（电路与系统专业论文）协作通信系统中分布式空时编码的研究.pdf

南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学电路与系统 作者：2 0 0 7 级研究生韩夏 指导教师：刘陈教授 题目：协作通信系统中分布式空时编码的研究 英文题目：t h es t u d yo fd i s t r i b u t e ds p a c e - t i m ec o d e s i nc o o p e r a t i v e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s 主题词：协作通信，中继协作，空时编码准则，分布式空时码，对角块 正交代数空时分组码( d b o a s t ) k e y w o r d s ：c o o p e r a t i v e c o m m u n i c a t i o n ，r e l a yc o o p e r a t i o n ，s p a c e - t i m e c o d ed e s i g nc r i t e r i a ，d i s t r i b u t e ds p a c e t i m ec o d e s ，d i a g o n a l b l o c ko r t h o g o n a la l g e b r a i cs p a c e t i m e ( d b o a s t ) b l o c k c o d e s ， ； ，0 南京邮电大学硕士研究生学位论文 中文摘要 摘要 在协作通信系统中，分布式空时编码技术通过多个中继节点间的协作实现一种虚拟 m i m o 环境的空时编码，解决了由于移动端尺寸或者其他原因而无法采用多天线系统的 问题，同时能够获得空间分集增益，提高系统的传输性能，因而得到了研究人员的普遍关 注。 本文在频率非选择性信道的条件下，对无线协作通信系统中分布式空时码的设计进行 了研究。首先介绍了协作通信系统的概念以及分布式空时编码技术的发展现状，之后介绍 了m i m o 系统，并在其基础上深入研究了协作通信系统的原理、传输协作协议和协作通 信系统的容量；其次介绍了空时编码的系统模型、编码设计准则和编解码方法，并对典型 的空时分组码进行了性能分析；然后论述了协作分布式空时编码的系统模型以及编码方 法，并对其进行了性能分析和仿真；最后基于前面分析和比较的结果，改进了现有的协作 传输协议；并根据编码准则和空时分组码的码字结构特点，选取出空时分组码中性能更优 的d b o a s t 分组码对现有的分布式空时码进行改进，设计出了一种新的分布式空时码一 - - - d - d b o a s t 码，它能以1 符号每信道利用的符号传输率传输信息。文中证明了提出的 d - d b o a s t 码能够达到满发送分集度，同时对其性能进行了仿真，并给出d - d b o a s t 码 的球解码算法。通过与其它分布式空时码的比较，证实了d - d b o a s t 码在高信噪比( s n r ) 情况下，误码率明显低于其它分布式空时码。 关键词：协作通信，中继协作，空时编码准则，分布式空时码，对角块正交代数空时分 组码( d b o a s t ) i 南京邮电大学硕士研究生学位论文英文摘要 a b s t r a c t i nt h ec o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，t h et e c h n o l o g yo fd i s t r i b u t e ds p a c e - t i m ec o d i n g w h i c hi sa c h i e v e db yt h ec o o p e r a t i o no fs o m er e l a yn o d e sc a r tm a k eak i n do fs p a c e - t i m e c o d i n gi n 、，i n l l a lm i m o e n v i r o n m e n t i tc a ns o l v et h ep r o b l e mw h i c hi st h em o b i l et e r m i n a l s c a nn o tu s et h em u l t i - a n t e n n as y s t e md u et ot h es i z eo ro t h e rr e a s o n s a tt h es a m et i m e ，t h e t e c h n o l o g yo fd i s t r i b u t e ds p a c e - t i m e c o d i n gc a l la l s oo b t a