（通信与信息系统专业论文）基于ofdm系统的用户编码协作通信.pdf

l j 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本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中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 受之! 宝金 日期：渔! 望二211 垒 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 丝生堕习鑫 日期：丝2 望：主：z 垒 导师签名：一 至茹翻爹i l 一 日期：皇生坐二至上l l 吁 北京邮电大学硕士学位论文 i 基于o f d m 系统的用户编码协作通信 摘要 在当前的通信领域中，移动通信是最具活力的通信方式，为了满 足高速多媒体业务的发展，通信系统对性能和容量的要求越来越高。 移动通信信道中信号的传输会遭受到严重的衰落，人们相继提出了多 种分集技术，其中多天线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 ) 技 术已被证明可以很好地克服无线信道中的多径衰落。但在有些情况 下，如a dh o c 网络中、移动终端受到尺寸和成本等条件的限制时， m i m o 技术并不适用。编码协作通信技术利用编码与协作相结合的方 式提供分集增益，其基本思想是两个或两个以上用户通过共享信息并 联合发送，使单天线用户能通过共享天线的方法实现虚拟的m i m o 系统，从而提供发送分集，有效地克服无线信道中的衰落。 本论文的主要工作是采用4 g 的主流技术o f d m ( 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 ) 对用户编码协作通信技术进行了研 究。本文基于重新编码和r c p c ( r a t e c o m p a t i b l ep u n c t u r e d c o n v o l u t i o n a l ) 码两种方法，分析了编码协作通信系统的误帧率f e p ( f r a m ee r r o rp r o b a b i l i t y ) ，研究其带来的分集增益，并分析了协作度 对系统性能的影响，还讨论了适用于协作通信的码字的选择方法。 对于重新编码的协作通信方案，通过对误帧率f e p 的分析可以 看出，编码协作通信能带来分集增益，且取决于用户间信道和两个用 户到目的节点的信道的非零径数；在理想用户间信道的情况下，甚至 能达到全增益；在用户间信道条件很差时，编码协作通信也能提供一 些编码增益。协作通信过程中，由于伙伴( 又称为中继) 在用户间信 道侦听到的信息受到噪声和衰落特性的干扰，所以用于协作通信的码 字需经过合理选择、设计以提供最优的性能。 对于使用r c p c 码的协作通信方案，介绍了常规的编码协作通信 方法，不仅对其误码性能和码字选择问题作了分析，而且分析了协作 度对分集增益的影响。并对两种改进方案作了介绍：白适应编码协作 通信方法和基于a r q 的编码协作通信方法。前者通过根据信道条件 调整删余矩阵来调整数据传输速率，具有更强的灵活性；后者将a r q 与协作通信相结合，在最大程度地提高数据传输速率的同时保证系统 的误码性能。 11 北京邮电大学硕士学位论文 论文安排如下，第一章对移动通信的信道环境、用户协作通信作 了简单介绍，简要介绍了用户协作通信的三种方法，放大转发 ( a m p l i f y a n d f o r w a r d ) 协作通信、检测转发( d e t e c t e d a n d f o r w a r d ) 和编码协作通信( c o d e dc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n ) 。第二章对 o f d m 技术及编码协作通信系统作了介绍。第三章和第四章是本论文 的重点，分别详细介绍了编码协作通信的两种方法，重新编码和基于 r c p c 码的协作通信。第五章作了一些总结和展望，并提到了网络编 码技术在用户协作通信的应用。 