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：海大学硕士学位论文协同通信系统关键技术研究 摘要 协同通信技术融合了m i m o 技术，中继技术等优点，能以较低成本增加系 统的多用户分集增益，提高系统的容量，成为下一代无线通信系统的关键技术。 本文首先介绍了协同通信的合作模式，转发模式和关键技术等内容；并在 消除非同步干扰和虚拟m i m o 用户配对方面进行了深入研究和分析；最后将协 同通信技术应用到8 0 2 1 6 系统中取得了良好的性能提升。 在中继合作模式中，本文提出一种优化的并行干扰消除算法。考虑一个源 节点，一个目的节点和两个中继节点的两跳协同通信系统，转发信号采用 h l a m o u t i 编码，因此在接收端需要精确的同步来保证接收信号的正交性。当来 自两个中继节点的信号不在同一时刻到达目的节点，前一个符号会被包含在后一 个接收到的信号中，从而造成了符号间干扰。本文提出的算法，不需要在检测开 始前通过其他技术消去部分干扰再进行并行干扰消除，就能消除绝大部分非同步 带来的符号干扰，并且不会带来计算复杂度的增加。在目的节点采用两天线的情 况下，由于接收分集，应用优化的并行干扰消除算法，可取得较好的干扰消除效 果。 在虚拟m i m o 合作模式中，提出了一种公平性优化的用户配对算法。用户配 对算法是虚拟m i m o 合作模式中一项关键技术，选择合适的用户进行配对既能提 高系统的容量，又能保证用户的公平性。本文在理想功率控制条件下介绍了随机 用户配对和行列式配对两种配对算法。在非理想功率控制条件下，由于接收端接 收到各个用户的信噪比不同会产生公平性严重不平衡，信噪比高的用户会被频繁 选取。本文提出的用户配对算法，在保证容量最大化的前题下，能改善公平性。 相对其他配对算法，公平性优化配对算法能较好的兼顾系统容量和用户公平性。 此外本文提出了协同通信在8 0 2 ，1 6 e 系统中的应用方案，并分别针对虚拟 m i m o 和中继合作两种合作模式进行了性能分析。在8 0 2 1 6 e 链路层仿真平台上， 通过比较虚拟m i m o 合作模式和传统2 x 2m i m o 的性能验证了虚拟m i m o 对8 0 2 1 6 e 系统误码率和吞吐量性能的改善。另外通过比较是否采用中继合作模式对系统性 能的影响，验证了协同通信在提高接收信噪比和减少发送功率方面具有优势。 关键词：协同通信：并行干扰消除；虚拟m i m o ；用户配对；中继合作 v e 海大学硕十学位论文 协同通信系统关键技术研究 a b s t r a c t c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yc o m b i n i n gt h ea d v a n t a g eo fm i m oa n dr e l a y t e c h n o l o g y ，c a l li n c r e a s et h em u l t i - u s e rd i v e r s i t yg a i na n dr a i s et h et h r o u g h p u to ft h e s y s t e m a sar e s u l t ，i tb e c o m e sak e yt e c h n o l o g yi nn e x tg e n e r a t i o nw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h i st h e s i sf i r s t l yi n t r o d u c e st h ec o o p e r a t i o nm o d e ，f o r w a r dt r a n s m i s s i o nm o d e a n dk e y t e c h n o l o g yo fc o o p e r a t i o nc o m m u n i c a t i o n s o m ew o r kh a sb e e nd o n ei nt h e a r e ao fi n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o nu n d e ri m p e r f e c ts y n c h r o n i z a t i o na n du s e rp a i r i n g s c h e m ei nv i r t u a lm i m os y s t e m a tl a s t ，w eo b s e r v e dt h a tt h ea p p l i c a t i o no f c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o ni nt h e8 0 2 16s t a n d a r dc a ni m p r o v et h ep e r f o r m a n c e t h i st h e s i sp r o p o s e dao p t i m i