（通信与信息系统专业论文）衰落信道下合作编码的研究.pdf

摘要 在无线通信中，当移动台由于尺寸或其他的约束条件不能支持多元天线时， 常规的空时编码就不能被用于提供上行链路的传输分集。为了解决此问题，提出 了多用户合作分集的概念，移动台通过中继传输彼此的信息获得传输分集。 本文采用理论分析和计算机仿真相结合的方法，详细研究了合作编码分集技 术的原理及性能，主要完成工作有以下几个方面： 1 介绍了空间分集技术的基本原理，阻及在此基础上提出的用户合作分集技术 的系统模型，并对此模型进行了理论分析。 2 详细了合作编码分集的基本构想和传输方案。代替以往简单的重复中继传 输，合作编码区分通过独立衰落信道的每个移动台的编码和每段编码的传输部分。 3 提出了两个现存的编码框架。首先，我们借助空对编码的思想在快衰落情况 下增加合作编码的分集。我们计算比特和码组差错率的界限值来证明它的增益。 其次，由于合作编码包含两个编码部分，所以很自然的在这个框架里应用了t u r b o 编码。我们研究t u r b o 编码在合作编码中的应用及通过错误界限和仿真来证明它的 误码性能增益。 关键词：分集技术用户合作合作编码空时合作编码t u r b o 合作编码 a b s t r a c t w h e nm o b i l e sc a l l n o ts u p p o r tm u l t i p l ea n t e n n a sd u et 0s i z eo ro t h e rc o n s t r a i n t si n w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，c o n v e n t i o n a ls p a c e - t i m ec o d i n gc a n n o tb eu s e dt op r o v i d e u p l i n kt r a n s m i td i v e r s i t y t oa d d r e s st h i sl i m i t a t i o n ，t h ec o n c e p to fc o d e dc o o p e r a t i o n h a sb e e ni n t r o d u c e d , w h e r em o b i l e sa c h i e v et r a n s m i td i v e r s i t yb yr e l a y i n ge a c ho t h e r s m e s s a g e s - t h i st h e s i ss t u d i e st h eb a s i cp r i n c i p l eo fc o d e dc o o p e r a t i o nd i v e r s i t yw i t h t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n 。t h em a i nr e s u l t sa n dc o n t e n t sa r e a sf o l l o w s 1 t h ep r i n c i p l e so fd i v e r s i t ya t ei n t r o d u c e d b a s e do i lt h e s e ，t h es y s t e mm o d e lo f u s e rc o o p e r a t i o ni sd i s c u s s e dw i t ht h e o r e t i c a la n a l y s i s 2 t h ep r i n c i p l ea n ds y s t e mo fc o d e d - c o o p e r a t i o ni sd i s c u s s e d i n s t e a do fa s i m p l er e p e t i t i o nr e l a y , c o d e dc o o p e r a t i o np a r t i t i o n st h ec o d ew o r d so fe a c hm o b i l ea n d t r a n s m i t sp o r t i o n so fe a c hc o d e w o r dt h r o u g hi n d e p e n d e n tf a d m gc h a n n e l s 3 t w oe x t e n s i o n st ot h ec o d e dc o o p e r a t i o nf r a m e w o r ka r ep r e s e n t e d f i r s t ，t h e d i v e r s i t yo fc o d e dc o o p e r a t i o n i si n c r e a s e di nt h ef a s t - f a d i n gs e e n a r i ov i ai d e a s b o r r o w e df r o ms p