（信号与信息处理专业论文）协作分集系统中信号接收检测技术的研究.pdf

硕士学位论文摘要 学科、专业：工学信号与信息处理 研究方向：无线通信与信号处理技术 作者：2 0 0 7 级硕士研究生陈燕 指导教师：郑宝玉教授 i i ii i ii lfr l l li iii fi if y 17 5 5 13 6 题目：协作分集系统中信号接收检测技术的研究 英文题目： r e s e a r c ho nt h es i g n a ld e t e c t i o na l g o r i t h mb a s e dc 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 s 主题词：协作通信，信道估计，多用户检测，功率分配 k e y w o r d s ：c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n ，c h a n n e le s t i m a t i o n ，m u d ，p o w e r a l l o c a t i o n 南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 由于频谱资源紧张，如何在占用有限的频带资源的条件下，实现大范围网络覆盖，支 持更高速率的无线数据传输，这是未来移动通信网络必须设法解决的基本问题。为此， m i m o 作为理想的解决方案，越来越受到人们的重视。然而，一些实际物理条件限制了 m i m o 技术的应用，因此提出了协作分集的概念。协作通信技术利用无线网络的广播特 性，使得到达目标接收端的信号能被协作伙伴“旁听一到，协作伙伴对这些旁听到的信息 处理后并传送到目标接收端，目标接收端合并处理来自这些移动终端的信息，从而可以降 低无线链路的衰落和不稳定性带来的影响，提高网络的可靠性和数据传输速率，扩展网络 的覆盖范围。本文正是以此为研究方向，通过相应的信号处理技术，研究无线网络中协作 通信机制，并对其进行性能分析。 本文首先介绍了主要的分集技术，从而引出协作分集，分析了协作分集系统的可达速 率域；其次，本文以传统无线蜂窝通信系统信道估计技术为指导，引出协作通信系统中信 道估计的方法；然后，将多用户检测技术引入协作分集系统；最后，本文提出了两种简单 的功率分配策略。其中一种是基于平均信噪比增益最大化，另外一种是基于中断概率最小 化。 关键词：协作通信，信道估计，多用户检测，功率分配 a b s t r a c t a st h es p e c t r u mr e s o u r c ec o n s t r a i n t s ，h o wt oo c c u p yt h el i m i t e db a n d w i d t hr e s o u r c e st o a c h i e v eaw i d er a n g eo fn e t w o r kc o v e r a g et os u p p o r th i g h e r - s p e e dw i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o ni s ap r o b l e mw h i c hm u s tb es o l v e d t h e n c e ，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 ) a sa l l i d e a ls o l u t i o nh a sg a i n e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n b u tw i t hs o m ep h y s i c a lc o n s t r a i n ti tm a k e s t h ea p p l i c a t i o no ft h em i m ot e c h n o l o g yd i f f i c u l t y c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o ne x p l o i t st h e n a t u r a lb r o a d c a s t i n gc h a r a c t e r i s t i co fr a d i ot om a k et h es i g n a lt r a n s m i t t e dt ot a r g e tr e c e i v e r o v e r - h e a r db yt h ec o o p e