（通信与信息系统专业论文）协同分集技术及其在ofdm系统中的应用研究.pdf

南京f j j i j i 【1 人学坝i ：f i ) i - 5 生学位论文 摘要 摘要 协同分集是无线网络中的一种新型的分集技术，通过网络中的中继节点可实现用户数 据的协同传输，起到“虚拟m i m o ”的作用，从而获得一定的空域分集增益。正交频分复 用( o f d m ) 技术将数据调制到各个j 下交的子载波上发送，可以有效地抗频率选择性衰落。 因此，将协同分集技术引入o f d m 系统，结合两方面的优势，从而更有效地提高系统的性 能。本文主要从空时编码和机会中继两个角度，对协同o f d m 系统的性能进行研究。 论文首先介绍了本文所需的背景知识，信道模型、s t b c o f d m 系统和协同分集技术 的基本原理，仿真比较了放大前传、译码前传和编码协同三种中继方式的性能，并且着重 分析了a l a m o u t i 空时协同方案的性能。 ， 然后，论文重点研究了协同s t b c o f d m 系统的性能。论文通过搭建单中继节点的系 统模型分析了协同发送策略和系统性能。仿真表明，协同s t b c o f d m 系统的性能较未协 同系统得到了明显的改善。论文还针对高速移动环境下信道估计误差的影响，设计了一种 无需信道估计的差分协同s t b c o f d m 方案。性能分析表明该方案相对于确知信道条件的 非差分系统在s n r 损失很小的情况下，可大大降低系统复杂度，具有较好的实用价值。 最后，论文还研究了多中继节点情况下基于机会中继的协同系统性能，研究表明机会 中继方案与复杂的分布式空时编码方案能获得相同的分集增益。在此基础上讨论了机会中 继与o f d m 技术的结合问题，给出了一种新的结合方法：机会o f d m a 中继，该方法与 机会o f d m 中继相比可获得完全分集增益，仿真分析验证了理论的正确性。 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 o v e ld i v e r s i t yt e c h n o l o g y , w h i c hu t i l i z e st h er e l a y i n gn o d e st o t r a n s m i td a t ac o o p e r a t i v e l yi nw i r e l e s sn e t w o r k ，w o r k i n ga s “v i r t u a lm i m o ”，c o n s e q u e n t l y , a c h i e v e st h es p a t i a ld i v e r s i t yg a i n s t h eo f d mt e c h n o l o g yt r a n s m i t sd a t ab yt h eo r t h o g o n a l s u b c a r r i e r s ，s or e s i s t sf r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n ge f f e c t i v e l y c o n s i d e r i n gt h ea d v a n t a g e so f b o t h s i d e s ，t h e r e f o r e ，c o o p e r a t i v ed i v e r s i t yi sa p p l i e di n t h eo f d ms y s t e mt o i m p r o v et h e p e r f o r m a n c e t h ep a p e rc o n c e n t r a t e so ni m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c e o fc d o f d ms y s t e mb a s e d o ns p a c e t i m ec o d i n ga n do p p o r t u n i s t i cr e l a y i n g f i r s t l y , t h eb a s i cp r i n c i p l e so ft h ec h a n n e lm o d e l ，s t b c o f d ma n dc o o p e r a t i v ed i v e r s i t y a r ep r e s e n t e d ，a n dt h e nt h ep a p e ra n a l y z e sa n ds i m u l a t e st h et h r e ep r o t o c o l so fr e l a y i n g ( a m p l i f y a n df o r w a r d ，d e c o d ea n df o r w a r d ，a n dc o d ec o o p e r a t i o n ) ，a n ds t u