（通信与信息系统专业论文）ofdm协作通信子载波配对及多中继选择研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 作为4 g 移动通信的关键技术之一的正交频分复用( 0 f d m ) 技术，有着诸 多技术特点，特别是o f d m 能够有效地将频率选择性多径衰落信道在频域内转变 为单径平坦衰落信道，并插入循环间隔( c p ) ，从而可以有效的对抗多径衰落和 抑制符号间干扰( i c i ) 。将协作通信分集技术与之结合的突出优势，更为明显。 两者的结合不仅能够对抗多径干扰，而且增加了系统的信息传输速率，为系统提 供空间复用增益，从而大大增加信道容量，改善系统性能，提高通信质量。近年 来两者的结合技术研究得到了通信业界的广泛关注，成为了下一代无线通信研究 领域中研究热点，具有广泛的研究与应用前景。本文主要研究了在o f d m 协作通 信系统中基于中继选择子载波算法的子载波配对性能和多中继自适应选择算法。 本文首先阐述了o f d m 基本原理和其技术，然后简述了两跳单用户多中继协 作通信原理。并在此两跳多中继通信系统基础上，描述了o f d m 协作通信系统的 基本模型和研究了o f d m 协作通信中继理论。以及对中断概率理论做了简要分析， 它将是本文研究的重点依据。 其次，本文在研究了两跳o f d m 多中继协作通信系统基础上，提出了中继选 择子载波算法，并对该算法建立了两跳多中继选择适当的子载波转发的通信系统 基本模型。然后介绍o f d m 协作通信系统两跳子载波配对技术，在该技术和中继 选择子载波算法基础上，对子载波映射配对的性能进行了详细分析。接着研究了 子载波链路上最优中继选择算法，利用它来确定子载波传输的路径，并对将它和 中继选择子载波算法相结合的性能进行了分析。通过仿真表明，在门限值一定时， 使用中继选择子载波算法的比未使用该算法的互信息量有所提高。 最后，在前两章所述理论的研究基础上，结合中继选择子载波算法和最优中 继选择算法，主要分析了o f d m 协作通信系统中a f - o f d m ，d f o f d m 多中继选择的 性能。并在a f o f d m ，d f o f d m 模型基础上，提出了多中继自适应选择算法。通 过仿真结果表明，该自适应选择算法使互信息量最大化和中断事件降低。最终通 信系统不仅提高了通信的可靠性，提高了整个通信分集性能。 关键词：o f d m ，协作通信，中断概率，子载波，中继选择算法，自适应选择算法 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t a so n eo ft h ek e yt e c h n i q u e si n4 gm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，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 ) t e c h n o l o g y , h a sal o t o ft e c h n i c a l c h a r a c t e r i s t i c s ，e s p e c i a l l yo f d mc a l le f f e c t i v e l ym a k ef r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n g c h a n n e li nf r e q u e n c yd o m a i nc h a n g ei n t oas i n g l es i z eo ff i a t f a d i n gc h a n n e l ，a n d i n s e r t e di n t ot h el o o pi n t e r v a l ( c p ) ，w h i c hc a ne f f e c t i v e l yc o m b a tm u l t i - p a t hf a d i n g a n dr e s t r a i nt h ei n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ( i c i ) t h ec o m b i n a t i o no fc o o p e r a t i v e c o m m u n i c a t i o nd i v e r s i t yt e c h n o l o g ya n do f d mh a so u t s t a n d i n ga d v a n t a g e s ，w h i c h a r em o r eo b v i o u s t h ec o m b i n a t i o no ft h et w oc a nn o to n l yb ea g a i n s tm u l t i p a t h i n t e r f e r e n c e ，b u ta l s oi n c r e a s et h ei n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o