（通信与信息系统专业论文）无线通信中的协同分集优化设计研究.pdf

摘要 摘要 在无线通信系统中，信道的衰落会降低信号传输的可靠性，影响通信质量。 分集技术作为一种对抗衰落的有效手段，能提高无线通信性能，已经得到了广泛 的研究和应用。与传统的时域分集和频域分集技术相比，基于多天线发射或接收 的空域分集技术由于不需要占用额外的时域或频域资源来传输冗余信号而具有更 大的吸引力。但是，由于大小、成本和能耗等限制，在某些无线终端安装多根天 线具有一定的困难。协同分集技术通过用户之间共享天线，实现虚拟多天线传输 以获得空域分集，成功的解决了这一问题，是一种具有较大实用价值的新型分集 技术。协同分集技术作为一种新型技术在走向应用的过程中仍有很多有待解决的 问题，本文主要针对这些问题，对协同分集技术进行优化设计，研究提高协同分 集性能或效率的方法。 能否有效的与其它新型通信技术相结合，是协同分集技术面临的重要问题。 放大前传协同方法能够以较低实现复杂度获得满分集度，是一种重要的协同分集 方法。网络编码技术由于可已获得通信网络效率的提升而成为一种热门的通信技 术。本文提出了一种基于网络编码的放大前传协同分集方法。在该方法中，协同 用户通过将本地信号与接收到的协同伙伴的信号相乘，在模拟域实现网络编码， 在此基础上，利用网络编码的特点，基于1 个反馈比特，选择即时信道条件较好 的用户传输网络编码数据，可有效提升放大前传协同分集频谱效率。在通过理论 推导得出了该方法的误比特率的上界的基础上，由数值及仿真结果证明了该方法 在提高频谱效率的同时，可以获得与普通放大前传协同分集方法相似的性能。 空时协同分集技术是一种高效的协同分集技术，本文研究了空时协同分集技 术，针对协同分集方法中数据两次传输的特点，提出了一种基于a l a m o u t i 空时编 码的自适应空时协同分集方法，从而较大的提高了空时协同分集技术的传输效率。 其基本原理是：在协同用户首次传输后，基站就进行检测并反馈检测结果，协同 用户根据检测结果对后续传输进行优化。在推导出了该方法的误比特率性能之后， 通过理论和仿真结果证明了该方法既能够降低空时协同分集的误码率，又能够节 省传输时隙以提升系统吞吐量。 对各种信道条件的适应能力是协同分集技术生存的关键问题之一，但是，与 摘要 非协同方法相比，在有时域分集的信道条件下，普通有校验解码前传协同方法不 仅不能获得性能提升，反而会导致性能下降。本文提出了一种基于信号空间分集 的有校验解码前传协同方法。在所提方法中，协同用户将中继信号和自己的信号 按信号空间分集的优化方式进行旋转叠加然后传输，基站对数据进行迭代检测。 仿真结果表明无论信道是否存在时域分集，所提方法均可获得较好的误码率性能。 最新的研究表明无校验解码前传协同方法能够在低复杂度的情况下通过各种 方式接近或达到满分集性能，具有较好的应用前景。但由于发生在中继节点处的 错误传播，无校验解码前传的性能分析及优化具有一定的难度。本文在建立无校 验解码前传断线率模型的基础上，提出了一种在各态历经性信道中基于少量反馈 比特的最小化断线率的方法。仿真结果表明该方法仅通过很少的反馈比特就可以 显著的提升性能。 关键词：协同分集，放大前传，解码前传，网络编码，信号空间分集 a b s t r a c t 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 ns y s t e m ，c h a n n e lf a d i n gc a nd e c r e a s et h er e l i a b i l i t ya n d q u a l i t yo fc o m m u n i c a t i o n d i v e r s i t yt e c h n i q u e ，w h i c hi sa l le f f i c i e n tm a n n e rt oc o m b a t f a d i n ga n di m p r o v et h ec o m m u n i c a t i o np e r f o r m a n c e ，h a sb e e nw i d e l yr e s e a r c h e da n d u s e d s p a c ed i v e r s i t y , w h i c hd o e sn o tr e q u i r ee x t r at i m eo rf r e q u e n c yr e s o u r c et o t r a n s m i tr e d u n d a n ts i g n a l ，i sm o r ea t t r a c t i v et h a nt r a d i t i o n a lt i m ea n df r e q u e n c y d i v e r s i t yt e c h n i q u e s h o w e v e r , i ti sd i f f i c u l tt od e p l o ym