（通信与信息系统专业论文）基于机会中继的协同分集研究.pdf

南京邮电大学硕：t 研究生学位论文 摘要 摘要 空间分集技术能有效地抵抗信道衰落。传统空时编码和多输入多输出( m i m o ) 技术是 通过收发多天线来实现空间分集的，但是由于移动台的尺寸和功率的限制，使得利用多天 二- 。 线技术获得空间分集对于移动台有一定的困难。近年来出现的协同分集成为单天线移动台 实现分集的可选方案。本文对协同分集技术进行研究，采用一种新的中继执议获得分集增 益机会中继。论文还研究了机会中继与正交频分复用( o f d m ) 结合的技术。 论文首先阐述了无线信道的衰落特性和分集技术的基本原理，引入了协同分集技术， 着重介绍了空时编码应用在协同分集中的情况，并对该系统做了仿真。 其次，考虑到基于分布式空时编码的协同分集的复杂性，我们采用了一种新的协同中 继协议机会中继。理论分析了这一新的中继协议在多中继节点中能够达到和利用复杂 的分布式空时编码一样的分集增益。由于机会中继首先需要选择一个最佳中继节点，本文 分析了这一过程有可能会发生冲突，导致选择最佳节点失败，所以本文在机会中继的基础 上做了改进，引入了c s m a 协议，最后仿真结果验证了这一改进使得冲突概率降低了两个 数量级，大大提高了选择最佳节点的成功率。 最后本文在机会中继的基础上结合了o f d m 技术。由于o f d m 技术能够有效地抵抗 码间干扰( i s i ) ，可以设想这种结合可以使基于机会中继的协同分集在频率选择性衰落信道 中也能达到理想性能。但如何结合是一个关键问题，如果只是把机会中继中传输的符号换 成o f d m 符号( 本文中称为“机会o f d m 中继 ) ，则本文论述了这将不会带来预期的分 集增益。所以本文提出了一种新的方法( 本文中称为“机会o f d m a 中继 ) 。理论推导说 明了这一新的结合方法能够提供完全分集增益，仿真结果验证了我们的理论推导。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t s p a c ed i v e r s i t yc a nr e s i s tf a d i n ge f f i c i e n t l y t r a d i t i o n a ls p a c e - t i m ec o d i n ga n dm i m o t e c h n i q u e se x p l o i ts p a c ed i v e r s i t yt h r o u g hm u l t i p l et r a n s m i ta n d o rr e c e i v ea n t e n n a s h o w e v e r , d u ot ot h es i z ea n dp o w e rc o n s t r a i n to ft h em o b i l e ，a c h i e v i n gs p a c ed i v e r s i t yt h r o u g hm u l t i p l e a n t e n n a sa tam o b i l ei sd i f f i c u l ti np r a c t i c e c o o p e r a t i v ed i v e r s i t yh a sr e c e n t l ye m e r g e da sa n a l t e m a t i v ew a yt oa c h i e v es p a c ed i v e r s i t yw i t has i n g l ea n t e n n aa tt h em o b i l e t h i sp a p e r c o n c e n t r a t e so nt h ec o o p e r a t i v ed i v e r s i t yr e s e a r c ha n dp r e s e n t san e wr e l a yp r o t o c o lt og e t d i v e r s i t yg a i n s - - o p p o r t u n i s t i cr e l a y i n g a tl a s t ，w ea l s os t u d yh o w t oi n t e g r a t eo p p o r t u n i s t i c r e l a y i n ga n do f d m f i r s t l y , t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ef a d i n gc h a r a c t e r i s t i co fw i r e l e s sc h a n n e la n dt h ep r i n c i p l eo f d i v e r s i t yt