z e dp a r a l l e li n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n ( p i c ) a l g o r i t h m i n r e l a yc o o p e r a t i o nm o d e c o n s i d e r i n g a t w o h o pc o o p e r a t i v e c o m m u n i c a t i o nm o d e l ，i n c l u d i n go n es o u r c en o d e ，o n ed e s t i n a t i o nn o d ea n dt w or e l a y n o d e s a l a m o u t ic o d ew a sa d o p t e da st h ef o r w a r dt r a n s m i s s i o ns i g n a l ，s ot h er e c e i v e r n e e d sa c c u r a t es y n c h r o n i z a t i o nt oa s s u r et h eo r t h o g o n a l i t yo fr e c e i v e ds i g n a l w h e n s i g n a l sf r o mt w od i f f e r e n tr e l a yn o d e sa r r i v e da td e s t i n a t i o nn o d ea td i f f e r e n tt i m e ，t h e p r e v i o u ss y m b o lw i l l b ei n c l u d e di nt h er e c e i v e d s i g n a l ，t h u si n t e r - s y m b o l i n t e r f e r e n c e ( i s i ) w a sc a u s e d t h ep r o p o s e da l g o r i t h md o e s n tn e e da n yo t h e r t e c h n o l o g yt oh e l pt oc a n c e lp a r to ft h ei n t e r f e r e n c eb e f o r ed e t e c t i o n 。n o to n l yc a ni t e l i m i n a t ea l m o s ti s i ，b u ta l s on oc o m p u t a t i o n a lc o m p l e xw a si n c r e a s e d w h e n d e s t i n a t i o nn o d ee m p l o y st w oa n t e n n a s ，b e c a u s eo fr e c e i v ed i v e r s i t y , t h ee f f e c tw i l lb e m o r ea p p a r e n tu s i n gt h ep r o p o s e do p t i m i z e dp i ca l g o r i t h m af a i r n e s so p t i m i z e du s e rp a i r i n ga l g o r i t h mw a sp r o p o s e di nv i r t u a lm i m o c o o p e r a t i o nm o d ei n t h i st h e s i s u s e rp a i r i n gi sak e yt e c h n o l o g yi nv i r t u a lm i m o c o o p e r a t i o nm o d e t oc h o o s ea p p r o p r i a t eu s e ri n t op a i r i n gc a nr a i s es y s t e mc a p a c i t y , m e a n w h i l e ，s y s t e mf a i r n e s sc a l lb eg u a r a n t e e d o nc o n d i t i o no fi d e a lp o w e rc o n t r o l ， r a n d o mp a i r i n gs c h e m ea n dd e t e r m i n a n tp a i r i n gs c h e m ew a si n t r o d u c e df i r s t t h e n ， v i 上海大学硕士学位论文 协同通信系统关键技术研究 w h e np o w e rc o n t r o li sl i m i t e d ，s i n c es n ro fd i f f e r e n tu s e ra tr e c e i