关键词：编码协作通信o f d m 重新编码r c p c 码空间分集 j 北京邮电大学硕士学位论文 u s e rc o d e dc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o nb a s e d o no f d ms y s y t e m a b s t r a c t i nc u r r e n tc o m m u n i c a t i o nf i e l d ，m o b i l ec o m m u n i c a t i o ni st h em o s t d y n a m i cm e a no fc o m m u n i c a t i o n i no r d e r t oo f f e r h i g h s p e e d m u l t i m e d i as e r v i c e s ，i ti si nc o m p e l l i n gn e e d st oi m p r o v ep e r f o r m a n c e a n dc a p a c i t yo fc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s s i g n a lt r a n s p o r t e di nm o b i l e c o m m u n i c a t i o nc h a n n e l ss u f f e r sf r o ms e r i o t i sf a d i n ga t t e n u a t i o n a sa r e s u l t ，av a r i e t yo ft e c h n o l o g i e sa r ep r o p o s e dt oo v e r c o m ef a d i n gi n m o b i l ec o m m u n i c a t i o nc h a n n e l s ，f o ra ne x a m p l e ，m i m o ( m u l t i p l e - i n p u t m u l t i p l e o u t p u t ) t e c h n o l o g yh a sb e e np r o v e dt ob ea b l et oe f f e c t i v e l y o v e r c o m es i g n a lf a d i n g h o w e v e r , w i r e l e s sa dh o en e t w o r k sd on o t u s u a l l yh a v eaf i x e di n f r a s t r u c t u r e ，s o i ti sd i f f i c u l tt oa p p l ym i m o t e c h n o l o g yi na dh o cn e t w o r k s a d d i t i o n a l l y , t h es m a l ls i z ea n dc o s t c o n s t r a i n t so fm a n u f a c t u r i n gm o b i l ed e v i c e ss o m e t i m e sm a k et h eu s eo f m u l t i p l ea n t e n n a sp r o b l e m a t i c c o d e du s e rc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y i s c a p a b l eo fp r o v i d e t r a n s m i t d i v e r s i t yg a i nt h r o u g h c o m b i n i n gc h a n n e lc o d i n ga n dc o o p e r a t i o n i nac o o p e r a t i v en e t w o r k ， t w oo rm o r em o b i l e ss h a r et h e i ri n f o r m a t i o na n dt r a n s m i tj o i n t l ya sa v i r t u a la n t e n n aa r r a y t h et e c h n o l o g yp r o v i d e sh i g h e rd a t ar a t e sa n d s p a t i a ld i v e r s i t ya n dd e c r e a s e ds e n s i t i v i t yt oc h a n n e lv a r i a t i o n s t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e so nu s e rc o d e dc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g yu t i l i z i n g0 f d m ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) t e c h n o l o g y , w h i c hi so n eo ft h ep r e d