（通信与信息系统专业论文）无线网络中协作分集技术研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着现代社会对无线通信的需求不断扩大，人们对无线通信速率和质量的要求也不 断提高。而无线信道中多径衰落是限制无线通信速率和质量提高的一个主要因素，因此 人们提出了一些方法来对抗无线信道中的多径衰落，其中分集是一个行之有效的方法。 分集技术主要包括时问分集，频率分集和空间分集。空间分集由于不需要牺牲时间和带 宽就能获得性能增益而受到特别的关注。近年来，研究表明一种典型的空间分集技术一 一多输入多输出( m i m o ) 技术对无线通信性能有很大的改善，它不仅能够提高通信的 可靠性还能够提高通信的有效性。 但是，由于受到移动终端体积，功率，天线位置设置等因素的限制，m i m o 很难直 接在实际系统应用。s e n d o n 撕s 等人受到中继信道的启发提出了协作分集的概念。协作 分集中具有信号处理技术的两个用户通过共享对方的天线来传输数据，因此它在每个用 户只有一根天线的多用户通信系统中也能提供发射分集。协作分集主要包括放大中继， 解码中继和编码协作。编码协作由于在协作中采用了信道编码，因而有更好的性能。 本文首先对移动通信中广泛使用的分集技术进行了介绍，同时对协作分集所用到的 空问分集技术作了详细的介绍。进而将采用分集技术与不采用分集技术系统的性能作了 对比。 其次本文讨论了协作分集所取得的进展和性能改善，并具体研究了放大中继，解码 中继和编码协作这三种协作方案的协作方式和性能。其中重点研究了编码协作方案的协 作方式和性能。 最后本文提出了一种基于编码协作方案的改进的编码协作方案，通过仿真对其与没 有改进的编码协作方案进行性能比较。 关键词：m i m 0 ；空间分集；协作分集；编码协作；信道编码 大连理工大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nc o o p e r a t i o nd i v e r s i t yi nw i r e l e s sn e t w o r k s a b s t r a c t w i mm ei n c r e a s i n gd e m a i l d so fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns e i c e ，p e o p l en e e d sw i r e l e s s 仃a n s m i s s i o nw i t hh i 曲e rs p e e da 1 1 db e t t e rq u a l i t y s i 印a lf a d i n g 撕s i n gf 硒mm u l t i p a t h p r o p a g a t i o ni sm em a i np r o b l 锄t oi m p r o v es p e e d 锄dq u a l i t yo fw i r e l e s s 妇n s m i s s i o n ，s o m 跏ym e t h o d sa r ei n t r o d u c e dt om i t i g a t e 也ei n l p a i m e n to fm u l t i p a mf a d i n ga m o n gw h i c h d i v e r s i t yt e c l l i l i q u ei so n eo fm o s tu s e 觚w a y st oc o n q u e rm u l t i p a mf a d i n g d i v e r s i t y ，s o r t e d b y w a y so fm u l t i p l e x ，i n c l u d e st i m ed i v e r s i t y ，矗e q u e i l c yd i v e r s i t y 锄ds p a c ed i v e r s i t y 锄o n g w h i c hs p a c ed i v e r s i t yi sp 矾i c u l 砌ya t 仃a c t i v ef o ri t sd r 锄a t i cp e r f o n n a l l c ew i t h o u t s a 谢f i c i n gd e l a ya i l db a i l d w i d t h i i lr e c e n ty e a r s ，m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t 】) u t ( m i m o ) t e c h 血q u ea sat y p i c a ls p a c ed i v e r s 埘t e c h i q u eh a sb e e l ls h o w n t 0b es i 鳃i f i c a n t l yb e 6 c