（通信与信息系统专业论文）协同通信系统的检测与解码技术研究.pdf

南京t i g i l ! , 人学硕l j 研究生学位论文 摘要 摘要 最近几年协同通信技术引起人们的广泛关注。协同通信的基本思想就是单天线的用户在 一个多用户的环境中共享彼此的天线，从而形成一个虚拟的m i m o 系统。协同通信技术可以 有效地提高无线网络的频谱效率、能量效率和可靠性，却不像多天线系统那么复杂。由于正 交空时分组码可以直接应用到协同通信系统中，因此分布式空时分组码受到研究人员的特别 关注。 本文主要研究协同通信系统中分布式空时码的相干和非相干检测方案。 在相干检测部分，首先介绍了使用导频信号来估计信道系数的方法。然后，研究了几种 相干检测方案，包括：最大似然接收机，协同最大似然接收机，a l a m o u t i 接收机，迫零接收 机和串行干扰消除接收机。接着，推导了精确信道估计和不精确信道估计下比特错误概年“j 表达式。最后，对几种方案进行i d a t l a b 仿真，并比较了它们的性能。仿真结果表明，协同最 大似然接收机性能最好，但是复杂度高；a l a m o u t i 接收机，迫零接收机和串行干扰消除接收 机性能相比前者有所下降，但是更容易实现。 然而，在实际应用中，精确的信道估计是不现实的。所以，本文继续研究了在时变信道 和准静态信道下的非相干接收机。利用分布式空时码的正交性，推导了准静态衰落信道下的 译码准则。尽管这个译码准则是在准静态的假设下得出来的，由于其内在的信道追踪能力， 使得它可以应用在时变信道中作为一个次优解。最后，对相干和非相干的检测算法进行了仿 真比较。仿真结果表明，非相干检测虽然性能比不上相干检测，但是在无法获得信道信息的 情况下是一个不错的选择。 关键词：协同通信；空时分组编码；检测方案；衰落信道 a b s t r a c t r e c e n t l y ，an e wc l a s so ft e c h n i q u e sk n o w n a sc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o nh a sb e e np r o p o s e d t h eb a s i ci d e ai st h a ts i n g l e a n t e n n am o b i l e si nam u l t i - u s e rs c e n a r i oc a n ”s h a r e ”t h e i ra n t e n n a si na m a n n e rt h a tc r e a t e sav i r t u a lm i m os y s t e m i th a sb e e nd e m o n s t r a t e dt h a t t h ec o o p e r a t i v e c o m m u n i c a t i o n ，p r o v i d e s a l le f f e c t i v ew a yo fi m p r o v i n gs p e c t r a la n dp o w e re f f i c i e n c y ，a n d r e l i a b i l i t yo ft h ew i r e l e s sn e t w o r k sw i t h o u tt h ea d d i t i o n a lc o m p l e x i t yo fm u l t i p l e a n t e n n a s i n p a r t i c u l a r , d i s t r i b u t e ds p a c e t i m e b l o c kc o d i n g ( d s t b c ) i so fg r e a t i n t e r e s tb e c a u s et h e c o n v e n t i o n a lv e r s i o no fo r t h o g o n a ls t b cc a nb er e a d i l ya p p l i e di nac o o p e r a t i v en e t w o r k i nt h i sp a p e r , c o h e r e n ta n dn o n c o h e r e n td e t e c t i o ns c h e m e sf o rd i s t r i b u t e ds p a c e t i m eb l o c k c o d i n gi nw i r e l e s sc o o p e r a t i v es y s t e m sa r es t u d i e d i nt h ec o h e r e n tp a r t ，p i l o ts y m b o l sa r eu s e dt oe