（通信与信息系统专业论文）酉空时协作分集算法及性能分析.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 采用多输入一多输出( m 刀m o ) 系统，在不增加系统带宽和传输时间的情况下， 能提高系统的性能。但是在诸如蜂窝移动通信这样的系统中，终端设备( 如手机) 由于受到体积、重量、功耗及成本等因素的限制，实现多天线技术较为困难。为了 能在终端上也能实现多天线，协作分集( c d ) 的思想应运而生，它通过在只有单天线 的终端用户间进行协作，以某种方式共享他们的发送天线，实现虚拟的多发送天线。 目前，文献中所给出的空时协作分集都是在接收端知道信道信息情况下进行分 析的，对于检测一转发方式的协作通信，若要求转发的终端先进行信道系数估计再 检测转发，会导致终端处理复杂度、迟延和功耗等增加，这为协作通信的实际应用 带来困难，而酉空时码( u s t c ) 作为不需要接收端进行信道估计的空时码方案， 在协作通信中具有重要的意义。 本文研究基于u s t c 的协作分集算法。首先，讨论了协作分集的系统模型和信 道模型，并对编码协作( c c ) 模式进行了性能分析。其次，对酉空时码进行了分析， 探讨了几种构造方法，分析了影响酉空时码性能主要因素。最后，给出了一种基于 检测转发模式的酉空时协作分集( u s t c d ) 算法，仿真结果表明，该算法可获得比较 好的性能改善，其分集增益随着上行链路的信噪比的改善而增加。 关键词t 协作分集，酉空时码，酉空时协作分集 重庆邮电大学硕士论文 摘要 a b s t r a c t u s i n gt h em 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 i m o ) s y s t e m s ，w ec a ni m p r o v et h e p e r f o r m a n c eo f t h es y s t e mw i t h o u ti n c u r r i n gt h ee x p e n d i t u r eo ft r a n s m i s s i o nt i m eo r b a n d w i d t h h o w e v e r , s u c ha sc d l u l a rm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m , m a n yw i r e l e s s d e v i c e s ( m o b i l ep h o n e ) c a l ln o tp r a c t i c a l l ya d o p tm u l t i p l e - a n t e n n at e c h n i q u e s ，d u et o t h e i rs i z e ，w e i g h t , p o w e r , c o s tl i m i t a t i o n s i no r d e rt os o l v et h i sl i m i t a t i o n , c o o p e r a t i v ed i v e r s i t yh a sb e e np r o p o s e d , w h i c ha l l o w s i n g l e - a n t e n n am o b i l e st or e a ps o m eo f t h eb e n e f i t so fm i m os y s t e m s t h eb a s i ci d e ai s t h a ts i n g l e a n t 既l n am o b i l e si nam u l t i - u s e rs c e n a r i oc a n “s h a r e t h e i ra n t e n n a si na m a n n e rt h a tc r e a t e sav i r t u a jm 田os y s t e m u n i t a r ys p a c e - t i m ec o d ei sw e l l - t a i l o r e df o rf l a t - f a d i n gc h a n n e l sw h e r en e i t h e rt h e t r a n s m i t t e rn o rt h er e c e i v e rk n o w st h ef a d i n gc o e f f i c i e n t s ，i tw i l lb ep r o m i s i n gi nt h e m u l t i p l ea n t e n n a sa n dt h eh i g h - d a t a - r a t ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n 啊1 cs p a c e - t i m e c o d e dc o o