（通信与信息系统专业论文）一种基于增强机会中继的协作通信方案及其功率分配.pdf

摘要 协作分集是一种新的空间分集技术，协作分集本质上就是用户的天线与其协 作伙伴的天线构成虚拟多天线阵列，从而获得空间分集增益。经研究表明，协作 通信能够有效的抵抗信道衰落、提高数据的传输速率、降低系统服务中断概率、 提升信道容量、提高系统的服务质量和可靠性等。 本文以提升协作通信中系统性能为目标，研究并分析了几种协作分集协议和 中继选择方式，主要研究了：分集技术及协作分集的基本原理；现有的协作分集 协议及其相互比较：现有的中继节点选择方案及其相互比较：基于机会中继的基 础上研究了一种新的协作通信方案增强机会中继。理论分析和仿真结果表 明，增强机会中继与机会中继相比，在直传成功时，中继节点不进行转发，该协 作通信方案能使系统性能在中断概率、平均频谱效率等方面得到显著改善。此外， 在该方案系统资源受限的条件下，研究了一种最优化功率分配算法，该算法以最 小化系统中断概率为目标。因为该算法仅需知道各个中继节点的平均信道信息， 而且计算简单，无需在传输中实时更新，因而不会增加系统的额外开销。仿真结 果表明，本文中的最优功率分配方案非常接近于穷举搜索方法的结果；与等功率 分配方案相比，这种算法能够显著降低协作通信的中断概率。 关键词：协作通信增强中继机会中继功率分配 a b s t r a c t c o o p e r a t i v ed i v e r s i t yi san e wk i n do fs p a c ed i v e r s i t yt e c h n o l o g y , t h eu s e r s a n t e n n aa n di t sp a r t n e r sa n t e n n ac o n s t i t u t e sav i r t u a lm u l t i - a n t e n n aa r r a y , a n ds p a t i a l d i v e r s i t yi sa c h i e v e d v a r i o u sr e s u l t ss h o wt h a tc o o p e r a t i v ed i v e r s i t yc a nc o m b a t f a d i n ge f f e c t i v e l y ，h i g h e rt h ed a t ar a t e ，l o w e rt h eo u t a g ep r o b a b i l i t yo fs e r v i c e ， i n c r e a s et h ec a p a c i t yo fc o m m u n i c a t i o n ，a n di n c r e a s et h eq u a l i t yo fs e r v i c ea n d r e l i a b i l i t y t oe n h a n c et h ep e r f o r m a n c eo ft 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 ，s t u d y a n da n a l y s i so fs e v e r a lc o o p e r a t i v ed i v e r s i t yp r o t o c o l sa n dr e l a ys e l e c t i o nm e t h o d sa r e m a d e t h em a i nr e s u l t so b t a i n e da n dc o n t e n t so ft h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s ：t h e f u n d a m e n t a lp r i n c i p l eo fd i v e r s i t ya n dc o o p e r a t i v ed i v e r s i t y ；t h ec u r r e n tc o o p e r a t i v e d i v e r s i t yp r o t o c o l sa n dt h ec o m p a r i s o no ft h e m ；t h ec u r r e n tr e l a ys e l e c t i o ns c h e m e s u s e di nc o o p e r a t i v ed i v e r s i t ya n dt h ec o m p a r i s o no ft h e m b a s e do no p p o r t u n i s t i c r e l a y i n g ，an e wc o l l a b o r a t i v ec o m m u n i c a t i o n sp r o g r a m - - i n c r e m e n t a lo p p o r t u n i s t i c r e l a y i n gi sr e s e a r c h e d t h e