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基于多跳网络的信号编码调制技术研究 摘要 随着移动通信的发展，基于中继的多跳蜂窝网络的性能已成为无 线蜂窝通信的一个研究热点。i e e e8 0 2 1 6 执行委员会专门成立了中继 工作小组来制定i e e e 8 0 2 1 6 j q b 继技术标准【1 】。蜂窝中继网络作为一 种经济、新颖的网络构建方案，通过把“多跳 技术融入现有蜂窝网 络( 又称为传统蜂窝网络) ，缩短了通信节点问的通信距离，提高了通 信链路的链路质量和信道容量，从而有效地满足下一代移动通信系统 对大范围内高数据速率业务的覆盖需求。 在现有通信系统中，数字调制通常采用纠错码保护的方式来提高 信号传输的性能，应用非常广泛，但对于具有多个网络节点的多跳系 统来说，由于各通信链路之间的信噪比( s n r ) 通常不同，需要对前 一条链路的调制信号进行解调重调制处理后再进行传输。本篇论文， 对一种可以用于基站与中继站间链路及中继链路之间进行数据转发 与传输的新型调制技术，即信号编码调制技术( s c m ) ，进行了探讨。 s c m 是一种模拟一数字混合调制方案，通常应用于不同s n r 的通信链 路之间，它是继传统解调重调制方法之后的另一种用于在支持不同 信噪比的通信链路中，转发数字信号的方法。 本文介绍了应用于多跳网络中继的s c m 技术现状，对s c m 在加 性高斯白噪声信道中以及n a k a g a m i 衰落信道中的性能进行了深入研 究，通过推导分别得到了两种情况下s c m 误比特率的精确闭式解表达 式，并通过计算机仿真进行了验证。此外，本文还给出了s c m 在多天 线发送情况下分集增益的定义。研究结果表明，s c m 技术能够在极小 的性能损失的代价下，提供更好的透明性，在中继转发信号时不依赖 传输协议和调制格式，从而大大降低设备的成本和复杂度，并且在多 天线发送情况下，获得与数字信号相同的分集增益。 关键词：中继信号编码调制( s c m ) 误比特率( b e r ) n a k a g a m i 分集增益 r e s e 根c h0 ns i g n a lc o d em o d u l a o nb a s e d o nm u l t i h o pn e t w o r k a b s t r a c t t h ei n t e g r a t i o no fm u l t i - h o pc a p a b i l i t yt h r o u g ht h ed e p l o y m e n to f r e l a ys t a t i o n s ( r s s ) i so n eo ft h e h o tt o p i c si nw i r e l e s sc e l l u l a r c o m m u n i c a t i o n s f o re x a m p l e ，i e e er e c e n t l ys e tu pt h er e l a yt a s k g r o u p ( r t g ) w i t ht h eo b j e c t i v et oi n t r o d u c er s si n t ot h ei e e e8 0 2 1 6 j b a s e ds y s t e m s 【1 】a sn o v e la n dc o s t e f f e c t i v en e t w o r ka r c h i t e c t u r e ，t h e r e l a ye n h a n c e dc e l l u l a rn e t w o r ki sp r o p o s e da n dc a l lb es a t i s f i e dw i t ht h e u b i q u i t o u sh i g hd a t ar a t er e q u i r e m e n to ft h en e x tg e n e r a t i o nw i r e l e s s s y s t e m s t h er e l a ye n h a n c e dc e l l u l a rn e t w o r k si n t e g r a t et h e “m u l t i h o p c a p a b i l i t yi n t ot h ec o n v e n t i o n a lc e l l u l a rs y s t e m sb ye m p l o y i n gt h er e l a y s a n dd e v i d i n gt h ed i r e c t l yc o n n e c t i n gl i n kb e t w e e nb a s es t a t i o n s ( b s ) a n d m o b i l et e r m i n a l s ( m t ) i n t os e v e r a lh