（信号与信息处理专业论文）合作通信系统分集技术及功率优化分配研究.pdf

摘要 摘要 随着无线通信的发展，频谱资源越来越紧张，因而多输入多输出( m i m o ) 这种 不会损失频谱利用率且可以提供分集增益，并有效对抗多径衰落的技术被提了出 来。然而，许多移动终端，如手机、传感器节点等，由于受体积、功耗、成本等 的限制，不适合安装多根天线。近几年出现的合作分集( c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y ) 技术 便是为解决这个问题而提出来的，它是提高无线信道容量和可靠性的一种有效手 段。合作分集技术所有节点共用天线构成虚拟天线阵( v a a ) 来中继传输信息，从而 实现分布式空间分集。功率资源是无线通信系统中另一种重要的资源。为了在有 限的功率限制下进一步提高传输速率，从物理层对功率进行优化分配有着极其重 要的现实意义。 本文主要做了以下几项工作： 1 、介绍了合作分集的基本模式以及合作分集的协议，并对各种合作分集协议 的性能进行了仿真并比较了它们的性能。 2 、研究了在传统三节点合作通信系统中，分别针对放大前向中继) 协议和 解码前向中继( d f ) 协议，在总功率一定的条件，以大信噪比时误码率的下界或上 界表达式为目标函数，优化分配信源节点和中继节点的发射功率。 3 、研究了在分布式合作通信系统中功率优化分配问题。首先在中继节点总功 率一定情况下研究了三种功率优化分配方案，并进行了性能比较。其次在中继节 点总功率不限定的条件下研究了一种节省功率的机会中继指定方法，并进行了性 能仿真和分析。 关键词：合作分集，功率分配，虚拟天线阵，无线中继 a b s t r a c t m u l t i p a t hf a d i n gs e r i o u s l yd e g r a d e st h ep e r f o r m a n c eo f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e m s d i v e r s i t ya sa l le f f e c t i v et e c h n o l o g y t oa g a i n s tm u l t i p a t hf a d i n gi n c l u d e st i m e d i v e r s i t y , f r e q u e n c yd i v e r s i t y a n ds p a t i a ld i v e r s i t y , e r e w i t ht h ed e v e l o p m e n to f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，s p e c t r u mr e s o u r c eb e c o m e sm o r ea n dm o r ee x p e n s i v e 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 ) s y s t e m w a sp r o p o s e da sac a n d i d a t es y s t e mf o r f u t u r ew h i c hc a np r o v i d ed i v e r s i t yg a i n sw i t h o u te x t r as p e c t r u mu t i l i z a t i o n h o w e v e r , t h em o b i l ed e v i c e ，s u c ha sc e l lp h o n e s ，t h es e n s o rn o d e s ，a n ds oo nc a n n o ti n s t a l lm o r e a n t e n n a sd u et ot h es i z e ，p o w e ra n do t h e rc o n s t r a i n t s t h ec o o p e r a t i v ed i v e r s i t y t e c h n o l o g yi st h ee f f e c t i v em e a n sw h i c hu s ew i r e l e s sr e l a ys y s t e mt om a p r o v et h e c a p a c i t ya n dr e l i a b i l i t yo f w i r e l e s sc h a n n e l e v e r yl a s e rs h a r e st h e i ra n t e n n a sa n df o r m s v i r t u a la n t e n n aa r r a y 眦) ，a n dt h e na c h i e v sd i s t r i b u t e ds p a t i a ld i v e r