（信号与信息处理专业论文）虚拟mimoofdm系统中功率分配方案的研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 虚拟m i m o 技术利用不同终端的天线组成虚拟天线阵列( v a a ) ，可以在突破 传统m i m o 系统对发射端和接收端配置天线间的距离至少为工作频段信号波长的 l 4 的限制的同时，利用m i m o 天线间的空间独立性形成独立的传输信道构成复用 和分集系统，从而大大提高系统容量，并改善抗衰落性能。因此，虚拟m i m o 技 术成为研究的热点。但是，虚拟m i m o 技术的分布式控制给资源分配带来了新的 难题，例如中继选择与功率分配。 为此，本论文在分析虚拟m i m o 技术特点的基础上，重点研究虚拟m i m o 系 统中的中继选择与功率分配方案，主要研究内容包括： 提出了一种应用于空时编码协作中的中继选择与功率分配联合方案，称为 d d ( d e s t i n a t i o nd i c i s i o n ) 方案。该方案由目的终端根据协作终端的信道状态信息进 行中继选择，并对选出的中继终端进行基于资源贡献率的功率分配，避免了候选 终端通过信息交互进行中继选择造成的冲突。通过理论分析和仿真验证，并与其 他方案相比，本文提出的联合方案在保证分集阶数和误码率性能的同时，相对于 传统的所有候选中继终端参与的分布式空时编码方案和现有的l o c a l k b e s t 方案还 有系统容量的提升。 提出了一种适用于多跳虚拟m i m o o f d m 系统的基于深衰落子载波删除的 中继选择方案和信道容量与误码率联合优化的功率分配方案：候选终端通过选择 竞争资源竞选为中继，中继终端通过对中继选择控制信息检测出处于深衰落的子 载波，在随后的协作通信过程中放弃使用这些深衰落的子载波，从而有效地改善 了系统的信道容量和误码率性能。联合优化功率分配方案综合考虑信道容量和误 码率性能，能够获得最高的有效容量，并能够获得信道容量和误码率性能的折中。 关键词：虚拟m i m o 技术，正交频分复用，中继选择，功率分配 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t b yu s eo fv i r t u a la n t e n n aa r r a yc o m p o s e do fa n t e n n a so nd i f f e r e n tt e r m i n a l s ， v i r t u a lm i m ot e c h n o l o g yc a nb r e a kt h r o u g ht h el i m i t a t i o nt h a tt h ed i s t a n c eb e t w e e n a n t e n n a so f g r e a t e rt h a n1 4w a v e l e n g t hi nt r a d i t i o n a lm i m os y s t e m ，m e a n w h i l e ，v i r t u a l m i m ot e c h n o l o g yc a l l g r e a t l yi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fs y s t e mc a p a c i t y a n d a n t i f a d i n gb yu s eo fm u l t i p l e x i n g a n dd i v e r s i t ys y s t e mc o n s t r u c t e db ys e v e r a l s u b c h a n n e l sw i t hs p a t i a li n d e p e n d e n c e t h e r e f o r e ，v i r t u a lm i m ot e c h n o l o g yb e c o m e s ar e s e a r c hf o c u s h o w e v e r , d i s t r i b u t e dc o n t r o lo fv i r t u a lm i m ot e c h n o l o g yb r i n g sn e w d i f f i c u l t yi nr e s o u r c e sa l l o c a t i o n ，e s p e c i a l l yi nr e l a