（通信与信息系统专业论文）基于分集复用折中分析的协作分集技术研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 多径传播是移动无线信道的主要特征，其引起的信号幅度衰落和时延扩 展是影响信号质量的主要因素。分集技术作为一种常用抗衰落技术得到了广 泛应用，根据分集信号的产生原理可分为时间分集、空间分集、频率分集、 极化分集等多种方式。其中空间分集可以与其他多种分集方式结合，因此应 用更加广泛。近年来提出的多输入多输出( 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 i m o ) 技术，通过多天线形成m i m o 信道结构，从而充分利用了空间资源， 大幅度提高了信道容量。但是移动终端由于物理条件限制很难满足传统 m i m o 要求，于是出现了一种利用用户间协作传输来模拟多天线结构的新技 术协作分集。由于多天线技术可以同时提供分集增益和复用增益，而研 究又发现提高其中一种增益会导致另一种增益的下降，所以分集增益和复用 增益的合理折中渐渐成为了评价分集技术的新标准。本文在现有的研究和分 析基础上，分别对同步和异步条件下的几种常用协作分集技术进行了分析， 主要采用误码率和分集复用折中两种指标评估协作分集技术性能。 对于同步条件下的协作分集方案，本文首先对基于a l a m o u t i 发射分集的 协作分集方案的误码率性能分别进行了分析。研究结果表明，基于a l a m o u t i 发射分集的协作方案误码率性能随着接收天线数的增加而逐渐改善，随着信 号调制阶数的增加而逐渐变差。接着本文对基于正交信号的协作分集方案进 行了分析，在原模型基础上考虑了当两用户到接收端信道条件不同时系统的 误码率性能，并通过引入链路自适应功率控制对协作方案进行了改进，分析 结果说明，链路自适应可以有效缓解“门限效应”。其次本文分别分析了两 种方案的分集复用增益折中关系，得到基于a l a m o u t i 发射分集的协作分集方 案的分集复用折中曲线。分析表明随着接收天线数m 的增加，协作系统的分 集增益逐渐提高，而复用增益无变化。对基于正交信号协作分集方案的分集 复用折中关系的分析结果说明链路自适应只能改善系统的误码率性能，而不 能改善分集复用折中性能。 对于异步条件下的协作分集方案。本文首先对延迟分集方案的误码率性 能和分集复用折中性能进行了理论分析，得出了用中继节点等效的分布式延 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 迟分集的误码率性能，并进行了仿真验证。接着分析了这种分布式延迟分集 的分集复用折中关系，结果表明当各路延迟信号间的延时满足一定条件时， 延迟分集方案能实现与同等信道传输条件的同步重复编码的协作分集相同 的分集复用增益折中。其次论文对基于分布式延迟分集的异步协作分集方案 的误码率性能和分集复用折中进行了分析，并对方案的延时选择和中继转发 策略做了改进。分析结果表明对方案的改进可以带来一定的性能提升。针对 异步协作分集的分集复用折中关系的分析表明，当分集信号的相对延时满足 一定条件时，异步协作分集方案可以实现与基于中继传输的同步协作分集方 案相同或更好的分集复用折中性能。 论文的相关分析从误码率以及分集增益和复用增益折中关系的角度来 对协作分集方案进行了评估，为协作分集方案的设计和评价提供了参考。 关键词：协作分集；a l a m o u t i ；正交信号；延迟分集；异步协作分集；分集 复用折中、 西南交通大学硕士研究生学位论文 第l ll 页 a b s tr a c t t h em o b i l ew i r e l e s sc h a n n e l sc o u l db ec h a r a c t e r i z e db yi t sm u l t i p a t h p r o p a g a t i o n ，f r o mw h i c ht h es i g n a lf a d i n ga n dd e l a ys p r e a da r i s e a sa ne 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 , d i v e r s i t y , h a s b e e n w i d e l y u s e di nw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n a c c o r d i n gt ot h ew a yt oa c h i e v et h ed i v e r s i t y , t h e r ea r et i m e d i v e r s i t y , s p a c ed i v e r s i t y , f r e q u e n c yd i v e r s i t ya n dt h e i rc o m b i n a t i o n s a m o n g d i f f e r e n t i m p l e m e n t a t i o n s ，s p a c ed i v e r s i t y i s w i d e l y u t i l i z