o m i n a n tt e c h n o l o g i e s o f4 gr s e a r c ho ft h i sp 印e rd e v e l o p sb a s e do nt w om e t h o d s ，r e e n c o d i n g a n dr c p c ( r a t e c o m p a t i b l ep u n c t u r e dc o n v o l u t i o n a ) c o d e f o rt h em e t h o do fe n c o d i n gc o d e dc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n ，w es t u d y i t sf e p ( f r a m ee r r o rp r o b a b i l i t y ) p e r f o r m a n c e ，t h r o u g hw h i c hw ec a nf i n d t h a td i v e r s i t yg a i ni sa c h i e v e dw h i c hd e p e n d so nt h en u m b e ro fn o n - z e r o t a p si ni n t e r - u s e rc h a n n e la n du s e i - d e s t i n a t i o nc h a n n e l s m o r e o v e r , w e a r g u et h a tf o rg o o di n t e r - u s e rc h a n n e l ，c o d e dc o o p e r a t i o ni n d e e da c h i e v e s 缸ud i v e r s i t y ；w h e nt h ei n t e r - u s e rc h a n n e li sv e r yn o i s y , e v e nt h o u g h i i i l 一 嗲_ 北京邮电大学硕士学位论文 c o o p e r a t i o nd o e sn o tp r o v i d ed i v e r s i t yg a i n ，t h e r ei ss t i l ls o m ec o d i n g g a i nc o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lc o m m u n i c a t i o n i nac o o p e r a t i v en e t w o r k ， t h ep a l m e ro v e r h e a r san o i s yv e r s i o nf o r mi n t e r - u s e rc h a n n e l ，s oc o d e u s e di n c o o p e r a t i o nh a v et ob ec a r e f u l l yd e s i g n e dt oo f f e ro p t i m a l p e r f o r m a n c e f o rc o d e d c o o p e r a t i o n b a s e do nr c p cc o d e ，t r a d i t i o n a lc o d e d c o o p e r a t i o ni si n t r o d u c e d ；f e pa n dc o d es e l e c t i o ni sd i s c u s s e da sw e l l i n a d d i t i o n ，w ea n a l y z et h ei m p a c to fc o o p e r a t i v er a t i oo nd i v e r s i t yg a i n m o r e o v e r , t w oi m p r o v e ds c h e m e so fa d a p t i v ec o d e dc o o p e r a t i o na n d a r q b a s e dc o d e dc o o p e r a t i o na l ei n t r o d u c e d t h ep a p e ri s o r g a n i z e da sf o l l o w s t h ef n - s tc h a p t e rp r e s e n t sm o b i l e c o m m u n i c a t i o ne n v i r o n m e n ta n du s e