ys e l e c t i o na n dp o w e ra l l o c a t i o n t h u s ，b a s e do na n a l y s i so nt e c h n i c a lf e a t u r e so f v i r t u a lm i m o ，t h i st h e s i s w i l lf o c u s o nr e l a ys e l e c t i o na n dp o w e ra l l o c a t i o ns c h e m ei nv i r t u a lm i m os y s t e m f i r s t l y , w ep r o p o s eaj o i n ts c h e m ef o rr e l a ys e l e c t i o na n dp o w e r a l l o c a t i o ni nt h e s p a c e - t i m ec o d i n gc o o p e r a t i o n ，c a l l e dd e s t i n a t i o nd e c i s i o n ( d d ) s c h e m e i nt h i ss c h e m e ， t h ed e s t i n a t i o nt e r m i n a lm a n a g e st od or e l a ys e l e c t i o na n dp o w e ra l l o c a t i o ni nt e r m so f c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o na n dd e t e r m i n e sw h i c hc o l u m nw i l lb et r a n s m i t t e db yt h er e l a y n o d e s ，w h i c ha v o i d st h ec o l l i s i o n sf r o mi n f o r m a t i o ne x c h a n g ef o rt h er e l a ys e l e c t i o n a m o n gt h er e l a yn o d e s 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 nr e s u l t ss h o w t h a tt h i ss c h e m e c a ni m p r o v et h es y s t e mc a p a c i t yo nt h ep r e m i s eo fp e r f o r m a n c eg u a r a n t e e so ft h e d i v e r s i t yo r d e ra n db i te r r o rr a t e s e c o n d l y , i nm u l t i - h o pv i r t u a lm i m o - o f d ms y s t e m ，w ep r o p o s ear e l a ys e l e c t i o n s c h e m eb a s e do nd e l e t i n gs u b c a r r i e ri nd e 印f a d i n ga n dap o w e ra l l o c a t i o ns c h e m ef o r j o i n to p t i m i z a t i o no f c a p a c i t ya n db i te r r o rr a t e t h ec a n d i d a t eb e c o m e sr e l a ya f t e rg e t t i n g t h ec o m p e t i t i o nr e s o u r c es u c c e s s f u l l y t h e n ，t h er e l a y sd e t e c to u tt h es u b c a r r i e ri nd e e p f a d i n gb yu s eo f c o n t r o lf l a m ei n t h er e l a ys e l e c t i o np r o c e s s ，a n dg i v eu pt h e s es u b c a r r i e r s i nt h