（通信与信息系统专业论文）通信协作分集技术与伙伴选择策略的研究.pdf

一 ，? y i i i1 1 i 8ii1 7 i i l 9 i1 2 i i1iii3 i i i 学位论文的主要创新点 一、本文以无线通信网中的协作分集技术和中继的伙伴选择策略作为 基础，进一步研究和分析了基于位置的伙伴选择策略，并在此基础上 提出了一种基于最优功率分配的伙伴选择策略。 二、本文通过仿真验证了该算法的有效性，并在一定程度上降低了无 线通信系统的中断概率，扩大了系统的覆盖范围。 分 优 析 伙 对以上算法在蜂窝移动通信系统上行链路进行仿真，在一个蜂窝覆盖的正方 形区域里的所有空闲中继进行协作定位，并结合定位信息为用户选择协作伙伴， 在基站端接收两路经历独立衰落的信号，从而进行最大比率合并。本文最后评估 了算法对整个系统性能的改善，并和另外两种伙伴选择算法的性能进行了分析比 较。仿真结果表明通过协作可以提高目的端的接收信号信噪比，能够使得传输误 比特率有非常明显的降低，并且本文所研究提出的最短路径算法和最优功率分配 算法比其他两种算法更有优势。总之，选择合适的伙伴进行协作传输能够比直接 传输提供更好质量的上行链路信号，或者在相同的接收信号质量下能够扩大网络 覆盖范围，为移动通信系统的发展提供了一个具有高质量和更广覆盖范围的有效 可行方案。 关键词：协作通信；伙伴选择；最优功率分配；抗衰落；中断概率 a b s t r a c t c o o p e r a t i v e c o m m u n i c a t i o n sa n dw i r e l e s sl o c a l i z a t i o n ，b o t hh a v eb e e n d e v e l o p i n gr a p i d l ya n do fg r e a tp o t e n t i a l ，a r eq u i t en e wt e c h n o l o g i e sp r e s e n t l y c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n sa l l o wam o b i l et e r m i n a lo fs i n g l ea n t e n n as h a r eo t h e r u s e r s a n t e n n a si nt h es y s t e mt oa c h i e v es p a t i a ld i v e r s i t y h o w e v e f ，h o wt os e l e c tt h e a p p r o p r i a t ep a r t n e ri nc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n si ss t i l lap r o b l e mt ob ed i s c u s s e d c o o p e r a t i v el o c a l i z a t i o ns c h e m eh a sb e e nj o i n t l yr e s e a r c h e dt oi m p l e m e n tp a r t n e r s e l e c t i o nb a s e do nl o c a t i o ni n f o r m a t i o n t h ep r o p o s e da l g o r i t h mc a na c h i e v e c o o p e r a t i v ed i v e r s i t ys oa st or e d u c ep a t hl o s sa n dr e s i s tf a d i n ge f f e c t o n eo ft h ee s s e n t i a ld e s i g ni s s u e si n c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o ni sp a r t n e r s e l e c t i o nm e c h a n i s mi nc e l l u l a ro rw i r e l e s sd a t an e t w o r k s w ep r e s e n tan o v e l a l g o r i t h m f o r p a r t n e r s e l e c t i o na n d o p t i m a lp o w e ra l l o c a t i o n i n t h e d e c o d e - a n d - - f o r w a r dc o o p e r a t i v ed i v e r s i t y , u n d e rac e r t a i n p o w e rc o n s t r a i n t t o a c h i e v et h em a