（通信与信息系统专业论文）协作通信中的跨层中继策略研究.pdf

声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文协作通信中的跨层中继策略 研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工 作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大 学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 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。 学位论文作者签名：雩幽一 一日期：丝蝉一 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、 缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借 阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用 不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 日期： 屯 怠 r j 一 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 协作通信的基本思想是网络中各单天线用户共享彼此天线，从而有效地抵抗多 径衰落。中继策略是协作通信中至关重要的问题。本文对协作通信中的基本协作模 式、伙伴选择算法及协作时机等问题进行了深入研究；利用支持协作通信的通用框 架，得出了中继策略跨层实现的基本方案；针对a f 和d f 协作模式分别提出了基 于m a c 层和物理层的跨层中继策略方案。跨层中继方案解决了协作时机问题；以 最小中断概率为目标，给出了如何选择中继节点及发射功率分配的方法、跨层协作 中继选择实现框图及具体步骤。提出的方案以跨层设计为基础，系统可以依据最新 的信道状态信息选择更加有效的中继节点；拥有具体的发射功率分配方案，能够更 有效的利用发射功率。仿真结果表明，提出的方案能够获得更好的中断概率性能。 关键词：空间分集，协作分集，中继策略，跨层设计 a b s t r a ct t h eb a s i ci d e ao fc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o ni st h a te a c hs i n g l e - a n t e n n au s e r si nt h e n e t w o r ks h a r ee a c ho t h e r sa n t e n n at or e s i s tm u l t i - p a t hf a d i n g t h er c l a ys t r a t e g yi st h e c r i t i c a li s s u ei nc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n s o m ec o l l a b o r a t i v ea p p r o a c ha n dt h ep r o b l e mo f c o l l a b o r a t i v et i m ea n dt h ea l g o r i t h mo fp a r t n e rs e l e c t i o na les t u d i e di n - d e p t hi nt h i sp a p e r t h eb a s i cp r o g r a mo fc r o s s - l a y e rr e l a ys t r a t e g yi so b t a i n e db yu s i n gt h ec o n l m o nf r a m e w o r k o fc o l l a b o r a t i v ec o m m u n i c a t i o n t h ep r o g r a m so fc r o s sl a y e rr e l a ys t r a t e g y8 1 0p r o p o s e d b a s e do na fa n dd fs e p a r a t e l y w h e nt oc o o p e r a t i v e , h o wt oc h o o s ear c l a yn o d ea n dh o wt o a l l o c a t et h et r a n s m i s s i o np o w e rf o rt h eg o a lo fm 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 ss o l v e di n t h i sp