（通信与信息系统专业论文）基于dftsofdm的协作分集技术研究.pdf

摘要 离散傅里叶变换扩频正交频分复用( d t f s o f d m ) 技术是3 g p p 中l t e 上行 链路的一种重要的传输方案，d f t s o f d m 技术是在o f d m 与单载波频域均衡 技术的基础上发展起来的，汲取了两者的优点，不仅可以有效的对抗信道的频率 选择性衰落，进行高速的通信传输，而且克服了正交频分复用技术峰值平均功率 比高的缺点。它采用带循环前缀的s c f d m a ，通过d f t 获得频域信号，然后插 零进行扩频，扩频后的信号再通过环f t 转换为时域信号。从而上行用户间就可 以在频域相互正交，并在接收机一侧得到有效的频域均衡。本文的主要工作概括 如下： 1 首先在研究d f t s o f d m 技术原理的基础上，对系统的信道估计问题进 行研究，对基于叠加导频的信道估计算法进行仿真实验，得出系统在 导频幅度a 为o 1 时性能最好，且系统性能随着子载波个数增大而提高； 此外分析了基于导频序列的几种信道估计算法的原理，并对基于导频 的信道判决估计算法进行仿真与性能分析。 2 在详细分析了交织多址( i d m a ) 接入技术的基本原理和实现方法的基 础上，依次说明发射机结构和接收机结构，详细阐述码片级迭代多用 户检测算法。在此基础之上，构建了一种基于d f t - s o f d m 的i d m a 系统模型，仿真研究了该模型的误码率性能，结果表明 d f t - s o f d m i d m a 系统的性能远优于d m a 系统。 3 针对水声信道的特性，研究了协作分集技术在d f t s o f d m 水声通信 系统中的应用，在对协作分集技术的原理和实现方法详细研究和分析 的基础上，将协作分集技术与d f t - s o f d m 技术结合起来，并对其进 行研究。 4 最后，对基于d f t - s o f d m 的协作分集技术进行了水池实验并分析实 验结果。实验结果表明，通过协作通信，能够有效提高系统误码率性 能，且在解码转发协议下，系统性能更优。 关键字：d f t - s o f d m ；叠加导频；d m a ；协作分集 1 a b s t r a c t a b s t r a c t ：d i s c r e t ef o u r i e r 眦s f o n na i l ds p r e a do r 吐l o g o n a l 眈q u e n c yd i v i s i o n i n u l t i p l e x ( d f t - s o f d m ) t e c h i l i q u ci s 趾i n l p o r t a n t 仃a n s m i s s i o ns c h e n 屺i nl 0 n g t e me v o l u t i o no f3 r dg e n e r a t i o np a n n e r s 脚p r o j e c t ，w l l i c hi sd e v e l o p e d b a s e do n m et e c h o l o 西e so fo 吡o g o df r e q u e n c yd i v i s i o nm 出p l e x ( 0 f d m ) 趾ds 啦l e c a 订i e rf r e q l l e n c yd o m a i l l 脚l a l i 刎o n ( s c f d e ) nh a sa l lm e 以o fo f d m 孤d s c - f d e ，n o to i l l yh 嬲e 毹c t i v ec 印a c 姆o fa n t i - 硫e 疵r 锄c e1 1 i 9 1 l s p e e d 锄d1 鹕e c 印a c 蚵恤1 1 s m i s s i o n ；b u ta l s oo v e r c o m e s 廿1 e 姗a c ko fh i 曲p e a k t 0 - a v e r a g e p o w e rm t i oi no f d m d f t - s o f d ma d o 幽血es c f d m a 砌c hh a sc y c l i cp r e 血 a tm s tt h es i g n a li s 臼嬲f o n n e dt o 丘e q u e n c yd o n l a i nm r o u g l lf a s tf o u r i e rt m s f - o 皿， s p r e a d e db ya c c e 豁o r i a lz e r o s ，m 瞰m es i 粤l a li s 仃a n s f 0 彻e dt o 劬ed o m 血、v