r a t i v ep a r t n e r s a f t e rp r o c e s s i n gt h ei n f o r m a t i o n , t h ec o o p e r a t i v e p a r t n e r sw i l lt r a n s m i ti t t ot h et a r g e tt e r m i n a l a sar e s u l t ，t h et a r g e tt e r m i n a lc a l lg e tu s e f u l i n f o r m a t i o nf r o ma l lt h e s em o b i l et e r m i n a l s ，w h i c hc a nn o to n l yr e d u c et h ei m p a c to ft h ef a d i n g a n dv a r i e t yo ft h ew i r e l e s sl i n k s ，b u ta l s oi m p r o v et h er e l i a b i l i t y , d a t ar a t e sa n dt h ec o v e r a g eo f n e t w o r k t h i sp a p e rf o c u s e so nt h i ss u b j e c t ，s t u d i e st h ec o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o nm e c h a n i s m ， c o o p e r a t i v es c h e m ed e s i g na n di t sp e r f o r m a n c e t h i sa r t i c l ef i r s t l yi n t r o d u c et h em a j o rd i v e r s i t yt e c h n o l o g y , w h i c hl e a d st oc o o p e r a t i v e d i v e r s i t ya n da n a l y s i si t sc a p a c i t yr e g i o n ；s e c o n d l y , b a s e do nc h a n n e le s t i m a t i o nt e c h n i q u e si n t r a d i t i o n a lw i r e l e s sc e l l u l a rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，l e a d st oc h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o di n c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ；t h i r d l y , m u l t i - u s e rd e t e c t i o nt e c h n o l o g yh a sb e e nu s e di n t h ec o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ；a tl a s t ，t h i sp a p e rp r o p o s et w os i m p l ep o w e ra l l o c a t i o n s t r a t e g y ：o n ei sb a s e do nt h ea v e r a g es n rg a i nm a x i m u m ，t h eo t h e ri sb a s e do nt h eo u t a g e p r o b a b i l i t ym i n i m i z e d k e y w o r d s ：c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n ，c h a n n e le s t i m a t i o n ，m u d ，p o w e ra l l o c a t i o n 南京邮电大学硕七研究生学位论文 目录 目录 第一章绪论1 1 1 协作通信的产生背景1 1 2 本课题的研究意义l 1 3 本论文的结构与安排。3 第二章协作分集技术4 2 1 分集接收的基本概念与分类。4 2 1 1 分集技术的基本原理4 2 1 2 分集接收技术的分类5 2 1 3 分集合并技术7 2 2 发射分集。