t i o nr e l a y i n g ) 应运而 生。选择中继协议可以有效地克服固定中继协议d f 模式中中继节点译码出错， 并把错误判决结果向目的节点发送，干扰目的节点正确译码，导致误码扩散并且 不能提供完全分集增益的缺点。该协议在每个时隙自适应地选择是采用d f 模式 还是采用直传通信。选择解码中继协议( s e l e c t i o nd e c o d e - a n d f o r w a r d ，s d f ) 能 够使参与协作的终端获得完全的空间分集，并且能够克服固定解码中继的弊端。 此时，系统输入和输出之间的最大平均互信息可表示为 i 饼=三l o g ( 1 + 2 s n r h 。d 2 ) 三l 。g ( 1 + s n r h , d 2 + l h , d 1 2 】) i k l 2 g ( s n r ) ( 2 - 2 4 ) l k l 2 g