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协作通信中的链路自适应传输技术 摘要 在协作通信中，具有单天线的移动终端通过相互协作，能够带来 空间分集增益，从而有效提高端到端的频谱效率。为了对抗时变信道 和多跳传输带来的挑战，本文研究了协作通信中的链路自适应技术， 以最大限度地利用协作分集增益。 论文首先阐述了当前广泛应用的自适应调制编码技术，结合只采 用单一转发策略的单中继协作系统分析了自适应调制、功率分配、子 载波分配等问题，分别给出了在放大转发、译码转发协作中的白适应 方案。然后研究在协作系统中采用多种中继转发策略时的性能，包括 基于o f d m 的单中继协作系统的转发策略选择问题，在不同子载波 上自适应地选择中继转发策略，以及在多中继协作系统中的转发策略 选择问题，为不同的中继节点选择最佳的中继转发策略。仿真结果表 明这种混合中继转发策略有利于无线资源的充分利用。 此外，为了克服发送端对信道状态信息的依赖，避免接收端须向 发送端频繁反馈信道状态信息，论文研究利用喷泉码来实现自适应协 作通信，并给出运用置信信息传播算法处理喷泉码在无线信道下的译 码的方法，从中能够总结出该码实现自适应传输的原理。最后，研究 基于喷泉码的协作通信系统的性能，并指出译码转发协作不能带来显 著的协作分集，提出一种结合自适应解调的放大转发协作通信方案。 仿真表明，该方案与采用喷泉码的直传通信和译码转发协作通信相 比，能够降低误比特率，加快译码速度。 关键词：协作通信自适应传输转发策略喷泉码 l i n ka d a p t i v et r a n s m i s s i o nt e c h n i q u e s i nc 0 0 p e r a t i v ec o m m u n i c a t l 0 n a bs t r a c t i nc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n ，c o o p e r a t i o na m o n gt w oo rm o r e s i n g l ea n t e n n au s e r s c a ng e n e r a t e s p a c ed i v e r s i t yg a i n ，w h i c hw i l l e f f e c t i v e l yi n c r e a s ee n dt oe n ds p e c t r a le f f i c i e n c y i no r d e rt oc o m b a tw i t h t h e c h a l l e n g e s b r o u g h tb y t i m e - v a r i a n tc h a n n e la n d m u l t i - h o p t r a n s m is s i o n ，l i n k a d a p t i v et r a n s m i s s i o n t e c h n i q u e s f o r c o o p e r a t i v e c o m m u n i c a t i o ni si n v e s t i g a t e dt of a r t h e s tu t i l i z ec o o p e r a t i v ed i v e r s i t y g a i ni nt h i sd i s s e r t a t i o n f i r s t l y , t h ew i d e l yu s e da d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n gt e c h n i q u ei s i n t r o d u c e d ，w ea l s oa n a l y z et h ep r o b l e m so fa d a p t i v em o d u l a t i o n ，p o w e r a l l o c a t i o na n ds u b c a r r i e ra l l o c a t i o ni ns i n g l e - r e l a yc o o p e r a t i v es y s t e m w h e r eas i n g l ef o r w a r d i n gs c h e m ei si n v o l v e d ，a n dg i v es o m ea d a p t i v e s c h e m e sf o ra fa n dd fc o o p e r a t i v es y s t e mr e s p e c t i v e l y t h e nw e i n v e s t i g a t e t h e p e r f o r m a n c e o f c o o p e r a t i v es y s t e mu s i n gm u l t i p l e f o r