（通信与信息系统专业论文）全速率双路径协作中继传输方法的研究.pdf

摘要 摘要 随着人们对包括语音、视频、数据等在内的无线多媒体业务的需求不断增加， 下一代无线通信网络必定会朝着高速可靠的数据传输方向发展。但是，面对无线 频谱资源受限且无线信道环境恶劣的现状，如何在有限的资源条件下，找出能提 高系统性能增益的传输方法成为众多学者研究的热点之一。分集技术是一种有效 的抗衰落、提高系统性能的技术，整条通信链路的可靠性显著提高，这是通过在 源端和目的端提供多个信号路径达到的。然而，移动用户终端的体积、能量限制 等物理条件大大制约了分集技术的广泛应用，为了克服这些不利因素，无线协作 通信系统应运而生。 为了在协作通信系统中获得分集增益，且同时降低检测复杂度，设计合理的 编码方法和传输方法，一直是协作通信领域研究的重点和难点。本文以协作通信 为背景，针对双链路两跳的无线中继传输系统模型进行了探讨，结合预编码、正 交频分复用等技术，研究了一种全速率双路径协作中继传输方法。主要的研究工 作如下： ( 1 ) 研究了多输入多输出系统( 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 ) 和 协作分集合并技术，重点剖析了协作通信中的中继协议机制。 ( 2 ) 探讨了空时编码( s p a c et i m ec o d e ，s t c ) 和空频编码( s p a c e f r e q u e n c yc o d e ，s f c ) 的概念及设计准则，并深入讨论了一种能获得全分集的 空时编码，同时重点研究了一种采用了循环延迟技术( c y c l i cd e l a yd i v e r s i t y , c d d ) 的空频编码。 ( 3 ) 充分利用预编码、循环延迟分集等技术的特点和优势，对双路径两跳 的无线协作中继传输模型进行探讨，并有针对地研究了一种低检测复杂度的全速 率传输方法。为了获取系统的分集增益，实现全速率传输，该方法首先对源节点 的待传输数据进行合理的线性复数域编码，随之将经过预编码的数据在两个连续 的时隙内依次传送；中继节点将接收到的数据进行循环延迟后再采用放大转发方 式传送给目的节点。理论分析与仿真实验结果表明，这种传输方法检测复杂度很 低，解决了双路径协作中继传输过程中传输速率、检测复杂度之间的矛盾。 关键词：协作通信；全速率；分集增益；低检测复杂度 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n gd e m a n do fm u l t i m e d i as e r v i c e so v e rw i r e l e s ss u c ha sv o i c e ， v i d e o ，d a t a ，h i g h - r a t ea n dr e l i a b l ed a t at r a n s m i s s i o nm u s tb et h ed i r e c t i o no ft h en e x t g e n e r a t i o no fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sn e t w o r k u n d e rt h ec i r c u m s t a n c eo fl i m i t e d r a d i os p e c t r u mr e s o u r c ea n dh a r s hw i r e l e s sc h a n n e l ，o n eo ft h eh o tr e s e a r c hs p o ti st o f i n do u tam e t h o dt os i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h es y s t e mp e r f o r m a n c eg a i nw i t hl i m i t e d r e s o u r c e s d i v e r s i t y i s a n e f f e c t i v e a n t i - f a d i n gt e c h n o l o g y f o rw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n t h ee n t i r ec o m m u n i c a t i o nl i n kr e l i a b i l i t yc a nb eg r e a t l yi m p r o v e db y p r o v i d i n gm u l t i p l es i g n a lp a t h sb e t w e e nt h es o u r c ea n dd e s t i n a t i o n h o w e v e r , t h e d i v e r s i t yt e c h n i q u ei sg r e a t l yr e s t r i c t e d t ob eu s e do nt h em o