e c h n o l o g y , t h e n ，i n t r o d u c e sc o o p e r a t i v ed i v e r s i t y t h es i t u a t i o no fu s i n gs p a c e - t i m e c o d i n gi nc o o p e r a t i v ed i v e r s i t yi si n t r o d u c e da n ds i m u l a t e d s e c o n d l y , c o n s i d e r i n gt h ec o m p l e x i t yo fc o o p e r a t i v ed i v e r s i t yb a s e d o nd i s t r i b u t e d s p a c e t i m ec o d i n g ，an e wr e l a yp r o t o c o lc a l l e do p p o r t u n i s t i cr e l a y i n gi si n t r o d u c e d t h e o r e t i c a n a l y s i ss h o w st h i sn o v e ls c h e m ea c h i e v e st h es a m ed i v e r s i t yg a i n sa sa c h i e v e db ym o r e c o m p l e xs p a c e t i m ec o d i n g i nt h i ss c h e m ew en e e dt os e l e c tt h eb e s tr e l a y , b u tt h i sp r o c e d u r e m a yf a i lb e c a u s eo fc o l l i s i o n s o ，w ep r o p o s ea ni m p r o v e dm e t h o db yu s i n gc s m ap r o t o c 0 1 v e r i f i e db ys i m u l a t i o n ，t h i sm e t h o dc o u l dd r a m a t i c a l l yr e d u c et h ep r o b a b i l i t yo fc o l l i s i o na n d e n h a n c et h es u c c e s sp r o b a b i l i t yo fs e l e c t i n gt h eb e s tr e l a y f i n a l l y , w ep r o p o s et h ei 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 ，c o n s i d e r i n g o f d mc a nr e s i s ti si e f f e c t i v e l y t h eo p p o r t u n i s t i cr e l a y i n gm a yw o r kw e l li nf r e q u e n c y s e l e c t i v e l yf a d i n gc h a n n e ld u et ot h i sc o m b i n a t i o n h o wt oc o m b i n et h e mi sak e yp r o b l e m i f o f d mi ss i m p l yu s e da sat r a n s m i t t i n gt e c h n o l o g y ( w ec a l li t “o p p o r t u n i s t i co f d mr e l a y i n g ”) ， w es h o w e di tc a n ta c h i e v et h ee x p e c t e dd i v e r s i t yg a i n s s o ，w ep r o p o s ean e ws c h e m e ( w ec a l l i t “o p p o r t u n i s t i co f d m ar e l a y i n g ”) t h e o r e t i ca n a l y s i s s h o w st h eo p p o r t u n i s t i co f d m a r e l a y i n gc a np r o v i d ef 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 tv e r i f i e so u ra n a l y s i s i i 南京邮l 