i 也 i i i v e r s ef a s tf o u r i e r1 h l l s f o m t h em o t i v 撕o ni st 0 l l i e v eo m l 0 9 0 n a l 时谢me a c h o t l l e ri n 丘e q u e n c yd o m 血觚d 也ee 任e c t i v ee q u a l i 嬲：t i o na tt 1 1 er e c e i v e r t h em a i n c o n t e n t sa r e 翻山：姗a r i z e da s ： mc h a 眦le 删o no f t h es y s t e m 埘nb ed i s c u s s e db y 缸r e s e a r c ho f 圮 d f t - s o f d mt e c l l n o l o g y ，a n dt l l ep e r f o 姗觚c eo f 圯s y s t e m 丽1 1b ee v a l u a 【t e d 硪盯 t h cs u p e r i i i l p o s e dp i l o ts e q u c n c et e c h i l i q u eh 部b e e na p p l i e d ，s i i r l _ u l a ：c i o n s u h ss h o w t l l a t 也ep e r f b m a n c ei sl 硫盯t 0 也em m l b 盱o fs u b c 删e r s 趾l dr c a c h e s 也cp e a kw h e n t h e 锄叩l i t u d eo fp i l o ti so 1 ；t l l ep i l o t b 嬲e dc h a m l e le s t i 】 i l l t i o nm e t l l o d 、访l la l s ob e i 1 1 v e s t i g 纳e di nt l l i st h e s i s ，硪e rt ：h cs i l l l u l a ：c i o ni 1 1m a t l a bo f t l l ed e c i s i o ne s t i i i l a t i o n w e w i l la 彻l 弘醵也ep e 怕m a n c eo ft h es y s t e m 1 1 l i sd i s s e r t a l i o n 丘r s t l yi n 们d u c e s t 1 1 e劬d a m e n t a l p 血c i p l e 孤d i m p l e m e n t a t i o no fd m a 1 k m as y s t e mm o d e l i sp r e n t e df o r 昀n s 面t t e ra n d 嗽e i v e rr e s p e c t i v e l y t h ec l l i p - b y c 1 1 i pi t e r a t i v em u l t i l l s c rd e t e c t i o ni se x p a t i a t e d 谢m 廿1 ce n l p h a s i s0 ne l e m e n ts i g n a le s t i l i l a ：t e s e ) a l g o r i t l l r na n di n l p l e m e n 协t i o n o n 廿1 ef o u n d a t i o na b o v e ，ad f t s o f d mb 觞e di d m a s y s t e mm o d e l i sc 0 n s 讯l c t e d ； s 圳a t i o ni sd o n et 0 毗s t i g 如m eb i t - e 玎0 r r a t e e r ) 砌u e n c e 梳t o r so f p e 墒彻觚c e i sa l s o a n a l y s i z e dq u a l i 枷v e l y w b c 姐c o n c l u d e衄n l e d f t - s o f d m i d m as y s t e mp e r f o m sb e 位e rt h 趾i d m as y s t e m i nt ：h e 、，i e wo ft h eu n d e r 、a t e ra c o l l s 缸cc h a 珊1 e ld i 獬t e r i s t i c ，w e 、析u i n v e s t i g a t e m ea p p l i c a t i o no fc 0 0 p e r 