u l t i p l ea n t e n n a so ns o m e w i r e l e s se q u i p m e n t sd u et os i z e , c o s ta n de n e r g yc o n s t r a i n s c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y , i n w h i c hu s e r ss h a r et h e i ra n t e n n a st oo b t a i ns p a c ed i v e r s i t y , s o l v e st h i sp r o b l e ma n d b e c o m e san e wv a l u a b l ed i v e r s i t yt e c h n i q u e t h e r e r es t i l ls o m ep r o b l e m st ob es o l v e d o na p p l i c a t i o no fc o o p e r a t i v ed i v e r s i t y t h i sd i s s e r t a t i o n d e v e l o p st h er e s e a r c ho n o p t i m i z e dd e s i g no fc o o p e r a t i v ed i v e r s i t y , t os o l v es o m eo f t h e s ep r o b l e m s h o wt ow o r kt o g e t h e rw i t ho t h e rn e wt e c h n o l o g i e si sa ni m p o r t a n tp r o b l e mo f c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y a 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 ed i v e r s i t ys c h e m ei sa n i m p o r t a n tc o o p e r a t i v em a n n e ra si t sl o wc o m p l e x i t ya n df u l ld i v e r s i t yo r d e r s n e t w o r k c o d i n gi sa na t t r a c t i v et e c h n o l o g yt oi m p r o v ee f f i c i e n c yo fc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，a 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 ed i v e r s i t ys c h e m eb a s e do n n e t w o r kc o d i n gi s p r o p o s e d i nt h i ss c h e m e ，t h ec o o p e r a t i o nu s e r sm u l t i p l yl o c a l s i g n a l st ot h es i g n a l sr e c e i v e df r o mc o o p e r a t i o np a r t n e rt or e a l i z en e t w o r kc o d i n gi n a n a l o gd o m a i n t h en e t w o r kc o d i n gs i g n a l sa r et r a n s m i t t e db yt h eu s e rw i t hb e t t e r i n s t a n t a n e o u sc h a n n e lc o n d i t i o n ，b a s e do no r l eb i tf e e d b a c kf r o mt h ed e s t i n a t i o n 。