e dd u et o i t s e f f e c t i v e n e s sa n di m p r e s s i v ep e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n tw i t h o u ta d d i t i o n a lt i m e a n d f r e q u e n c yr e s o u r c e m u l t i - i n p u tm u l t i o u t p u t ( m i m o ) s y s t e m s c a n s i g n i f i c a n t l y i n c r e a s et h ec h a n n e l c a p a c i t yb ye x p l o i t i n g t h e m u l t i 。p a t h t r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i ci nw i r e l e s ss y s t e m h o w e v e r ，t h em i m ot e c h n i q u e m a yb eh a r dt ob ei m p l e m e n t e dd i r e c t l yi ns o m ec a s e sd u ot o t h ep h y s i c a l c o n s t r a i n t so fm o b i l eu n i t t h u s ，t h ei d e ao fc o o p e r a t i v ed i v e r s i t yi sp r o p o s e dt o s o l v et h i sp r o b l e mb yu s i n gav i r t u a lm u l t i a n t e n n as t r u c t u r eg e n e r a t e db yp a i r so f u s e rw i t hs i n g l ea n t e n n a i ti sk n o w nt h a tm u l t i a n t e n n ad e p l o y m e n tc a no f f e r b o t hd i v e r s i t yg a i na n dm u l t i p l e x i n gg a i n m o r e o v e r , i t su n v e i l e dt h a t ，t h e i n c r e a s ei no n eo ft w og a i n sw i l ld e f i n i t e l yr e s u l ti nt h ed e c r e a s ei na n o t h e rg a i n t h e r e f o r e ，ar a t i o n a lt r a d e o f fb e t w e e nd i v e r s i t yg a i na n dm u l t i p l e x i n gg a i n b e c o m e san e wd e s i g nc r i t e r i o nf o rm u l t i p l ea n t e n n ad i v e r s i t y i nt h i st h e s i s ，f o u r d i f f e r e n tt y p e so fs y n c h r o n i z e da n da s y n c h r o n o u sd i v e r s i t ys c h e m e sw i l lb e a n a l y z e di nt e r m so fb e rp e r f o r m a n c ea n dt h ed i v e r s i t y - m u l t i p l e x i n g ( d m ) t r a d e o f f t h et h e s i sb e g i n sw i t ht h ea n a l y s i so fs y n c h r o n o u sc o o p e r a t i v ed i v e r s i t y s c h e m e s t h ea l a m o u t i - t y p eo fc o o p e r a t i v ed i v e r s i t ys c h e m ei sf i r s t l ya n a l y z e d o ni t sb e rp e r f o r m a n c e i ti ss h o w nt h r o u g hs i m u l a t i o nr e s u l t st h a t ，t h eb e r p e r f o r m a n c ei n c r e a s e sw i t ht h en u m b e ro fr e c e i v ea n t e n n a sa n dd e c r e a s e sw i t h t h em o d u l a t i o