p e r a t i v ed i v e r s i t yw h i c hh a sb e e ns u g g e s t e di nr e f e r e n c e sa l lk n o wt h ef a d i n g c o e f f i c i e n t sa _ t h er e c e i v e r , f o rc o o p e r a t i v ed i v e r s i t y , i fw en e e dt h et e r m i n a lt oe s t i m a t e t h ec h a n n e lc o e f f i c i e n t , i tw i l ll e a dt oi n c r e a s et h ec o m p l e x i t y , t i m ed e l a y , a n dp o w e r c o n s u m p t i o n 曰h i sw i l lb r i n gd i f f i c u l t i e sf o rt h ep r a c t i c a la p p f i c a f 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 n i fw eu s cu n i t a r ys p a c e - t i m ec o d e ，t h ep r o b l e mc a nb ee a s i l ys o l v e d a u n i t a r ys p a c e - t i m ec o o p e r a t i v ed i v e r s i t yi sp r o p o s e di nt h i sp a p e r f i r s to fa l l ，t h i s t h e s i sr e s e a r c h e st h es y s t e mm o d e la n dc h a n n e lm o d e lo fc o o p e r a t i v ed i v e r s i t y , a n d a n a l y s e st h ep e r f o r m a n c eo fc o d e dc o o p e r a t i o n s e c o n d , u n i t a r ys p a c e - t i m ec o d ei s p r o p o s e d , v a r i o u sg e n e r a t i o nm a t r i c e so fu s t ca r es e a r c h e do u t , t h em a i nf a c t o r s w h i c ha f f e c t e dt h eu s t cs y s t e m sp e r f o r m a n c ea r ef i n g e r e do u t a tl a s ta u n i t a r y s p a c e - t i m ec o o p e r a t i v ed i v e r s i t yb a s e do nd e t e c ta n df o r w a r dm e t h o di sp r o p o s e di nt h i s p a p e r f r o m t h ec o m p u t e rs i m u l a t i o n , w ek n o wt h ea l g o f i t l u nc a ni m p r o v et h e p e r f o r m a n c eo fs y s t e m k e yw o r d s ：c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y ， c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y 重庆邮大学硕士论文 图目录 图目录 图1 1 空时信道模型。3 图2 1 两用户协作系统示意图6 图2 2 蜂窝小区两用户协作示意图7 图2 3 协作分集信道模型8 图2 4 放大转发模式9 图2 5 两用户a f 系统等价信道模型图9 图2 6 两用户a f 系统在r a y l e i g h 上行信道下的误码率。1 o 图2 7 检测转发模式1 1 图2 8 编码协作传输结构图。1 3 图2 9 第二帧的传输中四种可能的协作情况1 3 图2 1 0 第一种情况下空时协作与普通编码协作对比1 8 图2 1 1 第三种情况下空时协作与普通编码协作对比1 5 图2 1 2 编码协作分集仿真模型图1 6 图2 1 3 两用户c c 系统在r a y l e i g h 上行信道下的误码率1 7 图3 1 酉空时码编码模型。2 4 图3 2n = m = id = 0 ，0 5 ，0 8 的契尔诺夫上界2 9 图3 3 对应不同d 的性能曲线o 2 9 图3 4t = 6l = 6 4 酉矩阵互相关系数3 2 图3 5t = 6l = 6 4u 爿1 1 82 33 94 65 7 】酉矩阵互相关系数。