乜大学硕士研究生学位论文英文缩略语 a f a w g n b e r b l a s t c r c c s i c s m a c t s d f f e c g s m g p s i c i i i d i s i l o s m a p m i m 0 m l m m s e m r c o f d m q p s k r t s s n r s t b c 英文缩略语 a m p l i f ya n df o r w a r d a d d i t i v e 黝i t eg a u s s i a nn o i s e b i te r r o rr a t i o b e l ll a bl a y e r e ds p a c e t i m e c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k c h a n n e ls t a t u si n f o r m a t i o n c a r t i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s c l e a rt os e n d d e c o d e da n df o r w a r d f o r w a r de r r o rc o r r e l a t i o n g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m i n t e r - c h a r m e li n t e r f e r e n c e i n d e p e n d e n ti d e n t i f yd i s t r i b u t i o n i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e l i n eo fs i g h t m a x i m u map o s t e r i o r i 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 a x i m u ml i k e l i h o o d m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r m a x i m a l r a t i oc o m b i n i n g 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 q u a t e r n a r yp h a s es h i f tk e y i n g r e q u e s tt os e n d s i g n a lt on o i s er a t i o s p a c e - t i m eb l o c kc o d e 5 9 放大前传 加性高斯白噪声 误比特率 b e l l 实验室分层空时结构 循环冗余校验 信道状态信息 载波侦听多址接入 清楚发送 解码前传 前向纠错 全球移动通信系统 全球定位系统 子信道( 子载波) 间干扰 独立同分布 符号间干扰 视距传播 最大后验概率 多输入多输出 最大似然 最小均方误差 最大比合并 正交频分复用 四相移相键控 请求发送 信噪比 空时分组码 南京邮电大学硕士研究生学位论文 英文缩略语 s t c c o s t s s t t c s p a c e t i m ec o d ec o o p e r a t i v e s p a c e t i m es p r e a d i n g s p a c e t i m et r e l l i sc o d e 空时编码协同 空时传播 空时格栅码 南京邮电大学学位论文独创性声明 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：吕；每主武日期：如口3 牟j 牛 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 他复制手段保存论文。本人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：吕诲域导师 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学通信与信息系统 研究方向： 元线数据与移动计算网络 作 题 者：2 0 0 5 级研究生吕海斌指导教师宋荣方 目：基于机会中继的协同分集研究 英文题目：s t u d yo fc o o p e r a t i v ed i v e r s i t yb a s e do no p p o r t u n i s t i c r e l a y i n g 主题词： 空时编码协同分集机会中继 载波侦听多址接人正交频分复用 k e v w o r d s ： s p a c