i nas p a t i a ld i v e r s i t yg a i na n di m p r o v e t r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c eo f t h es y s t e m , s ot h i st e c h n o l o g yi sw i d e l yc o n c e r n e db yr e s e a r c h e r s i nt h i sp a p e r , t h ed e s i g no fd i s t r i b u t e ds p a c e - t i m ec o d i n gi ss t u d i e dw h i c hi si nt h e c o o p e r a t i v e w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mu n d e rt h e 丘e q u e n c yn o n - s e l e c t i v ec h a n n e l c o n d i t i o n s f i r s t l y , t h ec o n c e p to fc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n dt h ed e v e l o p m e n to f d i s t r i b u t e ds p a c e - t i m ec o d e si si n t r o d u c e db r i e f l y a f t e rt h a t , t h em i m os y s t e mi sb r i e f l y i n t r o d u c e d b a s e do nm i m os y s t e mt h ep r i n c i p l eo fc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s , c 删, i v c 缸如l s p o f tp l - 0 t o 沁l sa n dt h ec a p a c i t yo fc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m 肿 d i s c u s s e dd e e p l y s e c o n d l y , t h es p a c e - t i m ec o d i n gs y s t e mm o d e l ，s p a c e - t i m ec o d ed e s i g n c r i t e r i aa n dt h em e t h o d so fc o d i n ga n da e e o d i n g 撇i n u o d m e da n dt h ep e r f o n n a n c eo fn 鹭 t y p i c a ls p a c e - t i m eb l o c kc o d e si sa n a l y z e d t h e n , t h ef o u r t hc h a p t e ri n t r o d u c e dt h em o d e lo f c o o p e r a t i v ed i s t r i b u t e ds p a c e - t i m ec o d i n gs y s t e ma n di t sc o d i n gm e t h o d m o r eo v e r , t h e p e r f o r m a n c ea n a l y s i sa n ds i m u l a t i o no ft h ed i s t r i b u t e ds p a c e - t i m ec o d i n ga r ec a r r i e d o u t f i n a l l y ，b a s e do nt h ep r e v i o u sa n a l y s i sa n dc o m p a r i s o nr e s u l t s ，t h ee x i s t i n gt r a n s p o r tp r o t o c o li s i m p r o v e d ；c o m b i n e dw i t ht h ec o d i n gc r i t e r i aa n dt h ec h a r a c t e ro ft h es p a c e - t i m eb l o c kc o d e s ， b a s e do nt h ec o d i n gs t r