t o i m p r o v et h es p e c t r a le f f i c i e n c y 1 1 1 et h e o r e t i cb o u n do fa v e r a g eb i te r r o rr a t ei sd e r i v e d b o t ho ft h et h e o r e ma n ds i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v et h a tt h ep r o p o s e ds c h e m eh a ss i m i l a r p e r f o r m a n c e w i t hp l a i n a m p l i f y - a n d f o r w a r d ，w h i l ea c h i e v i n gh i g h e rs p e c t r a l e f f i c i e n c y s p a c et i m ec o o p e r a t i v ed i v e r s i t yi sah i g h - e f f i c i e n c yc o o p e r a t i v ed i v e r s i t ym a n n e r i nt h i sd i s s e r t a t i o n , s p a c et i m ec o o p e r a t i v ed i v e r s i t yt e c h n i q u e sa r er e s e a r c h e d a n a d a p t i v es p a c et i m et r a n s m i s s i o ns c h e m eb a s eo nt w i c ed e t e c t i o n sa tb a s es t a t i o ni s i i i a b s t r a c t p r o p o s e d ，w h e r et h ec o o p e r a t i o nu s e r sa d a p t i v e l ya r r a n g er e s o u r c ei nr e t r a n s m i s s i o n b a s e do nt h ed e t e c t i o nr e s u l t sf e db a c kb yb a s es t a t i o n t h et h e o r e t i cb i te r r o rr a t eo f t h ep r o p o s e ds c h e m ei sd e r i v e d b o t ht h e o r e ma n ds i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v et h e p r o p o s e ds c h e m ec a l li m p r o v et h eb i te r r o rr a t e ，w h i l ea c h i e v i n gh i g h e rt h r o u g h p u tb y s a v i n gs o m et r a n s m i s s i o ns l o t s t h ea d a p t a t i o nc a p a b i l i t yi nd i f f e r e n tk i n d so fc h a n n e l si so n eo ft h ek e yi s s u e sf o r c o o p e r a t i v ed i v e r s i t yt e c h n o l o g i e st os u r v i v e h o w e v e r , t h ep e r f o r m a n c eo fp l a i n d e c o d e a n d f o r w a r dw i t hc y c l i cr e d u n d a n tc h e c kc o o p e r a t i v ed i v e r s i t ys c h e m ei s w o r s et h a nn o n - c o o p e r a t i o ns c h e m ew h e nt h el a t t e r 啪a c h i e v et i m ed i v e r s i t y i nt h i s d i s s e r t a t i o nas i g n a ls p a c ed i v e r s i t yd e c o d e - a n d - f o r w a r ds c h e m ei sp r o p o s e d i nt h e p r o p o s es c h e m e ，c o o p e r a t i o nu s e r sr o t a t ea n ds u p e r p o s el o c a ls i g n a l sa n dt h es i g n a l s r e c e i v e df r o mc o o p e r a t i o np a r t n e ri ns i g n a ls p a c ed i v e r s i t ym a n n e r , a n dt h ed e s t i n a t i o n n o d ed e t e c t st h es i g n a l si