7 2 3 协作分集。8 2 3 1 协作分集的概念8 2 3 2 协作分集的模型9 2 3 3 协作分集的分类l o 2 3 4 协作通信的研究现状1 l 第三章协作分集系统中的信道估计技术15 3 1 协作分集系统中信道估计概述。1 5 3 2 系统模型1 6 3 2 1 静止中继1 8 3 2 2 移动中继1 9 3 3 信道估计器l9 3 3 1 恒定增益中继2 0 3 3 2 可变增益中继2 l 3 3 3 导频插入周期2 l 3 4 信道估计无误差下的近似b e r 分析。2 2 3 5 仿真结果2 4 3 6 1 导频间距l 对信道估计的影响2 6 3 6 2 导频符号个数。对信道估计的影响2 8 3 6 3 多普勒频移对信道估计的影响2 9 3 6 结论3 0 第四章协作分集系统中的多片j 户检测技术3 1 4 1 多用户检测的基本原理3 l 4 2 多用户检测器的一般结构3 2 4 2 1 最优多用户检测器3 3 4 2 2 次优多用户检测器3 5 4 3 协作通信系统中的多用户检测技术3 7 4 3 1 系统模型3 7 4 3 2 目的节点处多用户检测。4 0 4 3 3 中继节点处m m s e 多用户检测4 l i l l 南京邮电大学硕士研究生学位论文 目录 4 3 4m m s e 信号在目的节点合并4 3 4 3 5 协作发送策略4 6 4 4 仿真结果4 9 4 5 结论5 2 第五章协作分集系统中的功率分配算法5 3 5 1 系统模型5 3 5 2 理论分析5 4 5 3 1 平均信噪比5 5 5 3 2 中断概率5 6 5 3 仿真实验结果5 6 5 4 结论5 8 第六章结束语。5 9 6 1 全文总结5 9 6 2 进一步的工作。5 9 1 鬯谢6 l 参考文献k 6 2 i v 南京邮电大学硕士研究生学位论文 缩略语一览表 m i m o m u d q o s m m s e m l l m m s e c d m a m l s e m l s d d e c m u d m r c e g c s d c a f d f s n r t d m a m i s o s i m o m s b s c s i m a i 缩略语一览表 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 u l t i u s e rd e t e c t i o n q u a l i t yo fs e r v i c e m i n i m u mm e a n - s q u a r ee r r o r m a x i m u ml i k e l i h o o d l i n e a rm i n i m u mm e a n - s q u a r ee r r o r c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s m a x i m u ml i k e l i h o o ds e q u e n c ee s t i m a t i o n m a x i m u ml i k e l i h o o ds e q u e n c ed e t e c t i o n d e c o r r e l a t i n gm u l t i u s e rd e t e c t o r m a x i m u mr a t i oc o m b i n i n g e q u a lg a i nc o m b i n i n g s e l e c t i o nd i v e r s i t yc o m b i n i n g a m p l i f y a n d f o r w a r d d e c o d e a n d f o r w a r d s i g n a lt on o i s er a t i o t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s m u l t i p l e - - i n p u ts i n g l e - o u t p u t s i n g l e i n p u tm u l t i p l e - o u t p u t m o b i l es t a t i o n b a s es t a t i o n c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n m u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c e v i 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 协作通信的产生背景 第一章绪论 下一代无线通信( 第三代及以后) ，与主要针对语音业务的第一代和第二代移动通信 有本质区别。