疵ed i v e r s 埘t e c h n o l o g yb 褐e do nn 圮 d f t - s o f d ms y s t e m o nt h ef b 吼i 蜥o no fm e 丘l n d 锄e n _ c a l 砸n c i p l e 锄d u i i l l p l e m e m a t i o no fc 0 0 p e r a t i v ed i v e r s i 劬吐l em ws y s t e mo fc o m b i n i i 玛d f t s o f d m 删lt 1 1 ec 0 0 p e r a t i v ed i v e r s 时t c c l l l l o l o g yi st l l e ni n 们d u c e d a tl a 瓯t l l ep e r f 0 衄a i l c eo fc o o p e 瑚【t i v ed i v e r s i 够t e c h n o l o g yb a s e do n 吐1 c d f t - s o f d ms y s t e ma r es i l n l l l a t e d 璐吨d i 彘r e n t 出m n e lm o d e l sa n dw a t e rp 0 0 l e x l 婶r i ：m e n t sa r e 证1 p l e m e n t e d b 印豳c n tr e s u 【l t ss h o w 也a tt h ep e d 0 n n a n c eo fb e r h 嬲b e s i 嘶f i c 锄n yi i i l p r o v e db yc 0 0 p e r a ：c i v ec 0 伽m i l l i c a t i n g 觚dt l l es y s t e m p 屺：r f 0 m sb e t t e rw i l e nd e c o d e a n d - f o ，砒dp t o c o li s 黜n p l o y e d k 盯w o r d ：d f t s o f d m ；s u p e r i m p o s e dp i l o t ；i d m a ；c o o p e m t i 、，ed i v e b 姆 基于d f t s o f d m 的协作分集技术研究 1 1引言 第1 章绪论 近年来，随着社会生产对资源需求的逐渐加大，而陆上资源已日益枯竭的趋 势，人类对具有丰富种类和储藏量的海洋资源进行开发利用的活动越来越频繁 【1 】 2 】。如对海洋资源的调查开发，对海洋动力学过程和环境进行监测；利用海 底、海中、海面进行娱乐和知识相结合的旅游中心综合开发的建设；建立水下军 事系统，进行水雷遥控、潜艇之间或其它水下无人作战平台之间传输信息等。这 些都需要大量信息的采集和传输工作，从而，水下通信的研究也就成为了一个必 要的课题 3 】。但是电磁波在海水中衰减极快，传播距离非常有限，目前发展相 对成熟的无线电通信技术无法应用到海洋通信中。虽然通过光纤技术可以实现高 速稳定的水下通信，但对于远距离的水下信息传输，光纤技术的应用受到了极大 的限制，所以声波仍然是目前水下唯一可以进行远距离信息传输的媒体。而水声 信道是一个极其复杂的时空频变随机多途径传输信道，而且还具有环境噪声高、 带宽窄、载波频率低、传输延时大等特点，这些都是制约水声通信系统的信息传 输速率和通信质量的因素 4 】。相比于有线和空中通信技术的飞速发展，水声通 信的发展相对滞后。如何进行高速稳定的水声通信是当前的一个难题和国内外研 究的热点 3 】。 1 2水声通信的发展 水声通信的历史最早可追溯到1 9 1 4 年，水声电报系统的研制成功，可以将 其看作水下无线通信的雏形。那时起，一些水下通信设备相继研制成功，并在军 事领域得到广泛的应用 5 】。而1 9 4 5 年于美国海军水声实验室研制的水下电话是 世界上首个具有实际意义的水声通信系统，系统采用单边带调制技术，用来与潜 艇进行通信，载波频率为8 3 3 k k ，能够在几公里远的距离上传输水声通信信号。 模拟频率调制技术多为早期的水声通信所使用，但模拟调制并不能减轻由水声信 1 基于d f t - s o f d m 的协作分集技术研究 道衰落而引起的畸变，这大大抑制了系统性能的提高 6 】。 7 0 年代随着电子技术和信息科学发展的突飞猛进，水声通信技术也得到了 迅速的发展，数字调制技术开始应用于新一代水声通信系统中，其主流是幅移键 控( a s k ) 、频移键控口s k ) 和相移键控( p s k ) ，以及由此派生出的各种变形方式。 在水声通信中采用数字技术的重要性在于可以利用纠错编码技术来提高数据传 输的可靠性，并且能够对在时域( 多径) 和频域( 多普勒扩展) 上的信道畸变进 行各种补偿。