nr a t eo fs y s t e ma n dp r o v i d e s p a t i a lm u l t i p l e x i n gg a i nf o rt h es y s t e m ，t h u sg r e a t l yi n c r e a s ec h a n n e lc a p a c i t y , i m p r o v et h es y s t e mp e r f o r m a n c e ，a n di m p r o v ec o m m u n i c a t i o nq u a l i t y i nr e c e n ty e a r s ， t h er e a s e r c ho nt h ec o m b i n a t i o no ft h et w og e tc o m m u n i c a t i o ni n d u s t r yw i d e l y a t t e n t i o n ，a n db e c o m et h ef o c u so ft h es c i e n c ei nt h en e x tg e n e r a t i o no fw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n ，w i t he x t e n s i v er e s e a r c ha n dp r o s p e c to fa p p l i c a t i o n t h i sp a p e r m a i n l ys t u d i e dt h es u b c a r r i e rm a t c h i n gp e r f o r m a n c eb a s e do nt h er e l a yc h o o s e s u b c a r r i e r a l g o r i t h ma n dm u l t i p l er e l a ya d a p t i v es e l e c t i o na l g o r i t h m i no f d m c 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 h i sa r t i c l ef i r s th a se l a b o r a t e dt h eb a s i c p r i n c i p l e o fo f d ma n di t s t e c h n o l o g y , a n ds k e t c h e dt h ep r i n c i p l eo ft h et w oj u m ps i n g l eu s e rm u l t i p l er e l a y c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n o nt h eb a s eo ft h et w oj u m pr e l a yc o m m u n i c a t i o n s y s t e m ，h a v i n gd e s c r i b e dt h eb a s i cm o d e lo fc 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 mb a s e d o no f d m ，a n ds t u d i e dt h et h e o r yo ft h eo f d m c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o nr e l a y , a s w e l la st h eo u t a g ep r o b a b i l i t yc o n c e p t ，w h i c hw i l lb et h ef o c u so ft h i sr e s e a r c hb a s i s s e c o n d l y , o nt h e b a s i so ft h er e s e a r c ho ft h et w oj u m po f d mm u l t i - r e l a y c 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 ，t h ep a p e rp u t sf o r w a r dt h er e l a ys u b - c a r r i e r s e l e c t i o na l g o r i t h m a n dt h eb a s i cm e t h o do ft h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mi se s t a b l i s h e d f o rt w oj u m pm u l t i - r e l a ys e l e c t i n ga p p r o p r i a t es u b c a r r i e