a c e t i m ec o d e s ，a n db o u n d sf o rt h eb i t - a n db l o c k e l t o rr a t e sa r e c a l c u l a t e dt od e m o n s t r a t et h er e s u l t i n gg a i n s s e c o n d ，s i n c ec o o p e r a t i v ec o d i n gc o n t a i n s t w oc o d ec o m p o n e n t s ，i ti sn a t u r a lt oa p p l yt u r b oc o d e st ot h i sf r a m e w o r k t h e a p p l i c a t i o no ft u r b oc o d e s i nc o d e dc o o p e r a t i o ni si n v e s t i g a t e da n dt h ep e r f o r m a n c eo f b e ri sd e m o n s t r a t e dv i ae l r o rb o u n d sa n ds i m u l a t i o n s k e y w o r d s ：t r a n s m i td i v e r s i t y u s e r - c o o p e r a t i o n c o d e dc o o p e r a t i o n s p a c e - t i m ec o d i n gc o o p e r a t i o n t u r b o - c o d e dc o o p e r a t i o n 创新性声明 y8 5 8 5 7 6 本人声明所呈交的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：也不包含为获得西安电子科技大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作过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。 本人签名：塑垒垒：日期：! 嘭， 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可 以允许采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本人签名：! 立盘盘： 导师签名圭趔 日期：超：z ：碰 日期：么! 生虚受 第一章绪论 第一章绪论 本章简要介绍了数字通信与信道编码的关系，回顾了信道编码理论与技术的 发展历程；概述了无线移动通信中的分集技术以及其研究现状；给出了本文的内 容安排 1 0 l 数字通信与信道编码 通信按照传统的理解就是信息的传输与交换。在人类社会中，人们总离不开 消息的传递。从古代的人力、马力及烽火台，到现代社会的文字、书信、电报、 电话及电视等，都属于通信的范畴。随着社会的发展和技术的进步，人们对传递 消息的要求越来越高，通信交流的方式也越来越复杂。现在，通信已经渗透进的 每个人的生活，信息化时代已经来临。 所谓通信系统就是完成信息传递所需的所有设备的总和。按照信道中传输的 是模拟信号还是数字信号，通信系统可以分为模拟通信系统和数字通信系统。由 于数字通信具有抗干扰能力强、便于差错控制、便于使用现代数字信号处理、易 于加密、可以综合传递各种消息等优点，因此数字通信系统更适应于现代通信的 要求。 点对点的数字通信系统一般地可用图1 1 表示。当然，实际上的数字通信系统 并非一定要包括图1o l 中的所有环节。比如，调制与解调、加密与解密、编码与解 码等环节究竟采用与否，还取决于具体设计方法和要求。另外，数字通信系统传 送的消息一般都是离散型的，但也可以是连续型的。倘若需要在数字通信系统中 传送模拟消息，则在发送端的信息源中应包括一个模数转换装置，而在接收端的 受信者中应包括一个数模转换装置。 图1 1 数字通信系统模型 其中信源编、解码器的目的在于提高通信的有效性，即传输速率；而信道编、 三一一 壅整堡望! 盒堡堡堡塑型塞 解码器的目的在于提高通信的可靠性，即降低差错率。 从1 9 4 8 年香农( s h a n n o n ) 在他的开创性论文“通信的数学理论”中，首次阐明 了在有扰信道中实现可靠通信的方法并提出了著名的有扰信道编码定理至今，信 道编码无论是在理论还是在实际中都得到了飞速发展，其发展过程大致分为以下 几个阶段： 5 0 年代至6 0 年代初，主要研究各种有效的编、译码方法，奠定了线性分组码 的理论基础；提出了著名的b c h 码、r s 码以及卷积码的序列译码；给出了纠错 码的基本性能限；还出版了纠错码的第一本专著。这是纠错码从无到有得到迅速 发展的年代。 6 0 年代至7 0 年代初，这是纠错码发展过程中最为活跃的时期。不仅提出了许 多有效的编译码方法，如门限译码、迭代译码、软判决译码和卷积码的维特比 ( v i t e r b i ) 译码等。