b i l ed e v i c ed u et o p h y s i c a ll i m i t a t i o n ss u c h a sv o l u m ea n de n e r g yr e s t r i c t i o n i no r d e rt oo v e r c o m et h e s e n e g a t i v ef a c t o r s ，t h ew i r e l e s sc o l l a b o r a t i v ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mi sd e v e l o p e d i th a sb e e nak e ya n dd i f f i c u l ta r e ai nc o l l a b o r a t i v ec o m m u n i c a t i o nt h a th o wt o g e tt h ed i v e r s i t yg a i nw h i l er e d u c i n gt h ed e t e c t i o nc o m p l e x i t yw i t hp r o p e rd e s i g n ， c o d i n ga n dt r a n s m i s s i o nm e t h o d s t h i st h e s i st a k e st h ec o l l a b o r a t i v ec o m m u n i c a t i o n a s t h e b a c k g r o u n d ，b a s e do nt h e r e s e a r c ho ft h et w o p a t ht w o - h o pw i r e l e s s t r a n s m i s s i o ns y s t e mm o d e l ，c o m b i n e d 谢t l lp r e - c o d i n g ，o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n gt e c h n o l o g y , p r o p o s eaf u l l - r a t et w o p a t hc o o p e r a t i v er e l a yt r a n s m i s s i o n m e t h o d f i r s t l y , t h i st h e s i sr e s e a r c h e sm i m os y s t e ma n dc o l l a b o r a t i v ed i v e r s i t ym e r g i n g t e c h n o l o g y , f o c u s e s o n a n a l y s i s o fr e l a yp r o t o c o lm e c h a n i s mi nc o o p e r a t i v e c o m m u n i c a t i o n s s e c o n d l yt h et h e s i se x p l o r e st h ec o n c e p to fs p a c e - t i m ec o d i n ga n d s p a c e f r e q u e n c yc o d i n ga n dd e s i g ns t a n d a r d s ，a n di n d e p t hd i s c u s s e sas p a c e t i m e c o d i n gw h i c hc a ng a i nf u l ld i v e r s i t y , a tt h es a m et i m e ，ac y c l i cd e l a ys p a c e f r e q u e n c y c o d i n gi sr e s e a r c h e da st h ek e yp o i n t f i n a l l y , 、析ms t u d yo ft h et w o - p a t ht w o h o p r e l a yt r a n s m i s s i o nm o d e l ，c o m b i n e dw i t hp r e c o d i n gt e c h n i q u ea n dc y c l i cd e l a y d i v e r s i t y , at r a n s f e rm e t h o di sp r o p o s e d i no r d e rt oo b t a i nd i v e r s i t yg a i no ft h e d i s t r i b u t e dw i r e l e s ss y s t e m sa n da c h i e v ef u l lr a t et r a n s m i s s i o n , a tf n s tt h es o u r