（信号与信息处理专业论文）基于ad+hoc网络分布式空时编码的研究.pdf

摘要 摘要 伴随着无线通信需求的迅速增长，无线通信技术也随之更新换代。在未来通 信系统中引入m i m o ( 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 ) 技术是增大通信系统容量的一 种有效方法。然而在无线网络系统中( 例如a dh o e 网络) ，受到功率、体积和成本 等因素的限制，终端用户上使用多个分集天线是不现实的。近年来新兴的分布式 空时编码( d s t c ：d i s t r i b u t e ds p a c e t i m ec o d i n g ) 技术为解决这一问题提供了一条 有效的途径。d s t c 通过空间分布的多个单天线终端来构建分布式m i m o 传输系 统，来提高网络的传输质量和容量。 为了进一步扩大a dh o c 网络的有效通信范围、提高系统的传输质量和容量， 本文给出了一种基于a dh o c 网络d s t c 的改进方案。在该方案中，构建了基于误 组率( p e r ：p a c k e te r r o rr a t e ) 的无线传输范围精确模型和2 x 2d s t c 传输模型，并 通过仿真实验验证了方案的有效性。理论分析和仿真结果表明：该方案在扩展了 无线传输范围的同时还提高了系统的容量，并且抗衰落能力也得到了提升；此外， 基于所研究的2 x 2d s t c 模型，本文还给出解决暴露节点和隐藏节点问题的双信道 m a c ( m e d i u m a c c e s sc o n t r 0 1 ) 协议流程方案。 关键字：a dh o e 网络分布式空时编码无线传输范围m a c 层协议 a b s t r a c t a bs t r a c t w i t ht h er a p i dg r o w t hi nd e m a n df o rl l i 曲q u a l i t yw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n , w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya l s on e e d st ob eu p g r a d e d i n t h ef u t u r e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，t h ei n t r o d u c t i o no fm 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 ) t e c h n o l o g yi s a l le f f e c t i v ew a yt oi n c r e a s ec o m m u n i c a t i o nc a p a c i t y h o w e v e r , i nt h e w i r e l e s sn e t w o r ks y s t e m s ( s u c ha sa dh o en e t w o r k s ) ，d u tt ot h el i m i t e dp o w e r , s i z ea n d c o s t t h et e r m i n a l sc a nn o tb ee q u i p p e d 晰t 1 1m u l t i p l ed i v e r s i t ya n t e n n a s i nr e c e n ty e a r s ， t h er i s i n gd i s t r i b u t e ds p a c e t i m ec o d i n g ( d s t c ) t e c h n o l o g yh a sp r o v i d e da ne f f e c t i v e w a yt os o l v et h i sp r o b l e m d s t cb u i l d sad i s t r i b u t e dm i m ot r a n s m i s s i o ns y s t e mt o i m p r o v et r a n s m i s s i o nq u a l i t ya n dc a p a c i t yo fn e t w o r ku s i n gt h es p a t i a ld i s t r i b u t e d m u l t i p l es i n g l e - a n t e n n at e r m i n a l s i no r d e rt of u r t h e re x t e n dt h ee f f e c t i v ec o m m u n i c a t i o nr a n g eo fa dh o cn e t w o r k s a n di m p r o v et h es y s t e mt r a n s m i s s i o nq u a l i t ya n dc a p a c i