x i m u mc h a n n e lc a p a c i t y t h i st y p eo fc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n s y s t e mi sa n a l y z e dt h e o r e t i c a l l ya n di tc a ni m p r o v et h ec h a n n e lc a p a c i t ya n dr e d u c e t h eo u t a g ep r o b a b i l i t y t h ep r o p o s e da l g o r i t h mh a sb e e ns i m u l a t e di nt h eu p l i n ko fc e l l u l a rm o b i l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m f i r s t , s y s t e ml o c a l i z et h ef r e er e l a y si nt h es q u a r ea r e a c o v e r e db yac e l li nac o o p e r a t i v ew a y , t h e ns e l e c tp a r t n e rf o re a c hu s e ra c c o r d i n gt o l o c a t i o ni n f o r m a t i o n ，f i n a l l yb sw i l lr e c e i v et w op a t hi n d e p e n d e n t l yf a d e ds i g n a l sa n d a p p l ym r c ( m a x i m u mr a t i oc o m b i n i n g ) c o m b i n et h e m s i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t e a no b v i o u si m p r o v e m e n ti ns n ro fr e c e i v e ds i g n a la td e s t i n a t i o no v e rc o o p e r a t i v e c o m m u n i c a t i o n s b e s i d e s ，t h ep r o p o s e da l g o r i t h ms h o w sm o r ea d v a n t a g e st h a nt h e o t h e rt w o i nc o n c l u s i o n , t h eu p l i n ks i g n a lq u a l i t yc a l lb eg r e a t l y i m p r o v e db y s e l e c t i n gt h ea p p r o p r i a t ep a r t n e rt oa s s i s tt r a n s m i s s i o nw h i l ec o m p a r i n gw i t hd i r e c t t r a n s m i s s i o n t h e r e f o r e ，a ne f f e c t i v ea n df e a s i b l es c h e m ei so f f e r e dt oa c h i e v eh i g h e r r e l i a b i l i t ya n db r o a d e rc o v e r a g ef o rt h ed e v e l o p m e n to fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m k e y w o r d s ： c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n s ；p a r t n e rs e l e c t i o n ； o p t i m a l p o w e r a l l o c a t i o n ；r e s i s tf a d i n g ；o u t a g ep r o b a b i l i t y 目录 绪论1 协作通信技术的背景及发展l 协作伙伴选择主要研究方向2 研究内容和创新点3 论文结构4 无线通信中的协作分集技术5 协作分集技术5 2 1 1 无线通信信道5 2 1 2 无线通信中的分集技术8 2 1 3 协作分集1 0 中继协作策略1 3 2 3 协作通信系统的性能分析1 4 2 3 1 协作通信系统的性能指标1 4 2 3 2r a y l e i g h 信道下协作通信系统的性能分析1 5 2 4 本章小结1 