3 2 图3 6 两种构造方法的误比特率3 3 图3 7 不同发送天线性能图3 4 图3 8 不同接收天线性能图3 5 图3 9 不同r 时性能图3 6 图3 1 0 信道信息对酉空时码性能影响3 6 图3 1 l 信道对性能的影响3 7 图4 1 两用户d f 系统等价信道模型图3 8 图4 2 两用户d f 系统在r a y l e i g h 上行信道下的误码率3 9 图4 3 两用户酉空时协作分集信道模型图：4 0 图4 4 酉空时协作分集性能( 平坦瑞利衰落信道，4 2 图4 5 酉空时协作分集性能( 平坦瑞利衰落信道，4 2 图4 6 酉空时协作分集性能( t d - - s c d m ac a s e 3 信道，4 3 v 重鏖塑皇盔堂堡圭迨壅 图旦茎 图4 7 酉空时协作分集性能( t d - - s c d m ac a s e 3 信道，4 3 v i 重庆塑盔堂塑主迨窒 绝堕主壅 _ - - _ _ _ _ _ _ - _ _ l _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ - _ _ _ l - _ _ _ - _ _ _ l - _ _ _ _ - _ _ _ _ - - - _ _ - _ _ _ _ i _ _ - _ 一一 田o u s t c c d 陋 d f c c u s t c d k 濑g k b p s k s i s o s n r s i m o b l a s t s t c m s 硼b c c d m a t d m a f d 【a b e r b l e r c r c s t c c a s t c c p e p d f r 缩略字表 m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t u n i t a r ys p a c e - t i m ec o d e c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y a m p l i f y a n d - f o r w a r d d e c o d e a n d - f o r w a r d c o d e dc o o p e r a t i o n u n i t a r ys p a c e - t i m ec o o p e r a t i v ed i v e r s i t y a d d i t i v e 删t cg a u s s i a nn o i s e b i n a r yp h a s es h i f tk e y i n g s i n g l e i n p u ts i n g l e - o u t p u t s i g n a lt on o i s er a t i o s i n g l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t b e l ll a y e r e ds p a c e - - t i m ec o d e s p a c e - - t 吼ec o d e dm o d u l a t i o n s p a c e - - y 衄eb l o c kc o d e c o d ed i v i s i o nm u l t i p l e xa c c e s s t u n ed i v i s i o nm u l t i p l e xa c c e s s f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e xa c c e s s b i te r r o rr a t e b 1 0 c ke r r o rr a t e c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k s p a c e - t i m ec o d e dc o o p e r a t i o n a d a p t i v es p a c e - t i m ec o d e dc o o p e r a t i o n p a i r w i s ee r r o rp r o b a b i l i t y d i s c r e t ef o u r i e r t r a n s f o n n 多输入多输出 酉空时编码 协作分集 放大转发 检测转发 编码协作 酉空时协作分集 加性高斯白噪声 二进制相位调制 单入单出 信号噪声比 单入多出 分层空时码 空时格码调制 空时分组吗 码分多址 时分多址 频分多址 误比特率 误块率 循环冗余校验码 空时编码协作 自适应空时编码 协作 成对错误概率 离散傅立叶变换 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 本章首先回顾了空间分集技术的发展以及协作分集技术的背景和研究现状；然 后介绍本论文的结构及内容安排。 