r o g r a m t h ef r a m ea n dt h ec o n c r e t es t e p so fr e l a ys e l e c t i o nb yc r o s s - l a y e ra r eg i v e nt o o t h ep r o g r a mc a ns e l e c tt h er e l a ye f f e c t i v e l yb yt h el a t e s tc h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o nf o ri t b a s e do nc r o s s - l a y e rt h o u g h ta n di tc a nu s et h et r a n s m i s s i o np o w e rm o r ee f f i c i e n t l yf o rt h e s p e c i f i cd i s t r i b u t i o no ft r a n s m i s s i o np o w e r t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o g r a mc a l l a c h i e v eab e t t e rp e r f o r m a n c eo f o u t a g ep r o b a b i l i t y y i nl u j u a n ( c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m ) d i r e c t e db yp r o f y u a nj i n s h a k e y w o r d s ：s p a t i a ld i v e r s i t y , c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y ，r e l a ys t r a t e g y , c r o s s l a y e r d e s i g n ，；斗o 华北电力大学硕士学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章引言1 1 1 研究背景及意义1 1 2 国内外研究现状及本论文研究意义2 1 3 本文的工作3 1 4 论文结构3 第二章协作通信技术：5 2 1 协作通信的提出5 2 1 1 无线移动信道的两种效应5 2 1 2 分集技术- 5 2 1 3m i m o 技术9 2 1 4 协作通信的提出1 0 2 2 协作通信的原理，1 1 2 2 1 中继信道模型1 1 2 2 2 协作分集1 2 2 3 协作通信的方法1 4 2 3 1 放大转发1 4 2 3 2 译码转发1 4 2 3 3 编码协作1 5 2 3 4 其他协作方式1 5 2 4 几种简单协作分集算法的性能比较1 6 2 4 1 系统模型1 6 2 4 2 各种协作分集算法的中断概率性能比较1 7 2 5 本章小结2 7 第三章协作通信中的中继策略2 8 3 1 协作时机的必要性及研究现状2 8 3 2 协作通信中的伙伴节点选择算法：3 0 3 2 1 基于协作区域的伙伴选择算法3 0 3 2 2 基于平均s n r 的伙伴选择算法3 l i 华北电力大学硕士学位论文目录 3 2 3 基于瞬时信道状态的伙伴选择算法3 l 3 3 中继策略的跨层设计3 2 3 3 1 中继策略的跨层设计思想3 2 3 3 2i e e e 8 0 2 1 i i a c 接入方式，3 4 3 3 3d c f 通信过程3 5 3 3 4r t s c t s 握手协议一3 6 3 3 5 现有与m a c 层结合的跨层中继策略设计方案3 7 3 4 本章小结3 8 第四章基于a f 与d f 的跨层中继策略3 9 4 1 系统模型3 9 4 2 瞬时信道信息的获取4 0 4 3 跨层中继策略设计4 l 4 3 1a f 协作时机及中继节点选择4 1 4 3 2a f 中继选择策略流程4 3 4 3 3d f 协作时机及中继节点选择4 4 4 3 4d f 中继选择策略流程4 6 4 3 5 中继策略的跨层实现：j 4 7 4 4 仿真结果与分析：4 9 4 5 本章小结5 3 第五章结论5 4 参考文献5 5 致谢5 8 在学期间发表的学术论文和参加科研情况5 9 i t q ， 华北电力大学硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第一章引言 无线信道中电波的传播不是单一路径，在接收端除了直射波外，还有各种反射 波、绕射波及二次波等。由于各个路径的距离不同，因而各路径来的反射波到达时 间不同，即信号延时不同，导致在接收端合并时同相信号叠加后加强，反相信号叠 加后则减弱，因而接收信号的幅度将急剧变化，即产生多径衰落。