no r d e r t h e nt h et h e s i sa n a l y z e st h eb e rp e r f o r m a n c eo ft h e s c h e m eb a s e do no r t h o g o n a ls i g n a l i n gw h e nt h ec h a n n e l c o n d i t i o n sb e t w e e nu s e r s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1v 页 a n dt h er e c e i v e ra r ed i s s i m i l a r t h e nal i n k a d a p t i v ep o w e rc o n t r o li su s e dt o m o d i f yt h eo r t h o g o n a ls i g n a l i n gd i v e r s i t ys c h e m e i ti s v a l i d a t e dt h a t ，t h e l i n k a d a p t i v ep o w e rc o n t r o lc a ne f f e c t i v e l ya l l e v i a t et h et h r e s h o l dp h e n o m e n a s e c o n d l y , t h ed mt r a d e o f f so ft h ep r e v i o u st w ot y p e so fc o o p e r a t i v ed i v e r s i t y s c h e m e sa r ed e r i v e d t h et r a d e o f fc u r v e so ft h ea l a m o u t it y p eo fc o o p e r a t i v e d i v e r s i t ys c h e m es h o wt h a t ，w i t ht h ei n c r e a s eo ft h en u m b e ro fr e c e i v e ra n t e n n a s ， t h ed i v e r s i t yg a i ni n c r e a s e sw h i l et h em u l t i p l e x i n gg a i nr e m a i n su n c h a n g e d a n a l y s i so ft h eo r t h o g o n a ls i g n a l i n gc o o p e r a t i v ed i v e r s i t ys c h e m ei n d i c a t e st h a t l i n k - a d a p t i v et e c h n o l o g yc a no n l yi m p r o v et h eb e rp e r f o r m a n c e ，b u tc a l ln o t b r i n ga ne n h a n c e m e n to nt h ed m t r a d e o f f t h et h e s i sc o n t i n u e sw i t ht h ea n a l y s i so fa s y n c h r o n o u sc o o p e r a t i v ed i v e r s i t y s c h e m e s t h eb e r p e r f o r m a n c ea n dd m t r a d e o f fa n a l y s i so ft h ed e l a yd i v e r s i t y s c h e m ed e m o n s t r a t e st h a t ，t h ed e l a yd i v e r s i t yc a na c h i e v et h es a m ed mt r a d e o f f a st h er e p e t i t i o nc o d e dd i v e r s i t ya sl o n ga st h er e l a t i v ed e l a yb e t w e e nr e l a y sm e e t c e r t a i nc o n d i t i o n s t h et h e s i st h e ni n v e s t i g a t e st h eb e rp e r f o r m a n c ea n dt h ed m t r a d e o f ff o rak i n do fa s y n c h r o n o u sc o o p e r a t i v ed i v e r s i t yb a s e do nt h ed i s t r i b u t e d d e l a yd i v e r s i t y s o m em o d i f i c a t i o n sa r em a d et ot h es