而且注意到了纠错码的实用化问题，讨论了与实用有关的各种问 题，如码的重量分布、译码错误概率和不可检错误概率韵计算、信道的模型化等， 所有这些问题的研究为纠错码的使用打下了坚实基础。 7 0 年代初至8 0 年代，这是纠错码发展史中具有极其重要意义的时期。在理论 上以戈帕( g o p p a ) 为首的一批学者，构造了一类g o p p a 码，其中一类予码能达到香 农在信道编码定理中所提出的码香农码所能达到的性能，由于译码复杂度过 高而没有得到广泛应用，但这弓l 起了一批学者对代数几何码的研究兴趣。在这期 间大规模集成电路和微机的迅速进展，为纠错码的实用打下了坚实的物质基础， 因而与实用相关的各种技术及有关问题得到了极大关注，并在实用中取得了巨大 成功。1 9 8 2 年，u n g e r b o e c k 将卷积码和调制技术结合成一个整体进行设计，提出 了网格编码调制技术( t r e l l i sc o d e dm o d u l a t i o n ，咖，这一成果对带宽受限中的编 码调制技术的发展具有划时代的意义，在现代通信系统中获得了广泛的应用。 1 9 9 3 年，b e r r o u 等人提出的t u r b o 码被看作信道编码理论研究的重要里程碑。 b e r r o u 等人将卷积码和随机交织器相结合，同时采用软输出迭代译码来逼近最大 似然译码，取得了超乎寻常的优异性能和可以接受的编译码复杂度。在a w g n 信 道中，采用b p s k 调制的1 2 码率t u r b o 码，用大小为6 5 5 3 5 的随机交织器进行交 织和1 8 次迭代译码的情况下，在信噪比e d n 0 = 0 7 d b 时，误码率可以达到1 旷。 t u r b o 码的性能一举超越了截止速率，并且逼近了香农容量限，是一种信道编码理 论界一直梦寐以求的可实用非常好码，它的出现标志着信道编码理论研究进入了 一个崭新的阶段。随着对t u r b o 码研究的深入，人们重新发现( a l l a g e l 【6 l 早在1 9 6 2 年提出的l d p c ( l o w d e n s i t yp a r i t y c h e c k ) 码亦是一种具有渐进特性的好码，它采 用和积译码算法，译码性能同样可以逼近香农限。由于l d p c 码在长码上具有超 过t u r b o 码的性能，并且具有译码复杂度低、可并行译码以及译码错误的可检测性 等特点。 第一章绪论 3 1 2 分集技术概述及研究现状 随着蜂窝移动通信、因特网和多媒体的发展，世界范围无线通信的容量需求 在迅速增长。而可以利用的无线频谱是有限的。如果通信频谱的利用率没有得到 显著提高，就不可能满足通信容量的要求，在单天线链路中，采用先进的编码( 例 如：t u r b o 码和空时编码) 可以接近香农容量极限。通过增加发射端和接收端的天 线数量，可以进一步显著提高频谱利用率。我们知道使用多根发射天线和接收天 线可以使无线通信系统的信息容量得到显著的提高。对于具有多根发射和接收天 线，且接收端已知独立平坦衰落信道的系统而言，信息容量随收、发天线数目的 最小值呈线性增长。 在无线移动通信中，衰落是影碗通信质量的主要因素。快衰落深度可达3 0 一 4 0 d b ，如果想利用加大发射功率来克服这种快衰落是不现实的，而且会造成对其 它用户的干扰。分集是抗衰落的一种有效的方法措施。 在无线移动通信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 加发射功率或牺牲通信带宽的情况下提高传输的可靠性。分集技术在接收端需要 接收发射信号的多个样本信号，每个接收信号携带相同的信息，但是在衰落统计 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，例如，一些信号的样本可能严重衰落，雨另一些 则衰减的较小。这就意味着所有样本信号同时低于给定门限电平的概率要比任一 单个信号低于给定门限值的概率小的多。因此，采用合理方式合并这些值可以大 大降低衰落的影响，相应地也就能提高传输的可靠性。分集技术包括空间分集、 时间分集、频率分集、极化分集、角度分集等。根据分集豹目的可以分为宏分集 和微分集。 ( 1 ) 时域分集 在不同的时隙上发送相同的信息可以实现时域分集，接收机端可以收到不相 干的衰落信号。所需的最小时间间隔要大于或者等于信道的相关时间相干时间是 信道衰落过程相干的时间周期的统计澜量值。在移动通信中，一般使用差错控制 编码结合交织技术来实现时域分集。在这种情况下，发射信号的副本通常以差错 控制编码带来的时域冗余形式到达接收端。由时间交织会产生译码延迟，因此该 技术一般在信道相关时间小的快衰落环境中比较有效。对慢衰落信道而言，交织 大可能引起太大的延迟，这对于话音通信这样时延敏感的应用是不适合的。这种 限制使得时域分集在有些移动无线系统中无法使用。例如，当移动无线终端静止 不动时，时域分集可能无法减少衰落。该方案的缺点之一是由于时间域上引入了 冗余，使得带宽的利用率受到损失。 衰落信道下合作编码的研究 ( 2 ) 频域分集 在频域分集中，使用许多不同的频率发射相同的信息。发射频率的间隔必须 足够大，从而保证每个频率的衰落是独立的。