由于频谱资源紧张，如何在占用有限的频带资源的条件下，实现大范围网络 覆盖，支持更高速率的无线数据传输，这是未来移动通信网络必须设法解决的基本问题。 为了满足多媒体通信速率的要求，下一代蜂窝系统必须采用先进的算法和技术，不仅要提 高数据传输速率，而且必须使系统保证各媒体种类的服务质量( q o s ) 。为了满足这一目 标，大家正在研究各种技术，包括先进的信号处理技术、适用于无线通信的调制编码技术 以及各种分集技术。基于空间分集的多天线m i m o 技术在抗信道衰落方面具有明显的优 势，并在不增加功率和频谱的前提下提高信道容量，已逐渐被新一代无线通信的主流协议 所采纳【l 】【2 1 。然而m i m o 技术仍然存在很多问题，尤其是小型无线移动终端较难安置多天 线的难题使理想的m i m o 技术在走向实用的过程中举步维艰f 3 】【4 1 。为此，s e n d o n a r i s 等【5 】【6 1 提出了一种新的空间分集技术协作分集( c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y ) ，其思想是通过多用户 共享天线和其他网络资源的形式构造“虚拟多天线阵列”，并通过分布式处理产生协作来 获得一定的空间分集增益。从这个意义上来讲，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。多用户协作通信技术可以通过用户问的协作，提高无线频谱资源利 用率和系统功率效率，实现对无线通信系统的频率、时间、空间等多维资源的有效复用， 进而实现和支撑更高速率、更高带宽的无线传输，改善网络覆盖性能【7 j 。 1 2 本课题的研究意义 协作分集是今年来国际上出现的一种新的空间分集技术，而无线通信中协作分集的研 究是一个崭新的课题。其中协作信号的检测与接收是一个至关重要的问题。常规的信号检 测方法虽可用于协作信号的检测，但协作通信中处理方式的不同( 协作节点参与对源信号 的处理) 造成了协作发送信号设计上的独特性，这必将带来检测上的新问题。 目前已有的协作传输方案大多假设接收端已知完整信道状态信息，然而信道估计通常 很复杂，协作传输又包括广播和中继2 个阶段，使得协作分集系统中的信道估计比传统 m i m o 系统的信道估计更加复杂。信道估计算法可以分为两种，一种是基于训练序列( 导 南京邮电大学硕上研究生学位论文 第一章绪论 频) 的估计算法，一种是盲估计算法。基于训练序列的信道估计是指接收机利用已知的信 息来进行信道估计，发射机周期性地发出接收机已知的训练序列，训练序列可以是与数据 信息分离呈连续块状的信号，也可以均匀地插在数据信息中。目前一般使用前一种算法。 无线通信中常用的信道估计准则有最小均方误差准贝t j ( m m s e ) 和最大似然准贝j j ( m l ) 。最优 信道估计的m m s e 估计器假设信道是高斯和噪声都是高斯分布的，但是在协作中继中， 源节点中继目的节点信道为非高斯的，因此，设计m m s e 估计器将会非常困难。我们 转向次最优l m m s e 估计器。分析证明，它能在较低的复杂度的前提下获得比较满意的 性能。 在多径衰落信道中，理想的完全同步是难以实现的，因此扩频码也难以保持完全的正 交性。理论上已经证明，同时具有理想自相关和理想互相关特性的二进制( 归零) 扩频码 是不存在的，这就是著名的w e l c h 界。因此多址干扰总是存在的。多用户检测技术是一 类新型抗多址干扰技术。通过多用户检测可以实现一箭三雕的作用，既可以抗多址干扰， 又可以抵抗远近效应和多径干扰。同时，多用户检测技术还可以简化c d m a 系统中的功 率控制，降低功率控制的精度要求，弥补c d m a 系统中由于正交扩频码互相关性不理想 所带来的一系列消极影响，改善c d m a 系统性能，提高了系统容量。c d m a 系统中多 用户检测的定义：联合考虑同时占用某个信道的所有用户或某些用户，消除或减弱 其它用户对任一用户的影响，并同时检测出所有这些用户或某些用户的信息的一种 信号检测方法。最佳多用户检测器就是最大似然序列估计( m l s e ) 检测器，虽然最佳 检测器有极好的性能，但算法的复杂度太高，实现困难。随后，人们又提出了大量 次最佳多用户检测器方案，主要分线性多用户检测器和非线性多用户检测器两大类。 