8 第三章协作通信系统的伙伴选择策略1 9 3 1 伙伴选择策略概述1 9 3 2 蜂窝移动通信网络中伙伴选择策略1 9 3 3 两种伙伴选择策略介绍2 3 3 4 本章小结：2 6 第四章协作通信中结合位置信息的伙伴选择策略2 7 4 1 协作通信系统的传输模型2 7 4 2 获得中继的定位信息2 8 4 3 基于位置的确定信源的协作区域3 l 4 4 信源选择协作伙伴的优先级3 2 4 5 中继信道距离最短的伙伴选择策略3 3 第五章基于最优功率分配的伙伴选择算法3 7 5 ，1 系统模型简介3 7 5 2 基于最优功率分配下最小中断概率协作中继的伙伴选择策略3 8 第六章算法仿真及性能分析4 1 6 1 仿真平台及参数设置4 1 6 1 1 仿真平台4 1 6 1 2 仿真参数设置4 2 6 2 系统仿真流程4 2 6 3 仿真结果及分析4 4 6 3 1 协作定位系统( c l s ) 的定位性能4 4 6 3 2 不同数量空闲中继下的系统误码性能4 7 6 3 3 接收信号信噪比最小的信源选择伙伴进行协作传输的误码性能4 9 6 3 4 系统所有信源选择伙伴进行协作传输的误码性能5 2 6 3 5 基于最优功率分配下最小中断概率算法的性能分析5 4 结束语5 7 参考文献5 9 发表论文和参加科研情况6 3 致谢6 5 附录6 7 第一章绪论 第一章绪论 1 1 协作通信技术的背景及发展 未来无线通信系统正在朝宽带化、移动化、异构化、全i p 化及个性化等方 向飞速发展。为了能够满足下一代宽带移动通信标准( i m t - a d v a n c e d ) 的高速传 输速率和高频带时宽覆盖范围的需求，业内已经把协作通信( c o o p e r a t i v e c o m m u n i c a t i o n ) 技术视为未来移动无线通信系统的关键技术之一。 随着多种无线通信技术与通信系统的飞速发展，且人们对无线通信系统愈来 愈高的传输速率需求，m i m o ( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ) 系统凭借它显著 的优点已经被大多数主流移动通信协议和标准所采纳。不过，理想的m i m o 系 统要求接收天线间的间隔为d = - 2 2a 为波长) ，以确保各链路之间接收的信号是互 不相关的。然而目前移动通信系统的状况是：天线阵列维数比较小，大都处于散 射环境，电磁波波长较长，而移动台由于尺寸大小、硬件复杂度和成本等约束条 件不能支持多天线，所以无法利用本地空时编码实现上行链路的传输分集技术， 而协作通信的提出恰恰解决了这个问题。 协作通信技术最早可以追溯到c o v e r 和e lg a m a l 研究的中继信道的信息理 论【l j ，这一突破性进展为协作通信技术的研究奠定了深厚的理论基础。s e n d o n a r i s 等人受到其启发，先后提出了协作分集的概念【2 】【3 1 ，使具有单根天线的终端能够 获得类似于m i m o 系统中的空间上的分集增益。其基本思想是：在多用户环境 中，具有单根天线的终端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，从而获得分集增益。s e n d o n a r i s 等人从信息论理论的角度出发 对中断概率、遍历概率和信道容量所做的分析显示出协作分集具有巨大的潜力。 这说明协作分集不仅能够改善系统的传输速率，还能够降低系统的中断概率【2 】。 l a n e m a n 等人相继提出了两种基于重传的协作分集策略 4 1 ，即放大中继和解码中 继，并针对解码中继进行进一步的了扩展，提出了选择中继以及增强中继协作策 略p j 。因为放大中继与解码中继都是基于重传的协作策略，所以从信道编码角度 来看，它们均没有很大程度的利用信道的带宽，于是h u n t e r 等人又提出了基于 信道编码的协作策略，即编码协作 6 1 1 7 。不同于放大中继和解码中继需要重复发 送信号，编码协作策略是把所需要发送的码字分成了两个部分，一部分由发送端 进行发送，而另一部分由协作端进行发送。研究显示编码协作分集要比放大中继 以及解码中继更具有良好的性能。 天津工业大学硕士学位论文 目前协作通信在无线通信系统中有多种应用，包括协同m i m o 和多用户协 同等。考虑到移动终端只能配置l 到2 根天线，为了保证天线数目受限的终端用 户也能获得m i m o 增益，l a n e m a n 等人提出了协同m i m o 的概念悼j 。这是一种 通过虚拟天线阵列使得用户能够获得空间分集的协作技术，目的是获得协同分集 增益。此外，通过各个单天线终端之间的协作处理，可以构成虚拟的天线阵列 ( v a a ，v i r t u a l a n t e n n a a r r a y ) ，并可以进一步采用虚拟m i m o 的空时信号处理技 术、分布式天线和穿戴式天线等协作通信系统提高系统性能。另外，在多跳无线 通信网络中，为了提高传输速率，需要多个用户相互协作从而使用类似m i m o 的传输方案以获得空间分集增益，这是多用户协同分集的由来。 