c e n o d et r a n s m i t t i n gd a t aa r ec o d e db yar e a s o n a b l yl i n e a rc o m p l e xf i e l dc o d i n g ，t h e n t h ep r e c o d i n gd a t aa r es e n ti nt w oc o n s e c u t i v et i m es l o t s ；r e l a yn o d e sa m p l i f yt h e r e c e i v e dd a t aa n dt r a n s m i t t e dt ot h ed e s t i n a t i o nn o d e s i m u l a t i o nr e s u l t sa n d t h e o r e t i c a la n a l y s i ss h o wt h a tt h et r a n s f e rm e t h o dt oo b t a i nf u l lr a t et r a n s m i s s i o n ，t h e i l a b s t r a c t d e t e c t i o nc o m p l e x i t yi sa l s ol o w , s o l v i n gt h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e nt h ed e t e c t i o n c o m p l e x i t ya n dt r a n s m i s s i o nr a t e k e yw 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 ；f u l lr a t e ；d i v e r s i t yg a i n ；l o wd e t e c t i o n c o m p l e x i t y i i i 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 随着现代社会的发展，在各种信息技术中，通信技术已经处于极其重要的地 位，并与人类的生产生活等活动息息相关。移动通信的发展历史并不长，只有短 暂的几十年的时间，但是却产生了翻天覆地的变化，它的发展速度也让世人惊奇。 从移动通信的发展历史看，无线网络不论从通信链路的速度、设备的尺寸以及实 际应用等多方面都有了明显改进，包括语音、视频、数据在内的移动多媒体业务 不断升级与扩展，但是人们对无线网络能提供可靠、高速率数据的新业务需求量 依然急剧增加【i j 。迄今为止，移动通信已经经历了三代发展。第一代移动通信主 要是指模拟调制为关键技术，包括公用移动通信系统和专用移动通信系统两种， 前者则是以蜂窝网为代表，后者则是以集群系统为代表，主要提供的业务是话音 业务。第二代移动通信系统采用的是数字传输技术，以时分多址( t i m ed i v i s i o n m u l t i p l ea d d r e s s ，t d m a ) 或码分多址( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，c d m a ) 为关键技术，以全球移动通信系统，i s 9 5 系统为代表，包括数字蜂窝系统，数 字无绳电话系统和数字集群系统等，它比第一代系统增强的功能是可以提供低速 数据业务。本世纪初开始投入商业化运营的第三代蜂窝移动通信系统 ( r d g e n e r a t i o n ，3 g ) 是一种支持高速数据传输的蜂窝移动通信网络。3 g 服 务能够同时传送声音及数据信息，速率一般在几百k b p s 以上。虽然相对于第二 代蜂窝移动通信技术而言数据传输速率提升了上千倍，但是还是有许多值得改进 的地方。用户对移动通信系统的数据传输速率要求越来越高，而3 g 系统实际所 能提供的最高速率也只有3 8 4 k b p s ( 虽然理论上最高速率为2 m b p s ) ，不能满足 用户的实际需求，因此未来的无线网络将会十分复杂，它绝不会是现在移动通信 网中的单一结构。在3 g 系统还没有大规模投入商用的情况下，国内外移动通信 领域的专家已经开始进行4 g ( 或b 3 g ) 系统的研究和开发工作。其目标是建立 在新的频段( 比如5 - 8 g h z 或更高) 上的无线通信系统，以分布式网络为主要架 构，提供对新网络( 智能的、支持多业务的) 的接入能力，实现互联网的宽带无 线接入，承载大量的多媒体信息，具有高速数据传输( 5 0 m b p s 以上) 、数据采 全速率双路径协作中继传输方法的研究 集和远程控制等综合功能，希望能借此寻求进一步扩大通信信道容量、改善通信 质量和安全缺陷的新技术【2 1 。4 g 网络将不是单纯的传统意义上的通信系统，是 真正的“全球统一”( 包括卫星部分) 的通信系统，是融合了数字通信、数字音 视频接收( 点播) 和因特网接入的崭新的系统，用户也能自由地选择协议、应用 和网络【3 1 。 尽管未来无线网络的前景十分美好，但是真正建立起这种无线通信系统还将 面临巨大的挑战。