o p s t h u s ，t h ec o m m u n i c a t i o n d i s t a n c ei sr e d u c e da n dt h el i n kq u a n l i t ya n dc h a n n e lc a p a c i t yc a nb e i m p r o v e ds i g n i f i c a n t l y i nr e c e n t y e a r s ，d i g i t a l m o d u l a t i o nd o m i n a t e sw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s ，a st h e yc a nu s ee r r o rc o r r e c t i o nc o d e sw h i c hp r o v i d e p e r f o r m a n c ec l o s e t ot h et h e o r e t i c a ll i m i t s h o w e v e r ，r e t r a n s m i t t i n ga d i g i t a lc o m m u n i c a t i o ns i g n a lo v e rc h a n n e l sw i t hd i f f e r e n ts i g n a l t o - n o i s e r a t i o s ( s n r s ) i n t h e m u l t i - h o p n e t w o r k r e q u i r e s a c o m p l e t e l y d e m o d u l a t i o na n dr e m o d u l a t i o n ( d e m o d r e m o d ) o ft h ep r e v i o u ss i g n a l t h i st h e s i sd e s c r i b e sam e t h o d ，w h i c hw ec a l ls i g n a lc o d em o d u l a t i o n ( s c m ) ，t h a ti sp r o p o s e df o rr e l a y i n gad i g i t a lc o m m u n i c a t i o ns i g n a lo v e r c h a n n e l sb e t w e e nb s sa n dr s sa n dc h a n n e l sb e t w e e nr s sa n dm t s a n d ， i n p a r t i c u l a r ，t h es c mm e t h o di s am i x e da n a l o g - d i g i t a lm o d u l a t i o n t e c h n i q u e ，w h i c hp r o v i d e sa na l t e r n a t i v em e t h o dt or e t r a n s m i tad i g i t a l s i g n a lo v e rc h a n n e l sw i t hd i f f e r e n ts n r s ，b e s i d e st h et r a d i t i o n a lc o m p l e t e d e m o d r e m o d t h i st h e s i sm a i n l yd i s c u s s e st h ec u r r e n ts i t u a t i o na b o u ts i g n a lc o d e m o d u l a t i o na p p l i e di nm u l t i h o pn e t w o r k r e s e a r c ho nt h ep e r f o r m a n c e o fs c mi na d d i t i v e 、m l i t eg a u s s i a nn o i s e ( a w g n ) c h a n n e la n d n a k a g a m if a d i n gc h a n n e l i sd o n e t h i st h e s i sg a i n st h ee x a c t c l o s e d f o r m e x p r e s s i o n sf o rt h eb i te r r o rr a t e ( b e r ) o fs c mm o d u l a t i o ns c h e m e b o t hi na w g nc h a n n e la n dn a k a g a m if a d i n gc h a n n e l w h i c ha r ep r o v e d b yt h ec o m p u t