s i t y p o w e ri s a l s ot h ei m p o r t a n tr e s o u r c ei nt h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m i ti si m p o r t a n tt o 如r t b e re nb a n c et r a n s m i s s i o nr a t ew i t hl i m i t e dp o w e rb yo p t i m i z i n gt h ea l l o c a t i o no f p o w e ri nt h ep h 、，s i c a ll a y e r t h i st h e s i sd e s c r i b e st h ef o l l o w i n g w o r ko ft h ea u t h o r ： 1 ，b a s i cc o o p e r a t i o nd i v e r s i t yp a t t e r n sa n dc o o p e r a t i o np r o t o c o l sa r ei n t r o d u c e d t h e p e r f o r m a n c eo fv a r i o u sc o o p e r a t i o nd i v e r s i t yp r o t o c o l sa r e s i m u l a t e da n dc o m p a r e d 2 ，s t u d yo f t h et r a d i t i o n a lt h r e e - n o d ec o o p e r a t i o nc o m m u n i c a t i o ns y s t e m w ea i m a tm ea fa n dd fr e l a yp r o t o c 0 1 w h e nt h et o t a lp o w e ri sc o n s t a n t ，o p t i m i z ea l l o c a t i o n o fs o u r c en o d ea n dr e l a y sp o w e r 3 ，s t u d y o fo p t i m i z a t i o np o w e ra l l o c a t i o n i nt h ed i s t r i b u t e d c o o p e r a t i v e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m f i r s t l yu n d e rt h ec o n d i t i o nt h a tr e l a y st o t a lp o w e ri sc o n s t a n t ， is t u d ya n dc o m p a r et h r e eo p t i m i z e dp o w e ra l l o c a t i o ns c h e m e s s e c o n d l yw h e nr e l a y s t o t a lp o w e ri sn o tl i m i t e d ，is t u d yan e wr e l a ys e l e c t i o ns c h e m ew h i c h c a ns a v ep o w e r k e y w o r d s ：c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y , p o w e ra l l o c a t i o n ，v a a ，w i r e l e s sr e l a y 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，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 为获得电子科技大学或其它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 确的说明并表示谢意。 签名：芝至4 楚 日期：矽昭年歹, e l - 列e i 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，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，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：芝互尘灸导师签名：馘 日期：秒d 男年厂月2 日 第一章绪论 1 1移动通信发展 第一章绪论 进入2 0 世纪以来，全球范围内无线移动通信得到了前所未有的发展，这种发 展势头还在延续。今天，移动通信技术已经成为人们日常生活中不可或缺的重要 通信方式。