ni t e r a t i v em a n l i e r s i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v et h a tt h ep r o p o s e d s c h e m ec a na c h i e v eg o o dp e r f o r m a n c ei nb o t ht w ok i n d so fc h a n n e l s r e c e n tr e s e a r c hs h o w st h a td e c o d e a n d - f o r w a r dw i t h o u tc y c l i cr e d u n d a n tc h e c k c o o p e r a t i v ed i v e r s i t ys c h e m ec a na p p r o a c ht of u l ld i v e r s i t yo r d e r sw i t hl o wc o m p l e x i t y , a n dc o n s e q u e n t l yh a sag o o dp r o s p e c ti na p p l i c a t i o n h o w e v e rt h ep e r f o r m a n c e a n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o ni sd i f f i c u l td u et ot h ew r o n g - b i t s f o r w a r da tr e l a yn o d e s i n t h i sd i s s e r t a t i o n ，a no u t a g ep r o b a b i l i t ym o d e lf o rd e c o d e a n d - f o r w a r dw i t h o u tc y c l i c r e d u n d a n tc h e c kc o o p e r a t i v ed i v e r s i t ys c h e m ei sm a d eu pf i r s t , a n db a s e do nt h i s m o d e la l lo u t a g ep r o b a b i l i t ym i n i m i z a t i o na l g o r i t h mw i n laf e wf e e d b a c kb i t si n e r g o d i cc h a n n e li sp r o p o s e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v et h a taf e wf e e d b a c kb i t sc a n h e a v i l yi m p r o v et h eo u t a g ep e r f o r m a n c ei nt h ep r o p o s e ds c h e m e 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 y , a m p l i f ya n df o r w a r d ，d e c o d ea n df o r w a r d , n e t w o r kc o d i n g , s i g n a ls p a c ed i v e r s i t y i v 图表目录 图1 1 图l - 2 图1 3 图l _ 4 图2 1 图2 2 图2 3 图2 - 4 图2 5 图3 1 图3 - 2 图3 3 图3 - 4 图3 5 图3 石 图3 7 图3 8 图3 - 9 图3 1 0 图3 1 1 图4 - l 图舢2 图4 3 图 图4 - 5 图 图4 7 图4 8 图牛9 图5 1 图5 - 2 图表目录 m i m o 系统原理框图3 两用户协同分集示意图4 中继信道5 放大前传与解码前传示意图6 非协同，a f 协同及a f n c 传输方法1 6 a f n c 近似最大似然检测2 4 a f n c 误码率理论分析及仿真结果( 两用户上行平均信噪比相等) 3 1 a f n c 误码率理论分析及仿真结果( 用户2 上行平均信噪为2 0 d b ) 3 2 a f - n cm p s k 调制误码率仿真结果( 两用户上行平均信噪比相等) 3 3 两用户协同分集实现方式( 两用户均正确接收到对方数据) 3 6 无时域分集情况下非协同和有校验d f 协同误码率。