由于无线信道具 有的多径衰落特性严重阻碍了信道容量的增加和服务质量的改善，因此对于获得大 容量高速率的无线通信系统来说，如何有效地对抗移动信道中的多径衰落一直都是 广大研究工作者的热点问题。 分集技术通过有效的传输和处理跟同一信号互不相关的传输副本，可以达到补 偿衰落损耗的目的，因而分集技术是对抗多径衰落的一项行之有效的技术。空间分 集技术由于无需占用额外的时间和带宽资源就能获得很好的抗衰落性能而受到广 泛关注。多输入多输出( 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 ) t 1 1 1 2 】系统是一种典型 的利用空间分集技术的多天线无线通信系统，通过在接收端和发射端同时安置多根 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，在一些实际场景中，例如蜂窝系统上行链路，由于自身体积、实现复杂 度与功耗等限制，m i m o 技术不容易直接应用于移动用户终端或者网络节点。在支 持更多节点和具有更大覆盖范围的分布式网络中如何提高系统频谱效率的挑战促 使了协作通信技术的产生与发展。为此，s e n d o n a r i s 、e r k i p 和a a z h a n g 等人在文献 中提出了一种新的空间分集技术协作分集【3 巧】。协作分集的基本思想是源节点通过 中继节点的帮助向目的节点传送信息。即通过使网络中各单天线用户共享彼此天 线，形成虚拟的多天线阵列来实现发射或接收分集，从而有效地抵抗多径衰落以提 高无线网络性能。在这种分集方式下，每个用户都拥有一个“伙伴 。在通信的过 程中，一个用户在传送自己数据的同时帮助“伙伴 进行通信。通过这种方式每个 终端不仅利用了自己的空间信道，还借用了“伙伴”的空间信道，利用“伙伴 的 天线实现了虚拟m i m o 。 正是由于协同分集虚拟m i m o 的特点，参与协同方案的用户数量是不确定的， 哪个时刻和哪个用户进行协同也是不可知的。这就涉及到了中继策略问题，即何时 协作，与谁协作的问题。在实际的网络环境中，不可能网内所有的用户都需要协作， 也不可能一个用户在任何情况下都需要协作。而且，节点间协作并非是无条件的， 同样要付出代价。一方面，伙伴要占用无线资源，部分带宽被分配给协作伙伴，则 收发节点之间的可用带宽就会相应减少，这使发送节点不得不使用高阶调制和高编 1 华北电力大学硕士学位论文 码速率，差错率相应也变大了。不恰当的协作不但不会给系统带来好处，反而会浪 费资源；另一方面，部分伙伴因为传输差错，未能正确解码源节点的数据，把错误 的数据发送到目的节点，这样的协作其实是在起反作用。理论上讲，合作能够使网 络的整体性能得到提高，但是如果合作伙伴选择不当，很可能既增加了网络实现的 复杂性又浪费了资源，导致不能有效地提高网络的性能。所以协作通信的中继策略 研究是非常重要的。 1 2 国内外研究现状及本论文研究意义 一个完整的中继策略包括两方面：一是协作时机的确定，二是协作伙伴的选择。 传统的中继策略更关注后者，往往忽略了前者。换言之，人们一般假设源节点总是 需要中继节点的帮助才能将信息传输给目的节点，首先要选择伙伴协作，然后讨论 节点间协作可能带来的系统增益如何。然而在实际的网络环境中，不可能网内所有 的用户都需要协作，也不可能一个用户在任何情况下都需要协作所以节点协作时 间的确定对于有效利用资源并且提高网络性能来说是非常重要的实际上，源节点 与目的节点间的链路状况良好时，协作是不必要的。然而，现有的中继策略，多半 没有考虑源节点是否需要协作 对于中继节点选择算法，目前主要有三大类：基于协作区域的中继节点选择算 法、基于平均s l q r ( 信噪比) 的中继节点选择算法及基于即时信道状况和计时策略的 中继节点选择算法。中继节点的选择主要基于以下几类信息：物理距离、路径损耗 和瞬时信道状态信息 近来国内外学者提出了基于不同目标的中继策略，主要方法如下： 文献 6 1 0 】中的中继策略是基于信道状态信息的。l a n e m a n 在文献【6 】中提出了 一种基于即时信道状态信息的中继选择策略，该策略在源节点和中继节点之问的信 道发生中断的时候选择非合作模式，否则选择合作模式文献 7 】提出了机会中继方 案，根据瞬时信道信息进行中继选择，按照最小准则或者调和平均准则来选择链路 质量较好的节点作为中继节点文献 8 】提出了基于最小错误率的伙伴选择方法。文 献【9 】提出了一种基于放大转发模式的以最小化系统中断概率为目标的中继策略。文 献【l o 】研究了基于部分信道状态信息( c s i ) 的合作中继策略，提出了一种以最小化链 路中断概率为目标的选择中继策略，该策略只需利用节点的地理位置信息，避免了 繁琐的信道估计。进一步地，将该策略推广到大规模网络中，提出了一种基于最小 最大( m i n m a x ) 准则的合作伙伴选择方案，成功实现了最小化网络中所有用户的最 大中断概率的优化目标 基于编码协作，l a n e m a n 等人提出了一种基于分布式空时编码( s t c ) 的合作协 议，这个协议把节点的所有邻居节点中那些能够正确译码的节点当作合作伙伴。