在近十几年，水声通信尤其是高速水声通信有向相干通信发展的趋 势，并且随着处理器技术的提高，一些新的技术逐渐在水声通信的信号处理算法、 调制方式等中开始使用，如空间调制技术、分集接收技术、自适应均衡技术等。 下面介绍一下水声通信的发展过程。 ( 1 )非相干水声通信研究结果 表1 1 近年来非相干系统的实验情况 数据率： 研究者编码方案带宽：h z带宽效率距离：虹误码率 b p s m 0 玛e r a 0 5 鲥d 5 00 0 1n a n 人 g a n d d4 0 n an f 久 4 o ( s ) 1 0 2 c a t i p 0 v i c 1 2 0 0汉明码5 0 0 0 0 2 4 3 0 ( s ) 1 0 - 2 删sq 3重发 6 0 0 0 4 0 l o _ 4 2 o ( d ) n a c o a t c s7 5 1 5 0 00 0 5 5 o ( d ) 1 0 3 h i u3 6 0 5 5 0 0 o 0 7 6 o ( d ) n | 久 f 托i t a g 2 5 0 0卷积码 2 0 0 0 0 0 1 3 3 7 ( d ) 1 0 - 4 f r e 吨 6 0 05 0 0 00 1 2 2 9 ( d ) 1 0 - 3 m a c k e l b u 唱 1 2 5 01 0 0 0 0 0 1 3 2 o ) n 人 s c u s s e l2 4 0 0h a d a n 删 5 1 2 00 4 7l o on a 注：此表中。n 臆”表示在发表的文献中没有提到该数据，。s ”表示浅海的结果，“d ”表示深海的结果， 一个垂直方向的信道。 根据水下信道的传播特性，信号的频率成分大部分仍然包含在其原始信号的 带宽中，而信号的相位和幅度由于混响的作用会在空间和时间域上变化很大，由 2 基于d f t s o f d m 的协作分集技术研究 此多进制频移键控调制( s k ) 便成了非相干解调方案的选择。s k 具有潜 在的频率分集性能和较高的可靠性，特别适用于远距离、低比特率的导航设施和 命令信息传输。然而，虽然m f s k 系统可靠，但当通信速率加大时，要取得同 样的速率则要求相对较大的通信带宽，这就限制了它在高速通信领域的应用。为 了获得较高的传输速率，通常采用m f s k 以及复杂的编码技术使得相邻子信道 可以同时传输不同的信息比特。目前，非相干系统的研制所面临的主要任务是通 过自适应地调节参数使得系统达到最佳化从而适应信道环境，以达到最远的传输 距离以及最高的数据率与可靠性。表1 1 列出了过去三十年间国外的一些重要的 非相干系统的试验情况。其中带宽有效率为数据率与带宽之比，表示系统的低有 效带宽利用率的特点。 ( 2 )相干水声通信研究结果 与非相干技术相比，相干通信技术在最近的十年里发展的更快、研究成果也 更多。相干通信技术首先应用于近距离水平信道与垂直水声信道，因为这些信道 衰落时间小，多途效应不明显，相位稳定性比较好，可以直接采用陆地无线通信 的成熟技术。日本冲绳电气公司为水下机器人研究开发的系统主要应用在水平水 声信道，该系统采用载频1 姗z ，数据率是5 0 0 k b p s ，调制方式为1 6 q a m ，并采 用一个自适应线性均衡器( 使用l m s 算法) 提高系统性能，使系统能够在6 0 米的范围内实现水下机器人和水下平台之间的通信。日本的水声图像传输系统主 要应用于深海垂直信道，它采用了4 d p s k 通信，中心频率为2 0 姐z ，可以从6 5 0 0 米深的海底向海面传输数据，通信速率达到了1 6 k b p s ，同样采用了基于l m s 算 法的线性均衡器。另外一个成功的相干通信系统是法国研制的水下图像数据传输 系统【7 】【8 】，该系统采用d p s k 调制，中心频率为5 3 k h z ，通信速率为1 9 2 k b p s ， 可以在2 0 0 0 m 的距离上实现数据传输。自上世纪9 0 年代以来，水声数据离速率 传输技术得到迅猛发展。目前已实现的具有代表性的成果如表1 2 近年来发展的 相干水声通信系统所示： 基于d f t - s o f d m 的协作分集技术研究 表1 - 2 近年来发展的相干水声通信系统 数据率带宽载频 主要参与者调制方式 距离( k l n )误差概率 o 【b p s ) s 啦m l 【i 4 ，8 ，p s k 2 0 - 3 01 0 2 53 5 d 1 0 4 k a y a1 6 删 5 0 01 2 5 1 0 0 0o 0 6 d 1 0 7 4 ，8 p s k s t o j a n 0 v i c o 6 3 0o 3 1 0 1 0 8 9 - 2 0 3 s ，d 1 0 - 2 8 q 蝴 g o a l i c q p s k 63 6 00 0 4 sn a l a b a t q p s k 63 6 04 0 dn | 入 m “b p s k2 02 0 5 00 9 s1 0 - 3 j a r 、r i s b ，q p s k 1 1 - 2 2o 6 2 2 n a o 5 - 8 0 s ，d 1 0 - 4 c 印e l l 强0 b p s ko 2o 2 75 0 d 1 0 - 4 c a p e l l 趾o b p s ko 2q 2 n5 0 d ，经过交织后作为输入的先验信 息k ( 磁( 脚送入e s e 模块完成迭代运算。