es u b s e q u e n tc o o p e r a t i v et r a n s m i t i o n ，w h i c hc a ne f f e c t i v e l yi m p r o v et h es y s t e m p e r f o r m a n c eo fc a p a c i t ya n db i te r r o rr a t e t h ep o w e ra l l o c t i o ns c h e m ej o i n t l yo p t i m i z e t h ep e r f o r m a n c eo fc a p a c i t ya n db i te l t o rr a t e ，w h i c hc a l lo b t a i nh i g ha v a i l a b l ec a p a c i t y a n dg e tt h et r a d e o f fp e r f o r m a n c eo f c a p a c i t ya n db i te r r o r r a t e k e y w o r d s ：v i r t u a lm i m o ，o f d m ，r e l a ys e l e c t i o n , p o w e ra l l o c a t i o n 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 在无线移动通信系统中，由于发射端到接收端之间传输环境的复杂性，接收 端接收到的信号为发射信号的反射、衍射和散射分量与信道噪声的叠加，致使信 号产生严重的失真。另外，无线移动通信系统中移动台的运动也会使移动信道随 时间变化而变化，并由于多普勒效应会造成更为严重的失真，因此，无线移动信 道实际上是一个经历频率选择性衰落的时变信道，这就为高速多媒体无线移动通信 带来了巨大的挑战【1 1 。同时，无线资源的有限性也制约了高速多媒体无线移动通信 的发展。 为了使用无线信道传输高速数据业务，人们研究了很多方法以克服信道衰落、 改善无线资源利用率和提高网络系统容量。作为其中的一种有效手段，正交频分 复用【2 ( 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 ) 技术能够有效地抵抗多 径效应，并具有较高的频谱利用率，而且易于与其他技术进行结合，尤其是与多 输入多输出【3 1 ( m 垤o ，m 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 ) 技术相结合成为无线通信领域 的热点技术，并被认为是4 g 通信的核心技术之一。 m i m o 技术可以通过增加独立的传输信道构成复用和分集系统，从而大大提 高系统容量，并改善抗衰落性能【4 】【9 1 。m i m o 技术带来的高带宽利用率是建立在阶 数足够高的基础上，即是发射端和接收端配置天线数目足够多时性能改善才比较 明显。同时，m i m o 技术提高系统容量要求各子信道间相互独立【3 制，从而要求各 天线间距离至少为工作频段信号波长的1 4 6 - 9 ，这就不适合小型系统尤其是便携 式移动设备。因此，m i m o 技术在无线移动系统中的应用受到了极大的限制。 为了突破此限制，人们提出了分布式m i m o 方案，比较典型的系统有分布式 无线通信系统( d w c s ，d i s t r i b u t e dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) u u j 和虚拟 m i m o ( v i m i o ) 系统【l l 】。d w c s 虽然采用分布式天线阵列和分布式信号处理，但分 布式处理机之间需要有极高的传输带宽，以满足各分布式处理机之间快速的信息 交互。而虚拟m m o 则是基于无线多跳a dh o e 网络的合作通信思想，各分布式处 理机之间仅仅需要低速的链路进行信息交互，也被称为虚拟天线阵列( 呲v l r t u a l a n t e n n aa r r a y ) t 1 2 】、协作分集( c d ，c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y ) t b 】、协作接力( c k c o o p e r a t i v er e l a y i n g ) 1 4 d s 】或者协作通信( c c ，c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n ) t 1 6 】。