发射频率间隔是信道相干带宽的几 倍以上，这样就能保证不同频率的衰落统计特性是互不相干的。不同传播环境的 相干带宽不同。在移动通信中，发射信号副本通常按频域冗余的形式到达接收端， 这种频域冗余是由直接序列扩频( d s s s ) 、多载波调制和跳频等扩频技术引入的。 当信道的相干带宽较小时，扩频技术是有效的。但是，当信道的相干带宽大于扩 展的带宽时，多径时延扩展和符号周期之问的楣关性就不大了。这时就无法用扩 频实现频域分集。和时域分集一样，由于频率域上引入的冗余，频域分集也使得 带宽的利用率受到损失。 ( 3 ) 极化分集 对于非手持式移动台，也许能够忍受因使用空间分集天线而体态臃肿，而对 于手机而言，就无法忍受了。因此提出了极化分集的概念。 在移动环境下，两个在同一地点极化方向相互正交的天线发出的信号呈现出 不相关的衰落特性。利用这一点，在发端同一地点分别装上垂直极化天线和水平 极化天线，在收端同一位置上也分别装上垂赢极化天线和水平极化天线，就可得 到两路衰落特性不相关的信号。极化分集实际上是空间分集的特殊情况，其分集 支路只有两路。这种方法的优点在于结构紧凑，节省空闻；缺点在于由于发射功 率分配在两副天线上，信号功率将有3 d b 的损失。在室内环境中，多使用环 形和线形极化天线。在多径被严重阻挡的情况下，极化分集可以有效的降低时延 扩展，同时接收功率没有特别明显的降低。 ( 4 ) 角度分集 当工作频率大于1 0 g h z 时，从发射机到接收机的信号散射，生成来自不同方 向的互不相关的接收信号。因此，可使用两个或多个指向不同方向的定向天线接 收信号，然后送到合并器。因为散射来自当地建筑物和植物，而且就高度而言， 对移动台的影响比对基站的影响更大，因此，在移动台使用更有效。 智能天线技术在某种意义上也是一种角度分集：它是通过自适应阵列天线跟 踪并提取个移动用户的空间信息，根据用户信息在空间不同方向到达的特点，天 线阵在不同的方间接收不同的用户信号，从而达到隔离用户信号和干扰信号的目 的。 ( 5 ) 空间分集 空间分集在无线微波通信中是一项比较常用的技术。空间分集也称为天线分 集。典型的空间分集是在发射端接收端由空间上分开排列的多个天线或天线阵列 来实现的。多个天线在物理空间上分开一定的距离，使得各个天线接收的信号互 不相关。天线间隔的大小随天线高度、传播环境和频率的不同而有所不同a 一般 第一章绪论 间隔几个信号波长就能获得不相关的信号。在空间分集中，发射信号副样是以空 间域冗余的形式到达接收端的。与时域分集和频域分集不同，空间分集不会带来 带宽利用率上的任何损失。这一特性对于未来的高速无线数据通信是很有吸引力 的。 如图1 。2 所示，发射端使用一根发射天线时，接收端使用多副发射天线时接收 端天线之间的间隔d 应足够大，以保证各接收天线输出信号的衰落特性是相互独立 的。在理想情况下，接收天线的间隔d = 3 2 就可以保证各支路接收的信号是不相 关的，但在实际系统中，接收天线之间的间隔要的根据地形、地物等具体情况而 定。 图1 2 空间分集布意图 空间分集也可以是多个天线发射，比如在每个基站都使用多个天线。由于多径 的影晌，在移动台很难得到直线到达的信号，通过基站天线的空间分集，可以减 少支路间的相关性。基站天线之间的距离一般在几十个波长。当然也可以在移动 台使用多个天线以达到空间分集的耳的，当然，随着天线数量的增加，移动台的 体积也得增加。 对于空间分集而言，分集的支路数l 越大，分集效果越好，但当l 3 时，分集 的复杂性增加，分集增益的增加随着l 的增大而变得缓慢。 近年来，由于数字信号处理器( d s p ) 技术发展，使分集技术实现的起来如虎添 翼，迅速发展。厨内外对于分集技术的研究十分活跃，发表了一系列文章，提出 了一系列方法。 文献【2 0 】 2 1 a m d t u r k m a n i 分析了分集阶数为m 的选择性宏分集性能指 标，并对瑞利加对数分布的信道进了分析，指出该信道可以用另乡 一种对数正态分 布近似表示。文献【2 2 jl g n a c i or i v a s 等从覆盖的角度分析了宏分集和微分集对于 系统的影响，针对2 重和4 重分集，首先考虑了r a y l e i g h 衰落环境，然后考虑r i c i a n 统计、d u a l s l o p ep a t hl o s sm o d a l 和对数正态分布的信道模型。 6 衰落信道下合作编码的研究 文献【2 3 】pb i l lw o n g 分析了在手持设备电池功率有限、基站结构简单、干扰 删除技术简单并且信道接入算法没有序列训练如情况下，使用选择性宏分集后对 系统的影响；在信道能量可测情况下，对选择性微分集和宏分集进行了比较。 文献 2 4 k e u m - c h a r w h a n g 等、【2 5 s e a n v i c t o r h u m 在文中分析了无线蜂窝系 统中，在各个基站的误码率未知的情况下，采用自适应宏分集台并的方法：同时分 析了二选一合并的误码率性能。文献【2 6 】最大似然( m 功估值用于分集合并， 文献 【2 7 2 9 】分集结合自适应均衡。