s t i m a t et h ec h a n n e lc o e f f i c i e n t s a n d s e v e r a lc o h e r e n ts c h e m e sa r ep r o p o s e d ，i n c l u d i n gt h em a x i m u m l i k e l i h o o dr e c e i v e r ，c o o p e r a t i v e m a x i m 啪l i k e l i h o o dr e c e i v e r ,a l a m o u t i sr e c e i v e r ，z e r o - f o r c i n g r e c e i v e ra n ds u c c e s s i v e i n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o nr e c e i v e r m o r e o v e r , c l o s e d f o r me x p r e s s i o n sf o rt h eb i te r r o rr a t e ( b e r ) a r ed e r i v e d ，c o n s i d e r i n gb o t hp e r f e c ta n di m p e r f e c tc h a n n e le s t i m a t i o n a tl a s t , a l lt h ec o h e r e n t s c h e r n e s 锄f es i m u l a t e di nm a t l a bt oc o m p a r et h e i rp e r f o r m a n c e t h er e s u l t ss h o wt h a t t h e c o o p e r a t i v em a x i m u m l i k e l i h o o d r e c e i v e ro u t p e r f o r m st h eo t h e rd e t e c t i o nm e t h o d s b u t a l a m o u t i sr e c e i v e r , z e r o f o r c i n gr e c e i v e ra n ds 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 nr e c e i v e ra r e e a s i l yt oh ei m p l e m e n t e dw i t hl o w e rc o m p l e x i t y h o w e v e r ，i np r a c t i c a la p p l i c a t i o n s ，p e r f e c tc h a n n e ls t a t e i n f o r m a t i o na tt h er e l a ya n d d e s t i n a t i o ni sh i g h l yu n r e a l i s t i c s ot h en o n - c o h e r e n t r e c e i v e r sf o rb o t hq u a s i s t a t i c a n d t i m e v a r y i n gf a d i n gc h a n n e l s a r es t u d i e d e x p l o i t i n gt h eo r t h o g o n a ls t r u c t u r eo fd s t b c ，a n o n c o h e r e n td e c o d i n gr u l ei sd e r i v e d a l t h o u g ht h i sd e c o d i n gr u l eh a sb e e nd e r i v e da s s u m i n g q u a s i s t a t i cc h a n n e l s ，i t si n h e r e n tc h a n n e lt r a c k i n gc a p a b i l i t ya l l o w s i t sd e p l o y m e n to v e rt i m e v a r y i n gc h a n n e l sw i t hap r o m i s i n gp e r f o r m a n c ea sas u b o p t i m a ls o l u t i o n f i n a l l y ，s i m u l a t i o n sa r e p r e s e n t e dt oc o m p a r et h ep e r f o r m a n c eo fn o n c o h e r e n ta n dc o h e r e n tr e c e i v e r s t h es i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a ta l t h o u g hp e r f o r m a n c eo fc o h e r e n td e t e c t i o ni sb e t t e rt h a nn o n 。