r st of o r w a r d a n dt h e n i n t r o d u c e dt w oj u m ps u b c a r d e r m a t c h i n gt e c h n o l o g y i no f d mc o o p e r a t i v e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，o nt h eb a s eo ft h et e c h n o l o g ya n dr e l a ys e l e c t i n gs u b c a r r i e r a l g o r i t h m ，t h ep e r f o r m a n c eo fs u b - c a r r i e rm a p p i n gp a i r sa r ea n a l y z e di nd e t a i l t h e n h a ss t u d i e dt h eo p t i m a lr e l a ys e l e c t i o na l g o r i t h mo nt h es u b c a r r i e rl i n k ，a n du s ei tt o o f d m 协作通信子载波配对及多中继选择研究 d e t e r m i n et h es u b c a r r i e rt r a n s m i s s i o np a t h ，a n dm a k e dd e t a i lp e r f o r m a n c ea n a l y z e di n d e t a i lf o rt h ec o m b i n i n gi ta n dr e l a ys u b c a r d e rs e l e c t i o na l g o r i t h m t h r o u g ht h e s i m u l a t i o ns h o w st h a t ，i nc e r t a i nt h r e s h o l d ，t h eu s eo ft h er e l a ys u b - c a r r i e rs e l e c t i o n a l g o r i t h mh a v ei m p r o v e dm o r em u t u a li n f o r m a t i o nt h a nn o tu s i n gt h ea l g o r i t h m f i n a l l y ，o nb a s i so f t h et h e o r yf o rt h ef i r s tt w oc h a p t e r so ft h er e s e a r c h ， c o m b i n i n gr e l a ys u b - c a r r i e rs e l e c t i o na l g o r i t h ma n dt h eo p t i m a lr e l a y s e l e c t i o n a l g o r i t h m ，t h ep a p e rm a i n l yh a sa n a l y z e dt h ep e r f o r m a n c eo fa f - o f d m ，d f - o f d m i nt h eo f d mc 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 a n do nt h eb a s i so fm o d e lo f a f o f d m ，d f - o f d mb a s e d ，t h i sp a p e rp r e s e n t sa na d a p t i v es e l e c t i o na l g o r i t h m t h r o u g ht h er e s u l t so f t h es i m u l a t i o n ，i ts h o wt h a tt h ea d a p t i v ea l g o r i t h mm a k em u t u a l i n f o r m a t i o nm a x i m i z a t i o na n di n t e r r u p t i o nr e d u c e d e v e n t u a l l yt h ec o m m u n i c m i o n s y s t e mn o to n l yh a v ei m p r o v e dt h er e l i a b i l i t yo fc o m m u n i c a t i o n ，b u ta l s oi m p r o v e d t h ep e r f o r m a n c eo fc o m m u n i c a t i o nd i v e r s i t y k e yw o r d s ：o f d m ，c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n ，o u t a g ep r o b a b i l i t y , s u b c a r r i e r ， r e l a ys e l e c t i o na l g o r i t h m ，a d a p t i v es e l e c t i o na l g o r i t h m 江苏大学硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 随着无线通信中的移动电话业务、数据业务、多媒体业务迅速发展，未来移 动通信必定是容量更大、速率更高、功能更强的宽带移动通信系统。