o r e t i ca n ds i m u l a t i o na n a l y s e ss h o wt h a t ，i ni n c r e m e n t a l o p p o r t u n i s t i cr e l a y i n g ，t h er e l a yn o d ed o e s n tf o r w a r di n f o r m a t i o n ，a n dl o w e rt h e o u t a g ep r o b a b i l i t yo fs e r v i c e i na d d i t i o n ，t h eo p t i m a lp o w e ra l l o c a t i o na l g o r i t h m a i m i n ga tm i n i m i z i n gt h eo u t a g ep r o b a b i l i t yi s r e s e a r c h e di n t h i st h e s i su n d e rt h e c o n d i t i o nt h a tt h es y s t e mr e s o u r c e sa r el i m i t e di nt h i sp r o g r a m t h ea l g o r i t h m d e p e n d so nt h ea v e r a g ec h a n n e li n f o r m a t i o n o ft h er e l a y s ，w i t h o u tu p d a t i n gi n r e a l t i m et r a n s m i s s i o n ，t h u si n c u r sl i t t l eo v e r h e a d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t , t h e p e r f o r m a n c eo ft h eo p t i m a lp o w e ra l l o c a t i o na l g o r i t h mg i v e ni nt h i st h e s i s i sv e r y c l o s et ot h ep e r f o r m a n c eo ft h ee x h a u s t i v es e a r c hm e t h o d c o m p a r e dw i t he q u a l p o w e ra l l o c a t i o na l g o r i t h m ，t h i sa l g o r i t h mc a nr e d u c e t h eo u t a g ep r o b a b i l i t yo f c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n 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 ，i n c r e m e n t a lr e l a y i n g ，o p p o r t u n i s t i c r e l a y i n g ，p o w e r a l l o c a t i o n 第。章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 由于无线通信技术的高速发展，用户希望能够使用一些功能更强大的业务， 比如说视频点播、实时在线电视节目等。为了避免时常变动设备和系统结构，下 一代通信系统应该具有易于加载和融合新技术新业务的特点。 虽然3 g 技术相对于2 g 来说，其数据传输速率上升了上千倍，但是还是达 不到未来多媒体通信的标准，由此国际电信联盟( i t u ) 提出了后三代移动通信 系统( b 3 g ) 技术，称之为i m t - a d v a n c e d 技术( 未来新的空间接口技术) 。根据 i t u 的规定，当用户移动速率不高或处于静止状态时，i m t - a d v a n c e x l 能够提供 i g b i t s s 的数据传输业务：当用户移动速率较高时，i m t - a d v a n c e d 能够提供 l0 0 m b i t s s 的数据传输业务l i j 。 从组网技术角度来看，i m t - a d v a n c e d 是以下面几项技术为基础：认知无线 电、泛在无线通信和协作通信、无线m e s h 等。协作通信通过协作的角度对物理 层传输技术、无线网络、无线信道等进行综合优化和设计，该技术广泛应用于 m i m o 、认知无线电及o f d m 等技术中，能够带来协作增益，提高无线频率的 使用率，因此得到广泛关注，成为下一代无线通信技术研究的热点之一。 1 2 协作通信特征及发展现状 通过协作处理后的网络的功能将大于单个网络的功能之和，即获得系统理论 中的“涌现”效应。