e t i m ec o d i n gc o o p e r a t i v ed i v e r s i t y o p p o r t u n i s t i cr e l a y i n g c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s ( c s m a ) 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 ( 0 f d m ) 南京邮电大学颀士研究生学位论文第一章绪论 第一章绪论 近年来，随着物理科学和材料科学的飞速发展，移动通信技术也得到了长足的发展， 第一代模拟通信及第二代数字通信给我们现代生活提供了极大的方便，但随着人们对生活 质量要求的不断提高，它们已经不能满足人们新的需要。于是即将投入运营的第三代( 3 g ) 移动通信和未来的第四代移动通信系统除了能提供现有的各种移动电话业务，还要为高速 移动的用户提供宽带数据接入服务，比如高速率的宽带多媒体业务，高质量的话音、分组 数据业务以及实时的视频传输。由于未来无线通信具有宽带、移动和多业务的特点，要实 现信息的宽带无线传输，我们面临着恶劣的无线传输信道带来的挑战。 1 1 研究背景与意义 为了实现下一代移动通信的目标，已经进行了大量的理论和技术研究，其中包括先进 的信号处理技术、编码技术、调制解调技术等，特别对于无线环境，除了现有的发射端和 信道编码技术外，还应用了多种分集技术。在无线传输技术中，分集技术至关重要。 无线移动通信信道是一个多径信道，多径衰落是导致移动通信接收信号不稳定的主要 原因。按照多径信号到达接收机相位的不同，它们可能相加，也可能相互抵消，它们使接 收信号被大大地恶化，要恢复接收信号存在极大困难。虽然通过增加发信功率、天线尺寸 和高度等方法能使信号质量取得改善，但采用这些方法在移动通信中比较昂贵，有时也显 得不切实际。 而分集技术就是一种有效的处理方法【l 】，分集技术是通过有效地传输和处理同一信号 各不相关的传输副本，达到克服衰落的目的。目前分集技术主要有空间分集、时间分集和 频率分集，其中空间分集是克服衰落的一种有效技术。在移动通信中，空间略有变动就可 能出现较大的场强变化。当使用多个传输信道时，它们受到的衰落影响是互不相关或相关 性很小的，且多个信道在同一时刻经受深衰落影响的可能性也很小，因此如果能使用多个 传输信道发送信息，在若干个支路上接收相关性很小的载有同一消息的信号，然后通过合 并技术再将各个支路信号合并输出，便可在接收终端上大大降低出现深衰落的概率，这就 是空间分集的意义所在。空间分集是利用场强随空问的随机变化实现的，空间距离越大， 多径传播的差异就越大，所接收场强的相关性就越小。传统的空间分集一般是在接收端采 用多天线来获得分集增益以减弱信道衰落的影响，后来w i t t n e b e n 又提出了发送分集技术 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 ( 在发送端使用多天线分集来获得分集增益) 。但这都需要在终端上安置多个天线，由于受 移动终端尺寸限制，使多天线在移动终端上实现有一定的困难。于是有人仿照发送分集模 式，提出了一种新的空间分集模式协同分集，所谓的协同分集就是通过各个移动终端 间的协同工作来实现分集增益，其工作原理是每个终端都有协作伙伴( 也是移动终端) ，它 本身也是别的终端的协作伙伴，它们不仅具有发送本身信息的功能，还要能发送来自协作 伙伴的信息 2 】这样几个协作伙伴相当于组成一个多天线系统，来实现分集增益。 1 2 国内外的研究现状 目前基于空时编码的协同分集被广泛研究，所以我们先简要介绍一下空时编码的情 况。1 9 9 6 年，b e l l 实验室提出了分层空时码模型，这是最早的空时编码方案【3 】。1 9 9 8 年， a t & t 实验室的t a r o k h 等人提出了一种基于编码调制技术的空时编码方案网格空时码 ( s t t c ) 。s t t c 不仅可获得较高的频带利用率，而且具有较好的抗衰落性能，因此很快受 到人们的重视，并在整个通信领域掀起了空时码的研究热潮。除此之外，还有一种较为简 单的分组空时码( s t b o ，空时分组码没有编码增益，但编译码复杂度低，有实用价值。 c a l d e r b a n k 领导的a t & t 实验室研究小组在1 9 9 8 年提出了空时编码的概念 4 】。空时 编码的最大特点是将编码技术和天线阵列技术有机地结合在一起，实现了空时二维分集， 从而提高了系统的抗衰落性能。与不使用空时编码的编码系统相比，空时编码可以在不牺 牲带宽的前提下获得更高的编码增益，特别是在无线通信系统的下行传输中，空时编码的 应用将移动端的设计负担转移到了基站。他们还分析了影响空时编码性能的主要因素，并 指出：分集阶数和乘积形式的码元序列对的欧氏距离是评价空时编码性能的主要指标。分 集阶数越高，编码性能越好。 