v e rw i l lc a u s e s e v e r eu s e r su n f a i r n e s s i no t h e rw o r d ，t h eu s e rw i t hh i g h e rs n rw i l lb ec h o s e n f r e q u e n t l y t h i sp r o p o s e du s e rp a i r i n gs c h e m ei sa b l et oi m p r o v eu s e r sf a i r n e s sb a s e o nm a x i m i z i n gs y s t e mc a p a c i t y c o m p a r e dw i t ho t h e ru s e rp a i r i n gs c h e m e s ，t h e f a i r n e s so p t i m i z e dp a i r i n gs c h e m ec a l la c h i e v eb a l a n c eb e t w e e ns y s t e mc a p a c i t ya n d f a i r n e s s b e s i d e s ，t h i st h e s i sa p p l i e dc o o p e r a t i o nc o m m u n i c a t i o ni n t o8 0 2 16 es y s t e m ， a n dm a d ea n a l y s i sf o c u so nt w oc o o p e r a t i o nm o d e so fv i r t u a lm i m oa n dr e l a y c o o p e r a t i o n b yu t i l i z i n g8 0 2 16 el i n kl e v e ls i m u l a t i o np l a t f o r m ，i ti so b s e r v e dt h a t v i r t u a lm i m oc o o p e r a t i o nm o d eh a si m p r o v e dt h ep e r f o r m a n c eo f8 0 2 16 es y s t e m c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a l2 x 2m i m o a n d ，a c c o r d i n gt ot h ei n f l u e n c et h a tw h e t h e r 8 0 2 16 eu s e sr e l a yc o o p e r a t i o n ，t h ea d v a n t a g eo fc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o ni nr i s i n g r e c e i v es n ra n dr e d u c i n gt r a n s m i tp o w e rw a sc o n f i r m 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 ；p a r a l l e li n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n ； v i r t u a lm i m o ；u s e rp a i r i n g ；r e l a yc o o p e r a t i o n v h 上海大学硕： ：学位论文协同通信系统关键技术研究 缩略语表 英文缩写 3 g p p 3 g p p 2 4 g a 正 a m c a w g n b 3 g b e r b l a s t b t c c c c d f c d m a c q i c r c c s i c t c d - b l a s t d f r d f r - s o f d m d p s f d d f e r f f t f o p s h a r q h f d d h s d p a h s u p a i s i i t u l o s l s u r e m a c m a i i a 全i m i m o 英文全称 3 r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp l a n 3 r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp l a n 2 4 t hg e n e r a t i o n a i ri n t e r f a c ee v o l u t i o n a d a p t i v em o d u l a t i o nc o d i n g a d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s e b e y