文 2 华北电力大学硕士学位论文 献 1 l 】考虑编码协作，研究了中继选择问题，文中提出的方法要求接收端已知接收 信号的信噪比，适应于蜂窝系统等有中心的无线通信系统。 以上各个方案都是基于物理层的单层设计，无论是以即时信道状态信息还是以 接收端信噪比作为判据，实现中都需要不断地进行信道估计，并且在信道估计不够 准确的时候，系统的性能将会由于选择了不恰当的工作模式或合作伙伴而受到影 响。 本文在现有中继策略的基础上，考虑将跨层设计思想引入中继策略中。利用 i e e e 8 0 2 1 1 协议中的握手协议来获取信道的瞬时信道信息，从而来确定协作时机， 进而进行中继节点选择。基于跨层的中继策略，以跨层设计为基础，中继进行选择 时可以依据最新的信道状态信息，使选择更加准确。 另一方面，移动无线信道是一个时变环境，信道容量和接收端的信噪比等都是 随机变化的。当采用固定的传输方式时，通信系统将无法适应信道状况的变化。为 了适应无线信道的时变特性，需要优化分配无线资源，通过合理调整利用各种参数 和资源，使之与信道条件相匹配。因此，本文考虑的另一个重要问题是，在信源和 中继节点总功率一定的条件下，如何优化分配信源和中继节点的发射功率，使系统 性能( 如系统中断概率) 达到最佳。 1 3 本文的工作 - = 本论文主要是结合跨层思想，利用i e e e 8 0 2 1 1 m a c 协议里的握手协议来获得 判定协作时间及中继节点选择所需要的瞬时信道信息，然后以最小中断概率为目标 进行中继节点的选择和发射功率分配。为此，论文主要作了以下几个方面的研究工 作： 本文首先分析移动通信无线信道的特性及参数，并对能够有效抵抗多径衰落影 响的分集技术进行了介绍，同时对协作分集所用到的空间分集技术作了详细的介 绍。 其次，本文研究了协作通信中放大前传、解码前传、选择译码中继等协作方案 的的协作方式和性能，并对其中断概率性能作了仿真，进行了比较。 最后，本论文讨论了确定协作时机的必要性，并对现有的伙伴选择算法进行了 分析比较。考虑系统跨层设计的优点，结合i e e e 8 0 2 1 1 协议的握手协议分别设计了 基于放大前传和解码前传的跨层中继策略方案，并通过仿真对其与传统中继策略进 行了性能比较。 1 4 论文结构 本论文的结构安排如下： 3 华北电力大学硕士学位论文 第一章简要介绍论文的研究背景及协作通信中中继策略的研究现状，并概括本 论文的主要研究工作 第二章介绍了无线信道的特性，具体分析了多径衰落对无线通信的影响；介绍 了能够有效抵抗多径衰落的分集技术及分集合并技术，并重点介绍了空间分集技术 和m i m o 系统；介绍了协作通信的原理，具体研究了现有的一些协作分集技术，放 大前传、解码前传、选择译码中继等协作方案的的协作方式和性能，并对其中断概 率性能作了仿真，进行了比较。 第三章分析中继策略中确定协作时机的必要性，对现有的伙伴选择算法进行研 究比较；利用协作通信的m a c 层通用框架，得出了跨层中继策略的基本方案。 第四章基于放大前传和解码前传，分别提出了中继策略的跨层实现算法，给出 了实现流程图与具体步骤，并通过仿真对其与传统中继策略进行了中断概率性能比 较。 一 第五章对全文所得出的结论进行归纳，总结全文，并提出未来的研究方向。 4 华北电力大学硕士学位论文 第二章协作通信技术 协作通信技术能够使m i m o 技术得以实用化，从而提高信息传输的可靠性。本 章从协作通信的提出、原理及算法三个方面具体介绍了协作通信技术，并研究了各 种算法的中断概率性能。 2 1 协作通信的提出 2 1 1 无线移动信道的两种效应 在无线通信中，关于信道对接收信号造成的影响从统计特性上看有大尺度效应 ( l a r g e s c a l ee f f e c t s ) 和小尺度效应( s m a l l s c a l ee f f e c t s ) 。 当接收机处于空间中某一位置时，它在该位置附近接收到的信号功率的本地平 均值( l o c a lm e a n ) 将受到大尺度效应的影响。其影响包括视距路径损耗、绕射、阴影 及雨或植被造成的衰减等效应。大尺度效应主要用来描述接收信号功率的本地平均 值随接收机与发射机之间距离的变化情况，可以用来预测无线覆盖范围。 移动信道的衰落特性【1 2 1 取决于无线电波传播环境。无线电波在传播时会遇到各 种不同的地貌以及建筑物、树木等障碍物，引起电波的反射、散射和绕射。所以在 移动环境中，到达移动台接收天线处的信号不是由单一路径来的，而是许多路径来 的多个反射波的合成。各条路径的长度不同，反射波到达的时间不同，它们的相位 也不同。不同相位的多个信号在接收端叠加，有的同相叠加而增强，有的反相叠加 而减弱，使接收信号的幅度急剧变化，即产生了衰落。这种衰落由多径引起的，所 以叫多径衰落。小尺度效应主要用来描述无线信道的多径传播，在多径信道中，当 接收机或发射机即使移动了1 2 载波波长这样小的距离，接收信号的幅度也会经历 剧烈变化。