不同于有线网络，在无线通信系统中，无线信道的强度随着时 间频率不断变化，是非常具有突发性的，其中的传输信号可能受到噪声、衰减、 损失和干扰等的影响，比如阴影效应、多径、物体移动带来的多普勒频移，总之， 源端与目的端之间的单一信号路径都有可能出现严重衰落，降低了接收信号的质 量甚至于接收不到信号，因此，我们迫切需要一种抗衰落、提高系统性能的无线 通信协议。分集技术是无线通信中一种有效的抗衰落技术，整体链路的可靠性通 过在源和目的端提供多个信号路径来获得显著提高，每一个衰落过程都尽可能独 立于其他的过程，这样至少有一个足够强的路径机会能提高，这些意在提供多个 理想独立的信号路径的技术统称为分集技术。基于分集技术的思想，采用多个天 线发送、多个天线接收的系统可以成倍提高系统容量。为了实现高传输速率且传 输质量有保证的无线通信系统，学者都对m i m o 系统仔细地进行了研究，也取 得了很多阶段性成果【4 】。基于此，协作分集技术就产生了。协作通信就是指通信 系统中利用了协作分集技术【5 】。协作通信一般分两个阶段：广播阶段和协作阶段。 广播阶段中，源节点将要发送的信息进行广播，与源节点相邻的中继节点收到源 节点广播的信息；协作阶段中，相邻中继节点协助源节点将信息发送给目的节点。 协作不是强制发生的，由节点自身根据对实际环境独立评估来决定的，如果协作 通信不能产生明确的性能提升，那么协作通信就不会发生【6 】。协作通信技术可应 用于蜂窝移动通信系统 7 1 - 1 1 2 1 ，还可应用于一些异构网络中，比如无线a dh o e 网 络【”】、无线局域网、无线传感器网络等。协作通信希望节点能同相邻节点实 现天线、功率、计算能力的共享，实现整体系统性能的提升。协作通信也很好的 利用了无线传输中的广播特性和衰落信道特性，可能会产生比m i m o 系统更加 好的系统增益。正因为协作通信有这么多的优点，才会引起国内外学者的广泛关 注，协作通信也因此得到了迅速的发展，而且协作通信也极有可能成为未来通信 2 第一章绪论 发展的关键技术。 1 2 研究现状分析 协作通信的基本思想最早起源于v a n d e rm u e l e n 1 5 】以及c o v e r ，e lg a m a l t l 6 】 对中继信道的研究。1 9 7 9 年，c o v e r 和e lg a m a l 又在最简单的三点传输模型的 基础上得到了关于中继信道信息论特性的证明，奠定了中继通信的基础理论。随 着s e n d o n a r i s 等人协作分集概念的提出，人们开始重视中继信道并且开始对中继 信道进行研究。在前人建立的这些理论基础上，g a s t p e r 和g u p t a 对中继信道的 研究进一步深入，得出了关于中继信道关于多跳和多中继方面的一些成果。之后， 关于协作通信的研究成果越来越多，例如文献 1 7 】阐述了在多用户条件下采取协 作通信技术所能达到的分集效果。文献【1 8 】证明了选择一个最好的中继节点可以 获得与多中继协作模式相同的分集阶数。单个节点中继不需要多点协作，因此非 常适合于资源受限的网络。文献【1 9 】集中在协作分集方案及性能方面进行了研 究。文献 2 0 】研究了在一种新型的协作通信系统模型下的空时编码算法。文献【2 1 】 研究了多跳的协作通信系统中的功率分配策略，实现了网络存活时间最大化。 尽管当前学者对于协作通信的研究具有非常大的热情，协作通信中的某些性 能指标也改善了许多，但是协作通信还有很多需要改进的空间，特别是在系统的 构建，功率等资源的优化配置方面。例如，如下列举的问题： 1 协作通信系统的设计 协作通信方案设计包括了信号的处理方式、中继转发方式、用户的多址接入 方式等方面的内容，多址接入方式一般来说有三种方式：时分多址、频分多址 ( f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 。f d m a ) 和码分多址。随着对协作通信方式 的研究，多址接入层采用协作方式也可能带来可观的效果。采用正交的t d m a 方式时，每个时隙在同一时刻仅分配给一个终端，如果用户在分配的时隙中无数 据包发送，则该时隙不能被利用，这些未利用的时隙使得信道资源被浪费而不能 用于增强系统的性能，所以引入了认知无线电的概念试图利用这些空闲的信道资 源为其他系统服务【2 2 1 。随着进一步研究，人们又将协作分集与信道编码【2 3 1 【2 6 】， 预编码【2 7 】。【2 9 】，网络编硝3 0 】- 【3 2 1 ，空时编码1 3 3 1 - t 3 7 1 等一些因素结合起来考虑，获取 良好的分集增益，增强了协作通信系统的性能。但是，如何针对广泛的无线协作 全速率双路径协作中继传输方法的研究 通信系统，在复杂的实际情况和限制条件下，提出增强分集增益且低复杂度的协 作通信方案，仍是目前的研究重点和热点。 2 功率分配问题 在协作通信网络中，协作阶段要求相邻中继节点协助源节点将信息发送给目 的节点，这使得系统的带宽、功率都要额外消耗，而且每条链路的信道系数等状 态信息不尽相同，因此在整个系统中对时隙，带宽，功率等进行联合优化分配【3 引， 一方面节省资源，另一方面降低复杂度，能够得到较好的性能增益。 