rc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n i nt h e s e c o n dc h a p t e r , u s e rc o d e dc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o nb a s e do no f d m s y s t e mi si n t r o d u c e d t w oc o d e dc o o p e r a t i o ns c h e m e s ，r e e n c o d i n g b a s e d c o d e dc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o na n dr c p c b a s e dc o d e dc o o p e r a t i v e c o m m u n i c a t i o na l ed i s c u s s e di nd e t a i li nt h et h j r da n df o u r t hc h a p t e r s r e s p e c t i v e l y f i n a l l y , w ec o n c l u d ei nt h ef i f t hc h a p t e r ；t h ea p p l i c a t i o no f n e t w o r kc o d i n gi nu s e rc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o ni sm e n t i o n e da sw e l l k e yw o r d s ：c o d e dc o o p e r a t i v e ，o f d m ，r e - e n c o d i n g ，r c p c ，s p a t i a l d i v e r s i t y 叫， 五 f 卜 必 北京邮电大学硕士学位论文 个 兄 o 2 面 其中，五为波长，矽表示角度扩散。空间选择性衰落在时域、频域中不存在选 择性衰落，所以又称为平坦瑞利衰落，其最有效的克服方法是空间分集和其它空 域处理方法。 2 频率选择性衰落 是指在不同的频段上衰落特性不同，它是由于信道在时域的时延扩散而引起 的，与时域中的时延扩散程度成正比，其衰落周期为 叩 1 1 f2 一l ( 1 - 2 ) 其中，l 2 为时域的时延扩散宽度。频率选择性衰落的有效克服方法有自适应均 衡、o f d m 技术、c d m a 系统中的r a k e 接收等。 3 时间选择性衰落 指在不同的时间衰落特性不同，由于用户的高速移动在频域引起多普勒效应 引起频率扩散而产生的。其衰落周期为 z。至0-3) b 其中，召为频率扩散宽度。时间选择性衰落的有效克服方法是信道交织编码技术。 1 3 用户协作通信介绍 信号在移动通信信道传输时会遭受到严重的衰落影响，有效的克服方法有空 间分集、时间分集和频率分集。空间分集技术需要到达接收端的不同路径的信号 的衰落特性不同，多天线技术是抗衰落的传统技术手段，可以有效地克服这一问 题，因而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 ) 技术受到广泛关注。 我们知道，多天线技术在蜂窝系统中的应用可以带来非常显著的发送分集增 益，但在一些情况下，例如移动终端受到尺寸、成本等条件的限制时，多天线技 术并不适用。此外，在无基础设施的a dh o c 网络中，由于没有具有集中处理功 3 北京邮电大学硕士学位论文 能的基站或接入点，节点把网络中的其它一个或多个节点作为中继来传输信息。 另一方面，a dh o e 网络的中继传输技术能够提供空间分集增益，并能在长距离传 输中节省发送功率。受到中继技术的启发，近来一种被称为“用户协作通信的 技术被提出并受到广泛关注 1 卅。 发送分集可以实现在不同的路径上发送相同信号，在接收端对接收到的具有 不同衰落特性的多个信号加以合并，从而有效克服多径衰落。具体地说，发送分 集的条件是，在不同地点发送相同信号来保证接收端得到承载同一信息且在统计 上相互独立的若干不同的信号样值。一般说来，具有多根天线的发送端才能提供 发送分集，但是受到大小尺寸、硬件复杂度的限定，有些无线设备不能提供多天 线装置。用户协作通信的基本思想是，单天线用户可以通过共享天线的方法实现 虚拟的m i m o 系统，从而提供发送分集。用户协作通信提供了一种新颖而有效 的分集实现方法。 独寺的衰 落路径 图1 1 协作通信 目的节点 首先，我们来介绍一下用户协作通信的基本思想，如图1 1 。图l l 所示的 网络中，两个用户与同一目的节点进行通信，这个目的节点可能也是基站，也可 能也是一个移动用户。由于每个用户只有一根天线，所以本身不能产生空间分集。 