u c t u r eo ft h ed b o a s tb l o c kc o d e sw h i c hh a st h eb e t t e rp e r f o r m a n c eo f s p a c e - t i m e b l o c kc o d e s ，an e wd i s t r i b u t e ds p a c e t i m ec o d e s i s p r o p o s e d - - ：t l l e d i s t r i b u t e d - d i a g o n a lb l o c ko r t h o g o n a la l g e b r a i cs p a c e - t i m ec o d e s ( d - d b o a s t ) i tc a nt r a n s m i t a tan o r m a l i z e dr a t eo f1s y m b o lp e rc h a n n e lu s e i ti sp r o v e dt h a tt h ed d b o a s tc o d e sc a n a c h i e v et h ef u l lt r a n s m i td i v e r s i t y t h es p h e r ed e c o d i n ga l g o r i t h mo ft h ed d b o a s tc o d e si s g i v e na n di t sp e r f o r m a n c ei ss i m u l a t e d t h es u p e r i o r i t yo ft h ed - d b o a s t c o d e si sc o n f i n n e d b yc o m p a r i n gw i t ho t h e rs p a c e - t i m eb l o c kc o d e s ，e s p e c i a l l yi nt h eh i 曲s i g n a l t o 。n o i s er a t i o s i t u a t i o n , t h eb i te r r o rr a t ei sl o w e rt h a nt h a to f o t h e rd i s t r i b u t e ds p a c e t i m ec o d e ss i g n i f i c a n t l y n 1 。1 。1 。 _ _ _ 。 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。1 。1 1 。“。1 。1 。_ _ 。_ _ _ 。1 。 塑室坚皇查堂堡圭堡壅生堂垡笙壅 。! 塑 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 , r e l a yc 。p e r a t i 。n ，s p a c e 。t i i n e c o d ed e s i g nc r i t e r i a , d i s t r i b u t e ds p a c e - t i m ec o d e s ，d i a g o n a lb l o c ko r t h o g o n a la l g e b r a i c s p a c e - t i m e ( d b o a s t ) b l o c k c o d e s i i i 一 南京邮电大学硕士研究生学位论文目录 摘要 目录 a b s t r a c t 目 第一章绪论 i i v 1 1 1 协作通信系统概述l 1 2 分布式空时码的引入及发展。2 1 3 本文的主要研究工作和章节安排3 第二章协作通信技术5 2 1 无线衰落信道的传播特性5 2 1 1 多径时延扩展引起的衰落效应。6 2 1 2 多普勒频移引起的衰落效应7 2 2 分集接收技术7 2 2 1 分集技术分类8 2 2 2 分集合并技术9 2 3m i m o 系统基本原理l l 2 3 1m i m o 系统模型1 1 2 3 2m i m o 系统的信道容量分析：1 4 2 4 协作通信系统基本原理1 6 2 4 1 中继信道协作通信系统协议模型1 6 2 4 2 协作通信系统中的协作方式分类。1 7 2 4 3 协作通信系统的信道容量1 8 第三章空时编码与解码技术 2 1 3 1 空时编码的系统模型2 1 3 2 空时编码的编码准则2 2 3 2 1 空时编码的差错率分析2 2 3 2 2 空时编码的设计准则2 4 3 3 典型的空时分组码编码方法2 5 3 3 1a l a m o u t i 空时码2 5 3 3 2 正交空时分组码2 7 3 3 3 具有被旋转星座图的空时分组码2 8 3 4 空时分组码的解码方法3 2 3 4 1 最大似然解码。