随着人们对各种实时多媒体业务需求的迅速增加，可以预计，未来的 移动通信技术将会具有更高的信息传输速率，为用户提供更大的便利。自从马可 尼发明无线电报以来，无线通信的发展经历了几次大的变革【2 】。 1 1 1第一代移动通信系统 1 9 7 4 年，贝尔实验室提出了蜂窝移动网的概念。同年又研制出a m p s ( a d v a n c e d m o b i l ep h o n es e r v i c e ) 系统，并于1 9 8 2 年在美国正式运营。同一时期，英国的 t a c s ( t o t a la c c e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 系统和北欧的n m t ( n o r d i cm o b i l e t e l e p h o n e ) 系统等类似的系统也出现了。这些系统都是基于模拟信号的，实现全双 工通信、频分多址技术。 蜂窝移动通信的出现可以说是移动通信的一次革命。其频率复用提高了频率 利用率并增大系统容量，网络的智能化实现了越区切换和漫游功能，扩大了客户 的服务范围。但上述模拟系统有四大缺点：各系统间没有公共接口；很难开展数 据承载业务；频谱利用率低而无法适应大容量的需求；安全保密性差，易被窃听， 易做假机。尤其是在欧洲系统间没有公共接口，相互之间不能漫游，对客户造成 很大的不便。 1 1 2 第二代移动通信系统 2 0 世纪8 0 年代中期，当模拟蜂窝移动通信系统刚投放市场时，世界上的发达 国家就在研制第二代移动通信系统。第二代移动通信系统是基于时分复用 ( t d m a ) 的数字通信系统，其中最有代表性和比较成熟的制式有泛欧g s m ( g l o b a l s y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ) ，美国的a d c ( d a m p s ) 和日本的p d c 等数字移 动通信系统。在这些数字系统中，g s m 系统的发展最引人注目，它有几项重要特 点t 防盗打能力强、网络容量大、手机号码资源丰富、通话清晰、稳定性强不易 电子科技大学硕士学位论文 受干扰、通话死角少、手机耗电量低。1 9 9 1 年g s m 系统正式在欧洲问世，网络开 通运行。g s m 数字移动通信系统源于欧洲。早在1 9 8 2 年，欧洲已有几大模拟蜂窝 移动系统在运营，例如北欧多国的n m t ( ： l 欧移动电话) 和英国的t a c s ( 全接入通 信系统) ，西欧其它各国也提供移动业务。当时这些系统是国内系统，不能在国外 使用。为了使全欧洲能使用通用移动电话，需要一种公共的系统。北欧国家向 c e p t ( 欧洲邮电行政大会) 提交了一份建议书，要求制定9 0 0 m h z 频段的公共欧洲 电信业务规范。在这次大会上就成立了一个在欧洲电信标准学会( e t s i ) 技术委员会 下的移动特别小组，来制定相关标准和建议书。 同时期窄带c d m a ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ) 系统也出现了，其技术的原 理是基于扩频技术，即将需传送的具有一定信号带宽信息数据，用一个带宽远大 于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调 制并发送出去。接收端使用完全相同的伪随机码，与接收到的宽带信号作相关处 理，把宽带信号还原成原信息数据的窄带信号即解扩，以实现信息通信。因此它 具有抗干扰性好，抗多径衰落，保密安全性高，同频率可在多个小区内重复使用， 容量和质量之间可做折中等属性。这些属性使c d m a 比其它系统有很大的优势。 1 1 3 第三代移动通信系统 尽管第二代移动通信系统拥有着诸多优点，它也为全球信息化做出了巨大的 贡献，但也存在着很多问题。其带宽过低限制了高速数据通信的应用，不能很好 的实现多媒体业务，存在多种标准，无法实现全球漫游等。人们为了解决这一系 列问题，由国际电信联盟( i t u ) 在1 9 9 2 年的世界无线电管理大会中规定2 g h z 附近 的频率被指定给第三代移动通信系统使用，并且于2 0 0 0 年在土耳其召开全会，对 无线接口技术进行统一，确立一个能提供数据接入的、通用的和全球的标准即 i m t - 2 0 0 0 ( i n t e r n a t i o n a lm 0 b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n s 2 0 0 0 ) 。目前实现第三代移动通信 i m t - 2 0 0 0 的具体方案很多，归纳起来有影响力的只有下列三种方案，w c d m a ， t d s c d m a 与w c d m ao n e ，下面将分别介绍： 1 1 3 1w c d m a w c d m a 也就是宽带的码分多址技术。该技术起源于日本和欧洲早期的第三 代移动通信系统的研究。它可支持3 8 4 k b p s 到2 m b p s 不等的数据传输速率。