c o h e r e n td e t e c t i o n ， w h e nt h ec h a n n e li n f o r m a t i o ni sn o ta v a i l a b l e ，n o n - c o h e r e n td e t e c t i o ni sag o o dc h o i c e 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 s ；s p a c e t i m eb l o c kc o d i n g ；d e t e c t i o ns c h e m e ；f a d i n g c h a n n e l s i i 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。 研究生签名：王啦日期：矗芝 缸 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。 研究生签名：王哦允 导师签名： 南京邮i 乜人学硕f ：研究生学位论文第一章绪论 1 1 协同通信技术发展 第一章绪论 随着人们对信息需求的增长，要求下一代的无线通信网络必须能够提供更高的传输速率 和更好的传输性能。然而由于无线频谱资源的匮乏，要达到上述要求，必须具有更高的频谱 利用率，这样才能在有限的频谱上提供更高的系统容量，同时实现系统容量和可靠性之间的 最优折衷。 从目前技术发展来看，为了提高频谱效率，可以从两个方面进行考虑：首先，对传统以 集中式网络结构为主的模式进行改进，引入分布式网络结构，形成多种网络结构并存的网络 架构，提高单位空间的频谱效率，如在3 g 移动通信系统中加入中继站，或者部署像无线- ，。“ 网络【1 l 这样完全分布式的网络结构，提高频谱的空间复用度，从而大大提高整个网络的通信 容量。同时把协同通信技术应用到这些无线通信网络中，可以进一步改善它们的性能，比如 说利用网络编码【2 1 和协同分集【3 1 等技术并充分利用无线信道的广播特性，都能够提高整个通信 网络的总传输速率或者是增强通信的可靠性。其次，尽量提高单条通信链路的容量和传输速 率。在现有的单输入单输出( s i n g l e i n p u ts i n g l e o u t p u t ，s i s o ) 系统中，可以通过采用更高 阶的调制技术和更优良的信道编码方法，实现满足系统误比特率要求的最大传输速率。但是 这种方法的潜力是有限的。在无线衰落环境中，要在有限带宽的情况下尽可能地逼近信道容 量，技术难度比较大，并且s i s o 系统本身的信道容量也是有限的，所以在下一代无线通信 系统中考虑更多的应该是利用m i m o ( m u l t i i n p u tm u l t i o u t p u t ，m i m o ) 技术。多输入多输 出( m i m o ) 技术可以大大提高系统的信道容量。 现有的m i m o 技术通过在接收端和发送端同时安置多个天线从而充分利用空域资源，大 幅度提高了信道容量。在实际的蜂窝网络中，通常只在基站端配置多根天线，而对于移动终 端，若要求不同天线对之间信道衰落大致是相互独立的，则需要半个至一个载波波长的天线 间隔。由于移动终端对体积、质量和功耗的要求非常苛刻，所以在移动终端很难安装多天线。 因而，很难在移动终端实现上行的发送分集。考虑到现有的无线通信系统中多是由多用户组 成，因而一种新的在移动终端实现发送分集的思想随之产生协同分集( c o o p e r a t i v e d i v e r s i t y ) 。其基本思想是：移动终端之间共享各自的天线，利用自己和其他移动终端所构成 的虚拟的多发送天线阵传输信息，从而获得空间发送分集增益。 协同分集技术最早源于中继信道( r e l a yc h a n n e l ) 的研究【4 】，但协同又不同于中继，中继 l 南京邮电人学硕l ：研究生学位论文 第一章绪论 节点只是为源节点转发数据，而协同节点既是转发者，又是数据源。s e n d o n a r i s 等人在1 9 9 8 年首先提出协同分集的概念，利用伙伴间的协同进行中继转发，改善了链路的容量并降低了 系统的中断概率【5 1 。 