总体说来，协作通信技术为未来移动通信发展的更高速率、更广覆盖、更大 容量提供了一种有效的方案。另外，该技术还可以应用于无线自组织网、无线局 域网以及无线传感器网络等多种场景，今后还可以将这些网络融合起来，形成全 新的智能网络。从初步的网内协作发展到高级的网间协作，来带动未来的移动通 信向着“融合、协作这个大方向发展，相信这必将引起移动通信领域的重大 变革，并具有广阔的发展前景。 1 2 协作伙伴选择主要研究方向 无线协作通信理论是现在研究的热点问题，它已成为信息理论的一个崭新的 重要分支，它已经成为未来宽带移动通信系统的主要组成部分。协作通信可应用 在无线通信技术的各个方面，例如无线频谱协作、无线空中接d 协议协作、业务 协作、无线传输技术协作、多无线接入网组网技术协作、网络安全协作等等。 不过，有一点需要注意，虽然目前非常热门的无线中继技术具有多种形式， 如放大转发、解码转发和估计转发等，然而它们重要的理论基础之一是协作通信 理论【9 】。基于中继的无线通信是协作通信系统应用的一种特殊场景，协作通信理 论是改善无线中继性能的关键。 实际上，无线移动通信系统中的协作理论是为了生成单一无线网络，这是单 一无线传输或是组网技术所不具有的能力。一般的，经过协作处理后的网络功能 会大于每个组成部分的功能之和的，也就是追求系统理论中的“涌现 效应。通 过协作通信理论，可以获得用户分集和空间分集增益，改善数据传输速率，增大 系统的覆盖范围，降低终端的功耗等。 中继节点总共包括两种：第一种是固定中继，固定中继是指在现有网络中增 加一些新的节点，来转发源节点发送到目的节点的数据；另外一种是在不增加新 的外部设备前提下，利用网络中一些信道条件比较好的用户为信道条件较恶劣的 2 本文主要是在协作通信技术在移动通信领域中的应用进行了研究，技术路线 是基于最优功率分配下的伙伴选择的相关算法研究，这与目前无线通信领域的协 作算法研究稍有不同，它是将功率分配和中断概率这两个领域的相关问题交叉统 一作为整体进行全面探讨，由最小中断概率这个性能指标来为用户选择合适的伙 伴，从而实现信息的协作传输，进而提高空间分集增益，对提高接收信号的质量 和扩大网络的覆盖范围具有重要的理论意义和实际应用价值【1 3 】。 考虑到无线协作通信系统在蜂窝移动通信系统中的应用，本文主要的研究内 容为：首先了解无线移动通信系统信道传播的特性，然后建立信道传输模型；接 着在物理层上进行理论分析，通过实际通信网络具体场景，分析了已有的伙伴选 择算法在节点功率方面受限比较明显，并通过分析该协作协议的特点，说明传统 的伙伴选择算法已经不能满足通信网络的需要。进而提出了使用功率分配的系统 模型，并以此为基础改进了已有伙伴选择算法；然后建立协作通信系统的传输模 型，研究了结合位置信息的伙伴选择策略，在蜂窝移动通信系统的上行链路中使 用协作式传输进行仿真，也就是通过协作定位算法对蜂窝覆盖的一个正方形区域 中的空闲中继节点进行定位，然后把它与所获得的定位信息进行结合为该区域中 的用户( 即信源节点) 选择一个最佳协作伙伴，基站( 即目的节点) 接收两路历 经独立衰落的信息然后进行合并，实现空间上的分集，最后对系统的误比特率性 能进行了评估，比较了协作式传输和直接传输的接收信号质量。由此可以说明， 在相同的接收信号质量下协作式传输不但可以改善系统性能还可以扩大网络的 3 天津工业大学硕士学位论文 覆盖范围。 1 4 论文结构 本文的第一章主要对无线通信发展史中协作通信技术的背景与发展进行了 简要的回顾，并介绍了课题的研究背景及内容；第二章介绍了移动通信中无线电 传播特性，然后对无线传播信道进行了建模，接着介绍了无线通信系统中的协作 分集技术；第三章主要介绍协作通信系统的伙伴选择，并通过介绍两种伙伴选择 策略，引出了本文所提出的算法；第四章主要研究了结合位置信息进行伙伴选择 的具体技术路线：第五章提出了基于最优功率分配下的最小终端概率的协作选择 算法，并给出了理论推导；第六章给出了仿真结果及性能分析；最后对全文作了 总结，并对未来研究作了展望。 4 第二章无线通信中的协作分集技术 第二章无线通信中的协作分集技术 分集技术 线通信信道 通信信道是移动通信的传输媒介，信息全部在这个信道上进行传输。那 能直接决定了通信的质量，为了可以在有限的频谱资源上更好的提高频 谱的利用率、加快传输速率以及增加信道容量【1 4 】，那么就必须认识无线通信信道 的基本特性，并能根据信道性能的好坏给出相应合理的解决办法，采用一定的策 略来降低信道干扰和衰落，进而保证通信的质量。 2 1 1 1 无线信道中的衰落 无线通信系统的性能主要受无线信道的影响，在现实情景中，发射机与接收 机之间的路径传播是具有一定的复杂性的，在基本的视距传播之外，还将会受到 各种复杂物体的影响【1 5 1 ，如建筑物、山脉或树叶等。无线信道和有线信道有所不 同，有线信道具有固定和可预见性，而无线电波的传播却有着非常强的随机性， 因为影响它的因素非常的多，如终端的移动速度、发射天线和接收天线之间的地 形环境( 室内、室外、乡村、城市等) 、信号的频率与带宽、天线类型和气候条 件( 雨、纯净空气、雾等) 等。 