i a l f o rw i r e l e s sc o m c a t i o n ，船i tc a l lo f f 打b o t l la ni n c r e 嬲ei nr e l i a b i l i t ya l s oa ni n c r e a s ei n r a t e h o w e v e r ，m i m oi sh a m l yi m p l 锄e n t e dt or e a ls y s t e i i ld i r e c t l y ，d u et ot h ep h y s i c a l c o n s t r a i n t so fm o b i l eu n i t ，s u c ha ss i z e ，p o w e rc o s ta n ds e t t i n g so fm u l t i p l ea 1 1 t e l l i l a s 。t h u s ， t h ei d e ao fc 0 0 p e r a t i o nd i v e r s i t ym o t i v a t e db yr e l a yc h 锄e l i sp r o p o s e db ys e f l d o n 撕s c o o p e r a t i o nd i v e r s i t yi n v o l v e sap a i ro fu s c r se m p l o y i n gs i g n a l i n gs c h e m e sm a ta l l o w se a c h t os e l l di n f o m a t i o nu s i n gb o mo ft h e i ra n t e i l l l a s ，s oi tp r o v i d e st r a i l s m i td i v e r s i t ye v e i lw h e i l e a c hm o b i l eu s e ri ss e tw i t l ls i n g l ea 1 1 t e n n ai nm u l t i p l eu s e rc o m m u n i c a t i o ns y s t 锄 c o o p e r a t i o nd i v e r s i t y i n c l u d e s 锄p l i f 弘a l l d - f o r w a r d ， d e c o d e d a n d - f o 刑a r da n dc o d e d c o o p e r a t i o n ，a m o n gw h i c hc o d e dc o o p e r a t i o ne i i l p l o y i n gc h 猢e lc o d i n gl l a s ab e t t e r p e r f o m a n c ed u et oi t se f 董b c t i v eu s eo f b a n d w i d m f i r s t l y ，t l l i sp a p e ri n t m d u c e st h ed i v e r s i t yt e c l l l l i q u e sw m c h a r ew i d e l yu s e di nw i r e l e s s n e t w o r k s ，e m p h a s i z e do nm es p a c ed i v e r s i t yt e c h j l i q u ei n v o l v e di nm yw o r k ，m e nm e p 刊白n l l a n c eo fd i v e r s i t ys y s t e ma 1 1 dn o n d i v e r s i t ys y s t e mi sc o m p a r e d s e c o n d l y ，t 1 1 i sp a p c ri n t r o d u c e s t h ed e v e l o p m e n ta n dp e r f o n 】n c ei m p r o v e m e n to f p r e v i o u sc o o p e r a t i o nd i v e r s 时 t e c l u l i q u e s i t i n v e s t i g a t e s t h ec o o p e r a t i o nw a y sa i l d p c r f o n n a n c e so nt l l r e ek i n d so fc 0 0 p e r a t i o nd i v e r s i t yt e c h 血q u e s ，i e 锄p l i 妒a i l d - f o r w a r d ， d e c o d e d - 趾d - f o r w a r da n dc o d e dc o o p