协作通信的研究包括两方面：一是在单一无线网络内部，各 个移动用户通过协作以提高整个系统的性能；二是异构无线网络之间的协作，异 构网之间的协作不是各种无线通信技术、无线网络的拼凑，它涉及到频谱协作、 通信技术协作、协议设计协作以及业务协作等。 协作通信的基本思想最早是由c o v e r 和g a m a l 提出的，他们在研究中继信道 信息论特性时，分析了一个三节点( 源节点、中继节点和目的节点) 网络的容量。 他们的研究得出了多种情况下的中继信道容量界，从而奠定了协作通信的理论基 础。近年来，在l t e 系统中，多输入输出( m i m o ) 天线技术发展很大，由于考 虑无线终端受尺寸限制一般为单天线，因此，提出了一种新的解决方法一虚拟 第一章绪论 m i m o 技术。此外，为了节约系统资源，在无线传感器网络中，提出了多节点之 间相互协作的策略。由于上面两项技术的提出，近年来协作通信技术得到很大发 展。 1 2 1 协作m i m o 技术 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 ) 技术是利用多根天线进行发收的无线 通信技术。其主要特征是通过多径传播使得用户得到好处：利用m i m o 信道提 供的空间分集增益消除无线信道时变衰落、多径的影响，同时还能够增加信道的 容量。这种既能够提升无线系统性能，又不需牺牲频谱的技术已成为现代重要通 信技术之一。 但是，由于大小、功率的限制，移动终端一般为单天线，使得在实际中多天 线技术不能用于上行链路中，因而限制了m i m o 技术的应用。因此，提出了一 种新的空间分集技术协作m i m o ( c o o p e r a t i v em i m o ) 。协作m i m o 的基本 原理是在无线通信网络中单天线用户除了能传输自己的信息外，还能帮助其协作 伙伴发送信息【2 】。该技术的本质是利用自己的天线与同伴的天线形成虚拟m i m o 系统，然后得到空间分集增益。 由于协作m i m o 技术突破了传统的m i m o 的限制，因而提高了实际应用的 可能性。由于无线通信的广播特性，因此使得协作m i m o 具有协作分集的特点。 在无线通信系统中，用户发送的信息除了能被各自的目的用户接收到外，还能被 其他用户接收并做信号处理，从而实现协作通信。 1 2 2 协作中继传输 协作中继的信号处理方式有三种：前向放大( a m p l i 矽a n df o r w a r d ，a f ) 1 3 j 、 译码转发( d e c o d e da n df o r w a r d ，d f ) 1 4 及编码协作( c o d e dc o o p e r a t i o n ，c c ) 【5 】 o a f 中，中继只是一个简单的放大转发器，仅对接收到的信号进行线性处理。 中继在放大信号的同时，也放大了接收到的噪声，但是在基站能够接收到两条独 立的衰落信号，因此能够获得空间分集增益。该机制需解决的问题是对模拟信号 进行抽样、放大和转发。总之，该机制还是相当简单的协作机制，容易分析。 对于d f 机制来说，中继解码接收到的源节点信息，并转发译码后的再生信 息。中继对接收到的信号进行判决检测，之后对判决后的信号按照原来的编码方 式转发出去。此过程中，系统性能的改善是通过在不同空间传输信息得到的。 c c 是将信道编码与协作相结合，将解码后的协作伙伴信息再重新编码发送 2 第一章绪论 出去，从而能够获得编码增益和分集增益。由于编码协作不需要知道用户间的信 道信息，且性能良好，同时能够应用m i m o 的已有技术空时编码，因此， 编码协作成为关注的焦点。 1 2 3 用户协作传输 两个用户与基站通信，每个用户只有一根天线，因此，无法产生空间分集。 但是，如果一个用户接收到另一个用户信息后，将接收到的信息转发到基站，由 于信号经过了两条独立的信道传输到基站，这样就能够获得空间分集。 协作通信系统中，每个用户既要发送自己的信息，又要作为中继转发其它用 户信息，这样就会导致码速率和发射功率的折中。就速率而言，用户作为中继转 发协作伙伴信息，降低了信息传输速率，但由于产生了协作分集提高了用户的频 谱效率，信道码速率因此提高。对于发射功率来说也一样，用户转发信息要提高 发射功率，但是由于产生了分集增益，因此又可以降低发射功率。 1 2 4 协作通信技术特征 与直传相比较，用户协作是有好处的，协作增益可以带来两点好处：降低速 率对信道变化的敏感度和提高数据传输速率。由于协作增加的数据速率，用户的 发送功率可以降低，也就是说能够增加移动终端的电池寿命。 但是协作通信技术还存在这下面几个问题。 1 复杂度问题 在协作通信中，由于移动台要能检测上行信号，因此增加了复杂度。但是在 特定条件下，需要在性能增益和复杂度两者之间进行取舍。其实，协作通信的一 大特点是减小数据传输速率对信道变化的敏感度。这是由于，对于一些实时业务 所要求的最小速率，协作通信能够降低中断概率，从而服务质量能够更好。 2 安全问题 在协作通信中，为了对用户的数据进行保密，用户数据在传输前必须进行加 密，这样使得中继能够检测到用户信息，但无法理解，可是也增加了系统复杂度。 虽然未来的无线传输技术能够采用一定的加密方式。但没有调制技术能确保信息 传输的安全。 3 m a c 层及其上层协议问题 上文所提及的协作方案都是基于物理层的，但是在网络层及上层也有问题存 在。