w a r d i n gs c h e m e ，i n c l u d i n gah y b r i df o r w a r d i n gs t r a t e g yi no f d m b a s e d s i n g l e r e l a yc o o p e r a t i v es y s t e m ，i e ，a d a p t i v e l ys e l e c t i n g f o r w a r d i n gs c h e m eo ne a c hs u b c a n i e r , a n dah y b r i df o r w a r d i n gs t r a t e g y i nm u l t i p l e r e l a yc o o p e r a t i v es y s t e m ，i e ，s e l e c t i n gt h eb e s tf o r w a r d i n g s c h e m ef o re a c hr e l a y s i m u l a t i o nr e s u l ts h o w sw i r e l e s sr e s o u r c e si s b e t t e ru t iliz e du n d e rt h i sh y b r i df o r w a r d i n gs c h e m es t a t e g y i na d d i t i o n ，t oa v o i dt h ef e e d b a c ko fc h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ( c s l ) f r o mr e c e iv e rt os e n d e r , f o u n t a i nc o d e s ，a n dw ed e s c r i b eh o wt oa p p l y b e l i e fp r o p a g a t i o na l g o r i t h mt ot h ed e c o d i n go ff o u n t a i nc o d e su n d e r w i r e l e s sn o i s yc h a n n e l f r o mt h ee n c o d i n ga n dd e c o d i n gp r o c e d u r ew e c a ns e ew h yf o u n t a i nc o d e sc a nr e a l i z ea d a p t i v et r a n s m i s s i o n t h e nw e s t u d yt h ep e r f o r m a n c eo fa p p l y i n g f o u n t a i nc o d e si n 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 ，a n dp o i n to u tt h a td e c o d e d a n d f o r w a r d c o o p e r a t i o nc a n n o tb r i n gs i g n i f i c a n tc o o p e r a t i v ed i v e r s i t y c o n s i d e r i n g t h i s ，w ep r o p o s ea na m p l i f y a n d - f o r w a r dc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n s c h e m ec o m b i n e dw i t ha d a p t i v ed e m o d u l a t i o n s i m u l a t i o nr e s u l ts h o w s ， c o m p a r e dt od i r e c t t r a n s m i s s i o na n dd e c o d e a n d f o r w a r d c o o p e r a t i v e c o m m u n i c a t i o nu s i n gf o u n t a i nc o d e s ，t h i ss c h e m ed o e sh a v el o w e rb i t e r r o rr a t ea sw e l la sf a s t e rd e c o d i n g k e yw o r d s ：c o o p e r a t i v ec o m m u n c a t i o n a d a p t i v et r a n s m i s s i o n f o r w a r d i n gs c h e m e f o u n t a i nc o d e s i v 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， 本人签名： 本人承担一切相关责任。 