但是有这样的可能性，用户可能接收到另一个用户发送的信号并将其与自己的信 号一起发给共同的目的节点，又由于两个用户到目的节点的信道可能是统计独立 的，所以目的节点就可能接收到具有不同衰落特性的多个信号并加以合并，这样 就会产生发送分集增益。所以，在协作通信网络中，两个或多个移动节点共享并 联合发送信息，从而形成虚拟的天线阵列。事实上，比起蜂窝移动网络，协作通 4 叠 o 五 - k 北京邮电大学硕士学位论文 信技术更适合a dh o e 无线网络和无线传感网络。 协作通信的思想最早可以回溯到c o v e r 和g a m a l 关于中继信道信息理论特 性的开创性研究【l 】。这篇论文中分析了由源节点a 、中继节点b 和目的节点c 组成的三节点网络的容量。其中，假设所有节点工作在相同频段，所以从源节点 和目的节点的角度看去，系统可以看作一个广播信道和多点接入信道的组合，如 图1 2 所示。 广播信道 多接入信道 图1 2 中继信道模型【1 】 但是就很多方面来说，用户协作通信与中继信道又是不同的。首先，协作通 信是为克服多径衰落信道提供空间分集增益而诞生的，而 1 】中对中继信道的研 究是基于a w g n ( a d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s e ) 信道的。其次，在中继信道中， 中继的唯一的作用就是帮助源节点转发信息；但在协作通信中，每个用户都有自 己要发送的数据，每个有户均有两个角色：信息源和中继 2 】。 在协作通信系统中，假设每个移动用户既能发送自己的信号，也能帮另一用 户发送信息，也就是具有中继的功能，我们把具有中继功能的用户称为另一用户 的伙伴，每个移动终端都可以兼具中继的功能。 1 4 协作通信的几种方法 就中继节点的转发方式来说，用户协作通信可分为三种方法，检测转发 ( d e t e c t i v ea n df o r w a r d ) 协作通信、放大转发( a m p l i f ya n df o r w a r d ) 协作通信 和编码协作通信( c o d e dc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n ) 。图1 3 对这三种协作方法 进行了简单比较。为了简化描述，图中只描绘了一个用户的协作情况，事实上， 5 北京邮电大学硕士学位论文 协作通信可以发生在多个节点的拓扑结构中。进行协作的伙伴可能是由基站进行 配对，或是通过其它技术生成。伙伴的分配问题也是当前协作通信研究的一个重 要方向。 放大 a 放大转发方式 b 检测转发方式 重新编码 点 点 点 五 五 _ k 北京邮电大学硕士学位论文 1 3 1 检测转发d f 协作通信 检测转发d f 协作通信技术与传统的中继非常相似，如图1 - 3 所示，一个用 户对其伙伴的信息比特进行解调并将其转发给目的节点。s e n d o n a r i s 在【3 】中给 出了一种基于c d m a 的检测转发的实现方法。在包含个符号的时间间隔内， 协作时间为c 个符号的时间间隔。两个用户的扩频码分别用c l ( f ) 和乞( f ) 表示； 信息比特记为巧。表示第个用户的第f 个符号，其中j = l ，2 ；口i ，j 表示信号幅度， 代表功率分配。用户1 和用户2 的信号可分别表示为五( f ) 和五( f ) ，其中 n 。= l n c ， 聃侄冀，戋冀心，卜4 ， 一置搿麓嚣尝，”5 ， 每个用户在前m = 一c 个符号间隔内，直接发送数据到目的节点和伙伴， 剩下的m 个符号间隔内进行协作通信，即发送对方的数据，目的节点合并两次 接收到的数据结束通信。两个时间间隔内信号的发送功率是可变的，可根据上行 链路和用户间信道状态来调整。 在这种方法中有两点需要注意，首先，伙伴有可能不能正确解调第二部分信 息，这种情况下，就转变成目的节点解调全部信号。其次，目的节点需要用户间 信道的差错信息以进行最优解调。为避免错误传播，l a n n e m a 等在【4 】中提出了 一种混合检测转发的方法，当有户问信道具有高s n r ( s i g n a l - t o n o i s er a t i o ) 时， 用户检测并转发其伙伴的数据，但当户间信道的s n r 很低时，系统就转变为非 协作方式。事实证明，混合检测转发的性能优于普通检测转发的性能。 1 3 2 放大转发a f 协作通信 另外一种实现协作 收到其伙伴的信息比特 北京邮电大学硕士学位论文 进行合并检测。假设在个符号的时间间隔内，一半的时间用于协作通信，用 户l 和用户2 发送的信号用五( f ) 和( f ) 表示， 聃 黧，未擐”6 ， 一 翟，篙援”7 ， 其中，五。( 刀) 和置。( 刀) 分别为用户l 和用户2 在前n 2 个符号的时间间隔内发 送给中继和目的节点的信号，i = 1 ，2 表示中继对信号的放大倍数， 砭。