a t & t 实验室的v a h i dt a r o k h 博士等人还进一步提出了网格空时编码技术。它是利用 编码理论中的格形编码原则，对输入码元进行编码，然后通过天线阵发送。它的优点是： 具有较高的分集增益和编码增益，而且发射带宽没有损失。空时格形编码技术将信号处理 和编码技术相结合，使发送分集系统的性能有了很大提高，其性能增益要远远大于 w i t t n e b e n 提出的发送分集方案。但是，当发送端天线数目固定不变时，空时格形编码的解 码复杂度( v i t e r b i 算法中的状态个数) 随着分集阶数和编码速率的增加呈指数关系增长， 这也成了它最大的缺陷。为了减小发送分集系统接收端的解码复杂度，1 9 9 8 年，a l a m o u t i 提出了一种简单的双天线发送分集方案 5 】，该方案只需在接收端进行简单的线性运算便可 获得最大的分集阶数，而它的性能与双天线接收分集最大比合并( m r c ) 方案相同，并且它 2 南京邮电大学硕一上研究生学位论文 第一覃绪论 还可以与m r c 接收分集结合以进一步提高系统的性能。目前，a l a m o u t i 的简单双天线发 送分集方案已受到广泛关注，并己经被纳入第三代移动通信标准，并且基于a l a m o u t i 空时 编码的协同分集研究也取得了很大的进展。空时编码在协同分集中得到了越来越广泛的应 用 6 - 1 4 。 遗憾的是，基于a l a m o u t i 空时编码的协同分集方案只适用只有一个中继节点的情况， 目前还不能应用在多中继节点的情况。用在多中继节点协同分集中的空时编码还是一项具 有很大挑战性的课题。另外b l e t s a s 在 1 5 1 7 】中提出了机会中继技术，该技术有效地解决了 这一问题。它在研究多中继节点的协同分集时另辟蹊径，利用在多个中继节点中选择一个 最佳中继节点实现协同，抛开了空时编码的框架，使得实现复杂度大大降低。更重要的是 b l e t s a s 从理论上推导了这一方法和利用复杂的空时编码具有相同的分集增益。 另一方面，o f d m 技术是一种特殊的多载波传输方案，o f d m 将总带宽分割为若干窄 带子载波可以有效抵抗频率选择性衰落，同时其多载波之间的相互正交性，又有效地利用 了频谱资源。如果协同分集和o f d m 结合起来，就可以使协同分集在频率选择性衰落信道 中也能达到理想的分集增益，所以自然地有一些学者研究了协同分集和o f d m 的结合。 目前这些研究协同分集和o f d m 结合的文献大都是基于空时编码的协同分集。 b a r b a r o s s a 等学者在 1 3 中通过仿真a f 和d f 模式研究d o f d m s t b c 方法的性能。在 1 4 中研究了在单中继点并且中继到目的点链路没有衰落的情况下d o f d m s t b c 的性能。 s t b c 和o f d m 的结合实现了v i r t u a lm i m o + o f d m 的性能，那能否不用s t b c 而用其 它方式来实现v i r t u a lm i m o + o f d m 呢? 这就是本文的研究目的。我们研究协同分集不是 用通常的分布式空时编码算法来实现，而是用种机会中继方法来实现，这样就省去了分 布式空时编码的复杂性。研究发现，和比较复杂的分布式空时编码相比，机会中继可以达 到相同的分集增益。这一技术的简洁性能够使得在现存的硬件条件下快速实现虚拟m i m o 。 并且相信该技术的应用可以为以后的4 g 移动通信系统增加灵活性、可靠性、有效性。 1 3 本文的研究内容 本文主要讨论了基于空时编码的协同分集、基于机会中继的协同分集和结合o f d m 的 机会中继，研究内容安排如下： ( 1 ) 分析了无线信道的衰落特性，阐述了无线信道在不同环境中的几种常用模型，并 给出了自己的见解。 ( 2 ) 归纳了已有的分集技术，并阐述了单天线移动台的空间分集技术的可选方案 南京邮电大学硕十研究生学位论文 第一章绪论 协同分集，介绍了协同分集的基本原理，各种中继协议，并对基于分布式空时编码的协同 分集性能做了分析和仿真。 ( 3 ) 研究了多用户协同分集的一种新方法机会中继。机会中继能够在多中继节点 的情况下灵活方便地实现协同分集，和利用分布式空时编码实现协同分集对比大大简化了 物理层的复杂度，并且能够获得和空时编码相同的完全分集增益。由于机会中继首先需要 选择一个最佳中继节点，本文分析了这一过程有可能会发生冲突，导致选择最佳节点失败， 所以本文在机会中继的基础上做了改进，引入了c s m a 协议，最后仿真结果验证了这一改 进使得冲突概率降低了两个数量级，大大提高了选择最佳节点的成功率。 ( 4 ) 研究了o f d m 技术和机会中继的结合，描述了两种不同的结合方式“机会 o f d m 中继”和“机会o f d m a 中继”。我们通过理论分析表明机会o f d m 中继没有带来 分集增益，所以提出了机会o f d m a 中继。