经过m 次迭代之后，k 个用户的译 基于d f t - s o f d m 的协作分集技术研究 码器就可以分别产生相应信息序列的硬判决值0 。这里，我们主要介绍d e c 模 块的基本算法，即为重复码d e c 与卷积码。 重复码的编码是指把信息比特o 编码为s 长的 0 ，l ，o ，1 ， ，1 编码成s 长的 1 ，0 ，1 ，0 ，) ，然后进行b p s k 调制，将0 映射为- l ，1 映射为+ 1 。然后分别乘上 扩频重复单位= 一l ，1 ，一l ，1 ， ，长度为j 。所以我们要利用e s e 模块输出后再 经解交织的每一个码片的对数似然比三( q ( _ ，) ) 计算每一比特后验概率对数似然 比信息，公式如下所示： 蚴) ) _ l o g ( 搿) 兀瞰气( ) = & ( 川，( 朋 = l o g ( l 一 兀p “气( ，) = 吨( 刮，( 歹) ) j i l = 扣器燃， = 扣m g c 器箬怒， = & ( ，) ( 气( ，) ) ，1 1 ( 3 - 1 2 ) 其中刀 l ，2 ，3 ，) 。而更新的外信息( 嚷( j f ”则定义为计算出的后验概 率对数似然比减去先验的码片概率对数似然比，如式( 3 1 3 ) 所示： 砒h 咄器骘m 妫 式中，当& ( j f ) = 畋( 刀) 时，q ( ) = + 1 ，否则，q ( 歹) = 一1 。由此，我们可以 得到： ( c 七( 歹) ) 2 & ( 舭( 畋( 以) ) 一三( c 七( 妫 ( 3 1 4 ) 这样，通过d e c 计算出的( 气( 埘在通过交织器后进入e s e 模块进行对 三( 稚( 埘的计算。 基于d f t - s o l d m 的协作分集技术研究 3 1 2 3 接收机算法总结 i d m a 主要分为e s e 、交织，解交织器及译码模块这三部分。对于k 个用户 的检测系统，e s e 模块有两个输入接口和一个输出接口；而每一个用户的d e c 模块有一个输入端口和两个输出端口，这个多用户检测的流程如下： ( 1 ) 初始化即第一次迭代时： e ( ( ，”= o ；肋瓴( j f ) ) = 1 ( 2 ) 根据接收到的信号，( _ ，) 计算基于码片的对数似然比三魄u ) ) 。然后 三( ( _ ) ) 经过解交织，输出( q ( _ ) ) 。 ( 3 ) d e c 解码器：将( 咯( 歹) ) 送入d e c 模块，得到更新的基于码片的对数似然 比( 嚷( ) ) 。 ( 4 ) 哆d 配( 气( ，) ) 再经过交织后回到e s e 模块，作为e s e 的外信息更新e ( 故( ，) ) 和肋( 耳( _ ，”。然后回到( 2 ) ，进行下一次迭代。 ( 5 ) 判决。 迭代结束后，再对a p p 解码的软输出做硬判决就可得到每个用户的接收码 流。在迭代检测的过程中，第一次迭代的时候，无论每个用户发送的信号是怎样 的，经e s e 模块输出的每一路信号的码片对数似然比都是相同的，所以只有在 交织和解交织后，通过两次以上的迭代，才能计算出每一路信号的信息似然比。 3 2i d m a 系统性能分析 3 2 1不同迭代次数时m m a 系统性能分析 如图3 - 2 为不同迭代次数下m a 系统的误码率曲线。在仿真中，信道环 境为a w g n 信道，用户个数为2 4 ，系统仿真2 0 帧，用户数据长度为1 0 2 4 ，扩 频码采用重复编码 1 ，一l ，1 ，一1 ，l ，一l l ，一1 ，长度为1 6 ，交织深度为 1 0 2 4 1 6 = 1 6 3 8 4 c l 卸，分配给用户的码片交织器是由系统随机产生。多用户检测 迭代次数分别为1 ，2 ，3 ，5 ，1 0 ，2 0 。 基于d f b s 0 f i ) m 的协作分集技术研究 图3 2 不同迭代次数时i d m a 性能图 由图3 - 2 可以看出，迭代次数为1 时，系统的误码率最大，随着迭代次数及 信噪比肋0 的增加，系统b e r 性能得到较大的改善。当迭代次数达到5 次以 上时，系统性能的改善就比较微弱，这是因为刚开始迭代时，e s e 模块与d e c 模块的信息是相互独立的，随着迭代的过程会逐渐变得越来越相关，以至于最后 迭代几乎不会改善系统的性能，反而过多的迭代操作会造成系统不必要的延时和 能量消耗。