由此，人们 对移动通信的数据传输速率、服务质量提出了更高的要求。但是，移动通信是在 复杂的干扰环境中运行的，其信道的多径衰落特性会严重影响传输速率与质量。 因此，迫使人们对第四代( 4 g ) 移动通信技术，进行探讨和研究。如何抵抗多径衰 落备受人们的关注。 o f d m 技术【l 】作为4 g 移动通信的关键技术之一，有着诸多技术特点：高传 输速率、高频谱效率、有效抵抗多径干扰等。之所以有这些优点在于o f d m 技术 是一种特殊的多载波调制技术。又因为在复杂干扰的信道环境下，多径效应对相 位变化影响很小的，甚至可以忽略不计。从而可以认为每个子信道都经历了独立 的平坦衰落。平坦衰落对信号波形起不到破坏作用。正因为每个信道经历平坦衰 落，所以多径衰落只会对少部分的子信道造成深衰落影响，而大部分载波依然可 以正常传输信息，保证了链路的连接。可以说o f d m 的多载波技术有效抵抗了 多径效应，实现高传输速率，高频谱效率。 多输入多输出( m i m o ) 技术【2 l 能较大地提高系统容量，1 9 9 6 年，贝尔实验 室的g e r a r dj f o s c h i n i 对m i m o 系统提出了一种分层空时结构i j 】。它是利用多天 线的方法以获得空时分集( s p a t i a ld i v e r s i t y ) 继而提高信道容量，但是由于无线终 端本身体积的限制，不可能在用户终端安装多余的天线，所以s e n d o n a r i sa 【4 。5 j 等人提出了虚拟m i m o 系统的通信技术，即协作通信技术。协作通信技术是指 对单天线的源节点和目的节点，利用它们间其他节点，协作转发信息，构成分布 式m i m o 系统，获取m i m o 系统的系统性能。作为一种分布式虚拟多天线传输 技术，协作通信技术融合了分集技术与中继传输技术，利用它们的优势，在不增 加天线数量的基础上，可在传统无线通信网络中实现并获得多天线与多跳传输的 性能增益。虽然协作通信技术在平坦衰落信道条件下，可以增加系统的信息传输 速率，改善系统性能，提高通信质量。但是在实际的通信系统中，特别是对于高 数据率和高移动性的移动通信系统，信道往往是频率选择性衰落的，此时协作分 集并不能达到预期的效果。为了支持更高的数据传输速率、通信质量，在下一代 0 f o m 协作通信子载波配对及多中继选择研究 的无线通信中普遍采用正交频分复用( o f d m ：o r t h o g n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) 来有效地抵抗多径衰落，而且与协作通信技术结合非常突出其优 势。大量研列6 。7 1 已表明，基于o f d m 技术与分集技术的协作通信能够有效抵抗 多径衰落的影响，并有效地利用频谱资源，以及更好地应用于蜂窝移动通信系统、 无线a dh o c 网络、无线局域网以及无线传感器网络等多种场合，具有研究价值 与意义。 1 2o f d m 协作通信的发展及现状 o f d m 技术早在上世纪5 0 年代就已经提出来了，但是当时有关硬件技术的 限制，使之未能引起人们的关注。6 0 年代，有人提出了使用平行数据传输和频 分复用( f d m ) 的概念。7 0 年代，提出了d f t 多载波调制算法，其思想是采用 平行的数据和子信道相互重叠的频分复用来消除对高速均衡的依赖，用于抵抗冲 激噪声和多径失真。起初应用于军事跳频通信系统中。8 0 - 年代以后，大规模集 成电路的出现，使i f f t f f t 快速算法芯片简单容易地实现，进而使o f d m 技术 的发展突飞猛进。1 9 9 9 年i e e e 8 0 2 1 l a 通过了一个5 g h z 的无线局域网标准，其 中o f d m 调制技术被采用为它的物理层标准，使得传输速率可以达5 4 m b p s 。2 0 0 1 年，i e e e 8 0 2 1 6 通过了无线城域网标准，该标准根据使用频段的不同，具体可 分为视距和非视距两种。在这两种情况中，也使用了o f d m 调制技术。2 0 0 4 年 l1 月，根据众多移动通信运营商、制造商和研究机构的要求，3 g p p 通过了“3 g 长期演进”( l t e ：l o n gt e r me v o l u t i o n ) 的立项。项目以制定3 g 演进型系统技 术规范作为目标。2 0 0 5 年1 2 月，3 g p p 经过激烈的讨论和艰苦的融合，最终选 定了l t e 的基本传输技术，即下行o f d m ，上行s c ( 单载波) f d m a 。