d i e st h ec o o p e r a t i v e t r a n s m i s s i o ns c h e m eb a s e do na l a m o u t ic o d e s e c o n d l y , f o c u s i n go nt h ep e r f o r m a n c eo f t h ec o o p e r a t i v es t b c - o f d ms y s t e m t h ep a p e r e s t a b l i s h e st h es y s t e mm o d e l ，a n a l y z e st h ec o o p e r a t i v et r a n s m i s s i o ns c h e m ea n dt h ep e r f o r m a n c e o fs y s t e m t h es i m u l a t i o ns h o w st h ep e r f o r m a n c eo fc o o p e r a t i v es t b c o f d ms y s t e m ， c o m p a r i n gw i t hn o n c o o p e r a t i v eo n e s ，i m p r o v e ds i g n i f i c a n t l y f u r t h e r m o r e ，c o n s i d e r i n gt h e e r r o ro fc h a n n e le s t i m a t i o nd u et oh i g hr e m o t i o ns p e e d ，ad i f f e r e n t i a lc o o p e r a t i v et r a n s m i s s i o n s c h e m ei se m p l o y e d ，i ti sn o tr e q u i r eo fc h a n n e le s t i m a t i o n p e r f o r m a n c ea n a l y s i ss h o w st h a tt h e d i f f e r e n t i a lc o o p e r a t i v es t b c o f d ms y s t e m ，c o m p a r i n gw i t ht h ec o h e r e n td e t e c t i o ns y s t e m ，t h e s n r d e g r a d e ss l i g h t l y , b u ti tr e d u c e st h es y s t e mc o m p l e x i t yg r e a t l y , s oh a si m p o r t a n tp r a c t i c a l v a l u e f i n a l l y , t h ep a p e rs t u d i e st h ep e r f o r m a n c eo ft h eo p p o r t u n i g i cr e l a y i n gs y s t e mw i t ht h e m u l t i r e l a y i n gn o d e s t h e o r e t i ca n a l y s i ss h o w st h eo p p o r t u n i s t i cr e l a y i n gc a n a c h i e v et h es a m e d i v e r s i t yg a i n sa st h ec o m p l e xs p a c e t i m ec o d i n g b a s e do nt h i s ，t h ep a p e rr e s e a r c h e so nt h e i n t e g r a t i o no fo p p o r t u n i s t i cr e l a y i n ga n do f d m ，a n dp r o p o s ean e wi n t e g r a t i o n s c h e m e ： o p p o r t u n i s t i co f d m ar e l a y i n g i nc o n t r a s tw i t ho p p o r t u n i s t i co f d mr e l a y i n g ，t h es c h e m e o b t a i n sf u l ld i v e r s i t yg a i n s ，a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sv a l i d a t et h et h e o r e t i c a la n a l y s i s 南京邮电大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它 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。 