因此，在这里，5 次迭代已经足够。需要注意的是，不同的用户个数 会有不同的最佳迭代次数，这同样可以通过仿真实验获得。 3 2 2不同用户条件下i d m a 系统性能分析 图3 3 为不同用户个数条件下i d 凇系统的误码率曲线。在仿真中，信道 环境为a w g n 信道，迭代次数为1 0 ，系统仿真2 0 帧，用户数据长度为1 0 2 4 ， 扩频码采用重复编码 1 ，一l ，1 ，一1 ，1 ，一l l ，一1 ) ，长度为1 6 ，交织深度为 1 0 2 4 木1 6 = 1 6 3 8 4c 螂，分配给用户的码片交织器是由系统随机产生。用户个数分 别为1 ，8 ，1 6 ，2 0 ，2 4 。 基于d f t s o f d m 的协作分集技术研究 图3 - 3 不同用户个数时l d m a 性能图 由上图可以看出，在信噪比比较低时，系统的误码率是随着用户个数的增多 而逐渐变高的，但单用户、8 用户、1 6 用户、2 0 用户、2 4 用户之间的误码率性 能差异不是很大。随着信噪比劢0 的增加，几条多用户的b e r 性能曲线逐渐 向单用户的b e r 性能曲线逼近。通过仿真我们可以看出i d m a 能够优先的对抗 多址干扰，即使用户较多时也能获得良好的性能。 3 3d f t - s o f d m 1 d m a 系统模型 d m a 是第四代移动通信的技术热点之一，与c d m a 系统相比，它的多用 户通信性能更加优越、接收复杂度更低，是一种具有较高容量的无线通信技术 【4 2 】。目前，d m a 系统与其他现代热门的无线通信技术( 如o f d m 等) 的结合及 优化其系统性能已经成为研究热点。正交频分复用( o f d m ) 是第四代( 4 g ) 移动 通信系统的核心技术之一，它能有效对抗频率选择性衰落和码间干扰 ( h t e r - s 蛐o lh 他疵r e n c e ，i s i ) ，但也存在一些缺陷，如峰均比( p a p r ) 较高、 对频率偏移比较敏感及小区干扰严重等。上一章我们介绍了d f t s o f d m ，它属 3 2 基于d f t - s o f i ) m 的协作分集技术研究 于单载波正交频分复用( s c o f d m ) 技术，在保持了o f d m 的主要优点的基础上， 又较好的解决了峰均比高的问题。在o f d m i d m a 系统的基础上，我们将 d f t s o f d m 与i d m a 技术相结合起来。下面我们介绍一下d f t s o f d m i d m a 系统模型。 3 3 1发射机结构 图3 _ 4d f t - s o f d m id m a 发射机框图 图3 4 是d f t s o f d m m m a 系统发射机框图，其中扩频和交织部分与前 述d m a 发射机构造相同。数据序列经过传统d m a 发射机端的处理之后，再 进行d f t s o f d m 调制。即交织后的序列先进行数字调制，如b p s k 或q p s k 等，数据通过f f t 变换后再通过串并变化后转换成并行数据序列，然后将q 倍 过采样后的数据进行i f f t 变换，再利用快速傅立叶变换f t 将数据流中的数 据调制到不同子载波上。最后为了消除多径信道造成的i s i ，在每一个 d f t s o f d m 符号里插入循环前缀，成为一个新的信号。最后各个用户的信号一 起进入信道传输。 3 3 2接收机结构 图3 5 所示为d f t s o f d m i d m a 系统接收机框图，其中基本信号检测器 但s e ) 、交织解交织及译码模块( d e c ) 与i d m a 接收机的接收部分相同，其它为 d f t s o f d m 解调部分，是与发射机对应的逆过程，对接收到的信号去循环前缀 之后做f f t 变换，解调出各个子载波上的信号。然后进行下采样及并串转换， 将并行的数据流恢复成串行的码片序列。接着进行i f f t 变换，此时的序列包含 3 3 基于d f t - s o f d m 的协作分集技术研究 了所有用户的信息，在将该序列送入基本信号检测器( e s e ) 模块，后面的操作与 i d m a 系统中迭代多用户检测的过程相同。 图3 5d f t - s o f d m 1 d m a 接收机框图 令第k 个用户的数据序列为咯，经过扩频、交织、q p s k 符号映射和串 并转换后得到符号序列u ) ，七= 1 ，2 ，3 ，k ，= l ，2 ，3 ，一l ，其中为子载波数。 则经过d f t 扩展之后： 瓯( f ) = 刃可( 而) r - l一，2 肼 = 黾“弦苛 o f 胛 瑚 ( 3 1 5 ) 式中r 为码元周期。