3 3 3 4 2 迫零算法( z f 算法) 3 4 3 4 3 最小均方误差算法( m m s e 算法) 3 4 3 4 4 球解码( s d ) 。3 5 第四章协作分布式空时码 4 1 协作分布式空时码系统模型。3 8 4 2 分布式空时码的编码方法4 0 i v 南京邮电大学硕士研究生学位论文目录 4 3 分布式空时码的性能分析。4 2 4 3 1 分布式空时码的差错率分析4 2 4 3 2 发送分集度4 3 4 3 3 符号传输率4 5 4 4 仿真结果4 6 4 4 1 分布式a l a m o u t i 空时( d a l a m o u t is t ) 码。4 6 4 4 2 分布式对角代数空时( d d a s t ) 码4 7 4 4 2 分布式线性空时( d l s t ) 码4 8 第五章新分布式空时码的设计 5 0 5 1 新分布式空时码的系统模型5 0 5 2 新分布式空时码的编码方法5 1 5 3 新分布式空时码的性能分析5 5 5 3 1 符号传输率5 5 5 3 2 发送分集度5 5 5 3 新分布式空时码的解码5 6 5 4 性能仿真5 7 5 4 1 性能比较5 7 5 4 1 性能仿真。5 8 第六章结论 致谢 本人在攻读硕士研究生期间发表的论文 v 6 l b 6 4 6 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 1 1 协作通信系统概述 第一章绪论 2 l 世纪，人类社会已逐步跨入信息时代。发达的通信是信息时代的重要标志，也是实 现信息化的基础。未来的无线通信系统将朝着宽带化、异构化、自组织化、移动化、全m 化及个性化等方向发展。人们希望做到的是，任何人能够在任何时间、任何地点、与任何 用户以任意方式方便地进行高速可靠的通信。为了达到上述目标，未来无线移动通信系统 要能够支持用户的高速移动性为其提供各类高速率业务，并具有高频谱利用率、高频带时 宽覆盖率和低发射功率等性能【1 1 2 1 ， 3 1 。 众所周知，无线通信中的信号要通过自由空间来传输，无线信道的传播特性和多径效 应决定了无线通信技术的特殊性和复杂性。近年来，收发端使用多天线的m i m o ( m u l t i i n p u tm u l t io u t p u t ) 技术是在无线通信领域新出现的对抗衰落的一个重大突破1 4 。m i m o 技术利用空问中增加的传输信道，在发送端和接收端使用多根天线发射和接收信号。由于 各发射天线发送的信号占用同一个频带，因此在不增加系统带宽和天线总发送功率的情况 下，能够成倍提高了系统容量和频谱利用率。但是现阶段由于受移动终端成本、尺寸以及 硬件实现复杂度等的制约，在移动终端上安装多副独立天线还是比较困难的。而仅仅在基 站安装多副天线不能有效提高容量。并且对于大尺度衰落，m i m o 技术也是收效甚微。基 于此人们提出了另一种新的解决方法一协作通信，其基本思想是：在多用户通信环境中， 使用单副天线的各临近移动用户( 节点) 可按照一定方式共享彼此的天线协作发送信息， 从而产生一种类似多根发送天线的虚拟m i m o 环境，解决了由于移动端尺寸或者其他原因 而无法采用多天线系统的问题，同时获得空间分集增益，提高系统传输性能，以及提高蜂 窝小区边缘用户的性能和基站覆盖面积。 协作通信的基本思想可以追溯到1 9 7 9 年c o v e r 和g a m a l 对中继信道( r e l a yc h a n n e l ) 的信息论特性的研究 5 1 。他们研究了个a w g n 信道中三节点的网络( 发送端、接收端和 中继节点) 的无线通信系统的容量，得出了几种特殊情况下的中继信道容量和一般情况下 的信道容量界，奠定了中继通信的理论基础。目前对协作通信研究的思想基本上都源于此。 协作通信在无线通信系统中有多种应用，主要有固定中继的协作通信( 协作m i m o ) 和用 户终端间的协作通信( 多用户协作) 两种方式。考虑到移动终端只配置1 到2 根天线，为 了保证天线数受限的终端用户也能获得m i m o 增益，提出了协作m i m o 的概念，这是一 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 种通过中继节点提供的虚拟天线阵列使得用户能够获得空间分集的协作技术。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实现类似m i m o 的传 输方案以获得分集增益，这是多用户协作分集的由来。目前非常热门的无线中继技术虽然 具有多种形式，如放大转发( a f ) 、解码转发( d f ) 和编码转发( c f ) 等，但是它们的重 要理论基础之一就是协作通信理论。 