o n d3 g b i te r r o rr a t e b e l ll a bl a y e r e ds p a c e - n e b l o c kt u 而0c o d e c o n v o l u t i o nc o d e 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 h a n n e lq u a l i t yi n d i c a t o r c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k c h a n n e ls h a t ei n f o r m a t i o n c o n v o l u t i o n 眦oc o d e d i a g o n a lb l a s t d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o n n d f r - s p r e a d 一0 f d m d e t e r m i n a n tp a i r i n gs c h e m e f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x f r a m ee r r o rr a t e f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m f a i r n e s so p t i m i z e dp a i r i n gs c h e m e h y b r i da u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t h a l f - f d d h i g hs p e e dd o w n l i n kp a c k e ta c c e s s h i 曲s p e e du p l i n kp a c k e ta c c e s s i n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n l i n eo fs i g h t l e a s ts q u a r e l o n gt e r me v o l u t i o n m e d i aa c c e s sc o n t r o l m u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c e m e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t x 中文全称 第3 代移动通信合作伙伴计划 第3 代移动通信合作伙伴计划2 第4 代移动通信 空中接口演进 自适应调制编码 加性高斯自噪声 后3 代移动通信 误比特率 贝尔实验室分层空时结构 块t u r b o 码 卷积编码 累积分布函数 码分多址接入 信道质量指示 循环冗余检测 信道状态信息 卷积t u r b o 码 对角b l a s t 离散傅里叶变换 基于d f t 扩频的o f d m 行列式配对方案 频分双工 误帧率 快速傅里叶变换 公平性优化配对方案 混合自动重传请求 半f d d 高速下行分组接入标准 高速上行分组接入标准 码间干扰 国际电信联盟 视距 最小平方 宽带无线通信长期演进方案 媒体接入控制 多址干扰 城域网 多输入多输出 上海大学硕士学位论文协同通信系统关键技术研究 m i s o m l m m s e m r c n l o s o f d m o f d m a p a p r p d f p i c q o s r p s s c f d m a s d m l a s i c s i m o s i n r s i s o s n r s t b c s t t c t d d t d m a u e u m b v 二b l a s t w i m a x w c d l m a m u l t i p l ei n p u ts i n g l eo u t p u t m a x i m u ml i k e l i h o o d m i n i m a lm e a ns q u a r ee r r o r m a x i m a lr a t i oc o m b i n e n o nl i n eo fs i g h t 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 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 p e a kt oa v e r a g ep o w e rr a t i o p r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o nf u n c t i o n p a r a l l e li n t e r f e r e n c ec a n c e u a t i o n q u a