e rs i m u l a i o n f u r t h e r m o r e ，t h ed i v e r s i t yg a i nf o rs c mi s d e f i n e d t h ec o n c l u s i o no ft h er e s e a r c hs h o w st h a ts c mi sr e l a t i v e l y t r a n s p a r e n ta n di ss i m p l e ra n dc h c a p e rt oi m p l e m e n ta tt h ec o s to fas m a l l p e r f o r m a n c er e d u c t i o n 、枷a t sm o r e s c mi nm i m oh a st h es a m e d i v e r s i t yg a i na st h ed i g i t a ls i g n a l s k e yw o r d s ：r e l a ys t a t i o n ( r s ) s i g n a lc o d em o d u l a t i o n ( s c m ) b i te r r o rr a t e ( b e r ) n a k a g a m i d i v e r s i t yg a i n 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 何贡献均己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。 本人签名鳝监聱一 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： 导师签名：日期：塑堡：茎垄 1 1 研究背景 第一章绪论 以小区( c e l l ) 为单位实现资源空间复用的无线蜂窝移动通信系统给人们的 日常生活带来了深远的影响。时至今日，人们已习惯于通过移动终端来随时随地 的和朋友通话，发送接收短信，浏览w e b 服务，甚至是接受中低速率的多媒体 服务。但是，随着无线产业和数据通信的蓬勃发展，越来越多的人们期望通过移 动终端来获取更高质量的多媒体服务，这对无线移动通信系统提出了更高的要 求。以兀u 面向2 0 1 0 年以后的无线通信系统提出的预测为例，这一要求大致为： 对快速移动用户，每小区总数据率可达1 0 0 m b s ，对静止或慢速用户则要求达到 1 g b s 。 在现有的蜂窝通信网络中，每个小区内部布有一个基站( b s ，b a s es t a t i o n ) ： 移动终端通过无线空中接口( a i ri n t e r f a c e ) 与基站进行通信。对绝大多数现有 无线通信系统，如g s m 系统，w c d m a 系统和c d m a 2 0 0 0 系统，其无线空中 接口使用2 g 以下的载波频段。鉴于现有无线频谱资源的紧缺，人们普遍认为为 满足上述要求而设计的下一代( b 3 g 4 g ) 无线移动通信系统将不得不使用比现 有系统更高的载频，可能是5 g h z ，甚至是7 g h z 。这些频段对非视距( m 力s ，n o n l i n eo fs i g h t ) 的环境尤为敏感( 在非视距的条件下信号能量衰减的非常快) ， 而这些场景又是在城市环境下的典型场景。另外，给定发射功率和频谱资源，数 据速率的增加也将带来无线覆盖范围的缩短；而终端接收的数据速率也会随着终 端与基站间距离的增加而减小，处于小区边缘的终端在现有蜂窝通信系统中很难 得到高质量的服务。因此，在不得不使用更高的载波频段的限制下，如何来设计 实现下一代无线通信系统以在大覆盖范围内提供均匀高质量的多媒体服务是近 年来无线移动通信领域研究的难点问题之一。 一种经济、新颖的网络构建方案亟需提出，把“多跳”技术融入传统蜂窝网 而形成的蜂窝中继多跳网络( 以下简称为蜂窝中继网络或多跳网络) 正是在这一 背景推动下产生的。蜂窝中继网络的基本思想是把一跳链路分割成多跳链路，缩 短通信节点问的通信距离，从而能显著提高链路质量和信道容量。因此，蜂窝中 继网络不但能提高小区覆盖范围、增加小区容量，有效地满足下一代无线移动通 信对大范围内高数据速率业务的覆盖需求。而且，由于通信节点间通信距离的缩 短，蜂窝中继网络能够减小终端的发射功率及对抗深度阴影衰落或死区。 蜂窝中继网络也是当今无线移动通信研究领域的热点之一。欧盟第六框架联 合项目w i n n e r ( w i r e l e s sw o r l di n i t i a t i v en e wr a d i o ) 【2 】旨在研究创新的、提 供从近距离到远距离全面覆盖的泛在无线通信系统构架，提供比现有网络更为优 越的通信性能，其研究重点课题之一就是蜂窝中继网络；事实上，蜂窝中继网络 己成为其下一代无线通信网络构架备选方案之一。 1 2 8 0 2 1 6 j 多跳网络综述 1 2 1 w i m a x 技术与标准进展 在移动通信技术的发展过程中，其开始大规模商业化运作是以贝尔实验室提 出的小区频分复用概念为起点的。