目前 主要的协作分集方案有重复协作分集( r c d ，r e p e t i t i o n - b a s e dc o o p e r a t i v e d i v e r s i t y ) t 1 7 l 、编码协作分集( c c d ，c o d e dc o o p e r a t i v ed i v e r s i t y ) 18 】和空时编码分集 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 ( s t c c d ，s 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 y ) 【1 9 】。 虚拟m i m o 技术不仅满足了传统m i m o 技术多个独立信道的条件，而且突破 了传统m i m o 系统对天线数量苛刻要求的限制。虚拟m i m o 技术与o f d m 技术的 结合能够更好地抵抗多径衰落，并提高了无线资源的利用率和系统容量。- 无线资源的有限性严重制约了无线高速多媒体业务和实时互动业务的发展， 因此，如何合理分配无线资源以提高无线资源利用率和网络系统容量对无线通信 的发展起着至关重要的作用。对于虚拟m i m o o f d m 系统而言，中继终端、o f d m 子载波、发射功率等资源的合理分配能够有效地改进系统性能，其中，各协作终 端发射功率的合理分配能够提高系统容量，降低系统的误码率。传统m i m o 系统 中的功率分配方案在虚拟m i m o o f d m 系统中仍然适用，例如，基于信道容量最 优的注水功率分配方案【1 7 】和基于误比特率优化的功率分配方案【1 8 】等。但是，目前 对m i m o o f d m 系统中功率分配方案的研究都是基于发射端已知完整或者部分信 道状态信息( c s i ，c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ) 的假设，利用优化理论或者其他学科的 资源分配理论进行功率分配以及与其他无线资源的联合分配【1 9 讲】，并没有提出完 整的功率分配方案的实现机制。在虚拟m i m o o f d m 系统中，目前对于功率分配 方案的研究主要是通过理想条件的假设等效为传统m i m o 0 f d m 系统，从而应用 传统m i m o o f d m 系统中的功率分配方案，但是并没有提出具体的分布式协议来 解决虚拟m i m o o f d m 系统中各终端为分布式的问题【2 ”6 1 。因此，适合应用于虚 拟m m o o f d m 系统的功率分配方案及其基于分布式协议的实现机制成为本论文 的主要研究内容。 1 2 论文结构 本论文共分五章，其主要内容及章节安排如下： 第一章总体介绍了论文的研究背景以及主要研究内容。 第二章分析了m i m o 系统模型和信道容量，介绍了虚拟m i m o 技术及其优势， 指出了虚拟m i m o 技术应用中需要解决的问题。同时，还介绍了现有的主要协作 分集技术。 第三章本章首先介绍了基于a f 和d f 模式的最佳中继选择标准，提出了一种 适用于空时编码协作中的中继选择与功率分配联合方案。该方案由目的终端根据 协作终端的信道状态信息进行中继选择，并对选出的中继终端进行基于资源贡献 率的功率分配，避免了候选终端通过信息交互进行中继选择造成的冲突。 第四章介绍了o f d m 技术的基本原理，并分析了o f d m 技术的优缺点，接着 提出了一种基于深衰落子载波删除的中继选择方案，中继终端通过对中继选择控 2 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 制信息检测出处于深衰落的子载波，在随后的协作通信过程中放弃使用这些深衰 落的子载波。此外，本章还提出了一种适用于多天线或者多载波通信系统的基于 系统容量和误码率联合优化的功率分配方案。 第五章对本文工作进行总结，并探讨了进一步研究工作的重点。 3 重庆邮电大学硕士论文第二章m i m o 与虚拟m i m o 技术 第二章m i m o 与虚拟m i m o 技术 m i m o 技术可以通过增加独立的传输信道构成复用和分集系统，从而大大提 高系统容量，并改善抗衰落性能，但是m i m o 技术要求各自信道间相互独立，且 阶数足够高时优势才较明显，这就要求在终端设备配置多天线，且天线间距至少 为工作频段信号波长的1 4 ，而工作频段较低的移动设备无法满足该要求。