移动信道韵主要特征是多径传播。 描述多径信道的主要参数有：时延扩展、相关带宽、多普勒频移和相干时间。 其中，时延扩展和相关带宽用于描述无线多径信道在局部区域的时间色散特性，而 多普勒扩展和相干时间用于描述由于基站和移动台的相对运动或信道中物体的运 动而引起的信道小尺度时变特性。 2 1 2 分集技术 在无线通信中，分集技术m 1 6 1 是一种费用相对较小并能有效地改进无线通信链 路的接收技术。与均衡不同，分集技术不需要发送训练序列，没有训练开销。分集 的基本原理是：接收来自多个信道的承载同一信息的多个独立信号副本，利用接收 信号在结构和统计特性上的不同特点加以区分，并按一定的规律进行信号处理。由 5 华北电力大学硕士学位论文 于各个信号同时处于深衰落的概率非常小，因此般而言，在任一时刻至少有一个 强度足够的信号副本可供接收机使用。 2 1 2 t 分集独立性要求 分集是否起作用主要取决于各个信号副本之间的独立性【1 7 】。各个副本之问的相 关性越小，分集作用越明显。当不同的信道传输衰落特性相互独立的同一信号时， 分集最有效。实际上，分集支路中的信号副本之间不可能完全独立。可以利用这些 信号之间的相关系数户。，来描述信号之间的独立性。 相关系数表征不同分集支路信号之间的相关性，已有许多不同的定义来描述这 个重要的量，如复相关系数、相位相关系数等。最重要的是信号的包络x 和y 的相 关系数 ( 1 ) 对于两个统计独立的信号，e 匆 毒e b 扭p 成立，因而相关系数为o 。当相关 系数低于某- - i 1 限( 典型数值为0 5 或0 7 ) 时，信号一般视为被“有效地劳去相关i n l 为了保证使信号包络的互相关系数不大于0 7 ，对于空间分集，一般要求各个天线 的分隔距离大于相干距离；对于频率分集，一般要求信号副本的频率间隔大于相干 带宽 对于时间分集，一般要求信号副本之间的时间间隔大于相干时间。反过来， 这些相干系数一般又都取决于无线信道自身的特征。相干距离、相干带宽及相干时 间分别与角度扩展、时延扩展和多普勒扩展成反比。 2 t 2 2 分集技术分类 通常，为了在接收端得到相互独立的多径信号，可以通过频域，时域和空域等 方法实现，下面分别予以介绍 ( 1 ) 频率分集 无线移动通信的多径传播特性引起时间色散，导致发送的信号产生平坦衰落或 频率选择性衰落。在频率选择性衰落信道中，频率间隔大于信道相干带宽的两个信 号的衰落是不相关的。在频率分集中，同一信号在不同的频率上传输，如果这些频 率之间的间隔大于信道的相干带宽，则这些频率上的衰落是近似相互独立的，因此 信号在两个频率上同时出现深度衰落的概率很小，从而能够抵抗频率选择性衰落。 在频率分集系统中要求两个分集信号的频率相关性较小，只有这样，才不会使 两个信号在传输中同时发生深衰落，从而获得较好的频率分集效果。在一定的范围 内载波频率间隔越大，两个不同频率信号之间衰落的相关性越小。频率分集的缺点 是，占用更多的频带资源，并且在发射端需要设置多个发射机。 6 华北电力大学硕士学位论文 ( 2 ) 时间分集 时间分集是将同一信号在不同的时间区间多次重发，然后在接收端进行选择或 合并，利用位于不同时间发送的信号经衰落信道后在统计上的不相关特性，来获得 分集效果。为了保证重复发送的信号具有独立的衰落特性，重复发送的时间间隔应 当大于信道的相干时间。 信道的相干时间是多普勒频移的倒数，多普勒频移与移动台的运动速度成正 比。因此，时间分集对于处于静止状态的移动台是没有什么用处的。时间分集的缺 点是增大了时隙资源的开销，降低了传输效率。 ( 3 ) 空间分集 频率分集和时间分集技术虽然可以对抗无线信道的衰落，提高系统的性能，但 并不是在任何情况下，这两种分集方式都是有效的。对于时延敏感的业务不适合采 用时间分集；当信道的相干带宽大于传输信号的带宽或信道的多径时延扩展远小于 信号周期时，频率分集又显得无能为力。空间分集，由于充分利用系统的空间域， 可以不牺牲信号频率资源和时间资源，在保证数据传输速率的同时能获得极大的分 集增益，成为对抗多径衰落的有效途径。 空间分集也称为天线分集，是无线通信中使用较多的分集方式。简单地说就是 采用多幅接收天线来接收信号，然后进行合并。其依据在于快衰落的空间独立性， 即任意两个不同的位置上接收同一个信号，只要两个位置的距离大到一定程度，则 两处所接收信号的衰落是不相关的。一般来说，接收天线之间的距离至少要大于波 长兄的一半。空间分集的原理如图2 1 所示。发端用一副发射天线，接收端用多副 接收天线。接收端各天线间的距离d 应足够大，使各接收天线输出信号的衰落相互 独立。在理想情况下，d 为半波长就可保证各接收支路信号是不相关的。在实际系 统中，d 要视地形地物等具体环境而定。 发射天线 | 发射端 接收端 图2 - 1 空间分集原理图 7 华北电力大学硕士学位论文 根据发射或接收是否使用多个天线，可以把空间分集分成两类：接收分集和发 射分集。传统的空间分集方法也即接收分集，是在接收端使用多个天线接收发射信 号的独立副本。