日期：堡2 ：至：! 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一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位 本人签名： 导师签名： 适用本授权书。 f 1 期：堡丛! 二 日期：鲨叠：j ： 北京邮电大学硕j ：学位论义 第一章绪论 1 1 协作通信的背景 第一章绪论弟一早三百1 = 匕 多天线分集接收是抗衰落的传统技术手段。多天线信息论指出，在一定条件 下，采用多个天线发送、多个天线接收( m i m o ，m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ) 系统可以成倍提高系统容量，信道容量的增长与天线数目成线性关系。由于 m i m o 系统的显著优点和人们对无线通信系统越来越高的传输速率需求，m i m o 技术已被大多数主流移动通信协议和标准采纳。但是理想的m i m o 系统要求接 收天线的间隔d k 2 ( 九为波长) ，以保证各支路接收的信号是不相关的。但是目 前移动通信系统的状况是：天线阵维数较小，富散射环境，电磁波波长较长，移 动台由于尺寸大小、硬件复杂度以及成本等约束条件不能支持多天线( 例如3 g 系统工作频率在2 g h z 左右，波长为1 5 c r n ，需要接收天线的间隔d 7 5 c m ) ，因 此无法利用本地空时编码实现上行链路的传输分集。多天线技术只适合在基站端 大规模应用。 协作通信( c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n ) 通过使单天线的移动终端相互协作， 也可以带来空域分集。在协作通信系统中，每个移动终端都有一个或多个合作伙 伴( p a r t n e r ) ，也可称为中继( r e l a y ) ，合作伙伴之间在传输自己信息的同时，协助 其伙伴传输信息。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，从而获取一定的空间分集增益，该增益被称为协作分集 ( c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y ) 。由于协作的合作伙伴共享彼此的天线，从而构成了虚 拟的多天线系统，称为虚拟m i m o 。协作通信解决了难以在移动终端安装多根天 线的问题，不必受限于终端尺寸，可推进m i m o 技术的实用化进程。此外，通 过各个单天线终端之间的协作处理，可以构成虚拟的天线阵( v a a ，v i r t u a l a n t e n n aa r r a y ) ，可进一步采用虚拟m i m o 的空时信号处理技术、分布式天线、 穿戴式天线等协作处理系统提高系统性能。 随着多种无线通信技术和系统的发展，作为不可再生资源的无线电频谱， 2 g h z 以下已经很难找到足够的带宽用于地面移动通信，未来系统的频点逐渐向 高频发展。随着载频的升高( 3 g h z 以上) ，未来系统采用m i m o 的状况必然是： 天线阵较大( 维数) ，散射环境较差。此时波长较短，终端可以安装多天线( 例 如5 g h z 系统，波长为6 c m ，接收天线的间隔d 3 c m ) ，但是由于频率较高，主 要以直射径方式传播，散射环境变差，m i m o 空时编码仍无法取得较好的性能。 此时必须通过部分用户( 即合作伙伴) 充当主动散射物，改善散射环境，从而使 北京邮i 【i 人学硕。l ：学位论文 第一章绪论 m i m o 系统正常工作。 在协作通信中，通过引入一个或多个中继节点，使得信源发出的信息还能出 各中继节点经过一定方式的处理后再转发至信宿端。这种多跳传输方式通过中继 节点绕开阻碍电磁波传输的建筑物、植被等障碍物，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，提高发送信 号的抗干扰性能，扩大网络的覆盖范围。 因此从协作通信技术改善信道状况、促进m i m o 实用化，以及解决高速传 输与覆盖的矛盾角度，已被公认为是未来移动通信系统的候选方案。 1 2 协作分集协议 m a c 层的协作协议可以分成三类，即固定中继( f i x e dr e l a y i n g ) 、选择式 中继( s e l e c t i o nr e l a y i n g ) 以及增量中继( i n c r e m e n t a lr e l a y i n g ) 。 在固定中继中，中继节点是必须的。中继节点对接收到的来自信源的信号处 理方式有两种，即放大转发( a m p l i f ya n df o r w a r d ，a f ) 和译码转发( d e c o d ea n d f o r w a r d ，d f ) 。a f 是中继将接收到的来自信源的模拟信号线性放大后直接转发 给信宿，转发放大因子受限于中继节点功率的大小。