在高 速移动的状态，可提供3 8 4 k b p s 的传输速率，在低速或者室内环境下，则可提供 高达2 m b p s 的传输速率。而g s m 系统目前只能传送9 6 k b p s ，由此可见w c d m a 2 第一章绪论 是无线的宽带通信。 1 1 3 2 c d m 已地0 0 0 c d 妣o o o 由美国高通公司为主导提出，摩托罗拉、朗讯和后来加入的韩国 三星都有参与，韩国现在成为该标准的主导者。这套系统是从窄带c d m ao n e 数 字通信标准衍生出来的，可以从原有的c d m ao n e 结构直接升级到3 g ，建设成本 低廉。但目前大规模使用窄带c d m a 的地区只有日、韩和北美，所以c d m a 2 0 0 0 的支持者不如w c d m a 多。不过c d m a 2 0 0 0 的研发技术却是目前各标准中进度 比较快，许多3 g 手机已经率先面世。 1 1 3 3t d s c d m a t d s c d m a 作为中国提出的第三代移动通信标准。自1 9 9 8 年正式向n u 提 交以来，已经历经多年的时间。完成了标准的专家组评估、玎u 认可并发布、与 3 g p p ( 第三代伙伴项目) 体系的融合、新技术特性的引入等一系列的国际标准化工 作。从而使t d s c d m a 标准成为第一个由中国提出的，以我国知识产权为主的、 被国际上广泛接受和认可的无线通信国际标准。这是我国电信史上重要的里程碑。 虽然它的提出晚于其它标准，但也正是因为这一点，t d s c d m a 吸纳了九十年代 移动通信领域最为先进的技术，具有强大的后发优势。t d s c d m a 是c d m a 技 术与现代高科技相结合的全新技术。t d s c d m a 由于同时采用了同步c d m a 、智 能天线、软件无线电、联合检测、自适应功率调整等一系列高新技术，从而大大 增加了系统容量，提高了系统抗干扰性能，大大降低了发射功率，节约了制造成 本。 1 1 4 第四代移动通信系统 根据移动通信每十年发展一代的特点，2 0 世纪9 0 年代末自r r u 推出3 g 移动 通信的标准之后，各个国家和地区为了在下一代移动通信的标准中占一席之地， 纷纷启动了下一代移动通信系统的技术和标准化研究工作。有关下一代移动通信 系统的名称目前尚不统一，这些名称有4 g 、b 3 g 等多种【l 】。根据盯u 的理解4 g 系统的传输能力将包括过去各代移动通信系统的传输能力。未来的4 g 网络将包括 现在和未来的各种无线接入系统，这些无线接入系统通过分组核心网络连接在一 起。2 0 0 3 年，欧盟将b 3 g ( b e y o n d3 g ) 技术研究列入“第六框架研究计划”。日 本的n t td o c o m o 公司提出了基于正交频率码分复用( o f c d m ) 技术具有可变 扩频因子的4 g 系统实现方案，并于2 0 0 2 年1 0 月推出了下行链路1 0 0 m b i t s 、上 3 电子科技大学硕士学位论文 行链路速率为2 0 m b i t s 的实验系统。韩国也于2 0 0 2 年分别启动了面向b 3 g 的研 究计划。在我国，面向第四代移动通信系统研究的f u t u r e ( f u t u r e t e c h n o l o g i e sf o r u n i v e r s a lr a d i oe n v i r o n m e n t ) 项目被正式列入国家八六三“十五 研究计划，于 2 0 0 2 年正式启动。与此同时，国际上一些著名公司和研究机构也在紧锣密鼓地开 展4 g 研究工作，美国摩托罗拉公司和德国西门子公司等为代表的一批企业相继开 始研制面向4 g 的无线传输实验系统。根据i t u 的规划，2 0 0 7 年为4 g 移动通信系 统指定频谱，2 0 1 0 年完成4 g 标准化制定，2 0 1 2 年后4 g 移动通信系统逐步具备 商用化能力。2 0 0 5 年1 0 月，r r u 将第四代移动通信系统正式命名为i m t a d v a n c e d 。 经过广泛的讨论，各界已就4 g 移动通信系统的发展目标达成基本共识。4 g 系统 将包含传输速率达到1 0 0 m b s 的蜂窝移动通信系统和传输速率达到1 g b s 的游牧 和本地无线接入系统两个组成部分，其中蜂窝移动通信系统的最大用户带宽约为 2 0 m h z ，而游牧和本地无线接入系统的最大用户带宽将达到1 0 0 m h z 。 尽管世界各个地区对4 g 频谱的带宽需求和频段划分尚未达成一致意见。大致 可以预计，未来4 g 移动通信的频谱需求约在1 0 0 0 m f i z 左右，频段划分将以3 g h z 以上频段为主，少量的3 g i - i z 以下频段为铺。根据有关分析，移动通信数据业务量 的需求以每6 到7 年增加1 0 0 倍的速度快速发展，预计到2 0 1 5 年，移动数据业务 量的需求将达到目前的1 0 0 - - 一，1 0 0 0 倍之间。与此相对应的是，移动通信业务增长 需要不断拓展可用于无线移动通信的频谱资源。