c h e m eb yi m p r o v i n gt h e d e l a ys e l e c t i o na n dt h ef o r w a r ds c h e m eo fr e l a yn o d e s r e s u l t si n d i c a t et h a t ，w i t h c e r t a i nd e l a y sb e t w e e nr e l a y s ，t h ea s y n c h r o n o u sc o o p e r a t i v ed i v e r s i t yc a l la c h i e v e t h es a m e ，o re v e nb e t t e r , d mt r a d e o f fa st h es y n c h r o n o u sc o o p e r a t i v ed i v e r s i t y t h eb e ra n dd mt r a d e o f fa n a l y s i si nt h i st h e s i sc o u l db eu s e da sar e f e r e n c e i nb o t ht h ed e s i g na n de v a l u a t i o no ft h ec o o p e r a t i v ed i v e r s i t ys c h e m e k e yw o r d ：c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y ；a l a m o u t i ；o r t h o g o n a ls i g n a l ；d e l a yd i v e r s i t y ； a s y n c h r o n o u sc o o p e r a t i v ed i v e r s i t y ；d mt r a d e o f f 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密“使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名：烈、刊眵 日期：卅一岁扔 指导老师签名：可长1 泛泉 日期：撕? 一g - 2 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承 担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 对基于正交信号协作分集的原方案和加入链路自适应技术后的改进 方案做了误码率和分集复用折中性能分析，得出了基于正交信号协 作分集方案可实现的误码率和分集复用折中性能，以及链路自适应 技术对该方案误码率性能和分集复用折中性能的影响。 2 分析了延迟分集方案的误码率性能和分集复用折中性能。 3 对基于分布式延迟分集的异步协作分集方案的误码率性能和分集复 用折中性能进行了分析，并对方案做了改进，分析了改进对系统性 能带来的影响。 学位论文作者签名：孑+ 侈 日期：7 0 一巧 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 协作分集技术及其国内外研究现状 移动通信信道中的多径衰落、频率选择性衰落、多径时散等，会严重影 响接收信号质量，使通信系统的性能大大降低。为了提高无线信道中信号传 输质量，必须采用对抗衰落的有效措施。分集技术是一种有效的抗衰落技术， 已在短波通信、移动通信系统中得到广泛应用。为了在接收端得到多个互相 独立或基本独立的接收信号，一般可利用不同路径、不同频率、不同角度、 不同极化、不同时间等接收手段来获取。因此，分集方式也有空间分集、频 率分集、角度分集、极化分集、时间分集等多种方式【l 】。其中空间分集技术 不会额外占用时间和带宽资源，并且可与其他分集方式相结合，因此应用更 加广泛。近年来提出的多输入多输出 2 ( m u l t i p l e i n p u t ，m u l t i p l e o u t p u t ， m i m o ) 天线技术，通过在接收端和发射端同时安置多个天线，形成m i m o 信道结构，充分利用空间资源，大幅度提高信道容量【27 】【2 9 1 。但是理想的m i m o 要求相邻天线之间的间距远大于电波波长以保证多个收发天线之间的传输 信道是独立的，移动终端由于体积、质量和功耗限制很难安置多天线。所以 现有的多天线一般都设置在基站端。 o 足 第一步 o d r s 7 恐 第二步 三角形表示源节点；正方形表示目的节点；黑色圆 圈表示参与中继的节点：白色圆圈表示其他节点 图1 1 协作分集过程示意图 s e n d o n a f i s 。e r k i p 等人在2 0 0 3 年提出了一种新的空间分集技术协作 分集【3 】【4 】，使单天线的移动终端也可以通过用户间的协作获得空间分集增益。 o d 恐 一 ，、i o r卜， o 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 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 ) ，合作伙伴之间在传输自己信息的同时，协助其他用户传输信息。 