d f t 扩展后的信号经过q 倍过采样后为五( ，) ， 0 f ( m 1 ) 丁，膨= q 。此时，得到的频域信号 五( r ) 经过i f f t 操作变换得 到时域数据序列 袁o ) ，o ，s ( m 一1 ) r ，即： ：卿o ) ) ：羔鼍2 石暑 ：窆p 伽寺 ：兰艺u ) p 哪疗以2 皆 ：艺艺而p 伽警 ”叫o 【3 1 6 ) 因而芷个用户的信号总和为 基于d f b s o f d m 的协作分集技术研究 经过信道后，到达接收端的信号可表示为： o f ( 肘一1 ) r ( 3 1 7 ) ，( f ) ：壹兰芝而g 胁警+ 刀( f ) o f ( m 一1 ) z( 3 1 8 ) 在接收端对d f t s o f d m 信号进行解调，先做f f t 操作： 砸，= 击m = 击强伽警瑚，p 西 然后，q 倍下采样之后再进行i f f t 操作 d ( 聊) = f c o ) 9 7 丽咖 o = 去m 矿当p 等搠 = 去研辩护曙州小龟等妣 = 击姜噍射p 警p 信砌 + 击m 打警p 旧2 。， 上式中，第一项为解调后的符号，包含了所有用户的信息，第二项为仍然 存在的噪声，当朋= ，时，可以解调出第册个码片。因为解调后的序列0 ( 聊) 包含 了所有用户的信息和噪声之和，所以需要根据前文所述进行码片级迭代多用户检 测。 3 4d f t _ s o f d m - ld m a 性能分析 1 ) 用户数对系统性能的影响 图3 - 6 为不同用户个数条件下d f t s o f d m i d m a 系统的误码率曲线。在 仿真试验中，假设信道环境为加性高斯自噪声信道，其中a w g n 信道的噪声方 _ ：= j 案 甜 ，p 而 州枷m 脚置胤 = 、j r 胤 = d文 基于d f t - s o f d m 的协作分集技术研究 差为盯2 o o 是噪声功率谱密度。系统仿真2 0 帧，用户数据长度为1 0 2 4 ，扩 频码采用重复编码 1 ，一l ，l ，一1 ，1 ，一1 ，长度为1 6 ，交织深度为1 0 2 4 1 6 = 1 6 3 8 4 c 1 1 i p ， 采用随机生成的交织器，调制方式为q p s k 。用户个数分别为1 ，8 ，1 6 ，2 4 ，3 2 。在接 收端，多用户迭代接收机的经过2 次迭代后译码，迭代检测后再做硬判决，输出 信息比特。 ： 殳 盆 eei _ 日 日 日 夸单用户 吟 令一8 个用户 ： 寻一1 6 个用户 廿2 4 个用户 e 一驼个用户 图3 - 6a w g n 信道下用户个数对系统性能的影响 如图所示，在各用户都没有能量分配的条件下，随着信噪比e 6 0 的增加， 不同用户个数的性能曲线仍然会去接近单用户的b e r 性能曲线。当用户数较少 时，误码率曲线随信噪比下降的速度很快，接近单用户。用户数较多时，下降的 速度减慢，甚至没有变化。这是由于用户数较少时，加性噪声是主要的干扰源， 因此随着信噪比的增大其效应逐渐降低，误码率也随着减小。而当用户很多时， 多址干扰是主要的干扰源，所以即使信噪比增大，其效应也不会随之减小，而是 始终存在，所以导致误码率一直很高。 2 ) 频率选择性衰落信道下用户个数对系统性能的影响 图3 7 的参数设置与上面相同，信道模型为a w g n 与r a y l e i g l l 多径衰落信 道，i 乙a y l e i g l l 信道最大多普勒频移为2 0 0 h z ，此时信道比较恶劣，接收端的迭代 次数为1 0 。由图3 7 可以看出，在频率选择性衰落信道下的情况与图3 6 体现 的趋势相似，原因同上。 a o 世山赫露蝼 基于d f r s o f d m 的协作分集技术研究 据流，降低了符号速率，在加上循环前缀的作用，削弱了i s i 的影响。其实，这 一点o f d m 调制也可以做到，但是0 f d m 的峰均比高，而d f t s o f d m 却没有。 从这个意义上讲，d f t s o f d m m m a 系统既继承了o f d m i d m a 的优势，又 消除了它的缺陷。 3 5本章小结 本章首先介绍了d m a 的基本原理与实现方法，然后结合第二章的 d f t s o f d m 系统，详细介绍了d f t s o f d m i d m a 系统的基本原理和构成，重 点介绍了系统的发送端的发送原理和接收端的接收原理。并且在此基础上对系统 在不同信道环境下进行仿真和分析，结果表明新的系统在单用户情况下获得了优 良的误码率性能，并且表现出了良好的多用户性能。 基于d f t - s o f d m 的协作分集技术研究 第4 章d f t s o f d m 与协作分集技术结合研究 4 1协作通信系统模型 协作分集是一种新的实现空间分集增益的方法。目的是为了将空间分集的好 处推广到单天线系统。