研究生签 嗍：学 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送 交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论 文。本文电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。 论文的公布( 包括刊登) 授权南京邮电大学研究生部办理。 鹕乎翩獬吲帆掣 南京l | f l j i u 人学颂l ： l j f 究生学位论爻第一章绪论 第一章绪论 近年来，为了提高无线通信系统的可靠性和有效性，新的理论和技术不断涌现。其中， 多输入多输出技术( 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 ) 、正交频分复用技术( o r t h o g o n a l f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，o f d m ) 、协同分集( c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y ) 技术就是近年来 移动通信领域中的研究热点。m i m o 技术利用多根天线实现多发多收，在不需要增加频谱 资源和天线发射功率的情况下，可以有效地提高系统容量 1 】，但是m i m o 技术仍然存在 很多问题，尤其是小型移动终端很难设置多根天线，使得理想的m i m o 技术在走向实用的 进程中步履维艰。为此，s e n d o n a r i s 等人提出了一种虚拟的m i m o 技术：协同分集技术 2 】， 其基本思想是通过多用户之间共享天线和其他网络资源的形式构造“虚拟多天线阵列”， 并通过分布式协同处理来获得一定的空间分集增益。o f d m 技术是一种特殊的多载波传输 技术，其子载波之间相互正交，可以高效地利用频谱资源，另一方面，o f d m 将系统带宽 分割为若干个窄带子载波可以有效地抵抗频率选择性衰落。所以考虑将协同分集技术引入 o f d m 系统，组成协同o f d m 系统，本文正是以此为研究方向，研究提高协同o f d m 系 统性能的技术和方法。 1 1 协同分集技术研究综述 协同分集作为一种虚拟多天线分集技术，最早源于对中继信道( r e l a yc h a n n e l ) 的研究， 但协同又不同于中继，中继节点只是为源节点简单地转发数据，而协同中继节点既是转发 者，又是数据源。c o v e r 车i g a m a l 针对该问题提出了一种利用中继节点来增加单用户容量的 理论 3 ，他们对一个3 节点网络( 源节点、目的节点和中继节点) 的容量进行分析，在所 有节点的工作频带相同的情况下，系统可以分解成一个广播信道( 从源节点看) 和一个多 址信道( 从目的节点看) 。在蜂窝网络中，若将基站视为源节点，有高速率需求的终端视 为目的节点，其他终端作为中继节点，这样整个系统从终端来看就是一个多址信道，参加 通信的中继节点就可以视作高速率终端的收发天线。从整体上看，整个网络就等效于一个 m i m o 系统，这种使用移动中继来增加特定用户容量的技术，被称为协同通信。由于类似 于m i m o ，也被称为虚拟m i m o ( v m i m o ) 。 s e n d o n a r i s 等学者最早研究了协同分集与网络容量和中断概率( o u t a g ep r o b a b i l i t y ) 等系 统性能的关系 2 ，4 ，5 】，并给出了在低速及高速传输系统下的实现方案，研究了该系统可达 南京| l f | j i 匕人学顺l j 研究生学化论文 第章绪论 到的传输速率范围和信道容量；s e n d o n a r i s 对采用协同和未协同的系统在不同信道状态下 的可达速率区域作了比较。l a n e m a n 等人深入研究了分集的实现策略，提出了固定中继 ( f i x e dr e l a y i n g ) 、选择中继( s e l e c t i o nr e l a y i n g ) 和增量中继( i n c r e m e n tr e l a y i n g ) 三种协同策 略 6 8 ，其中固定中继包括放大重传( a m p l i f ya n df o r w a r d ) 和解码重传方法( d e c o d ea n d f o r w a r d ) ，选择中继和增量中继分别考虑利用了协同用户到发送用户以及接收用户到发送 用户的反馈，来动态的调节协同策略。与l a n e m a n 等人的研究工作并行，h u n t e r 等提出了 采用信道编码的编码协同( c o d e dc o o p e r a t i o n ) 9 ，1 0 】，如t u r b o 码。b a b a r o s s a 和a n g h e l 主 要继续研究了在高斯信道和平坦瑞利衰落信道环境下，采用空时编码技术实现协同分集的 问题 1 1 1 4 】。 