1 1 分集技术的发展 分集是无线通信中经常使用来抵抗衰落的一种方法。所谓分集，就是为保障传 输质量，发送端采取某种方法通过相互独立的衰落信道传输同一信号的多个副本( 也 称为分集分支) ，以降低接收端无法辨识信号概率的一种技术。分集分支的个数称为 分集级数或阶数。一般来说，分集技术分为以下几种i 1 1 1 习： 时间分集：在不同的时隙上发送相同的信息可以实现时间分集，接收端可以收 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干时间或者衰 落速率的倒数l 兀= c 坑。相干时间是信道衰落过程相干时间周期的统计测量值。 在数字通信系统中，一般使用差错控制编码结合交织技术来实现时间分集。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1 3 1 。 由时间交织提供发射信号副本之间的时间间隔，从而在译码器的输入端得到独立的 衰落。因为时间交织会产生译码延迟，因此该技术一般在信道相干时间小的快衰落 环境中较为有效。对慢衰落信道而言，交织可能引起太大的延迟，这对语音通信这 种时延敏感的应用是不适合的。这种限制使得时间分集在有些移动无线系统中无法 使用。该方法的缺点之一就是由于在时域上引入冗余，使得带宽的利用率受到损失。 频率分集：在频率分集中，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、多载波调制和调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间的相关性就不大了。这时就无法用扩频实现频率 分集。和时间分集一样，由于频率域上引入了冗余，频率分集也使得带宽的利用率 受到损失。 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。空间分集也成 为无线分集。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 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 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的高度、传播环境和频率的不同而有所不同 一般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。与时间分集和频率分集不同，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。 根据发射或接收是否使用多根天线，可以把空间分集分成两类：接收分集和发 射分集【4 1 。接收分集是在接收端使用多个天线接收发射信号的独立副本。合理合并 发射信号的副本能够降低多径衰落的影响，并且提高总的接收信噪比( s n r ，s i g n a l t o n o i s er a t i o ) 。发射分集则是在发射端使用多根天线。信号经发射机处理后经多根天 线辐射出去。 在单入多出( s m i o ，s i n g l e i n p u tm u l t i p l e - o u t p u t ) 信道下的接收天线分集技术已 经基本成熟。在合适的信道条件下，接收机将收到同一发射信号的多个独立衰减副 本。接收机将这些副本按照某种准则结合起来，然后进行最终的信号判决。这将比 接收机只使用一根天线时性能好得多。分集阶数等于接收天线的数目。 最常见的接收分集技术包括选择合并，最大比合并和等增益合并 s l s l 。在概念上， 选择合并是最简单的：每次接收都在条分集分支中选出信噪比最大的那一路。由 于这种技术只需要测量各分支的功率并使用一个选择器来选出最大者，因此实现比 较简单。但是，由于它仅仅使用了一个分支的信息而不是将所有分支携带的信息一 起考虑，因此它不是最优的。与之相反，最大比合并使用一个线性组合器把条分 支的输出结合起来，线性组合器的系数是按照最大信噪比原则来选择的。当线性组 合器各支路的系数与影响该支路的衰减系数相等时( 复数时为共扼) ，取得最大值。 虽然最大比合并技术在最大化信噪比的意义上来说是最优的，但是它需要预测衰减 系数。等增益合并是比最大比合并的简单方式，也就是说线性组合器的系数都相等， 且都等于1 。 m i m o 信道下的分集技术将发射分集和接收分集结合起来。假设对应于不同的 发射接收天线对的传输信道相互独立，此时分集级数等于发射天线的数目乘以接 收天线的数目。另外一方面，空时编码技术是基于m i m o 天线系统基础上发展而来 的，它具有m i m o 系统的许多优点。空时编码技术的基本思想就是利用多天线组成 的天线阵同时发送和接收，在发送端将数据流分离成多个支流，对每个支流进行空 时处理，然后通过不同的发射天线发送出去。在接收端利用天线阵接收，经过空时 处理和空时解码，还原为原发送数据流。