3 中继节点的选择问题 协作分集中合作伙伴也就是中继信道的选择对整个通信系统的性能提升起 着重要的作用，不管采用哪种协作分集方式，传输链路中源节点的可能合作伙伴 节点情况尚不明确，那如何从众多可能中继节点中选择出一个瞬时具有最佳协作 能力的中继，获得最大分集增益的同时增加系统的可用资源、减少系统复杂度、 降低传输误码率，这就涉及到中继选择的问题。在一个多中继系统中，中继节点 数选择多少也是一个重要的问题，中继节点数增多系统可否具有更好的性能，即 使系统性能变好的情况下系统设计的复杂度和网络成本也提高了，两者之间如何 平衡达到最优的结果，这都是需要考虑的问题【3 9 1 。目前常用的中继节点选择的 方法是对多用户协作系统的中断概率的性能进行研究【4 0 】。另外，如何对中继选 择和功率分配综合起来考虑进行优化管理，协作网络切换或移动时的中继选择也 是要考虑的问题。 总的来看，协作通信是当前无线通信的研究热点，许多学者研究出了一些相 应的成果，但还需要进一步的完善和深入，比如现在大多数文献都是考虑理想状 态下的系统性能，但是在实际系统中，比如中继间存在相互干扰的情况下，系统 性能将会发生变化。目前的干扰安排都是在用户给定功率的条件下进行的，在实 际系统中，由于各用户的信道衰落不相同，同一种因素对信道系数不同的信道产 生的影响也是不同的，比如功率因素对信道质量较差用户的影响远大于信道质量 较好的用户【4 l 】。如何在无线协作通信系统模型下，运用编码技术理论对源节点 和中继传输方案进行合理的设计，并综合利用预编码、正交频分复用( o r t h o g o n a l f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，o f d m ) 、循环延迟等技术，实现低功耗、高误 码性能和低检测复杂度相结合的信息传输是本文的研究重点。 4 第一章绪论 1 3 论文的主要研究内容 本论文针对无线协作通信网络，在深入剖析预编码，全速率全分集空时编码 ( f u l ld i v e r s i t yf u l lr a t e ，f d f r ) ，正交频分复用技术等关键技术的原理和融合 点的基础上，主要就双路径两跳的协作中继通信模型进行了研究，设计出一种全 速率双路径协作中继传输方法。全文分为五章，主要内容如下： 第一章介绍了移动通信的发展历史，由无线信道自身的局限性引出协作分 集技术，介绍了协作分集相关内容及协作通信现阶段存在的问题，并阐述了本文 研究的内容和工作安排。 第二章简单讨论了无线信道和正交频分复用的基础知识，基于协作分集原 理的基础上，重点研究了常用的分集、合并技术以及一些经典的无线通信协作策 略。 第三章简要阐述了空时编码的概念及设计准则，比较了几种经典空时编码 的改进方法，详细介绍了一种全速率全分集空时码，在空频编码的理论及设计准 则的基础上，详细阐述一种基于循环延迟技术的空频编码技术。 第四章结合预编码技术，循环延迟技术，对双路径两跳的中继传输模型进 行研究，探讨了一种传输方法，不仅可以获得分集增益，而且降低了检测复杂度， 并通过仿真证明。理论分析和仿真结果表明，提出的传输方案解决了传输速率和 检测复杂度之间的矛盾，误码率性能也明显改善。 第五章总结上述设计的传输方法，对进一步的改进方向进行分析和展望。 5 全速率双路径协作中继传输方法的研究 第二章协作分集技术基础 2 1 无线信道 不同于有线信道，由于无线环境的开放性，通过无线传播的信号会受到更多 噪声、衰减、损失和干扰等的影响，对于目前的蜂窝移动通信系统而言，大多数 的蜂窝无线移动通信系统在城区，传播的信号经常会受到建筑等的阻挡，发射机 和接收机之间没有直射路径，其中路径的传输类型主要包括直射、散射、衍射等。 图2 1 给出了一种典型的无线信道传播的情况。 图2 1 无线信道中的传播形式 加性高斯白噪声信道是众多的信道模型中最简单的一种，加性白噪声是指叠 加在信号上的一种噪声，这种噪声的功率谱密度在所有频率范围上均为常数且该 噪声的概率分布服从高斯分布。加性高斯白噪声信道的输入x ( f ) 和输出y ( t ) 的关 系可以用如下公式表示： y ( t ) = x c t ) 打+ 咒( ，) ( 2 - 1 ) r 为传输信号功率的损耗，疗p ) 为加性高斯白噪声。 2 2o f d m 技术 多载波调制技术可以解决频率选择性信道带来的码间串扰问题，在应用于高 速无线网络和4 g 网络的所有调制方法中，o f d m 被认为是最成熟和有效的技术。 6 苫螨 第二章协作分集技术基础 o f d m 的基本思想是利用一系列正交子载波实现数据的高速传输，利用串并转 换，将传输信号转换成并行的子数据流，是一种效率很高的并行的传输数据的方 案。o f d m 技术设置的子载波的间隔使波形相互正交，这些子载波在频域上的 表现是相互重叠的，如图2 2 所示。通过这样的设计，在降低了信道中码间串扰 的同时，由于子载波之间相比于传统调制技术，不再存在保护间隔，从而使系统 频谱资源得到最大化利用。 、 载波间隔 卜一 图2 2o f d m 系统频域示意图 对于由m 个子载波组成的系统，令 x = x ( o ) ，x ( 1 ) ，x ( m 一1 ) r ( 2 - 2 ) 表示将被发送的数据符号块。