以上这些学者的工作为协同分集技术的研究奠定了理论基础。在此基础上，最近协同 通信的研究又有了新的进展：k a t z 等提出了一种分布式协同传输方案 1 5 ，该方案以协同 节点问较低的能耗代价换取了较大的吞吐量增益；l i n 等人考虑基于节点问协同关系，提出 了一种高效解决无线网络中冲突问题的m a c 协议 1 6 。 协同分集技术的研究虽然起初源于蜂窝网络的研究，但与蜂窝网络相比，协同技术更 适用于a dh o c 无线网络与无线传感网络( w s n ) ，因为在a dh o c 网络中和无线传感器网络中， 每个终端周围存在丰富的邻居终端，这些邻居终端为协同分集技术的实现提供了天然的中 继。将协同的思想应用于网络层的路由协议分析研究，衍生了协同路( c o o p e r a t i v er o u t i n g ) 技术，可以有效地提高网络的数据递交率，减小网络时延，降低网络能耗，有效地延长网 络寿命，这些优点对于有限能源供电的a dh o c 网络、无线传感器网络具有非常重要的价值。 协同分集作为一种新型的分集技术，为m i m o 多天线技术的实用化提供了一条可行的 途径，已引起国内外同行的关注，并成为当前无线通信领域一个新的研究热点，许多相关 问题有待于解决。如“谁和谁协同”，即协同中继的选择问题；“在什么情况下协同”， 即动态协同策略；“如何协同”，即协同方案；以及某种协同方案在某种具体条件的性能 分析、协同用户终端间的资源分配等问题，只有解决了这些问题，才能使得这项技术逐渐 走向实用。 1 2 协同o f d m 系统概述 基于空间分集思想的m i m o 技术在提高信道容量方面具有明显的优势，已逐渐被新一 代无线通信的主流协议所采纳。目前，普遍认为m i m o 技术和o f d m 技术是下代无线 通信系统的核心技术。一方面，m i m o 技术在一定程度上可以利用传播中多径分量，但是 南京i | | i j i u 人学坝i ：f i j f 究生学位论文第一章绪论 对f 频率选择性深衰落，m i m o 技术仍然足无能为力的。目前解决m i m o 系统中的频率选 择性衰落的方案一般是利用均衡技术和o f d m 技术。均衡技术实现起来非常复杂，而 o f d m 技术基于f f t i f f t 快速算法，实现复杂度大大降低。另一方面，鉴于o f d m 技术 在抗频率选择性衰落方面的优势，o f d m 虽然可以提高频谱利用率，但与m i m o 技术相比， 其作用毕竟是有限的，而下代无线系统需要频谱利用率很高的技术，所以结合m i m o 技 术研究很有必要。结合两者的优势，在o f d m 的基础上更高效的丌发空间资源，也就是 m i m o + o f d m ，可以提供更可靠更高效的数据传输速率。 上述分析可知，m i m o o f d m 系统能达到很高的性能，但在实际系统中，受硬件水平 所限，小型的移动终端很难满足多天线的要求，实现起来很困难，由上一节介绍可知，协 同分集技术能起到“虚拟多天线”的作用，为m i m o 多天线技术走向实用提供了一条新的 途径。因此，综合考虑两方面的优点，将协同分集技术引入o f d m 系统，构成协同o f d m 系统，研究提高其性能的技术和方法很有意义，特别是在节点不能完全提供多天线的情况 下，研究其抗衰落性能显得更有必要。协同o f d m 与传统的m i m o o f d m 系统形式上有 相似之处，但有着本质的不同。有许多问题需要深入研究，例如，协同与o f d m 搭配问题、 协同空时编码、由协同带来的用户之间的功率分配等问题。在o f d m 系统中加入协同分集 技术是对原有o f d m 系统的完善和补充。虽然系统的复杂性有一定程度的增加，但随着用 户对无线传输速率要求不断提高，考虑协同处理带来的增益，增加系统复杂度的代价换得 的系统性能改善仍是非常值得的，结合一切可利用资源的协同o f d m 系统将是下代移动 通信系统的解决方案之一。 1 3 本文的主要工作和章节安排 本文主要研究了协同分集技术及其在o f d m 系统中的应用问题，分别从空时编码和机 会中继两个角度，研究提高协同o f d m 系统性能的技术和方法。主要研究了单中继协同 s t b c o f d m 系统性能，仿真表明，协同s t b c o f d m 系统较之未协同系统，性能可获得 约5 d b 的改善。并且考虑实际系统中，高速移动带来的信道估计误差对系统性能的影响， 针对此问题，提出了一种差分协同s t b c o f d m 方案，仿真表明，该方案相对于确知信道 条件的非差分系统，s n r 略有损失，但无需信道估计，大大降低系统复杂度，具有重要的 实用价值。最后，研究了基于机会中继的协同o f d m 系统性能，给出了- - 羊d e 新的结合方法： 机会o f d m a 中继，与机会o f d m 相比可以获得完全的分集增益。 本文的主要安排如下： 南京邮i 【1 人学砸! 1 口f 究生学位论文第一常绪论 第一章简单介绍本文研究的技术背景，协同分集技术以及协同o f d m 系统。 