有效信号被放大的同时也会 放大噪声的功率，通常目的端需要获得信源与中继间信道系数以执行最佳译码。 在当前协作通信网络中，参与协作的往往是一些单天线的无线终端用户，因此信 源与中继间信道也常称为用户间信道( i n t e r u s e rc h a n n e l ) 。此外对模拟信号进行 抽样、放大和重传在技术上也是一个潜在的挑战。d f 则是中继在译出来自信源 的信号后采用与信源端相同的编码方式进行编码，再转发给信宿，如果中继译码 出现差错，会出现误码传播的问题。信号处理方式会影响到最终的协作通信系统 的性能。 选择式中继是根据信源与中继i 训的信道状况，即如果信源与中继问信道系数 高于某个门限值，中继将以a f 方式或d f 方式转发来自信源的信号以获得协作 分集增益；否则，信源就直接采用直传方式向目的端发送数据。 增量中继是信源利用目的端节点的有限反馈信号，即用来表征直传通信成功 与否的单个比特，来决定是否使用中继链路。增量中继可以看做是自动请求重传 ( a r q ) 技术向中继环境的扩展。 无论是哪种协作协议，都会使用a f 和d f 这两种基本的中继转发策略，对 应于a f 和d f 的协作系统也分别称为非再生中继系统和再生中继系统。这两种 转发策略都是基于重复码的，还有一种编码协作( c o d e dc o o p e r a t i o n ) 策略，该 策略具有更好的频谱效率。本论文没有涉及对该策略的研究，在此不再赘述。 北京邮电大学硕= l j 学位论文 第一章绪论 1 3 协作分集接收方案 分集技术是研究如何充分利用传输中的多径信号能量，以改善传输的可靠 性，它也是一项研究利用信号的基本参量在时域、频域与空域中，如何分散开又 如何收集起来的技术。在协作通信中，在获得若干条相互独立的支路信号以后， 可以通过合并技术来利用协作分集增益。合并时采用的准则与方式主要分为四 种：最大比值合并( m a x i m a lr a t i oc o m b i n i n g ， m r c ) 、等增益合并( e q u a lg a i n c o m b i n i n g ) 、选择式合并( s e l e c t i o nc o m b i n i n g ) 和门限合并( t h r e s h o l d c o m b i n i n g ) 。 最大比值合并是在目的端由多个支路信号，经过相位调整后，按照适当的增 益系数，同相相加，再送入检测器进行检测。在目的端各个不相关的分集支路经 过相位校正，并按适当的可变增益加权再相加后送入检测器进行相干检测。在做 的时候可以设定第i 个支路的可变增益加权系数为该分集支路的信号功率与噪声 功率之比。最大比值合并方案在接收端只需对接收信号做线性处理，然后利用最 大似然检测即可还原出发端的原始信息。其译码过程简单、易实现。合并增益与 分集支路数n 成正比。 等增益合并仅仅对信道的相位偏移进行校正而幅度不做校正。等增益合并不 是任何意义上的最佳合并方式，只有假设每一路信号的信噪比相同的情况下，在 信噪比最大化的意义上，它才是最佳的。它输出的结果是各路信号幅值的叠加。 当在某些系统中对接收信号的幅度测量不便时选用等增益合并。当n 较大时， 等增益合并与最大比值合并后相差不多，约仅差l d b 左右。等增益合并实现比 较简单，其设备也简单。 采用选择式合并时，n 个接收机的输出信号先送入选择逻辑，选择逻辑再从 n 个接收信号中选择具有最高基带信噪比的基带信号作为输出。每增加一条分 集支路，对选择式分集输出信噪比的贡献仅为总分集支路数的倒数倍。在进行选 择式合并时，所有支路信号的信噪比都应该同时不问断地被监测。 对于门限合并，接收机扫描所有的分集支路，并选择s n r 在特定的预设门 限之上的那些分支。在当前监测的支路信号的s n r 降低到所设的门限值之下之 前，选择该信号作为输出信号。当s n r 低于设定的门限时，接收机丌始重新扫 描并切换到另一个分支。由于门限合并并非连续选择最好的瞬间信号，因此它带 来的分集增益一般比选择式合并要差一些。但是，由于门限合并并不需要同时连 续不停的监视所有的支路，因此这种方法要简单得多。 对选择合并和门限合并而言，两者的输出信号都是只等于所有分集支路中的 个信号，无须相位偏移校正。另外，它们也不需要知道信道状态信息。因此， 北京邮l u 人学顾卜学位论文 第一章绪论 这两种方案既可用于相干调制也可用于非相干调制。 1 4 自适应协作通信及研究现状 为了在有限的带宽上最大限度地提高数据传输速率，提高频带利用率，满足 多种多样不同q o s 需求的业务，合理高效地利用各类无线资源，节约成本，近 年来对于自适应通信技术的研究受到广泛关注。 自适应通信技术十分广泛，包括链路自适应技术和无线资源优化配置等诸多 方面。传统意义上的链路自适应技术主要是针对时域而言的。也就是说，动态调 整的参数主要是调制方式、编码方式等时域参数，因此在这种情况下链路自适应 技术通常被称为自适应调制编码。随着下一代无线宽带网络的发展和多天线系统 ( m i m o 或者m i s o ) ，多载波系统( 例如o f d m ) 的应用，链路自适应技术也 从一维扩展n - 维甚至多维，即动态调整包括时域、频域和空域在内的各种传输 参数以适应信道的变化。