e r a t i o n ，锄p h a s i z e do nc o d e dc o o p c r a t i o n f i n a l l y an e wc o d e dc o o p e r a t i o ns c h 唧eb a s e do nc o d e dc o o p 酬i o ni sp r o p o s c d ，a i l d i t sp e r f o m a n c ec o r n p a r e dt oc o d e dc o o p e r a t i o ns c h e m ew i m o u ti n l p r o v e m e i l ti si r l 、r e s t i g a t e d t h r o i l g hs i m u l a t i o n i i i 无线网络中协作分集技术研究 k e yw o r d s ：m i m o ；s p a c ed i v e r s i t y ；c o o p e r a t i o nd i v e r s i t y ；c o d e dc o o p e r a t i o n ；c h a i l l l e l c o d i n g i v 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 沙诱。6 。舌 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定 ，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：装豸 导师签名：临圣导师签名：_ 二喜壮岂 l 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 。无线通信的发展和研究背景 移动通信以其特有的灵溪、便捷的优点符合了现代社会人们对透信技术的要求，成为 2 0 世纪8 0 年代中期以来发展最为迅速的通信方式。现代移动通信技术从模拟调制到数 字调制经历了三代：第一代移动通信系统( 1 g ) 以模拟式蜂窝网为主要特征，采用频分 多址( f d m a ) 模拟调制方式，实现对阏内用户的动态寻址功能，并| 以蜂窝式网络结构 和频率规划实现载频复用，满足扩大覆盏服务范围和满足用户数量增长的需求。在信道 动态特性匹配上，适当采用了性能较好的模拟调频方式，并利用基站二重空间分集方式 抵抗空闻选择性衰落。其主要代表有美图的a m p s 、英国的t a c s 、北欧的n 矸等。 第二代移动通信系统( 2 g ) 以数字化蜂窝网为主要特征，采用时分多址( 哟m a ) 、码 分多址( c d m a ) 数字调制方式实现对网内用户的动态寻址功能，以数字式蜂窝网络结 构和频率规划实现载频复用，并采用独立信道传送信令，从而提高了系统容量，使系统 性能大为改善。第二代移动通信技术采用了抗干扰性能优良的数字式调制：g m s k ( g s m ) 、o p s k ( i s 9 5 ) ；采用性能优良的抗干扰纠错编码：卷积码( g s m ，i s 一9 5 ) 、 级联码( g s m ) ；采用功率控制技术抵抗慢衰落和远近效应；采用自适应均衡( g s m ) 和r a x e 接收( i s 9 5 ) 抗频率选择性衰落与多径干扰；采用信道交织编码，如采用帧 问交织方式和块交织方式抗时间选择性衰落；采用空间或极化分集方式抗空间选择性衰 落。其主要代表有北美的d a m p s 、i s 9 5 c d m a 和欧洲的g s m 。虽然第二代移动通信 系统相对于第一代移动通信系统已经有了很大的改进，但是第二代移动通信系统通常只 提供低速率的语音业务。但社会信息化进程越来越快，仅仅通话已不能满足人们对信息 交流的需要，除话音外，数据、图形、图像等各种信息都希望能随时获取和彼此相通， 多媒体服务就变得越来越有必要。由此第三代移动通信系统( 3 g ) 应运而生。第三代无 线通信系统以多媒体业务为主要特征，支持速率1 0 0 m b 臆的多媒体宽带数据业务，在系 统适配信道与用户二重动态特性的基础上又引入了业务的动态性。它继续采用第二代中 所采用的行之有效的措施，对c d m a 扩频方式中由于扩频码性能的不理想带来的多址 干扰、远近效应等采用了多用户检测、智能天线、发端分集、空时编码等；针对数据业 务要求误码率低且实时性要求不高的特点，对数据业务采用了性熊更优良的翘b o 码。 第三代移动通信系统及其下一代移动通信( b 3 g ) 系统凼于数据传输速率高，对分集技 术等抗干扰手段提出了更高的要求。 无线网络中协作分集技术研究 1 2 多天线无线通信系统的提出与发展 在移动通信系统的环境下，无线信道中电波的传播不是单一路径，在接收端除了直 射波外，还有各种反射波，绕射波和二次反射波等，由于电波通过各个路径的距离不同， 因而各个路径来的反射波到达时间不同，也就是各信号的时延不同。它们在接收端合成 后，就会引起信号的剧烈变化，从而严重影响信号的传输质量即多径衰落。