t y , an o v e ld s t cs c h e m eo na d h o en e t w o r k si sp r o p o s e d i nt h es c h e m e ，a l la c c u r a t ew i r e l e s st r a n s m i s s i o nr a n g em o d e l o np a c k e te r r o rr a t e ( p e r ) a n d2 x 2d s t ct r a n s m i s s i o nm o d e la r eb u i l t t h ev a l i d i t y o fp r o p o s e ds c h e m ei sv e r i f i e db yt h es i m u l a t i o n s t 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 r e s u l t ss h o wt h a tt h es c h e m ec a ni n c r e a s et h ec a p a c i t yo ft h es y s t e ma n dt h ea b i l i t yo f c o m b a t i n gf a d i n g m o r e o v e r , t h er a n g eo fw i l e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi se n l a r g e d b e s i d e s ，ad o u b l ec h a n n e lm e d i u ma c c e s sc o n t r o l ( m a c ) l a y e rp r o t o c o lp r o c e s sb a s e d o n2 x 2d s t cm o d e li sp r e s e n t e d t or e s o l v ee x p o s e da n dh i d d e nn o d e sp r o b l e m s k e y w o r d s ：a dh o en e t w o r k s d i s t r i b u t e ds p a c e t i m ec o d i n g r a n g eo f w i r e l e s st r a n s m i s s i o nm a cl a y e rp r o t o c o l 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学分和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下 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；也不包含为获得西安电子科技 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做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，本人承担一切的法律责任。 本人签名：盈呦墅 日期列1 2 ：兰 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技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西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件， 允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其 它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名 单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名：壑堕e 里 日期 堡! ：兰：三生 导师繇丛塑日期塑! ! ：! ：! 第一章绪论 第一章绪论 1 1 无线信道概述 无线信道是影响无线通信系统性能的一个关键因素，它的特点对在无线信道 中实现高速可靠传输提出了极大的挑战。发射机与接收机之间的传播路径非常复 杂，从简单的视距传播到各种复杂的由各种障碍物，如建筑物、山脉、街道、树 叶和其他移动的物体而引起的反射、绕射和散射传播1 4 1 1 6 。 1 1 1 无线信道电磁波传播的机理 在无线移动通信系统中，电磁波的传播方式是多种多样的，大致可归结为反 射、绕射和散射。在城市的蜂窝无线移动通信系统，发射机和接收机之间直射路 径，高层建筑会产生强烈的绕射损耗。除此之外，由于不同物体的多路径反射， 不同路径电磁波之间的相互作用引起多径损耗。同时，随着发射机与接机之间距 离的不断增加而引起电磁波强度的衰减。 1 自由空间传播 自由空间传播是指在理想的、均匀的、各自同性的介质中传播，不发生反射、 折射、散射和吸收现象，仅存在电磁波能量扩散而引起的传播损耗的空间。