空时编码技术因为其具有分集技术和编码 技术的优点，以及能够给无线通信系统提供较大的信道容量而将会是未来无线通信 的必然选择之一二 2 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 空时 i黼t-l2 、r l 空时 编码 接收 l 监 1 2 空时编码技术 图1 i 空时信道模型 1 9 9 6 年，美国l u c e n t 公司b e l l 实验室的g j f o s c h i n i 等人提出了空时编码技 术的框架阴，这就是分层空时码( b l a s t ：b e l ll a y e r e ds p a c e - - t i m ec o d e ) ，此后 在1 9 9 8 年b e l l 实验室研制出了空时编码的实验室系统：v - - b l a s t ，该系统主要 利用无线信道的多径传播特性来达到提高传输速率的目的。以此同时，美国a t & t 公司中央研究院的v t a r o k h , af n a g u i b 等人提出了用于高速无线通信的空时码 结构一空时格码调制( s t c m ：s p a c e - - t i m ec o d e dm o d u l a t i o n ) 8 1 ，它以编码调制 技术作为基础，利用多天线阵技术和信道编码技术来提高系统的抗衰落性能，从而 可以在低信噪比条件下利用多进制传输，来达到提高传输速率的目的。此后，v t a r o l d a 在s m a l a m o u t i 研究的基础上，应用了正交设计理论，提出了另外一种空 时码结构空时分组码( s t b c ，s p a c e - - t i m eb l o c kc o d e ) 9 1 ，由于它使用了正交 设计理论，使得接收端译码复杂度很低，这使得它在应用中很快受到了重视。 前面三种空时编码结构都是建立在准确的信道估计之上的，文献【i o j 给出了在信 道估计出现偏差时空时码的性能分析。此外，如果信道参数变化较快或收发天线数 量较多时，接收端进行信道估计将会比较困难，甚至可能出现无法进行信道估计的 情况。基于这些考虑，b e l l 实验室的b m h o c h w a l d 提出了不需要信道估计的酉空 时码( u s t c ，u n i t a r ys p a c e - - t i m ec o d e ) t i l l ，这是一种根据文献【1 2 】的结论所构造 的空时码，在形式上类似于s t b c ，但是要求的发送码矩阵为酉矩阵。酉空时码的 设计与前面的三种空时码不同，它不再是优化欧式距离，而是要求优化相关矩阵的 矩阵范数，相关矩阵的范数越小，酉空时码的性能越好。酉空时码作为一种在快速 时变信道下的空时码解决方案，具有非常重要的意义。 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 3 协作分集技术 在无线通信中，用多发送和接收天线技术实现空间分集的m i m o 系统，在不增 加系统带宽和天线发射总功率的情况下，能几倍甚至几十倍地提高系统容量，对系 统性能的改善十分显著。但是在诸如蜂窝移动通信这样的系统中，终端设备( 如手 机) 由于受到体积、重量、功耗及成本等因素的限制，实现多天线技术较为困难。 即使在终端设备上实现了多天线，但由于天线间的距离不够远，也不能获得明显的 分集增益。这样物理上的多天线就只能在基站上实现，对系统性能的改善较为有限。 为了能在终端上也能实现多天线，协作分集1 1 2 1 的思想应运而生，其核心思想是通过 在只有单天线的终端用户间进行协作，以某种方式共享他们的发送天线，实现虚拟 的多发送天线，获得分集增益，改善系统性能。 协作分集的思想可以追溯到c o v e r 和g a m e l 研究的中继信道【l 引。在中继信道中， 有三个节点：发射节点、接收节点和中继节点。发射节点发送信号；中继节点接收 发射节点发送的信号，对接收到信号进行某种处理后发送出去；接收节点既接收发 射节点发送的信号，也接收中继节点发送的信号，因而接收节点能接收到发射节点 所发送信号的多个副本，这样就实现了发送分集。中继信道中，中继节点只转发发 送节点的信号，自己不发送信号。目前研究的协作分集中的一类与中继信道类似， 主要用于改善无线通信系统的覆盖能力。在另一类协作分集方式中，中继节点既要 转发发送节点的信号，也要发送自己的信号，即发射节点也是中继节点，中继节点 也是发射节点。这种分集方式是目前协作分集的主要研究方向。 协作分集的研究最早见于a s c n d o n a r i s 等人的文献中【1 2 1 1 1 5 1 q ，他们提出了协作 分集的概念，并对协作分集的性能进行了研究。后来j n l a n c l l l a n 等提出了一些协 作分集的方法【1 7 1 1 瑚，主要是放大一转发方式和检测一转发方式，对系统性能和协作 的系统协议进行了研究。t e h u n t e r 等人提出了一种新的协作分集的方法：基于信 道编码的协作分集，并对协作分集的网络结构进行了研究【1 4 1 1 9 - 2 5 1 。s t c f a n o v 等人对 协作用户间信道不理想时的系统性能进行了研究阴。