多径衰 落是影响无线通信质量的一个主要因素，因此人们提出许多方法来抵抗多径衰落对无线 通信的影响，如分集、自适应均衡、扩频通信、交织以及纠错编码技术等，其中分集技 术是对抗多径衰落的一项行之有效的技术。而空间分集技术由于无需占用额外的时间和 带宽资源就能获得很好的抗衰落性能而受到广泛关注。多输入多输出( m i m o ) 系统是 一种典型的利用空间分集技术的多天线无线通信系统，它可以提高系统的信道容量。 1 9 9 4 年p a u l 删和k a i l 砒提出在发送端和接收端同时使用多天线可增加无线信道的 容量【。1 9 9 6 年，r o v 和o t t e r s t e l l 提出在基站使用多根天根线可在同一信道上支持多个 用户使用【2 1 。1 9 9 5 年t e l a t 一2 】和1 9 9 8 年f o s c h i n i 4 】对白高斯信道下多输入天线、多输出 天线信道容量的研究表明，多天线m i m o 技术可大大提高容量。f o s m l l i 于1 9 9 6 年首 先提出了分层空时编码( l a y e r o ds p a c e t i m ec o d i n g ) 技术【引。基于此，a l 锄o u t i 于1 9 9 8 年提出了一种发送分集方案【6 l 。随后，t a r o l d l 等人在a l a m o u t i 关于发送分集研究工作的 基础上将这种发送分集技术结合j 下交编码提出空时分组编码技术( s t b c ，s p a c e t i m e b l o c kc o d i n g ) 【7 】【列；将这种发送分集结合格状编码调制( t c m ) 技术，提出空时网格 编码技术( s t t c ，s p a c e t i m et r e l l i sc o d i n g ) l 圳。 1 3 协作分集技术的提出与发展 m i m o 技术作为抵抗多径衰落的重要手段得到人们越来越多的关注，已经被认为是 新一代无线传输系统的关键技术之一。但从实际工程角度考虑，对于蜂窝通信系统上行 信道而言，由于受到移动终端尺寸、功耗、天线设置等因素的限制，很难在一个移动终 端上装置多根天线，m i m 0 技术很难直接应用到实际通信系统中。因此，如何更好地将 分集的强大优势和具体实现结合起来一直是一个值得研究的问题。 c o v e r 和g 锄a l 曾提出中继信道模型【l o 】，s e n d o n 撕s 等人受到中继信道的启发，首 先提出了协作分集的概念【l l 】【1 2 】，使具有单根天线的移动台获得类似于m m o 系统中的 空间分集增益。其基本思想是在多用户环境中，具有单根天线的移动台可以按照一定的 方式来共享彼此的天线，从而产生一个虚拟m i m o 系统，以获得分集增益。s e l l d o n 撕s 等人在信息论理论上对信道容量，中断概率和遍历概率所做的分析揭示了协作分集的巨 大连理工大学硕士学位论文 大潜力。并且表明协作分集不但能提高系统的传输速率，还可以降低系统的中断概率【l l 】， l a n e n l a l l 提出了两种基于重传的协作分集方案13 1 ，放大中继和解码中继，进而又针对解 码中继进行了扩展，提出了选择中继和增强中继协作方案【1 4 】。 由于放大中继和解码中继都是基于重传的协作方案，因此从信道编码角度来看，它 们都没有很好的利用信道带宽，于是h u n t e r 等人提出了采用信道编码的协作方案一编码 协作1 5 】【16 1 。不像放大中继和解码中继需要重复发送信号，编码协作分集中将所需发送的 码字分为两部分，一部分由发送端发送，另一部分由协作端发送。研究表明编码协作分 集比放大中继和解码中继具有更好的性能。 1 4 论文主要工作 本文首先对移动通信中广泛使用的分集技术进行了介绍，同时对协作分集所用到的 空间分集技术作了详细的介绍。进而将采用分集技术与不采用分集技术系统的性能作了 对比。 其次本文讨论了协作分集所取得的进展和性能改善，并具体研究了放大中继，解码 中继和编码协作这三种协作方案的协作方式和性能。其中重点研究了编码协作方案的协 作方式和性能。 最后本文提出了一种基于编码协作方案的改进的编码协作方案，通过仿真对其与没 有改进的编码协作方案进行性能比较。 1 5 论文结构 本论文的结构安排如下： 。 第一章：简要介绍目前移动通信和协作分集的发展和研究现状，并概括论文的主要 工作。 第二章：介绍移动通信无线信道的特性和参数，具体介绍多径衰落对无线通信的影 响，并对多径衰落进行分类。 第三章：介绍能够抵抗多径衰落的分集技术，并重点介绍了空间分集技术，给出了 m i m o 系统的系统模型和信道容量公式。 第四章：研究现有的协作分集技术，放大中继，解码中继和编码协作。给出它们中 断概率性能，并进行比较。 第五章：介绍编码协作中用到的编码调制技术，包括c r c 编解码，卷积码编解码 和b p s k 调制解调技术。 第六章：提出一种新的编码协作方案，对其差错概率性能进行仿真，并与没有改进 的方案进行比较。 