中继方式协作通信在发送端和接收端之间预先选择中继节点，这些中继节点与发送 端、接收端之间均通过无线进行连接。中继节点并不发送自己的信息，而只对接收到的信 息进行转发。这样，接收端可同时从发送端和中继节点接收到信号，从而获得分集增益， 提高系统性能。w w r f ( w i r e l e s sw o r l dr e s e a r c hf o r u m ) 相当重视中继方式协作通信的研 究，其第4 工作组的研究表明，要消除某一高大建筑物所带来的通信覆盖“盲点 ，中继 方式可能是目前的唯一选择，并且这种方式能够扩大宽带无线蜂窝通信系统的覆盖范围和 容量，对抗高频率发射时的阴影衰落，同时还可以降低系统基础设施的成本1 2 1 1 3 1 。第一个 在t d m a 接入方式中使用中继( 当时称之为无线基站) 的无线通信系统采用的是1 9 9 8 年 欧洲的d e c t 标准。文献【3 】还给出了一种新的基于中继方式的无线接入网络结构元线 多媒体系统w m s ( w i t - e l e 鲳m u l t i m e d i as y s t e m ) 。w m s 系统具有很高的频谱利用率和尽可 能低的发送功率，对于中速率移动用户，它可提供高达1 0 0m b p s - - - 1 0 0 0m b p s 的数据传输速 率。 无线协作通信理论是目前研究的热点问题，并且已经成为信息理论的一个新的重要分 支，是未来宽带移动通信系统的主要组成部分。协作通信可以应用于无线通信技术的多个 方面，如无线频谱协作、无线空中接口协议协作、业务协作、无线传输技术协作、网络安 全协作等。 1 2 分布式空时码的引入及发展 c a l d e r b a n k 领导的a t & t 实验室研究小组在1 9 9 8 年提出了空时编码的概念【6 j 。空时编 码的最大特点是将编码技术和天线阵技术有机地结合在一起，实现了空时二维分集，从而 提高了系统的抗衰落性能。他们还分析了影响空时编码性能的主要因素，并指出分集阶数 和码元序列对的欧氏距离是评价空时编码性能的主要指标：分集阶数越高，编码性能越好； 欧氏距离越大，编码性能也越好。为了在信息传输中充分利用和尽可能接近无线m i m o 系 统的信道容量，人们很自然地将m i m o 系统中已经研究得比较成熟的各种空时编码技术推 广到协作通信系统，分布式空时码应运而生。 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 a l a m o u t i 码是为发射天线数为2 的系统提供全速率满分集度的第一种空时分组码 ( s p a c et i m eb l o c kc o d e ，s t b c ) ，并且能通过简单操作实现最大似然解码，因此在协作通 信系统中分布式空时码的研究中关于分布式a l a m o u t i 空时码的研究最多。分布式a l a m o u t i 码最早在2 0 0 3 年由文献【7 】提出，两个单天线中继节点协助发送端传输数据给接收端。中 继采用a f 处理方式，对信号进行取反、共轭等操作使信号构成a l a m o u t i 码。分布式 a l a m o u t i 空时码系统能取得近似为1 的分集度。之后，文献 8 】通过分析得出该方案的误 比特率与l o g ( s n r ) s n r 2 成比例：文献【9 】推导出m 进制相移键控( m p s k ) 调制时该方 案的误符号率( s y m b o le r r o rr a t e ，s e r ) 。2 0 0 4 年，文献d o 提出了三节点网络的分布式 a l a m o u t i 空时码，系统中两个发送节点相互作为彼此的中继，采用a f 方式。随后，文献 【1 l 】和 1 2 】分别推导出此方案系统的误对率( p e p ) 和n a k a g a m i - m 衰落信道下m - p s k 调 制时系统s e r 。2 0 0 6 年，文献【1 3 】提出了多中继的分布式空时码模型，系统由一个发送 端、多个中继节点和一个接收端组成，并证明了此模型下的分布式空时码可以达到m i s o 系统一样的分集度。 近几年，在分布式空时码的研究中，文献 1 4 1 提出不需要信道状态信息的分布式差分 空时码。文献 1 5 1 和1 1 6 1 从解码复杂度角度出发，提出了群组最大似然可解的分布式空时码， 其性能与最大似然解码相同，但复杂度比较小。 由于真正开展分布式空时码研究的时间较短，只有不到十年的时间，分布式空时编码 的方法还没有完善，一些仿真结果还不能给出理论上的满意解释，因此，分布式空时码已 取得的成果只能算作为“冰山的一角，还有大量理论研究工作有待进行。目前，人们正 在不断努力，试图得到能提供满发送分集度、高编码增益、高数据传输率、低解码复杂度 的分布式空时码的编码方法。 