小区概念的提出使得将有限的频率资源使用于 无限大的地理范围成为可能。但是随着用户数量飞速增加的移动通信市场的发 展，以及i n t e r n e t 和其他网络技术的不断发展，更高速率的数字业务的需求不断 增加，移动通信技术所提供的数据速率已从g s m 的9 6k b i t s 、1 4 4k b i t s 发展 到3 g 的2m b i t s 以上，而b 3 g 的预期数据速率将大于2 0m b i t y s 。这样就需要将 小区的覆盖范围不断减小，以满足大容量和高数据速率系统的需要。但是如果小 区的覆盖范围过小则需要设置大量的基站，这会大大增加整个系统的成本，并且 固定基站的设置要受到地理条件的影响，因为每一个基站都需要同上一级的控制 节点有固定的有线连接，所以基站的放置位置要适应于有线网络的分布。这样就 需要建立一种合理成本上的高速率、高容量的且灵活性高的系统结构。 i e e e 8 0 2 1 6 标准又称为i e e ew i r e l e s sm a n 空中接口标准，是工作于 2 6 6 g h z 无线频带的空中接口规范。由于它所规定的无线系统覆盖范围可高达 5 0 k m ，因此8 0 2 1 6 系统主要应用于城域网，被视为可与d s l 竞争的“最后一 公里宽带接入解决方案。根据使用频段高低的不同，8 0 2 1 6 系统可分为应用于 视距和非视距两种，其中使用2 1 l g h z 频段的系统应用于非视距范围，而使用 1 0 6 6 g h z 频段的系统应用于视距范围。根据是否支持移动特性，8 0 2 1 6 标准又 可分为固定宽带无线接入空中接口标准和移动宽带无线接入空中接口标准，标准 系列中的8 0 2 1 6 、1 6 a 、1 6 d 属于固定无线接入空中接口标准，而8 0 2 1 6 e ( 正式 名称叫8 0 2 1 6 2 0 0 5 ) 属于移动宽带无线接入空中标准，2 0 0 5 年1 2 月7 日最终 冻结，是在原来8 0 2 1 6 d ( 正式名称叫8 0 2 1 6 2 0 0 4 ) 的基础上增加了移动性，保 证8 0 2 1 6 e 接入设备能够在基站之问切换，一般也称作m o b i l ew i m a x 。为了更 好地实现兼容性和互通性，i e e e8 0 2 1 6 工作组还制定了围绕上述主要标准的其 它标准。8 0 2 1 6 系列各标准相应的负责技术领域如表1 - 1 所示。 2 表1 - 18 0 2 1 6 系列各标准负责的技术领域 标准号负责的技术领域完成状态 1 0 6 6 gh z 固定宽带无线接入系统空中接口标 8 0 2 1 62 0 0 1 年1 2 月 准，仅能应用于视距范围内 2 1 l gh z 固定宽带无线接入系统空中接口标准 8 0 2 1 6 a2 0 0 3 年1 月 具有非视距传输的特点 1 0 6 6 gh z 固定宽带无线接入系统关于兼容性 8 0 2 1 6 c2 0 0 2 年 的增补文件 2 - 6 6 gh z 固定无线接入系统空中接口标准，是 8 0 2 1 6 d 相对比较成熟并且最具有实用性的一个标准版2 0 0 4 年下半年 本 2 - 6 gh z 固定和移动宽带无线接入系统空中接 8 0 2 1 6 e 2 0 0 5 年年底 口标准 8 0 2 1 6 f 固定宽带无线接入系统空中接口m i b 要求2 0 0 5 年9 月 固定和移动宽带无线接入系统空中接口管理平 面流程和服务要求，从而能够实现8 0 2 1 6 设备的 8 0 2 1 6 92 0 0 7 年 互操作性和对网络资源、移动性和频谱的有效管 理 8 0 2 1 6 h 在免许可的频带上运作的无线网络系统预计2 0 0 8 年 8 0 2 1 6 i 移动宽带无线接入系统空中接口m i b 要求预计2 0 0 9 年 8 0 2 1 6 j 针对8 0 2 1 6 e 的移动多跳中继组网方式的研究2 0 0 7 年底 对8 0 2 1 db r i d g e 进行修订使其与8 0 2 1 6m a c 8 0 2 1 6 k预计2 0 1 0 年 兼容 1 2 2 8 0 2 1 6 j 随着用户对于无线互联网络需求的日益增长，新一代的无线通信系统需要提 供更高速的传输率、更好的信号覆盖和更强的移动性，以便在不久的将来让用户 通过无线传输得到能够与有线宽带网络相媲美甚至更好的接入服务。以i e e e 8 0 2 1 6 e 技术标准为基础的w i m a x 系统近年来受到广泛市场关注，但w i m a x 基站在市区覆盖半径仅为几公里，而且数据传输速率随着与基站距离增加而递 减，尤其处于基站覆盖边缘的用户信号较差，影响了该系统商用的普及。传统的 移动网络主要通过安装微蜂窝基站或直放站【3 】来改善覆盖问题，但前者成本较 高而后者则会把干扰信号一同放大，缺乏智能控制，难以达到最优效果。为此， 3 i e e e8 0 2 1 6 标准制定组织于2 0 0 6 年3 月成立移动多跳中继技术 3 1 4 , 组以研究在 8 0 2 1 6 系统中采用中继技术的可行性。