无线网络中协作分集技术研究 最后对全文所得出的结论进行归纳，总结全文，并提出了未来的研究方向。 1 6 小结 本章是绪论，介绍了无线通信、多数入多输出系统和协作分集技术的发展，并分析 了课题研究背景和意义，最后介绍了本论文的主要工作和组织结构。 大连理工大学硕十学位论文 2 移动通信无线信道及特性参数 2 1多径衰落的产生 移动无线信道的主要特征是多径传播。多径传播是由于受无线传播环境的影响，在 电波的传播路径上产生了反射、绕射和散射，这样当电波传输到接收端的天线时，信号 不是单一路径来的，而是许多路径来的多个信号的叠加。因为电波通过各个路径的距离 不同，所以各个路径电波到达接收机的时问不同，相位也就不同。不同相位的多个信号 在接收端叠加，有时是同相叠加而加强，有时是反相叠加而减弱。这样接收信号的幅度 将急剧变化，即产生了多径衰落。 2 2 描述多径信道的主要参数 2 2 1 时延扩展 在多径传播条件下，接收信号会产生时延扩展。当发送端发送一个脉冲信号时，由 于信号的传播路径不同，所以到达接收端的时间也就不同，因此接收信号不仅包含该脉 冲，还将包括此脉冲的各个延时信号，这种由于多径效应引起的接收信号中脉冲的宽度 扩展现象称为时延扩展。扩展的时间可以通过第一个到最后一个多径信号之间的时间来 衡量，一般用么来表示。 2 2 2 相关带宽 时延扩展是由多径传播所引起的现象，而相关带宽是从时延扩展得出的一个确定关 系值。两个频率相隔很近的衰落信号，当时延扩展达到某一数值时，就有可能变得相关。 对于某一时延扩展值正，两衰落信号是否相关取决于两者的频率间隔。两衰落信号相关 时的频率间隔称为相关频率，它是对信道传输信号带宽能力的度量。如输入信号的带宽 远远小于信道相关带宽，则输出信号频谱中，谱分量幅度与相位关系是确定的；反之， 如输入信号的带宽大于信道相关带宽，则会引起输出信号的失真，对于数字通信将会引 起误码。 相关带宽可以用公式定义如下： 1 墨= 二 ( 2 1 ) 。2 ，甄 - ， 一， 其中，堍为相关带宽，q 为多径时延扩展。 无线网络中协作分集技术研究 式2 1 表明，时延扩展越大，相关带宽越窄，信道容许传输的不失真频带就越窄； 反之，时延扩展越小，相关带宽越宽，信道容许传输的不失真频带就越宽。 2 2 3 多普勒频移 当移动台在运动中通信时，接收信号频率会发生变化，称为多普勒效应，这是任何 波动过程都具有的特性。多普勒效应引起的附加多普勒频移称为多普勒频移，如图2 1 所示。 入射电波 此时多普勒频移可以表示为： 1 ，运动方向 图2 1 多普勒效应 f i g 2 1d o p p l e re f t 圮t 丘= 云c 。s 口以 ( 2 2 ) 厶2 羞 ( 2 3 ) 其中，1 ，表示移动速度，允表示波长，口表示入射波与移动台移动方向之间的夹角， 厶为最大多普勒频移。 由式2 2 可以看出，多普勒频移与移动台运动的方向、速度以及无线电波入射方向 有关。若移动台朝向入射波方向运动，则多普勒频移为正( 接收信号频率上升) ；反之 若移动台背向入射波方向运动，则多普勒频移为负( 接收信号频率下降) 。信号经过不 同方向传播，其多径分量造成接收机信号的多普勒扩散，因而增加了信号带宽。 2 2 4 相关时间 相关时间是指一段时间间隔，在此间隔内，两个到达信号具有很强的相关性，换句 话说在相关时间内信道特性没有明显的变化。因此相关时间表征了时变信道对信号的衰 大连理r t 大学硕士学位论文 落节拍，这种衰落是由多普勒效应引起的，并且发生在传输波形的特定时间段上，即信 道在时域具有选择性。一般称这种由于多普勒效应引起的在时域产生的选择性衰落为时 间选择性衰落。时间选择性衰落对数字信号误码有明显影响，为了减少这种影响，要求 基带信号的码元速率远大于信道相关时间的倒数。多普勒扩展的倒数就是信道相关时间 的度量，即： 瓦= 去= 去 泣4 ， 其中，互为相关时间，以为多普勒扩展，当入射波与移动台移动方向之间的夹角 口= o 时上式成立。 2 3 多径衰落的分类 2 3 1 平坦衰落和频率选择性衰落 根据衰落与频率的关系，将衰落分为两种：平坦衰落和频率选择性衰落。 是否发生频率选择性衰落或非频率选择性衰落要由信道和信号两方面来决定，对于 移动信道来说，存在一个固有的相关带宽，对于信号来说也有其信号带宽。 如果信道带宽大于发送信号的带宽，且在带宽范围内有恒定增益，且线性相关，则 接收信号就会经历平坦衰落过程。在平坦衰落情况下，信道的多径结构使发送信号的频 谱特性在接收机内仍能保持不变，所以平坦衰落也称为频率非选择性衰落。产生平坦衰 落的条件为： 色 吼 ( 2 6 ) 其中，互为信号周期( 信号带宽忍的倒数) ，q 是信道的时延扩展，盈为信道相 关带宽。 如果信道具有恒定增益，且相关带宽范围小于发送信号带宽，则此信道特性会导致 接收信号产生频率选择性衰落。此时，信道冲激响应具有多径时延扩展，其值大于发送 信号波形带宽的倒数。在这种情况下，接收信号中包含经历了衰减和时延的发送信号波 形的多径波，因而产生接收信号失真。