其中线性多用户检测器主要包括传统信号检测器、解相关多用户检测器( d e c m u d ) 、 最小均方误差检测器( m m s e m u d ) 等；非线性多用户检测器主要包括多级多用户检 测器、判决反馈检测器、相减干扰抵消检测器等。 之前的相关文献都假设在协作分集系统中，信道之间是正交的【铝1 1 4 9 。但是实际 情况中，扩频波形很难做到正交。因此，为了消除m a i ，将多用户检测技术引入协 作分集系统，从而提高系统的检测性能。由于协作分集系统的特殊性，其多用户检 测与一般c d m a 系统有许多不同。在协作分集系统中，在中继节点处可以引入相应 的协作发送策略，即中继节点对检测到的信息进行重新编码，从而使中继节点到目 的节点的信号可以被解相关。由于中继节点收到的信号仍然有m a i ，因此可以对中 继节点收到的信号使用m m s e 多用户检测。 为了更有效的利用功率资源，在协作节点之间如何分配功率成为一个需要研究的课 2 南京邮电人学硕士研究生学位论文 第一章绪论 题。本文提出了两种简单的功率分配策略。其中一种是基于平均信噪比增益最大化，另外 一种是基于中断概率最小化。 协作分集是一种全新的分集技术，它可以解决难以在移动终端安装多根天线的问题， 推进了m i m o 技术的实用化。已有的研究表明：协作分集即使不能提升数据传输速率， 也可以提高数据传输的稳定性。协作分集技术还可用于无线自组织网、无线局域网及无线 传感器网等多种场合，今后还有可能将这些网络结合起来，形成一种全新的智能网络，引 起移动通信领域的重大变革。 目前关于协作分集技术的研究很多，涉及很多方面，包括信号处理、信息论、信道编 码和天线设计等等。协作机制、编码方法、同步算法、中继的选择、应用的前景研究等等。 但是目前许多相关问题有待于解决。如协作策略选择，协作用户终端间的资源分配等等问 题。只有解决了这些问题，才能使得这项技术逐渐走向实用。本课题正是以此为研究方 向，主要研究协作分集物理层的相关技术，包括基于协作分集的信道估计、多用户检测以 及最佳功率分配。 1 3 本论文的结构与安排 第二章：主要介绍了协作分集的一些基本概念及关键技术和空间分集技术，着重分析 了协作分集系统的可达速率域。 第三章：主要介绍基于协作分集系统的信道估计技术。由于源节点中继节点目的节 点链路的特殊性，已有的信道估计技术不适用协作通信系统。本章主要针对a f 系统，在 恒定中继增益和可变中继增益模式下，对静止中继和移动中继系统中信道估计的相关性能 进行了分析。并分析了导频问距、导频符号个数以及多普勒频移对信道估计性能的影响。 第四章：本章主要研究多用户检测技术在协作分集系统中的应用。中继节点检测到源 节点发送的信息以后，按照一定的策略，对检测后的信息进行编码，然后转发给目的节点。 目的节点对直接发送阶段收到的信号和协作发送阶段收到的信号进行m m s e 多用户检 测，然后进行合并。仿真分析表明，此方法可以提高协作通信系统的b e r 性能。 第五章：本章主要研究了协作通信系统的功率分配问题。提出了两种简单的功率分配 策略。其中一种是基于平均信噪比增益最大化，另外一种是基于中断概率最小化。通过和 平均功率分配时系统性能的误码率的比较，可以得出在协作通信中，最优功率分配时系统 的误码率比平均功率分配时小，而最优功率分配时的分配系数与信道链路质量有关。 第六章：结束语。 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章协作分集技术 第二章协作分集技术 分集技术是一项主要的抗衰落技术，它可以大大提高多径衰落信道下的传输可 靠性。其中空间分集技术早起已成功应用于模拟短波通信中。在移动通信中，特别 是数字式移动通信和第三代移动通信中，分集技术有更广泛的应用：在移动通信的 上行链路中，基站广泛采用二重空间分集接收，在i s 9 5 的c d m a 小区软切换中也 利用r a k e 进行二重空间接收，在第三代移动通信中，不论是w c d m a 还是 c d m a 2 0 0 0 都计划采用发端分集技术。 2 1 分集接收的基本概念与分类 移动信道的主要特点即存在着衰耗，慢衰落和各类多径快衰落。其中对传输可靠性影 响最大的是各类快衰落，它们是空间选择性衰落，频率选择性衰落和时间选择性衰落。如 果想利用加大发射功率、增加天线尺寸和高度等方法来克服这种深衰落是不现实的，而且 会造成对其它基站的干扰。而采用分集方法即在若干个支路上接收相互间相关性很小的载 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。相应的还需要采用分集接收技术减轻衰落的影响，以获得分集 增益，提高接收灵敏度，这种技术已广泛应用于包括移动通信，短波通信等随参信道中。 