多家通信企业及研究机构已参与其中并积 极提案，使得新标准i e e e8 0 2 1 6 j 呈现出勃勃生机。 e e8 0 2 1 6 j 工作小组正在制定的r e l a y 技术标准是目前i e e e8 0 2 1 6 标 准制定组织中最受全球电信大厂重视且积极参与之新技术标准，其目的在于强化 以i e e e 8 0 2 1 6 标准为基础之w i m a x 系统效能，并期望凭借新型r e l a ys t a t i o n 的开发以协助降低整体w i m a x 系统布建的成本，并增加系统布放的灵活性。 8 0 2 1 6 j 是从i e e e8 0 2 1 6 中延伸出的一项新标准，该标准主要制定移动中继 传输( m o b i l em u l t i h o pr e l a y ，m m r ) 设备，用于解决信号传输上可能出现的死角 问题，同时扩大无线移动宽带技术的传输范围，再加上设置成本仅为一般基站 ( b a s es t a t i o n ，b s ) 的1 ，因此被不少业者视为颇具先天优势。通过移动多跳中继 技术，可以使8 0 2 1 6 e 提升传输速度，扩展覆盖范围，进而达到覆盖区内客户端 可以获得一致传输速度( u n i f o r md a t ar a t e ) 的特性。这项特性很有可能符合未来4 g 移动通信技术所要求的目标，而i e e e8 0 2 1 6m m rs g ( s t u d yg r o u p ) 是目前唯 一把此技术纳入标准的机构，因此吸引了许多厂商进入参与制定，也成为8 0 2 1 6 标准在技术方面的一个新的方向。 8 0 2 1 6 j 存在的目的在于修改部分i e e e8 0 2 1 6 技术标准，并借由增设中继站 ( r e l a ys t a t i o n ，r s ) ，来强化8 0 2 1 6 系统性能，如延伸服务范i 丑( c o v e r a g ee x t e n s i o n ) 及增加传输速率( e n h a n c e dt h r o u g h p u 0 ，同时也可望协助降低整体w i m a x 系统 建置成本，同时增加系统弹性。 现今的i e e e8 0 2 1 6 技术是在基站与移动通信装置之间采用点对多点( p o i n t t om u l t i p o i n t ，p m p ) 的方式来传送数据，但是实际传送路径却只有单跳( s i n 酉e h o p ，s h ) ，而8 0 2 1 6 j 的网络架构却是在基站与移动终端通信设备的传送路径间 增加中继站，在基站与中继站、中继站与中继站、以及中继站与移动终端通信设 备之间皆采用点对多点的方式来传送数据，传送路径也从单跳变成两跳f n 岫 h o p ) 、或是多跳( m u l t i h o p ) 。 1 3 多跳网络中的中继 无线网络基站的覆盖信号会由于地形地貌造成信号的阴影衰落( s h a d o w f a d i n g ) 效应，致使有效覆盖范围需大幅缩小。为了确保客户端在信号遇到严重阴 影衰落时仍可维持连接，因此通过信号转发解决这一问题的概念应运而生。由于 中继点的设立有助于覆盖范围的延伸与扩增，同时又助于解决传送死角等问题， 因此被业界视为具有先天优势。 中继站是蜂窝中继多跳网络相对于传统蜂窝网引入的一个新的节点，是用于 4 在基站和用户终端间进行数据存储转发的网络单元。中继上下行的空中接口均依 赖于无线传输，其与基站及移动终端间的链路均是无线链路。中继站是位于某一 基站覆盖范围内附属于基站的设备，它的功能是接收来自于基站的下行链路数 据，然后将这些数据转发给移动终端，或者接收来自于移动终端的上行链路数据 再转发给基站。中继站本身不产生它们自己的数据业务，但中继站可以产生相关 的控制信令以完成相关数据业务的传输。中继站布放方便，设备功能要比基站简 单很多，因此复杂度就比较小，成本相对于基站也少很多。这里有必要强调的是 中继站与强波器( r e p e a t e r ) 的不同。强波站( 确切的说，模拟中继站) 在g s m 系统中仅仅作为放大器，在重新传输前对信号进行简单的放大，同时干扰也被放 大而不被滤波。因此，我们不能期待强波器在信干比方面对系统带来改善。相比 较而言，数字中继站则以一种更智能的方式来工作，它可以对接收信号进行译码 和再生，有效的虑掉干扰并且进行纠错。因此使用数字中继可以带来额外的链路 增益。 中继站可分为移动的或固定的。移动中继的基本思想是利用网络中的某个移 动节点来实现转发的功能。事实上，移动中继的思想已经在a dh o c 网络中被广 泛应用，在a dh o c 网络中所有的通信节点都是自组织的，不需要预先设置的结 构。只是最近这种思想才被引入蜂窝网络。一种早期的移动中继方案是3 g 中的 时机驱动多址接入( o d m a ) 方案。o d m a 最早提出是为了通过在t d d 用户终 端实现转发功能来提高增加u t r at d d 高数据速率服务的覆盖范围。