1 3 本文的主要研究工作和章节安排 本文的主要研究工作是针对频率非选择性慢衰落信道，改进了传输协作协议，并在分 析分布式空时编码方法和性能的基础上，运用空时码设计准则，设计出性能更为优越的分 布式空时码。 全文共分六章，具体章节安排如下： 第一章阐述了协作通信系统的概念和研究背景，介绍了分布式空时码技术的历史和发 展，简要概述了本文的结构和主要内容。 第二章分析了协作通信系统中无线信道的传播特性，并分类研究了各种分集技术和合 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一苹绪论 并技术；简述了非中继m i m o 系统的基本原理以及系统容量；最后重点研究了协作通信系 统，分析了协作通信系统的原理、协作方法以及信道容量。 第三章分析了空时编码的系统模型和准则，介绍了几种典型的空时分组码，分析了这 些空时分组码的性能；同时介绍了几种典型的空时码的解码方法，并分析了各自的特点。 第四章介绍了协作分布式空时编码的系统模型和编码方法，分析了协作分布式空时编 码的性能：同时介绍了几种现有的协作分布式空时码，并做了性能仿真。 第五章创新章节，通过对协作分布式空时码的结构和性能特点的分析，对现有的传输 协作协议结构进行了改进，并结合d b o a s t 分组码，提出了一种性能更优的分布式空时 码，并通过理论分析、性能仿真和与其它分布式空时码的比较，证明了其性能的优越性。 第六章总结全文，指出今后需进一步研究的问题。 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章协作通信技术 第二章协作通信技术 随着无线通信系统的发展，人们对无线通信的数据传输速率、服务质量提出了更高的 要求。然而无线信道的时变多径衰落特性影响着无线通信系统的传输速率与质量。分集是 抵抗多径衰落的最有效的技术【1 7 】。分集技术按照发送和获取多路信号的形式不同，分为 时间分集、频率分集、空间分集等多种方式【1 8 l ，其中空间分集从不同的位置发送信号， 在接收端可得到经历独立衰落的多个信号副本，从而可以有效地消除多径衰落的影响，并 且由于不需要占用额外的时间和频带资源，可以与其他的信号处理方式相结合，因此成为 一种最基本的分集方式。 多输入多输出( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ，m i m o ) 技术在通信链路的两端均使 用多个天线，它能够将传统通信系统中存在的多径因素变成对通信性能有利的因素，在对 抗多径衰落、提高通信链路的通信速率和质量方面有着明显的优势。它的空域发送分集技 术己经成为3 g p p 的w c d m a 标准协议。但应当指出，虽然发送分集技术可使系统性能 得到多方面的提升，但是在实际的蜂窝通信系统中它还只能应用在基站端来提高下行链路 的通信质量。而对于上行链路，移动终端由于受到体积、功耗、工艺等多方面的限制，在 其上安装多副天线有很大的困难，因此极大地限制了m i m o 技术的应用。 为解决这个问题，提出了一种全新的通信方式协作通信【l 刃，在一个多用户的环 境中，每个具有单天线的移动终端都有自己的协作伙伴，每个协作伙伴帮助其传输信息， 通过使用协作伙伴的天线来发送经历独立衰落的副本，即协作伙伴间共享彼此之间的天线 从而形成虚拟的m i m o 子信道，以此来模拟m i m o 通信系统。众多研究表明，这种协作 通信方式可以像m i m o 系统一样增加系统的信息传输速率，改善系统性能，提高通信质 量，更为重要的是这种技术将m i m o 技术的实用化推进了二大步。 2 1 无线衰落信道的传播特性 无线通信是通过电磁波在空间的传播实现信息的传输。电磁波在自由空间的传播特征 在很大程度上决定了无线通信系统的复杂度和性能，然而电磁波传播极易受到环境的影响 使得无线信道呈现出很强的随机时变性。 移动无线信道的主要特征是信道强度基于频率和时间的变化，这种变化大致可分为大 尺度衰落和小尺度衰落两种类型，因此无线信道的传播模型可分为大尺度衰落模垩d o d , r 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章协作通信技术 度衰落模型两种 1 2 1 。大尺度衰落主要是由于路径传播损耗和阴影衰落造成的，反映了信 号平均功率随距离和位置的缓慢变化，主要影响无线通信系统的通信距离和覆盖范围，与 基站规划之类的问题关系更为密切。小尺度衰落主要由发射机与接收机之间的多条信号路 径的相长干扰和相消干扰造成的。反映在数十个波长范围或极短时间内信号功率的快速变 化，是影响接收机性能的主要因素。由于小尺度衰落与高效可靠的通信系统的设计关系更 为密切，故本文主要讨论小尺度衰落带来的影响。本节将简单介绍由于多径传播引起的频 率相关衰落和由于收发端相对运动时产生的多普勒效应引起的时间相关的衰落。 