例如，在o f d m 系统中，根据信道情况和业务需求动 态地为每个用户分配子载波数，以及在发分集系统( m i m o m i s o ) 中动态地将 信息比特映射到不同的发射天线上。 无线资源管理就是对无线通信系统的空中接1 2 1 资源的规划和调度，执行接入 控制、信道分配、功率控制、切换以及负载控制等功能。良好的无线资源管理是 系统正常运行的必要条件。不同于传统移动通信的单跳直传系统，协作通信因为 中继的引入使得系统变得更为复杂，例如采用协作传输需要为中继分配单独的信 道以支持后续的转发操作，在网络中需要为每个用户以合理的方式选择一定数目 的合作伙伴( 即伙伴选择问题) ，各中继还可能具有移动性。此外，多种协作协 议、中继转发方式与分集接收方案也使得功率分配、信道接入、伙伴选择等问题 变得更为复杂，还存在自适应的协作协议与协作协议之间的自适应转换策略等问 题。 目前对于协作通信的链路自适应技术和无线资源自适应分配研究较多，它们 大都需要同样的方法，就是经过信道估计后，由接收端向发送端反馈各信道( 多 址接入信道、用户间信道) 的状态信息，然后根据这些已知信道状态信息动态地 改变调制方式、编码方式、功率分配、子载波选择以及伙伴选择，中继策略优化， 协作协议转换等，以满足一定的q o s 最优化需求，如误比特率、最大信息速率 等。但是这些研究大都集中于单中继系统或采用单一中继转发方式的多中继系 统，在全局最优方面仍然有提高的空问。 近年来，还有一些学者将喷泉码这种新型编码技术应用于协作通信，该码可 以在发送端没有获得信道状态信息的情况下实现链路自适应传输，提高系统对抗 快时变衰落信道的能力。当前的研究主要基于采用d f 的协作系统，对于a f 协 4 北京邮i u 人学硕l - 学位论文 第一章绪论 作系统的研究则很少。 1 5 本文的主要内容 本文主要就协作通信中的自适应技术进行了研究，主要内容包括： 第二章研究在单协作通信中实现链路自适应传输的方法，介绍了传统的自适 应调制编码技术，并结合协作系统的特点分析了自适应调制、功率分配、子载波 分配等问题。 第三章研究在协作系统中采用多种中继转发方式时的性能，包括基于o f d m 的单中继协作系统的混合中继策略选择问题，在不同子载波上自适应地选择中继 策略，以及关于多中继协作系统的混合中继策略选择问题，为不同的中继节点选 择最佳的中继转发策略。 第四章研究了利用喷泉编码技术来实现自适应协作通信的方案，详细的分析 了喷泉码的编译码方法，阐明用其实现自适应传输的原理，分析并比较喷泉码在 d f 协作、a f 协作中的应用方案。 第五章对论文的工作内容进行了总结，并对该领域未来的研究方向进行了展 挈。 北京邮i 【i 人学顾j j 学位论义第一二章单中继协作中的链路自适应技术 第二章单中继协作中的链路自适应技术 为了在有限的带宽上最大限度地提高数据传输速率，最大限度地利用协作分 集增益，本章研究在单中继协作通信中实现链路自适应传输的方法。本章首先介 绍当前在各种无线通信系统中广泛应用的自适应调制编码( a d a p t i v em o d u l a t i o n a n dc o d i n g ) 技术，然后结合协作通信系统的特征，给出一些实现自适应传输的 方法，包括自适应调制、功率分配、子载波分配等等。这些因素之间也会相互影 响，比如功率分配会影响调制方式的选择，不同的调制方式也会影响功率分配结 果，所以有些方法是联合优化算法。需要说明的是本章内容是基于单中继协作系 统，并且只涉及一种中继转发策略。 2 1 通用的自适应调制编码技术 移动通信的无线传输信道是一个多径衰落、随机时变的信道，其信道状态信 息( c s i ) 会不断变化，不断变化的c s i 可以导致严重的错误突发，解决信道质 量波动的方法之一就是自适应调制编码( a m c ) 。 a m c 技术是接收端对信道进行估计并将结果反馈至发送端，发送端根据当 前信道状况自适应地调整传输策略。a m c 技术的本质是根据c s i 确定当前信道 的容量，根据容量确定合适的编码调制方式等，以便最大限度地发送信息，实现 较高的速率；而且，针对每一个用户的信道质量变化，a m c 都能提供可相应变 化的调制编码方案以适应，从而可提供高速率传输和高的频谱利用率。c s i 可以 根据系统的信道信噪比( c s n r ) 测量或者其他相似的测量报告决定，然后a m c 根据信道状态信息确定相应的编码和调制格式。当信道质量好时，可以采用效率 较高的高阶调制方案，并结合较弱的信道编码或不编码，以提高传输速率和频谱 利用率：当信道质量较差时，可以采用性能较好的低阶调制方案，并结合较强的 信道编码，以对付信道变差带来的性能恶化。自适应编码调制中编码码率和调制 阶数的转换实质上是一种变速率传输控制方法，以适应无线信道衰落的变化情 况。如果不能根据信道衰落状况进行自适应通信，采用的调制编码方案需要一个 固定的链路空白( l i n km a r g i n ) ，从而在信道质量较差时保持可接受的性能。