l i t yo fs e r v i c e r a n d o mp a i r i n gs c h e m e s i n g l ec a r r i e r - f r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s s p a c ed i v i s i o nm u l t i p l ea c e s s u c c e s s i v ei n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n s i n 酉ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t s i g n a li n t e r f e r e n c en o i s er a t i o s i n g l ei n p u ts i n g l eo u t p u t s i g n a in o i s er a t i o s p a c et i m eb l o c kc o d e s p a c e 劢1 e 乃讲l i sc o d e t i m ed i v i s i o nd u p l e x t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s u s e re q u i p m e n t u l t r am o b i l eb r o a d b a n d v e r t i c a lb l 久s t w o r l di n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v e a c c e s s w i d e b a n dc o d ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s t r a n s p o s e c o n j u g a t e t r a n s p o s ea n dc o n j u g a t e 多输入单输出 最大似然 最小均方误差 最大比率合并 非视距 正交频分复用 正交频分多址 峰值平均功率比 概率分布函数 并行干扰消除 服务质量 随机配对方案 基于单载波的频分多址 空分多址 串行干扰消除 单输入多输出 信干噪比 单输入单输出 信噪比 空时分组码 空时格型码 时分双工 时分多址 用户设备 超移动宽带方案 垂直b l a s t 全球互操作微波接入标准 宽带码分多址 转置 共轭 共轭转置 frr ，l rl-l 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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了谢意。 签名： 日期：翌：坐 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 埠 导师签名：强垃日期：丝净塑塑 上海大学硕士学位论文协同通信系统关键技术研究 l 第一章绪论 1 1 论文研究的背景 时至今日，通信技术发展日新月异。从1 9 4 8 年s h a n n o n 建立信息论开始到 现在通信己经进入飞速发展的年代。从8 0 年代初期第一代模拟蜂窝移动通信商 用开始，基本上每1 0 年商用一代新的技术，每1 5 - 2 0 年的时间推出一代技术。 目前全球范围内模拟移动通信己经基本退出历史舞台，占据移动通信市场9 8 以 上的为第二代移动通信( 2 g ) 和二代半( 2 5 g ) 网络，第三代移动通信系统( 3 g ) 则己 经步入规模商用阶段。尽管3 g 除了能够支持更高速率的多媒体业务以外，还能 提供更高的频谱效率和服务质量，可以提供1 4 4 k b p s 的车载通信速率，3 8 4 k b p s 的步行通信速率，2 m b p s 的室内通信速率的通信带宽。然而，由于3 g 系统定位 的偏差，使得3 g 系统提供的服务和人们不断增长的通信需求相比，还存在着一 定的差距，其发展目标与宽带多媒体业务的发展需求相比还相差甚远，远远不能 满足人们对未来移动通信的要求。这主要体现在以下两个方面：数据业务的速率、 时延等服务质量( q u a l i t yo fs e r v i c e ，o o s ) 指标只能满足基本业务的需要，对 视频等业务的支持不好：总容量不够，当大量用户使用数据业务的时候，系统显 得力不从心。于是，人们沿着两个方向来解决这个问题：第一个方向是由3 g 的两 个标准化组织3 g p p 和3 g p p 2 继续研究3 g 体制基础上的增强技术：第二个方向就 是研制一套容量更大，频谱效率更高的全新的无线系统，称为超3 g ( b e y o n d3 g ， b 3 g ) ，或者称为第四代( 4 g ) 移动通信系统。 在3 g 系统逐步进入商用的同时，业界已经开始了演进型3 g ( e 3 g ) 的研究。 e 3 g 技术是3 g p pl t e ( 长期演进) 和3 g p p 2a i e ( 空中接口演进) 项目的统称。