2 1 1 多径时延扩展引起的衰落效应 无线信道中的电磁传播不是由单一路径来传播的，而是从许多路径来的众多反射波的 合成。由于电波通过各个路径的距离不同，因而从各个路径来的反射波到达的时间也不同， 也就是各个信号的时延不同。当发送端发送一个极窄的脉冲信号时，移动台所接收到的信 号由许多不同时延的脉冲组成，称为时延扩展。同时由于各个路径来的反射波到达时间不 同，相位也就不同，不同相位的多个信号在接收端迭加，当电磁波方向相同时信号就加强， 当电磁波方向不同时信号就减弱。这种多径衰落特性引起的时间色散，导致发送信号产生 平坦衰落或频率选择性衰落。 ( 1 ) 平坦衰落信道 如果无线信道带宽大于发送信号的带宽，并且在带宽范围内有恒定的增益及线性相 位，则信号就会经历平坦衰落过程。在平坦衰落的情况下，发送信号的频谱特性在接收端 是保持不变的。如果多径结构导致了信道增益的起伏，接收信号的强度就会随着时间发生 变化。在平坦衰落信道中，信号带宽的倒数远大于信道的多径时延，同时信号带宽比信道 带宽窄得多，可以看成窄带信道。信号经历平坦衰落的条件是f 2 0 】：尾或者磊q 。 其中，展是信号带宽，尾是信道相干带宽，瓦是信号带宽的倒数，q 是多径时延扩展， 且b = l r , ，岛1 o , 。 ( 2 ) 频率选择性衰落信道 如果信道线性相位的带宽范围小于发送信号带宽并且具有恒定增益，这样的信道的冲 激响应具有多径时延扩展，接收的信号中包含了经历衰减和时延的发送信号波形的多径信 号，某些频率分量比其他分量获得更大的增益，则会导致接收信号产生频率选择性衰落。 在频率选择性衰落信道中，多径时延扩展大于发送信号带宽的倒数，信号带宽比信道带宽 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章协作通信技术 要宽。信号经历频率选择性衰落的条件是2 0 1 ：焦 & 或者瓦 瓦或者愿 。其中，忍和五分别是信号 带宽和周期，毛是信道相干时间，晶是多普勒扩展，且b = i t s ，毛l 。一般快衰 落发生在数据率比较低的情况。 ( 2 ) 慢衰落信道 慢衰落信道的冲激响应变化率比发送的基带信号变化率低得多，因此可假设在个或 若干个带宽倒数的间隔内，信道均为静态信道。在频域中，这意味着信道的多普勒扩展比 基带信号带宽小得多。因此，信号经历慢衰落的条件是刚：瓦毛或者岛显然， 移动台的移动速度( 或信道路径中物体的速度) 及基带信号发送速率，决定了信号是经历 慢衰落还是快衰落。 2 2 分集接收技术 无线通信系统中的分集是对抗衰落最为有效的技术，它利用自然界无线传播环境中独 立的( 或至少是高度不相关的) 多径信号来实现，并且不会在接收机单元增加无节制的复 杂度。 分集技术的原理是通过多个信道( 时间、频率或者空间) 可以接收到承载相同信息的 多个独立的副本，因为信号和信号副本在信道中通常会以不同的模式衰落，比如一路衰落 很多，另一路衰落很少，而且假设一条无线传播路径中的信号经历了深度衰落的概率为p ， 则所有相同信号的三个独立衰落路径经历深度衰落的概率为p l ，因此可以在多径信号中 选择信号较强的路径或对多条路径的信号进行合并以提高信噪比，这就在接收端大大降低 7 一一一一 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章协作通信技术 了错误判决的概率。显而易见，分集技术可以在不需要增加发射功率或者牺牲通信带宽的 情况下，显著地提高系统传输的可靠性【2 l j 。如果不采用分集技术，在噪声受限的条件下， 要保证在信道情况较差时，链路也能够正常连接，发射机必须要发送较高的功率。但是在 移动无线环境中，由于手持终端的电池容量是非常有限的，所以反向链路中所能获得的功 率也是非常有限的，而采用分集方法可以降低发射功率，这在移动通信中是非常重要的。 2 2 1 分集技术分类 分集技术按照不同的标准有不同的分类。按照分集的目的划分，可以分为宏分集和微 分集。宏分集用来对抗楼房等物体的阴影效应，一般是将几个基站或接入点的接收信号进 行合并；微分集是用来对抗小尺度衰落的分集技术。在传输路径中各种物体产生的直射波、 反射波和散射波的相互影响( 即多径衰落) ，以及多普勒频移产生的损耗，可通过微分集 技术来改善。按照信号传输的方式划分，可以分为显分集( 如延迟分集方案) 和隐分集( 如 编码交织方案) 等等。最普遍的是按照获取独立信号的形式进行的划分。归纳起来，这种 划分标准下的分集技术主要可以分为：时闻分集、频率分集、空间分集、极化分集和角度 分集等。 ( 1 ) 时间分集 时间分集指以超过信道相干时间的时间间隔重复发送相同数据的方法，以便使接收端 可以收到不相干的衰落信号。无线通信中一般采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时域冗余形式到达接收端。