第二章介绍了无线信道的特性，以及本文仿真所采用的信道模型。 第三章首先介绍了空时编码技术、o f d m 技术的基本原理，然后讨论了m i m o o f d m 系统及其结合原理。最后分析了一种简单的m i m o o f d m 系统：s t b c o f d m 系统，为 下文的研究内容打下基础。 第四章首先介绍了协同分集技术的基本原理，接着讨论几种常见的协同策略并且仿 真比较了三种协同方式，最后讨论了协同分集技术面临的几个重要问题。 第五章本文的中心内容，首先介绍了基于a l a m o u t i 空时编码的协同方案，然后重点 研究了单中继节点的协同s t b c o f d m 系统性能，给出了系统模型，协同发送策略，性能 分析及仿真结果与分析。并且针对实际系统中高速移动带来信道估计误差对系统性能的影 响，提出了一种差分协同s t b c o f d m 方案，仿真表明，差分协同系统相对于确知信道状 态信息( c s i ) 的非差分系统，s n r 略有损失，但无需信道估计，大大降低系统复杂度， 具有重要的实用价值。 第六章研究了基于机会中继的协同o f d m 系统性能问题。首先简要阐述了机会中继 的基本原理，给出了系统模型，并进行性能分析，研究表明基于机会中继方案和基于分布 式空时编码方案的协同系统具有相同的分集增益。在此基础上，研究了机会中继和o f d m 技术的结合问题，给出了一种新的结合方式：机会o f d m a 中继，分析了这一新的结合方 法能够提供完全分集增益，并且仿真比较了机会o f d m 的性能。 第七章总结全文所做的工作和探讨了有待进一步深入研究的问题。 4 南京邮i u 人学硕l j 研哆生学位论文第二章尤线竹道晌传播特性 第二章无线信道的传播特性 信道足任何一个通信系统必不可少的组成部分。根据传输媒质的不同，物理信道一般 可分为有线信道和无线信道两大类。有线信道是平稳的，其传输媒质一般是双绞线、电缆、 光纤等，这些媒质的传输特性在相当长的时间内是很稳定的，可以认为这种信道为恒参信 道。无线信道是随机的，信号在空间中自由传播，受外界条件的影响很大，呈现出多种衰 落特性，可以认为这种信道为随参信道。本章将讨论无线信道的主要特性及其对信号传输 的影响，以及本文仿真所采用的信道模型。 2 1 无线信道的主要特征 在移动通信系统中，一般来说接收信号的功率可以表示为： 尸( d ) = l d i - ”s ( d ) r ( d ) ( 2 1 ) 式中，d 表示移动台与基站的距离向量，l d i 表示移动台与基站之间的距离。根据式( 2 1 ) ， 无线信道对信号的影响可以分为三种： ( 1 ) 电波在自由空间内的传播损耗例一，也称为大尺度衰落，以一般为3 4 ； ( 2 ) 阴影衰落s ( a ) ：表示由于传播环境的地形起伏、建筑物和其它障碍物对地波的阻塞或 遮蔽而引发的衰落，称为中等尺度衰落； ( 3 ) 多径衰落r ( d ) ：由于无线电波在空间传播会存在反射、绕射、衍射等，造成信号可以 经过多条路径到达接收端，而每个信号分量的时延、衰落和相位都不相同，因此在接收端 对多个信号分量叠加时，会造成同相增加，异相减小的现象，这也称为小尺度衰落。 此外，由于移动台的移动，还会使得无线信道呈现出时变性，其中一种具体表现就是 多普勒效应。自由空间的传播损耗和阴影衰落主要影响到无线区域的覆盖，通过合理的设 计可以消除这种不利影响。下面着重介绍无线信道中的多径效应和多普勒效应。 ( 1 ) 多径效应 无线移动信道的主要特征就是多径传播，即接收机所接收到的信号是通过不同的直 射、反射、折射等路径到达接收机，由于电波通过各个路径的距离不同，因此各条路径中 发射波的到达时间、相位都不相同。不同相位的多个信号在接收端叠加，如果同相叠加则 会使信号幅度增强，而反相叠加则会削弱信号幅度。这样，接收信号的幅度将会发生急剧 s 陶京j f j f ；i u 人掌硕f j 研究生学位论文销二章无线f 膏道的传播特住 变化，就会产生衰落。 在传输过程中，由于时延扩展，接收信号中的一个符号的扩展到其它符号当中，造成 符号间于扰i s i ( i n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e ) 。为了避免产生i s i ，应该使符号宽度远远大于无 线信道的最大时延扩展，或者符号速率要小于最大时延扩展的倒数。在频域内，与时延扩 展相对应的重要概念是相干带宽，实际中通常用最大时延扩展的倒数来定义相干带宽，即： 1 ( a s ) ，l ( 2 2 ) 。 式中，r 为最大时延扩展。 从频域角度来看，多径信号的时延扩展可以导致频率选择性衰落，即针对信号中不同 的频率成分，无线传输信道会呈现不同的随机响应。由于信号中的不同频率分量的衰落是 不一致的，所以经过衰落以后，信号波形就会发生畸变。由此可以看到，当信号的速率较 高，信号带宽超过无线信道的相干带宽时，信号通过无线信道后各频率分量的变化是不一 样的，引起信号波形的失真，造成 s i ，此时就认为发生了频率选择性衰落；反之，当信号 的传输速率较低，信道带宽小于相干带宽时，信号通过无线信道后各频率分量都受到相同 的衰落，因而衰落波形不会失真，没有i s i ，则认为信号只是经历了平坦衰落，即频率非选 择性衰落。