虚拟 m i m o 技术则没有上述问题，因为虚拟m i m o 技术利用间距较远的不同终端的天 线组成虚拟天线阵列，从而解决了信道独立性和终端配置多天线的问题，因此， 成为研究的热点。 2 1m i m o 技术概述 2 1 1m i m o 系统模型 m i m o 系统的基本原理【4 1 是：分别在发射端和接收端配置多根天线，例如，在 发射端配置m 根发射天线，接收端配置根接收天线，其中，( m ，称为m i m o 系统的阶数。m i m o 基本系统模型如图2 1 所示，其中，乃，i = 1 ，z ，m 表示第 f 根发射天线，弓，j = l ，z ，n ，表示第歹根接收天线。 发射信号处 理机 接收信号处 理机 图2 1m i m o 系统基本模型不意图 首先，需要发送的原始数据流串行输入发射信号处理机后转化为m 个并行的 子数据流，接着对每个子数据流同时经由调制器同时进行调制，调制后的信号分 别经由m 根发射天线同时发射到无线介质中。在接收端，根接收天线分别接收 来自m 根发射天线的经历不同路径的发射信号，每一根接收天线的接收信号均为 m 个发射信号在时域和频域的叠加。 4 重庆邮电大学硕士论文第二章m i m o 与虚拟m i m o 技术 2 1 2m i m o 系统的信道容量 图2 1 中表示的m i m o 系统的信道模型如图2 2 所示6 胴，其中，b 表示第f 根发射天线与第根接收天线之间的信道冲激响应，假设发射天线数目大于接收天 线数目，即是，胗o 图2 2m i m o 系统信道模型示意图 m i m o 系统的信道矩阵可以表示为： 日( f ) = j l i 。o )啊：( f )啊肘o ) 。o )吃：( f )红 ，( f ) iii k 。( f ) “：( f ) 曩w ( o j 。肼 如果在时隙t 内， 有m 根发射天线同时发送一组数据 s ( ，) = l ( f ) s 2 ( t ) ( f ) 1 ，其中，( ) r 为矩阵的转置运算，那么接收端的接 收信号为 y ( t ) = 日( f ) s ( r ) + 刀( ，)( 1 2 ) 式中，z ( ，) 表示均值为零，方差为n o 的高斯噪声矢量，即是，z ( ，) ( o ，n o ) 。 第_ ，根接收天线接收到的信号为 ( f ) = ( ，) 薯( f ) + 吩( ，) ( 1 3 ) 式中，乃( f ) 为甩( f ) 的第个噪声分量，且满足吩( ，) ( o ，n o ) 。 系统容量可以定义为在差错率满足一定条件下，系统可以达到的最大传输速 率。当发射端不具有信道状态信息( c s i c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ) f i 寸 ，各发射天线 使用相同功率发送数据，m i m o 系统容量可以表示为 5 重庆邮电大学硕士论文第二章m i m o 与虚拟m i m o 技术 c 一崦：a c t 卜+ m - - 象oh h 日 n 4 ， 式中，凡为n x n 的单位矩阵，e 为发射总功率，n o 为噪声功率，d 戗( ) 为取行 列式运算，( ) 爿为矩阵的共轭转置运算。 由矩阵理论【3 7 1 可知，h h 为n xn 的正定h e r m i t i a n 矩阵，对其进行特征值分 解可得 h h n = q a q 日( 1 5 ) 式中，q 为满足q q = 厶的n x n 阶方阵，人是由h h 日的特征值组成的对角阵， 即是，人= d i a g ( 五五九) ，其中，以o ，i = 1 ，2 ，是册的非零特征值。将( 2 5 ) 式代入( 2 4 ) 式可得 c b g z a e t c 凡+ 去q 人q h n 6 ， 进一步简化可得 c 礼g ：a e t 卜彘人心b g ：( + 去旬 m 7 ， 式中，为m i m o 系统息道矩阵日的秩。 由( 2 7 ) 式可以看出，m i m o 系统的信道容量等效于，个单输入单输出信道 ( s i s o ，s i n g l ei n p u ts i n g l eo u t p u t ) 容量的叠加。每个s i s o 信道的功率增益为 丑0 ，i = 1 , 2 ，n 。 