我们从理论上推导了这种方法能够带来完全分 集增益，最后我们用仿真验证了我们的结论。 4 南京1 0 b 电人学硕一i ：研究生学位论文 第二章无线信道的衰落特性 第二章无线信道的衰落特性 信道是任何一个通信系统所必不可少的组成部分。移动通信的信道和固定通信信道( 无 线本地环路例外) 是完全不同的。在固定通信中，信号的传输媒介是人工制作，例如双绞线、 电缆、光纤等。这些媒质的传输特性在相当长的时间内是十分稳定的，可以认为这种信道 为恒参信道。而在移动通信信道中，信号在空间中自由传播，受外界信道条件的影响很大。 由于天气的变化、建筑物和移动物体的遮挡、反射和散射作用以及移动台的运动造成的多 普勒频移的影响等造成信道的变化，可以认为这种信道为随参信道。 在移动通信信道中，一般来说接收信号的功率可以表示为 e ( a ) = 竹”s ( a ) r ( a ) ( 2 - 1 ) 其中d 表示移动台与基站的距离向量，i 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川，也被称作大尺度衰落，其中刀一般为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，被称作中等尺度衰落； 一 ( 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，因此造成 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， 这也被称作小尺度衰落。 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 会出现多普勒频移。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。本章主要讨论无线信道的多径衰落和时变性，对大尺度 衰落和阴影衰落只作简单介绍。 2 1 无线信道的大尺度衰落 无线电波在自由空间内传播，其信号功率会随着传播距离的增加而减小，这会对数据 速率以及系统的性能带来不利影响。最简单的大尺度路径损耗的模型可以表示为： 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章无线信道的衰落特性 工：兰：k 上 d 7 ( 2 2 ) 其中表示本地平均发射信号功率，虿表示接收功率，d 是发射机与接收机之间的距离。 对于典型环境来说，路径损耗指数7 一般在2 - - 4 中选择。由此可以得到平均的信噪l l , ( s i g n a l t on o i s er a t i o ，简称s n r ) 为 ：兰：ksnr 旦上 = 二三= 二l ： 只d 7n o b ( 2 - 3 ) 其中o 是单边噪声功率谱密度，b 是信号带宽，k 是独立于距离、功率和带宽的常数。如 果为保证可靠接收，要求肼豫s n r 。，其中s n r o 表示信噪比门限，则路径损耗会为比特 速率带来限制： b 堡 d 7n o s n r o ( 2 4 ) 以及对信号的覆盖范围也会带来p e r u ： d ，旦n o b s n r o r ( 2 5 ) ) 、 可见，如果不受其它特殊的技术，数据的符号速率以及电波的传播范围都会受到很大 的限制。但是在一般的蜂窝系统中，由于小区的规模相对较小，所以这种大尺度衰落对移 动通信系统的影响并不需要单独加以考虑。 2 2 阴影衰落 当电磁波在空间传播受到地形起伏、高大建筑物的阻挡，在这些障碍物后面会产生电 磁场的阴影，造成场强中值的变化，从而引起衰落。与多径衰落相比，阴影衰落是一种宏 观衰落，是以较大的空间尺度来衡量的，其衰落特性符合对数正态分布。其中接收信号的 局部场强中值变化的幅度取决于信号频率和障碍物状况。频率较高的信号比低频信号更加 容易穿透障碍物，而低频信号比较高频率的信号具备更强的绕射能力。 2 3 无线信道的多径衰落 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 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二苹无线信道的衰洛特住 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j j n 贝, 0 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的扩展到其它符号当中，造成 符号间干扰( i n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e ，简称i s i ) 。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) ，二一 ( 2 6 ) r 懈 其中f 。娃表示最大时延扩展。 