相干带宽是无线信道的一个重要特性，至于信号通过无线信道时，是出现频率 选择性衰落还是平坦衰落，这要取决于信号本身的带宽。 ( 2 ) 多普勒效应 当移动台在运动中进行通信时，接收信号的频率会发生变化，称为多普勒效应，这是 任何波动过程都具有的特性。信道的时变性是指信道的传递函数是随时间而变化的，即在 不同的时刻发送相同的信号，在接收端收到的信号是不相同的。时变性在移动通信系统中 的具体体现就是多普勒频移，即单一频率信号经过时变衰落信道之后会呈现为具有一定带 宽和频率包络的信号，这也可以称为信道的频率弥散性。多普勒效应所引起的附加频率偏 移可以称为多普勒频移，可以表示为： 厶= 要c o s 0 = 堕c o s 伊：厶c o s 0 ( 2 3 ) 几c 式中，z 表示载波频率，c 表示光速，无表示多普勒频移，v 表示移动台的移动速度。可 以看到，多普勒频移与载波频率和移动台的移动速度成证比。由于存在多普勒频移，所以 当单一频率信号五到达接收端的时候，其频谱不再是位于频率轴f o 处的单纯艿函数，而 是分布在( 一厶，厶+ 厶) 内的、存在一定宽度的频谱。从时域来看，与多普勒频移相对应 的概念就是相干时间，即： 6 南京| | | j j l 也人学颂l ：研究生学位论文 第二章无线信道的传播特性 ( a t ) 。 ( 2 - 4 ) ， 相二f 时f l j 足信道冲激响应维持不变的时问问隔的统汁平均值。换句话说，相干时间就 是指一段时间间隔，在此间隔内，两个到达信号有很强的幅度相关性。如果基带信号带宽 的倒数，一般指符号宽度大于无线信道的相干时间，那么信号的波形就可能会发生变化， 造成信号的畸变，产生时间选择性衰落，也称为快衰落；反之，如果符号的宽度小于相干 时间，则认为是时间非选择性衰落，也即慢衰落。 2 2i e e e8 0 2 1 6 e 信道模型及参数 本文的信道模型主要是基于i e e e8 0 2 1 6 e 采用的信道模型【1 7 】，主要采用其中的m 1 2 2 5 v e h i c u l a rt e s ta 模型。此模型由抽头数、各径相对于第一径的时延和平均功率及各径的多 普勒谱来表征，每一径的衰落系数由上述的改进的j a k e s 模型产生。下面主要介绍m 1 2 2 5 信道模型。 u t r am 1 2 2 5 的测试环境如表2 1 所示： 测试环境定性描述 室i 为( i n d o o r )建筑物内；小尺寸蜂窝；较低d o p p l e r 频率由步行速度决定。 步行( p e d e s t r i a n )基站天线高度较低，位于室外；小尺寸蜂窝；较低的发射功率；d o p p l e r 频率由步行速度决定，偶尔更高的频率是由于受到车速的影响。 车速( v e h i c u l a r )基站使用屋顶天线；用户处于车速、步行或静止状态；更大尺寸的蜂 窝；更高的发射功率；最大d o p p l e r 频率由车速决定，更低的频率用 于步行和静止的用户。 表2 - 1u t r a 测试环境的定性描述 每一种测试环境( t e s te n v i r o n m e n t ，t e ) 都分为c h a n n e la 和c h a n n e lb 两种信道类型。 c h a n n e la 代表较低的延迟扩展，c h a n n e lb 代表较高的延迟扩展。 本文信道模型采用了v e h i c u l a rt e 的c h a n n e la 类型。v e h i c u l a rt e 主要的参数如下： ( 1 ) 路径损耗( p a s sl o s s ) v e h i c u l a rt e 的平均路径损耗由下式决定： l = 4 0 ( 1 - 4 1 0 a h h ) l o g l o ( r ) 一1 8 l o g l o ( 魄) + 2 1 l o g i o 厂+ 8 0( 2 - 5 ) 式中，r 是基站与移动台之间的距离，为载波频率，是以平均屋项高度为基准测出 的基站天线高度。这个模型仅适用于0 a h h 5 0 m 的情况。 7 南京| | i | j i u 人学颂i ：研究生学位论文 第二章尢线仃i 道的传 罱特性 ( 2 ) 阴影衰渚：( s h a d o wf a d i n g ) 对于v e h i c u l a rt e ，无论足在市区或郊区环境，阴影衰落损耗郜可用均值为零且方差 为1 0 d b 的对数正态随机变量来模拟。位置相关函数可用如下方程来描述： 尺c a x ) = e x p 皑叫 口6 ， 式中，缸是增加的距离，以。为解相关长度，此处d 。，= 2 0 m 。显然，相关性随着距离增 加呈指数衰减。 ( 3 ) 脉冲响应( i m p u l s er e s p o n s e ) 对于车速测试环境，抽头延迟线脉冲响应参数如表2 - 2 所示。a 模型有6 径，其均方 根( r o o tm e a ns q u a r e ，r m s ) 时延扩展( 定义为功率延迟分布的二阶矩的平方根) 为3 7 0 n s ；b 模型也有6 径，r m s 时延扩展为4 0 0 0 n s 。 