卫星 通信和微波视距通信是自由空间传播的典型代表。在自由空间中，若发射处以球 面波进行辐射，则接收处的接收功率为： e = 器( i - i ) 式中，为发射处的发射功率；g f 、g ，分别为发射天线和接收天线增益；a 为 波长；d 为发射天线与接收天线间的距离；三是与传播无关的系统损耗因子。式( 1 1 ) 中可以发现，接收功率和发射天线与接收天线增益的乘积成正比，而与距离的二 次方成反比。 2 反射 电磁波在不同介质交界处会发生反射。在理想介质表面上反射是没有能量损 耗的。假如电磁波传播到理想介质的表面，则一部分能量进入新介质继续传播， 一部分能量在原来介质中发生反射；假如电磁波传播到理想反射介质表面，则所 2 基于a dh o c 网络分布式空时编码的研究 有能量都会被反射回来。 3 绕射 绕射使电磁波能够绕过障碍物，在障碍物的后方形成场强，即绕射场强。处 于障碍物前方的各点可以作为新的波源而产生球面次级波，次级波在障碍物的后 方形成的场强就是绕射场强。 4 散射 实际中的无线系统，接收信号的能量比反射模型和绕射模型预测的场强都要 大。这是由于电磁波在粗糙表面上发生反射时，反射能量散布于空间各个方向， 即发生了散射。圆柱形的散射体可以向所有方向上散射能量，因而增加了接收信 号的能量。散射一般发生在粗糙的表面上。 1 1 2 无线信道特点 1 多径传输 陆地移动信道的主要特征是多径传输。传输过程中会遇到很多建筑物、树木 和起伏的地形，这些会引起能量的吸收和穿透以及电磁波的反射、散射和绕射等， 这样，移动信道是一个充满了反射波的传播环境。 在移动传播环境中，到达移动台天线的信号不是由单一路径来的，而是由众 多路径来的反射波的合成。由于电磁波经由各个路径的传播距离不同，因而各个 路径来的反射波到达时间也会不同，相位也不同。不同相位的众多信号在接收端 进行叠加，有时会同向而加强，有时会反向而减弱。因此，接收信号的幅度将会 发生急剧变化，即而产生衰落。这种衰落是由多径引起的，所以叫多径衰落。 移动信道的多径环境引起的信号多径衰落，可以从时间和空间两个方面来描 述。从空间角度来讲，沿着移动台移动方向，接收信号的幅度随着距离变化而衰 减。其中本地的反射物引起的多径效应呈现幅度较快的变化，局部均值为随距离 增加而起伏下降的曲线，这反映了地形起伏所引起的衰落以及空间的扩散损耗。 从时域角度来讲，由于各个路径的长度不同，因而信号到达的时间也就不一样。 这样，从基站发送一个脉冲信号，则接收信号不仅包含该脉冲，并且还包含它的 各个时延信号。这样由于多径效应引起的接收信号脉冲宽度扩展的现象，称为时 延扩展。 一般来说，模拟移动通信系统中主要考虑多径效应引起的接收信号幅度的变 化。而数字移动通信系统中主要考虑多径效应引起的脉冲信号的时延扩展。这是 因为时延扩展会严重影响数字移动通信系统的质量。 2 时延扩展 第一章绪论 在多径传播环境中，接收信号会产生时延扩展，或称为时延散布。当发送端 发送一个极窄的脉冲信号时，由于存在多条不相同的传播路径，路径长度不同， 则发射信号沿各个路径到达接收天线的时间就不同，并且传播路径又随着移动台 的变化而发生变化，因而移动台接收的信号是由很多不同时延的脉冲组成。由于 移动台的移动，各个脉冲之间可能是离散的，也可能是连成一片。 3 相干带宽 时延扩展是由于反射及散射传播路径引起的现象，而相关带宽则是从时延扩 展导出的一个确定关系值。相干带宽指的是在一特定频率范围内，两个频率分量 具有很强的幅度相关性。频率间隔大于相干带宽的两个正弦信号受信道影响各不 相同。如果相干带宽定义为频率相关函数大于0 9 的某个特定带宽，相关带宽可以 近似表示为： 1 忍= 二5 0 0 如果将定义放宽至相关函数值大于0 5 时，则相关带宽近似表示为： 1 忍( 1 - 3 ) 4 多普勒频移 当移动台在运动过程中通信时，接收信号频率因此会发生变化，称之为多普 勒效应，这是任何波动过程都会有的特性。多普勒效应引起的附加多普勒频移称 为多普勒频移，表示为： 1 ， 石=cos窿(1-4) 式中，a 是入射波与移动台运动方向的夹角；，是移动台运动的速度；九是波长。 5 相关时间 相关时间是多普勒扩展在时域的表示，用来在时域描述信道频率扩散的时变 特性。它与最大多普勒频移成反比关系，即： 1 瓦= ( 1 5 ) ) 髓 相关时间是信道冲激响应维持不变的时间间隔的统计平均值。相关时间指在 一段时间间隔内，两个到达信号有很强的幅度相关性。假如基带信号的带宽的倒 数大于信道相关时间，那么传输基带信号可能就会发生变化，这会导致接收机解 码失真。若时间相关函数定义为大于0 5 时，相关时间可近似表示为： 4 基于a dh o e 网络分布式空时编码的研究 1 1 3 无线信道分类 瓦= 而9 ( 1 6 ) 1 多径时延扩展引起的衰落类型 多径时延扩展与相关带宽是用于描述信道时间扩散特性的两个参数，当信号 带宽小于相关带宽时，信号通过信道传播后各个频率分量的变化具有一致性，称 为平坦衰落。在平坦衰落的情况下，信道的多径结构使发送信号的频率特性在接 收机内仍然保持不变。但是，由于多径导致信道增益的起伏，使接收信号的强度 会随时间变化而变化。经历平坦衰落的条件可概括如下： e e ( 1 7 ) e 是信号带宽；e 是相关带宽。 