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 4 无线信道的时变性及多普勒频移 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： 7 南京邮电大学硕： = 研究生学位论文第二章无线信道的衰落特性 乃：- - 等- vc o s 0 ：堕c o s 9 ：无c o s 0 ( 2 7 ) c 其中丘表示载波频率，c 表示光速，厶表示多普勒频移，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+ f o 处的单纯万函数，而是分布在( 五一厶，兀+ 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： ( 峨万1 ( 2 8 ) 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 5 信道衰落模型 这里的衰落模型，主要是讨论多径信道的包络统计特性。二般而言，接收信号的包率 根据不同的无线环境服从瑞和j ( r a y l e i g h ) 分布和莱斯( r i c e ) 分布。另外，还有一种具有参数 m 的n a k a g a m i m 分布，参数m 取不同的值时对应的分布也不相同，因此更具有广泛性。 2 5 1r a y l e i g h 分布 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： 办( f ) = a ，6 ( t - r t ) e 肼 ( 2 - 9 ) 其中l 代表到达的多径的径数；4 代表第? 条路径的信号幅度；乃代表第，条路径相对第一 条路径( f o ) 的时延；办代表第? 条路径的信号相位。 8 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线信道的衰落特性 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( o 2 兀均匀分布) ：各个反射波的幅度和相位都是统计独立的， 则达到接收机的信号包络r 服从瑞利分布： 肿) = 素e x p ( 一言) ( ，- o ) ( 2 - 1 。) 其中o - 2 为r 的方差。 瑞利分布的概率密度函数如图2 1 ： o - 7 0 6 o 5 0 4 0 3 0 2 0 1 o 、 一一一 、 一 一一 一 、 、 、 、 、 ， j 、 、。、_ 、一j 一 o o 51 2 5 2r i c e 分布 1 522 533 54 r o 图2 1 瑞利分布的概率分布密度 当接收信号中有视距传播( l o s ) 的直达波信号时，视距信号成为主接收信号分量，同时 还有不同角度随机到达的多径分量叠加在这个主信号分量上，这时的接收信号幅度r 就呈 莱斯分布，甚至高斯分布： p = 考e x p ( 一等) i o ( ( a 0 ，r 掣 ( 2 - 1 1 ) 其中仃2 为r 的方差，a 是主信号的峰值，i o ( ) 是零阶第一类修正贝赛尔函数。贝赛尔 9 南京邮电人学硕士研究生学位论文第二章无线信道的衰落特性 分布常用参数k 来描述，k = 等，定义为主信号的功率与多径分量方差之比，用d b 表示： k ：1 0 1 9 譬( 2 - 1 2 ) k 值是莱斯因子，完全决定了莱斯分布。当a 一0 ，k 专一0 0 d b ，此时在接收信号中 没有主导分量时，混合信号的包络从莱斯分布转变成瑞利分布。显然，强直射波的存在使 得接收信号包络从瑞利分布变成莱斯分布，当直射波进一步增强( k 1 ) 时，莱斯分布将向 高斯分布趋进。莱斯分布的概率密度函数如图2 - 2 。 0 7 0 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 ，k = 0 瑞利：分布： ， k = 0 5 ： 7 一一 、， ， i 、k = 2 k 8 ：k = 1 8 7 7 、 。j 、一? 7 一j 、j ! l 一 、 ， 、 ，：、 ， 、 、 、i j 7 、ii ?7 l、 、 _ _ ，二一- 1 、 、 、 一f j 、 7 7 、 ， ， ， ， ， - j ：! 二一 012 3 4 56 7 89 1 0 r o 图2 - 2 莱斯分布的概率分布密度 注意：莱斯分布适应于一条路径明显强于其他多径的情况，但并不意味着这条路径就 是直射径。在非直射系统中，如果源自某一个散射体路径的信号功率特别强，信号的衰落 也服从莱斯分布。 2 5 3n a k a g a m i m 分布 n a k a g a m i - m 分布由n a k a g a m i 在2 0 世纪4 0 年代提出，通过基于场测试的试验方法， 用曲线拟合，达到近似分布。研究表明，n a k a g a m i m 分布对于无线信道的描述具有很好的 1 0 南京邮电大学硕一i 二研究生学位论文第二章无线信道的衰落特性 适应性。 