2 0 0 6 年2 月，i e e e 8 0 2 1 6 e ( 移动宽带无线城域网接入空中接口标准) 形成了最终的版本， 采用的调制方式也是使用了o f d m 调制技术。由于o f d m 技术有效地消除i s i 和抵抗频率选择性衰落、实现高速数据传输等优点，使之成为研究的热点。 协作通信技术是一个崭新的研究领域。1 9 7 9 年，c o v e r 和e g a m a l 在研究中 继信道工作中提出了协作通信技术的概念【8 1 。中继信道模型 9 1 是一个包括源节点、 中继节点与目的节点的三点通信模型，这种模型可分解成为广播信道和多址信 道。广播信道是节点a 为源节点，节点b 、c 为目的接收信号节点。多址信道( 协 作通信信道) 是源节点a 发送信号，中继节点b 将收到的信号处理后再进行转发， 2 江苏大学硕士学位论文 目的节点c 则接收来自a 和b 的所有信号。如图1 1 所示。 谛点c 图1 1 协作通信基本模型 协作通信技术虽源于中继信道，但在很多方面又区别于中继信道。由于其优 势，它也成为j ，当前无线通信中的研究热点，它们区别是：首先，在应用方面， 协作通信技术应用于无线多径衰落信道中，丰要研究目的是对抗多径衰落信道， 而巾继信道主要是对a w g n 信道的容量分析；其次，在协作通信系统中，整个 系统的用户节点是自适应变化的，既可充当中继节点帮助源节点转发信息，又可 作为源节点发送自己的信息。而中继信道中的中继节点是阎定的，唯目的就是 帮助源节点转发信息。因此，两者研究的侧重点有所4 i 同。 2 0 0 3 年，s e n d o n a r i sa n dl a n e m a n 等人1 4 5 】【1 阻1 2 】研究了协作分集技术与通信信 道容量、中断概率等系统性能的关系，给出了利用无线网络中多个节点相互协作 以获取分集增益的方案；对协作分集的实现策略做出了研究；而且提出了三种策 略：固定中继、选择中继和增量中继，并对这些策略在各态历经信道和准静态信 道中进行了性能分析。目前在物理层，节点间信号协作通信的方法主要有三种： 放_ 人中继方式【b ( a m p l i f y a n d f o r w a r d ，a f ) 、中继解码方式【4 1 ( d e c o d e a n d f o r w a r d ) 以及编码协作方式”15 1 ( c o d e dc o o p e r a t i o n ，c c ) 。h u n t e r s 1 4 - 1 5 】提 了信道编 码与协作用户相结合新概念之后，人量研究人员提出了许多如何设计信道编码以 提高协同通信的有效性的方法l 限1 9 1 。 近几年来，3 g p p l t e 、8 0 2 1 6 i 以及i m t - a d v a n c e 提案中的虚拟m i m o ( v i r t u a l m i m o ) 技术就可以被看作为协作通信技术在具有中心控制的无线蜂窝网中的一 个应用。以及在国内外学术界受到广泛关注，知名国际期刊、会议如i e e e 主办 的c o m m u n i c a t i o nm a g z i n e 等杂志，i c c 、w c n c 、o l o b l e c o m 等会议，它们对 协作通信技术进行了单独子方向的报道。s p r i n g e r 也出版了有关协作通信技术的 专著。并且世界上有多所大学的实验室开展了这方面的研究，如瑞士皇家科学院 o f d m 协作通信子载波配对及多中继选择研究 通信技术实验室无线通信课题组的研究项目“c o o p e r a t i v em i m ow i r e l e s s n e t w o r k ”、欧洲通信委员会组织的项目“i s t - r o m a n t i k ”等。还有更多大学的 教授学者在协同通信技术方面做出了卓越贡献，在国外，如麻省理工大学的jn l a n e m a n 博士、美国p o l y t e c h n i cu n i v e r s i t y 的ee r k i p 副教授、美国德州大学多 媒体通信实验室的t eh u m e r 博士、明尼苏达州大学的moh a s n a 博士和英国伦 敦大学k i n g 学院的md o h l e r 副教授：在国内，协作通信技术也引起了广泛关注， 国家自然科学基金委、教育部等均设立多个资助项目，众多高校也己展开研究， 如浙江大学、电子科技大学、北京邮电大学、西安电子科技大学等。 大量研究表吲2 0 之1 】【l 】，作为一种多载波调制技术的正交频率复用( o f d m ) 系 统具有诸多优势，因而与协作通信中继技术结合的研究迅速成为近几年来无线通 信领域的一大研究热点。两种技术的结合，突出各自的优点，为无线通信带来很 多优势，可能会对未来无线通信的发展产生重大影响。首先0 f d m 技术能够克 服宽带通信中多径干扰问题且能够提高频谱效率；其次协作通信中继技术能扩大 信源节点的信号覆盖范围，在蜂窝通信中这种中继技术能较好的解决覆盖盲点等 问题。在两者结合后，关于o f d m 中继协作通信系统的研究范围包括：功率分 配【2 2 之6 1 ，比特分配【2 7 一o l ，中继选择f 3 l 】，子载波配对【3 2 - 3 4 1 ，中断以及误码率性能分 析【3 5 。