4 2 有时域分集情况下两用户协同理论分析及仿真结果4 3 a s t c d 误码率理论分析及仿真结果4 7 a d a s t c d 误码率理论分析及仿真结果5 2 系统吞吐率仿真结果5 2 两用户编码协同传输方式5 3 t u r b o 编码及码字的分割5 4 t a s t c d 发射方法( c a s e2 ) 5 4 t a d a s t c d 发射方法( c a s e 5 5 t a d a s t c d 误码率理论分析及仿真结果5 8 s s d d f 及有校验d f 传输方法示意图( 两用户均正确解码对方数据) 6 l 非协同，有校验d f 及s s d d f 信号发射方法示意图( 时隙1 、2 ) 6 1 有校验d f 用户2 中继操作示意图( 时隙1 接收，时隙3 发射) 6 l s s d d f 用户2 中继操作6 3 s s d d f 接收机结构示意图6 5 无时域分集条件下误比特率( 所有链路平均信噪比相等) 一6 9 无时域分集条件下误比特率( 用户2 至基站平均信噪比固定为1 0 d b ) 6 9 有时域分集条件下误比特率( 所有链路平均信噪比相等) 7 0 有时域分集条件下误比特率( 用户2 至基站平均信噪比固定为1 0 d b ) 7 0 无校验解码前传协同分集方法7 3 系统断线率性能仿真7 7 表3 1时隙1 、2 接收情况表3 8 表3 2a s t c d 能量分配系数4 6 表3 3a d a s t c d 时隙l 、2 接收情况表4 8 v i i i 图表目录 表3 4 表3 5 表4 1 表4 2 a d 。a s t c d 能量分配系数4 9 t a d a s t c d 与t a s t c d 误对率上界比较( 有时域分集) 5 7 s s d d f 中的g 取值6 4 d f 中的g 取值6 4 i x 主要数学符号及缩略词表 主要数学符号及缩略词表 论文中所用到的主要数学符号列表如下： 符号类别 变量 矢量 矩阵 矢量转置，矩阵转置 复数共轭 方阵的行列式值 复数的虚部 复数的实部 随机变量的数学期望 随机变量的方差 符号函数 示例字体和说明 口小写斜体 4小写粗斜体 彳 大写粗斜体 口r ，a r 0 r 口0 口 d e t ( a ) i m ( a ) r e ( a ) e ( 口) v 矿 ) s i g n ( a ) x 主要数学符号及缩略词表 在论文中用到的主要英文缩写及其全称列表如下： 3 g 4 g 心 k 弧g 枝 b e r b p s k c d f c d m a c r c d f g s m l l r m m o m l 朋乙p s k o f d m o f d m 【a p d f q p s k s m o s i s 0 s n r s s d 3 r dg e n e r a t i o n 4 t hg e n e r a t i o n a m p l i a n df o r w a r d a d d i t i v e 晒i t eg a u s s i a nn o i s e b i te r r o rr a t e b i n a r yp h a s es h i f tk e y i n g c u m u l a t i v ed i s t r i b u t i o nf u n c t i o n c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s c y c l i cr e d u n d a n tc h e c k d e c o d ea n df o r w a r d g l o b a ls y s t e mo fm o b i l e l o g - l i k e l i h o o dr a t i 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 m a x i m u ml i k e l i h o o d m u l t i p l ep h a s es h i f tk e y i n g o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l e x o r t h o g o n a lf r e q u e n c y - d i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s p r o b a b i l i t yd e n s i t yf u n c t i o n q u a d r a t u r ep h a s es l l i f ik e y i n g s i n g l e - i n p u tm u l t i p l e o u t p u t s i n g l e - i n p u ts i n g l e - o u t p u t s i g n a lt on o i s er a t i o s i g n a ls p a c ed i v e r s i t y 第三代移动通信系统 第四代移动通信系统 放大前传 加性高斯白噪声 误比特率 二进制相移键控 累积密度函数 