文献【3 0 s t e f a nz u e r b e s 分析了自适应功率控制在宏分 集中的应用，与传统的小区相比，采用宏分集小区的载干比有明显提高。 文献 3 1 w i n g p o y u n g 考虑了d s c d m a 系统中，整个服务区分成若干小区， 信道模型是高斯白噪声信道加瑞利衰落和对数正态阴影，考虑多用户干扰，分析 了上下行链路采用宏分集的误码率。文献 3 2 w o l f g a n g p a p e n 分析了一种重叠小区 结构的上行链路的性能，给出了采用宏分集的错误概率。文献 3 3 c m s i m m o n d s 研究了软切换这种宏分集。通过试验方式研究了在网络设计中考虑软切换时，如 何优化基站位置和切换区域，以提高系统容量和话音质量。 文献 3 4 m a r k k uj j u n u i 分析了在频率选择性r a y l e i g h 衰落信道下，采用多传 感器的线性多用户接收器。研究表明采用分集和多用户接收器都可以提高系统误 比特概率，但二者有机结合，效果会更好。文献 3 5 i - i i r o s h is u z u k i 提出了用最小 二乘法控制合并参数的分集接收枧割，对发射信号的载干比进行了分析，推导了 采用微分集和宏分集的最优载干比，分析合并和干扰删除后信号的特性。文献 3 6 】 采用m m s e 规则进行分集合并。 1 3 本文的主要工作 第三代移动通信系统将支持第一、第二代全部的话音蜂窝系统。为了达到高 速率多媒体通信的要求，下一代蜂窝系统必须采用先进的算法和技术，使它不仅 能提高数据速率，而且能使系统达到多速媒体所要求的服务质量e 一些毅的技术 正在被研究以达到下一代无线通信的要求，它包括：调制与扩频技术、智能天线 技术、信道均衡技术、功率控制技术、多用户检测技术、分集技术等a 在这些技 术中，由于无线环境的特性，分集是最主要的技术之一。 在无线通信中，移动无线信道经受着衰落，在任何的持续呼h q 期间，移动用 户在信号衰减中经历着服务变化。通过传输、处理信息的独立衰落复本分集是 直接对抗衰落影响的一种有效的方法。上一节已经提到空域分集与时域分集和频 域分榘相比。空域分集不会带来带宽利用率上的任何损失。本文就主要利用空域 分集的这个优点来研究用户合作分集以及合作编码的应用。 空域分集依赖信号在地理上的分离的反射机或接收机发送或接收的原理，它 第一章绪论7 们经历的衰落是彼此独立的。因此，空域分集要求拥有多重的发射天线。不幸的 是，这是不实际的。在蜂窝系统的上 亍链路，由于移动单元的尺寸或其它一些约 束条件这是不可行的。为了克服此限制，仿真传输天线分集，我们提出了种新 的空间分集形式即合作分集。它的基本原理是：小区内用户通过合作来得到 分集增益。在每个小区中，每个用户都拥有个“合作伙伴”，每个伙伴不仅负 责发送传输它们自己的信息，还要传输它们接收到和检测到的合作伙伴的信息。 这样就能利用合作伙伴的天线来获得空间分集。尽管如此，由于用户信道夹杂着 噪声，使这变的复杂起来。而且两个合作用户均有它们自己的信息要发送也增加 了它的复杂性，所以这并不是一个简单的中继传输问题。代替以往简单的重复中 继传输，合作编码区分通过独立衰落信道的每个移动台的编码和每段编码的传输 部分。本文提出了两个现存的编码框架。首先，我们借助空时编码的思想在快衰 落情况下增加合作编码的分集。我们计算比特和码组差错率的界限值来证明它的 增益。其次，由于合作编码包含两个编码部分，所以很自然的在这个框架里应用 了t u r b o 编码。我们研究t u r b o 编码在合作编码中的应用及通过错误界限和仿真来 证明它的结果增益。本文将主要阐述合作编码的实现方式和它的性能分析。 第二章用户合作分集系统 9 第二章用户合作分集系统 移动台用户的数据率及服务质量受到实际环境的影响，在持续的呼叫中，它 们经受着信号衰减所造成的变化。这一章提出了一个新的空间分集方式，它昀增 益通过移动用户之问的合作得到。同时描述了用户合作策略，结果显示，即使用 户信道有噪声的影响，合作不但能增加用户容量而且能提供了一个更加宽松的系 统，用户的可获得码率对信道的变化也是不敏感的 本章集中在对用户合作概念的系统描述上为了论述用户合作的潜在好处， 这里还将运用信息理论的知识分析它的容量中断概率及覆盖范围等。 2 1 用户合作分集的基本概念 空问分集要求拥有多重的发射天线。在上行链路中，由于移动单元的尺寸受 到限制，这并不是实际可行的。为了克服此限制，仿真传输天线分集，提出了一 种新的空间分集形式，即用户合作分集。 用户合作分集是通过小区内用户的合作来得到分集增益。在每个小区中，每 个用户都拥有一个自己的“合作伙伴”，每个伙伴不仅负责传输它们自己的信息， 还要传输它们接收到和检测到的合作伙伴的信息，这样就能利用合作伙伴的天线 来获得空间分集。尽管如此，由于用户信道夹杂着噪声，使这种分集方式变的复 杂起来。而且两个合作用户均有它们自己的信息要发送也增加了它的复杂性，所 以这并不是一个简单的中继传输问题。下图2 1 是用户合作分集示意图。 移动台l 图2 1 移动台合作分集示意图 除了蜂窝系统以外，用户合作分集距离在无线a dh o e 网络中的成功应用也还 有一定的差距。