l a n e m a n 等从概念和数学上进一步延伸了文献 5 】的工作，提出了基于单节点和多节点中 继的协同分集协议，如固定中继、选择中继和增强中继3 种协同策略，并给出了它们的互信 息和中断概率分析6 】【7 】【8 1 ，证明除译码中继协议外，其他协议均能实现完全的分集增益，然而 这些协议都包括一定形式的重发，要获得完全的分集增益是以降低频谱效率为代价的。为了 提高频谱效率，h u n t e r 等提出了采用信道编码的编码协同，如凿孔分布式卷积码【9 】- 【1 2 1 ，从中 断概率的角度也可以获得完全的分集增益。之后l a n e m a n 又提出了以空时编码为基础的协同 分集【1 3 】，其理论上可以实现全空间分集增益，同时没有降低频谱效率。在放大中继和译码中 继协议中，具体的分布式空时协同系统随后被提了出来。b a r b a r o s s a 和a n g h e l 等主要继续研 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 4 】- l h 】。 n a b a r 等人分析了分布式空时分组码( s t b c ) 的放大中继模式，得到了误码率( b e r ) 的理 论分析结果【1 9 1 。在此基础上，谢林探讨了基于低密度奇偶校验码( l d p c ) 的空时编码协同 分集协议【2 0 】，s u s i n d e r 对非正交空时编码协同分集协议进行研究【2 1 1 ，这些协议在容量和分集 增益角度都有所提升。 目前，在协同分集领域还有如下问题需要进一步解决： ( 1 ) 中继节点和目的节点的信号处理( 检测和解码) 研究中继节点和目的节点如何处理接收到的信号及如何解码才能获得高的分集增益或者 提高系统的容量是协同分集中最重要的研究方向。本论文研究内容属于这个方向。 ( 2 ) 协同伙伴中继节点分配与管理 在一个多节点的环境中怎样划分各个终端的协同伙伴，并且既然是移动终端，当它们的 相对位置改变时又该如何，或者说应该隔多久的时间重新划分一次协同伙伴【2 2 】。在蜂窝通信 系统中，由于基站的存在，它有可能对该小区内的移动终端进行统一管理，比如基站可将各 个移动终端间的信道状态信息告诉移动终端，从而使它们更好地协同。但是对于自组织网络 或传感器网络，它们没有一个中心节点进行管理，就需要一个分布式协同协议，使移动终端 自己能够决定怎样协同，跟谁协同【2 3 】。 ( 3 ) 功率分配 现在的大部分研究都是认为各个移动终端有着相同的发射功率，但是使移动终端根据信 道状态自适应地调整发送功率，可以更好地提升网络性能。研究有效的算法对协同分集网络 2 南京邮电人学硕l j 研究生学位论文 第章绪论 进行功率控制和分配是一个十分重要的课题【2 4 】。 ( 4 ) 多中继、多跳协同 实际的环境中可能需要多个节点相互协同并且需要协同多次来完成通信，这些问题也是 未来的研究方向【2 3 1 。 ( 5 ) 同步问题 目前大多数协同分集的文献都假设系统是能够很好的同步的，即源节点和中继节点之间、 源节点和目的节点之间、中继节点和目的节点之间都是同步的。然而因为协同分集中同一信 息是由两个或多个协同者发往目的节点的，如果源节点和中继节点到目的节点的时延不同， 则源节点与中继节点同步了，它们到达目的节点的信息就无法同步，反之，它们到达目的节 点的信息同步了，二者之间的同步又无法保证【2 5 】。研究对同步要求较低的协同分集协议或提 高网络的同步- 1 1 4 工4 - 畚f e 匕, 是协同分集能否实用的关键部分1 2 6 l 。 ( 6 ) 频率选择性信道下的应用 目前进行的研究工作大多都是假设信道是平坦衰落的，但是在实际的无线网络中，信道 往往是频率选择性衰落的，如何在这种信道环境下利用现有的研究成果是一个亟待解决的问 题。 综上所述，协同分集思想由于具有非常广阔的应用前景，引起了国内外学者的广泛关注， 其理论方面取得的研究成果较多，但目前的理论研究存在很多不足不完善的方面，距离实际 系统的应用也有一定的距离。 1 2 全文内容安排 在参阅了大量中英文文献的基础上，本文对协同通信系统的检测与解码方案进行了研究， 对主要的检测与解码方案下系统的性能进行分析，并且仿真比较了在不同的检测与解码方案 下系统的性能。 我们首先介绍了无线信道，分集技术，多天线系统的基础知识，在这基础上重点分析了 三种协同分集方案，包括放大前传，解码前传，编码协同，并且分析了协同通信系统的容量。 接着我们介绍了空时分组码和分层空时码以及相应的译码算法，并且把空时编码技术应 用到协同通信系统中，然后分析了协同分布式空时码的成对错误概率，并给出仿真结果。 在协同分布式空时码的基础上，我们详细研究了分布式a l a m o u t i 空时码的相干检测算法， 包括最大似然接收机，协同最大似然接收机，a l a m o u t i 接收机，迫零接收机和串行干扰消除 接收机。