上述的协作方案中只有两个用户，也可以推广到多用户情况。但是，高层中 还存在一些问题，如谁与谁协作? 何时协作? 以及谁来选择协作伙伴? 当两个用 第一章绪论 户与基站之间的信道状况相似时，两者都愿意协作。但是，当用户与基站之间信 道情况不一样时，例如一个用户在小区中心。另一用户在小区边缘，这时情况就 复杂了，但是在协作时，总能找到一项协作策略使得两者都受益。协作通信m a c 的主要功能是决定在何种情况下，信道条件好的用户参与协作。 1 3 本文主要研究内容 本文研究的主要内容是研究中继选择方式以及在系统总功率受限条件下的 功率分配。 本文所作的工作包括两方面： 1 对已有的分集协议以及中继选择方案进行研究。这一部分包括介绍基本 原理，介绍协作分集协议和中继选择方案，其中包含协作分集的原理、含义和特 点，并且分类介绍了各种协作分集协议和中继选择方式。 2 基于机会中继提出了一种新的协作通信方案增强机会中继，分析了 增强机会中继的性能。此外，在增强机会中继中，当系统总功率受限时，研究了 一种最优化功率分配方案，分析了最优化功率分配时系统性能，并与等功率分配 做了比较。 1 4 本文组织结构 第二章介绍了无线信道特性、各种分集接收技术以及协作分集技术的概念、 原理和特点。 第三章研究了现有的协作分集协议，并对各种协议进行了比较。 第四章介绍了各种中继选择方案，并对各自性能进行了比较。 第五章提出了增强机会中继，分析了其系统性能，在该通信方案中，研究了 一种最优化功率分配算法，该算法以系统最小中断概率为目标，最后对其效果进 行了仿真分析。 第六章对全文总结。 4 第_ 二章分集接收与协作分集 第二章分集接收与协作分集 随着无线通信的发展，人们对无线通信的服务质量和数据传输速率的要求越 来越高。相对于主要传输语音数据业务的第一代、第二代无线通信系统而言，第 三代、第四代无线通信系统主要传输的是多媒体宽带数据业务，其数据传输速率 要求更高达l o o m b s - - i g b s 。因此，现在主要的研究对象是那些能够提高通信 质量、增加信道容量的新技术。可是，限制无线通信质量和无线通信速率的主要 因素是多径衰落。因此，现在研究的首要课题是如何对抗多径衰落以提高无线通 信的质量。 分集技术的提出就是为了对抗各种衰落，以提高无线通信的质量。分集技术 的基本思想是：发射机通过多个天线发送同一信号，使接收机能够接收到多个统 计独立的、包含同一信息的衰落信号，接收机再通过一定的合并方式将接收到的 多个统计独立的衰落信号合并以抵消衰落的影响。按照发送和接收各个独立信号 方式的不同，分集技术可分为：空间分集、时间分集和频率分集等几种方式。其 中空间分集的含义是，发送机通过多个天线( 不同位置) 发送信号，使得接收机 能够接收到多个统计独立的衰落信号，然后以一定的方式进行合并，这样可以有 效地抵消多径衰落所带来的影响，此外由于不需要占用多余的频率资源和时间资 源，并且可以与其它的信号处理技术相结合，因此空间分集成为最基本的分集方 式。 2 1 无线信道传播特性 发送端将信号发送出去，信号在到达接收端之前经历的所有路径，就称之为 信道。其中，如果发送的信号是无线信号，那么电磁波所经历的路径就称之为无 线信道。 发射机在将信号发送到接收端的过程中，信号会经过多种复杂的信道路径， 包括直射路径、散射路径、反射路径和衍射路径等以及多种路径的随机组合。同 时，各种噪声会在电磁波的传播过程中污染有用信号，包括乘性噪声、加性噪声 ( 如高斯噪声) ，因此会在一定程度上使信号信息损失，如果噪声干扰过大时， 会难以恢复有用信号。无线信号在传播的过程中，不单单在自由空间中会有相应 损耗，当受到建筑物、地形等障碍物影响时也会使信号功率受到衰减。 下面将对大尺度衰落和小尺度衰落进行介绍和分析。 第二章分集接收与协作分集 2 1 1 路径传输损耗 一般情况下，当发射机与接收机之间的距离在l l o r e 之间变化时，接收信 号功率的平均值基本上很稳定，但如果它们之间的距离过大时( 几百米或几千 米) ，接收信号的平均功率就会有很大变化，变化范围可能有几个数量级。当发 射机与接收机之间距离较大时，接收信号功率的平均值的变化趋势就是由路径传 输损耗来反映的。 在理想的自由空间传播环境中，接收信号平均功率p ，为 耻p ，( 南) 2 邵， ( 2 - 1 ) 其中，p t 为发射机的发射功率，g t 和g r 分别为发射天线增益和接收天线增益， 九为电波波长，d 为发射机与接收机之间距离。 将式( 2 1 ) 代入路径损耗公式，其单位为d b ，可以得出自由空间的路径损耗 【6 】为 p l ( d b ) 圳社p r 叫吨( 南) 2 p 2 ， 由式( 2 2 ) 可以看出，在自由空间中，信号的接收功率与距离的平方成反比， 但是实际的路径传播不仅与载波频率、传播距离有关，还取决于传播环境中的地 形、地貌以及收、发天线的长度等 7 1 。 2 1 2 阴影衰落 电磁波在传播的过程中，由于会受到各种树木、建筑物、植被以及起伏的地 形等障碍物的遮挡，从而会产生电磁场的阴影。当移动台经过不同障碍物阴影时， 接收天线场强中值会发生不同变化，这样就会发生衰落，而这种衰落就是阴影衰 落。又因为这种衰落的变化速率比较慢，也可称之为慢衰落。 