这种转发 功能同样可以支持在中继节点网关的网络间f d d t d d 。 然而，移动中继站可能会带来一系列的难题。比如，将带来移动终端结构的 额外复杂性；中继路由可能处于高度的不稳定状态，这将带来频繁的切换和信号 的重负载。此外，由于中继意味着更多的电池消耗和其他经济问题，移动用户很 难充当中继。在低密度用户区，基站的覆盖不理想的情况下( 如农村) ，由于缺 少移动中继站而使中继系统很难发挥它的优势，这也成为移动中继面临的一个问 题。 中继以固定设备来实现，我们称之为固定中继站( n ) 。固定中继站是中 继蜂窝网络区别于传统蜂窝网络的主要元素。每一个固定中继从属于在同一个宏 蜂窝中的基站，也就是说其他任何基站不能和这个固定中继进行通信。固定中继 的作用是为了在下行把数据从基站转发给目标移动台，上行反之。在现有的系统 中，不允许两个固定中继站进行通信。我们假设，中继每次进行转发数据的时候， 都将伴随着译码和重建的过程发生，因此只要在固定中继端接收到的信号强度 ( 包括接收电平和信干比) 足够用于正确译码，在第一跳传输中产生的干扰和错 误比特将不会被传至第二跳。另一方面，如果固定中继无法从第一跳链路中正确 5 译码数据包，那么整个数据将被丢弃，第二跳链路上本来用于传输这个包的无线 信道将被当作“沉寂”的，也就是说信道不会对网络产生任何干扰。固定中继节 点占用基站的无线资源当与之通信的时候，而当于移动终端通信的时候它将占用 移动终端的无线资源。相比于移动中继方案，固定中继站有很多优势。比如：由 于基站一固定中继的链路不会因节点移动而受影响，固定中继可以同时处理很大 数量的数据传输，可以同时为很多移动终端提供中继服务、通过巧妙的设计放置 固定中继节点的位置可以保证它们和基站的链路质量，从而保证了整个中继网络 的性能。另外，固定中继网络的路由选择相对于移动中继也简单很多，信令的负 荷也比较小。 因此，业界认为至少在4 g 网络的早期，为用户提供服务的中继网络应该是 基于固定中继的网络，固定中继网络是当前中继网络研究的热点，研究成果及性 能也是业界期盼得到和看到的。 文献【4 】中提到的无线多媒体系统( w m s ) 利用固定无线路由器( f w r ) 来 充当中继节点。w m s 用于在5 - 6 g h z 频带下提供宽带无线服务，类似于依赖视 距传输环境。在维持现有接入点配置花费的情况下，为了使高数据速率接入覆盖 更广泛的距离，w m s 使用了f w r 中继方案。f w r 相对花费较低，并且它能以 稳定的链路与网络接入节点相连( 通常是视距) ，f w r 可以被放置在街角用于 服务那些和网络接入节点间没有理想直接链路的移动用户。 另一种布设固定中继站的方案是h m c n 系统【5 】。这种固定的h m c n 方案利 用扩展节点( e p ) 来增加热点地区覆盖。在b m b f 创建的c o v e r a g e 6 相关 项目中，针对移动用户在公共或半公共热点地区进行宽带接入口核心网提出了 一项类似的架构，此项目基于h 2 ( h i p e r l a n 2 ) o f d m 系统或是能够提供最高 数据速率5 4 m b i t s 的i e e e 8 0 2 1 l a 。该文章中提出了多种基于扩展接入点的重传 方法。 在【7 】中，作者介绍了一个蜂窝中继网络( c r n ) ，在这种网络的每个小区中 大量的低复杂度低功率的固定中继被布放在中心节点( 等同基站) 周围。每个 中继节点和中心节点仅仅覆盖- d , 块范围，从而需要比较小的功率，允许频率和 时间资源的复用。这篇文章的贡献在于计算出了c r n 的小区容量( 即总吞吐量) ， 从而可以比较c r n 网络小区容量和传统的蜂窝网络的容量。这篇文章指出c r n 的网络容量依赖于距离中心节点最近的中继数目而不是小区的大小或是小区内 中继站的总数。 在【8 】中研究了固定中继在蜂窝小区中的作用。基站安放在小区的中间，周围 是六个中继站。中继站构成一个六边形，它们被布放在小区中心和小区边界中间。 用c d m a 作为接入方案，终端和中继是同步的。中继站在一个时隙接收数据在 6 另一个时隙转发数据( 使用相同频率) ，有多个信道分配给中继。这篇文章得出 了系统干扰和吞吐量的闭式解。数学结果表明当中继系统维持和无中继系统相同 功耗的时候，中继可以大大改善系统的吞吐量。 首先，在传统蜂窝网中引入中继节点可以用于延伸基站的服务范围，以比较 经济的方式达到增强无线覆盖的目的。图1 - 1 给出了中继用来扩大蜂窝网络覆盖 的一个具体场景。在小区边缘或是死角的移动节点可以借由中继同基站通信。如 图所示，在小区的边缘很容易形成死角，因为此时移动节点无法以最佳接收电平 接收周围基站信号。然而，如果在系统中采用中继站，则接收电平可以得以大幅 提高，实际上相当于在不增加基站和移动终端发送功率的情况下增大了宏蜂窝的 覆盖范围。 其次，在传统蜂窝网中引入中继节点可以用来减小终端发射功率及优化系统 容量。不仅从单个基站或移动台来讲，而是对于整个系统。在采用合适的路由方 案的情况下，整个中继路由的总发送功率( 包括中继的发送功率) 要比相同路由 不使用中继的情况小。