因 此，在时变信道中，这类系统通常是为最坏信道条件进行高效设计的，不可避免 的造成信道资源的浪费。自适应传输能够在信道条件较好时以较低的功率发送较 高速的数据流，在信道质量较差时增加发送功率或降低数据发送速率。所以a m c 能够提高信息传输速率和频谱利用率，增强时变信道下的无线传输的健壮性。 实际应用a m c 有一些限制，主要是因为a m c 非常依赖信道估计的准确性， 6 北京邮电人学顾i ：学位论文第二章单中继协作中的链路白适应技术 并且需要反馈信道，这对于某些系统如快时变衰落信道，信道估计与反馈开销太 大，a m c 的性能较差。下面介绍可变速率调制技术和可变码率编码技术。 2 1 1 可变速率调制技术 目前实现可变速率调制的方法有以下几种： ( 1 ) 可变速率正交振幅调制( v r q a m ) q a m 是一种振幅和相位联合键控技术。电平数越多，每码元携带的信。f f , l l ： 特数就越多。可变速率q a m 根据信道质量的好坏，自适应地增多或减少q a m 的电平数，从而在保持一定传输质量的情况下，可以尽量提高通信系统的信息传 输速率。如图2 1 所示，给出一种星型q a m 的星座图。要实现v r - q a m 关键 是如何实时判断信道条件的好坏，以改变q a m 的电平数。 l- 一 、 i l r h ， j i - 、7 了 、 、。i - ， ， 、 ， 、 一- 一 - 4i 彩 蕊、：乇c o i i 玖 1- 一 ， i 、 气 l - 一 h l 一 、 7 t l 气i， ， 卢 、 - 一 一僭4 , 4 赫!：f 甜 遵数； 图2 - 1 星型q a m 的星座图 ( 2 ) 可变扩频增益码分多址( v s g - - c d m a ) 这种技术靠动态扩频增益和发射功率以实现不同业务速率的传输。在传输高 速业务时降低扩频增益，为保证传输质量，可相应提高其发射功率；在传输低速 业务时扩大扩频增益，在保证业务质量的条件下，可适当降低其发射功率，以减 少多址干扰。 ( 3 ) 多码码分多址( m c c d m a ) 待传输的业务数据流经串并变换器后，分成多个( m ) 支路，支路的数目 随业务数据流的不同速率而改变，当业务数据速率小于等于1 倍基本速率时，串 并变换器只输出1 个支路；当业务数据速率大于基本速率而小于2 倍基本速率 北京邮电大学硕i ：学位论文第_ 二章单中继协作中的链路白适应技术 时，串并变换器输出2 个支路；以此类推，最多可达m 个支路，即最大业务速 率可达基本速率的m 倍。m c c d m a 通信系统中的每个用户都用到两种码序列， 其一是区分不同用户身份的标志码p n i ，其二是区分不同之路的正交码集( p n l ， p n 2 ，p r i m ) ，这样，第i 个用户的第j 个支路所用扩频码为c i = p n i x p n j 。 ( 4 ) 可变扩频因子一正交频分和码分复用( v s fo f c d m ) 可变扩频因子一正交频分和码分复用( v s f o f c d m ) 是o f d m 和c d m ( 码 分复用) 的结合，它根据小区的干扰情况动态调整扩频因子，通过选用不同的子 载数和在时间或频域上的扩展来实现不同速率的传输。 2 1 2 自适应编码技术 不同的信道纠错码对传输信息比特有不同的编码增益。当信道条件较差时， 可使用较强的纠错码( 即码率较低的码) 来改善信道，当信道较好时就可以用较 弱的纠错码甚至是不采用任何纠错码。自适应编码技术正是利用这个原理将多种 具有不同容错能力的编码方案复用一起，来提高信道利用率。该方案的条件是在 所使用的纠错码的块长度或约束长度内信道基本保持恒定，而且由于复杂度或峰 均功率比( p e a k t o a v e r a g ep o w e rr a t i o ) 的限制，还要求调制方式必须是固定的。 另一种码复用技术是r c p c ( r a t e c o m p a t i b l ep u n c t u r e dc o n v o l u t i o n a l ，码率 兼容删余卷积) 码。r c p c 码包括一族具有不同码率的卷积码，但它只需要一个 编码器和解码器，它的纠错能力能够通过不传某些特定的编码比特来调整。r c p c 码具有码率兼容特性，即对应于纠错能力弱的高码率码的编码比特同样能够被纠 错能力强的低码率码使用。若要提高信道纠错能力，只需在传送弱码码字的基础 上再传送一些附加的编码比特即可。这种码率兼容特性使得r c p c 码能够根据信 道状况自适应地改变编码策略，因为r c p c 包括的全部卷积码都使用相同的编码 器和解码器。 2 2a f 协作系统的自适应调制与功率分配 在协作通信中，因为中继节点的引入，a m c 的应用变得更加复杂。同时对 于不同的中继协议，最佳传输方案也会不同。本节讨论基于a f 协作的自适应调 制方案，满足恒定的误比特率要求且总发送功率受限。实际问题是系统选择正确 的调制方案和功率分配方案，使信息传输速率最大化，并满足恒定的误比特率需 求。 