在无线信道下，电磁波传输的形式主要包括直射、反射、绕射和散射【1 6 1 ，这 些传播的特点会直接影响接收点处的信号，并产生一定的衰落，这对于传输信号 的质量和可靠性都具有非常大的影响，有一些严重的衰落甚至会造成传播的中 断。无线信道中的衰落主要有下面三个方面【l 刀： l 、路径损耗 路径的传播损耗会随着发射机和接收机之间距离的相应变化而导致电磁波 强度的衰减，其反映了电磁传播在宏观大范围的空间距离上，接收信号平均电平 值的变化。当发射机和接收机之间的距离在较大的尺度上( 如数百米或数千米) 变化时，接收信号电平值平均功率和信号传播距离的刀锄表示路径损耗指数) 次 方成反比，大小和具体环境有着很大的的联系。其特点是变化速度慢，信道在很 长的一段时间里可认定为是恒定不变的。 2 、阴影衰落 5 天津工业大学硕士学位论文 电磁波在空间传播会受到地形起伏或者高大建筑物的阻挡等影响，在这些障 碍物的后面就会产生出电磁场的阴影效应，导致场强的变化，进而导致信号的衰 弱，这便称为阴影衰落。阴影衰落可以从下面两个方面进行描述：第一种是路径 损耗和平均值的统计变化，可以应用空间传播模型来进行近似；第二种是阴影衰 落也可以采用比较大的空间尺度来衡量。阴影衰落是很慢的，因此可以看作是静 态的。 路径损耗和阴影衰落可以进行合并，它反映了无线通信信道处于大尺度时对 传输信号具有一定的影响，可称为大尺度衰落。由于这种衰落对于信号的影响能 够反映出信号随着传播距离的增加而缓慢的起伏变化，它的变化率要比信息传输 的速率要慢，因此也称为慢衰落，一般的慢衰落是服从对数正态分布的。 3 、小尺度衰落 由于不同物体可以产生出多径反射，经过不同的路径进行传送的信号也会随 之产生不同的衰减和延时，这导致各条路径中的发射波到达接收机端的相位和时 间都不相同。不同相位的许多信号在接收端相叠加，同相叠加会导致信号幅度增 强，而反相叠加就会导致信号幅度的削弱。如果发射机和接收机之间的距离处于 比较小的尺度上( 如数个波长) 变化时，接收信号的功率就会随之急剧的变化， 这称为小尺度衰落。 小尺度衰落又可以称为快衰落，其反映了无线信号处于较短的时间或者距离 里的快速变化的特性，它的特点是变化快速，也就是在很短的时间里信号衰减会 很快，一般的快衰落是服从瑞利分布或莱斯分布的，其依赖于反射路径的n l o s ( n o nl i n eo fs i g h t ) 或者l o s ( l i n eo fs i g h t ) 传播特性，而快衰落又可以再 分为三类【1 3 j ： ( 1 ) 空间选择性衰落 空间选择性衰落表示在不同的空间位置是和地点的衰落特性不一样的，这是 由于开放型的时变信道造成天线的点波束从而产生扩散显现而引起的。其一般被 称为瑞利平坦衰落，这里的平坦特性指的是在频域、时域内是不存在选择性衰落 的。最有效的抵抗这种衰落的手段是空间分集或者其他空间上的处理方法。 ( 2 ) 频率选择性衰落 频率选择性衰落表示在不同的频段上衰落特性是不一样的，这是由于信道在 时域上的时延扩散而引起的。最有效的抵抗这种衰落的方法包括自适应均衡、 o f d m ( 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 ) 以及c d m a ( c o d ed i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ) 中的r a k e 接收等。 ( 3 ) 时间选择性衰落 时间选择性衰落表示在不同的时间里衰落特性是不相同的，这是由于用户的 6 了衰 播才 法仿 所以 协作 集技 比较 落情 号或 者独立多径分量接收包络进行时变特性统计的一种分布。如果在发送天线与接收 天线之间没有视距传播，那么多径衰落的系数往往能够认为是独立且分布一致 的，在这种情况下能够通过运用中心极限定理，使最终的路径增益能够建模为一 个复高斯随机变量( 其幅度服从瑞利分布) 。 本文主要研究的是瑞利平坦衰落信道下系统性能指标，采取的是如下所示的 系统传输模型： y ：打面而x + ，7 ( 2 1 ) 其中y 表示接收端的接收信号，x 表示发射端发送的信号，尸表示发射端的 发射功率，k 表示接收端的接收增益系数( 为一个常数) ，d 表示发射端到接收 端的实际距离，刀表示路径损耗指数，h 表示发射端到接收端的信道衰落系数， 刁表示加性高斯噪声。无线信道仿真主要是基于a w g n 信道和平坦瑞利信道的。 首先，a 、n 信道不论从理论上还是从实现上都相对的较为简单。通过 m a t l a b 进行仿真的过程中，能够直接采用系统自带的a w g n 函数进行实现。 但是考虑到这必须要提取每个信道的估计值，本文运用了另外一种近似的产生高 斯随机数的方式进行仿真来实现，其能够产生均值为0 ，方差为n o ( n o 是信道 的噪声功率) 的高斯噪声。 其次，平坦瑞利信道能够看作一个复高斯信道。