3 6 】等几个方面。另一方面，o f d m 协作中继技术在实际通信系统如 l t e a i m a x 中的应用方案也得到了充分的研列3 7 4 。o f d m 协作通信技术已经 被广泛地认为是4 g 系统中最具吸引力的核心技术之一。 1 30 f d m 子载波选择配对与协作中继 1 3 1o f d m 子载波选择配对 在很多文献【4 2 4 6 】中当一旦每个中继所需的子载波数确定了，对子载波在配对 问题上做了大量研究，如文献蚴中以容量最大化为目标的子载波重排方案，并证 明所有子载波在等功率分配下，最佳映射方案为顺序映射。文献m 研究了以最小 误比特率为目标的最佳映射方案是反序映射，以及以信噪比为依据的子载波自适 应配对【4 7 1 。 但是对于不同中继的需要选择最佳的不同子载波的研究不多。 首先，在o f d m 协作通信系统中各个子载波经历的信道衰落都不样，在 通信中每一个子载波会呈现出在各个中继用户中的不同信道增益，所以对中继选 4 江苏大学硕士学位论文 择最佳子载波是值得研究的。比如，某个中继分配到的子载波信道增益较差，而 在另一个中继中，该子载波却有着较高的信道增益，因此可以根据较高的信道增 益，不同中继对子载波进行选择，然后通信中对不同中继的需要，将子载波做分 配调度，达到子信道最优化和可靠性。这是子载波分配给不同中继的研究问题。 其次，在文献睁7 】，o f d m 协作通信子载波分配中，t d d 模式下a f o f d m 系统固定子载波分配算法( f s a ) ，此算法是将每个信道分成2 个正交的子信道， 然后分两个时隙使用2 个子信道。第一个时隙，源节点发送端使用前m 个子信 道用于向中继端和目的端广播信息；第二个时隙，中继端也使用m 个子信道转 发接收到的来自源发送端的信息给目的端，其中m 2 。这样使用子信道的缺 点在于有2 埘个不仅子信道空闲，而且每个中继都接收源节点发送m 个子信 道的信号。f d d 模式下d f o f d m 系统固定子载波分配算法( f s a ) 是把2 1 v 个子信 道分半。但是2 v 个子信道也就使用一半。也是空闲了子信道的资源，并且中继 也要接收源节点发送来的所有m 个子载波。t d d 模式下a f o f d m 子载波自适 应分配算法和f d d 模式下d f o f d m 子载波自适应分配算法虽然在一定程度有 了性能提高，即虽然实现了选择信噪比最大的m 个子载波。但还是把m 个子载 波局限于一个中继全部转发。而且m 个子载波中难免有发生中断事件。所以总 结以上问题，多中继选择最优m 个子载波是值得研究的。在中继中，应该以什 么条件，选择多少子载波，实现少对多子载波映射? 在目的端如何选择多中继转 发最优的m 个子载波? 是本文研究的重点。 1 3 2 协作中继 o f d m 协作通信中继系统中，协作中继节点的选择是协作通信首要解决的 问题，中继节点可以分为两种：一种是固定中继，另一种是移动的用户中继。固 定中继是在现有网络中增加一些新的节点，固定在源节点与目的端之间，只能用 做转发源节点发往目的节点的数据，不能作为源节点；而移动用户既能做中继又 能充当源节点。这样在目的端接收到多个信号后，选择性地选择信道好的用户作 为中继。即利用网络中某些信道条件好的用户为源用户转发数据。两者中，后者 的协作较为简单，使用灵活。 在协作通信多中继系统中，基于上述的后者，选择最佳的中继点是协作通信 中协作点的选择问题。较早的研究主要集中在如何在多中继的模型上选择一个最 0 f d m 协作通信子载波配对及多中继选择研究 佳中继的节点，致使经过该中继链路上的增益达到最大，增强通信的可靠性。近 年来的研究则开始讨论在一个无线通信网络中，如何同时为多条链路分别指派合 适的多个合适中继节点进行协作转发源节点的信息。然而进一步研究，虽然为多 条链路选择合适的多个中继，但是中继根据不同的环境选择不同的转发方式时， 如主要有a f 、d f 、c c 三种转发方式4 1 。往往只选择一种转发方式进行转发。 在近几年的研究中，中继在结合多个协作方式上进行转发信息的研究也较少。 本文在o f d m 多中继协作通信中，提出了在多个中继中，在各个子载波信 噪比满足一定条件下结合多个协作方式，转发子载波信息。目的端在候选多中继 中自适应选择转发m 个子载波的多个最优中继数目。本文是以中断事件为依据， 每个中继选择合适的子载波进行转发。在目的端，基于最优中继选择算法，选择 多个最优的中继协作转发m 个子载波。进一步优化子载波转发的数目和提高性 能。就此，在一定程度减少了中断事件的发生，同时增强了协作通信的可靠性能。 1 4 论文的主要工作及内容安排 本文在两跳多中继o f d m 协作通信系统中，以中断概率为依据，研究了中 继对子载波选择算法和多中继自适应选择算法。 首先，本文对o f d m 基本原理和其技术进行了研究。然后介绍了两跳单用 户多中继协作通信原理，在此基础上，建立了o f d m 协作通信基本模型和研究 了该系统中的中继问题。同时，分析了通信中中断概率问题。 其次，本文针对源节点把o f d m 信号发送到多中继时，中继对子载波进行 如何选择，才能使子信道传输信息有更可靠性。