8 北京邮i u 人学顾i ：学位论义第_ 二章单中继协作中的链路白适应技术 图2 2 用户间协作传输示意图 在协作通信网络中，每个用户在发送自己的数据的同时，也要发送另一个用 户的数据。如图2 1 所示，两用户相互协作向同一个目的端发送信息。两用户与 目的端间信道是相互独立的，它们构成了一个虚拟多天线阵列。假定各信道都是 平坦慢衰落的，两用户都有完全的c s i 信息。h i 2 、h 2 1 、h i r 、h 2 r 分别表示慢时变 衰落的影响因子，服从复高斯分布，方差分别为r 1 2 ，r ：。，r 置，i ：r 。甩1 2 、刀2 l 、 以r 、n ：r 为相互独立的加性高斯白噪声，方差分别为1 2 、m l 、l r 、2 r 。 假定各节点工作于半双工模式，即节点不能在同一个信道中同时收发数据。 每个用户发送自己的数据和合作伙伴的数据的顺序由下图所示，即两个用户先用 前两个时隙发送自己的数据，用接下来的两个时隙转发在前两个时隙中接收到的 对发的数据。 lu l t x + u 2 r x u 2 t x + u l r x u ir e l a yj u 2r e l a y 图2 3 两用户时隙划分图 用户的发送符号取自平均能量为单位1 的m q a m 星座图。用户k ( k = - i ，2 ) 的发送功率定为以( k = - i ，2 ) 。利用图中的标号可获得中继节点和目的节点的接收 信号表达式为 y 。：= 啊：而+ y l 异= h i 尺f s l x l + 月 异2i 尺+ 月 y 2 月= 吃只m 2 + n 2 只 式( 2 1 ) 式( 2 2 ) 式( 2 3 ) 口：是用户2 的转发放大因子，x i 为用户1 的发送符号。根据功率约束关系 有口，=( 接收信号y 1 2 的功率为qh ：1 2 + l ：) 。以上关系式也适 用于用户2 向用户l 和目的接收端发送信号的情况。 当接收端采用m r c 合并方案时，每条分支链路的加权系数应设置为对应的 链路信噪比。直传链路的信噪比为 9 北京邮l 乜人学硕l ：学位论义第二章单中继协作中的链路白适应技术 舻峄 引2 剞 用户1 到用户2 间信道信噪比为乃：= 卫告鱼，中继( 用户2 ) 至目的端的 信噪比为儿且2 也焉，则两跳中继链路的信噪比可表示为y 7 = 蒜。则 经过m r c 后总的系统接收信噪比可表示为 所= 乃矗+ y 7 + 意旨 引2 5 格雷编码的m q a m 调制在a w g n 信道中的误比特率可以近似表示为接收 信噪比行和星座大小m 的函数 只* 击) q ( 岳) 一， 后= l 0 9 2 ( m ) ( 2 ，4 ，6 ，一 要自适应地选择m 的大小并保持咒恒定，需要通过近似计算消掉式( 2 6 ) 删掀p ( 挚) 式( 2 7 ) 中实数，表示每符号承载的比特数( 七为正偶数) ， 川l - h 1 。5 6 咒7 r ) c b t s 灿。， 通过式( 2 8 ) 可获得k 的大小。 式( 2 7 ) 通过变换可得 式( 2 8 ) 以上方案中都是假定两个用户消耗相同的功率，这种功率平均分配方案称作 “公平自适应协作”。另一种更好的方案是调整毛，岛的大小，使目的接收端的接 收信噪比最大化，从而降低误比特率。方法固定总发送功率大小为岛，根据蜀，岛 使七( 所) 最大化。从式( 2 - 8 ) 中可见七( 所) 最大化等价于接收信噪比y r 最大化。 定义三个变量y k = ih 席1 2 n 7 i ：= ij l l l ：1 2 n , ：，以胄= i 胄1 2 2 詹，问题可表示为在 满足蜀+ 岛= s r 约束条件下使式( 2 9 ) 最大化 7 r = 7 厶蜀+ i 巧 鲁蒜 式c 2 9 ， 通过拉格朗同乘予法i 叮得 1 0 北京邮i 【1 人学坝i j 学位论义 第二章甲中继协作中的链路白适应技术 f ( 1 一p ) e r ，0 p 1 铲 蒜川一。， 乞强警耶1 。 州月亟一 当两用户获得完全的信道状态信息且给定误比特率条件后，可通过式( 2 8 ) 确定k 和m 的大小，通过式( 2 1 0 ) 和式( 2 1 1 ) 确定相应的功率分配方案，进 一步降低误比特率。以上自适应调制和功率分配方案同样适用于用户2 传输的情 况。 2 3d f 协作系统的最佳功率分配 在系统资源有限的条件下，在各跳链路间合理分配功率，能进一步提高中继 系统的性能增益。如果在协作系统中采用平均功率分配方案，即各节点等功率发 送信号，虽然简单易行，但没有考虑各跳链路的信道状况的不同，无法实现对功 率的有效利用。本节将根据系统对信道状态信息的不同反馈能力，计算出单中继 d f 协作系统信道容量或等效信噪比，并以此为优化准则，设计功率分配优化方 案，以改善功率资源的利用率，提高协作传输系统的信道容量。 信道容量与信道状态信息( c s i ) 密切相关，系统对于c s i 了解程度的不同 将导致不同的容量定义。可将信道状态信息分为两类：瞬时信道状态信息( i c s i ) 和统计信道状态信息( s c s i ) 。对于这两类信道状态信息，应采用不同的资源分 配策略。对于图2 2 所示的协作系统，为简化分析，仅考虑用户1 发送数据、用 户2 充当中继的情况。