目前该领域的研究才刚刚开 始，尚有大量的理论和应用问题需要研究。 1 4 论文结构 本文研究基于u s t c 的协作分集算法。全文共分五章，内容安排如下： 第一章介绍了分集技术的发展，协作分集技术的思想来源和研究现状，以及本 论文的结构和内容安排。 4 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 第二章介绍了协作分集系统的信道模型和系统模型，讨论了协作分集的分类， 对放大转发方式( a f ) 、检测转发方式( d f ) 和编码协作方式( c c ) 进行了研究 和仿真，并对编码协作方式进行了性能分析。 第三章讨论了酉空时码的信道模型和编码的基本原理，对酉空时码的误比特率 进行了分析，探讨了几种酉空时码的构造方法，并对影响酉空时码的多项因素进行 了分析和计算机仿真。 第四章研究酉空时协作分集，给出了一种基于检测转发方式( d f ) 的酉空时协 作分集算法，仿真结果表明，算法可获得比较好的性能改善，其分集增益随着上行 链路的信噪比的改善而增加。 第五章总结了本文所做工作，并探讨了进一步的研究方向。 5 重鏖坚皇盔堂亟圭堡壅箜三童塑堡坌叁垫查墨丝堡型垦基坌耋 第二章协作分集技术系统模型及其分类 本章首先建立了协作分集系统的系统模型和信道模型，然后阐述了现有协作分 集技术分类，并分别进行了仿真研究。 2 i 系统模型 图2 1 两用户协作系统示意图 为了阐明协作分集的实现方法，以图2 1 为例。其中，终端五传输数据至l ；正 传输数据至正。分配给两个用户的资源已经由上层网络协议确定。例如在蜂窝无线 网络情况下正和正代表手机或移动终端，而五= 瓦代表基站；而在局域网中，毛互 可能代表终端之间的一个a d - h o c 设置，五；五则代表以瓦作为接入节点的接入网 设置。无线介质的广播特性是在传输终端中实现协作分集的关键因素，从理论上讲 一个用户发射的数据可以被任意多个用户接收。因此，与各用户独立的传输数据到 中心节点不同，五和正可以互相接收对方的信号，并共同实现通信的目的。这种用 户间的相互接收信号的操作，除了增加接收硬件的消耗以外，并不增加发射信号的 能量。 一个蜂窝系统中两用户间进行协作分集的模型如图2 2 所示。一个完整的协作 分集过程可分为两个阶段：第一阶段用户各自向基站发送自己的信号，同时接收协 作伙伴发送的信号。第二阶段用户将接收到的协作伙伴的信号经过处理后，向基站 发送。如果参与协作的两个用户相距足够远，则可以认为它们到基站的上行信道是 相互独立的，因而基站能收到每个用户信号两个独立的副本，从而实现了发送分集。 从本质上说，协作分集就是希望借助于合作伙伴的天线，与其自身天线共同构造多 发射天线，并通过模仿传统的多发射天线分集来获得空间分集增益。如果在某个时 段用户没有信息要传送，那么在没有协作时其资源只能闲置，而协作分集则可以实 现用户资源的充分利用。另外，在用户资源没有闲置时，用户既要传送自己的信息， 6 重庆邮电大学硕士论文 第二章协作分集技术系统模型及其分类 it 麓叁 向二 2 2 信道模型 图2 2 蜂窝小区两用户协作示意图 设两个互相协作移动终端为互、岛，要发送的信息为联、职，则信道模型【1 3 1 如图2 3 所示。 每个用户都接收其伙伴发射的、经过信道衰落的加噪信号，并用该信号和自己 要传输的数据构成新的信号向目的端传输，目的端接收到的信号则是这两个用户所 发射信号的叠加。这一过程可以用如下的数学模型表示： y o ( t ) = k o 墨o ) + 9 2 0 砭( f ) + z o ( ，) ( 1 ) y l ( t ) = 觞i 五( r ) + z l ( ，)( 2 ) ( 2 1 ) y 2 ( t ) = k ：五o ) + z 2 ( f ) ( 3 ) 式中：y o ( t ) 、x o ) 和h ( t ) 分别为目的端、用户l 和用户2 接收信号的基带模型； 五o ) 是用户i 的发射信号，其平均功率为p l ( i = 1 ，2 ) ；互( f ) 分别是目的端、用户l 和用户2 接收端的噪声，服从均值为0 、方差为置o = l 2 ) 的正态分布； 吩 是各信 道的衰落因子，在一个符号周期内保持不变。 7 重庆邮电大学硕士论文 第二章协作分集技术系统模型及其分类 图2 3 协作分集信道模型 2 3 协作分集与中继通信的比较 在中继通信中，中继结点的作用是形成主信道，它是单纯作为中继而存在的， 本身没有信息要传送。协作分集的通信机制更为复杂，远不止是一个简单的中继问 题，因为每个用户既要中转其合作伙伴的信息，还要传送自己的信息。此时，中继 结点的作用是协助、增强主信道。此外，在协作分集中，用户间的信道是有噪声的， 也就是说，不能保证每个用户都可以成功接收并正确检测到其合作伙伴发送的信息。 最关键的是，传统的中继没有分集的功能，而通过协作可以使单天线用户也获得分 集增益。 协作分集不局限于两个用户之间的协作，可以是多用户之间的相互协作，即一 个用户可以同时拥有多个合作伙伴。协作分集以多个用户共享天线和其他网络资源 的形式构造嘘拟阵列”，利用分布式传输和信号处理获得分集增益。