无线a dh o c 网络是一种多跳无线网络，它没有固定的底层网络结 构和统一的中心进行管理；节点通过形成一个建立在现有信道条件和移动台位置 的网络传输。这包括移动台对移动台通信，在这种情况下，通过第三个移动台中 1 0 衰落信道下合作编码的研究 继端对端的通信是不可靠的。 如果我们利用用户合作来代替中继，使这个中继移动台在a dh o c 网络中可以 同步的传输它自己的独立的信息，这样它将为传输和中继移动台提供一个更高的 吞吐量和对信道变化更好的适应性。由于移动台天线是全向的，所以同时发送给 终端接收者和它的合作者，对传输功率不会有额外的开销。尽管如此，有两个实 际的问题影响着要求的发送功率。一方面用户为了发送两个用户的信息将要求更 高的功率，而另一方面由于分集增益，用户将要求更低的功率。以上两点中，哪 一个更重要，到现在还没有一个清晰的认识。 2 2 用户合作系统的基本工作原理 用户合作系统的信道模型在图2 2 中示出。每个移动台接收一个衰减的、含有 噪声的合作者的传输信号，并把它与自己的数据耦台，建立自己的传输信号。基 站接收一个噪声类型的两个衰减信号的总和。 y o 图2 2 用户台作系统信道模型 这个模型的数学表示为： k 0 ) - k o 墨( f ) + i e 2 口z ：( f ) + z 。( f ) ( 2 _ 1 ) k p ) 一心。五( 哆+ z 。( f ) ( 2 - 2 ) 砭o ) 一墨：五0 ) + z 2 0 ) ( 2 _ 3 ) 其中v o ( t ) 、k ( t ) 和e o ) 是在一个符号周期内基站、用户1 、用户2 接收到的信号 的基带模式。盖。o ) 是用户i 传输的信号，k l ，2 。z ；( f ) 是在基站、用户1 、用户2 中的附加信号噪声。衰减系数 蚝) 至少在一个符号周期内保持不变。 注意在此模型中假设x ：( f ) 对e o ) 没有贡献，尽管它们两个都出现在属于用户 第二章用户合作分集系统 2 的终端。由于在到达用户2 天线之前，x ：( f ) 不经过任何衰落，不像e o ) ，也许 会显示出在k ( f ) 的接收中有一个有害的影响。假设用户2 知道相关天线增益，则 消除x ：o ) 对e o ) 的影响是可能的，因此这个模型给出了精确的描述。 一个类似的问题在用户1 中出现，关于置( f ) 对x ( f ) 的接收的影响。所以在移 动台消除它是有可能的，这帮助我们证明了在大多数情况下合作的好处。另外， 为了区分开发送信号和接收信号，用两个分离的信道、两个配置天线或一些其它 方式是必要的。例如，c d m a 系统利用扩频码去创建两个分离信道，来满足消除 影响的需要。另外，移动台豹时域分集也正在被研究，它说明了合作能够连续的 提供满分集。 这个模型有以下假设：传输信号置9 ) 有一个平均功率是毋，i = 1 ，2 ；噪声五d ) 为0 均值的高斯白噪声随机过程，它的频谱高度为m 2 ，i = o ，1 ，2 ；衰减系数k i 是。均值复合高斯随机变量，变化系数是筹( 相对于瑞利衰落) ，另外假设基站可 以跟踪k 。和。的变化，用户1 可以跟踪芷用户2 可以跟踪k ，。这暗示着所 有的译码都是在知道衰落系数前提下进行的。由于信遵的互易性，有墨乒瓦，最 后，为了分析和解释简单，假设是在一个同步的系统中。 图2 2 中给出的模型问题是：在给定用户的数据及从它们合作者处接收到的信 号的情况下，如何为两个用户组建发送信号找到最好的策略，以及基站如何利用 最佳的接收方案使两个用户向基站传输的数据速率最大化。注意传输信号将被设 计成不仅携带有到基站的信息而且还携带有它的合作者的信息的形式，以使合作 是可能实现的。 这里要指出影响解决上诉问题的关键是在发射机上可获得的信道信息等级。 由于假设了用户知道用户闽信道的衰减系数，这个闯题降低了它们关于对它们与 基站之间衰落系数了解的要求。尤其是：用户i 对k 。了解多少? 这里考虑三种情 况：1 ) 用户i 不知道k 。的任何东西：2 ) 用户i 知道k 。的相位但不知道它的幅值； 3 ) 用户i 即知道k 。的相位又知道它的幅值。用户可能从两个渠道获得k 。的信息。 一种是从基站有一个反馈；另一种是系统可能在对分双工模式下工作，也就是上 行链路和下行链路共用相同的带宽并且时分隔离。在这种情况下，假设信道的相 关时间相对于符号周期是较大的，上行链路和下行链路信道脉冲响应是相同的， 这就给了移动台通过跟踪下行链路衰落系叛了解上行链路的衰落系数的机会。 如果发射机知道衰落的幅度和相位，它们在理论上可以使用“注水定理”，那 就是在保持它们平均功率不变的前提下，根据不同的衰落情形去分配它们的功率t 尽管如此，移动台单元的功率容量非常有限，这也是不合理的。由于这个原因， 除了努力保持移动单元尽可能简单外，为了这个研究的目的，我们忽略不计用户i 利用k 。的幅度。当发射机只知道它们和基站之间的衰落系数的相位时，它4 f t 做 的就是利用这个已知的条件发送一个相位来抵消i 吝个衰落系数的相位。因此合作 衰落信道下合作编码的研究 者传输的信号在接收器被强迫增加相关性。最终在这种情况下，衰减系数 k ，可 能被当成一个服从瑞利分布的随机变量来对待。 发射机知道相位是假设的，我们在这章中就主要运用这个假设。