合理合并发射信号的副本能够降低多径衰落的影响，并且提高总的 接收信噪比。发射分集则是在发射端使用多个天线，信号经发射机处理后经多个天 线发射出去。最早研究的空间分集是接收分集，这种分集技术通过在接收端设置多 个天线，利用分集算法实现一定的分集增益。之后研究发现发射分集同样能够得到 相似的抗小尺度衰落的效果当发射分集和接收分集都被证明取得了一定的效果 后，发射端和接收端同时设置多个天线的m i m o 系统成为空间分集研究的热点。 2 1 2 3 分集合并技术 分集技术的关键在于不同分集子信道同时出现深衰落的概率要小。接收端收到 多个分集信号后，如何利用这些信号以减小衰落的影响，这就是合并问题。一般来 说，分集是指一个系统有两个或多个有用信号的副本，例如，有膨个这样的副本： z 0 ) ，五o ) ，厶o ) 。分集合并【1 8 1 是对这些副本的线性组合，即 ( 0 = a 。o ) 哌o ) + 口：o ) 蚝( f 卜+ o b 0 1 6 f ) = 口，o ) 昕o ) ( 2 - 2 ) i = 1 其中每个信号：z 0 = 墨o ) + 一o ) 蜀) 是有用信息部分，刀，o ) 是噪声部分。q 与 接收的信号z 1 6 f ) 有关，和信道增益成比例。 常用的分集合并有以下三种方式：选择性合并( s c ，s e l e c t i o nc o m b i n i n g ) ，最大 比合并( m r c ，m a x i m a lr a t i oc o m b i n i n g ) ，等增益合并( e g c ，e q u a lg a i nc o m b i n i n g ) 。 ( 1 ) 选择合并 选择合并是一种最简单、最常见的分集合并方式。选择合并，从多个接收分支 中选择瞬时信噪比最大的一条支路作为输出，因此输出信号的s n r 等于最好输入信 号的s n r 。这种方式的优点是选择瞬时s n r 最高的最佳信道，缺点是必须不问断 监视所有信道。由于要求对所有支路的信号连续扫描，难以用于移动台，更适用于 基站。 ( 2 ) 最大比合并 最大比合并是所有合并方式中最佳的。在最大比合并中，将各个分集支路的输 入信号按照权重相加在一起得到输出信号，每个分集支路的加权因子与其信号电压 和噪声功率成正比。该方案中各个信号必须同相，并且各自相应的幅度加权后求和 假设每一支路的信号包络为，每一支路的加权系数为a 。加权系数吼与信号 包络丘成正比而与噪声功率i 成反比，即 o j 一 2 生以8 = 口 由此可得最大比合并器输出 最大比合并产生的输出 比s n r 。在所有线性分集合并方法中，最大比合并减小衰落的统计特性最好。但是， 由于在最大比合并中，每个分集支路的加权因子与其信号电压和噪声功率比成正 比，所以该方法需要知道信道衰落的幅度和相位信息，因而只能用于相干检测，而 不能用于非相干检测。 ( 3 ) 等增益合并 等增益合并不需要顾及各个分支的衰落幅度，其加权因子的幅度设为定值，而 相位仍然与信号相位呈共轭关系。所以等增益合并就是将所有接收信号经同相处理 后用等增益相加。等增益合并器的输出信号包络为 膨 ，= r k ( 2 5 ) k = l 最大比合并的性能最好，但在实际中它需要正确的且可变的加权系数，这很难 达到。与最大比合并相比，等增益合并是一种次优而比较简单的合并方法，它的性 能稍逊于最大比合并，但优于选择分集，实现复杂性比最大比合并大幅度降低。 2 1 3 川m 0 技术 在移动通信环境中，由于存在多个散射体、反射体，在无线链路的发射端和接 收端之间便形成了多条传播路径。多径的存在会引起信号的衰落，给通信的有效性 和可靠性带来严重的影响。然而研究结果表明，多径也可以作为一个有利的因素加 以利用。m i m o 系统，最早是由m a r c o n i 于1 9 0 8 年提出的，它利用多天线来抑制多 径衰落。图2 2 所示为m i m o 系统的原理图。 图2 - 2m i m 0 系统的原理图 9 华北电力大学硕士学位论文 传输信息流经过空时编码形成多个信息子流。这些信息子流由m 个天线发送出 去，经空间信道后由个接收天线接收。经过空时解码这些数据子流，从而实现最 佳的处理。特别是，这些信息子流同时发送到信道，各发射信号占用同一频带，因 而并未增加带宽若各发射接收天线间的通道响应独立，则多入多出系统可以创造 多个并行空间信道通过这些并行空间信道独立地传输信息，数据率必然可以提高。 系统容量是表征通信系统的最重要标志之一，表示了通信系统最大传输率。对 于发射天线数为地接收天线数为的多入多出系统，假定信道为独立的瑞利衰 落信道，并设从很大，则信道容量c 近似为 c = m i n ( m ，n ) 1 8 l 0 9 2 0 , 2 j f 2 6 1 其中b 为信号带宽，7 为接收端平均信噪比，m i i l ，) 为胍n 中的较小者。 上式表明，功率和带宽固定时，多入多出系统的最大容量或容量上限随最小天 线数的增加而线性增加。因此，多入多出对于提高无线通信系统的容量具有极大的 潜力。