( n - n 1 2 ) 和x ：( n - n 1 2 ) 分别为用户l 和用户2 接收到的对方的信号。由于用 户发送功率p 的限制，口需要满足一定的条件， 口 ( 1 - 8 ) 其中， 2 为用户间信道系数。由式子l 一8 可以看到，虽然噪声同时也被放大了， 但由于基站接收到的两个信号具有独立的衰落特性，所以能够做出更准确的判决 【4 】。 为了在目的节点获得最佳判决性能，需要准确估计扛2 因此a f 方法需要 提供估计和交换信道信息的有效机制。而且，抽样、放大和转发也是技术上的一 个难题。但是，总起来说，放大转发是一种非常简单的方法，有助于对协作通信 的理解。 1 3 3 编码用户协作通信 编码协作通信是一种信道编码与协作相结合的方法，其基本思想是，每个用 户将其冗余信息发送给其伙伴，也就是用户码字的不同部分经过具有不同衰落特 性的信道到达目的节点：否则，系统将自动转变为非协作模式。编码协作通信的 有效实行的关键在于，协作模式与非协作模式的转变通过码字的设计能自动完 北京邮电大学硕士学位论文 用户l 囡 用户2 图1 4 编码协作通信 先对用户的信息比特分块，加入c r c ( c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k ) 校验码。 在协作通信中，每个用户的数据经编码得到码字( c o d e w o r d ) 并分为两部分，分 别包含m 和批个比特，划分方法可能有多种，这一点会在后文中详细研究。图 1 4 描绘了编码协作通信的实施方法。用户数据的传输间隔也分为两部分，分别 为m 个比特的时间间隔和2 个比特的时间间隔，我们将其称为时间帧。在前半 个时间帧内，每个用户发送包含m 比特的第一部分码字；如果伙伴能正确检测 这部分码字( 通过c r c 校验可知解码是否正确) ，则在后半个时间帧内，根据解 调出的第一部分码字通过一定技术得到包含，个比特的第二部分码字，并将其 转发到目的节点；反之，如果伙伴不能正确解调，则需用户自己在后半个时间帧 内发送第二部分码字。所以，每个用户在一个时间帧内共发送n = l - f 2 个比 特。我们把，称为协作度，协作度与编码协作通信所能带来的分集增益也有 很大关系。 一般说来，各种信道编码方法均可用于编码协作中，例如，每个用户的整个 码字可以是一个分组码或者卷积码，或是两者的组合。得到两个帧的码字的方法 也可以有多种，如打孔，重新编码等等。 9 北京邮电大学硕士学位论文 1 5 三种协作方法的性能比较 图l 一5 三种协作通信方法性能的比较 图1 5 给出了放大转发、混合检测转发、编码协作通信与非协作情况下的误 帧性能比较。与放大转发方式和检测转发不同的是，在编码协作方法结合了信道 编码，所以为了公平起见，我们需要在相同的条件下比较。四种方法的系统码率 为1 4 ，使用r c p c 编码方法，该方法会在后文中有详细介绍。对于混合检测转 发和放大转发方式，每个用户在第一个比特时间间隔内发送码率为1 2 的r c p c 码，在中继节点转发给目的节点，因此总系统码率为1 4 。对于编码协作通信， 使用协作度为1 4 的协作方式，每个用户在前半帧内将码字按1 3 码率打孔，中 继在后半个帧内转发打掉的比特，因此总的系统码率也是1 4 。 信道条件为，两个户到目的节点的信道条件相同，即具有相同的平均s n r ， 用户间信道的平均s n r 比上行链路信道低1 0 d b 。由图1 5 可以看到，尽管用户 间信道条件不好，协作通信系统的性能较非协作通信系统有很大提高，而且放大 转发、混合检测转发和编码协作通信的性能依次增高。在高s n r 时，协作通信 的分集增益( 误帧率的斜率与s n r 的比值) 能达到2 ，相当于两发或两收天线系 统带来的分集增益。从图中我们还可以看出，即使在用户间信道比上行链路的信 道还差时，协作通信仍能带来可观的误帧率增益。 1 0 北京邮电大学硕士学位论文 在图1 - 6 中，用户2 的上行链路信道的s n r 比用户l 的低1 0 d b ，两个用户 的用户间信道质量相等，都与用户2 的信道质量相同。由图1 - 6 我们可以得出两 个结论，其一，用户2 的性能有很大提高，也就是说一个用户与信道质量较好的 伙伴协作时，能获得很好的协作增益；而且，用户2 的性能也有很大改善，所以， 信道质量较好的用户也能受益于协作通信。其二，两个用户的性能差异也大大减 小了，这说明，协作通信能够对系统资源进行更有效的分配。 