码分多址 循环冗余校验 解码前传 全球移动通信系统 对数比特似然比 多输入多输出 最大似然 多进制相移键控 正交频分复用 正交频分多址 概率密度函数 四进制相移键控 单输入多输出 单输入单输出 信噪比 信号空间分集 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：整当日期：年月日 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：鲻导师签名： 日期：年 月日 第一章绪论 第一章绪论 本章首先简述了论文工作的研究背景，分析了无线通信中协同分集技术的研 究现状，总结出协同分集技术面临的一些问题，在此基础上提出了本论文准备研 究的基本问题和主要目标，最后，阐述了论文工作的创新之处以及论文的结构和 内容安排。 1 1 未来无线通信需要采用新的高性能无线传输技术 近年来，随着无线移动通信用户数的增加和人们物质生活水平的提高，以提 供话音业务为主的传统g s m 和c d m a 技术已逐渐难以满足需求。能够提供无线 i n t e m e t 业务和多媒体业务的第三代移动通信系统( 3 r dg e n e r a t i o n ，3 g ) 的商用化进 程正在我国紧锣密鼓的展开。无线通信行业的大发展带动了我国整个通信产业链， 信息与通信产业在我国国民生产总值中所占的比重也不断的提高，逐渐成为国民 经济发展的支柱型产业【l 】【2 1 。 未来移动通信系统的峰值传输速率将提高一至两个量级以上，但是可用于移 动通信的频率资源是极为有限的，必须加倍珍惜，精心设计。为在有限的频段上 为用户提供更高的传输速率及更可靠的传输，需要采用全新的技术使整个系统的 频谱利用率较现有技术提高一个量级以上【1 】【3 】。 在这样的背景下，多天线技术在无线通信中的应用显得越来越重要。回顾无 线通信的发展历史，从移动通信系统的蜂窝化和无线通信中天线分集的应用开始， 对空间资源的利用一直是提高无线系统频谱利用率的有效手段。过去的5 0 年里， 人们对多天线技术提高频谱利用率的认识和应用也在不断深入和发展，从早期利 用多天线空间分集和天线极化分集改善无线链路传输性能，到基于自适应信号处 理方法开辟自适应天线阵列处理理论，及至智能天线( s m a r t a n t e n n a , s a ) 、空分多 址( s p a c ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，s d m a ) 被用于蜂窝通信，再到今天，国内外众 多研究学者广泛关注在发送端和接收端同时使用多个天线阵元的多入多出通信结 构，从而实现了多个数据流在相同时间和相同频带的传输和接收【3 】- 【1 2 】，以提高频 谱利用率或传输可靠性。 电子科技火学博十学位论文 1 2 分集技术简介 实现可靠无线通信所面临的主要问题是信号在无线信道中的传输由于物体的 反射和散射，造成信道衰落f 1 3 1 。分集技术作为无线通信中经常使用的一种抵抗衰 落的方法得到了广泛的研究【1 4 】【1 7 】。在分集技术中，发送端采取某种方法通过相互 独立的衰落信道传输同一信号的多个副本( 也称为分集分支) ，以降低接收端无法 辨识信号的概率，从而保障传输质量。分集分支的个数称为分集级数或阶数。 般来说，分集技术分为以下几种类型【1 8 1 【1 9 】。 时域分集：在不同的时刻发送承载相同信息的信号，要求两个传输时刻之间 的间隔必须大于信道相关时间。结合交织的信道编码就是获取时间分集的有效方 法。在快衰落环境( 移动台快速移动时) 中这种方法较为有效。但是，在慢衰落环 境( 移动台缓慢移动时或者固定无线应用时) 中，要想获得较大的时间分集，就需 要非常大的交织深度，不利于满足服务对实时性的要求。 频域分集：在不同的频率点或频带上传输承载相同的信息的信号，要求两个 频带之间的间隔必须大于信道的相关带宽以保证独立性。由于需要使用多个频率， 这种方法的频谱效率比较低。频域分集很自然的经常在频率选择性信道上得到应 用，此时也常被称为多径分集。当多径延迟扩展与发射符号间隔可比较时，接收 信号可以被认为是多个发射信号的线性叠加，其权重为各独立信道的衰减系数。 此时，通过r a k e 接收机在不同的时刻提取出多径分量，就可以获得多径分集。 对于频率选择性信道，这种接收机是最佳的【1 8 】。 空域分集：在实际应用中假如两天线间隔超过发送信号波长的一半，那么这 两个天线发送或接收到的信号可以认为经过两个互不相关的空间信道传输。在不 相关的空间信道传输承载相同信息的信号就称为空域分集。当系统的频谱资源不 充裕时，这种方法特别有吸引力。时域分集技术和频域分集技术的缺点在于必须 使用额外的时间或者频谱资源来引入发射信号的冗余副本。这将导致频谱效率的 损失，空域分集则没有这个缺点。 在单入多出( s i n g l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ，s i m o ) 信道下的接收天线分集技术 已经基本成熟。