当信号带宽大于相关带宽时，信号通过信道传输后各个频率分量的变化具有 非一致性，这会引起波形失真，称为频率选择性衰落。产生频率选择性衰落的条 件为： 忍 忍 ( 1 8 ) 2 多普勒频移引起的衰落类型 时延扩展与相关带宽是用来描述本地信道时间扩散特性的两个参数。然而， 它们并未提供描述信道时变特性的信息。该时变特性或是由移动台与基站之间的 相对运动引起的，或是由信道路径中物体的运动引起的。多普勒扩展和相关时间 是描述信道时变特性的两个参数。 多普勒扩展是频谱扩展的测量值，该谱展宽是移动无线信道时间变化率的一 种量度。多普勒扩展定义为一个频率范围，在该范围内接收信号有非零的多普勒 扩散。当发送频率z 为正频率时，接收信号频谱在( 一厶) ( z + 厶) 之间变化， 其中厶为最大多普勒频移。谱展宽依赖于石，厶是移动台的相对移动速度、移动 台的运动方向、与散射波入射方向之间夹角为0 的函数。 根据发送信号与信道变化快慢程度的比较，信道可以分为快衰落信道和慢衰 落信道。在快衰落信道中，信道冲激响应在码元周期内会变化很快。即信道的相 关时间比发送信号的信号周期短。因为多普勒扩展引起频率扩散( 也称时间选择性 衰落) ，导致信号失真。从频域可看到，信号的失真随发送信号带宽多普勒扩展的 增加而加剧。由此信号经历快衰落的条件是： 瓦 瓦( 1 - 9 ) 第一章绪论 当信道冲激响应的变化比要传送的信号码元周期慢很多时，可认为该信道是 慢变信道。在慢变信道中，可以认为信道参数在一个或多个码元周期内是稳定不 变的。从频域上来看，信道的多普勒扩展远远小于信号的带宽。所以，信号经历 慢衰落的条件是： 瓦乃( 1 1 0 ) 1 1 4 无线信道的衰落 无线信道传输模型分为大尺度传输模型和小尺度传输模型两种。大尺度模型 主要用于描述发射机和接收机之间较长距离( 几百或几千米) 上的信号强度变化。 但这两种模型并不是相互独立的，在相同的一个无线信道中，即可能存在大尺度 衰落，也同时存在小尺度衰落。一般情况下，大尺度表征了接收信号在一定时间 内的均值随传播距离的环境变化而呈现的缓慢变化，小尺度衰落表征接收信号短 时间内的快速波动。因此实际的无线信道衰落因子可以表示为： r l ( t ) = 善( ，) g ( f ) ( 1 1 1 ) 式中，叩( f ) 表示衰落因子；考( f ) 表示小尺度衰落；g ( f ) 表示大尺度衰落。 1 大尺度衰落 大尺度衰落是用于描述发射机和接收机之间长距离( 几百或几千米) 上的信号 强度变化。实际情况下，大尺度衰落g ( ，) 不仅与时间有关，而且还与距离和载波 频率有关。基于理论和测试的传输模型指出，无论室内还是室外信道，平均接收 信号功率随距离的对数比例而衰减。为： 北卅 ( 1 1 2 ) 或为： ，d ) t a b j 吲乙a o ) a b “锄1 0 9 ( 1 - 1 3 ) 式中，刀为路径损耗指数，表示路径损耗随距离增长的速率；矾是近地参考 距离，由测试来决定；d 为发射机与接收机之间的距离。在自由空间传播时，力为 2 ，当有障碍物时，刀将变大。 但是式( 1 1 3 ) 没有考虑在相同距离情况下，不同位置周围环境的差别。测试表 明，对于任意的d ，特定位置的路径损耗g ( ，d ) 还服从随机正态分布，即： g ( f ，d ) 如】- g ( f ，磊) 【柏】+ l o n l 。g ( 要o + 以( ，) ( 1 - 1 4 ) 6 基于a dh o c 网络分布式空时编码的研究 式中，以为0 均值高斯分布的随机变量，标准差为c l r ，单位为d b 。对数正态 分布描述了在传播路径上，具有相同距离的情况下，不同的随机阴影效应。这种 现象叫对数正态阴影。 2 小尺度衰落 简称为衰落，指无线信号经过短时间或短距离传播后其幅度快速衰落，以致 大尺度路径衰落的影响可以忽略不计。这种衰落是因为同一传输信号沿两个或多 个路径传播，以微小的时间差先后到达接收机的信号相互干涉所引起的。这些波 称为多径波。接收机天线将它们合成一个幅度和相位都急剧变化的信号，其变化 程度取决于多径波的强度、相对传播时间，以及传播信号的带宽。小尺度信号的 三个主要表现为：经过短距离或短时传播后信号强度的急剧变化；在不同的多径 信号上，存在着时变的多普勒频移引起的随机频率调制；多径传播时延引起的扩 展( 回音) 。在高楼林立的市区中，由于移动天线的高度比周围建筑物矮，因此几 乎不可能存在从移动台到基站的视距传播，这就会导致衰落的产生。即便有视距 传播路径存在，由于地面和周围建筑物的反射，多径传播依然会发生。入射波以 不相同的传播方向到达，具有不相同的传播时延。空间任一点的移动台所接收到 的信号都是由许多平面波组成，它们都具有随机分布的幅度、相位和入射角度。 这些多径成分被接收机天线按向量合并，因而使接收信号产生衰落失真。即使移 动接收机处于静止状态，接收信号也同样会由无线信道环境中的物体的运动而产 生衰落。 如果无线信道中的物体处于静止状态，而且运动只由移动台产生，那么衰落 只和空间路径有关。此时，当移动台穿过多径区域时，它将信号中的空间变化看 作瞬间变化。在空间中不同点的多径波的影响下，告知运动的接收机可以在很短 时间内经过若干次衰落。更为严重的是，接收机可能停留在某个特定大衰落的位 置上。