在通信原理中已经介绍过了 实部和虚部都是独立同分布的复高斯随机过程的幅度一般是服从瑞利分布的。因 此，本文直接利用复高斯过程从而生成瑞利信道，同样的能够提取每个信道的衰 7 天津工业大学硕士学位论文 落系数，且没有直接利用m a t l a b 自带的r a y l e i g h c h a n 函数。 本文在研究伙伴选择下的协作通信系统性能指标时，采取的是准静态瑞利衰 落信道，可以认为信道是缓慢变化的，设信道传播的衰落系数为随机的，且在某 一个特定的并且固定时长也就是发送信号的一个数据帧时间里均是保持不变的， 不过在下一帧时隙信道会随着发生了一些变化，即准静态瑞利衰落信道。 2 1 2 无线通信中的分集技术 通过对以上无线信道的研究分析，我们可以认识到影响通信质量的主要因素 之一是信道的衰落特性。因此自由空间的传播损耗和弥散引起的衰落，可以通过 加大发射功率来进行改善；对于由多径引起的多径衰落及多普勒效应产生的损 耗，可以通过“微分集 技术来改善；对于由建筑物、地形起伏以及障碍物的遮 挡引起的阴影衰落，可以通过“宏分集”技术来改善，有此可见分集技术是一种 抗衰落的有效措施【2 0 j 。 2 1 2 1 分集技术 分集技术表示通过寻找和利用自然界中的无线传播环境里独立的多径信号 来实现的一种技术，其包括分集接收和分集发送两种类型。分集接收表示接收端 对其接收到的许多个衰落特性互相独立且携带相同信息的信号采用合并技术来 把各支路信号合并输出，它可以很大程度地降低深度衰落的概率。分集技术能够 降低衰落对信道的影响，通过得到分集增益，并且提高接收灵敏度，能够有效地 抵抗平坦衰落，这项技术已经广泛应用在移动通信、短波通信等随机参数的信道 中。 分集技术中常见的类型主要包括频率分集、时间分集、角度分集、极化分集 和空间分集等。 时间分集表示通过超过信道的相干时间的时间间隔来重复的发送信号，能够 实现信号间的独立衰落，从而得到分集效果。 频率分集表示在许多个载频上对传送信号进行分集，当两路载频间隔均比信 道相干带宽要大时不会出现一样的衰落，不过其需要占用更多的频率资源。 极化分集表示在发射端和接收端分别的安装两个幅度极化特性不相同的天 线，一个是水平极化，一个是垂直极化，从而得到两个不相关的信号。 角度分集表示在接收端安装一个定向天线来接收到达方向不一样的信号，从 而把不相关信号合并在一起，最后得到分集增益。 因为空间分集可以充分地利用系统的空间区域，能够在不牺牲信号频率资源 与时间资源的条件下，确保数据传输速率并同时得到比较大的分集增益，所以空 3 第二章无线通信中的协作分集技术 间分集是作为抵抗多径衰落的有效途径，因而备受关注。在移动通信系统中，空 间的微小变动就能够出现比较大的场强上的变化。所以当采用两个接收信道时， 它们分别受到的衰落特性是完全不相关的，而且在同一时刻二者历经深度衰落的 可能性也会比比较小，所以利用两个独立的接收天线接收同一个信号，然后进行 合并后输出，其衰落的程度会很大程度上的减小，即空间分集。其利用了场强在 空间上能够随机变化的特性，即空间距离越大，多径之间的差别也就越大，接收 到的场强的相关性也就会随之变小。经过测试，若要获得满意的分集效果，往往 需要两个天线之间的距离要大于半个波长。 空间分集技术主要也是包括发射分集与接收分集。传统的空间分集技术主要 是接收分集，接收分集表示在接收端设置几个不相同的天线，并且同时接收一个 发射天线发射过来的信号，然后对输出信号进行合并。发射分集表示在发射端安 装许多个天线，且同时要对相同的信号进行发射，主要形成信号的许多个版本。 空间分集技术就是利用多副天线来进行实现的，其要求天线之间的距离必须大于 半个波长，才能确保全部线路上的信号衰落特性相互独立。分集天线能够把多径 信号分离出来，能够使它们互不相干，最后通过合并技术将分离出来的信号进行 合并，从而获得最大的信噪比收益。 2 1 2 2 合并技术 合并技术表示根据某种方法把得到的许多个独立的衰落信号进行相加然后 合并输出，进而获得分集增益。分集技术中经常使用的合并方法主要包括选择合 并、等增益合并和最大比合并三种方式【2 l l 。 其中，选择合并是合并方法中最为简单的一种，其首先利用逻辑电路检测出 全部接收机输出信号的信噪比，然后选择出其中最大的一路进行合并输出。等增 益合并指的是调整每个支路的相位，使得它们全部相同，然后将其中几个分散的 信号以一样的支路增益进行直接加和，采用加和后的信号作为输出信号。最大比 合并指的是调整各支路的相位，使得它们均相同，然后调整每条支路加权系数和 它们的支路的信噪比成正比，最后把各支路信号进行加权加和，用来作为输出信 号，可以知道信噪比越大，加权系数就越大，对合并后的信号的贡献就能够达到 最大。每种合并方式改善系统输出信噪比的能力是不同的，其中最大比合并的方 法最好，而等增益合并次之，选择合并则最差。 2 1 2 3m i m o 技术 从现在的技术发展趋势来看，改善无线通信系统频谱效率的方式主要有两 种：第一种是通过采取更高阶的调制技术或者更优良的信道编码策略来尽量逼近 9 天津工业大学硕士学位论文 目前现有的s i s o ( s i n g l ei n p u ts i n g l eo u t p u t ) 系统信道的容量；第二种方法是 在带宽不增加的前提下，采用m i m o 技术来改善系统的信道容量。