令 a o2 巧月，口l2 州2 ，口22 形且 式( 2 1 2 ) 2 乃r2 a o 毛，乃2 7 , 22 a l q ，7 22 儿月2 a 2 乞 用，岛表示功率分配结果。 2 3 1 基于瞬时信道状态信息( i c s l ) 的功率分配 通过信道估计算法和独立的反馈信道，可以使发送端和接收端获得第一跳和 北京邮电人学硕一 = 学位论文第_ 二章单中继协作中的链路自适应技术 第二跳在每个发送时隙的信道信息，如路径损耗和衰落因子。这样，系统可以完 全了解当前的信道状况，能够在每个信号发射时隙都调整发射机和中继节点的发 送功率，使系统总处于最佳状态。可以看出，i c s i 将具有最理想的系统性能， 但也具有最高的实现复杂度。 当各跳信道的i c s i 已知时，采用系统的信道容量作为最优功率分配的代价 方程。用户2 采用d f 转发策略时，单位带宽的信道容量可表示为： 1 c o t = 去m i n l 0 9 2 ( 1 + 乃) ，1 0 9 2 ( 1 + + 托) ) 考虑总发射功率受限，c 朋改写为蜀，s ，的表达式，则最优功率分配问题为 嗽( c 胛) = m a x , f 1 1 2 m i n t l o g ：( 1 + 乃) ，l o g ：( 1 + y o + y 2 ) = 搿 三n l i i l l o g ：( 1 + q 与) ，l o g ： 1 + a 2 6 r + ( q d 一呸) 蜀) 】 式( 2 1 4 ) s j 毛+ 6 2 = z r ( o q 唧，0 _ 8 2 s t ) 此时可通过比较l + 乃和1 + + 托来求解。从式( 2 - 1 4 ) 可看出： 1 ) 当a 0 4 2 时，式( 2 - 1 4 ) 中的两个函数均为增函数，当q = 6 t ，c 2 + = 0 时， 即所有的功率全部分配给发送源节点( 用户1 ) 时，信道容量达到最大值。此时 相当于直传模式，没有使用中继； 2 ) 当a 。 ：弛 岛：岛j 也 a i + a 2 一a o 从上述结果中可见，当口。 a o 这一限制； 3 ) 当a 。 a o 0 ，扛- 力 式q 。7 ， 其中q = 虿只，( f = 1 ，2 ) ，分别表示考虑各跳平均信道传播损耗后的信噪比，包括了 路径损耗和快衰落的影响。当目的端处的等效s n r 为r 。时，系统平均单位带宽 信道容量可定义为 e = e 丢。g ：( - + r 叼) 为使信道容量最大化，这里采用平均s n r 作为最优功率分配的代价函数。 在瑞利衰落信道模型中，信号的s n r 服从指数分布，此时优化平均s n r 等效于 优化平均信道容量。 在d f 协作系统中，目的端的等效s n r 为r d ，= m i n y ，y o + y 2 ) ，因为y o 为确知量，门和，：为随机变量，根据式( 2 1 7 ) 可求得+ 托的概率密度函数为 咿) 矗卜( _ 壹) - e x p ( 一寺j 趣z 艘。引2 棚) 式( 2 1 9 ) 中，q 。= 瓦片，由此得到等效s n r 的概率密度函数为 者丧 所 所 i i = 乞 北京邮i u 人学颁i ：学位论文第一二章单中继协作中的链路白适心技术 p r 胙( y ) 2 三一0 二惠智 式c 2 2 。， 一0 _ 墅旦慨p l 一上+ 上1i q 2 一q o q l 1 l 。l q lq o i f r p r 。( r ) d r = 纛i 蔫一嚣卜趣。 “ 以，g ，一口n l 口l 蜀十口，e ，口n 十口1i 以平均s n r 最大化为优化目标的最优功率分配问题为 扩絮 矗a o s l 袅a i g ia 2 s 2 一珈a oa i 2 - 2 2 q ，白 岛局i 口2 岛一 + i i式() s t s l + s 2 = s r【0 蜀s t ) 0 8 2 s t ) 应用拉格朗同乘子法，可得最优的功率分配方案为 毛= 了= _ = = _ = _ = = = _ = 0 _ = 毛三= 三三i 三号三号三口2 勺 ( 口o 口2 + 口l 。口2 一a o 口1 ) + a i v a o 。日2 + 口l 以2 一口o 口l 、 二一 ， a 2 口，一a n一 乞= f = = _ = - = = _ = i 三一= j 三三三号三号三= 号 三懈。白 i 口o 。口2 + 口l a 2 一a o 。以lj + a 2 v a o 。a 2 + 口l a 2 一a o 口i 式( 2 2 3 ) 式( 2 2 3 ) 中的限制条件是为确保发射功率不能小于零而设，若不满足，则 采用直传方案。 若忽略直传信道，令式( 2 2 3 ) 中瓦= o ，可得到非分集系统功率分配方案 。撩 f 乒撩 c = 1 4 北京邮电大学硕i ：学位论义第一二章单中继协作中的链路白适应技术 2 4 子载波分配算法 2 4 1o f d m a 系统子载波分配算法 总功率约束条件下，子载波分配算法的研究主要是如何保证用户间公平性能 和各用户q o s 性能，并且利用用户的信道差异获得尽可能大的系统总吞吐量。基 于不同调度目标，形