然后对分布式a l a m o u t i 空时编码的比特错误概率( b e r ) 进行理论分析，包括两种 南京邮l 乜人学坝l ：研究生学位论文 ； ；一章绪论 情况：一是准确知道信道信息的比特错误概率分析，二是不能准确知道信道信息的比特错误 概率分析。在第五章的最后，对五种检测算法进行仿真比较。结果显示，协同最大似然接收 机性能最好，但是复杂度高；a l a m o u t i 接收机，迫零接收机和串行干扰消除接收机性能虽然 有所下降，但是更容易实现。 最后，我们研究了时变信道下和准静态衰落信道下协同分布式空时编码的非相干检测算 法。通过仿真比较，我们看到非相干检测算法的性能与相干检测有一定差距，但是在无法获 得信道信息的情况下，非相干检测是一个很好的选择。 4 南京邮电人学硕i j 研究生学位论文第_ 二章协川通信技术基础 第二章协同通信技术基础 2 1 无线信道传播特性 2 1 1多径衰落 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会扩展到其它符号当中，造成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 ，符号间干扰) 。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，与时延扩展相关的重要概念是相干带宽，实际应用中通常用最大时延扩展的 倒数来定义相干带宽，即 1 ( 衄) ，l _ ( 2 - 1 ) 吒墩 其中表示最大时延扩展。 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i 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，信号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。 5 南京邮电人学硕f j 研究生学位论文第二章协司通信技术基础 2 1 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： 兀= - - 姜c o s 秒：堕c o s 矽= 厶c o s 臼 ( 2 2 ) f 其中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正比。 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+ - l 处的单纯万函数，而是分布在( 兀一厶，厶+ 厶) 内的、存在一定宽度的频谱。 从时域来看，与多普勒频移相关的概念就是相干时间，即： 1 ( a t ) 。 ( 2 3 ) ) m 相干时间是信道冲激响应维持不变的时间间隔的统计平均值。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 1 3 瑞利信道 在移动通信信道中，由于基站和移动台之间的反射体、散射体和折射体的数量是相当多 的，所以信道的冲激响应表示如下： l z ( r ) = a ，8 ( t - g ) e 届 6 ( 2 4 ) 南京邮l 乜人学硕i ：研究生学位论文 第二章协州通信技术堆础 其中l 代表到达的多径的径数；4 f 代表第，条路径的信号幅度；_ 代表第? 条路径相对第一条 路径( t ：0 ) 的时延；力代表第? 条路径的信号相位。 假设发射机和接收机之间没有直射波路径；有大量的反射波存在，且到达接收机天线的 方向角是随机分布的( 0 2 兀均匀分布) ；各个反射波的幅度和相位都是统计独立的，则到 达接收机的信号包络r 服从瑞利分布： 其中2 为r 的方差。 2 2 分集技术 p = 砉e x p ( - 刍) ( ， o ) ( 2 5 ) 分集技术是无线通信系统中对抗多径衰落、提高传输性能的一项基本技术。由于存在多 径效应与时变性，在无线衰落信道中传输的信号可能会受到严重的衰减。这种衰减使得接收 端不能正确地判断发送信号，除非有其他的衰减程度比较小的信号副本提供给接收机。分集 的基本原理是：将接收到的多个不相关的信号能量按一定规则合并起来，使得组合后得到的 有用信号能量最大化。对数字系统而言，使接收端的误码率最小。 如果不采用分集技术，在噪声受限条件下，发射机必须提高发射功率，才能保证信道情 况较差时，链路能够正常连接。在移动无线环境中，由于手持终端的电池容量非常有限，所 以移动终端上行链路中所能获得的发射功率也非常有限。采用分集技术可以降低发射功率， 这在移动通信中非常重要。 实际应用中，分集技术根据产生领域的不同，可分为时间分集、频率分集、空间分集和 极化分集。 ( 1 ) 时间分集 采用时间分集时，相同的信号序列在不同的时间间隙被多次重发，历经不同的独立衰落 到达接收端，然后由接收端进行适当的合并以获得分集增益。在快衰落环境中，时间分集比 在慢衰落信道中有效。因为快衰落具有时间独立性，只要各次发送信号的时间间隔足够大， 那么各次发送信号所出现的衰落将是彼此独立的。接收机将重复收到的同一信号进行合并就 能减小衰落的影响。