在合适的信道条件下，接收机将收到同一发射信号的多个独立衰 减副本。接收机将这些副本按照某种准则合并起来，然后进行最终的信号判决。 这将比单天线接收获得更好的性能。最常见的信号结合技术包括等增益合并，选 择合并和以及最大比合并( m a x i m u mr a t i oc o m b i n a t i o n ，m r c ) 。在概念上，等增 益合并是是最简单的方式，这种方式不需要知道各分集分支的信噪比，等增益也 2 第一章绪论 就是说线性组合器的放大倍数都相等，且都等于1 。在选择合并中，每次接收都 在条分集分支中选出信噪比最大的那一路。由于这种技术只需要测量各分支的 功率并使用一个选择器来选出最大者，因此实现也比较简单。最大比合并使用一 个线性组合器把条分支的输出结合起来，线性组合器的系数是按照合并后信号 信噪比最大的原则来选择的。当线性组合器各支路的系数与影响该支路的衰减系 数相等时( 复数时为共轭) ，取得最大值。最大比合并技术在最大化信噪比的意义 上来说是最优的。 输入数据 编码与调制 h y 输出数据 l 解调与解码 可 图1 - 1m i m o 系统原理框图 发射机也可以利用多天线技术来获取发送分集，但是发射机要获得信道信息 要比接收机难得多，在完全没有或仅有部分信道信息时，必须通过特殊的信号设 计来更好的获得分集，这也导致发射分集的利用比接收分集更为复杂。最近，适 用于多输入单输皇( m u l t i p l ei n p u ts i n g l eo u t p u t ，m i s o ) 信道的发射分集已经成为 近几年的研究热点。最典型发射分集方案是的是由a l a m o u t i 提出的【2 0 】空时分组 码。这一方案适用于发射机安装了二元天线阵的m i s o 系统。它的分集增益与接 收端安装了两根接收天线的最大比合并接收机相同，尽管如此，由于假设发射端 没有信道信息，a l a r n o u t i 编码还是无法获取阵列增益，它的优点是可以使用非常 简单的解码方案( 接收机只需要进行线性处理) 进行最大似然检测，从而使发射分 集技术朝真正实际应用迈进了一大步。a l a m o u t i 的方案是唯一一种在采用复数信 号星座图时，能在进行全速率传输的同时获得完全分集的空时编码方案。 如图1 1 所示，多输入多出( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t m i m o ) 信道下的分 集技术将发射分集和接收分集结合起来。m i m o 在提升系统性能方面是很有优势 电子科技大学博十学位论文 的。假设对应于不同发射接收天线对的传输信道相互独立或者相互正交，此 时分集重数等于发射天线的数目与接收天线的数目的乘积。 用户l 用户2 图1 2 两用户协同分集示意图 协同分集：严格意义上讲，协同分集是一种空域分集方式，但又与普通的多 天线空域分集有所不同。通过比较以上几种分集方式可以看出，空域分集由于其 不占用多余的时频资源，是一种更高效的分集方式。但是，由于手持或移动终端 的尺寸的限制，使得安装多条足够距离的天线较为困难。协同分集解决了这个问 题，以图1 2 所示的蜂窝小区两用户协同场景为例，两用户向基站上行传输数据。 首先用户间通过某种方式获得对方需要传输的信息，再经过自己至基站的信道传 输该信息，这样，同一信息经过相互独立的信道到达基站，从而获得分集( 关于协 同分集更为详细介绍安排在下一小节) 。协同分集与普通多天线空域分集最大的不 同在于协同用户在帮助协同伙伴传输数据之前必须接收到这些数据，而由于在数 据交换过程中，可能出现协同用户接收到的数据不可靠或根本不能接收到数据的 情况，从而导致系统性能恶化。 1 3 协同分集研究背景及现状 本小节将对协同分集研究的起源，基本分类及研究现状作简单的介绍。 1 3 1 协同通信研究的起源中继信道 协同通信的起源可以追溯到c o v e r 和e 1g a m a l 发表的关于中继信道的论文 【2 1 1 。如图1 3 所示，在该信道中传输者a 发射信号z 经过衰落和噪声污染后被 中继b 和信宿c 接收。b 基于接收到的信号x 传输另一个信号到c 。这个模 型可以分解为一个广播信道( a 传输，b 和c 接收) 和一个多用户接入信道( a 和b 4 第一章绪论 传输，c 接收) 。c o v e r 和e 1g a m e l 计算出了这个信道的信息论容量，并论证了该 信道的容量以构成它的广播信道和接入信道的最小传输速率为上界。在许多情况 下中，这个容量大于a 和c 之间直接传输信道的容量。 广播接入 图1 3 中继信道 近年来，对于中继信道的研究又重新获得了关注。c o v e r 等人的论文 2 l 】假设 中继能够同时在同一频带上接收和发射信号。实际上基于目前的射频技术，达到 这一要求较为困难，基于 2 1 】和 2 2 1 的思想，h o s tm a d s e n 得出了中继信道更为切 合实际的容量结果 2 3 】，他假设中继在一个时间或频段上接收信号，而另一时间或 频段上发射信号。