在该系统中，发射信号可表示为 m - i j ( f ) = 贸 厶x ( 研) e x p ( ，2 万厶f ) ) ( 2 3 ) m = o 其中，吼 ) 表示变量的实部，以表示第m 个子载波信号的振幅，厶是第m 个子载波的频率。 o f d m 技术已经被广泛用于宽带和超宽带无线通信中，在宽带和超宽带无 线通信系统中，o f d m 技术有利于数据的高效传输。o f d m 技术的一个核心特 征是它能够利用快速傅里叶变换( f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m , f f t ) 有效率地实现多 载波调制与解调。在满足子载波间相互正交的前提下，由于采用基于f f t 的多 载波调制和解调，正交频分复用就不再需要与子载波频率相匹配的带通滤波器。 因此，在o f d m 系统中，接收端与发射端的复杂度都明显降低了。 在o f d m 系统中，无线信道的相干带宽一般比每个子频带的带宽大的多。 因此，子载波信号传输时仅受非频率选择性衰落的影响，这有助于采用低复杂度 的均衡技术。在o d f m 系统中通过插入保护间隔，可以十分有效率地降低符号 间干扰。o f d m 最初是为了点对点通信而提出的，它本身并不适合多址通信。 7 全速率双路径协作中继传输方法的研究 在无线通信中，o f d m 可以与其他技术相结合，比如c d m a 技术等，从而能更 好的实现多址通信。 2 3 分集合并技术 2 3 1 分集技术 在实际的移动通信系统中，无线通信系统以电磁波为媒介发射信号，在无线 信道中受到反射、散射、衰减等因素影响，目的端接收到的信号副本幅度和相位 随之出现起伏变化，形成多径衰落，使得接收信号产生失真、波形畸变，甚至完 全不能通信。此外，由于发射机、接收机以及周围物体移动产生的多普勒效应都 称为小尺度衰落，信号受到高大建筑物或地形起伏等的阻挡而产生的阴影衰落， 以及长距离会导致的路径损耗都称为大尺度衰落。这些无线信道不可避免的衰落 特性都是巨大的挑战，通过增加信道编码的纠错能力等技术进行解决还是远远不 够的，在实际的无线通信系统中，分集技术应运而生。目前，无线通信系统中运 用分集技术是研究热点之一，所谓的分集技术就是通过在发射端采用一定技术发 送多个信号样本，在目的端合理合并多个独立的信号样本，可以降低多径衰落， 获取系统分集增益【4 2 】。分集技术具体的实现方式可以分为下面三种： ( 1 ) 时间分集 在无线通信系统中，信道相干时间大于等于几个符号传输时间的情况非常普 遍，也就是说在远远大于相干时间的独立时间内，两个符号会经历高度相关的信 道实现，因此可以用来在时域上获得分集。简单的说，它是将同一信号样本在大 于信道相干时间的时间间隔进行多次重复发送，以此来达到时间分集效果。 获得时间分集一般采用差错控制编码方式结合适当交织技术来实现【4 3 1 ，其 中时间的交织实现了所需的发送时间间隔。虽然通过重复编码能获得满分集增 益，但是以牺牲总传输比特率为代价，而且时间交织会造成译码延迟，因此时间 分集技术并不适合时延敏感、慢衰落的环境，而适用于信道相干时间很小的快衰 落场景中。 ( 2 ) 频率分集 频率分集利用子信道的衰落不相关且强度不同的性质，通过对接收到的信号 8 第二章协作分集技术基础 进行重复提取而减少或消除衰落的影响。类似于时间分集，在可用带宽超过相干 带宽的宽带系统中，通过使用被分割为可用带宽，并且在信道带宽一致性基础上 相互分开的信道可以实现频率分集。最直观的方式是把频率分集看作将整个系统 带宽分割为具有较小带宽并且具有独立响应的信道 4 4 1 ，这种方式适合于多载波 系统，将系统带宽划分为无重叠的窄带子信道来实现传输，同时要满足这些子信 道表现为平坦衰落信道，这样不同的子信道一同使用，通过确保每一个子信道频 率在带宽一致性前提下与其余子信道在频域相分割，即可获得频率分集。 频率分集利用子信道的衰落不相关且强度不同的性质，通过对接收到的信号 进行重复提取而减少或消除衰落的影响。在无线通信系统中，直接序列扩频、多 载波调制以及调频等扩频技术可以被用来获得频率分集【4 5 1 ，其中一个常用的例 子就是o f d m 。 ( 3 ) 空间分集 空间分集也称天线分集，是通信系统中比较常见的分集形式。空间分集的基 本原理是在发射端或者接收端安装多根天线，同时保证这些天线距离足够大，则 不同天线间的信道衰落情况是相互独立的，这样接收端就可以先后接收到在空间 上历经独立衰落的多个信号样本，利用这些衰落的相互独立性来抵消最终衰落。 空间分集与其他分集技术不同的地方在于，空间分集对带宽的需求率很小，合并 后接收信噪比提高，进而提高了系统的容量，这一技术对未来通信的发展方向也 很具指导性。 空间分集可以分为两类：发射分集和接收分集，这是按照发射端或者接收端 使用的天线数来区分的。发射分集也叫正交发射分集，主要利用了正交分组编码 的技术，使多个接收天线获得发射增益，相应的功率效益会随着发射的天线数的 增加而降低。接收分集是在接收端使用多天线对发射信号的多个独立副本进行接 收，采用合理的合并技术对这些副本进行合并处理，相对于发射分集而言，发射 分集方案的实现比接收分集方案的实现要复杂的多。 