一般的时间分集方式在快衰落信道中尤为有效。但对于慢衰落信道来说， 由于要求的发送时间的间隔要大于信道相关时间，所以除非通信双方能忍受大的交织延迟， 7 雨京邮l u 人学硕l j 研究生学位论文第二章协i r d 通信技术桀础 否则这一方法的作用并不明显。 ( 2 ) 频率分集 频率分集就是将相同的信息用不同频率的载波发送出去，在接收端接收不同载波上的相 同信息并进行合并的技术。当发射的载频之间的间隔大于信道相关带宽时，在接收端就能够 得到这相同信息的独立传输结果。这种方法利用了衰落在频域上不相干特性。它和时间分集 相比，能够加速信息的传输，避免了数据在时间上的等待和重复。但是频域分集传输同一信 号需要多个载频，占用了更多的频谱资源，因而其频谱利用率较低。并且频率分集需要多部 独立信号的发射机和接收机进行不同频段的信息收发，因此在设备构成方面比较复杂。现在 的g s m 标准就是采用跳频技术来获得频率分集的。 ( 3 ) 空间分集 空问分集又称天线分集。空间分集就是在接收端利用多根天线接收信号。当天线问鼍巴 够大时，各个天线接收到的衰落信号可以认为是相互独立的。这样就可以利用衰落的空间独 立性对信号进行接收处理。这种技术不会在时域和频域引入冗余性，也不会降低系统的效率， 同样还能够获得相应的分集增益。当采用空间分集时，一般要求各个天线之间的间距大于几 个波长，以保证每根天线接收到的信号都是经过相对独立的衰落路径的信号。接收天线个数 越多，其分集效果越佳。对于单天线来讲，多天线传输可使信道容量得到大幅度的改善，因此 这种分集技术得到了广泛的研究。现在已经有人把接收分集技术用于改进g s m 系统的上行 链路的传输性能，但是对于下行链路来说，由于移动单元尺寸和信号处理复杂性的限制j 采 用天线分集是不合适的。通常天线分集只在基站使用，在便携式移动终端上使用多天线是对 设计的一种挑战，并且也会增加成本。 ( 4 ) 极化分集 电磁波的垂直极化和水平极化也是去相关的。当空间分集的天线分布不允许灵活布局时， 可以采用极化分集，即在天线上采用不同的极化方向。因此，不可能有超过两个方向的极化 分集。 前面我们了解了如何将信号利用分集技术在多个不相关的信道进行传输，那么在接收端 如何将这些不相关的信号进行组合就涉及到了合并技术。当经过分集的信号到达接收端，接 收端存在有多条接收分支，它需要把这些分支所接收的信号进行组合，以获得极大化的信号 功率，这就是分集合并技术。 一般来说，信号的组合方式可用下式表达： 8 南京邮l u 人学硕【：研究生学位论文 第二章协h 通信技术基础 m ，( ，) = q ( f ) ，k = l 2m ( 2 6 ) 其中，r k ( t ) 为第k 条路径上所收到的信号副本，a k 表示其加权系数，( r ) 表示最后得到的组 合信号。为了便于分析和比较分集技术对系统传输性能的影响，对系数归一化，即满足 m = 1 ( a ) 若加权系数中只有一个不为零( 最好的) ，其他皆为零，即 a k l = 1 ，a k 2 = o ( 毛屯) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 这种组合方式为最佳选择合并方式。 ( b ) 若不论信号好坏，把所有收到的信号全部都叠加起来，l i p ： q = 吒= = = 击 c 2 圳 就得到等增益合并方式。 ( c ) 若自动调节加权系数使得组合信号，( r ) 的信噪比最高，就得到最大信噪比合并方式。 2 3 多天线技术简介 无线通信是当今世界最活跃的科研领域之一。它突破了有线通信的物理限制，使得用户 可以在任何无线电波可以到达的地方进行通信。下一代无线通信系统将提供用户更高的数据 传输速率和更好的服务质量，系统容量需要大幅度提高，因此有限的无线频谱资源迫使下一 代无线通信技术必须极大地提高频谱利用率。然而迄今为止，传统无线通信技术对信号的频 域、时域与码域信息的利用已达到一个前所未有的高度，但仍然难以满足未来无线互联网多 媒体通信的需求。为了解决这个问题，有学者提出了m i m o ( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ) 技 术。 传统无线通信系统采用一个发射天线和一个接收天线，称作s i s o ( s i n g l ei n p u ts i n g l e o u t p u t ) 系统。s i s o 系统在信道容量上具有一个不可突破的瓶颈一香农容量限制，不管采用 何种调制、编码策略，无线信道总是给通信工程作了这个实际的物理限制。m i m o 无线通信 技术源于天线分集技术与智能天线技术，它是m i s o 与s i m o 技术的结合，具有两者的特征。 m i m o 系统模型如下图所示： 9 南京邮电人学坝l 二研究生学位论文 第二章协h 通信技术皋础 图2 - 1m i m o 系统模型 m i m o 系统在发送端有m 个天线，在接收端有r 个天线。