在不了解相位 的情况下论证用户合作的好处时，发射机需要一个更复杂的系统模型，这将妨碍 我们对用户合作的好处的清晰解释。不过，即使发射机不知道相位信息，合作仍 然对通信是有益的。 这里应该注意到，当我们用一个同步系统模型来简单、清晰的描述说明用户合 作的好处时，实际上，这两个用户是异步的。c d m a 系统是主要的实现模型，由 于c d m a 信号较大的时间带宽分量和基站跟踪用户信号相位的能力，异步意味着 在发射机中得到相位不是问题，甚至在两个用户发送相同的信号时。因此，当相 位反馈可能性或用t d d 方式进行相位估计的精确度被提出时，事实上，它们在异 步系统中是不需要的。 2 - 3 信息理论分析 在这章中，我们的主要目的，除了介绍用户合作分集的概念外，还提出了一 种可能的用户分集方案，而且还将分析它的吞吐量，成功接收传输比特的数量以 及总的性能。首先提供一个建立在信息理论模型基础上用户合作的分析。这不但 对于理解任何提出的用户分集方案的局限是重要的，而且对深入的了解用户合作 方案是怎样建立的也是非常重要的。在这章中提出的多种合作方案的发展过程中， 可以看到在一个给定的传输框架中，这个系统最接近的仿真了信息理论容量最大 化系统的信号结构，而且它有最高的吞吐最。因此，为了完成和更好的组织用户 合作这个主题，从用户合作的容量分析显示了最重要的结果。 ( 1 ) 可达的速率区域 在这章中，为图1 的结果提出了一个可得到的码率范围。我们应用的数学模 型是一个时问离散的形式，可写为： k - k o x i + 如x 2 + z o ( 2 - 4 ) x ，墨1 x 2 + z 1 ( 2 - 5 ) k。k，墨+厶(2-6) z o 一( o ，e 。) 、z l n ( o ，s 1 ) 和z 2 一n ( o , - - ：) 。通常假定e ，一e 2 。此系统通过长 为1 1 的分组码构成和传输，因此在时间j ，( j = 1 n ) ，用户1 的信号可被描述为 墨 ，x ( ，一1 ) ，誓( 卜2 ) ，l ；( 1 ) ) ，在这里暇是在这个特别的分组中用户1 想要传输 给基站的信息。同样的，对于用户2 ，有j ，2 ( ，e u 一1 ) ，蔓( ，一2 ) ，艺( 1 ) ) 。 第二章用户合作分集系统 两个用户使用的合作策略是建立在迭代分组马尔可夫编码和后向译码基础上 的。b 个长为n 的分组进行传输，在这里b 和n 是足够大的。上面的条件建议在 移动台1 接收的信号( ) 能被用作合作的基础，且仅仅有一个符号的延迟，对于 合作这里将考虑一个比较粗略的时间度量。移动台将把合作建立在它们在以前的 分组中接收到的信号的基础之上。 假定用户1 将它的信息磁分成两部分：。被直接发送给基站，啊：通过用户2 发送给基站。移动台1 然后建立它的发送信息以至它即能发送以上的信息又能携 带一些附加的合作信息给基站。根据 工l l j i o + 墨2 + u l ( 2 7 ) 来建立它，把它的总能量分割根据： 置t 最o 1 - 圪+ 兄 ( 2 8 ) 其中【是这个信号的一部分，它携带有合作信息。因而，五。被分配的功率为， 用来以码率墨。直接将暇。发送到基站；五。披分配的功率为日：，用来以码率将 职，发送到用户2 ；以被分配的功率为己，用来褥合作信息发送到基站。注意到， 暇：的传输速率为冠，分配的功率为圪，它将被移动台2 完整的译码。在合作者 中被完整的重组形成合作的基础。用户2 用同样的方式建立它的发送信号石，并且 将总功率只分配。 回顾传输的b 个长为n 的分组，在分组i 中的合作通过建立在 o 吃o 1 ) ，：o 一1 ) ) 基础上的构造信号u l 、u 2 获得，u l 、u 2 现在在用户1 和用户 2 中都知道，接收机等到全部b 个分组均被接收到才开始从最后一个分组译码。 用户合作的一个可得码率范围通过首先考虑上面含有恒定的衰减系数的合作 策略而获得，然后再并入随机值。在这里假定每个长为n 的分组对于观察衰减分 布的规律是足够长的。 定理l ：式( 2 4 ) 、( 2 6 ) 给出的系统的一个可得码率范围是所有码率对( 墨，毛) 的 最大值。例如：r o + r 2 和恐- + 岛，有： 耻e c ( 袅” 协 补e c ( 袅) 耻e c ( 警) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 1 4 衰落信道下合作编码的研究 c ( 警) ) ( 2 1 2 ) 断e c ( 半) 协 置。+ - + 日：+ - 屯tc e c ( ! ! ；! ! ：! ! ；! ! ! 警) c 2 t 4 ) 能量分配满足置，皇。十只：+ 气，b 一匕+ 巳+ 昂。函数c ( x ) = ( v 2 ) l o g o + x ) 是加性高斯白噪声( a w g n ) 信道的容量，这个信道的s n r 为x ，e 表示衰减系 数k ，的期望值。 我们提出的合作策略的可获得码率范围和非合作策略的容量范围相对于不同 的信道质量在图2 3 、图2 4 中示出。对于非合作情形，用户忽略了信号k 和誓， 因此这相当于多址接入信道的容量范围。这些图中包含的是在假设的无噪声用户 间信道( 互。