产生频率选择性衰落的条件是： 置 忍 互 互 最 兀 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 其中，z 为信号周期( 信号带宽色的倒数) ，互是信道相关时间，厶为多普勒频 移。 当信道的相关时间远远大于发送信号的周期，且基带信号的带宽远远大于多普勒扩 展时，信道冲激响应变化比要传送的信号码元的周期低很多，可以认为该信道是慢衰落 信道。所以信号经历慢衰落的条件是： 互 五 ( 2 1 2 ) 2 4 小结 本章主要介绍了无线移动通信的信道特性，主要阐述了多径衰落和多普勒频移对信 号传输的影响，并对多径衰落进行了具体分类。了解无线移动通信信道特性是我们克服 多径衰落的基础，我们必须要充分考虑这些特性，针对这些特性的影响找出合适的解决 方案。 大连理工大学硕士学位论文 3分集技术 3 1分集技术的基本原理 分集技术是无线通信系统中对抗多经衰落、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，这种方法就被称为分集。其基本原理是：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。 3 2 分集技术的分类 根据获得独立路径信号的方法，分集技术可分为时间分集、频率分集和空间分集等。 时间分集通过采用时间交织与信道编码，在时间域内提供信号的副本；频率分集通过在 不同的载波频率上发送信号，在频率域内提供信号的副本；空间分集是利用多副天线来 实现的。为获得好的分集效果，时间分集要求发送冗余信号的若干时隙之间相互独立， 频率分集要求几个载波频率之间相互独立，而空间分集为保证多个发送或多个接收信号 之间的独立性，要求各副天线之间的距离要足够大( 大于若干个波长) 。由上可见，空 间分集技术是在不牺牲信号频率带宽和保证数据传输速率的同时获得分集增益，因而得 到了广泛的应用。 3 2 1 频率分集 频率分集是采用两个或两个以上具有一定频率间隔的载波频率同时发送和接收同 一信息，然后进行选择或合并，利用位于不同频段的信号经衰落信道后在统计上的不相 关特性，来实现抵抗频率选择性衰落的功能。实现时可以将待发送的信息分别调制在频 率不相关的载波上发射，所谓频率不相关的载波是指不同的载波之间的频率间隔大于相 关带宽，即载波频率的间隔应满足： ? 厂鼠：上 ( 3 1 ) 正 无线网络中协作分集技术研究 其中，7 厂为载波频率间隔，只为信道相关带宽，仉为时延扩展。 在频率分集系统中要求两个分集信号相关性较小即频率相关性较小，只有这样，才 不会使两个信号在传输中同时发生深衰落，从而获得较好的频率分集改善效果。在一定 的范围内载波频率间隔越大，两个不同频率信号之间衰落的相关性越小。 频率分集的缺点是，占用更多的频带资源，并且在发射端需要设置多个发射机。 3 2 2 时间分集 时间分集是将同一信号在不同的时间区间多次重发，然后在接收端进行选择或合 并，利用位于不同时间发送的信号经衰落信道后在统计上的不相关特性，来实现抗时间 选择性衰落的功能。为了保证重复发送的信号具有独立的衰落特性，重复发送的时间间 隔应满足： 去= 击 慨2 ， 其中，? t 表示信号发送的时间间隔，v 表示移动速度，名表示波长，口表示入射波 与移动台移动方向之间的夹角，t 为最大多普勒频移。 由式3 2 可以看出，若移动台是静止的，则移动速度y = o ，此时要求重复发送的时 间间隔? t 为无穷大。这表明时间分集对于静止状态的移动台是无效的。 时间分集的缺点是增大了时隙资源的开销，降低了传输效率。 3 2 3空间分集 如前所述，频率分集和时间分集和分集技术虽然可以对抗无线信道的衰落，提高系 统的性能，但并不是在任何情况下，这两种分集方式都是有效的。如对于时延敏感的慢 衰落系统，时间交织会引入较大的信号处理时延，故对时延敏感的业务不适合采用时间 分集；当信道的相干带宽大于传输信号的带宽或信道的多径时延扩展远小于信号周期 时，频率分集又显得无能为力。 空间分集是利用信道随空间的随机变化实现的，空间距离越大，多径传播的差异就 越大，所接收信号的相关性就越小。空间分集通过使信号在不同的空间传播，在接收端 合并多个不相关的信号，来获得分集增益。 天线的相关性是天线的间隔距离以及散射的丰富程度的函数。当散射体很多，散射 信号从四面八方到达接收机，并且是各向同性的，那么相距缸的两根天线接收的信号 的包络相关系数r 。( 缸) 有下面的关系【1 7 】： 大连理工人学硕+ 学位论文 b ( 酬= 告名。( 掣 ( 3 3 ) 其中旯是载波波长，q 是接收信号功率，厶( z ) 是第一类0 阶贝塞尔方程。 当缸 0 3 8 a 时，相关系数小于o 2 。因此，可以近似的认为，当天线间隔超过载波的 半个波长时，在这两根天线处的信道响应是不相关的。上面的条件是对于移动台来说的， 基站和移动台是不一样的。为了保证基站天线处信道响应的不相关性，天线之间间隔要 在3 力一2 0 允。 空间分集又分为发射分集和接收分集两种，如果在发射端和接收端都架设多根天 线，就形成了多输入多输出( m i m o ) 系统。 