也就是说可以利用m i m o 信道成倍地提高无线信道容量，在不增加带宽和天 线发送功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高利用m i m o 技术可以提高信道 的容量，同时也可以提高信道的可靠性，降低误码率。 2 1 4 协作通信的提出 为了满足3 g 及4 g 中多速率多媒体通信的需求，不仅需要提高数据的传输速率， 还要提高系统的服务质量。然而，无线通信环境中的多径衰落使得通信质量受到了 严重影响。分集技术是对抗多径衰落的一项行之有效的方法。空间分集技术由于不 需要占用额外的时间和频率资源而受到了广泛关注。m i m o 是空间分集的典型代表。 m i m o 技术可以提高信道的容量，同时也可以提高信道的可靠性，降低误码率， 在解决未来无线网络密集型业务容量瓶颈的新技术中显得非常突出。但是m i m o 技 术仍然存在问题，尤其在硬件实现方面阻力重重。具体讲，现有多天线都设置在基 站端，而移动终端则很难安置多天线，这主要有两方面的原因f ”】：移动终端对体积、 质量和功耗和工艺的要求远比基站苛刻的多；理想的m i m o 系统要求相邻天线间的 间距要远大于电波波长，并且多个收发天线间的传输信道是独立的，而移动终端由 于体积限制，根本无法做到这点。 虚拟m i m o ( v m i m o ，v i s u a lm i m o ) 技术可以解决以上问题。协作分集的基本 思想是单个天线的用户之间分享彼此的天线，以形成一个虚拟的多天线系统，即虚 拟m i m o 。这样，单天线的移动用户就可以利用到m i m o 系统的优点。研究表明， m 个用户协作的时候所能取得的分集效果与采用m 个天线的m i m o 系统是一样的。 所以说协作通信技术给无线通信系统提供了一种克服信道衰落、提高传输容量和可 1 0 华北电力大学硕士学位论文 靠性、扩大覆盖能力的很有效的方法。 2 2 协作通信的原理 2 2 1 中继信道模型 从一个源节点传输到一个目的节点，不借助任何其他终端传输的通信叫做直达 传输，也叫做单用户或者点对点通信，如图2 3 所示。 s s 图2 - 3 直达链路 r 图2 - 4 两跳信道 r d d 图2 - 5 中继信道 用户合作传输在至少有一个额外节点愿意辅助传输的情况下都是可行的。最简 单也是最老的用户合作传输是多跳传输，这是一种从源节点到目的节点的基于点对 点的锁链状传播的方式，如图2 4 所示。无论是什么信道，随着距离的增加信号都 会衰减，这就使得长距离的点对点通信变得不现实。这个问题可用一串短距离链路 替代一条长距离链路来解决，其中每一个中间节点都有一个增益放大器或者中继器 来增强信号质量。这就是多跳的构想。 中继信道如图2 5 所示，是一个有三终端组成的传输信道。这些终端分别定义 为源节点文中继节点尺和目的节点d 。所有的信息都起源于s 并且传输到d ，而 中继节点仅辅助传送信息，不是真正的信源或信宿。 华北电力大学硕士学位论文 从概念上看，信息的中继要经历两个阶段或模式：首先是信源s 发送信号，( r ， d ) 接收信号的阶段，通常称为广播模式；其次是，( s ，r ) 发送，d 接收的阶段， 也称为多址接入模式。这里给出基于上述两种模式分类的4 种不同中继模型。 o ) s 发送，僻，d ) 接收：岱，r ) 发送，d 接收 ( 2 ) s 发送，r 接收；岱，月) 发送，d 接收 ( 3 梦发送，僻，d ) 接收；r 发送，d 接收 ( 4 涔发送，尺接收；r 发送，d 接收 在这些模型里面，第一个模型是最常见的，并且最初的结论都是基于这种模型 的。第二个和第三个模型是为了分析方便简化的模型。最后一个中继模型是最古老 也是相比其他三个模型最简单的，一般称为多跳传输。 2 2 2 协作分集 。 。尽管协作分集的思想起源于中继信道，但是与其也有很大区剔。在中继信道中， 中继节点只是转发源节点的信号，并不发送自己的信号。但是在协作分集中，每个 节点既作为中继节点帮助其伙伴进行通信，也发送自己的信号。另外，通过协作可 以使单天线用户获得分集增益，而传统的中继没有分集功能。 图2 - 6 并联中继 ” 协作通信利用了无线媒介的广播特性，允许无线设备通过中继联合传输信息。 一 如图2 - 6 所示，在并联中继中，两个中继节点接收源节点所发信号，将其适当处理 并发送自己的信号，从而增加了容量，并提高了源节点与目的节点之间端到端传输 的可靠性。 1 2 ， - 氯点一一肺 图2 7 串联中继 图2 。7 说明中继过程可以经历多个阶段，这样中继节点和目的节点都可以从空 间分集中受益。可以看出，协作通信在多个传输经历独立的衰落和阴影时突出了空 间分集的有效性。例如，如果源节点发送的信号在目的节点处发生了深衰落，那么 为其- 中一个中继节点与目的节点进行有效传输提供了较大的机会。 图2 - 6 与图2 7 中，颜色深浅表示不同的时隙或频段的传输，实线箭头表示用 于传统多跳传输的发送，协作通信传输对应于实线箭头和虚线箭头。 “_ 7 一。