阴影衰落的衰落速率主要是由传播环境决定，也就是与移动台移动的速率以 及移动台周围的地形有关，而与频率不相关。障碍物情况及信号频率决定阴影衰 落的深度。频率较低的信号相对频率较高的信号来说，其绕射能力更强：频率较 高信号相对频率较低信号来说其更容易穿透建筑物。 6 第二章分集接收与协作分集 2 1 3 小尺度衰落及多径效应 无线通信环境的主要衰落特征之一就是无线信道的小尺度衰落，其包含两个 方面：由于信道时变性引起的衰落以及因多径效应引起的衰落。其中，信道的传 输函数是随着时间变化，即在不同时刻发送相同的信息，在接收端接收到的信息 是不同的，这就称之为信道时变性；多径效应是指信号在传播的过程中，由于反 射、散射等影响，使得接收机接收的信号是发射信号经过多条路径后信号分量合 并的。 衰落信号相位的随机变化反映了无线信道的时变性，它是一种随机调频现 象。在多径传播环境中，多普勒频谱扩展是由于传播环境中的移动台的随机移动 以及收发天线之间的相对运动造成的，也就是说单一频率信号经过时变衰落信道 后会转变为具有一定带宽的信号，这称之为信道的时间弥散性( f r e q u e n c y d i s p e r s i o n ) 。 根据无线移动环境的统计，多径时变信道可以划分为几种典型的信道，主要 是以两方面作为信道划分的依据： ( 1 ) 时变特性( 信号相位的随机衰落) ； ( 2 ) 多径时延扩展特性( 信号包络的随机衰落) 。 多径效应会使信号产生时间弥散，多径信道的相干带宽b 。是与多径时延扩 展相关的一个重要概念，它反映了不同频率的信号经过衰落后的相互关系( 也就 是包络的相关性) 。 相关带宽反映了无线信道对信号包络的衰减具有频率选择性。按照信道的相 干带宽与信号带宽之间的关系，可分为两种衰落：平坦衰落和频率选择性衰落。 平坦衰落( f l a tf a d i n g ) 是指当信号带宽小于多径信道的相干带宽时由于多径 信道的时域弥散性而造成的衰落。在这种情况下，发射信号通过多径信道后，其 频率特性在接收端频谱上仍可以保持。频率选择性衰落( f r e q u e n c ys e l e c t i v e f a d i n g ) 是指当信号带宽大于多径信道的相干带宽时的多径衰落。此时，从时域上 看，符号周期小于信道多径时延脉冲响应，会出现码间干扰( i n t e rs y m b o l i n t e r f e r e n c e ) 。 由上文可以看出，造成无线移动信道环境恶劣的原因是：多径效应和多普勒 效应，这两者是相对独立的传播机制，信道的单位脉冲可以看作是在二维空间内 的函数，其自变量分别为时间和时延。按照多径效应与多普勒对无线信道的影响， 也可看作是，信号的符号周期和带宽与信道相干时间和相干带宽之间的关系，信 号所经历的无线衰减信道可分为：慢衰落信道、快衰落信道、平坦衰落信道和频 率选择性衰落信道四种不同信道。不同参数下的信道衰落类型如图2 1 所示i 引， 第二章分集接收与协作分集 其中，t s 为符号周期，b s 为发送带宽。 5 ，( 1 1 3 。) t ( 1 b s ) s 2 2 分集技术 i 釉i 率选样忤衰落彩i 牢选择件衰落 慢衰落快衰落 平_ 衰落 平灿哀落 慢衰落快衰落 0 t ；( 1 b s ) 图2 1 衰落信道类型和信号、信道参数的关系 影响无线通信质量的主要因素是衰落效应，其中快衰落的深度可以达到 3 0 d b - - 4 0 d b ，要想克服这种深衰落仅仅是靠增加天线的长度、加大发射功率等 方式是不现实的，而且可能会对其他节点造成干扰，此外，也不能简单地通过增 加信号带宽来提高信噪比，因此需要寻找新方法来对抗无线通信系统中的衰落。 为了增加无线通信系统的传输性能、对抗各种衰落，提出了一项重要技术一 一分集技术。分集技术研究的主要内容是通过多径信号来提升信号传输质量。由 于分集技术能有效增强无线通信系统性能，而且成本相对比较低，因此被广泛研 究与应用。由于不需要训练序列，所以分集技术相对均衡技术来说，节省了开销。 在无线传播环境中，通过查找和利用独立的多径信号来实现分集技术。信号 经过多径信道后，各个信号分量具有相互独立的信号路径以及近似相等的平均信 号强度，分集技术在接收端以一定的合并方式将各信号分量合并，这样就能抵消 多径衰落的影响，进而降低通信的误码率。在实际的应用中，都是由接收机来决 定分集接收技术的参数。 2 2 1 分集的基本原理 分集技术在接收端接收到同一信号的各个独立的样本之后，按照一定的信号 合并方式将样本合并。用来补偿衰落信道损耗，以抵消多径衰落所带来的影响。 无线衰落信道中的信号由于受到多径效应和信道时变性的影响，因此可能会受到 严重衰落。由于这种衰落的影响，除非有其它衰落程度比较小或衰落情况不一样 的信号。否则接收机不能够正确接收发送信号这种技术就是分集。分集的基本 第二章分集接收与协作分集 原理是：当信号经历多径信道时，有可能经历某一条信道后受到严重衰落，而经 历另一条独立信道后得到的信号仍然很强。因此在信号经过多径传输后，选择两 个或多个相对独立的信号分量，然后合并，这样它对于接收端的平均信噪比和瞬 时信噪比一般都能提升2 0 - - 3 0 d b 。 