这样，每个终端在传输信息的过程中利用自己和合作伙伴的空间信道获取了 一定的空间分集增益。现有的研究结果表明：在平坦衰落环境下，协作分集 可以扩大系统容量，改善系统性能。从原理上讲，协作分集分为两步：第一 步，源节点以广播的方式发送信号，目的节点和所有的中继节点接收信号， 其中中继节点对接收的信号进行处理；第二步，中继节点向目的节点发送信 号，目的节点通过某种合并方式合并两步接收到的信号。上述过程可以用图 1 1 描述。 l a n e m a n 等人在2 0 0 3 2 0 0 4 年提出和分析了中继通信模型下基于正交信 道分配的协作分集方案无线网络中的不同节点通过共享天线和其它资 源来创造一个虚拟的链路；中继节点采用解码转发的消息转发机制，首先对 来自信源终端的信号进行解码恢复，然后在下一个时隙内转发这些信息到目 标节点，或者利用空时编码来使得目标节点能够利用空间分集来消除衰落【5 】。 l a n e m a n 等人还分析了协作分集方案的分集和复用增益的折衷关系。2 0 0 5 年，m a h i n t h a n 与m a r k 提出了基于正交信号的协作分集方案 2 2 1 。协作时两 用户均采用q p s k 调制，并用同向( 正交) 分量传输自己的信息，用正交( 同 向) 分量传输协作用户的信息。该方案实际上是利用协作用户来充当传输的 中继节点。除了利用中继协作之外，编码协作也是一种有效的协作方式。 h u n t e r 和n o s r a t i n i a 提出了两用户编码协作的方法【7 j 。协作传输时将所需发 送的码字分为两部分，一部分由发射端发送，另一部分由协作端发送。a s t e f a n o v 等人提出了编码协作分集的概念【6 】，通过将纠错编码技术与协作分 集技术相结合来进一步改善系统性能。需要指出的是，上述的协作分集研究 都假设正交信道分配和严格的同步。 目前关于协作分集的研究大多假定系统是良好同步的，即源节点与中继 节点、中继节点之间、中继节点与目标节点都是同步的。但在实际的无线通 信系统中，协作分集中同一信息是通过多个不同协作者的天线发往目的端 的，由于协作者到信源和目标端的距离都不一样，从而使得传输时延不一样。 多个协作者到目的端的距离和时延不同，造成协作者之间的同步问题与协作 者和目的端的同步问题变得较为复杂。对于蜂窝移动通信系统下的协作分集 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 而言，可以通过基站的控制与协调，实现用户间的准同步。但是，对于a dh o c 网络和无线传感器网络而言，由于没有网络基础结构且中心控制困难的特 点，多个用户间的同步就更为困难，协作者之间不同的时延将会严重破坏传 统空时编码的结构。所以适合于异步通信环境下的协作分集方案成为了近年 来的研究重点。 目前对异步协作分集的研究主要分为两类：基于空时编码和基于信道均 衡。2 0 0 4 年，x i a o h u a ( e d w a r d ) l i 等人针对无线传感器网络，讨论了信号不 完全同步时的空时编码方案，但方案中假定中继节点之间可以保持时隙同 步，所以这种方案能处理有限的信号延迟【9 】。在l e a c h 协议的基础上，针 对无线传感器网络x i a o h u a ( e d w a r d ) l i 提出一种适应较大延迟的分布式空时 分组编码方案【l ，在2 0 0 5 年x i a o h u a ( e d w a r d ) l i 又对该方案进行了改进， 改进方案中应用了v i t e r b i 均衡器和基于预测的均衡器，这两种均衡器的使 用可以有效改善异步协作分集中空时编码的性能】。y a b ol i 和x i a n g g e n x i a 等人在2 0 0 5 年提出了一种异步空时格码方案【l 羽，该方案可以在含有任意 个中继节点且不同步的系统中仍能实现满分集，其误码率性能比同步的协作 分集方案稍差。但异步空时格码编码方案的缺点是方案较为复杂，且接收端 要求知道信号的延迟信息。2 0 0 6 年，p e t r o se l i a 和p v i i a yk u m a r 分析了异 步无线网络中分布式空时编码的信号结构和分集复用增益最优化的空时编 码策略【8 】，这是对无线网络中的异步协作分集的一些概括描述和理论上的分 析。2 0 0 7 年z h e n gl i 和x i a n g g e nx i a 提出一种的新的空时传输策略，此策 略中信源节点采用了o f d m 调制，传输仅采用两个中继节点，与以往方案 不同之处在于，该方案在协作时隙，信源节点将停止发送信息，仅由中继转 发其收到的信息。且中继节点在转发过程中采用a l a m o u t i 编码方案，将两个 中继节点当作两个发射天线，接收端可以采用最大似然( m l ) 译码。与上 述方案不同，s h u a n g q i n gw e i 等人从a dh o c 网络物理层设计的角度来寻找解 决问题的方法，并在分布式延迟分集的基础上，提出了一种基于信道均衡的 异步协作分集技术方案【1 4 】。在异步协作分集技术方案中，协作节点在转发信 号时将人为地加入随机时延，接收端采用判决反馈均衡器( d f e ) 合并来自 源节点和中继节点信号。