对于单输入多输出( s l m o ，s i n g l ei n p u tm u l t io u t p u t ) 信道的情况，即是，发射 天线数目m = i ，接收天线数目n i ，信道矩阵为列向量 日( f ) = j 1 2 l ( ，) h 2 ( t ) ( f ) 丁 ( 1 8 ) 因为m n ，所以( 2 4 ) 式转化为 c 札印e t ( l + - 彘n oh h 日) 此时，h h 日：兰h ( f ) 1 2 ，因此，( 2 9 ) 式转化为 c 札g ： 1 + 姜n 1 2 刳 对于多输入单输出信道( m i s o ，m u l t ii n p u ts i n g l eo u t p u t ) 的情况， 天线数目m = i ，接收天线数目n i ，信道矩阵为行向量 ( 1 9 ) ( 1 1 0 ) 即是，发射 重庆邮电大学硕士论文第二章m i m o 与虚拟m i m o 技术 圩( r ) = 栩( ，) 坞( f ) ( ，) ( 1 1 1 ) 贝t jh h 日：m 限( ，) 1 2 ，代入( 2 4 ) 式可得 c 一( t + m 1g l h , ( o i t f f i l2 彘0 c = o ：i l + 2 熹l 一1 2 1 3m i m o 技术的应用限制 ( 1 1 2 ) 虽然m i m o 技术可以通过增加独立的传输信道构成复用和分集系统，从而大 大提高系统容量，并改善抗衰落性能，但是在无线移动通信的实际应用中，m i m o 技术会受到如下限制： ( ) m i m o 技术对系统容量的提高要求各子信道间相互独立，这就要求发射端 和接收端的天线间距至少为工作频段信号波长的i 4 ，从而获得独立性或者非相关 性较好的信道，但是这样增加了实现难度。例如，工作在2 5 g h z 频段以下的终端 设备的天线间距至少为2 0 c m ，这就不适用于小型的终端设备。 ( 霪) m i m o 技术的优势只有在信道阶数较高时才能得以体现，这就要求在发射 端和接收端配置足够多的天线。在基站侧可以配置多天线，而对于小型移动通信 设备来说，工作频段越低，其多天线配置实现难度就越大，如工作在1 8 0 0 m h z 频 段的普通大小手机最多只能配置两根天线。同时，阶数太高会使m i m o 系统中对 信道状态信息( c s d 的估计及对原始信号的求解的运算量过大，这对目前终端设备 的处理能力无疑是极大的挑战。 综上所述，m i m o 技术不适合小型系统尤其是便携式移动通信设备，目前一 般仅在基站侧使用。 2 2 虚拟m i m o 技术概述 2 2 1 虚拟m i m o 系统模型 虚拟m i m o 技术是基于无线多跳a dh o c 网络的合作通信思想，各分布式处理 机之间仅仅需要低速的链路进行信息交互，在现有研究中有多种表述，例如虚拟 天线阵列( 气a ，v i r t u a la n t e n n a a r r a y ) 1 2 1 、协作分集( c d ，c o o p c r m i v ed i v e r s i t y ) t 13 1 、 协作接力( c kc o o p e r a t i v er e l a y i n g ) 1 夺1 5 】或者协作通信( c c ，c o o p e r a t i v e c o m m u n i c a t i o n ) t 1 6 1 。虚拟m i m o 系统从网络结构看，可以分为两种结构： 7 重庆邮电大学硕士论文第二章m i m o 与虚拟m i m o 技术 以基站为核心的网络( i n f r a s t r u c t u r en e t w o r k s ) 。在这种系统中，虽然移动终 端设备之间需要相互协作，但主要以基站为核心，能够形成比较固定的小区划分。 无线自组织网络( a dh o c ) 。在这种系统中，不包含基站，因此，v ：f 执小区 的划分并不以基站为中心，拓扑为动态的，需要终端自适应或者人工地进行v a a 小区的划分。 以基站为核心的虚拟m i m o 通信系统如图2 3 所利1 2 】，若干个无线终端设备 ( m s ) 组成一个v a a 小区，小区内各无线终端( m s ) 之间的信道状况较好。v a a 小 区内的无线终端( m s ) 不仅能够接收来自基站天线阵列发给自己的信号，同时能够 接收认小区内其他无线终端( m s ) 的信号，并把来自基站的其他无线终端( m s ) 的信号的解码结果以较小的功率发送给v a a 小区内的其他无线终端( m s ) 。 图2 3 以基站为核心的虚拟m i m o 通信系统示意图 基于无线自组织网络( a d h o c ) 的虚拟m i m o 通信系统如图2 4 所示【3 8 】，在这种 结构中，每一个v a a 小区组成了一个分布式虚拟天线阵列，前后相邻的认小 区组成了多级的分布式m i m o 系统，其中，源终端在发射信号之前先把要发送的 数据共享给处于同一v a a 小区内的其他无线终端，接着，源v a a 小区的终端将 数据发送给接力v a a 小区，接力认小区通过分布式m i m o 接收并发送到后续 的接力v a a 小区，直到源终端的发射信号被目的终端接收。