在噪声功率受限时，当信道状况不好时，若不采用分集技术，只有提高移动 终端的发射功率，才能保持通信链路的正常连接。但是，一般情况下移动终端所 能提供的发射功率是有限的，因为实际应用中移动终端的电池容量都是很有限 的。采用分集技术能够降低移动终端的发射功率，进而增加电池的寿命，这在移 动通信中是非常重要的。另外，对于蜂窝网络系统来说，由于干扰限制了系统容 量，当通过分集技术抵消信道衰落所带来的影响后，就能有效减小载波干扰比并 提高复用系数，进而能够提升系统容量。 理论和实践都证明，在空间、时间、频率、极化、场分量及角度等方面分离 的无线信号，都呈现相互独立的衰落特征。因此分集技术按照获得独立信号的特 点可分为空间分集、时间分集和频率分集等。空间分集是利用多副天线来实现的； 频率分集是通过在不同载波频率上发送符号，在频率域内提供信号的副本：时间 分集通过采用时间交织与信道编码，在时间域内提供信号的副本。为了获得好的 分集效果，空间分集要保证多个发送或多个接收信号之间的相互独立性，要求各 天线之间的距离足够大( 大于若干波长) ；时间分集要求发送冗余信号的若干时 隙之间相互独立；频率分集要求几个载波频率之间相互独立。由上可见，空间分 集技术是在保证数据传输速率和不牺牲信号频率带宽的同时获得分集增益，因此 能够应用广泛。 传统的空间分集主要是指接收分集，其系统模型为：在发送端采用一根天线 发送，信号经历多径信道后，在接收端通过多根天线接收。为了保证接收端接收 到的信号的衰落特性是独立的，接收端天线之间的距离应该足够大。在理想情况 下，接收天线之间的间隔距离为电磁波波长一半时，就足以保证各接收信号之间 是相互独立的。尽管接收分集能够有效抵抗衰落，但由于移动终端大小、尺寸和 实现的限制，因此接收分集技术一般用于基站和大的移动终端。由于发送分集能 够改善小型移动终端接收信号的能力，因此成为现在研究的热点。所谓发送分集， 就是在接收端只有一根天线用于接收，而在发送端有多根天线用于发送，且每副 天线平均分配发送信号的功率。 2 2 2 合并方式 通常在空间分集中采用合并技术，m 个相互独立的支路信号在接收端被接 收到后，合并要解决的问题就是如何利用这些信号来降低信道衰落的影响。一般 9 第二章分集接收与协作分集 采用线性合并的方式，将接收到的m 路相互独立的衰落信号加权相加后合并输 出。 设m 路信号的电压分别为r k t ) ，r 2 ( t ) ，r u ( t ) 。那么合并器输出电压r ( t ) 为 m ，( f ) = 口。，( f ) + 口：厂：( f ) + + 口 ，厂 ，o ) = 以。厂。o ) ( 2 - 3 ) k - i 式( 2 3 ) 中a k 为第k 路信号的加权系数。 不同的合并方法是由不同的加权系数所决定的，常用的有三种方法： 1 选择式合并 选择式合并是检测所有m 路信号，选择其中信噪比( s n r ) 最高的那一路信号 作为合并器的输出。也就是在式( 2 5 ) 中，加权系数a k 除了一项为l 外，其余的 均为o 。 假设r 为每个支路的平均信噪比，则可以证明，选择式合并的平均输出信噪 比为1 7 s = i ：。妻( 2 - 4 ) 式( 2 - 4 ) 表明，每增加一条分集支路时，使得平均输出信噪比提升仅为分集支 路的倒数倍，其合并增益为 g 。辱= ：。丢s 2 竿2 ：- 壶 ( 2 - 5 ) 在实际应用中难以测量s n r ，实际上是以( s + n ) n 作为参考【l o 】。这种方式 方法简单，但由于未被选择的支路信号不被使用，因此其抗衰落的性能不是最好 的。 2 最大比值合并 在所有的合并方式中，最佳的就是最大比值合并。为了保证各路信号在叠加 时是同相位的，m 个分集支路需要经过相位调整( 不同于选择分集) 。在送入检 测器前，将各路信号按适当的增益系数同相相加。 每一支路信号包络用饥表示。每一支路的加权系数a i 与噪声功率n k 成反比 而与信号包络坼成正比。 1 0 第二章分集接收与协作分集 在实际应用中，需根据每个支路的信噪比实际测量值来调整增益系数。 合并增益为【1 1 】 y = m r 鞭 g m - = 争= m ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) 由式( 2 6 ) 可知，最大比值合并的输出信噪比为各支路之和。因此，即使当各 支路信噪比过小，无法进行解调时，仍有可能通过最大比值合并，使合并后信号 信噪比达到解调要求。 最大比之合并是所有分集合并技术中，抗衰落性能最好的一种方式，因此， 在实际情况中，得到越来越多的应用。 3 等增益合并 在最大比值合并中，需要根据每个支路的信噪比实际测量值来调整增益系数 a i 【，这样比较困难，通常希望增益系数a i 【为常数，也就提出了等增益合并。等增 益合并各路信号是等增益相加的，所以无需对各支路信号加权。这种方式在合并 前也需要进行相位调整，然后再同相相加。这种方式性能比选择式合并性能好的 多，但是却比最大比值合并方式差一点。 等增益合并取a i 【= l ，其平均输出信噪比为 其合并增益为【l l 】 y = r 1 + ( ) 司 g = - ；- - g e f = 1 + ( u - 1 ) 三一 g e 。r ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) 当m 较大时，等增益合并与最大比值合并相比，其合并增益差了1 0 5 d b 。 这样，接收机接收到的信号都是有用的，而且很有可能从大量不能解调的信号中 合并出一可解调信号，而且其性能比选择分集好很多，比最大比值合并差一点。 以上三种合并方式简单性能比较如图2 2 所示 从图2 2 中，可以看出最大比值合并性能最佳，选择合并性能最差。从图中 l l 第二章分集接收与协作分集 可以看出，当n 较大时，等增益合并方式与最大比值合并方式性能接近。 甲 翻 萋 莲 莘 分支总数一m 图2 2 三种合并方式的平均信噪比改善与分支数m 的关系示意图 2 3 协作分集技术 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 ) 通过使用多根天线发送和多根天线 接收传输数据，获得较高的分集增益，进而增加信道的容量。它的主要特点是抵 消多径传播时带来的影响，将多径环境变为有利于用户的因素。但是在实际应用 中，移动终端受到尺寸、功率和实现等多方面的限制，一般为单天线，使得多天 线技术不能用于上行链路，从而使m i m o 技术的应用受到了限制。 为了解决上述问题，近年来提出了一种新的空间分集技术协作m i m o ( c o o p e r a t i v em i m o ) 。该技术的基本原理是：在多用户环境下，单天线用户不 仅发送自己的信息，在其空闲时也能帮助其它用户转发信息，即所谓的协作通信 ( c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n ) 。该技术的实质是利用自己的天线与其协作伙伴的 天线组成多发射天线，从而形成虚拟的m i m o 系统来获得分集增益。由于协作 m i m o 突破了传统m i m o 技术的限制，故使m i m o 技术离实用化更近了一步。 协作分集的形式有很多种，现在考虑最简单的中继模型，该模型由一个源节 点、一个目的节点和一个中继节点构成，如图2 3 所示i l 引。协作分集的过程分为 两步：第一步，源节点广播其信息，中继节点和月的节点接受信息，中继节点对 第_ 章分集接收与协作分集 接收到的信息做处理；第二步，中继节点转发处理后的信息，目的节点接收信息， 目的节点按照一定的规则合并接收到的信息，在这步中，源节点也可继续发送信 息。 图2 3 中继协作模型 协作分集本质上就是将自己的天线与其协作伙伴的天线构成虚拟多天线阵 列，从而获得空间分集增益。当用户没参与协作，而某个时段该用户又没有信息 要发送，这样就会造成该用户资源的闲置，可是协作分集能够充分利用该用户资 源。用户参与协作后，用户既要发送自己的信息又要发送其协作伙伴的信息，会 降低数据传输速率，但男一方面，由于产生了协作分集，用户的频谱效率也得到 了提高，信道码速率因此提高。所以，只要设计的协作方案合理，必然能使得协 作所付出的代价小于其所带来的增益。一般来说，协作分集充分利用了无线通信 系统资源，使系统性能更加优越。 2 4 小结 随着无线通信的发展，人们对无线通信的数据传输速率和服务质量的要求越 来越高。相对于主要传输语音数据业务的第一代、第二代无线通信系统，第三代、 第四代无线通信系统主要传输的是多媒体宽带数据业务，其数据传输速率要求更 高达1 0 0 m b s 1 g b s 。可是，限制无线通信质量和无线通信速率的主要因素是多 径衰落。因此，现在研究的首要课题是如何对抗多径衰落以提高无线通信的质量。 为了增加无线通信系统的传输性能、对抗各种衰落，提出了一项重要技术一 一分集技术。分集技术研究的主要内容是通过多径信号来提升传输信号质量。分 集技术按照获得独立信号的方式可分为空间分集、时问分集和频率分集等。空间 分集是利用多副天线来实现的，要求各天线之间的距离足够大( 大于若干波长) 。 空间分集技术是在保证数据传输速率和不牺牲信号频率带宽的同时获得分集增 益，因此应用广泛。 m i m o 技术是利用多根天线进行发收的无线通信技术。其主要特征是通过多 第二章分集接收与协作分集 径传播使得用户得到好处：利用m i m o 信道提供的空间分集增益消除无线信道 多径、时变衰落的影响，同时还能够增加信道的容量。这种既能够提升无线系统 性能，又不需牺牲频谱的技术已成为现代重要通信技术之一。 协作分集是一种新的空间分集技术，协作分集本质上就是将自己的天线与其 协作伙伴的天线构成虚拟多天线阵列，从而获得空间分集增益。参与协作的用户 既要发送自己的信息又要发送其协作伙伴的信息，也就是用户的天线与其协作伙 伴的天线组成多发射天线，从而形成虚拟的m i m o 系统来获得分集增益。由于 协作m i m o 突破了传统m i m o 技术的限制，故使m i m o 技术离实用化更近了一 步。 众多研究表明，协作分集可以有效抵抗各种衰落以降低系统中断概率，并能 够增加数据传输速率，提升信道容量，提高系统可靠性和性能。 1 4 第三章协作分集协议 第三章协作分集协议 协作分集协议有很多种方式，各种协议之间复杂度和性能之间差别很大。