在无线衰落 环境中，在有限带宽的情况下逼近信道容量，这种技术难度较大，而且s i s o 系 统自身信道容量也是非常有限的，因此下一代移动无线通信系统中考虑比较多的 还是应用m i m o 技术。 m i m o 技术是一种能够提高数据传输速率的重要手段之一【z 2 j ，目前已经得 到人们越来越多的关注，它已经成为新一代无线传输系统的关键技术之一，并引 起了通信界很大的关注，最近几年m i m o 技术得到了很大的发展，m i m o 系统 最早是m a r c o n i 在1 9 0 8 年提出的，它是采用多天线来抑制信道的衰落。m i m o 技术是采用多个发送和接收天线，能够在无线信道中产生许多个相互独立的并行 传输信道，采用这些信道同时进行传输多路数据信息，可以有效地改善系统的传 输速率，而且并不需要额外再增加系统所占的带宽，从而达到提高频谱利用率的 目的。 传统无线通信理论上认为多径传播是导致信号衰落的一个原因。而m i m o 技术就是一种能够有效的抗衰落措施并且己被业内广泛的应用，m i m o 技术充分 利用了传输中的多径信号的能量，进而很大程度地改善了信号传输的可靠性。从 研究结果可以看出，当不相同的发射天线与接收天线之间互相均不相关的时候， m i m o 系统可以提供更好的抗衰落性能和抗噪声性能。 m i m o 技术本质上是为了改善通信系统的空间复用增益和空间分集增益为 目的的，空间复用能够很大程度的改善信道容量，相比来说空间分集能够提高信 道的可靠性、降低传输误码率，本文在设计中主要考虑到的也是空间分集技术， 达到提高接收信号质量的目的。 空间分集一般用两个或者多个大于相关距离的天线同时接收信号，然后再把 这些不相关的多路信号进行合并。合并接收信号采取的准则包括等增益合并 ( e g c ) 、选择分集合并( s d c ) 和最大比率合并( m r c ) 这三个不同的类型。 在m r c 接收中，每一个天线的输出可以用一个复数进行加权，然后相加；在e g c 接收中，各个天线的输出信号保持相同的相位，然后进行加和；在s d c 接收中， 简单地选择全部信号中质量最好的那一个天线的信号作为接收信号。因为最大比 率合并之后信号的信噪比是等于进行合并之前各支路的信噪比的加和，所以 m r c 是最佳的合并方式，本文的算法仿真中全部信宿节点都是使用m r c 来合 并接收信号。 2 1 3 协作分集 虽然m i m o 技术具有很明显的优势，并且已经逐渐被新一代的无线通信系 l o 2 1 3 1 协作分集的工作原理 训嬲中黧鬻纛_ 焉差鬻淼篱纂，君 噤之竺_ 露瓮黧0 卷燃鬣籍茹嚣二：； 嬲：乏鬯然鼍嚣薯淄淼菇赫 缳然霎黧鬻滕嚣：磊兹磊蔷菘； 兰苎要堡应的慧处磊主嚣一萎鬈差篇蒹磊孑蒜茗品磊按照 目的终端d ，这时s 也能够向d 发送重复的或看新嗣佰弓取用日一”一 天津工业大学硕士学位论文 当协作终端尺有信息要进行发送时，也能够要求d 进行协作，这种协作方式 可扩展到多个终端以及多跳传输的情况。协作分集的本质就是希望借助其他协作 伙伴的天线和其本身的天线一起传输两条或者多条在空间上相互独立衰落的信 号副本，从而实现空间分集，得到分集增益。目前的研究成果显示：在平坦衰落 情景下，协作分集能够扩大系统容量，改善数据传输速率，有效的对抗衰落和降 低系统的服务中断概率，改善网络服务质量，提高系统性能。 另外，协作分集在某种意义上来讲能够看做是一种空跳的形式，按照某些准 则使得用户信息在空间区域内进行跳变，与常用的抗干扰的直接序列跳频、扩频、 跳时等相比而言，具有充分利用空间资源等优势。所以协作分集的思想还可以应 用在抗干扰通信中。 2 1 3 2 协作分集存在的一些问题 当前在通信行业内关于协作分集技术的研究已经有很多了，不过还是存在很 多问题急需解决，下面对一些主要问题进行简单的介绍： 1 、目的终端必须要了解到协作伙伴的一些信息：在简单的译码中继方式下， 目的终端就必须需要知道协作伙伴之间信道的差错概率；在放大方式下，必须知 道协作伙伴之间的信道状态信息；而在编码和选择译码中继方式下，必须知道终 端之间是否已经进行了协作，协作对象是谁等等。因此，在不增加系统别的开销 的前提下，怎样得到所需信息是一个要解决的问题。 2 、同步的问题：当前大多数研究协作分集的文献都是已经假定系统具有良 好的同步性，也就是说协作终端间、协作终端和目的终端间全部是同步的，不过 这在实际通信系统中是不容易实现的。所以协作分集中相同的信息是由多个协作 终端发送到目的终端的，若多个协作终端至目的终端的时间延迟均不相同，那么 协作终端间的同步性问题和协作终端与目的终端之间的同步问题就是相互矛盾 的。以目前的同步机制来看，若做到了许多个协作终端之间的同步，则很难做到 目的终端和协作终端间的同步，反之亦然。 3 、基站端的改进：引入协作分集技术会造成基站端的接收复杂性提升，所 以开展对于协作方案中的信道估计和信号检测等方面的研究就变得很有必要。