因此，协作分 集不局限于蜂窝系统，同样适用于无线a dh o c 网络、无线局域网以及无线传感器 网络等多种应用环境。 2 4 协作分集的分类 协作分集可以有多种分类方式【2 刀，可以按照网络结构分为双跳协作和多跳协 作，双跳协作即从信源发出的信号经过一次协作即到达目的端。而多跳协作则是从 信源发出的信号经过多个阶段的协作后才能到达目的端。按照多址方式或信道的正 交方式，协作分集也可以分别在码分多址( c d m a ，c o d ed i v i s i o nm u l t i p l e xa c c e s s ) 、 8 重庆邮电大学硕士论文 第二章协作分集技术系统模型及其分类 时分多址( 1 d m a ，t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e xa c c e s s ) 和频分多址( f d m a ，f r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e xa c c c s s ) 等模式下实现。此外，协作分集还可以按照是否要求精 确的同步分为同步协作系统和异步协作系统等。 在这里我们按照信号处理方式把协作分集分为：放大转发模式( a f ， a m p l i f y - a n d - f o r w a r d ) 、检测转发模式( d f ，d e c o d e 删癖f o r w a r d ) 和编码协作模 式( c c ，c o d e dc o o p e r a t i o n ) 【1 5 1 。 2 4 1 放大转发模式( a f ，a m p l i f y a n d - f o r w a r d ) 放大转发模式在概念上是最简单的协作信号方法。每个用户接收它伙伴发送过 来的带有噪声的信号，接着对该信号进行放大，然后将放大的带有噪声信号重新发 送( 图2 4 ) 。基站将对用户和其伙伴传送来的数据进行合并判决。尽管协作的伙伴 在进行放大时也放大了噪声，但是基站接收到两个独立的衰落信号，最后能做出较 好的判决。 用户l 图2 4 放大转发模式 两用户a f 系统等价信道模型如图2 5 所示，图中只画出了用户1 的传送过程。 d z l d 图2 5 两用户a f 系统等价信道模型图 9 重庆邮电大学硕士论文 第二章协作分集技术系统模型及其分类 经过a f 系统之后，基站接收到的信号可用式( 2 2 ) 表示： j 2 岛啊d 五+ 乙 ( 2 2 ) 【e = 吃d 五+ z 玉 其中五= ：飘：五+ z l ：，瓦为用户1 发射信号符号能量，啊：，k ，鸭d 分别表 示用户l 到用户2 、用户l 到基站、用户2 到基站的信道衰落系数；z 1 2 ，z l d ，z 2 d 分 别表示用户l 到用户2 、用户l 到基站、用户2 到基站的噪声。为用户2 处的放 大倍数，如式( 2 3 ) 所示。 = 厩 ( 2 3 ) 图2 6 为两用户情况下a f 协作系统在瑞利上行快衰落信道下的仿真曲线，用户 间信道也是瑞利快衰落信道，其中用户间信道信噪比( s n r ) 比上行信道信噪比高 1 0 d b 。由图中可以看出，当平均信噪比较小时，a f 协作分集的误码率比直接传输 时要高，这是由于信道状况较差时，其协作伙伴将携带大量噪声的用户信号一同放 大后发送给目的端，从而影响了目的端正确译码。当信噪比较大时，由于a f 协作 系统引入了两阶分集，所以a f 协作系统的误码率要低于直接传输时的误码率。 图2 6 两用户a f 系统在r a y l e i g h 上行信道下的误码率 该模式由l a n e m a n 提出并进行了详细的分析。其研究表明，在高信噪比时，在 两个用户的情况下，该模式可以获得的分集阶数为2 。在放大转发模式中，假设该 模式已知用户间信道系数，从而可以进行最优译码，所以该模式必须进行必要的信 道估计和信息的交换。对该模式而言另一个挑战是对于模拟信号的抽样、放大、重 传并不是一个简单的技术。但是总的来说该机制还是一个比较简单的协作机制，它 便于分析，对于进一步理解后面的协作通信系统是非常有帮助的。 1 0 重庆邮电盔堂堡主迨銮釜三童塑堡坌叁堡查墨丝堡型垦基坌耋 - - i = _ - _ l _ i _ _ - _ _ _ - - _ - - _ - _ _ _ _ - - _ _ - - o _ o - - o 。o o o o 。1 。一一一 2 4 2 检测转发模式( d f ，d e c o d e a n d - f o r w a r d ) 该方法与传统的中继方法很接近。在该方法中用户首先尝试检测出用户伙伴的 数据比特，然后将检测出的比特重新发送( 图2 7 ) 。伙伴可以通过基站或者其它某 些技术来指定。 用户2 删 用户l 图2 7 检测转发模式 该模式首先由s e n d o n a r i s ，e r k i p ，和a a z h a n g 三人提出。他们首先在一个c d m a 系统中使用检测转发模式来发送协作信号。在该模式下，两个用户成对的进行相互 协作。