这种情况下，尽管可能由于行人或车辆改变了运动模型，而打破接收信号 长时间维持失效的情况，但要想维持良好的通信状态仍非常困难。天线的空间分 集可以防止极度衰落以至于无效的情况发生。 影响小尺度衰落的因素包括： 1 ) 多径传播 信道中的反射及反射物的存在，构成了一个不断消耗信号能量的环境，导致 信号幅度、相位及时间的变化。这些因素使发射信号到达接收机时形成在时间、 空间上相互区别的多个无线电波。不相同的多径成分具有随机相位和幅度引起信 号强度波动，导致产生小尺度衰落、信号失真等现象。多径传播常常延长了信号 基带部分到达接收机所用的时间，因为会发生码问干扰而引起信号模糊。 2 ) 移动台的运动速度 第一章绪论 7 基站与移动台之间的相对运动会引起随机频率调制，这是因为多径分量存在 的多普勒频移现象。决定多普勒频移是正频率或者负频率取决于移动接收机是朝 向还是背向基站运动。 3 ) 环境物体的运动速度 假如无线信道中的物体处于运动状态，就会引起时变的多普勒频移。若环境 中的物体以大于移动台的速度运动，那么这种运动将对小尺度衰落的产生起决定 性作用。否则，可以仅考虑移动台运动速度的影响，忽略环境物体运动速度的影 响。 4 ) 信号的传输带宽 假如信号的传输带宽比多径信道相关带宽大得多，接收信号会产生失真，但 本地接收机信号的强度不会衰落很多。若传输信号带宽比信道带宽窄的情况下， 信号幅度就会迅速改变，但信号不会出现时间失真。 1 1 5 无线信道研究的发展历程 1 独立信道 这种信道是最简单的信道，是最初研究通信系统最常用的。这种信道在时间 和空间上都是相互独立的，但是与实际情况差别比较大，是一种较理想的信道。 2 时间相关信道 由于编码交织技术的应用，使系统的传输性能有了较大的提高。这种信道就 涉及到信道的时间相关性。信道的时间相关性对编码性能有着很大影响，在实际 的传输环境中，信道的时间采样值之间是存在着相关性的，进行交织处理就是为 了减少这种相关性，进而更好地提高编码性能。时间上的独立信道不能反映这种 相关性，仅是一种理想情况。 目前，人们提出利用马尔可夫链来模拟这种相关性，这种模拟还是比较符合 实际的。 3 空间相关信道 目前，因为多媒体、宽带i n t e m e t 等高速率数据传输业务的迅猛增加，对高速 率数据无线接入的需求也随之增长，而无线频谱资源异常匮乏。如何充分利用有 限频谱资源的问题摆在了我们面前。利用传统的办法增加系统容量的空间已很小， 而付出的代价却很大。因此需要寻找新的途径来提高无线通信系统的容量。 m i m o ( 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 ) 技术为我们提供了新的研究方向，即空间特性 的应用。利用空间特性可以在不增加发射功率和占用带宽的条件下极大地提高数 据传输速率。目前，利用空间特性来增加系统容量的主要方法包括 8 基于a dh o c 网络分布式空时编码的研究 b l a s t ( b e l l 1 a b o r a t o r i e sl a y e r e ds p a c e t i m e ) 技术、空时编码技术、分集技术和智 能天线技术。利用空间技术就必须熟悉m i m o 信道的空间特性，而传统的信道都 是描述单输入单输出信道或者相互独立的m i m o 信道。实际空间传输环境中的信 道之间是相关的，并且这种相关性对m i m o 系统性能提升有着至关重要的作用， 因此空间矢量信道的研究、建模和仿真逐渐成为研究通信系统性能必不可少的工 具。 1 1 6 无线信道的主要性能指标 评价无线信道和仿真信道模型时，往往要涉及无线信道的主要性能指标，否 则就无法衡量其传播环境的优劣，也就不能根据传播环境的特点而采用与之相适 应的传输技术。无线信道的性能指标包括无线信道的容量、时间相关性、空间相 关性、相关时间、相关带宽、信道衰落深度和衰落速率。这些性能指标中，无线 信道的容量是综合性指标，它描述的是在给定的信噪比和带宽条件下，某一信道 能够保证可靠传输的传输速率极限。而其它参数能够决定信道容量的某一方面的 特性。如时间相关性、信道衰落深度和衰落速率描述了信道容量随时间的变化关 系，空间相关性描述了信道容量随空间的变化关系。 1 离散信道的信道容量 在下式中尸( 薯) 表示发送符号x t 的概率，尸( 只) 表示收到符号咒的概率， p ( x j y 。) 表示转移概率。i _ 1 ，2 ，3 ，n ，表示所有可能的发送符号。每符号平均信 息量为： 一r一玎 ，= 一p ( x , ) l o g ：尸( 置) 一i - 尸( 只) p ( x j y i ) l o g ：e ( x , l y , ) j ( 1 1 5 ) i = l lj = l i = 1 j 单位时间内传输的平均信息量为： r = ，宰， ( 1 1 6 ) 信道容量为： c 2 黼只( 1 - 1 7 ) j p ( ，) 2 连续信道的信道容量 连续信道的香农容量公式为： c 圳( + 熹) 训s 式中，n 为输入信道的加性高斯白噪声功率；s 为信号的功率； 该公式表明，当信号与作用在信道上的噪声的平均功率给定时， ( 1 1 8 ) b 为信道带宽。 在具有定频率 第一章绪论 9 宽度b 的信道上，理论上单位时间内可能传输信息量的极限数值。 