e ，0 ) 的基础上合作的可得码率范围。这是一个理想豹合作，通常 被用作各种合作方案的性能上限。 图2 3 两个用户面对统计相似信道时的容量范围 从图2 3 观察到，当从用户到墓站的信道有相同的质量( 即k 。一如) 以及用 户间信道质量较好( 即墨：有一个比较大的值) 时，这个合作方案极大的提高了可 获得码率范围。且随着用户间信道质量的下降和衰减的急剧增加，性能接近于无 合作水平。 第三章用户合作分集系统 当这两个用户的用户一一基站链路经历不同形式的衰落时，合作再一次提高 了可获得码率范围，这在图2 4 中示出。在这种情况下，有许多衰落的用户从合作 中获益。相等的码率点( 日；兄) 或最大的码率点( e + 是) 也在合作中增加了。 在图2 3 和图2 4 中，可获得码率范围与y 轴相交的点相当于用户2 变成了用 户1 的中继。；与x 轴相交的点想当于用户1 变成了用户2 的中继。这说明了中继 问题是用户合作中的一个特殊情况。因此它可能的可获得码率对为两个最大值： ( 酽，o ) 和( o ，衅“) 。 曼旷肌专。 且耋 一f r op t 4 鼠缈瓤e 联：击氓司铲& 鞠印c t - 覆” 图2 4 两个用户囿对统计不相似信道时的容量范围 ( 2 ) 中断概率 考虑一个有延迟要求的慢衰落系统。如果衰减系数变化缓慢且在b 个n 长分 组期间近似于恒定，则在传输过b 个分组后，我们可以根据k 。，吃。，墨：，屹， 的现行值得到码率。假定n 和b 对于在恒定衰减系数情况下得到容量是足够大的。 尽管如此，为了在定理1 中讨论可获得码率范围，需要有更长的分组长度来观察 衰落幅度的不同交化。当这个延迟要求阻止我们拥有更长的分组时，获得的码率 将是建立在现行对衰落幅度了解的基础上的随机量。一些无线服务对支持数据率 有最小的要求，在它之下服务将被中断。因此如果得到的随机码率低于这个水准 就出现了中断现象。我们称这个水准值为服务持续率，并将它作为考虑中断概率 的一个性能标准。 特剐的，在合作和无合作方案中考虑相等码率点( r 一恐一r ) 并计算中断概 率与服务持续率y 比较。中断概率，只。，e 僻t y ) ，它提供绘我们一种可能性， 那就是利用已知的慢衰落系数墨。，j r 2 0 ，墨2 和局，将不能支持我们正在考虑的特 1 6 衰落信道下合作编码的研究 殊方案，其服务持续率为y 的等传输码率。 在图2 5 中，我们考虑一种情形，用户到基站面对的是统计相似信道。我们绘 制在相同码率( 冠；如= r ) 合作和无合作方案的中断概率与服务持续率的关系曲 线。观察到对所有服务持续率，合作方案的中断率小于无合作方案的中断率。这 说明y e p 使当没有明显的提高可获得码率时，用户合作仍然能够增加对信道变化 的健壮性。当然，我们希望健壮性提高的同时，更能使用户间信道质量( e k ，1 ) 提高。 拳 釜 i 琵 羞 图2 5 中断概率 ( 3 ) 蜂窝网覆盖范围 在这一节中，提出了一个由于合作方案容量增加的简单计算。小区覆盖范围 也有一个等同的增加。为了对用户合作的替代益处有一个定量的判断。给定在要 求平均接收能量减少的情况下，我们从一个小区覆盖范围增加的传统计算开始。 假定移动台离基站的距离是dk m ，用f k 表示移动台的平均发送功率，表示基站 的平均接收功率。则在一个典型的无线信道中有： 一一咒( 引 ( 2 _ 1 5 ) 其中咒( d ) 是在距离为dk m 的路径损耗。咒( d ) 的常规模型是h a t a 模型： 尹l ( d ) 尊丑l + 胃2 i o g d ( 2 - 1 6 ) 其中尽和岛是发射和接收天线高度、载波频率、环境类型的函数a 因此有： l o g d2 瓦1 、p m 一一刚( 2 - 1 7 ) 一 苎三童望芝鱼堡坌叁墨竺 ! ! 对于个固定不变的p 肛，当达到它的最大值掣时，就得到了d 的最大值 d 。璎“是移动台能够发送的最大功率，因此： l 。g d 。( 曷“) = 土b p ”“一p u 且) (218)2、rx 小区覆盖范围被d 。确定。式右边唯一可变的量是f k ，可以看到覆盖范围和平均 接收功率是相逆的。也就是要求的平均接收功率越低，覆盖范围就越大，反之亦 然。 假定两个不同的传输方案成功运行要求的平均接收功率不同，方案i 要求碟， 方案2 要求磋 ，则定义它们的比率为口，有： 1 0 1 0 9 at 碟一磺( 2 1 9 ) 由上式以及式( 1 5 ) 可得： l o g 础- 1 0 9 d 墨。击( 础一础) - 一i 1 0 1 0 9 口( 2 - z 0 ) 近而导出： 寒坷啪 ( 2 2 1 ) 其中日和吃的一组典型值是：马- 1 7 3 ，岛一3 3 8 ( 从一个中等城市环境，载波 频率为9 0 0 m h z ，发射天线高度为5 0n l ，接收天线高度为1m 纯天线增益为6d b 得到) 。 因此方案1 与方案2 的覆盖范围的比是要求的平均接收功率的函数，可写为： 漪= n 叫3 ” ( 2 - 2 2 ) 现在，回到衰落信道和合作，当两个移动台面对一个统一相似信道且用相等 功率发送信号时，无合作方案得到的总容量服从下面的不等式： 耻如叫槲啦蚓丢) 用表示+ 如的上限，令a -