c h a n n e l a 相对c h a n n e l a 平均c h a n n e l b 相对c h a n n e l b 平均 d o p p l e r t a p 延迟( n s e c )功率( d b ) 延迟( n s e c )功率( d b )频谱 lo0o2 5j a k e s 2 3 l o1 o3 0 0 0j a k e s 37 1 09 08 9 0 0一1 2 8 j a k e s 41 0 9 01 0 o1 2 9 0 01 0 0j a k e s 5 1 7 3 0 1 5 01 7 1 0 02 5 2j a k e s 62 5 l o2 0 o2 0 0 0 01 6 o j a k e s 表2 - 2 车速测试环境：抽头延迟线模璎的脉冲响应 在i e e e8 0 2 1 6 e 移动无线环境下，信号是多径传输的，信号的脉冲响应可以表示为： ( f ，) ：r - iq ( fe p , ( 忪( f 一) ( 2 - 7 ) 式中，为多径数，q ( t ) 、和9 ( r ) 分别表示第f 径的幅度、时延和相移。在移动环境下， 每一径的幅度、时延和相移都是时变的。如果发射端和接收端之间没有直接路径存在，则 每一径都可以建模为一个r a y l e i g h 衰落过程。目前，被普遍采用的模拟r a y l e i g h 衰落过程的 模型是j a k e s 模 1 8 】。 j a k e s 模型用一系列复正弦信号的和来近似r a y l e i g h 衰落过程。正弦信号的数目要足 够大以使得合成信号的包络的概率密度函数( p r o b a b i l i t yd e n s i t yf u n c t i o n ，p d f ) 和r a y l e i g h 信道的p d f 非常接近，保证一定的精确度。 j a k e s 证明了理论上用于表征各向同性散射无线移动信道的多普勒频谱为【1 9 】： 南京邮i 【1 人学坝l j 研究生学位论文第一二章尤线f 矗道的传播特忡 d ( ) =l 一z l 厶 ( 2 8 ) 可以用一系列经过加权的正弦信号来很好地近似。 设j a k e s 模型的冲激响应为 h ( t ) = t ( f ) + 几( f ) ( 2 - 9 ) 式中，t ( f ) 和z ，( f ) 分别表示同相和正交分量，是相互独立的零均值高斯过程 e ( 霉) = e ( ) = 仃2 e ( x c x , ) = 0 e t 0 ) t ( ，一f ) 】= ( 2 万厶r ) ( 2 一1 0 ) ( 2 一1 1 ) ( 2 1 2 ) 式中，山( ) 为0 阶的第一类贝塞尔函数，考虑个入射角在0 到2 z 之间均匀分布的信号， j a k e s 限制2 为奇数，并定义了另一个整数“= j 1 【了n 一1 ) 。j o ( 2 n f m f ) 可以近似为： 坤听，专喜c o s k 丁c o s 等) + c o 啦听， 仁 模型由一个频率为缈。= 2 7 无的复频率振荡器和n o 个较低频率的复振荡器的和构成。 这n o 个复振荡器的频率为国。c o s 0 ，其中已是第n 个平面入射角。这样可以得出 t ( ，) ：2 兰c 。s c 。s f + 压c 。s 纨c 。s f ( 2 1 4 ) ，v “ t ( f ) = 2 s i n ( p c o s a j t + 2s i nc p uc o s c o , t ( 2 一1 5 ) 式中，彩。= 。c o s ( 2 n n n ) ，刀= 1 , 2 ，n o ，丸是第，? 个经d o p p l e r 频移的正弦波初始相位， 是具有最大d o p p l e r 频移j 下弦波的初始相位，初始相位的选择应能使衰落过程的相位分 布尽可能接近均匀分布。j 下弦信号的数目要足够大，以保证有足够的近似精度。j a k e s 建议 n o = 8 ，在r a y l e i g h 衰落情况下可以达到足够的精度。 上文所述属于传统的j a k e s 模型，用它来仿真多径衰落信道时存在一个问题，即各路 径之间的相关性很大，不能满足独立性的要求。改进的j a k e s 模型 2 0 1 ，可以保证各个传播 路径之间的相关性很小。其第径的同相和j 下交分量为： 9 南京i l l l q 1 人学f f | ! i j i ) f 究生学位论文 第二章无线f 矗道的传播特忡 1 1 ( f ) = 2 c o s ( 巳) c o s ( f + 万2 ) ( 2 - 1 6 ) ，j = i x h ( ，) = 2 y s i n ( o , v ) c o s ( c o o t + x j 2 ) ( 2 1 7 ) 月2 i 热= 焉小l ，2 ， 二l 鸺列扣s 鼍产以= 孚，= 4 ( 0 + 1 ) ， v 为车速，兄为载波波长，n o 为振荡器个数。 2 3 本章小结 无线电波的传播特性，再加上移动台的高速移动，使得移动台与基站白j 的无线信 道呈现多种衰落特性，很多无线新技术就是为了克服信道的衰落特性而产生。