2 3 2 合并技术 分集技术主要考虑传输过程中多径信号能量的有效利用，借此提高整个通信 系统的可靠性，而合并技术就是在信号分集后将其收集起来，以获得比每一个单 9 全速率双路径协作中继传输方法的研究 一的接收机具有更好质量的信号。在信号合并过程里，具体到每路信号的处理， 合并技术的本质就是设计一个有特定目的的函数组合信号，一般的表达式如下： l - i y m = a k y k ( 2 4 )2 己( 2 。4 ) 其中，儿为第k ( k = o ，1 ，l - 1 ) 条路径的接收信号，a 。为合并器的加权系 一l 数，为组合后的信号。对加权系数a 。进行归一化，即满足z a ；= 1 。根据 k = o 值的不同，我们可以得到不同的合并技术。 如果只有一个加权系数不为零，即。= 0 ( k 0k l ；k o ，k l = o ，1 ，l - 1 ) ， a 七o = l ，可以得到最佳选择合并( o p t i m u ms e l e c t i o nc o m b i n i n g ，o s c ) ；如果调 节吼使的信噪比( s i g n a lt on o i s er a t i o ，s n r ) 最高，可以得到最大比合并 ( m a x i m a lr a t i oc o m b i n i n g ，m r c ) ；如果把所有接收到的信号按相同的加权系数 叠加起来，即= a l = 仅川= 1 4 - 1 ，就可以得到等增益合并( e q u a lg a i n c o m b i n i n g ，e g c ) 。 目前，接收端的合并方式主要有以下三种： ( 1 ) 最佳选择合并 o s c 应用范围非常广，并不需要知道任何信道信息，因而是一种易于实现 的方式。采用o s c 时，对于一个由l 个接收机组成的接收分集系统，l 个接收 机的输出信号先送入已有的选择逻辑，把l 个支路中具有最佳瞬时s n r 的信号 作为输出，即式( 2 4 ) 中只有一项的为1 ，其他均为0 的情况。在实际操作过程中， 因为对信号进行瞬时s n r 估计非常困难，所以多选用每个支路平均信噪比来代 替瞬时信噪比进行选择。 通过采用o s c 方式，三条支路所得到的平均s n r 值为【4 6 】【4 7 】： 心口门( 咯) = r 荟妻( 2 - 5 ) 平均s n r 改善量为： 心2 荟妻( 2 - 6 ) 1 0 第二章协作分集技术基础 ( 2 ) 最大比合并 假设m r c 的输入端是上个信号样本，m ，y l 一，这些样本被合并为信 号样本。每一个接收信号对应一个发射的单位能量信号，这些信号通过 h o e j * o ，向e 崩，吃一i p m - 表示的不同路径接收，则线性输出值为： l - i = c k e 碱y k k = o ( 2 7 ) 这里嚷是m r c 合并器的加权系数，复指数是为了达到同相位而均衡其中每 一路信号。假设待合并信号在接收端同样受到功率谱密度为o 的噪声影响，那 么m r c 输出端的s n r 为： 嘞：必l - 1 o 龟2 合并后所得到的平均s n r 为h 8 1 ： m e a n ( r ) = l r 平均s n r 改善量为： m m = l ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 - 1 0 ) ( 3 ) 等增益合并 e g c 比较简单，这种方式的路径增益都是相同的，e g c 的性能与上述m r c 的性能非常接近。合并后的平均s n rf f r j 4 9 1 ： m e a n ( 乞) = r + 导( 一) ( 2 一t ) 平均s n r 改善量为： 丝- 1 + 号( ) ( 2 - 1 2 ) 2 4 协作分集协议 如前所述，多径衰落对移动通信系统的性能造成了重要的影响，因此当多天 全速率双路径协作中继传输方法的研究 线系统的分集效果被广泛认识后，利用多个天线获得发送或接收分集成为无线通 信系统抑制衰落的一种关键方式。具有多根发射天线和多根接收天线的系统，则 称为m i m o 系统【5 0 1 。如图2 3 是一个m 发n 收m i m o 系统，在每对发收天线 之间建立不同的信道，待传输的信号通过这些信道发送出去。采用空间复用技术 的基础上大幅度提高了系统信道容量，同时对带宽和功率的要求还很小，又增加 了系统数据传输的可靠性，m i m o 系统的这些优势已经得到了广泛的认同。 发射天线 朋根 孔 7 z 接收天线 根 7 v n 图2 3m i m o 系统框图 由于移动用户终端设备的尺寸大小、功耗等因素受物理条件的限制，理想的 m i m o 系统要求对于移动终端，天线间隔为半个到一个载波波长，而对于基站， 天线间隔则大约为十个波长，因此在移动终端放置多根天线是困难的，无法实现 多天线技术的充分利用，经过进一步的研究产生了协作的概念。协作分集的思想 最早是由s e n d o n a r i s 等人提出的【5 1 1 【5 2 】，该方法的基本思想是在多用户环境中通 过共享天线的方式达到m i m o 系统所能产生的效果，其中每个节点不光作为源 节点发送信息，还要辅助邻近的伙伴节点发送信息，这种传输路径的共享机制获 得了空间分集增益，也使整个网络的传输信息更加可靠。