这项 技术名为“演进”实则是一场技术“革命 。 在此之前，从h s d p a h s u p a 到e v - d o ，3 g p p 和3 g p p 2 增强型技术的研发一 贯坚持平滑和后向兼容的演进策略，尤其是始终坚持了以码分多址( c d m a ) 技术作 为3 g 系统的核心技术。正交频分复用( o f d m ) 技术虽然收到越来越大的关注，但 却被定位在“4 g 技术。3 g p p 曾开展过这方面的研究，但结论是在现有的5 m h z 带宽系统内暂不采用o f d m 技术。所有迹象表明，在b 3 g 标准化于2 0 0 7 年启动之 1 海大学硕l 学位培立 协目通情系统关键技术宄 前，基于c n l l 的3 g 技术标准将保持相对稳定的发展态势。 但是，w i m x 技术的出现打破了原有的格局，这项以o f d m 为基础的新技术 以数倍于3 g 增强型的系统带宽和峰值速率吸引了大家的注意力，与3 g 技术宽带 数据提供能力形成了鲜明的对比，给3 g 系统的设备商和运营商造成了很大的压 力。于是，3 g p p 首先做出积极的反应，于2 0 0 4 年底启动l t e 项目，以确保u m t s 技术的“长期竞争力”。3 g p p 2 随后娠进于2 0 0 5 年启动了a l e 项目。使3 g 增 强型和b 3 g 之间原本平淡的“过渡期”一下子变得热| ；曰起来】。3 种标准w i m a x ， l t e 和a i e 带宽相同、性能相仿、技术相近，相互之间形成了直接竞争关系。各 种标准的演进路线见图卜1 。 ”。s s1 9 9 s二2 2 0 1 02 札s ，。 揣未 、- 凇m 迦墨寞 “需：l 。 ：掣i - l 。一9 冒罗- ”。1 _ 7 1 ( ， “”? ， 、i n l o w i r i ，舯2l l d a t ar h k s l o k b p s 2 0 0 k b p s3 0 0 k b p s 1 0 m b p s = 【f z l l 6 l 1 1 ( f ) ，f l l 2 i i ! 1 1 0 1 ( ，) ，q 3 厶l e i l ( ，m 4 i | ；q f 2 ( f ) r1 y2 ，净i 鸭1 j 2 f 1 学) ，j 2 q ? ，( ，) ，i ；i ；1 2 ) f l ( ，帆厶2 q 。2 ( f ) j ( 式2 _ 1 ) 在第一和第二时间间隔内，每个用户都发送自己的比特信息和检测其他用户 的第二比特( 表示为度，在第三时间间隔内，两个用户均发送自己第二比特和伙 伴第二比特的线性组合。对于第一、二、三时间间隔，其发送功率可变，根据上 行和用户信道之间的条件，可以对相关发射功率进行优化，该方法对信道状态具 有自适应能力。通过因子q ，进行功率分配，可以使平均发射功率保持不变。简 言之，当用户之间信道状态较好时，将分配更多协作功率；反之，当用户之间信 道状态不好时，将减小用户协作功率。这种信号处理机制非常简单，但还存在以 下问题：一是用户对伙伴信号的检测可能失败，这时协作对在基站进行的最后检 测是有害的；二是为了获得最优译码，基站需要知道用户之间信道的差错特性。 为了避免上述差错传播问题，l a n e m a n 提出了混合译码转发方法，当衰落信道具 有较高信噪比( s n r ) 时，用户可以对其伙伴数据进行译码，当信道具有t 氐s n r 时， 用户返回到非协作模式。 在d f 模式下，信道容量将主要取决于第一跳和第二跳的容量最小值。 上海大学硕- j ：学位论文协同通信系统关键技术研究 d e c 。d e db j t s d e c o d ea n dfo n ，a r d 图2 - 9 解码转发模式 f ig 2 - 9d e c o d ea n df o r w a r dm o d e 2 3 3 编码协同模式 编码协同模式是将协同通信融合到信道编码中的一种策略【1 3 】。编码协同模式 通过发送每个用户的码字的不同部分来工作，而每个用户的码字是经两条独立衰 落信道传输的。它的基本思想是在两个( 或多个) 用户下，每个用户发送含有冗余 的数据信息给他协同者。决定编码协同策略效率关键点在于，所有的这些过程通 过编码设计来自动控制，并且用户之间没有反馈信息。 图2 - 1 0 示出了具有编码协同方案的系统构架。用户把它们的信源数据分成 块，块的大小会随着循环冗余检测编码( c r c ) 而增加。在编码协同中，每个用户 的数据被编成一个码字，每个码字由两部分构成，分别包含m 个比特和舵个 比特。举一个特定例子：假定源码字有m 手地个比特，第一部分有m 个比特， 它是有效的码字( 信息码) 。剩下的 2 个比特是收缩比特( 冗余码) 。当然，编码 协同的划分还可能通过其它方式，但这种划分方法并不违背编码协同策略的最直 接思想。 在编码协同的模式下，系统的容量丰要取决于协同通信的程度，即协同率 舵m ( 胆v l 抛) ，即在信源数据块中为其他用户传送的数据比特占总的数据比 特的百分比。 