异步协作分集技术方案可在符号异步的情况下实现 协作分集，但是不能保证任意个节点参与中继时都能实现满分集。当中继节 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 点数为2 时，该方案的最大分集增益可以达到3 ；而当协作节点数较大时就 不能实现满分集。异步协作分集技术方案的优点是在接收端不需要对分集信 号做同步，缺点是误码率性能比同步的协作分集方案稍差。 1 2 分集复用增益分析及其国内外研究现状 l a n e m a n 等人的研究表明，系统采用多天线的分集技术可以同时提供分 集增益与复用增益【l5 1 。若将空间分集与时间分集相结合，便能同时获得空间 与时间维的分集增益。 以往的多数空时传输方案根据研究侧重点的不同分别考虑使系统的分 集增益最大化或者复用增益最大化。a l a m o u t i 提出了一种可实现满分集的空 时分组码【l7 】( s t b c ) ，之后t a r o k h 和j a f a r k h a n i 等人提出了具有一般性的正 交空时分组码【l8 1 。s t b c 的优点是编码方案简单，发射信号两两正交，接收 端只需采用最大似然译码，大大降低了译码复杂度。但是s t b c 的性能只与 分集阶数有关，虽然可以获得满分集增益，但没有编码增益。t a r o k h 和 s e s h a d r i 等人在1 9 9 8 年提出了空时网格编码( s t t c ) 【l9 1 ，它利用某种网格 结构，将同一信息从多根天线发射出去，在接收端采用v i t e r b i 译码。该编码 方案在不增加带宽的情况下，可同时获得满分集增益与较高的编码增益。但 随发射天线数的增加译码复杂度呈指数增长，这使得s t t c 在实际中很难应 用。这两种方案都是考虑使系统的分集增益最大化。与空时分组码和空时网 格编码不同，贝尔实验室分层空时结构( b l a s t ) 【2 0 j 的研究e l 标是实现较大 的复用增益。b l a s t 中解码端的复杂度仅随天线数目的增加线性增长，而 不是同( s t t c ) 一样呈指数增长。但是b l a s t 方案通常仅有复用增益，而 没有分集增益。此外，h e a t h 和p a u l r a j 提出了一种在系统分集增益和复用增 益之间切换的方案，根据信道条件的不同来对方案进行调整【3 u j p l l 。 在给定系统传输条件下，提高分集增益必然会导致复用增益的下降。在 实际通信中，单纯的只考虑其中一种增益的最大化已经不能满足实际的要 求，于是两种增益之间合理的折中渐渐的成为了评价系统性能的新标准。 2 0 0 3 年，z h e n g 和t s e 对m i m o 系统的分集复用折中关系进行了研究，得出 在给定收发天线个数的情况下m i m o 系统可实现的分集增益和复用增益之 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 间的最优折中关系【l6 j ：在m 根发射天线与，z 根接收天线的m i m o 系统中， 信道衰落在，个周期保持不变且满足，m + n 一1 ，那么，该系统下的最优编 码方案在获得复用增益r 时，同时获得的分集增益为d = 一，) ( 托一r ) ，这也 是信道可以提供的最大分集增益。同年l a n e m a n 和w o m e l l 首次对协作分集 方案的分集复用折中进行了研究，给出了分别采用重复编码和空时编码的两 种协作分集方案的分集复用折中关系曲线。随后不久，l a n e m a n 和t s e 共同 对采用不同的中继转发模式的协作分集方案进行了分析，并得出了不同中继 转发模式下系统的分集复用折中关系【5 】。2 0 0 5 年，a z a r i a n 和o a m a l 对半双 工模式下协作传输方案进行了分析，并根据不同的中继转发模式给出了在即 定协作传输条件下系统所能实现的最大分集复用折中【2 。 分集复用折中关系为基于不同设计目标的信号协作传输方案提供了比 较准则。对于现有的协作分集方案，将它们的分集复用折中性能进行比较， 不仅可以衡量不同方案的传输可靠性，同时也能衡量其对信道自由度的利用 率，从而全面地比较和评价不同协作分集方案的性能。 1 3 论文主要研究内容和研究结论 本文对同步和异步情况下几种不同的协作分集方案的误码率性能以及 分集复用折中关系进行了深入研究，论文的重点是分析不同条件下的协作分 集方案所能带来的分集增益和复用增益的最佳折中关系。 对于同步条件下的协作分集方案，论文分别对基于a l a m o u t i 发射分集【1 7 1 的协作分集方案和基于正交信号的协作分集方案【2 2 j 分别进行了误码率以及 分集复用折中分析。论文首先推导出了采用m p s k 调制信号的2 发射天线1 接收天线条件下a l a m o u t i 系统的误码率理论表达式，随后扩展到2 发射天线 m 接收天线的情况。研究表明，随着接收天线数的增加，a l a m o u t i 系统的误 码率性能逐渐改善；而随着调制阶数的增加，误码率性能逐渐变差。