它的另一种表现形式为： c 一引( 嘉 训s m 柳 式中，为噪声功率谱密度。 由此可见，一个连续信道的容量受b 、s 三个要素的约束，只要这三个 要素确定，则信道容量也就确定了。 3 m i m o 信道的信道容量 信息论已经证明，当不同的接收天线和不同的发散天线之间互不相关时， m i m o 系统能够很好地提高系统的抗衰落和噪声性能，从而获得巨大的容量，例 如：当接收天线和发送天线的数目都为8 根时，并且平均信噪比为2 0 d b ，链路容 量可以高达4 2 b i t s h z ，这是单天线系统所能达到容量的4 0 多倍。 在等功率分配的前提下，m i m o 信道的香农容量为： c - l 0 9 2 d e t l “p h h 日l 施俐舷 ( 1 - 2 0 ) 式中，日是信到传输矩阵，p 是信噪比。 无线信道是移动通信的传输媒介，所有的信息全都在这个信道中传输。信道 性能的好坏直接决定着通信质量，因此要想在有限的频谱资源上尽可能地高质量、 大容量传输有用的信息，这就要求我们必须十分清楚地了解信道特性。然后再根 据信道特性采取一系列的抗干扰和抗衰落措施，保证传输质量和传输容量方面的 要求。 为了研究m i m o 通信技术，一个与实际传输环境相符的无线m i m o 信道仿真 模型以及信道估计方法都是必不可少的。 1 2a dh o c 网络 a dh o e 网络1 5 j 的思想最早可以追溯到1 9 6 8 年的美国的a l o h a 网络。当时， 为了将夏威夷的教育设备连接在一起，美国建立了一种使用无线电广播技术的报 文交换计算机网络( a l o h a ) ，该网络使用固定基站和分布式信道访问管理，但是 它采用的是单跳协议，不支持路由功能。尽管如此，a l o h a 网络为以后的分布式 信道访问技术的研究和开发奠定了基础。 此后，为了解决p r n e t ( p a c k e tr a d i on e t w o r k ) 的遗留问题、网络扩展、安全、 处理能力，p a r p a 又在1 9 8 3 年开发了抗毁无线网络( s u r a n ：s u r v i v a b l er a d i o n e 咖r k ) 即能够适应战场快速变化环境需要的自适应网络。1 9 9 4 年d a r p a 启动了 l o 基于a dh o e 网络分布式空时编码的研究 全球移动信息系统g l o m o ( g l o b a lm o b i l ei n f o r m a t i o ns y s t e m ) ，目的是支持无线装置 之间随时随地的以太网多媒体连接，并解决a dh o c 网络的m 3 ( 移动( m o b i l e ) 、多 跳( m u l t i h o p ) 、多媒体( m u l t i m e d i a ) ) i h - j 题。美国军方于1 9 9 7 年实现的战术i n t e r n e t ( t i ： t a c t i c a li n t e m e t ) 是迄今为止所实现的最大规模的移动无线多跳分组网络。 尽管a dh o e 网络具有很强的军事背景，但是其在民用领域的应用与发展也已 有很长的历史。成立于1 9 9 1 年5 月的i e e e8 0 2 1 1 标准委员会采用“a dh o c 网络” 一词来描述这种特殊的、自组织的、对等式多跳移动通信网络。为了进一步研究 a dh o e 网络，互联网工程任务组( i e t f ：t h ei n t e r a c te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ) 于19 9 7 年6 月专门成立m a n e t ( m o b i l e a dh o cn e t 、) r o r k ) i 作组，这大大地推动了民用a d h o e 网络的开发和研究。 a dh o e 网络中的“a dh o e 一词来自拉丁语，表示“特别的、专门的、专门 为某一件事而做的 的意思，这表明了a dh o e 网络是一个有特殊用途的网络。a d h o c 网络由一组具有无线收发装置的移动节点组成的，不依赖现有的网络通信设 施，无中心的临时自组织网络。它的各个节点相互协作，通过无线链路进行通信， 可以动态地、随时地进出网络。 a dh o e 网络是一个对等网络，其网络中的任何节点都有其无线收发装置，通 信距离受制于信号的发射功率。若两个节点由于发射功率的限制而无法直接通信， 则可以通过其它节点作为传输中介转发数据进行通信，这就是多跳路由( 如图1 1 所示) 。由于a dh o c 网络中没有中心节点，因此它在多跳路由选择时必须采用分布 式协议。 图1 1 多跳a dh o e 网络 a dh o e 网络是一特殊的无线移动网络。网络中的所有结点地位平等，无需设 置任何中心控制结点。网络中的结点不仅具有普通移动终端的功能，还具有报文 转发能力。与普通的移动网络和固定网络相比，它具有以下特点： 第一章绪论 1 无中心 a dh o c 网络没有严格的控制中心。所有结点的地位平等，即一个对等式网络。 任何结点的故障都不会影响整个网络的正常运行，具有很强的抗毁性。 2 自组织 网络的布设或展开无需依赖于任何预设网络设施。