这是因为路径传播损耗以距离的二次或多次幂下降。通过 在基站覆盖范围内合理布置中继节点，可以打断处于小区边缘用户与基站间较长 的通信链路，使移动终端通过两跳链路与基站建立通信。且对于两跳链路的每一 跳，其路径损耗也相对较小，移动终端以很小的发射功率就能与中继节点建立很 好的连接，由此可以节省移动终端的功率，明显增加移动终端电池的使用时间。 另外，由于移动终端发射功率的减小，整个网络的干扰水平也随之下降，可以采 取更紧密的频谱复用距离，加上缩短的两跳链路的链路质量的提升，小区容量能 得到很大提高【9 】。场景如图1 2 所示。 除了能节省发送功率，增大系统容量和覆盖，在传统蜂窝网络中引入中继节 点还可以用于小区间的负载平衡。当某个特定小区达到了拥塞，比如说重负载的 情况下，新到的业务将会被分配给那些能够为所请求服务提供足够无线资源的临 近小区，达到在小区间进行负载平衡的目的。如图1 3 所示。 移动多跳中继的主要优点是： 成本低：中继站不需后端有线回程网络( w i r e 1 i n eb a c k h a u l ) 的支撑，可大幅 节省运营商为建设回程网络所耗费的成本( 如道路开挖、电路租用等) 。而且 中继站的复杂程度和成本也比基站低很多，因此虽然其提供的效果可能不如 增设微蜂窝，但其低成本与灵活性的优势对运营商而言仍有其吸引力。 选择性功率放大：与传统模拟功率放大器将所有收到信号无差别的放大不 同，中继站会对收到的信号进行数字处理，可根据具体情况对功率进行放大。 此外，由于中继站在接收信号时已对干扰信号进行处理，故转发时可将其所 有的传输功率放在需转发的信号上，而不需要转发的信号或干扰信号不会被 7 一起转发。 f r n 乞圣一 _ 一f r 叁n 一 乱 一一+ 口 一一一一。 圈m s e e l lb o r d e r 一 图1 - 1 中继网络应用场景一：用于延伸基站的服务范围 目i 一 一l 旷m s f r n i f r n 一 目m s 图 - 2 中继网络应用场景二：用于减小终端发射功率 图1 - 3 中继网络应用场景三：用于小区间负载平衡 8 o 鹏 挪 ) a暑一| 、 r _ 会2 目惦 目 sm 盼a 盲 一 。 r十- f 目 2 1 综述 第二章信号编码调制技术 调制是通过改变高频载波的参数( 如幅度、频率、相位等) ，使其随着基带 信号幅度的变化而变化。移动通信系统的无线信道传输环境，因为移动台的移动， 通常被认为是一种较为恶劣的传输环境。它不象有线信道那样具有固定的可预见 性，而是有较强的随机性，还存在同频道干扰和邻频带干扰等问题。因此，与有 线通信相比，移动通信系统对调制技术有更高的要求，包括以下几点： 1 ) 高的频带利用率； 2 _ ) 信号功率与同频道的干扰功率比要高于某一“安全 门限值； 3 ) 已调信号的频带窄，带外辐射功率小，对邻近信道的干扰小； 4 ) 抗多径衰落能力强； 5 1 恒定或近似恒定的已调信号包络，具有较高的功放效率： 6 ) 调制解调设备简单等。 不过，在某一确定的应用环境下，一种调制方式不可能同时满足上述要求， 而只能侧重于某些方面的性能，现有移动通信系统的主要业务是低速的语音服 务，其核心问题是提高语音服务的质量。因此，对其相应调制技术的要求是具有 很好的抗干扰能力。 本章首先介绍几种移动通信中用到的传统的数字调制技术，然后引入了一种 新的模拟一数字混合调制方案：信号编码调制技术( s c m ) ，它通常应用于具有 不同s n r 的通信链路之间。 2 2 传统的数字调制技术 数字调制所采用的载波是正弦载波，正弦波有三个基本参数：幅度、频率和 相位。因此，当数字基带信号是二进制的时候，基本的数字调制方式有四种：二 进制幅度键控( 2 a s k ) 、二进制频移键控( 2 f s k ) 、二进制相移键控( 2 p s k b p s k ) 及二进制差分相移键控( 2 d p s k ) 。当数字基带信号是多进制的时候，在此基础 上又派生出了很多调制方式。目前已在数字蜂窝移动通信系统中得到广泛应用的 有p 4 正交相移键控( p 4q p s k ) 、正交调幅( q a m ) 和最小移频键控( m s k ) 、 高斯最小移频键控( g m s k ) 等调制方式 1 0 l 。 9 2 3 s c m 技术简介 数字调制通常采用纠错码保护的方式来提高信号传输的性能，应用非常广 泛，但对于具有多个网络节点的多跳系统来说，由于各通信链路之间的信噪比通 常不同，因此全部应用数字调制的话，在两条具有不同s n r 的链路之间，需要 对第一条链路的调制信号进行解调重调制处理后，再在第二条链路之间传输。 但解调重调制过程较复杂，例如，为了对调制信号进行解调还需进行信道估计 及载波同步等处理，因此现在提出一种新的调制方案，即信号编码调制( s c m ) 。 本世纪正处在数字革命时代，实际上每一种形式的信息或者是数字的；或者 虽不是数字的( 例如，声音、音乐、视频) ，但被数字化，然后存在数字媒介中； 或者在通信信道中进行数字化传输。随着a m ( 调幅) 、f m ( 调频) 技术的来 临，模拟调制技术的确已经过时，但在某些领域，模拟调制技术仍有一些技术优 势。