技术的革新与发展将使移动通信 频谱利用率在1 0 年内提高1 0 倍左右，由目前的o 5 2 y o i - i z 增加至2 0 1 5 年的5 2 0 b ，h z 。 1 2m i m o 通信系统的发展 在无线通信领域，对m i m o 的研究源于对利用多个天线阵元的空间分集的性能 研究。从8 0 年代开始，研究学者发现与合并技术结合的多天线空间分集可进一步 改善无线链路性能并增加系统容量【4 】，首先考虑了单用户m i m o 高斯信道，以两 条路径传播信道模型分析了空间分集对信道容量和容量分布的影响。其次讨论了 干扰受限的无线系统中，利用多天线空间分集和最优合并所能带来容量增益，并 明确地指出了增加分集天线数目可以增加系统容量。上世纪9 0 年代中期，基于瑞 利衰落、信道有大量散射体、信道系数无关、最优编解码、发射端无信道信息接 收端准确可知信道等假设，b e l l 实验室的t e l a t a r 5 1 ，f o s c - u 儿u 6 1 等人从理论上证明了 接收和发射端都使用多天线可以使通信链路容量成倍增加这一令人振奋的成果， 4 第一章绪论 即在坼发射天线，膨足接收天线的多输入多输出似m o ) 系统中，信道容量随 m i n 鸩，鸠】线性增加。独立同分布r a y l e i g h 衰落m i m o 信道中，信道容量在大 信噪比时，满足【7 】： c ( s n r ) = m i n ( m r ，m r ) l o g ( s n r ) + o ( 1 ) ( 1 1 ) 这一振奋人心的结果提供了提高衰落信道中系统容量和可靠性的新技术手段。图 1 1 为瑞利衰落下的m i m o 信道容量，可以看出，当天线增加不多的情况下，信道 容量有了很大的提高。4 发4 收时的容量几乎是2 发2 收时的二倍多。 瑞利衰落下m i m o 容量 g 望 兽 邑 删 肄 图l - i 瑞利衰落信道中的m m o 容量 m m o 技术之所以受到人们的广泛青睐，是因为在m m o 系统中，我们可以获 得以下几种增益【9 】，这些增益可以使移动通信系统的容量和性能得到明显地提高。 阵列增益，阵列增益是指由于接收机通过对接收信号的相干合并而获得的平 均s n r 的提高。在发射机不知道信道信息的情况下，m i m o 系统可以获得的阵列增 益与接收天线数成正比。 复用增益，在采用空间复用方案的m i m o 系统中，可以获得复用增益，即数据 传输速率的增加。传输速率的增加与发射一接收天线对的数目成正比。 5 电子科技大学硕士学位论文 分集增益，在采用空间分集方案的m i m o 系统中，可以获得分集增益，即系统 误码率性能的改善。分集增益用独立衰落支路数来描述，即分集指数。在使用了 空时编码的m i m o 系统中，分集指数等于发射天线数与接收天线数的乘积。 m i m o 系统的基本原理就是发射端和接收端都采用了多个天线对信号进行发 射和接收，这样可以获得空间复用增益或空间分集增益，增大信道容量。 按m i m o 系统的结构不同，可以分为采用空间复用( c s m ) 方案的m i m o 系统， 采用空间分集( c s d ) 方案的m i m o 系统以及两者相结合的系统空间复用方案提供 了随发射天线数线性增长的数据传输速率，而不需要增加额外的带宽和发射功率。 在空间复用中，要发送的数据比特流被分为若干较低速率的子比特流，在各个发 射天线上被同时发送。接收机通过信道信息可以区分并分别提取来自各个发射天 线的信号，然后恢复出各个原始的子比特流，合并后就可以得到原始比特流。 m i m o 信道容量是最优m i m o 系统性能的上限，知道这一上限并不意味着能实 现它。另外最优系统的空时联合处理由于高复杂度而难以实用化。因此，对无线 通信工程师而言，发挥m i m o 潜力的关键在于为发端设计优化的信号传输形式，并 在接收端设计合理的接收处理算法。按照系统获得的增益类型，当前的m i m o 传输 方案设计的目标主要可以分为两大类：获取空间复用增益和空间分集增益。 当前的m i m o 系统设计主要着眼于最大化其中一种增益。针对这一问题， f o s c h i n i 和t a r o k h 等人做了大量开拓性工作，推动了无线通信向其极限性能的逼近。 而从更一般的意义来说，所有的m i m o 系统均可视为具有不同分集增益和复用增益 折中的系统。如t a r o k h 提出的基于分组对消的系统，借助于空间信号处理可以同时 获得分集增益和复用增益，辅以优化的功率分配策略和检测算法，可以获得有效 的传输速率和可靠性的折中，并能缓解大发射天线空时编码构造的难度，降低解 码复杂度。根据文献【_ 7 】的结论，在窄带准静态衰落信道中( 在编码分组持续时间内 信道保持不变1 ，当编码分组长度z 满足 z m r + m r l( 1 - 2 ) 时，最优化的分集增益和复用增益其折中为： d = ( m r 一，) 胄一，) ( 1 3 ) 上式可以理解为，对发射在发射天线数为鸩，接收天线数为i 拘m i m o 系 统，为提供，倍的数据传输速率改善，必须有，根发射天线和，根接收天线用于提 6 第一章绪论 供数据传输的自由度，而剩下的天线将用于提供额外的独立信号传输的复本。 