在第二和第三代移动通信系统中，这些分集接收技术都已得到了广泛应用。 2 1 1 分集技术的基本原理 根据信息论原理，若有其他衰减程度的原发送信号副本提供给接收机，则有助 于接收信号的j 下确判决。这种通过提供传送信号多个副本来提高接收信号正确判决 率的方法被称为分集。分集技术是用来补偿衰落信道损耗的，它通常利用无线传播 环境中同一信号的独立样本之间不相关的特点，使用一定的信号合并技术改善接收 信号，来抵抗衰落引起的不良影响。 分集的基本原理是通过多个信道( 时间、频率或者空间) 接收到承载相同信息 的多个副本，由于多个信道的传输特性不同，信号多个副本的衰落就不会相同。接 收机使用多个副本包含的信息能比较正确的恢复出原发送信号。如果不采用分集技 术，在噪声受限的条件下，发射机必须要发送较高的功率，才能保证信道情况较差 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一二章协作分集技术 时链路正常连接。在移动无线环境中， 向链路中所能获得的功率也非常有限， 动通信中非常重要。 由于手持终端的电池容量非常有限，所以反 而采用分集方法可以降低发射功率，这在移 分集技术包括2 个方面：一是分散传输，使接收机能够获得多个统计独立的、携 带同一信息的衰落信号；二是集中处理，即把接收机收到的多个统计独立的衰落信号 进行合并以降低衰落的影响。因此，要获得分集效果最重要的条件是各个信号之间 应该是“不相关 的。 2 1 2 分集接收技术的分类 总结起来，分集技术的实质可以认为是涉及到空间、时间、频率、相位和编码多 种资源相互组合的一种多天线技术。根据所涉及资源的不同，可分为如下几个大类： 1 空间分集 我们知道在移动通信中，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，接收天线之间的 距离d ，即相关区间的o r 应满足： d = 口尺兰( 2 1 ) 缈 其中兄为波长；矽为天线的扩散角。 例如在城市中，扩散角一般为孽o = 2 0 。，则有 d 鲨上名：兰五2 8 6 3 ,( 2 2 ) 2 0 02 n 万 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 5 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二苹协作分集技术 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。 2 频率分集 频率分集是采用两个或两个以上具有一定频率间隔的微波频率同时发送和接收 同一信息，然后进行合成或选择，利用位于不同频段的信号经衰落信道后在统计上 的不相关特性，即不同频段衰落统计特性上的差异，来实现抗频率选择性衰落的功 能。实现时可以将待发送的信息分别调制在频率不相关的载波上发射，所谓频率不 相关的载波是指当不同的载波之间的间隔大于频率相干区间，即载波频率的间隔应 满足： 1 口厂扣f = 二 ( 2 3 ) 。 三 式中三为接收信号时延功率谱的宽度。 当采用两个微波频率时，称为二重频率分集。同空间分集系统一样，在频率分 集系统中要求两个分集接收信号相关性较小( 即频率相关性较小) ，只有这样，才不 会使两个微波频率在给定的路由上同时发生深衰落，并获得较好的频率分集改善效 果。在一定的范围内两个微波频率z 与五相差越大，即频率间 g 孺j0 f = 厶一石相差越 大，两个不同频率信号之间衰落的相关性越小。 频率分集与空间分集相比较，其优点是在接收端可以减少接受天线及相应设备 的数量，缺点是要占用更多的频带资源，所以，般又称它为带内( 频带内) 分集， 并且在发送端可能需要采用多个发射机。 3 时间分集 时间分集是将同一信号在不同时间区间多次重发，只要各次发送时间间隔足够 大，则各次发送降格出现的衰落将是相互独立统计的。时间分集正是利用这些衰落 在统计上互不相关的特点，即时间上衰落统计特性上的差异来实现抗时间选择性衰 落的功能。为了保证重复发送的数字信号具有独立的衰落特性，重复发送的时间间 隔口f 应大于时域相关区间0 t ，即 口f f i t ：一1 ( 2 4 ) b b 为多普勒频移的扩散区间，它与移动台的运动速度成正比。 6 堕室坚皇奎堂堡主型窒竺兰篁堡奎 一一 蔓三皇堡堡坌篓垫查 若移动台是静止的，则移动速度v = 0 ，此时要求重复发送的时间间隔才为无穷 大。这表明时间分集对于静止状态的移动台是无效果的。时间分集与空间分集相比 较，优点是减少了接收天线及相应设备的数目，缺点是占用时隙资源增大了开销， 降低了传输效率。 2 1 3 分集合并技术 分集接受中，接收端可以通过不同形式的合并技术来获得分集增益。