每个用户都具有各自的扩频码c l ( f ) 和c 2 ( r ) 。两个用户的数据比特分别是岛o ， 其中f = 1 ，2 为用户索引号，以表示信息的时间标记。占- ”u 表示其伙伴对用户f 的检测 估计。因子q ，表示信号的幅度，体现了对各个部分的功率分配。每个信号周期包括 三比特间隔。我们用五( ，) 表示用户l 的信号，而用五o ) 表示用户2 的信号。于是 可以表示为： 五( ，) = q 研1 q ( ，)，q 2 珥2 q ( ，) ，q 3 群2 k ( ，) + q b 2 名“d ，n 五 ) = q l 醪c 2 ( )，a 【2 2 噬2 c 2 ( d ，占? “q 9 ) + 吒。噬2 c 2 0 ) 换句话说，在第一和第二个时间间隔内每个用户都发送自己的比特信息。每个 用户都检测另外用户的第二比特( 表示为) 。而在第三个时间间隔内，两个用户均 发送自己第二比特和伙伴第二比特的线性组合，每一个用户的比特信息都乘以自己 的扩频码。对于第一、二、三时间间隔，其发送的功率是可变的，根据上行信道和 用户问信道之间的条件可以对相关的发射功率进行优化，该方法对信道的状态具有 自适应能力。功率分配是通过因子珥，进行的，这样可以保持平均发射功率不变。简 单的说，当用户之间的信道状态较好时，更多的功率将分配用于协作，反之，当用 户之间的信道状态不好时，用户协作的功率将减小。 这种协作方式比较简单，但当用户间信道质量比较差时，用户有可能对其伙伴 的信息做出错误判决，此时协作分集传输不能达到完全分集。为了避免上面提到的 重庆邮电大学硕士论文 第二章协作分集技术系统模型及其分类 差错传播问题，l a x i c m a f l 等提出了一种混合译码转发方法，当衰落信道具有较高的 信噪比( s n 】r ) 时，用户可以对其伙伴的数据进行译码，而当信道具有低s n r 时，用 户返回到非协作模式。l a n e m a n 提出的这种方案在信噪比较高时，两用户的检测转 发模式不仅和放大转发模式一样，可以达至t j _ - 阶的分集增益，而且可以获得更低的 误比特率( b e r ) 和误块率( b l e r ，b l o c ke r r o rr a m ) 以上放大转发模式和检测转发模式有一些局限性。第一，两种模式都包括一定 形式的重发，从信道编码的角度看，并不是对可用带宽最好的利用。第二，检测转 发模式可能会转发对其伙伴错误估计的信息，而放大转发模式传播其伙伴的噪声。 错误的传播会降低性能，特别是当用户间的信道较差时。第三，这两种模式为了在 接收端得到最佳的最大似然检测需要知道用户间信道的误比特率( b e r ) 和信噪比 ( s n r ) 。最后，用户在发送其伙伴的模拟信号时有一定的延时，在实际中，存储 足够的信息来复制模拟信号是比较困难的。为了解决这些局限性，已经提出了一种 新的模式一编码协作模式。 2 4 3 编码协作模式( c c ，c o d e dc o o p e r a t i o n ) 编码协作机制是信道编码思想和协作的综合。编码协作机制通过两条独立的衰 落信道来发送每个用户码字的不同部分。当他们之间的信道非常恶劣时，该机制自 动恢复到非协作模式。该机制的突出特点是协作通过信道编码设计来实现，无需用 户之间的反馈。 用户将信源数据分为若干数据块，每一个数据块都增加了一个循环冗余校验码 ( c r c ，c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k ) ，假设每一数据块包含k 个符号的信息( 包括 c r c 信息) ，然后每一个数据块与码率为r 的纠错码编码后，每一个数据块就有 = k r 个符号的信息。两个协作用户将含有个符号的数据发送周期分为两个阶 段，我们称每一个阶段为一帧。在第一帧中，每一个用户发送一个包含m 个符号信 息的码字，每一个用户都接收并尝试对伙伴的数据进行正确的译码，如果译码正确， 则在第二帧中，用户将计算并发送其伙伴的第二部分，个符号。否则用户将在第二 帧传送自己的第二部分，也是个符号。这样每个用户每个周期都是发送 n = m + m 个符号。图2 8 是编码协作传输结构图。 重庆邮电大学硕士论文 第二章协作分集技术系统模型及其分类 用 我们把，i n 定义为协作水平，即用户为伙伴传送的符号数目与总传输符号数 的比值。一个小的比值意味着在第一帧中有更多的码字被传输，并增加了对其伙伴 因此，在第二帧的传输中有四种可能的协作情况网，如图2 9 所示。 1 虹二惫一 2 一盎蠹 3 趣= 怠一 4 国= 迫一 图2 9 第二帧的传输中四种可能的协作情况 在第一种情况中，在第一帧时两用户都成功的检测到对方，所以在第二帧中它 们都传输其伙伴的2 比特信息，可以达到完全增益。第二种情况在第一帧时两用户 重庆邮电大学硕士论文 第二章协作分集技术系统模型及其分类 都不能成功的检测到对方，系统此时返回到非协作模式。第三种情况，第一帧时用 户2 可以成功的检测到用户l ，但用户1 不能成功检测到用户2 。从而在第二帧时， 两用户都传输用户l 的2 比特信息，用户2 的2 比特则不被传输。用户1 两个独 立的m 和，符号译码前在接