1 3合作通信的历史与现状 尽管m i m o 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，但仍然存在问题。虽然从理论上说m i m o 技术可以获得空间分 集和复用增益，然而实现起来却没有想象的那么简单。在实际的无线通信系统中， 虽然在基站端配备多根天线不算困难但在移动终端上却不是一件简单的事，不仅 需要考虑设备的成本还需要考虑到设备的体积和工艺实现。具体地讲，现有的多 天线都设置在基站端，而移动终端则很难安置多天线。这主要有两方面的原因。 首先移动终端对体积、质量和功耗的要求远比基站苛刻得多。其次理想的m i m o 多天线系统要求相邻天线之间的间距要远大于电波波长，并且多个收发天线之间 的传输信道是独立的( 或至少是不相关的) ，而移动终端由于体积限制，根本无法做 到这一点。例如，包括大多数的手机( 尺寸大小) 和无线传感器网络的节点( 尺寸大 小、功率限制等) 。为了解决这些问题。s e n d o n 耐s 【1 3 】【1 4 】【1 5 】等人提出了一种新的空 域分集技术，合作分集。合作分集技术的提出很好地解决了这些问题，它的主要 思想是，在多用户的条件下，单天线的移动台可以共享它们的天线，从而构成一 个虚天线阵( v a a ) ( 即分布式的m i m o 系统) 以获得合作分集增益。 他们研究了上行链路中的一种两个用户节点合作分集模型，首先从信息论的 角度分析并给出了这个系统的容量上限，然后讨论了合作对中断概率以及覆盖范 围的影响，最后针对c d m a 接入方式提出了一种合作方式并给出实现该方式的接 收机结构。研究结果表明，合作能减小系统对信道变化的敏感性，而且还能在提 高吞吐量以及小区覆盖范围方面提供好处。指出了一些合作分集方面的关键问题， 包括用户之间谁帮助谁，在什么条件下用户之间合作，用户将在容量区的哪一点 进行合作，由移动台自己还是基站来决定合作伙伴等等。 物理层方面的研究开始的最早，着眼点主要放在合作分集实现、合作本身的 性能以及合作采用的中继模式。l a n e m a n 等学者对接入方式为t d m a 的合作分集 技术展开了研究【8 1 【1 0 1 。作者提出了三种不同的合作分集协议：固定中继，选择中继 ( s e l e c t i o nr e l a y i n g ) 和增量中继( i n c r e m e n t a lr e l a y i n g ) 。固定中继协议指得是合作伙 伴在固定的时隙帮助源转发信息到目的节点。选择中继协议是当用户到合作伙伴 之间的信道发生中断的情况下，用户自己重传信息到目的节点。否则合作伙伴充 7 电子科技大学硕士学位论文 当中继的角色帮助源转发信息。增量中继的协议可以被看作是一种合作混合自动 重传请求机制。目的节点能够返回一个比特的信息告诉源和合作伙伴解码是否成 功，只有在源到目的端的信息不能被正确接收的时候，合作伙伴才作为中继帮助 源转发信息，最后由目的节点把这两部分信息合并。l a n e m a n 指出这三种合作协 议都可以采取两种不同的中继模式：放大前向( a f ) 和解码中继( d f ) 。放大前向属于 非再生中继，解码中继属于再生中继。已经证明除了固定的解码前向协议之外， 文中的其它几种的协议都可以获得完全分集增益。 h u n t e r 等一些学者在前人研究的基础上针对两个节点提出了编码合作的方案 【3 3 】【蚓。编码合作方案比较灵活，可以自适应调节传输速率，从仿真结果上看也有 很好的性能。它的主要的思想是，首先由各节点发送一个经过打孔后的可变速率 打孔卷积码( r c p c ) 码字。如中继节点能够对这部分信息正确解码，那么中继节点 在下个时隙发送源节点的码字中被打孔打掉的部分，否则发送自己的码字的剩余 部分。在上述文献中，编码合作在两方面被做了扩充，一个方面是将空时编码与 编码合作相结合，另外一个方面则是利用t u r b o 码或l d p c 码来进行编码合作。 a b l e t s a s 在文献 3 5 】【3 6 1 研究了机会中继选择的合作通信方式。机会中继是一种 基于即时信道状况的中继选择策略，其基本思想是，在n 个侯选中继节点中，选 取单个在源节点和目的节点之间，具有最好端到端路径的节点作为中继节点。具 体过程如下： 源节点发送r t s 分组，目的节点听到后，回复c t s 分组。中继节点监听该 r t s 和c t s 分组，所有能够正确接收r t s 和c t s 分组的节点即为候选中继节点。 候选中继节点根据接收到的r t s 和c t s 分组估计此中继节点到源节点的信道状况 五d 和目的节点的信道状况。这些参数模拟任何通信终端之间的传播环境，它们 是随时间变化的，变化速率在宏观上可以模拟为多普勒频移，与信道相干时间成 反比。中继节点根据估计出的参数k 和k 后，得到一个参数& ，再根据设置一 个定时器。具有最佳端到端信道状况的中继节点的定时器，最先减到零。该中继 节点就传输一个为时很短的标志分组，以声明它的存在。