结点通过分层协议和分布 式算法协调各自的行为，结点一开机就可以快速、自动地组成一个独立的网络。 3 多跳路由 当结点要与其覆盖范围之外的结点进行通信时，需要中继结点的多跳转发。 与固定网络的多跳不同，a dh o c 网络中的多跳路由是通过普通的网络结点完成的， 而不是由专用的路由设备( 如路由器) 完成的。 4 拓扑丰富 网络中的每一个结点通常可以和多个其它结点直接通信，拓扑结构丰富。而 一般的网络大多数结点仅和一个结点连接。 这些特点使得a dh o c 网络在体系结构、网络组织、协议设计等方面都与普通 的蜂窝移动通信网络和固定通信网络有着显著的区别。 因为a dh o c 网络的特殊性，它的应用领域与普通的通信网络有着显著的区别。 它适合运用在无法或不便预先架设网络设备的场合、需要快速自动组网场合等。 1 军事应用 a dh o c 网络的研究本就是因为军事领域的需求而发展起来的，它有易组网、 机动性强、抗毁性强等特点，非常适合战场环境。在实际战场中，士兵之间，作 战车辆之间需要实时交互信息，以便于协同作战，这就很自然地形成了一个典型 的a dh o c 网络。据有关报道，a dh o c 网络技术已经在近几年的阿富汗战争、伊拉 克战争中得到广泛应用。 2 抢险救灾 在遭受自然灾害的袭击后，固定的通信设施有可能遭到重大破坏，这使得原 有的通信网络陷入瘫痪。a dh o c 网络的独立组网及自组织的特点保证可以在短时 间内肩负起临时数据通信的任务，来确保抢险救灾任务的顺利完成。 3 临时通信场合 大型会议、展览、庆典等场合需要组建临时的通信网络，利用a dh o c 网络便 利的组网特性可以免去布线和部署网络设备的等繁杂的工作。 4 个人通信 个人a dh o c 网络p a n ( p e r s o n a la dh o cn e t w o r k ) 的思想是建立一个高度本地化 1 2 基于a dh o e 网络分布式空时编码的研究 的网络，它可以实现笔记本电脑、p d a 、手机等各种个人通信设备的互联，甚至 将来完成调节空调、冰箱，自动控制的操作，这具有非常好的发展前景。 5 无线传感器网络 无线传感器网络是a dh o e 网络的另一个应用领域，其由大量的无线传感器节 点组成，每个节点具有独立处理数据、通信控制、电力供应系统。这样构成的网 络在危险化学品或有害气体的检测上，在工业中的远程控制及故障排除方面都有 很大的应用价值。 1 3 本文的主要研究内容及安排 在目前分布式空时编码( d s t c ：d i s t r i b u t e ds p a c e t i m ec o d i n g ) 在a dh o c 网络 中应用的基础上，本文给出了一种改进的基于a dh o e 网络d s t c 方案，并给出了 物理层模型和m a c ( m e d i u m a c c e s sc o n t r 0 1 ) 层协议流程的设计方案。 本文后续内容安排如下： 第二章详细介绍m i m o 技术原理和d s t c 原理，为后续物理层设计提供理论 依据。 第三章建立无线传输范围的精确模型和2 2d s t c 的物理层模型，并对 2 2d s t c 模型进行理论分析和仿真验证。 第四章对m a c 层协议设计的进行初步研究，给出基于所研究2 x 2d s t c 模型 的m a c 层协议流程。 第五章对本文内容进行总结并对未来的研究方向进行规划。 第二章m i m o 和分布式空时编码技术 第二章m i m o 和分布式空时编码技术 2 1 1m i m o 技术概述 2 1m i m o 技术 m i m o 1 】是一种用来描述多天线无线通信系统的抽象数学模型，可以利用发射 端的多个天线各自独立发送信号，同时在接收端用多个天线接收并恢复原信号。 该技术最早是由马可尼于1 9 0 8 年提出的，他利用多天线来抑制信道衰落( f a d i n g ) 。 根据收发两端天线数量，相对于普通的单输入单输出( s i s o ：s i n g l e i n p u t s i n g l e o u t p u t ) ，m i m o 此类多天线技术包含早期所谓的“智慧型天线 ，亦即单 输入多输出( s i m o ：s i n g l e i n p u tm u l t i o u t p u t ) 和多输入单输出( m i s o ： m u l t i p l e - i n p u ts i n g l e o u t p u t ) 。 由于m i m o 可以在不需要增加带宽或总发送功率耗损( t r a n s m i tp o w e r e x p e n d i t u r e ) 的情况下大幅地增加系统的吞吐量( t h r o u g h p u t ) 及传送距离，使得此项 技术近几年受到瞩目。m i m o 的核心概念是利用多根发射天线与多根接收天线所 提供的空间自由度来有效提升无线通信系统的频谱效率，来提升传输速率并改善 通信品质。 目前，各国学者对于m i m o 的理论、性能、算法和实现的各个方面正广泛进 行研究。在m i m o 系统理论及性能研究方面已经有一批文献，这些文献涉及相当 广泛的内容。