这些结果已经被扩展到用户协同场景中【2 4 1 。v a l e n t i 2 5 1 和z h a o 2 6 1 假设源和中继在正交信道( 时域或频域) 上传输信号，给出了更为实际的情况下中 继信道的容量和断线率( o u t a g ep r o b a b i l i t y ) 结果。 协同其实就是用户之间互为中继的一种通信方式，上述对于中继信道容量的 探索，正是协同通信理论研究的基石。 1 3 2 协同分集的提出及基本分类 协同通信在某些方面与中继相似，其主要的不同在于在协同通信中，每个无 线用户既是传输信息的信源，同时又为协同伙伴充当中继。换句话说，在协同协 议设计中，必须让各用户既可以帮助其它用户传输数据，又能够传输自己的数据。 虽然在某一时间点这似乎很难实现，但在一段较长的时间，是可以实现的。 协同直接导致了码率分配和传输功率分配的问题。以功率为例，似乎为了协 同每个用户必须用去更多的功率或能量，因为他不仅要传输自己的信号，还需要 传输其他用户的信号。但是，由于用户可以从协同中获得分集增益，从而在保持 相同传输性能的同时，能够降低对传输功率的要求。所以协同的一个目的是在保 持传输性能不变的情况下，降低整个网络的功率消耗。 电子科技大学博士学位论文 另外，协同通信在传输速率上也面临与上述功率问题相类似的问题。在协同 通信中，各用户不仅需要传输自己的信息比特，而且需要传输其他用户的信息比 特，那么各用户应该需要更多的带宽。但是，由协同分集带来的增益，可以提高 各用户的频谱利用率，从而可以采用码率更高的信道编码，来抵消掉对更多带宽 的要求。 放大前传 解码前传 图1 _ 4 放大前传与解码前传示意图 从以上两个方面可以看出，协同通信的一个关键问题是，协同分集带来的增 益是否能够抵消掉对功率和带宽的额外要求，并且获得系统的性能提升或节省传 输资源。纵观协同分集的研究历史，其实都是对这一问题的分析、诠释与求解。 下面我们对两类主要协同的协同方式作一个简单介绍。这两种方式是：放大 前传( a m p l i f y - a n d f o r w a r d ，a f ) 和解码前传( d e c o d e - a n d f o r w a r d ，d f ) ，也有文献将 d f 称为“d e t e c t a n d f o r w a r d ”。图1 - 4 将这两种方式做了一个简单比较。 放大前传是最简单的协同方式。每个用户接收到协同伙伴的信号( 含信道噪声) 后直接将该信号放大并发射出去。基站在合并从两个用户发射过来的信号后再作 6 第一章绪论 判决。虽然在放大前传时，噪声和信号一起被放大了，但是，基站仍然收到了经 过两个相互独立信道衰落的信号版本，这样可以提高接收的性能。 l a n e r n a n 等人首先提出了放大前传这种协同方式【2 7 】。他们计算出了无编码放 大前传的比特错误率，并且证明了，尽管噪声和信号一起被协同伙伴放大并传输， 与非协同方法相比，放大前传仍然具有较大的性能增益。文献 2 8 】， 2 9 扩展了这 一工作，他们推导出了在准静态r a y l e i g h 衰落信道下，放大前传协同方法的断线 率，并得出了在两用户协同中，放大前传协同方法可以获得两阶分集的结论。 解码前传是指协同用户试图检测并解码接收到的协同伙伴的数据，然后前传 对该符号的估计结果。解码前传主要有两种类型，一种是在中继处不进行循环冗 余校验( c y c l i cr e d u n d a n tc h e c k ，c r c ) ，而直接前传有可能判决错误的数据，简 称为无校验d f 协同；另一种是中继处进行循环冗余校验，根据校验结果决定是 否前传数据，简称为有校验d f 协同。 最早提出解码前传的是s e n d o n a r i s 、e r k i p 和a a z h a n g 3 0 h 3 3 1 。他们首先建立了 两用户协同的信息论模型；然后研究了在码分多址( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ， c d m a ) 系统中解码前传的应用，并推导出了可以达到的传输速率范围和断线率。 在 2 8 】， 2 9 中，l a n e m a n 、w o m e l l 和t s e 研究了解码前传协议的断线率，他 们将用户间信道的断线( 信噪比低于特定速率要求) 定义为系统断线。换一种说法， 如果用户没用成功检测协同伙伴的数据，就称之为发生断线。经过分析推导，他 们得出了这种方法只能获得一阶分集的结论，甚至很多时候比非协同方式性能更 差，理由是用户可能传输错误估计的协同伙伴的数据。 在无校验解码d f 协同中，当用户接收协同伙伴的数据发生错误时，会导致 错误比特的前向传播，这会导致基站数据检测的错误。为了减少这种情况带来的 损害，文献【3 3 】提出了一种考虑用户间信道比特错误概率的最优合并方法，该方 法根据用户间信道比特错误的概率大小来调整从中继用户处接收信号在合