另 外，怎样进一步采用空间资源来改善接收性能呢? 因为蜂窝通信系统中，在基站 端安置多条天线的方案是可行的，所以可以在发射时采用协作分集，接收采用多 天线接收分集技术。总而言之，协作通信中基站怎样充分的利用空间信息还是需 要进一步研究的问题。 4 、频率选择性信道下协作分集问题：到目前为止，大部分有关协作分集技 术的研究工作都是以假设信道为平坦衰落作为前提。不过在实际的通信系统中， 1 2 的协作信号处理技术等，不过这并不能够由于协作分集技术的一些缺点而忽略对 其继续的研究。目前在协作分集研究的基础之上，还能够继续进行改善，进一步 的研究，从而达到更好的性能。 2 2 中继协作策略 无线通信系统的性能指标主要是用来尽可能地降低用户终端设备的发射功 率以及增强系统传输能力而设定的，因此对于中继端对协作信号的处理方式( 也 就是中继协作策略) 上就变得非常的关键，它是改善系统整体性能的一个关键点。 从目前看来，主要的协作策略包括以下三种( 都以上行链路为例) ： l 、放大转发方式( a f ：a m p l i f ya n df o r w a r d ) 在a f 转发方式下，中继首先会收到原始用户发送的带有噪声的信号，接着 放大并且重新进行发送这个包含噪声的信号到基站。尽管在这个过程中噪声也被 同时放大了，不过基站会把接收到用户和中继之间发送的两路历经独立衰落的信 号进行合并最后能对传输比特做出比较好的判决。因为中继不会解调和解码接收 到的信号，所以，这是一种较为简单的协作机制。 2 、解码转发方式( d f ：d e c o d ea n df o r w a r d ) 在d f 转发方式下，中继首先会将原始用户发送的信息比特进行检测( 包括 解调、解码和判决) ，接着将判决后的信息进行编码和调制，最后再发送到基站。 基站在此情况下一样是接收到用户到中继之间发送的两路历经独立衰落的信号， 1 3 天津工业大学硕士学位论文 能够选择性地进行接收或进行最大比率合并。d f 方式是由上行链路与用户信道 间的条件所决定的，它能够对相关发射功率进行优化，对于信道状态有着自适应 的能力，不过要比a f 复杂。 3 、编码协作方式( c c ：c o d e dc o o p e r a t i o n ) c c 转发方式指的是把协同的思想和信道编码融合到一起的一种策略。在这 个模式下，用户不需要重复地发送协作用户的信号，主要是利用编码的特点，通 过两个相互独立的衰落信道来发送用户码字的不相同的部分。其基本思想体现在 两个( 或者多个) 用户下，各个用户给伙伴发送含有冗余的数据信息，供它校验 信息。决定c c 效率的关键体现在实现协作的自动控制是通过编码设计，这里不 需要用户之间的反馈。当信道条件恶劣时，该机制会自动的恢复到非协作的模式。 本文再从信息论的角度出发，可以看到编码协作方式在信道的利用上是优于 前面两种方式。一般地，现有的信道编码方法全部能够用于编码协作网络中，主 要包括线性分组码与卷积码，或者两者的某种组合，也能够设计专用的编码进行 实现。编码的性能越好，码字内部的相关性就会越强，编码协作的性能也就会相 应得到改善。 2 3 协作通信系统的性能分析 2 3 1 协作通信系统的性能指标 通信质量的好坏往往需要用某种标准进行衡量，衡量指标的选择需要由具体 的应用和系统来决定。无线通信系统经常用误码率、输出信噪比、中断概率等性 能指标来对通信的质量进行衡量，不过对于协作通信来说又增加了分集增益这一 指标。下面本节重点介绍协作通信系统中一些指标的定义以及其应用。 输出信噪比指的是目的终端对于每路信号进行合并处理后输出信号的功率 和噪声功率的比值。其表示每条链路上信噪比的某种函数，输出信噪比如果越大， 就说明噪声对信号的干扰相对越弱，解码出错的概率就会降低，因此希望协作通 信中输出信噪比是越大越好。 误码率是用来衡量数字通信系统接收机的一种性能指标，其表示接收机对于 输入信号判决错误的概率，误码率如果越低就说明接收机的性能越好。在协作通 信中，误码率越低意味着协作通信系统中伙伴选择以及功率分配等是比较合理， 能够使合并的信号会比较好的进行输出，降低判决出错的概率。 中断概率在一定程度上反映出通信链路的可靠性。其表示的是从信息论的角 度来考虑通信系统性能问题，定义为信道容量如果低于预先设定的某个门限值的 概率。一般地，中断概率如果越低就说明链路越可靠。在协作无线通信系统中， 1 4 息速率如的概率。下面本节对每种协作协议的处理过程进行结合，给出协作协 议下信道容量与中断概率的定义式。 图2 - 2 中继协作网络的简单模型 九= 只，乃= e 分别表示信源终端和协作终端的信噪比，直通链路 和协作链路的衰减系数分别表示为矗耐、k 和k ，可以知道它们的幅度值一般是 服从i 娜l e i 曲分布的，其均值为零，方差分别表示为艺、和厶。 在非协作传输模式下，其信道容量与中断概率分别表示为式( 2 1 ) 和式 ( 2 2 ) ： k = l o g ( 1 + l k1 2 兀) 蹬= p r k