本章简 单介绍了无线信道的基本传播特征，主要介绍了多径衰落和多普勒频移等概念。最后 介绍了本文仿真所采用的信道建模模型。下文的协同分集系统性能仿真分析就是基于 上述的信道模型。 1 0 南京邮l u 人学倾i j 研究皇学化论义第三搴s t b c o f d m 系统 第三章s t b c o f d m 系统 由第二章可知，无线传输信道，尤其是高速移动坏境下的无线传输信道是一个非常复 杂的物理现象。移动通信要在有限的频普资源上支持高速率数据和多媒体业务的传输，就 必须采取频谱效率高的抗衰落技术来提高系统的性能，m i m o 和o f d m 正是其中的两种有 效技术，而将两者相结合构成的m i m o o f d m 系统，技术上相互补充、使之成为目前实 现无线信道高速数据传输最为有效的解决方案之一，具有广阔的发展前景。m i m o 技术可 充分开发空间资源，利用多根天线实现多发多收，在不需要增加频谱资源和天线发送功率 的情况下，可以有效地提高信道容量。能够获得m i m o 系统这些好处的一种行之有效的方 法就是空时编码技术，本文介绍了空时编码的基本原理。o f d m 技术是一种特殊的多载波 传输技术，其子载波之间相互j 下交，可以高效地利用频谱资源，另外，o f d m 将总带宽分 割为若干个窄带子载波可以有效地抵抗频率选择性衰落。本章将详细介绍这两种技术及其 二者的结合方案，并且分析了一种简单的m i m o o f d m 系统：s t b c o f d m 。 3 1 空时编码 对m i m o 系统性能的研究表明：在假设各天线相互独立的条件下，多天线系统比单天 线系统在信道容量上有显著提高，这些增加的信道容量既可以用来提高信息传输速率，也 可以通过增加信息冗余来提高通信系统的传输可靠性。能够获得m i m o 系统这些好处的一 种行之有效的方法是进行空时编码：该方法联合考虑信道编码、调制、发送和接收分集， 将它们有机结合，有效地提高了m i m o 系统的传输性能。 目前研究较多的空时编码有基于发送分集的空时分组码( s p a c e t i m eb l o c kc o d e s t b c ) 、空时格栅码( s p a c e t i m et r e l l i sc o d i n g ，s t t c ) 和分层空时编码( b e l ll a bl a y e r e d s p a c e t i m e ，b l a s t ) 。s t t c 技术以格型编码调制为基础，同时利用了传输分集和信道编码， 提供很高的分集增益和编码增益 2 2 】。由于网格空时码的编译码比较复杂，c a d e n c e 公司的 研究人员提出了一种基于正交设计的空时码：分组空时码，虽然它的性能比网格空时码的 性能略差，但由于其译码方法简单，很快引起了通信界的广泛关注。下面介绍一种简单的 空时分组码：a l a m o u t i 码 2 3 】。 a l a m o u t i 方案是为发射天线数为2 的系统提供完全发射分集增益的第一种空时分组 码。它通过单接收机两路发射分集方案获得了与两路最大比值接收合并( m a x i m a l r a t i o 南京邮i 也人学f 畎i ：f i ) f 5 ( 生学位论文 第二三学s t b c o f d m 系统 r e c e i v e rc o m b i n i n g ，m r r c ) 相同的分集阶数。 信调 编码器 息 制 i x i ，x 2 专 v x ，- x 。；1 源器 l x 2 ，而j t x l 图3 1 显示了a l a m o u t i 空时分组码编码器的原理，假定采用m 进制调制方案，在 a l a m o u t i 空时编码中，首先调制每一组，l ( m = l o g ：m ) 个信息比特。编码器取两个调制 符号而和x ：作为一个分组，并按如下的编码矩阵将它们映射到发射天线： x = 瞬 p ， 然后在两个连续的发射周期内将编码器的输出从两个发射天线中发射出去。在第一个发射 周期中，x l 和z ：同时从天线1 和天线2 分别发射。在第二个发射周期中，信号一x ：从天线 1 发射，x ? 从天线2 发射。如表5 1 所示。很显然，这种方法既在空间域又在时间域进行 编码。分别用x 1 和x 2 来表示天线1 和2 上的发射序列： x ，i = i ，x 1 ，一宴( 3 - 2 ) 戈2 = x 2 ，i 】 a l a m o u t i 方案的主要特征是两根发射天线的发射序列是正交的，也就是说，序列x 1 和x 2 的 内积为0 。空时分组码也正式由于满足正交性才使得译码相对简单，这一点可以从后面的 译码方法中看出。 时隙天线1天线2 l 五j f 2 2 一恐西 编码矩阵具有如下的特征： j j f j f ：= i j j f 2 d f i j 2 f 2 il ：0 0xi1，。：l：=(i-c。12rl，c：12)，j ( 3 3 ) l i1 2 + l x ：1 2 j ：。1 。 。 、。 式中，厶是- - i 2 x 2 的单位矩阵。 假设接