2 l 上海大学硕士学位论文协同通信系统关键技术研究 图2 - 1 0 编码协同模式 f i g 2 1 0c o d i n gc o o p e r a ti o nm o d e 2 4 协同通信关键技术 协同关键支撑技术主要包括与协同信道密切相关的物理层协同技术，与多用 户协同和接入网间协同相关的系统层协同技术f 1 4 1 。 2 4 1 物理层关键技术 协同m i m o 信道技术多移动终端之间、移动终端与中继之间以及终端中 继与基站之间形成的虚拟m i m o 信道将有别于传统m i m o 信道。在传统m i m o 信道 研究基础上，根据协同m i m o 通信特点，确定协同网络中虚拟m i m o 信道特性。 协同空时编码发射方案设计协同终端处于相互独立的无线环境中，同时 各协同终端的业务不尽相同，为最大化频谱效率与吞吐量，并灵活支持多用户、多 业务下存在显著差异的q o s ，根据信道条件、o o s 要求自适应地设计空时编码、调 制发射方案。 协同同步技术存在多跳中继的协同网络对同步提出更高的要求，各协同 终端、中继以及基站之间的同步机制将直接制约系统的性能。在传统无线网络各 上海大学硕r 上学位论文协间通信系统关键技术研究 种同步技术的基础上，根据协同网络的特点确定适合于协同网络的同步机制、同 步方案。 协同接收技术集中于协同发射方案的高效接收算法，包括协同空时编码 ( s t c ) 接收的最优、次优算法；实际衰落信道下的协同接收算法等等。 2 4 2 系统层关键技术 协同节点选取如何选择协同伙伴，是自组织“协同中继子网”的关键问 题之一。主要内容包括：( 1 ) 在一个多“协同中继节点”的环境中协同伙伴如何分 配和管理，例如谁将与谁协同，在什么条件下协同，可达速率区域的哪个点将发生 协同等。( 2 ) 由“协同中继节点”自己来决定协同伙伴，还是由专门的集中通信实 体，例如由基础架构型无线接入网的基站来统筹。( 3 ) 在移动环境下需要隔多久时 间重新规划一次协同节点的选取。( 4 ) 尽管更多的协同节点选取将导致更好的性 能，但随着协同节点数目的增加带来的性能增益将减小，同时协同方案的设计、信 号检测以及多址问题等的复杂度会增加，网络成本也会提高，所以选择合适数量 的协同节点是非常重要的。 协同路由对于异构无线接入网来说，协同路由的研究牵涉到两方面的研 究内容，一是“协同中继子网 内部的“协同中继节点”间的路由，另一个是基于 “协同中继节点”和“协同中继子网”，不同异构无线接入网内部节点的路由。 这两方面的路由算法对协同的“涌现”增益影响都较大。“协同中继子网 内部 的“协同中继节点”数量一般不会很多，所以其路由算法相对简单，一般在协同节 点选取时就能确定。协同路由研究的最大挑战在于异构无线接入网间的协同无线 路由选取，即选择合适的“协同中继节点 和其对应的“协同中继子网”，设计高 速和健壮的无线路由。路由选取的性能指标包括路由的健壮性、信令额外开销， 对节点存储空间的要求等。 协同无线资源管理为减少使用资源的难度，最大限度地利用有限的频率 资源、时间资源或空间资源，提高系统频谱效率和保证业务的服务质量，需要协同 无线资源管理机制，内容包括协同功率分配、协同无线资源调度、协同干扰协调 等。例如对于协同功率分配研究来说，目前的算法大多都假定各用户发射功率相 同，用户根据上行信道或者协作伙伴的信道状态自适应地调整发送功率。但在干 上海大学硕士学位论文协同通信系统关键技术研究 扰受限系统中，为了克服远近效应和使干扰最小化功率控制是很严格的。协同功 率分配方案研究的目的在于提出一种先进的协同功率分配方案，从而有效减少无 线空中干扰，节省功耗，提高网络的整体性能。 2 5 宽带协同通信 宽带无线通信所面临的主要问题就是无线信道的多径传播。在现代无线蜂 窝通信系统中，时间色散或频率选择性衰落由于能被分集接收而通常被看作是有 利因素。这是因为，多径信号在不同的时刻抵达接收机，提供了潜在的多径分集 ( 或称为频率分集) 。在现有通信系统中，多径分集通常有两种实现手段：一是使 用单载波均衡技术，在接收机使用线性或非线性的信号处理手段消除符号间干 扰；二是使用多载波传输技术，在发射机实施预处理，将宽带信道转化为互不干 扰的、正交的多子载波平坦衰落信号。o f d m 是当前利用最广泛的多载波技术。 目前，结合o f d m 或单载波频域均衡技术的宽带协作通信系统己获得了一定 的研究。在o f d m 情况下，每个子载波上的信号被所有中继节点转发；而在o f d m a 情况下，每个子载波上的信号仅由其中一个中继节点转发。研究结果表明，无论 是放大转发还是解码转发策略，o f d m 协作通信系统的容量都优于0 f d m a 。除了上 述物理层的研究之外，基于o f d m o f d m a 的宽带协作通信系统的资源分配问题也 吸引了众多研究者的关注。与传统点到点传输0 f d m 0 f d m a 系统不同的是，协同 通信系统中的资源分配不仅包括子载波选择和子载波间的功率分配，还包括协同 伙伴选择选择、协同策略选择等等。因此，宽带协作通信系统的资源优化是一个 更复杂的问题，它也引起了许多研究人员的关注。 上海大学硕士学位论文协同通信系统关键技术研究 3 第三章协同通信系统中改善同步性能的方法研究 3 1 引言 同步是通信系统中一个重要的实际问题，在任何通信网络中同步技术都是 基础。