空间分集，由于充分利用系统的空间域，可以不牺牲信号频率资源和时间资源，在 保证数据传输速率的同时能获得较大的分集增益，因此它是对抗多径衰落的有效途径， 成为国内外学者的研究热点。 虽然空间分集具有优良的性能，但也有它的缺点，需要在分集端架设多根天线，并 且天线之间的距离有一定的限制，这对体积较小的移动终端来讲是一个难题。 3 3 分集合并技术 之前我们了解了如何将信号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。 3 3 1 分集合并方式分类 常用的合并方法有3 种：选择合并、等增益合并以及最大比合并。 一般来说，信号的组合方式可用下式表达： r ( f ) = 吼咯( f ) 忌= 1 ，2 ，m ( 3 4 ) 其中，( f ) 为第k ( k = 1 ，2 ，m ) 条路径上所收到的信号副本，表示其加权系数， ，( f ) 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， 对系数吼归一化，即满足 若加权系数中只有一个不为零( 最好的) ，其他皆为零，即： = 1 ，= o 向哎；墨，红= l ，2 ，m ( 3 5 ) l = 2 七 口 m 柚 无线网络中协作分集技术研究 这种组合方式为最佳选择合并方式( o s c ，o p t i m a ls e l e c t i o nc o m b i n i n g ) 。 若不论信号好坏，把所有收到的信号全部都叠加起来，即： q = = = = l m ( 3 6 ) 就得到等增益合并方式( e g c ， e q u a lg a i nc o m b i n i n g ) 。 若自动调节加权系数口。使得组合信号r ( f ) 的信噪比最高，就得到最大信噪比合并方 式( m r c ，m a x i m u mr a t i oc o m b i n i n g ) 。 3 3 2 分集合并方式性能比较 假设每个分支的包络一的衰落均服从瑞利分布，其平均功率为仃。定义变量： 每个分支的瞬时信号功率 1 平均噪声功率 ，o 们 每个分支的平均信号功率 慨 平均噪声功率 利用这些参数可以得到几种分集合并方式的性能。 ( 1 ) 最佳选择合并( o s c ) 这是一种简单、较常用的合并方式，接收机对多个接收分支一直进行扫描，从中选 择信噪比最大的一条支路作为输出。信噪比小于或等于特定门限值凡的概率为【1 8 】【1 9 】： 尸n ，f 以) = 1 一e 一以“ ( 3 8 ) 所有独立衰落分支的以都小于或者等于以的概率则为： p n ，l ，以) = ( 1 一e 一 ) 盯 ( 3 9 ) m 条支路的选择合并，所得到的平均信噪比为【1 8 】f 1 9 】： 膨 m e 趾( 以) = 厂吉 ( 3 1 0 ) t = l “ 这就意味着与利用一条接收支路相比，如果采用4 条接收支路，则平均信噪比可以 获得3 1 8 d b 的分集增益。实际中，由于估算实际系统中各分支的信噪比非常困难，所 以经常选用信号和噪声平均功率的和最大来代替信噪比最大进行分支选择。从前面的分 析中可以发现，最佳选择合并方式并不需要知道信道的任何信息，所以它的适用范围很 广，既可用于相干检测的系统中，也可用于非相干检测的系统中。 另外，对o s c 进行改进，还有一种更易于实现的简单算法，也称为转换合并( s c ， s w i t c h e dc o n l b i n g ) 方式。转换合并方式是从多个接收分支中选择信噪比超过某一给定 阈值的一条支路作为输出，然后一直使用这条支路作为输出，直到该支路的信噪比低于 大连理工大学硕士学位论文 给定阈值后接收机重新进行扫描，再从多个接收分支中选择信噪比超过给定阈值的另一 条支路作为输出。 ( 2 ) 最大比合并( m r c ) 在信号合并之前，需要对m 个接收分支进行加权，其加权系数正比于每一支路各 自的接收信噪比。若各支路接收信号可表示为( f ) = 4 ( f ) e a ，则其加权系数 吼( f ) = 4 ( f ) e j ，其中4 和苁分别表示接收信号的幅度和相位。这样所得到的信号 分布为【1 9 】： 吖y ，= ，一e 一，厂善! 专! = 与专；二 c 3 - ， 合并之后得到的平均信噪比为1 9 】： m e a i l ( ) = m 厂 ( 3 1 2 ) 可以得出，最大比合并多得到的信噪比是与分集支路的个数m 成正比的。 综上所述，最大比合并方式得到的信号与衰落的幅度和相位有关，所以这种m r c 需要获知信道的信息，因此这种合并方式只可用于相干检测系统中，而不能用于非相干 检测的系统中。 ( 3 ) 等增益合并( e q c ) 等增益合并不需要计算每条分集支路上的信噪比，只需要把每条分集支路的合并增 益都设置为l m ，考虑到相位信息，加权系数( f ) = e - j m 。