对于中继节点之间能互 相监听的情况，所有中继节点，在等待它们的定时器减小到零的过程中，都处于 监听状态。当它们听到另一个中继节点广播标志分组或者在传输信息时，就退避。 对于中继节点之间不能互相监听的情况，目的节点收到最佳中继的标志分组之后， 需要再广播一个中继节点已经选出的声明消息，其他中继中节点听到该消息后， 退避。源节点听到该消息以后，知道中继节点已选出，就开始进行合作传输。 8 第一章绪论 最佳中继选出以后，就可以用来往目的端转发信息。不管最佳中继是否与源 节点同时传输信息，这与中继选择过程是无关的。中继节点监听源节点到目的节 点的即时信道状况，并且在信道状况改变之前( 信道相干时间内) 以一种分布式的方 式决定哪一个中继具有最好的路径进行信息中继。这样的话，每个中继节点处的 拓扑信息，尤其是在每个中继节点处的源节点和目的节点的位置信息，不是必须 要获知的。 y j i n g 和h a s s i b i 研究了分布式空时编码 3 川并对分布式空时编码中的分集和复 用增益的折中进行分析。 目前，对合作分集技术的研究已在诸多方面取得了相当的进展，主要集中在 如下几个方面： 从中继信道容量、中断概率或覆盖率等方面对采用合作分集的系统的 优异性能给出证明【1 8 】【1 9 】 2 0 】【2 l 】【2 2 1 。 给出用户端是如何具体实现合作的信号处理方案 2 5 1 。 研究实现信道编码、调制、合作分集一体化的方法【3 l 】【3 2 】 3 3 】 3 4 】。 实现控制用户间如何相互合作的协议【16 】【1 9 】【删。 对m a c 层及网络层以上的工作进行探讨，包括网络编码等【r 7 1 。 功率分配及资源优化【4 1 】【4 2 】。 无线传输之间可以合作分集本质上是由于无线媒体的广播特性。原则上说， 无线信号可以被一定数量的终端中任意一个接收并检测。这样，发射机之间就可 以通过互相检测，联合地把信息传递给它们各自的目的接收端。这样做的好处是 可以使接收端获得分集增益，提高传输可靠性。由于用户之问的合作是通过中继 传输的方式实现的，所以合作分集技术把中继传输和空间分集很好地结合了起来。 1 4论文结构及内容安排 本论文课题来源于电子科技大学与l g k a i s t - u e s t c 中韩合作项目“收发多 天线技术在3 g 和b 3 g 中的应用研究( m i m os m a r ta n t e n n as y s t e m sf o r3 ga n d b e y o n d ) ”的一个研究子课题。其研究目标是：面向移动通信系统应用，研究适用 于终端和基站的分布式或多天线结构，探索分布式天线在手机终端上的应用，研 9 电子科技大学硕士学位论文 究相应的提高系统容量和降低发射功率的方法。探索关键技术的实现，完成相应 的技术示范。以系统应用为目标，探索基于合作通信系统的发射分集、空时编码、 接收分集技术及其在手机和基站上的应用，提出相应的解决方案。 在无线合作分集网络中，由于中继节点要帮助信源传输信息，这必然导致额 外功率的消耗。同时，分集产生的增益可以提高系统性能。因此，合作分集可以 看作功率和系统性能之间的折中。本文考虑的一个重要问题是，在信源节点和中 继节点总功率一定的条件下，如何优化分配信源和中继器的功率，使系统性能( 误 码率) 达到最佳。 第一章阐述了无线通信的发展历程和网络结构、面临的主要困难以及合作分 集思想的来源。现代无线通信对传输速率和系统容量都有较高要求，而多径衰落 和频谱资源有限是制约无线通信发展的两大瓶颈。我们知道，分集技术是对抗无 线信道中多径衰落的有效手段，而其中的空间分集不会损失频谱利用率，因而， m i m o 系统受到了广泛的关注。但是，许多移动终端，如手机、传感器节点等， 由于受体积、成本、功耗和硬件的限制，不能安装多根天线。合作分集巧妙地利 用其他用户的天线构成虚拟天线阵( v a a ) ，中继传输信息，从而实现分布式空间分 集。 第二章介绍了移动通信信道的基本理论。通信信道是用来将信源的信号传送 给信宿的物理媒质，包括有线和无线等。无线信道比有线信道要复杂得多，最主 要的问题是后者发送的电磁波在约束的均匀介质中传播，其数学模型是确定的。 前者则不同，不管是定向还是非定向发射，其路径的空间约束性差，不确定因素 多，只能用随机模型表示。特别在移动通信领域，工作环境复杂，由于自然的和 人为的因素，传播信道是不均匀的和时变的。 第三章介绍了分集与合作分集。首先介绍了分集的几种类型以及合并方法给 出了几种合并方法的性能仿真。然后基于由信源节点、中继节点和目的节点三个 节点组成的合作分集系统模型，介绍了三种合作分集模式，即放大中继、解码中 继和编码合作( c o d e dc o o p e r a t i o n ) ，最后分析了编码合作模式的性能。 第四章对t n l a n e m a n 等学者关于三节点无线网络中几个简单的合作分集协 议进行了介绍，并比较了不同合作分集协议的中断概率性能。对三节点合作通信 网络分集增益与复用增益的折中进行了分析。 第五章探讨合作分集网络中的功率优化分配。