其适用于信道相 干时间小的快衰落环境，而在慢衰落环境中实现相对比较困难。该方案的缺点是会在时间 域上引入冗余，使得带宽的利用率受损阎。 ( 2 ) 频率分集 频率分集指以超过信道相干带宽几倍以上的频率间隔发送相同数据，利用电磁波在不 同频率上具有独立的衰落特性来减少或消除影响。在无线通信系统中，可以通过采用信号 载波频率跳变扩展频谱的技术来达到频率分集的目的。这一技术比空间分集节省天线数 目，其缺点是不仅牺牲了频谱资源，而且需要有和频率分集中采用的频道数相等的若干个 接收机。 ( 3 ) 空间分集 空间分集是无线通信中使用较多的分集形式，也称为天线分集【2 3 1 。典型的空间分集 是在发送端或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。各天线的位置要 8 一一一 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二荦协作通信技术 有足够的间距，使得天线上接收到的信号基本独立，通常要求在两个天线之间至少间隔数 个波长。与时间分集、频率分集所不同的是，空间分集中发送信号是以空间域冗余的形式 到达接收端的，不会带来带宽利用率上的任何损失，这个特性对于未来高速无线数据通信 而言是很有吸引力的。空间分集可以在保证数据传输速率的同时获得极大的分集增益，是 减少多径衰落的有效方法。并且空间分集可以分别在发送端和接收端实现，分为发送分集 和接收分集晔】。 ( 4 ) 极化分集 极化分集实际上是空间分集的特殊情况，是指通过两根不同极化方式的天线发送水平 极化信号和垂直极化信号，同时用两根不同极化方式的天线来接收信号。由于散射角相对 应的每个极化方向是任意的，所以不同极化方式接收的信号同时经历深衰落的可能性很 小。缺点是发送功率要分配到两个天线，造成了3d b 的损耗。 ( 5 ) 角度分集 角度分集指通过将接收天线的波束宽度限制在一定的角度内，用定向天线实现分集的 方法。角度分集多用于发射频率很大的场合，通常要求大于1 0g h z 。 实际的通信系统中，为了满足系统的性能要求，经常需要将几个常规分集方案结合使 用来实现多维分集。例如，在g s m 蜂窝系统中，基站使用多根接收天线，并且同时使用 交织与差错控制编码技术来实现空间和时间分集。 2 2 2 分集合并技术 合并是分集的后续工作，分集说明了信号从哪些途径传输过来，合并说明了接收端将 怎样处理多个信号副本来提高总的接收信噪比。在接收端选择合适的合并方法对于整个分 集系统的性能好坏，有着决定性的作用。根据接收端实现的复杂性和合并方法所需的信道 状态信息量，合并方法主要分为四种，分别是选择合并、切换合并、最大比合并( m r c ) 和等增益合并( e g c ) 2 1 】。下面将分别介绍这四种合并方法： ( 1 ) 选择合并 选择合并是一种相对简单的分集合并技术。对于接收天线数为r 的接收分集系统， 需要选择每个符号间隔处具有最大瞬时s n r 的信号作为输出，因此输出信号的s n r 等于 最佳输入信号的s n r 。但在实际应用中，由于实时检测s n r 具有一定难度，一般采用信 号与噪声和最大的信号。 ( 2 ) 切换合并 o 堕塞堕皇奎兰堕主堑壅竺堂竺堡茎兰三童垫堡望堡垫查 切换合并分集系统中，接收机扫描所有的分集支路，并选择s n r 在特定的预设门限 之上的特定分支。在该信号的s n r 降低到所设的门限值之下前，选择该信号作为输出信 号。当s n r 低于设定的门限时，接收端开始重新扫描并切换到另一个分支。这种方法又 叫扫描合并。 由于切换合并不能实现在任何时候都输出s n r 最佳的一路信号，因此它的性能与选 择合并相比要差一些，但是由于切换合并不需要连续不停的监控所有支路，所以其复杂性 比选择合并低。 ( 3 ) 最大比合并 最大比合并是一种线性合并方法，它对所有支路信号进行加权，权重是由各路信号所 对应的s n r 所决定的。输出信号为所有接收信号的加权副本的线性组合，加权和为： 肌 ，= q ( 2 1 ) 1 8 1 式中是第f 根接收天线的接收信号，q 是第蹦曼接收天线的加权因子。用4 和谚分别代表 接收信号，：的幅度和相位，假设每根天线具有相同的平均噪声功率，可以得到相应的加权 因子： q = 4 p 埔伫2 ) 由于此方法能得到最大的输出s n r ，因此也叫做最优合并。文献 2 1 】证明，最大输出 s n r 等于单个信号的瞬时s n r 的和。即使在所有的信号都很差的情况下，通过在接收端 使用最大比合并，系统仍然可以合成输出一个达到基本解调所需$ n r 要求的信号。这在 所有的已知线性分集合并方法中，是一种最佳的抗衰落的方法。 由于最大合并比方法要求各信号必须同相，并且是将各信号相应的幅度加权后求和， 因此需要知道信号衰落幅度和信号相位的信息。所以最大合并比方法只能用于相干检