同步不仅包括时间上的同步，也涵盖了频率、码字和广播信道的同步。同 步c d m a 系统中，要求来自不同位置、不同距离的不同终端的上行信号能够同步 到达基站。如果系统不满足同步可能带来用户间的信号干扰，直接导致通信系统 性能的降低，甚至使通信系统不能工作。传统通信系统中的同步问题主要涉及帧 同步、符号同步和位同步。协作通系统同步问题的研究重点则是节点间的同步。 在协作通信系统中牵涉到至少三个节点，即源节点、中继节点和目的节点。因此， 如何协调同步工作是首当其冲的问题。对于蜂窝网络，由于有中心基站控制，而 且采用了正交的信道分配策略，节点间同步可由基站使用相关信令协调解决。 在目前的研究中，协同通信系统中通常设定协作的中继节点是完全同步的， 这样相应的来自各个中继节点的信号是同时到达目的节点。然而，这样的设定通 常在实际系统中是闲难的，甚至是不可能实现的。对a dh o c 网络，由于没有中 心基站的控制，而且所有中继节点往往在同一个信道资源块块内发射，此时节点 间的同步就成为一个比较棘手的问题。如果仍像蜂窝网那样用信令来协调节点同 步，那么信令开销将非常巨大。 应用分布式空时分组码( s t b c ) 的两跳协作通信系统需要精确的同步来保 证接收信号的正交性。当来自两个中继节点的信号不在同一时刻到达目的节点， 前一个符号会被包含在接收到的信号中，从而造成了干扰。本章采用一种优化的 并行干扰消除( p i c ) 方法，能消除非同步带来的干扰，并且不会带来计算复杂 度的增加。 上海大学硕：j j 学位论文协同通信系统关键技术研究 3 2 多用户检测中的干扰消除算法 蜂窝系统是干扰受限系统，任何能减少干扰的技术都能增加s i r 和用户容 量。多用户检测是其中降低干扰的一种有效手段，它对每个用户信号的检测不是 独立进行的，而是将输入信号经过一组匹配滤波器后得到多个用户的充分估计 量，共同应用于每个用户进行联合检测，检测出的信号可以被减弱或消除。这种 多用户检测可以为远近效应提供一个良好的解决途径。使用多用户检测需要权衡 性能增益和检测复杂性，特别在干扰源很多的时候。多用户检测可分为线性检测 和干扰消除两大类，常用干扰消除多用户检测技术包括串行干扰消除( s i c ) 和并 行干扰消除( p i c ) 1 1 5 j 。 3 2 1 串行干扰消除( s i c ) 串行干扰消除检测一般由多级组成，检测判决的每一级都再生一个用户的信 号，同时在接收信号中抵消掉这个用户信号，从而减轻下一级的多址干扰( m a i ) 。 所有用户首先根据接收机接收信号的功率进行排序，然后由大n d , 对各用户进行 估计和抵消，在每一级恢复相应用户的接收信号估计，以便在下一级信号检测处 理中减掉。从第一级开始检测最强的用户，第二级是次强的，直到最后一级检测 最弱的用户。功率较大的信号先进行操作，因此，功率弱的信号受益最大。 s i c 检测器结构简单，运算复杂度与用户数呈线性关系。不足在于：每一级 干扰消除都会引入l b i t 延迟；用户功率变化时需要重新排序；若初始信号比特估 计不可靠，则会对后级的检测产生极大影响。理论上串行干扰抵消可以达到香农 极限，实际中也能接近香农极限。 3 2 2 并行干扰消除( p i c ) 在串行干扰抵消中，用户抵消的顺序会很大程度上影响到单个用户的性能， 而并行干扰抵消则很好地缓解了这个技术缺陷。并行干扰抵消的思路是对每一用 户的匹配滤波器输出做初始判决，用它去估计多址接入干扰，并从初始的输出中 减去而得到更接近真实发送信号的输出，接着再进行判决、估计，如此循环往复， 卜海大学硕士学位论文侨同通信系统关键技术研究 直到得到期望的性能指标。并行干扰消除与串行干扰消除原理类似，不同之处在 于p i c 对所有用户造成的m a i 进行并行处理，对于每一个用户而言同时减去其余所 有用户的干扰。由于采用了并行处理，克服了串行干扰消除多用户检测器延时大 的缺点，而且无需在情况发生变化时进行重新排序。p i c 也可采用多级级联结构， 可以采用硬判决( 非线性) 或软判决( 线性) 。 在基于软判决的信号检测中，s i c 按信号强度利用功率的变化来抵消m a i ，因 而在非功率控制的衰落信道中性能优于p i c ；而基于软判决的p i c 在功率控制完善 的信道中性能优于s i c 。另一方面，与s i c 相比，p i c 处理延时小，但运算量大。 3 3 a l a m o u t i 空时发送分集结构 a l a m o u t i 是一钟在接收端简单处理的两天线发射分集方案，是空时分组码 的基础【1 6 1 。a l a m o u t i 的发射方案可以分为发射端的编码，接收端的合并以及最 大似然检测三部分，如图3 - i 所示 图3 1a l a m o u t i2 x ls t b c 码的系统模型 f i g 3 1t h es y s t e mm o d e lf o ra l a m o u t i2 x ls t b c 编码和发送序列在一个给定符号时间内，两个信号同时从两个天线发出， 2 7 e 海大学硕士学位论文协同通信系统关键技术研究 从天线1 发出的为信号，从天线2 发出的为信号置。在下一个符号时间内，信 号一