接着本 文又对基于正交信号的协作分集方案进行了分析，在原模型基础上考虑了当 两用户到接收端信道条件不同时系统的误码率性能，并对方案进行了改进， 在传输中加入链路自适应功率控制。分析结果说明当用户间信道条件较差 时，链路自适应功率控制可以有效缓解“门限效应”。其次本文分别分析了 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 两种方案的分集复用增益折中关系。得到基于a l a m o u t i 发射分集的协作分集 方案的分集复用折中曲线为d ( ，) = 2 m ( 1 一，) 。从该曲线得知随着接收天线数 聊的增加，系统可实现的最大分集增益逐渐增加，但是复用增益没有变化。 说明接收天线数的增加只能提高传输的可靠性，并不能提高频谱利用率。最 后论文对基于正交信号协作分集方案的分集复用折中关系做了分析，分别得 出了原模型和加入了链路自适应技术后的系统分集复用折中关系曲线。从分 集复用折中曲线可看出链路自适应技术的加入可以带来误码率性能上的提 高，但是不能改善协作系统的分集复用折中性能。 对于异步条件下的协作分集方案，论文分别对延迟分集【2 3 j 和基于分布式 延迟分集的异步协作分集方案 1 4 】进行了误码率和分集复用折中分析。论文首 先分析了延迟分集的误码率性能以及分集复用折中关系。分析结果表明，随 着延迟分集信号数的增加，误码率性能逐渐改善，分集复用关系曲线的斜率 也随之增大，即系统能实现的最大分集增益也随着增加。但是这时系统的最 大复用增益没有增加，其分集复用折中曲线与同发射天数的重复编码协作分 集相同。接着论文对基于分布式延迟分集的异步协作方案的性能做了分析并 对模型进行了改进。研究表明，随着成功译码的中继节点数的增加，系统的 误码率性能逐渐变好。但是当参与协作的中继节点数的大于2 时，随着节点 数的增加，性能的改善不是很大。论文对原模型做了两点改进，首先是对延 时的选择做了改进，加入了m a c 层控制；其次是对中继节点转发方式作了 改进。仿真结果和理论分析都表明，对原方案延时选择的改进可以带来定 的误码率性能提升；对中继转发策略的改进不仅可以带来误码率性能的改 进，还可以改善协作系统的分集复用折中性能。最后论文对异步协作分集的 分集复用折中做了分析，分析结果说明当延时大于等于两倍的符号周期且是 符号周期的整数倍时，异步协作分集方案可以实现与基于中继传输的同步协 作分集方案相同甚至更好的分集复用折中性能。 1 4 本文结构和章节安排 本文主要对同步和异步条件下的几种协作分集进行了研究。论文全文共 分为五章，其中第二章的第二节、第三章和第四章为本文的重点，也是论文 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 作者在硕士研究生阶段研究工作的详细介绍。 第一章介绍了论文的研究背景，即协作分集技术和分集复用增益折中分 析的国内外现状，以及本文的主要研究内容、意义和论文基本结构。 第二章主要介绍了常用的协作分集技术的基本模型和原理，以及分集复 用折中分析的概念和方法，并详细推导了基于中继传输的同步协作分集方案 的分集复用增益的折中关系。 第三章主要讨论了两种同步协作分集方案( 基于a l a m o u t i 发射分集的协 作分集方案和基于正交信号的协作分集) 的误码率性能以及分集复用折中关 系。在基于正交信号协作分集的模型基础上考虑了当用户到接收端的信道条 件的不同对系统误码率的影响，然后模型中加入链路自适应，并分析了链路 自适应功率控制因子对系统误码率性能和分集复用折中关系的影响。 第四章主要讨论了异步条件下两种协作分集方案( 延迟分集和基于分布 式延迟分集的异步协作分集) 的误码率性能和分集复用折中关系。论文对这 两种分集方案的误码率性能和分集复用折中进行了分析。并对异步协作分集 模型做了改进，加入了m a c 层控制，使中继节点的延时选取更为合理。仿 真结果说明延时选取的改进对误码率性能有所提升。 第五章对论文工作进行了总结，并对研究所存在的问题和未来的工作进 行了展望。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第2 章协作分集技术 本章首先对几种常用的协作分集技术的基本原理和模型做了介绍，包括 同步条件下的基于a l a m o u t i 发射分集的协作分集方案和基于正交信号的协 作分集方案，以及异步条件下的延迟分集方案和基于分布式延迟分集的异步 协作分集方案。其次本章第二节对分集增益、复用增益以及分集复用折中关 系的概念做了介绍，并以基于中继传输的同步协作分集方案为例，给出了其 分集复用增益的折中关系，以此作为一个分集复用折中的性能标准与后面章 节的分析作比较。从分析结果也可以看出，系统所能实现的分集复用折中是 由其中断率的下界决定的，即由中断率表达式中衰减最慢的项决定的。 2 1 常用协作分集技术 2 1 1 同步协作分集技术方案 1 基于a i a m o u r i 发射分集的协作分集技术。 图2 1a l a m o u t i 分集方案的信号发射方案 a l a m o u t i 在1 9 9 8 年首次提出了一种适用于两副天线的发射分集方案【1 7 】： 在接收端己准确获得信道状态信息( c s i ) 情况下，采用两天线发送、一天 线接收的发射分集，可获得与一天线发送、两天线接收的接收分集相同的分 集增益。