等增益合并的幅值 分布没有确切简单的表达式，一般都是通过数值方法来计算，它的性能非常接近于最大 比合并，其平均信噪比为【1 9 】： m e a l l ( 以) = 厂 1 + 导( m 一1 ) 】 ( 3 1 3 ) 可见，当m 较大时，等增益合并的平均信噪比也几乎与m 成正比。 图3 1 给出了每个分支平均信噪比为p 1 0 d b 时，几种接收信号合并方式下性能的 简单比较，其横坐标是分集分支总数m ，纵坐标是进行相应的信号合并后所得到组合 信号的平均信噪比。由图可知，最佳选择分集的效果相对较差，在m = 2 时只能得到1 7 d b 的增益；最大信噪比合并方式效果最好，在m = 2 时能得到约3 d b 的增益；等增益合并 方式居中，在m - 2 时能得到约2 5 d b 的好处。在m 非常大时，等增益合并比最大比合 并方式仅相差1 d b 左右，但由于等增益实现要简单得多，所以实际系统中当m 足够大 时多用等增益合并方式。可以证明，在r a y l e i g l l 衰落信道下，4 重分集已经在9 9 9 的 无线网络中协作分集技术研究 时间内基本上克服了快衰落的影响，因此，考虑到实现复杂度等因素，常采用的分集大 多不会超过4 重【2 0 】。 敛 群 耄| 堇 轻 鍪 妆 缸 + 否擞- i t i ；i 杉 l 崎卜蹦点一 ；彪：= ：矿 多定 刀 砑 ， _ _ _ _ 诊。 ， _ 黎r 桫 234s67g91 分烹藏教 图3 1 信号合并方式性能 f i g 3 1 p e 墒m 锄c eo fs i 弘a lc o m b i i l a t i o n 3 4 m 0 系统概述 作为提供空间分集的多输入所输出系统，即m i m o 系统，能够提供比单天线系统 大得多的信道容量，是一种对抗衰落的有效技术。它的贡献主要体现在两个方面：一个 是达到分集效果的极大化，即系统传输性能的提高；另一个是达到传输速率的极大化， 即频谱效率的大幅度提高，下面我们对m i m o 系统作一个简单的介绍。这里假设信号 经历的是平坦慢衰落。 3 4 1 川m o 系统模型 假定一个点对点的m i m o 系统有n t 根发射天线，n 。根接收天线。系统结构如图3 2 所示。用一个n t 1 的列向量x 表示每个符号周期内的发射信号，其中第f 个元素x ，表示 第f 根天线发射的信号。用一个n 。n t 的矩阵日表示收发天线之间的信道衰落系数，其 中元素 ，表示第f 根发射天线与第根接收天线之间的信道衰落系数。用一个n r 1 的列 向量，表示每个符号周期内接收到的信号，其中第，个元素一表示第，根天线接收的信 号。用一个n r 1 的列以向量表示每个符号周期的加性噪声，其中第个元素以，表示第歹 根天线接收的加性噪声。则它们满足： 大连理工火学硕士学位论文 乃( f ) = 哆，f ( f ) ( f ) + ( f ) f = 1 ，2 ，n t ；j = 1 ，2 ，n r 考虑到慢衰落信道假设，( f ) = 纵( o ) = ，式3 1 4 简化为： 0 ( f ) = 乃，五( f ) + 7 0 ( f ) f = 1 ，2 ，n t ；j = l ，2 ，n r 或用矩阵形式表示为： ，( f ) = 凰( f ) + 栉( f ) 其中，日= ( 3 1 4 ) ( 3 1 5 ) ( 3 1 6 ) 图3 2m i m o 系统结构 f i g 3 2 s 饥l c t u r eo fm i m os ) r s t 锄 对于高斯信道，按照信息论，发射信号的最佳分布也是高斯分布。因此，x 的元素 是零均值独立同分布的高斯变量。发射信号的协方差矩阵为： 疋= e 胱h ) ( 3 1 7 ) 其中，x 表示矩阵x 的h 锄i t i 肌转置矩阵，即x 的复共轭转置矩阵。无论发射天 线数n t 为多少，总的发射功率限制为p ，可表示为： p = t r ( 戤) ( 3 1 8 ) 其中，仃( ) 代表矩阵如的迹。可以通过对比的对角元素求和得到。如信道在发 射端未知，则假定从各个天线发射的信号都有相等的功率p n t 。发射信号的协方差矩 阵为： p 胄。= 二l ( 3 1 9 ) hn f 一。一一 奸 叶； 晰；蛳 2 2 0 加如； i l 加勋； 无线网络中协作分集技术研究 其中，l ，是n t n t 单位矩阵。由于发射信号的带宽足够窄，因此可以认为它的频 率响应是平坦的。 假定n 。根接收天线中每一根天线的接收功率等于总的发射功率。这种假定，忽略 了信号传播过程中的信号衰减和放大，包括阴影、天线增益等。于是得到了确定系数的 信道矩阵日的元素规范限定，如下表示： 艺m 2 = n t = 1 ，2 ，n r ( 3 2 0 ) f = l 当信道矩阵元素为随机变量时。规范就是对上述表达式取期望值。 假设噪声矩阵厅的元素是统计独立的复零均值高斯变量，它具有独立的、方差相等 的实部和虚部。接收噪声的协方差矩阵为： e 。= e 甩刀h ) ( 3 2 1 ) 如果甩的元素之间没有相关性，则接收噪声的协方差矩阵为： 咒。= 盯2 厶。 ( 3 2 2 ) n 。个接收分支中每个都有相同的噪声功率仃2 。 接收端基于最大似然准则，在n r 根接收天线上