协作分集技术除了在目 前所应用的网络中发挥着至关重要的作用，下一阶段还可以结合分集技术在各种 网络中的优势形成一种新的智能网络。 协作通信是中继和分集技术的融合，协作通信过程中一个至关重要的过程就 是协作中继节点如何处理由源节点转发过来的信息，不同的处理方式依据不同的 协作通信协议。协作通信协议主要包括放大转发( a m p l i f ya n df o r w a r d ，a f ) 、译 码转发( d e c o d ea n df o r w a r d ，d f ) 及编码协作( c o d e dc o o p e r a t i o n ，c c ) 。a f 方 1 2 第二章协作分集技术基础 案和d f 方案便于实施，但由于部分信道资源都预留用来中继转发，降低了频谱 效率与整个系统的速率。当源端到目的端的直接信道不是很差时，信息能被正确 接收，可以采用灵活的中继方案，因此人们又研究出了自适应中继技术。 在仅考虑网络中只有一个中继节点的情况，对于能够支持传输速率为r 的通 信信道，相关的中断概率定义为： e i ( x ，y ) 尺 ( 2 1 3 ) 其中j ( x ，y ) 是输入信号x 、输出信号y 的互信息量，这个互信息量是随着信 道状况瞬时变化的。图2 4 描述了一个普通的简化协作模型，第一阶段，源端发 送信息到目的端，同时，中继也接收到源端发来的信息；第二阶段，中继通过对 接收到的信息转发来协助源端。假设源端的发射功率为彳而中继的发射功率为 昱，这里仅仅考虑等功率发射均为尸的情况。那么目的端和中继收到的信号只 只，分别表达如下： 图2 4 简化协作模型 咒，d = 4 1 h ，d x + l q s ，d ( 2 1 4 ) 只，= 4 h , 。，l + n s ， ( 2 1 5 ) 其中，尸是发射功率，z 是发送的信息样本，d 与以，为加性噪声，假定为 均值为零且方差为n o 的复高斯随机变量。吃，d 与忽，为分别对应的信道系数，这 个系数被假定均值为零且方差为d 、，的复高斯随机变量。 在第二个阶段，中继将经过处理的源端信号转发到目的端，此时目的端接收 到的信号为： ”，d = 吩，d g ( 以。，) + 体，d ( 2 1 6 ) 全速率双路径协作中继传输方法的研究 这里的函数g ( ) 取决于中继节点采取了什么样的处理方式。 2 4 1a f 协议 a f 协议最初是由j n l a n e m a n 提出的，这是一种最简单的协作通信方法， 中继节点直接放大转发从源节点收到的信号发送到目的节点。 图2 5 a f 协议示意图 a f 中继信道可以建模如下： y s r = 如h s r s + n s r y s 矗= 如h s d s + n s d ( 2 - 1 7 ) ( 2 - 1 8 ) 其中，假设信道系数( 即信道衰落) 符合瑞利平坦衰落信道。噪声分别表示 均值为零且方差为n o 的加性高斯白噪声。中继将接收到的信息放大后转发给目 的端，目的端对源到中继的信道衰落进行理想均衡。放大因子为： 西 为： q 2 丽 ( 2 1 9 ) 目的端接收到的s n r 是来自两条支路的s n r 之和，源端到目的端的跚，d 觚= r k l 2 ，r = p o 2 - 2 0 ) 最大化总s n r 的最优方法是采用m r c ，故目的m r c 检测器的输出为： y 2q i y s 矗+ a 2 y r 4 1 4 ( 2 - 2 1 ) 第二章协作分集技术基础 合并i 园- - f i a i ，0 2 应该设计来最大化合并s n r 。假设发送的符号平均能量为 1 ，可知m r c 的输出的瞬时s n r 为： ，= _ + r 2( 2 - 2 2 ) 其中 ，i = p k l 2 n o ( 2 2 3 ) 眨= 击一 p 2 4 ， 铲瓦砸芹赫 q 乞4 由上式看出，放大转发瞬时互信息量是衰落系数的函数，为： k = 三l b ( + + 吃) = 捌t + r k l 2 + f ( r 峙1 2 , r l h , ，删( 2 - 2 5 ) 其中 厂( x ，y ) = 百x 鬲y 通过对指数分布的信道增益进行平均后可以得到中断概率警为： 警= p 【k r 】= 气 一阻( + 帆( 叽2 , r m 2 ) ) 司 ( 2 - 2 6 ) 计算上式的积分得到高信噪比下的辔为： 警圳， 编 降) 2 由上式可以看出，中断概率随s n r 的平方的减小而减小，在高s n r 下a f 2 4 2d f 协议 d f 协议是将接收到的信号采用相应的检测或译码方法，去除噪声的影响， 并重新编码后发送给接收端。如图2 6 所示。 全速率双路径协作中继传输方法的研究 译码 图2 6 d f 协议示意图 在d f 方案中，为得到编码增益使用的是重复编码机制，这个时候最大平均 互信息量为 k = 三m m l b ( 1 + 叽| 2 ) ，l b ( + r 阱+ r m 2 ) ) ( 2 - 2 8 ) d f 协议的中断概率辔为： 辔叫k 叫= c 恤i 2 宰i 2w i 宰) ( 2 2 9 ) 因为在瑞利平坦衰落信道下讨论，所以上述变量值都是参数