这种发射分集方案实现简单，并且是目前惟一可实现全速率满分集 l ) 一 。 o 1 p e 驽 仅 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 并采用复传输矩阵的正交空时分组码，因而自提出后得到了广泛的关注和应 用。 a l a m o u t i 提出的发送分集方案如图2 1 所示。信源发送的二进制信息比 特首先进行调制( 星座映射) 。假设采用m 进制的调制星座，令k = 1 0 9 ：膨， 把从信源来的二进制信息比特每k 个比特分为一组，从调制星座图中随机选 取两个星座点对连续的两组比特进行星座映射，得到两个调制符号，j ，。 然后在发射端按照下面的发射矩阵进行发送【1 7 】： 2 x 07 x l 。二。b 羔 p 1 ) 在第一个发送时刻，符号，s 。分别从发送天线0 与发送天线1 上同时发送 出去；在第二个发送时刻，符号一j ：，s ：分别从发送天线0 与发送天线1 上 同时发送出去。令 s ：卜s 川( 2 - 2 ) 则有 驱+ = ： 立：s j o ： a l j x ；- - s s 。1 = = 1s 。1 2 言i s l1 2 ls 。i ：0 。is 。l ： c 2 3 ， 由此可见，a l a m o u t i 发射分集实际上是对信号进行了一种复信号星座的正交 空时分组编码。假设在时刻t 发送天线0 和发送天线1 到接收天线的信道衰 落系数分别为h o ( f ) ，h i ( f ) ，设其为分组衰落信道，则有 办o ( f ) = h oo + 丁) = 口o p 7 岛 ( 2 4 a ) h l ( f ) = h l + t ) = 口l p 鹏( 2 4 b ) 记接收天线在时刻f 和t + r 的接收信号分别为r o ，l ，有 r 0 0 ) = h o ( t ) s o + h l o ) j l + ，z o ( 2 5 a ) 1 ) = - h o o ) j ：+ h l ( f ) s ：+ 刀l( 2 5 b ) ，z o ，刀。表示接收天线在时刻f 和t + r 时刻的均值为0 ，方差为o 2 独立复高 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 斯白噪声。若接收端采用最大似然译码，对，厂l 按下式进行合并1 7 3 可得s o ，s ，的最大估值信号为 ( 2 - 6 ) 将 n 和i 进行判决即可得到译码信息。论文第三章将对a l a m o u t i 发射分集 的误码率性能和分集复用增益折中进行分析。 在协作通信场景下，发射端安装双天线有困难时，可以考虑在两个节点 间通过相互协作来实现基于a l a m o u t i 发射分集的协作分集技术方案。这时传 输分为两步。第一步两个节点分别以广播的形式向目的节点和协作节点发送 信息；第二步两节点分别将第一步中接收到的来自协作节点的信号按 a l a m o u t i 第二时隙的编码形式向目的节点发送。这样，两个单天线的节点就 通过协作来实现了a l a m o u t i 发射分集。 2 基于正交信号的协作分集技术方案 用户1 用户2 同相正交同相正交 匿圈匠图 臣图匿图 图2 2 基于正交信号的协作分集机制 文献 2 2 提出的基于正交信号的协作分集技术方案，下面简单介绍一下 基于正交信号协作分集的基础模型。考虑无线移动网络环境中，一个用户与 另一个用户相互合作将各自数据通过上行链路传送到基站。在协作分集机制 中，两个协作用户利用q p s k 调制的同相和正交分量之间的正交特性，创建 两路正交传输信道，并分别传送自己的和协作伙伴的信号。如图2 2 所示， 用户1 和用户2 相互协作，用户1 使用q p s k 的同相分量传输信息，用户2 0 q 。砌 砌矸 + + 啊 + 一 概h + 簖簖 = = 函粤 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 使用q p s k 的正交分量传输信息。在第一个符号周期和最后一个符号周期中， 用户l 和用户2 分别使用q p s k 的正交( 同相) 分量传送一个校验比特；在其 他的符号周期中，用户1 和用户2 分别使用当前时刻q p s k 的同相( 正交) 分 量传送自己的信息，并使用正交( 同相) 分量传送在上一个符号间隔中接收到 的用户2 和用户l 的信息。接收端接收到来自两个用户的信息，并且通过最 大比合并( m r c ) 或等增益合并( e g c ) 准则进行合并。以用户1 为例，为 了得到用户l 的信息，基站将从信道1 接收信号的同相分量延迟一个符号间 隔，与来自信道2 接收信号的同相分量进行合并。将经过合并后的输出数据 送到判决器，判决器将输入的数据转换为2 进制信息。同样的，为了得到协 作后的用户2 的信息，从信道2 接收到的信号，延迟一个符号间隔与来自信 道1 的信号合并。合并后输出到判决器，判决器可以将输出转换为2 进制数。 图2 3 是接收机结构示意图口2 1 。 图2 - 3 接收机结构图 令用户s l 和s 2 发射端发射的信号为( f ) 和j ：( f ) ，接收端收到来自用户s 1 和s 2 的信号分别表示为吒。6 ( f ) 和。( f ) ，s 1 收到来自s 2 的信号为匕。( f