第i 个发射天线到第j 个接收天线 的信道衰落系数用表示，第i 个发射天线发送的信号为，第j 个接收天线收到的信号用，：， 表示，有 m r j ( t ) - - z ( ，) 、( r ) + _ ( f ) ，= l 2 ， ( 2 - 1 0 ) 考虑信道是平坦衰落，有勺，= ( f ) 万( f ) = ( o ) ，上式简化为 矩阵形式表示为 其中 r r j ( t ) = 勺。i o ) + _ ( ，) j = l 2 ， ( 2 1 1 ) r ( t ) = h s ( t ) + n ( ，) s ( ，) = 置( f ) ，s z ( t ) ，( r ) 】7 r 0 ) = 【( f ) ，r 2 ( t ) ，( ，) 】r n ( ，) = 【，z l ( f ) ，n 2 ( t ) ，( ，) r h = 啊。啊： 吃，k 红m f h n r 、h n r 2 h n r 。n t l o ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 堕室堕! ! 叁兰竺! ：婴壅竺兰竺笙竺笙三! 丝! ! ! 望笪丝查苎竺 分别表示发送信号向量，接收信号向量，噪声向量，信道系数矩阵。 m i m o 技术吸引人的地方之一就是其容量比s i s o 系统有；艮大提高。m i m o 系统在发送 端和接收端y _ f 自j 建立了多个空问子信道，t e l a t a r 2 7 1 和f o s c h i n i 2 8 】都指出m i m o 信道的容量可 以成倍线性增加。下面总结了一些平坦衰落m i m o 信道容量的有关公式。 对于一个m 发，收的m i m o 系统，则有如下传输关系： ，：巨h s + 刀( 2 1 7 ) 、t 其中，r 为接收信号向量，h 为信道矩阵，s 为发射信号向量，且其协方差矩阵如= e ( s s h ) 满 足乃( 匙) = m ，使得发射信号总功率为e 。式中n 表示方差为o 的白高斯噪声向量。因此， m i m o 信道容量为： c 一什蕊 l 0 9 2 d e t ( k + 矗砜日片 8 ) 其中，信道容量c 的单位是b i t s h z ，d e t 表示矩阵行列式。 如果发射端无法获知信道信息，只能假设各发射天线上的信号相互独立且能量相等，即 心= i ，则此时的信道容量为： 矧 d e t ( k + 赢删何 亿 若将m i m o 信道矩阵进行奇异值分解为：h = u d v ，则m i m o 信道容量可表示为： c x 。和lg ( h 去叫20)0 c=o 2ll + 熹丑i ( 2 - f ；l 1 v f v 式中，r 表示信道矩阵h 的秩，而五则为h h 的非零特征值。可见m i m o 信道的容量可以分 解为r 个s i s o 子信道的容量之和。若发射端己知信道信息，可以对各子信道进行功率分配， 使式( 2 1 8 ) 取得最大值，即： c = 和( ，+ 急旬21t0 ， c = l 0 9 2 l1 + 器五i ( 2 - ) f = l o v v 式中，形- - e ( i s l 2 ) 表示了各自信道上的功率分配，且满足以= m 。最优的一组以应当满足： 以= 卜筹卜墟， 沼2 2 ， 南京邮l 乜人学硕i j 研究生学位论文 第_ 二章协f r d 通信技术基础 其中，( x ) + 定义为 ( x ) + = 丢二三三 c 2 2 3 ， 满足式( 2 2 2 ) 的最佳功率分配可由“注水算法”求得。 以上讨论了确定m i m o 信道的容量，对于衰落m i m o 信道，其信道容量是一个随机变 量，通常用遍历容量( e r g o d i cc a p a c i t y ) 和中断容量( o u 仃a g ec a p a c i t y ) 来描述：遍历容量是 指随机m i m o 信道容量的平均，故发射端未知信道信息时的遍历容量为： 嘞净g ：( - + 去五) ) 亿2 4 ， 而发射端己知信道信息时的遍历容量为： 9 = e 9 2 1 + 最以) ) 协幽 中断容量用于衡量某个信道容量取值的置信度，g 的中断容量q 表示 p ( c q ) = g ( 2 2 6 ) 也就是说，对于( 1 0 0 - q ) 的信道实现都能保证不小于e 的信息速率。 2 4 协同通信基本模型 从前面的内容，我们可以知道m i m o 技术，通过在发送和接收两端同时安置多副天线， 可以获得很高的分集阶数，极大地提高了信道容量。目前m i m o 无线系统的优点已被广为认 识，并应用于无线通信的标准中。尽管传输分集在蜂窝基站中的优势是非常清楚的，但与其 它方案相比不一定是最实际的，如大小、代价、硬件的限制等，同时无线代理器也不能支持 多传输天线，如大多数的手持设备、无线传感网络等，从而使得这种直接采用多天线方式的 m i m o 系统的应用受到一定限制。