如果从合 并所处的位置来看：合并可以在检测器之前，即在中频和射频上进行合并，且多半 是在中频上进行合并；合并也可以在检测器之后，即在基带上进行合并。 合并时采用的准则与方式主要可分为三种：最大比值合并( m r c ) 、等增益合并( e g c ) 和选择式合并( s d c ) 。在最大比值合并接收中，每一个接收信号用一个复数加权然后相加。 等增益合并接收是将各个接收信号中保持同相的信号相加。选择分集合并接收就是在众多 信号中选择一个质量最好的接收信号，并使用该信号作为接收到的信号。其中，最大比值 合并之后信号的信噪比等于合并之前各支路的信噪比之和，是较佳的合并方式。 2 2 发射分集 空间接收分集，即在接收机端采用多根天线，这种技术已经成功应用于蜂窝通 信系统的上行链路( 即从移动台到基站) 。然而，由于移动台的体积、价格、电池 容量以及多媒体业务的不对称性的限制，最佳的方式是基站使用多根天线实现接收 分集和发射分集，而移动台则不强求使用多根天线，目前的商用系统采用的主要方 式是接收分集。由于一个基站通常为多个移动台服务，因此，在基站配置相应硬件 设施和增加信号处理装置比在移动台端更加经济。 发射分集是近年发展起来的一种技术，它是为了减弱信号衰落的影响，通过一 根以上的天线上发射信号。发射分集的概念实际上是由接收分集技术引申而来的。 利用线性系统互易原理，接收端的天线分集可以等效的搬至发送端来实现。从理论 和实际应用都发现，同样阶数的发射分集具有与接收分集相似的分集增益，只是在 高误码率的情况下，接受分集的分集增益较发射分集大。一般认为，发射分集将是 今后提高无线链路性能的一项重要技术。 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章协作分集技术 尽管上述这些明显的优势，发送分集还是被视为很难采用的技术，一方面是由 于发送机比接收机知道的信道信息要少，另一方面，信号处理技术也是很大的一个 问题。过去的一些年里，发送分集吸引了很多人的注意，在【8 】中，提出了实现发送 分集的解决办法。 2 3 协作分集 2 3 1 协作分集的概念 上述各种分集技术中，由于空间分集不额外占用时间和带宽资源，并且可以与 其他分集技术结合，因而更具吸引力。近年来提出的基于空间分集的多输入多输出 ( m i m o ) 天线技术，通过在发送和接收两端同时安置多副天线，形成m i m o 信道结构，从 而充分利用了空域资源，极大地提高了信道容量。 尽管m i m o 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。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： 1 )由于体积、价格以及硬件限制，移动终端则很难安置多天线。其中还包括近 些年来大热的传感器网络，在每个节点配置多根天线几乎是不切实际的。 2 )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。 为了克服这些限制，同时仍然采用发送分集，s e n d o n a r i s 等人提出了一种新的空间分 集技术协作分集，使单天线的移动终端也可以实现空间发送分集。协作分集的基本 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。 从本质上说，协作分集就是希望借助于合作伙伴的天线，与其自身天线共同构造多发 射天线，并通过模仿传统的多发射天线分集来获得空间分集增益。如果在某个时段用户没 有信息要传送，那么在没有协作时其资源只能闲置，而协作分集则可以实现用户资源的充 分利用。另外，在用户资源没有闲置时，用户既要传送自己的信息，又要传送其合作伙伴的 8 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章协作分集技术 信息，会牺牲一部分自己的资源，但另一方面，用户也通过协作分集利用了其合作伙伴的 空域资源。只要合理地设计协作方案，完全可以做到协作分集带来的增益大于其所付出的 代价。综合来讲，协作分集可以更有效地利用整个网络的资源，使网络性能更稳定。 2 3 2 协作分集的模型 协作分集可以分为两步。第一步( 即广播阶段) ：源节点将信息广播到目的节 中继节点 图2 1 协作分级的实现过程 点和中继节点，中继节点对接受到的信号做相应的处理。第二步( 即中继阶段) ：中继节 点将其接收到的、处理过后的信号传送给目的节点，此时源节点可以向目的节点发送重复 的或者新的信息，最后目的节点按照某种规则合并两步收到的信号。如图2 - 1 所示。 下面以蜂窝通信系统中两个用户协作为例，简单介绍一下协作分集。