但是由于无线移动通信m i m o 信道是一个时变、非平稳的多入多出 系统，尚有大量问题需要研究解决。例如，各文献大多假定信道为分段恒定衰落 信道。这对于宽带信号的4 g 系统和室外快速移动系统来说是不够精确的，因此必 须采用复杂的模型进行研究。现在已经有不少文献在进行这方面的工作，即对信 道为频率选择性衰落和移动台快速移动情况进行研究。再有，在基本文献中，均 假定接收机精确己知多径信道参数，为此，必须发送训练序列来对接收机进行训 练。 另外实验系统是m i m o 技术研究的重要一步。实际系统研究的一个重要问题 是在移动终端实现多天线和多路接收，学者们正着重进行这方面的研究。由于移 动终端设备要求体积小、重量轻、耗电小，因而还有大量工作要做。目前各大公 司均在研制实验系统。 朗讯科技贝尔实验室的b l a s t 系统是最早研制的m i m o 实验系统。该系统 1 4 基于a dh o c 网络分布式空时编码的研究 工作频率为1 9 g h z ，发射8 天线，接收1 2 天线，采用d b l a s t ( d i a g o n a lb l a s t ) 算法。频谱利用率达到了2 5 9 b i t s ( h z s ) 。但该系统仅对窄带信号和室内环境进行 了研究，对于在3 g 、4 g 应用尚有相当大的距离。在发送端和接收端各设置多副 天线，来提供空间分集，削弱电磁波衰落的不良影响。这是因为安排恰当的多副 天线提供多个空间信道，不会全部同时受到衰落影响。在上述具体实验系统中， 每一基台各设置2 副发送天线和3 副接收天线，而每一用户终端各设置1 副发送 天线和3 副接收天线，即下行通路设置2 x 3 天线、上行通路设置1 3 天线。这样 与s i s o 相比，传输上取得了1 0 - 2 0 d b 的好处，相应地增大了系统容量。而且，基 台的两副发送天线必要时还可以用来传输不同的数据信号，用户传送的数据速率 便可以加倍。 b l a s t 技术就其原理而言，是利用每对发送和接收天线上信号特有的“空间 标识 ，在接收端对其进行“恢复 。利用b l a s t 技术，如同在原有频段上建立 了多个互不干扰、并行的子信道，并采用先进的多用户检测技术，同时准确高效 地传送用户数据，其结果是极大提高前向和反向链路容量。b l a s t 技术证明，在 天线发送和接收端同时采用多天线阵，更能够充分利用多径传播，达到“变废为 宝”的效果，提高系统容量。理论研究已经证明，采用b l a s t 技术，系统频谱效 率可以随天线个数成线性增长，也就是说，只要允许增加天线个数，系统容量就 能够得到不断提升。这也充分证明b l a s t 技术有着非常大的潜力。鉴于对于无线 通信理论的突出贡献，b l a s t 技术获得了2 0 0 2 年度美国t h o m a se d i s o n ( 爱迪生) 发明奖。2 0 0 2 年l o 月，世界上第一颗b l a s t 芯片在朗讯公司贝尔实验室问世， 贝尔实验室研究设计小组宣布推出了业内第一款结合了贝尔实验室l a y e r e ds p a c e t i m e ( b l a s t ) m i m o 技术的芯片，这一芯片支持最高4 x 4 的天线布局，可处理的 最高数据速率达到1 9 2 m b p s 。该技术用于移动通信，b l a s t 芯片使终端能够在 3 g 移动网络中接收每秒1 9 2 兆比特的数据，现在，朗讯科技已经开始将此b l a s t 芯片应用到其f l e x e n to n e b t s 家族的系列基站中，同时还计划授权终端制造商使 用该b l a s t 芯片，以提高无线3 g 数据终端支持高速数据接入的能力。 2 0 0 3 年8 月，a i r g on e t w o r k s 推出了a g n l 0 0w i f i 芯片组，并称其是世界上 第一款集成了m i m 0 技术的批量上市产品。a g n l 0 0 使用该公司的多天线传输和 接收技术，将现在w i f i 速率提高到每信道1 0 8 m b p s ，同时保持与所有常用w i f i 标准的兼容性。该产品集成两片芯片，包括一片b a s e b a n d m a c 芯片( a g n l 0 0 b b ) 和一片r f 芯片( a g n l 0 0 r f ) ，采用一种可伸缩结构，使制造商可以只使用一片r f 芯片实现单天线系统，或增加其他r f 芯片提升性能。该芯片支持所有的8 0 2 1 l a 、 b 和g 模式，包含i e e e8 0 2 1 1 工作组推出最新标准( 包括t 研安全和t g e 质量的 服务功能) 。a i r g o 的芯片组和目前的w f i 标准兼容，支持8 0 2 1 l a 、b 和g 模式， 使用三个5 g h z 和三个2 4 g h z 天线，使用a i r g o 芯片组的无线设备可以和以前的 第二章m i m o 和分布式空时编码技术 8 0 2 1 1 设备通讯，甚至可以在以5 4 m b p s 的速度和8 0 2 1 l a 设备通讯的同时还可以 以1 0 8 m b p s 的速度和a i r g o 的设备通讯。 凭借在提高系统频谱利用率方面卓越的性能表现，m i m o 技术已经成为移动 通信技