新近提出的协同通信的概念，通过用户终端相互作为中继， 在没有增加设备复杂度与设备量的条件下，实现用户终端的分集接收，从而获得分集增益。 协同通信的形式有多种多样，我们考虑由一个源节点、一个中继节点和一个目标节点构 成的最简单的中继模型，如下图所示。 1 2 南京邮i u 人学颂l 二研究生学位论文 第一葶 协h 通f 膏技术培础 图2 2 三节点协i 司通信系统模型 协同分集的过程可以分为两步：第1 步，源节点以广播方式发送信号，目的节点和中继节点 接收信号，中继节点对接收到的信号进行处理，为第2 步做准备：第。2 步，中继节点将处理 后的信号发送给目的节点，此时源节点也可以向目的节点发送重复的或者新的消息，最，占d 的节点按照某种规则合并两步接收到的信号。从本质上说，协同分集就是希望借助于合作伙 伴的天线，与其自身天线共同构造多发射天线，并通过模仿传统的多发射天线分集来获得空 间分集增益。如果在某个时段用户没有信息要传送，那么在没有协同时其资源只能闲置，而 协同分集则可以实现用户资源的充分利用。另外，在用户资源没有闲置时，用户既要传送自 己的信息，又要传送其合作伙伴的信息，会牺牲一部分自己的资源，但另一方面，用户也通 过协同分集利用了其合作伙伴的空域资源。只要合理地设计协同方案，完全可以做到协同分 集带来的增益大于其所付出的代价。综合来讲，协同分集可以更有效地利用整个网络的资源， 使网络性能更稳定。 2 5 协同分集方案 协同分集的协议有很多种，根据协同通信第2 阶段协同节点发送信号的模式可以分为： 重复协同分集( 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 ) 、编码协同分集( c o d e dc o o p e r a t i o n ) 。重复协 同分集中，根据协同节点处理从源节点接收到的信号的模式分为：放大前传模式 ( a m p l i f y a n d - f o r w a r d ，a f ) 和译码前传模式( d e c o d e d a n d f o r w a r d ，d f ) 。 2 5 1 放大前传( a m p iif y a n d f o r w a r d a f ) 如图2 3 所示，放大前传是协同分集中最基本的一种方式。 南 挪 u 人学mq f “学位论空 第一帝w i - j 通信技术* i 。 肿1 工i 协 ”一、 弋一 豳2 - 3 放大前传 在a f 方案中，每个用户收到伙伴的带有噪声的信号。在给定的协同时问问隔内，每个 _ l f jj 。仅简单地将伙伴柏模拟信号放八缓存，然后在紧接着的曲时叫里，将这个信号放入到 重新传输到基站。基站将从用户发来的信号与从同伴发送过来放大后的信号进行合并，得到 发送信息。尽管同伴在放大信号的同时也放大了噪声，但是由于基站接收到了经过两个独立 衰落路径发送来的信号因此还是能获得更好的判决。 在两个用_ l l 的情况下，这种方法的分集阶数为2 ，这是在高信噪比条件下的最佳结果。 虽然放大前传是基于接收端知道信道状况的假设，而且接收、放大、重发的过程也不够紧密， 但是a f 作为一种最简单的协同方法依j r 有助于我们去理解整个胁同分集系统。 252 解码前传( d e c o d e d a n d f o r w a r d d f ) 放大前传毕竟使得噪卢也随着有用信号得到了放大，必然会对系统的性能造成一定的影 响。为了解决这个问题，提出了译码前传的方法，如下图所示。 平凶黝 | 而 由rm n 顺| 究# 位沧史 第一章协h 面倩技术毕m 用，- 2 图2 - 4 谭屿前传 考瘩两个用户跣同的骑况， 个用，1 j # 有自己r l 一柏扩频j 。j q ( f ) 口- j f ：( f ) 。y t j ) 。化l 息用群”柬表示，其中卢l ，2 区分用户n 表示信号发送的各个时间标志。q ，表示信号的幅 度每一个用户的信号都有3 个比特间隔，不同比特间隔的信号的幅度不问。置( f ) 表示第i 个用户的信号。 五( ，) = m k ( 嘶：扎，地( r ) 饥如( r ) 】 ( 2 _ 2 7 ) z ：( 小= 1 0 2 ，q 1 ( r ) ，酵q ( r ) ，铲q ( r ) + 2 q ( ，) 1 ( 2 _ 2 8 ) 在第一和第二个比特间隔内，各个用户都是在传送自己的信号。随后，用户估计“伙伴” 在第二比特间隔的信号。住第三个比特间隔内，每个用户发送自己第二比特自隔内的信号 和伙伴第二比特间隔内的信号的线性组合，各个信号都用合适的扩频码扩频。 在每个用户只有一个扩频码的前提下，c d m a 蜂窝系统中，由于移动台并不了解其与目 的节点( 图2 - 4 所示的基站) 之间的衰落相关相位，所以协同并不定能带来系统误码率的 改善。至少在同步系统中是这样的。即使在协同周期中传送的数据有时候也会造成相互的t 扰。解决这个问题的方法足利用用户自身的扩频码在第三比特间隔直接对估计的“伙伴”信号