小区中的每个用 户都有一个合作伙伴，互为伙伴的用户除了要传输自己的信息外，还要负责传输其合作伙 伴的信息。我们假设两个用户均为单天线用户，他们通过协作共享彼此天线，形成一个 虚拟的两天线发射分集系统。接收基站通过某种合并准则接收，可获得一定的分集增益。 如图2 2 所示。 用户l 和用户2 互为合作伙伴，用户1 除了要把自己的信息传往基站以外，还要把从 用户2 收到的信息发给基站。同理，用户2 也做相同的工作。这样，用户1 与基站之间就 产生了两条独立的衰落路径：一条是用户1 与基站之间的路径( m s b s ) ，另外一条是用 户1 、用户2 与基站之间的路径( m s r e l a y - b s ) 。 9 一 线线 一 | | 麓 一 一 毵搋 一 一 二 一 一 第第 一 、，l h 申尚o一聃西 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章协作分集技术 2 3 3 协作分集的分类 2 图2 - 2 两用户协作原理图 基站 本文着重研究两种协作分集技术：放大重传( a f ) 和译码重传( d f ) 。在d f 方式中， 中继节点对接收到的信号进行译码，然后重传译码出来的信息比特。而在a f 中，中继 节点接收到源节点发来的信息，对信息放大以后转发向目的节点。 协作中继也有另外一种分类方法：固定中继和选择中继。在固定中继模式中，中继节 点在任何情况下都转发其收到的信息。d f 模式中，固定中继的性能被源节点和中继节点 之间的链路状态所限制。相对于固定中继来说，选择中继就是根据信道状态来决定中继节 点是否转发源节点的信息。在这种中继方式下，当源节点检测到其与中继节点之间链路瞬 时信噪【= l ( s n r ) 下降到超过一定界限的时候，源节点就转换为非协作的模式，将其信息直 接转发到目的节点。 在【1 0 】中，作者为单一中继无线网络的协作协议建立了统一的框架。具体来说，他们 考虑了三种基于t d m a 的协议，叫做协议1 、协议2 和协议3 ，分别对应于传统的多输入 多输出( m i m o ) 、单输入多输出( s i m o ) 和多输入单输出( m i s o ) 。如表2 1 所示，我 们接下来分析这三种协议。 协议l ：在第一时隙，源节点与目的节点、中继节点通信；在第二时隙，源节点、中 继节点都与目的节点通信。该协议实现了最大限度的广播，同时会也会产生接收碰撞。在 中，这种协议叫做“非正交放大转发协议 。 协议2 ：在第一时隙，源节点发送信息，同时被中继节点和目的节点接收；在第二时 1 0 丫 、”：；_，“州陵肜 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章协作分集技术 隙，中继节点将在第一时隙收到的信息转发给目的节点，而此时源节点不再发送信息。这 种协议实现了最大程度的广播同时不会长生接收冲突。我们接下来的研究都基于协议2 。 协议3 ：该协议与协议1 一样，除了在第一时隙，目的节点不接受来自于源节点的信 息。该协议没有实现广播，同时还会产生接收冲突。 表2 - 1 单中继网络协作规则 。 协议协议1协议2协议3 终端时隙1时隙2时隙1时隙2时隙1 时隙2 源节点发送发送发送空闲发送发送 中继节点接收发送接收发送接收发送 目的节点接收接收接收接受空闲接受 2 3 4 协作通信的研究现状 s e n d o n a r i s 等人最早研究了协作分集与网络容量和中断概率( o u t a g ep r o b a b i l i t y ) 等系 统性能的关系，给出了在低速及高速c d m a 传输系统下的实现方案，并研究了该系统 可达到的传输速率范围和信道容量。图2 3 为两用户情况下的基本实现方案。 w i w 2 图2 - 3 两用户协作系统的信道模型 两个用户e 。和e ：都有信息要发送，分别为。和矿：。为了以最高的速率将信息发送 l l 南京邮电大学硕上研究生学位论文 第二覃协作分集技术 到目的节点( 设为基站b s ) ，两个用户之间采用协作技术。每个移动终端都接收到其合作 伙伴发送的信号( 包含衰落和噪声信号) ，并将该信号和自己要发送的信号组合在一起发 送给基站，那么基站收到的信号是这两个移动终端发送信号的叠加，可以表示为 y o ( r ) = k o 五( ，) + k 2 0 五( ，) + z o ( t ) ( 2 5 ) y i ( ，) = 局l 五( f ) + z l ( f ) ( 2 6 ) y 2 ( f ) = 墨2 五( f ) + z 2 ( f ) ( 2 7 ) 式中，下标0 ，1 ，2 分别代表基站、移动终端1 和移动终端2 ；y ，( f ) ( i = 0