在合作通信中，信源传输信息 1 0 第一章绪论 需要消耗功率，中继器帮助信源中继传输信息也需要消耗功率。讨论总功率一定 的条件下，如何优化分配信源和中继器的发射功率，从而使得系的误码率最小。 由于a f 协议和d f 协议中系统误码率的表达式比较复杂，这利用大信噪比时误码 率的下界或上界表达式进行功率优化分配。提出了在合作通信系统中的功率优化 分配方案，包括在传统的三节点合作通信系统和在分布式合作系统中。并通过仿 真证明了功率优化分配方案性能比较好。 电子科技大学硕士学位论文 第二章移动通信信道 信号衰落主要由以下三种情况引起：平均传输路径损耗、宏观衰落、微观衰 落。平均传输路径损耗主要是由水、树叶和地面反射等引起的，和传输距离的平 方成反比。宏观衰落又称大尺度衰落主要是由建筑物和山等大型物体引起，所以 又称阴影衰落。微观衰落又称小尺度衰落主要是由多径效应引起的。多径效应导 致了时延扩展和频率扩展。 2 1多径信道 当一个信号通过无线信道到达信宿，通过了不同的路径，我们称之为多径。 信号在无线信道中遇到障碍物会产生散射、反射和折射，从而引起了多径【2 】。多径 效应使基站向空间各个方向发出的电波反射或折射成多个信号来到接收点。由于 各个传播路径的长短不同，同一发射信号通过它们到达接收点的各个子信号有不 同的相位和幅度。这些子信号以矢量方式相加，其总信号的幅度将随信号发射点 或接收点的相对移动而变化。由于空中反射体的分布是随机的，接收信号的功率 分布也是随机的。并且随着发射点与接收点之间有无直接传播路径，接收信号也 随之有着不同的概率分布。 对信道传播模型的研究，传统上集中于给定范围内平均接收场强的预测和给 定位置附近场强的变化。对于预测平均场强，并且用于估计无线覆盖范围的传播 模型，由于它们是描述发射机和接收机之间的长距离上的场强变化，称为大尺度 传模型，另一方面，描述短距离( 几个波长) 或时间( 秒级) 内的接收场强的快波动 的传播模型，称为小尺度衰落模型。在一定范围内，无线信号的小尺度衰落对信 号的影响比大尺度损耗大得多。大尺度模型主要用于描述发信机与接收机间长距 离上的信号强度变化，小尺度模型用于描述短距离或短时间内接收信号度的快速 变化。但这两种模型并不是相互独立的，在同一无线信道中，既存在尺度衰落， 也存在小尺度衰落。了解这些信道特性对于我们要在频谱资源有限信道上，尽可 能高质量，大容量传输有用信息起着指导作用。大尺度传播对区分信道的可用性、 选择载波频率及切换，移动无线网络规划很重要，而小尺度衰落对传输技术的选 择和数字接收机的设计至关重要。信号在传播途中会遇到不同障碍物的反射和散 1 2 第二章移动通信信道 射而产生多径。如果发射信号一个时间很短的脉冲，经过信道后在接收端输出为 很多具有不同延时和幅度衰减的路径的叠加，使原来的信号产生了时延扩展。多 径信道另一个特征是信道本身是时变的。即使我们重复发送相同的信号，接收端 每次接收到的信号都不一样，信道的时变特性是随机的无法预测的。所以最好用 统计的方法来描述道。若发送信号为 s ( t ) = r e ls 恐) p 口孵i ( 2 - 1 ) 其中正为信号载频，_ ( f ) 为j ( f ) 的等效低通信号。假设存在多径，同每个传播 路径相联系的是传播时延和衰减因子。这些传输时延和衰减因子之所以随时间变 化是由传输介质结构的不断变化引起的。信号通过多径信道后，接收信号为： m ) = e h ( t ) s ( t - x 。( 嘞 ( 2 - 2 ) 式中吃( f ) 是第n 条路径上接收信号的衰减因子，而t 。( f ) 是第n 条路径上的传 输延时。等效低通接收信号为： ，( f ) = 吃( f ) e - y 2 矾( t ) s i t r ( f ) 】 ( 2 3 ) 由于，( f ) 是等效低通信道对等效低通信号s 以) 的响应，可见，此等效低通信道 可用如下时变冲激响应来描述。 如力= 吃 严铂o 砸一l 泐( 2 4 ) c ( ，c ；f ) 表示在t t 产生的脉冲，经过信道后t 时刻引起的响应。( 2 4 ) 式的定义 了多径衰落情况下，信道的等效低通冲激响应。由于c ( ，c ；f ) 引起的接收信号幅度的 变化，称之为衰落。衰落现象主要是因为c ( t ；f ) 的时变相位引起。如果接收信号的 相位正好反，其叠加的效果会使信号幅度非常小；同样如果接收信号相位相同， 接收到的信号幅度就会有很大的增强。如果c ( t ；f ) 是一个零均值的复高斯过程，它 在t 时刻包络l c ( t ；f ) i 服从瑞利分布。称为瑞利衰落信道。如果其中有固定的反射物 和散射，c ( t ；f ) 不能看作零均值，这时l c ( t ；f ) i 服从r i c e 分布，称为r i c e 衰落信道。 因为c ( x ；t ) 是一个随机过程，所以可通过求c ( 百；f ) 的相关函数和功率谱来定义 多径衰落信道的特征。c ( ，c ；f ) 有两个参数，一个是接收到的多径信号间的时间差t ， 1 3 电子科技大学硕士学位论文 另一个是时间t 。d t ；) 自相关函数为： 觚，毛；凹= 昙申“；讹