、 j- i ( a ) 第一阶段 o ( b ) 第二阶段 图2 8 协作过程 协作通信的本质即借助协作伙伴的天线，与其自身天线共同构造虚拟m i m o 系 统来获得空间分集增益。如果在某一时段用户没有信息要传送，那么在没有协作时 其资源只能闲置，而协作分集则可以实现用户资源的充分利用。另一方面，在用户 资源没有闲置时，用户既要传送自己的信息，也要传送协作伙伴的信息，这会牺牲 自己的一部分资源，但同时用户也利用了协作伙伴的空域资源。所以只要合理的设 计协作方案，就可以使协作分集带来的增益大于其付出的代价。整个协作过程包括 两个阶段，如图2 8 所示。第l 阶段，源节点发送信号，目的节点和所有中继节点 接收信号：第2 阶段，所有中继节点根据所采用的中继方式转发在第1 阶段收到的 1 3 华北电力大学硕士学位论文 信号，目的节点采用最大比合并对接收的信号进行检测。 2 3 协作通信的方法 最基本的协作通信方式主要有三种：放大转发( a f ，a m p l i f ya n df o r w a r d ) 、译 码转发( d f ，d e c o d ea n df o 俐a r d ) 和编码协作( c c ，c o d e dc o o p e r a t i o n ) 。其他形式都 是在这三者的基础上改进或变形而来的。 2 3 1 放大转发 在放大转发【2 0 】【2 1 1 模式中，中继节点对收到的源节点的信号不作解调或解码处理 而直接将其进行放大后转发给目的节点。放大转发模式的原理如图2 - 9 所示，中继 节点尺将收到的来自源节点s 的信号直接进行幅度放大，然后转发给目的节点d 。 2 3 2 译码转发 图2 - 9 放大转发模式 译码转发【3 】【4 1 中，首先中继节点接收并检测来自源节点的信号，然后将判决后 的信号转发给目的节点。其原理如图2 1 0 所示。 译码比特 图2 - 1 0 译码转发模式 译码转发模式通过解码，在中继节点处消去高斯白噪声，从而避免了放大转发 模式下对噪声功率的放大。但是当源节点与中继节点之间信道质量较差时，中继节 点有可能对源节点的信号做出错误判决，那么这个错误将被前向传播。为了避免错 1 4 华北电力大学硕士学位论文 误传播现象，中继节点处可以采用循环冗余校验技术，对接收到的数据帧进行检查， 如果正确就转发给目的节点，错误就将数据帧丢弃。 2 3 3 编码协作 编码协作【2 2 】模式是信道编码和协作思想的综合。其基本思想就是：每个用户 都试图为其伙伴传输冗余信息，当用户间信道条件非常恶劣，无法完成这一操作时， 用户就自动返回到非编码协作模式，传输自己后续的信息。编码协作的原理如图2 1 1 所示。 重编码比特 图2 - 1 1 编码协作模式一 编码协作设计的初衷是在协作中提供比有校验d f 使用的重复码更加高效的编 码，从而带来更多的编码增益。在d f 模式下，用户对于其协作伙伴的信号正确解 码后，使用原来的编码方式在下一时段向目的端传送，此时系统性能的改善是通过 在不同空间重复传送冗余获得的，而在编码协作模式下，用户则通过重新编码传送 了不同的冗余信息，相当于将空域分集与码域分集相结合，从而改善了目的端的解 码性能。 虽然编码协作模式相对于a f 和d f 在性能上有优势，但是因为要先解码然后 再编码，所以中继节点的复杂度最高。另外，中继节点处的信号处理也导致时延增 大。 2 3 4 其他协作方式 在解码中继中，在第一步用户试图接收并检测其伙伴的信号，并在第二步重传 判决后的信号。这种协作方式通过解码，避免了放大中继模式下对用户间信道噪声 的进一步放大，但当用户间信道质量较差时，用户有可能对其伙伴的信号做出错误 判决，此时协作分集传输的性能将受到影响。 为了避免上述这种错误传输的问题，l a n e m a n 等人提出了选择解码中继 ( s e l e c t i o nr e l a y ) 2 3 1 ，这种方式是根据用户间信道的状态决定是否进行协作，即当用 户间信道的瞬时信噪比较高时，各用户才检测并转发其伙伴的信号，而当用户间信 1 5 华北电力大学硕士学位论文 道的瞬时信噪比较低时用户则转为非协作模式。很明显，在用户间信道质量较差的 情况下，选择解码中继可以降低用户在第二阶段将其伙伴信号错传的概率。 此外，l a n e m a n 等人还提出了一种增量中继模式( i n c r e m e n t a lr e l a y ) 2 3 1 。它是根 据用户基站间的信道质量来决定是否进行中继，一般的实现方式是，基站以广播的 形式发送一个反馈信息，然后用户和其伙伴根据反馈信息决定是否协作。若基站认 为信道质量较好，不需要进行协作，用户则发送下一部分信息，从而提高了频谱效 率。 2 4 几种简单协作分集算法的性能比较 在这节中，描述一些低复杂度的协作分集协议及其性能。包括a f 、d f 、选择 中继和增量中继。这些协议在中继节点处采用不同的处理。对于固定中继，中继可 以按照功率限制来放大其接收到的信号，也可以译码或者重新编码其收到的信号， 然后再转发这些信息。对于适应性的分集算法，选择