一电一u s e r 2n o nc o o p e f a t k e 一+ 一u s e r 2a m p l i a n df o n n a r d 一 一u s e r 2d e c o d e da n df o r w a r d 一一u s e l 2c o d e dc o o p e m i t 谵 卜u s e r ln o nc o o p e r a t i 怕 + 一u s e r la f n p i 晦a n df o r w a r d _ 卜一u s e r lc o d e dc o o p e r a t i 垤 - - - - - - j - - - - 一u s e r ld e c o d ea n df o f w a l d 图1 6 上行链路信道不同时，两个用户协作通信性能的比较 通过对三种协作通信方法的比较，我们可以看出，放大转发和混合检测转发 的性能在低s n r 时明显降低。这是因为，这两种方法对信号的处理方式等效于 重复编码，重复编码性能在低s n r 时是比较低的。相对地，编码协作通信的误 帧率曲线的下降就平滑多了，而且，其误帧率性能无论在低s n r 还是高s n r 时 的性能都优于前两种方法。 1 6 本章小结 本章首先介绍了移动通信的三个主要特点，接收信号在移动通信信道中遭受 的三类损耗和四类效应。与其它通信信道相比，移动通信是最为复杂的一种，其 北京邮电大学硕士学位论文 最难克服的又是多径衰落。其次，介绍了一种克服多径衰落的新颖有效的方法一 一用户协作通信技术，两个或多个移动节点共享并联合发送信息，形成虚拟的天 线阵列，从而提供空间分集增益。接下来，介绍了用户协作通信的三种主要方法， 放大转发( a f ) 、检测转发( d f ) 和编码协作通信。最后，对三种用户协作通信 技术的性能作了比较。仿真结果表明三种协作通信方法都能大大改善系统的误码 性能，而且编码协作通信的性能优于前两种方法。这是因为前两种技术对信号的 处理方法类似于重复编码，而编码协作通信则是将信道编码结合到协作中，所以 还能提供编码增益。 1 2 北京邮电大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章编码协作通信系统 放大转发和检测转发两种方式中，用户都是转发其伙伴的重复码字，而编码 协作通信是一种将现存的信道编码结合到协作通信中的一种方法，通过共享天 线，用户的两部分码字可以通过不同的衰落信道到达目的节点。而且在该方法中， 发送功率和系统信息速率都与非协作系统相同。 在三个节点的协作通信网络中，两个用户共享他们的数据信息并联合发送， 从而形成一个虚拟的天线阵列，因此，用户能获得较高的数据速率和分集增益。 协作过程中，用户侦听对方的信号，并对侦听到的数据进行处理以达到共享信息 的目的。由于用户间信道的噪声和衰落特性，用户侦听的信号也会受到干扰，因 此我们需要基于用户间信道的特征进行研究怎样使协作通信获得更大的增益，什 么时候进行协作通信，协作通信怎样进行，以及利用何种信号处理方法等。 2 2 基于o f d m 的编码协作通信模型 2 2 1 o f d m 技术简介 o f d m ( o r t h o g o n a lf 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 ) 技术在提供大宽带传输 和高峰值方面有惊人的能力，在新一代宽带无线通信系统中，其逐步取代单载波 扩频技术( 如c d m a ) ，成为b 3 g 和4 g 的主流发送技术，所以本文中也采用 o f d m 技术对编码协作通信技术进行研究。 随着数据速率的不断提高，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。o f d m 的基本原理是将高速数据 流分解为多路并行的低速数据流，在多个正交的子载波上同时进行传输。对于低 速并行的子载波而言，由于符号周期展宽，多径效应造成的时延扩展相对变小， 当每个o f d m 符号中插入一定的保护时间后，码间干扰几乎可以忽略。 频分复用f d m 技术是一种传统的技术，将较宽的频带分为若干较窄的频带 发送信号，是实现宽带传输的最简单的传输方法。为了避免子载波间的干扰，需 要在相邻的子载波间保留较大的间隔，这样会大大降低频谱效率，如图2 一l ( a ) 1 3 北京邮电大学硕士学位论文 所示。快速傅里叶变换f f t 允许将f d m 的各个子载波重叠排列，同时保持其正 交性，从而避免子载波间的干扰。如图2 2 ( b ) 可以看出，因为相同带宽内可以 容纳更多子载波，o f d m 的频谱效率大提高了【2 2 】。为了消除码间干扰，需要在 每个o f d m 符号中插入保护时间，只要保护时间大于多径时延扩展，则一个符 号的多径分量不会干扰相邻符号。由于多径效应的影响，子载波可能不能保持正 交性，从而引入子载波间干扰i c i 。为了减小i c i ，o f d m 符号可以在保护时间 内发送循环扩展信号，称为循环前缀c p ( c y c l i cp r e f i x ) 。循环前缀是将o f d m 符号尾部的信号搬移到头部构成的，从而保证有时延的o f d m 信号在f f t 积分 周期内总是具有整数倍周期。所以，只要多径时延小于保护时间，就不会造成子 载波间干