在本文，以中断概率为依据j 提 出了中继选择子载波算法。利用该算法选择符合要求的子载波后，对子载波在配 对性能上有什么影响做了深入分析。并研究了o f d m 协作通信中继选择算法， 以它与中继选择子载波算法相结合后，通过仿真，对使用中继选择子载波算法与 没使用该算法的性能进行了比较。 最后，在前两章涉及的算法和技术基础上。对a f o f d m 和d f o f d m 系统 的性能等问题进行了研究分析和比较。基于a f o f d m 和d f o f d m 系统，提出 了一种多中继自适应选择的算法。通过仿真，比较直传、a f o f d m 、d f o f d m 、 多中继自适应选择( a s ) 的中断概率性能。 本论文的章节安排如下： 6 江苏大学硕士学位论文 第一章为绪论部分，主要介绍了o f d m 协作通信的研究背景及意义。简要 介绍了o f d m 协作通信的发展及现状。以及论文工作的进展情况和后续文章的 安排。 第二章首先介绍了o f d m 协作通信系统中o f d m 基本原理以及其技术。简 述了两跳单用户多中继协作原理。其次，并在此原理基础上，讨论了o f d m 协 作通信模型和协作通信中的中继问题。最后对通信中断概率的定义进行了分析。 第三章和第四章是本文的重点。第三章主要提出了一种中继选择子载波策 略，研究了协作o f d m 系统两跳子载波配对技术和中继选择算法。并分析和比 较了基于中继选择子载波算法的子载波配对性能，分析和比较了最优中继选择算 法与中继选择子载波算法相辅时的性能。第四章主要研究了o f d m 协作通信中 a f o f d m 、d f o f d m 以及在两种方式基础上研究了多中继自适应选择算法。 首先在第三章涉及的中继选择子载波算法和最优中继选择算法基础上，分析了 a f o f d m 、d f o f d m 系统性能。其次，在研究了a f o f d m 、d f o f d m 系统 性能后，提出了一种多中继自适应选择算法。 第五章是对全文总结，并对o f d m 协作通信系统进行未来展望。 0 f d m 协作通信子载波配对及多中继选择研究 第二章o f d m 协作通信系统 随着通信技术的快速发展，为满足更加方便快捷地获取信息和进行沟通，人 类社会对高速数据速率的需求越来越高，但是高速数据通信系统的性能不仅受到 噪声的限制，还受到多径效应导致的码间干扰的严重影响。由此，正交频分复用 ( o f d m ) 技术与协作通信系统相结合的关键技术开始备受人们关注。o f d m 技术 与之结合不仅提高了通信性能，而且更加拓展了无线通信研究领域的范围。 2 1 协作通信0 f d m 技术 o f d m 技术【1 】作为第四代无线通信的核心技术。它被广泛地应用于多种无线 通信传输技术中，如单天线协作通信与o f d m 技术结合，m i m o 技术与o f d m 技术结合、与i e e e 8 0 2 1 6 、3 g p p l t e l 3 7 】【4 8 】以及电力线通信【4 9 - - o l 、w i m a x 和d v b 广播技术等等。 2 1 1o f d m 基本原理 正交频率复用( o f d m ) 系统f 2 0 2 1 l 【l l 是一种多载波调制技术，也可以看作是一 种频分复用技术，一个o f d m 符号包括多个经过调制的子载波，多个子载波把 数据流分解成若干个子比特流进行传输，这样每个子数据流调制在各个相互正交 的子载波上，最后把各个子载波上的信号叠加合成_ 起输出。模型如图2 1 所示。 旦睁 孓二压堕卢 富生汹竺甚商 并 并 + q 三卜 由 变 尘惑前 变 换 鱼啦 换 d 川。疋k 肌一- 一螳璃碲 、j 接收 0 f d 系统基本原理模型 可以看出，发送端s ( 0 为一个由多个己调子载波调制信息构成的 of符号。设子载波的个数为n，一个ofdm符号持续时间(周期)的宽度为t， dif-o，l，2，n一1)代表了分配给每个子信道的数据符号，第i个子载波的载波 8 江苏大学硕士学位论文 频率为z ，z = z + 髟，霹。从，_ f ，时刻开始的o f d m 符号通带信号s ( t ) - 蒯3 ： s 。，：r e l 台n - i4 厂p f ，( ，一一三) e x p 2 万( z + ；) c ，一， ) ，气，t + 丁。2 。， 1 0， ，+ 丁 式( 2 4 ) 中，r e c ，( f ) _ l ，悱。 一旦将要传输的比特分配到各个子载波上，某一种调制模式则将它们映射为 子载波的幅度和相位，所以式( 2 1 ) 通常采用复等效基带信号来描述o f d m 的 输出信号，表示式如下： s 。，：篓吐，p c ， ，一乞一吾) e x p ，2 万事( ，一) ，s ，t + r 。2 2 ， 【0， + t 如下图2 2 是一个o f d m 符号内包括4 个子载波的实例。其中所有的子载波都 具有相同的幅值和相位，但在实际应用中，根据数据符号的调制方式不同， 每个子载波的幅值和相位都可能有所不同的。 型 馨 图2 2 一个o f d m 符号内4 个子载波 从图2 2 可以看出，每个o f d m 符号的周期内任意相邻子载波之间相差1 个整周期，且各子载波都有整数个周期。