若信号的包络r 服从n a k a g a m i m ，则其概率密度函数为： 肿) = 币2 m m r 万2 m - ie x p ( 一等) ( r 0 ) ( 2 - 1 3 ) 其中m 2 舞，是n 岫a m i 衰落参数，为不小于1 2 的实数；q = 砸2 ) r ( m ) - p p 叫出 是g a m m a 函数。n a k a g a m i - m 概率密度函数见图2 - 3 。 图2 - 3 耻1 ，n a k a g o a n i m 分布莱斯分布的概率分布密度 对于功率s = r 2 2 的概率密度函数，则有 加) _ ( 而s m - ie x p ( 一等 式中，s = e ( s ) = o 2 ，为信号的平均功率。 当m = l 时，有 加，= 告e x p c 一毒 ：re x p ( 一至)2 l 一一j ss ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章无线信道的衰落特性 则n a k a g a m i m 分布成为瑞利分布。 另外，n a k a g a m i m 分布可以用m ( 一般称为形状因子) 和莱斯因子k 之间的关 系来确定近似，即 所= 筹 ( 2 - 1 6 ) 当m 较大时，n a k a g a m i m 分布接近高斯分布。 2 6 本章小结 电波传播的主要方式是空间波，即直射波、折射波、散射波以及它们的合成波， 再加之移动台本身的移动性，使得移动台与基站间的无线信道呈现多种衰落特性。本 章简单介绍了无线信道的几种基本传播特征，包括大尺度衰落，阴影衰落，多径衰落 和多普勒频移。然后介绍了多径衰落的几种衰落模型，包络瑞利分布，莱斯分布和n a k a g a m i m 分布。 另外文献中还经常会出现平坦非平坦衰落，快慢衰落，对于这些衰落特性作者 的理解为： 一般来说，多路信号到达接收机的时间有先有后，即有相对时延。如果这些相对 时延远小于个符号的时间，则可以认为多路信号几乎是同时到达接收机的。这种情 况下多径不会造成符号间的干扰。这种衰落称为平衰落，因为这种信道的频率响应在 所用的频段内是平坦的。相反地，如果多路信号的相对时延与一个符号的时间相比不 可忽略，那么当多路信号迭加时，不同时间的符号就会重迭在一起，造成符号间的干 扰。这种衰落称为频率选择性衰落，因为这种信道的频率响应在所用的频段内是不平 坦的。 至于快衰落和慢衰落，通常指的是信号相对于一个符号时间而言变化的快慢。粗 略地说，如果在一个符号的时间里，变化不大，则认为是慢衰落。反之，如果在一个 符号的时间里，有明显变化，则认为是快衰落。当移动台具有一定的移动速度后，会 产生多普勒频移，其倒数称为信道的相关时间。当基带信号的符号时间小于信道的相 关时间时，在多个符号期间，可以认为信号所经历的衰落是相同的( 慢衰落) ，如果 基带信号的符号时间远大于信道的相关时间，信号在同一符号时间内经历不同的衰 落，这就是快衰落。快慢衰落与移动台的移动速度，基带信号带宽都有关系。 1 2 南京邮i u 人学硕士研究生学位论文第三章分集技术与协同分集 第三章分集技术与协同分集 在无线移动通信系统中广泛使用了分集技术来减小多径衰落的影响，并且在不增加发 射功率或牺牲频带利用率的情况下提高传输的可靠性 1 9 】。分集技术在接收端接收发射信 号的多个副本信号，每个接收信号携带的信息相同，但在衰落统计特性上具有较小的相关 性。分集的基本思想是：利用信号的两个或多个独立样本，这些样本以不相关的模式衰落， 一些信号样本可能严重衰落，而另一些则衰落得较少。所有几个样本信号同时遭受严重衰 落的几率要比一个样本信号遭受严重衰落的几率小得多。因此提高了传输的可靠性。 空间分集是无线通信中克服信道衰落的关键技术之一。传统的空间分集一般是在接收 端采用多天线来获得分集增益以减弱信道衰落的影i 甸，w i n t e r s 在1 9 9 4 年研究了发送分集 的增益问题，他的实验结果指出，发送分集可以取得和接收分集一样的分集增益。但是多 天线技术比较适用于基站端，而对于移动终端，由于实现多天线要求相邻天线之间的间距 要大于电波半波长( 实际中一般需要至少几个波长的间g g ) ，移动终端对体积、质量和功耗 的要求又非常苛刻，所以在移动终端采用多天线有一定困难。在这种情况下，近来的基于 单天线移动设备的协同分集技术成为获得空间分集的可选方法。因为在无线传输系统中有 大量的用户，协同分集实现了协同用户间的资源( 时间、频率) 共享，每个用户都可以为其 他用户传送的信息实现中继 2 0 2 1 1 。从而在系统中通过中继传输实现了分集增益。研究表 明在衰落环境下，协同分集可以扩大系统容量，提高网络服务质量，改善系统性能。协同 分集中的协同伙伴彼此共享天线，从而构成了一个虚拟的m i m o 系统，从这个意义上讲， 协同分集思想为m i m o 技术走向实用提供了一条