这里，网络中的多个终端协作形成一个虚拟天线阵列以分 布式的形式实现空间分集增益。已经通过信息论工具证明，所有协作分集的算法 都可以获得全空间分集，就好像每个终端都有整个协作终端的发送天线一样。这 样分集增益就转化成在同样的发送功率的条件下，大大地提高了对抗衰落的鲁棒 性，或者在同等性能条件下充分地减少了发送功率【4 3 】。协作分集的具体实现过 程可以分为两步： 第一步，源节点以广播方式发送信号，使得目的节点和中继节点都可以接收 到信号，中继节点对接收到的信号进行适当处理。 第二步，中继节点将处理后的信号发送往目的节点，此时源节点可以向目的 节点发送重复或者新的信号，之后目的节点会按照某种规则合并所接收到信号 【4 4 】。 协作分集的基本概念可以通过图4 1 所示两个节点相互协作的协作分集模 型来理解它的设计思想： 图4 1 两节点互相协作的协作分集模型 3 9 基于d f t - s o f d m 的协作分集技术研究 上图所示的协作分集模型中，包含四个节点：s o 硼c e l ，s o u r c e 2 、d e s t i n a l i o n l ， d e s t i n a t i o n 2 。为便于分析，本文考虑的通信的场景为源节点s o 瑚c e l 向目的节点 d e s t i n a t i o n l 发送消息，此时，s o u r c e 2 作为中继节点协助节点s o c e l 与 d e s t i n a t i o n l 之间的通信，而节点s o u r c e l 也在作为源节点的s o u r c e 2 与目的节点 d e 删o n 2 通信时起相同的作用。也就是说，当源节点s o u r c e l 与目的节点 d e g 血鲥1 通信时，由于两个节点s o u r c e l 、s o u r c c 2 到目的节点d e s 血a t i o n l 之间的信道是相互统计独立的衰落信道，因此节点s o u r c e l 可以将自己的信号同 时给伙伴s o u r c e 2 发送一份，通过在自己及协作伙伴的信道上共同传输给终端 d e s t i n 撕0 n 1 ，这样就可以形成分集。 在该协作系统模型中，先考虑节点s o u r c e l 与节点d e s t i n 撕o n l 通信，将节 点s 0 u 冒2 作为中继r 。假设所通过的信道为平坦性衰落，并且受加性噪声的影 响。则节点之间信号传输的衰落系数分别为噍，吃，d ，目的节点处的加性噪声为 乃( 刀) 。对于瑞利衰落信道，吃。，、吃。d 服从复高斯随机分布，均值为0 ，方差分 别为，吒；乃) 服从均值为o ，方差为o 的复高斯随机分布，其中疗为子 载波数。设信道带宽为翮眨，如源节点在连续时间信道中平均功率受限为， 则在离散时间信道中，如每个节点仅用一半的可用自由度发送，则其功率受限为 p = 2 只形同时，两个节点之间的衰落信道可以用s 凇h 2 表示，则信噪比可 以定义为： 姗：里：三 o 形o ( 4 1 ) 频谱效率定义为 r = 2 ，形 p j 勉) ( 4 2 ) 式中，( 6 j ) 为传输速率。 为便于分析，将系统参数化为( 嬲硼，胄) 或( 田哦，墨一) 两个参数对，其中， = 器 ( 4 - 3 ) 基于d f 暑s o f d m 的协作分集技术研究 r 嗍= 殛斋嘶 ( 4 - 4 ) 对于带宽为形2 ，信噪比为s ! 凇而的加性白高斯信道，鄹( 1 ) 表示为 了达到频谱效率足而要求达到的最小信噪比进行归一化后得到的信噪比【4 4 】；类 似地，凡佣( 1 ) 表示用最大可达频谱效率，也就是信道容量进行归一化后的频谱 效率【4 5 4 6 】。 4 2协作分集中的中继转发协议 协作分集作为一种新的空域分集近年来迅速发展，其基本思想是无线网络中 各单天线用户彼此为对方转发信息以此获得空域分集。它的一个很关键的方面就 是中继节点对来自源节点的信息的处理方式。不同的处理方式导致了不同的协作 分集协议。l a n e 僦将协作分集协议分为固定型中继协议、选择型中继协议和增 强型中继协议三种【4 7 。其中，应用比较广，研究比较多的是固定中继协议。 固定型中继协议是一种最简单的协作分集协议，采用这种协议时中继不考虑 信道状态，始终转发源节点的信息。在这里主要介绍放大转发法 ( 加n p l i 鸟a n d f o r w a r d ，a f ) 和解码转发法( d e c o d e a n d f o 刑a r d ，d f ) 这两种固定 型中继协议。 4 2 1 放大转发0 证p l 匆一a n d f o 刑a r d ，岫协议 放大转发是最简单的协作方式，每个移动终端接收其伙伴传来的被噪声污染 了的信号，并且直接将该信号进行放大后发送出去，基站接收来自发送端和中继 节点的