由此表明了为什么子载波之间具有正交 性的特性，即： 9 o f d m 协作通信子载波配对及多中继选择研究 专h ( 删唧( 伽h = 器三 包3 ， 例如，在接收端，对式( 2 3 ) 中的第k 个子载波进行解调，然后在其过程为： 将接收到的信号与第k 个子载波的解调载波e x p 一- ，2 万事 相乘，然后对其在一个 符号时间长度t 内进行积分，公式如下： 以= 7 1j f ，t ，j + r e x p ( 一，2 万事( ，一，) ) 篓4e x p ，2 万；( ，一) 4 = ；篓吐r + 7 1 e x p 2 厅事( ，一) 4 c 2 4 ) = 反 根据式( 2 4 ) 可以看到，对第k 个子载波进行解调只有i = k 时，可以恢复 出期望符号。而对其它载波来说，由于在积分间隔内，频率差别( k i ) t 可以产 生整数倍个周期，所以积分后结果为零。 这种正交性也可以从频域角度体现。因为每个o f d m 符号在其周期t 内包 括多个非零的子载波。因此其频谱可以看作是周期为t 的矩形脉冲的频谱与各个 子载波频率上的脉冲函数6 【7 j 的卷积。频谱如图2 3 所示，可以看出，o f d m 符 号频谱实际是满足奈奎斯特准则，即多个子信道频谱之间不存在相互干扰。这种 一个子信道频谱的最大值对应于其他子信道频谱的零点避免了子信道间干扰 ( i c i ) 的出现。 1 0 江苏大学硕士学住论文 o f d m 子载波频谱 2 1 2o f d m 技术 图2 30 f d m 予载波频谱图 在o f d m 协作通信系统中，由于两节点间障碍物的阻挡和节点之间的相对 运动产生的多径频率选择性衰落，使到达目的节点的多路信号难以在接收端正确 恢复。 首先，作为4 g 移动通信的关键技术之一的o f d m 技术，有着诸多技术特点， 特别是0 f d m 能够有效地在频域范围内将信道划分为m 条等宽的多个平坦衰落的 子信道，从而把高速传输的数据变为m 条低速传输的数据流，然后再把各数据 流线性调制到等频率间隔的一组总数为m 且两两正交的子载波上，如图2 1 所 示。从时域上看，如图2 2 所示，这些子载波之间是彼此正交的；从频域上看， 如图2 3 所示，相当于一组总数为m 的抽样函数的叠加。然后再观察图2 3 ，我 们可以看到，这些抽样函数主瓣峰值的间距等于子载波的带宽，并以子载波间隔 周期性地出现零点，每个子载波恰好在其它子载波的峰值处出现零点，各子载波 之间完全正交。与以往的频分复用技术有所不同是o f d m 的子载波可最大限度 重叠，频谱效率提高近一倍。 其次，o f d m 系统通过多个子载波传输数据信息，在每个子载波上的符号 时间就相应地比同速率的单载波系统上的符号时间长很多倍。这样在多径通信环 0 f d m 协作通信子载波配对及多中继选择研究 境下，频率选择性信道就可被划分为多个可以视为平坦衰落的子信道，对每个子 信道来讲，只需要单个抽头的频域均衡器来恢复数据就可以，使得系统复杂性大 大降低。而且在o f d m 系统，窄带干扰往往只会破坏一部分子信道，而其它子 信道仍然可以保持正常通信，这就使o f d m 技术具备了抗窄带干扰的能力。但 对单载波系统而言，窄带干扰会严重恶化接收机性能，使之无法正常通信。 最后，由于多径传播的影响，则会产生子载波间干扰i c i ，即子载波间的正 交性会遭到破坏，不同的子载波间产生干扰。为了消除由于多径造成的i c i ，通 过在o f d m 调制符号之后插入持续时间大于信道最大传输延迟时间的循环前缀 c p ( c y c l i cp r e f i x ) ，就可以有效的消除符号间干扰i s i 。将o f d m 技术与协作通信 技术相结合，构成o f d m 协作通信技术。o f d m 协作通信技术的出现，克服了 m i m o 技术无法应用于小尺寸终端网络的不足，而且o f d m 协作通信技术可以 广泛应用于蜂窝移动通信系统、无线a dh o e 网络、无线局域网以及无线传感器 网络等多种场合。o f d m 协作通信技术在无线通信系统的应用，不但增大了信 道容量，提高了系统带宽利用率，而且可以对抗窄带干扰和多径时延，因此它逐 渐成为当前无线通信领域新的研究热点【5 卜5 3 j 。 2 20 f d m 协作通信模型 2 2 1 两跳单用户多中继协作原理 在两跳多中继协作传输模型中，源节点s 通过多个并行中继与目的端进行通 信。这里的中继可以由专门转发数据的固定中继站和移动的普通的用户来承担， 对于中继站，中继站只需要转发用户的数据，本身并不需要发送数据，其只需要 收发少量的控制信令，用于信道同步和传递信道信息。对于移动的用户型来说， 用户型的中继与中继站相比最大的差别在于，用户型的中继可以充当两个角色， 第一，类似于固定中继，协作传输其他用户信息；第二，本身也可以作为发送用 户发送数据，有通信的需求等。 基于用户型中继的两跳多中继并行传输网络，中继的位置距离是随机的，如 图2 4 所示，这里我们考虑用户型的第一种情况，只协作传输其他用户信息。可 以利用多中继间的空间分集，同时为目的端提供多数据链路。这样的无线网络可 以看成是一个分布式的虚拟多天线系统。与m i m o 分布式多天线系统不同的是， 这里利用多中继虚拟了多天线。采用高效的发送和