因此，综合了数字和模拟技术的信号编码调制技术具有独特的优点，是强有 力的竞争者。 s c m 技术是一种在有噪声背景信道里传输模拟信号的方法1 1 1 f 1 2 1 ，s c m 提供可以传输任何有限带宽波形的模拟信道，这些波形包括真正的模拟信息或者 数字调制解调器( m o d e m ) 的输出。s c m 对信息载荷进行简单的操作，如图2 1 所示： s c mi nput$cmo u t p u t 5 1 l a n c e da n a l o gs yr n b o l d i g i t a ls y m b o 析严 口 一 r帅 州 几 “ 川 jj l 一一 图2 - 1s c m 对载波执行的操作 波形首先被取样，然后量化，这和p c m ( 脉冲编码调制) 很类似，再用任 何数字技术，例如正交幅度调制( 洲) ，通过有噪声的信道传输数字信号。 数字信号用符号d 表示，然而，和p c m 不同的是，s c m 并没有放弃量化误差。 这个误差信号被抽取出来，然后在有噪声的信道里进行传输，该模拟误差信号用 符号a 表示。s c m 发送和接收过程如图2 2 所示。 1 0 图2 - 2s c m 发送和接收过程 发送信道一分为二，信道1 是模拟信道，信道2 是数字信道。s c m 过程本 质上与p c m 类似，加在系统输入端的原始模拟信号首先以合适的速率取样，这 基于取样定理；然后将其转换成数字量。应用最适合信道2 的数字发送技术将这 些最终的数字信号传输。符号d 代表着每个模拟输入取样的位数n 。为了得到 量化误差a ，又将p c m 数据转换成模拟信号，然后再与初始输入相减。该模拟 误差信号a 被放大2 n 倍或者将a 放大到使信道1 里的模拟信号电压波动最佳 的倍数。s c m 接收器进行相反的操作：将a 和d 合成模拟信号，从而得到原始 模拟信号的映象。该映象信号与原始信号并不完全相同，因为信道里的噪声使a 发生了变化，从而在d 里产生位误差。然而，信道1 里的r 幅度增益能对a 提 供2 川的噪声抑制能力。这是s c m 最重要的优点之一。 在某些通信环境下，数字信号需要在支持不同带宽和信噪比( s n r ) 条件的 不同通信信道中传输。考虑这样一个情况，比如信号的传输路径由两部分组成： 在第一条链路中，信号通过光纤传送，而在第二条链路中，信号在空气中传播。 这两种传输介质的截然不同也要求不同的调制技术。比如，光纤环境下高的信噪 比可以支持高阶调制( 比如2 5 6 a l a m ) ，而低信噪比无线链路只能支持一种低 阶的但仍然有频带利用效率的调制方式( 比如1 6 q ! a m ) 。 这个问题的传统解决方法是当数字信号从一条链路传输到另一条链路的时 候进行解调和重新调制。换句话说，每一部分被看作是单独的数字通信系统，它 在这条链路中是最优化的，在不同链路的接口处，信号被完全解调来恢复原始比 特流，进而用于重新调制。我们把这种方式叫做解调重调制。为了避免性能损 失，解调部分要求对信号进行完全的解调，包括同步，均衡，解交织和译码。被 发送信号所有的信息和它的帧结构以及编码方式都需要获知来进行考虑。 是否存在一种方法使信号在从高信噪比链路传递到低信噪比链路时不需要 解调和重新调制呢? 这不仅是一个实际问题也是一个理论问题。解调重调制方 法要求相对复杂的设备，引入了明显的处理时延，并且对所采用的调制方法具有 特定性。因此，寻找一种具有解调重调制方式的抗噪声性能且更为透明的中继 器将是一个非常有意义的课题。 这篇论文里我们将讨论一种叫做信号编码调制( s c m ) 的新方法来完成这个 任务。信号编码调制技术能够有效的把任意低信噪比通信链路转换为高信噪比通 信链路，以增加带宽为代价。使用s c m 方法，我们可以把第一条链路的模拟输 出传到第二条链路，正如第二条链路有高信噪比一样。换句话说，第一条链路的 模拟输出以足够的信噪比在第二条链路中被传输，在第二条链路的输出端用和第 一条了链路相同的接收器进行解调。 s c m 方法中第一条链路的模拟输出被转化为模拟信号和数字信号的组合，然 后在第二条链路中传输这个模拟信号和数字信号。最后再从这个模拟信号和数字 信号中重构信号来还原原始信号( 第一条链路的输出) 。 s c m 技术的优势在于，它的设备实施起来更简单、更便宜，而且透明性相对 比较高。解调重调制方法则是针对通信系统每一端的细节专门设置的。s c m 技 术实质上是运用了一根具有某个特定信噪比特征的模拟的“管道 来传输“任何 输入信号。因此，s c m 技术的实施不需要了解关于输入信号特性的信息。当然， 通信系统的“性能 取决于如何根据被传输信号的特性配置s c m 系统。因此， 在设计和性能分析阶段，应充分考虑第一条链路所传输信号的特定信息。然而， 相比于解调重调制方法，s c m 的设备相对简单而且不依赖于被传输信号的完备 的信息。 在这篇论文罩，我们描述了s c m 方法以及它在不同通信场景中的性能。尤 其是，我们发现它的性能和解调重调制的性能很接近，不过对带宽的要求会稍 大些。 2 4 s c m 系统架构 以下