根 据中继节点对信息的信号处理方式不同可分为：放大前传( a m p l i f y a n d f o r w a r d ，a f ) 模式、译码转发( d e c o d e d a n d f o r w a r d ，d f ) 模式和编码协作 ( c o d e dc o o p e r a t i o n ，c c ) 模式。除了a f 、d f 和c c 三种协作模式外，还有另外 两种协作模式：选择动态中继( s e l e c t i o na n dd y n a m i c ) 和增强中继( i n c r e m e n t a l r e l a y i n g ) ，但是它们都是由上面三种基本协作模式改进和演化而来的。另外根据 协作通信第二步中继节点转发信号的信号发送模式可分为：编码协作( c o d e d c o o p e r a t i o n ) 分集、重复协作( r e p e t i t i o n - - b a s e dc o o p e r a t i o n ) 分集。 3 1 协作分集的系统模型 假设在蜂窝无线通信系统中，用户只有一个协作伙伴，用户与伙伴相互协作 与接收端进行通信( 这种假设很容易推广到自组网络、传感器网络等结构中) 。 由上文可知，用户除了发送自己的信息外，还转发从其协作伙伴那接收到的信息。 因此。用户信息在传输过程中经历两条信道，一条是用户自己的空间信道，另一 条是其协作伙伴的空间信道，这两条信道是相互独立的，信息到达接收端后，采 用一定的合并方式后，就能得到一定的空间分集增益。 霄 w 图3 1 两用户协作系统的信道模型 1 5 屹 第三章协作分集协议 系统模型如图3 1 所示，图中e l 和e 2 为两个用户，它们互为协作伙伴，分 别有自己的信息要发送，分别为w l 和w 2 。为了使得信息以最高速率传输到接 收端，用户协作传输。我们假设接收端为基站( b s ) 。 用户将信号发送给协作伙伴，信号包含衰落和噪声，协作伙伴将接收到的信 号和自己要发送的信号组合在一起，然后再将接收到的信号发送到接收端，也就 是说两用户信号经过叠加后发送给接收端。信道模型的工作过程可表示如下 】厂o ( f ) = k l o x 。( f ) + k 2 。x 2 ( f ) + z o ( f ) y l ( f ) = k 2 。x 2 ( f ) + z 。( f ) 】厂：( f ) = k 。：x 。( f ) + z ：( f ) ( 3 - 1 ) ( 3 - 2 ) ( 3 - 3 ) 上式中，下标0 ，l ，2 分别表示接收端、用户l 和用户2 ；x i ( t ) ( i _ l ，2 ) 表示 两个用户发送的信息：y i ( t ) ( 滓0 ，l ，2 ) 表示基站在二个符号周期内收到的信号的 基带模型：k i j ( i = 0 ，l ，2 ：j = 0 ，l ，2 ) 表示信道之间的衰落系数，为零均值的复 高斯随机变量，在一个符号时间内，其值保持不变，其包络服从瑞利分布，并且 k i j = k j i ；z i ( t ) ( i _ 0 ，l ，2 ) 表示基站、用户l 、用户2 接收到的加性高斯白噪声， 其服从均值为0 、方差为艿? ( i = 0 ，l ，2 ) 的正态分布。 通常认为。两个用户的信号叠加就是接收端接收到的信号。为了分析简便， 假设用户发送的信号不能被自己接收到。另外，假定各信道之间的状态信息是可 知的，并且系统可以精确同步。 3 2 协作分集协议 由前文可知，协作分集能够有效的抵抗信道衰落的影响，并且能够提高信号 的传输速率，不仅如此，协作分集还能提高系统的稳定性，减小信道变化对数据 传输速率的影响；此外，协作分集还能降低传输的误码率，减小系统的中断概率， 并且可以在网络覆盖范围不变的情况下，减小用户的发送功率。由于协作分集的 性能优越，因此越来越受到重视，下面介绍几个基本的协作分集协议。 1 6 第三章协作分集协议 3 2 1 放大转发协作模式 在协作通信中，放大转发( a f ) 是最简单的协作分集协议，它最早是由 l a n e m a n 等人提出的。在a f 模式下，源节点信息在中继节点处进行线性变换， 中继节点对接收到的信号不进行解调和解码，只是对接收到的信号进行放大和转 发。但是，中继节点不仅将接收到的信号进行了放大，还放大了信号传播过程中 所附加的噪声，所以对单路信号它没提升性能，但是对于几路信号来说，它们所 经历的信道是相互独立的，因此在目的节点处接收到的是几路相互独立的衰落信 号，它们可以按照一定的准则进行合并，从而获得分集增益。在a f 模式下，还 要通过一定的方法检测估计信道信息，这是因为目的节点做最佳判决时需依照信 道信息。此外，该协议还有个要考虑的问题是如何对模拟信号进行抽样、放大和 重传。l a n e m a n 等人研究表明，在该模式下，在高信噪比情况下，系统能够获得 的分集阶数是2 。a f 的原理如图3 2 所示。 图3 - 2 放大转发模式 由于功率的限制，因此中继节点的增益系数必须满足【1 5 】 p rs( 3 - 4 ) 其中p ，为中继节点的发送功率，p s 为源节点的发送功率。由式( 3 4 ) 可看出， p ，的取值与源节点和中继节点之间噪声功率n o 和信道系数h 有关。 l删 第三章协作分集协议 a f 模式可以看作是源节点和中继节点发送同一信息，不同之处在于，中继