该网络结构是本论文 中虚拟m i m o 系统的基础。 源v a a 小区接：h v a a d 、区 源 终 端 接j v a a d q 夏 目的v a a d , m 图2 4 基于a dh o c 的虚拟m i m o 通信系统示意图 8 的 端 重庆邮电大学硕士论文第二章m i m o 与虚拟m i m o 技术 由图2 3 和图2 4 可以看出，无论是以基站为核心的虚拟m i m o 通信系统，还 是基于无线自组织网络( a dh o c ) 的虚拟m i m o 通信系统，实质上都是把若干单天 线无线终端的收发天线作为整体来考虑，从而构成虚拟的分布式m i m o 天线阵列， 其基本思路是以空间协作分集技术为基础。 2 2 2 虚拟m i m o 系统的信道容量 m i m o 与虚拟m i m o 最大的不同之处是t 虚拟m i m o 需要消耗额外的资源才 能在认小区内的终端之间进行信息交互，这将占用额外的时间，降低系统容量。 现有研究采用条件时间效率描述这个问题【3 9 。时间效率的定义如下： ，7 = 垃= k , c o o p ( 1 1 3 ) 2 赫q 。j i ， 式中，姗和k 分别表示发送相同数量数据时，m i m o 系统和虚拟m i m o 系统 消耗的时间，q 却表示虚拟m i m o 系统的信道容量，c 0 j l ，表示m i m o 系统的信 道容量。 给定每个数据包的平均长度为工比特，传输带宽为w h z ，n xmm i m o 系统 发送个数据包所用的时间为 ， n l l 一2 云万 而虚拟m i m o 系统发送相同数据量消耗的时间可分为三个阶段：发送v a a 小区 内的数据共享。这个阶段由一1 个时隙组成，在时隙i ，源终端向v a a 小区内协 作终端，发送数据包i ，i = l ，2 ，n 一1 。每个协作终端对接收到的数据进行编码。 不同的数据包包含的信息如果相同，则可以通过分集增加系统的可靠性，如果不 同，则可以通过复用提高系统的信道容量；发送v a a 小区到接收v a a 小区的 数据传输。在这个阶段，协作终端在一个时隙中将已编码的源终端数据发送到接 收v a a 小区；接收v a a 小区的数据合并。这个阶段由m 1 个时隙组成。在时 隙，接收v a a 小区内的协作终端，将接收到的数据发送到目的终端，目的终端 可以通过一些信号检测方法得到原始信息。 上述三个阶段分别用五，正和互来表示，则 k 哪醐= 警+ 丽n l + 可( m - o l 式中，c j 表示v a a 小区内不同终端之间的协作信道的容量。在持续传输中，发送 v a a 小区和接收v a a 小区内的信息交互可以同时进行，因为位于同一v a a 小区 9 重庆邮电大学硕士论文第二章m i m o 与虚拟m i m o 技术 内的终端之间进行数据传输时需要使用的发送功率较低，不会对其他v a a 小区造 成干扰。因此，当 m 时，互可以重叠互，反之亦然，然后有 = 警+ 丽n l ， 式中，刀= m a x m ，n ) 。 因此，时间效率可以表示为 刁2 警2 ( 1 1 4 ) 则虚拟m i m o 系统的实际信道容量可以表不为 c o = ，7 c ( 1 1 5 ) 从( 2 1 4 ) 中可以看出，当c j c 时，矽接近于1 ，这意味着当v a a 小区内协作 信道远远好于簇间信道时，协作m i m o 的信道容量接近于m i m o 系统。 接下来将推导( 2 1 5 ) 的闭合表达式，基本思路是：首先计算协作终端间信道的 概率密度p 缈( 兄) 的闭合形式，接着计算c 朋的闭合形式，从而得到q 却关于( 2 1 5 ) 的闭合表达式。 由于相同v a a 小区内的终端之间的距离相对于发送v a a 小区和接收v a a 小 区间的距离较小，因而可以假设每个子信道具有相同的统计特性。进一步假设此 统计特性服从复高斯分布，即是瑞利分布。在上述假设条件下，硝( 五) 的表达式 如下： 硝( 五) = 磊1 面 - i 彤十厅k 一 所旷r l - 肼( 五) p 飞一丑 ( 1 1 6 ) 其中，巧”( 旯) 为阶数k 的相关l a g u e r r e 多项式： 写”( 名) = 喜( 一) i i 二导蔫五7 ( l 7 ) 令d = 刀- - m ，将( 2 1 7 ) 式代a ( 2 1 6 ) 式可以得到 硝( 旯) 2 i 1 荟m - i 万 砉砉( 。) 批 ( 七，d ) a 屯( 七，d ) 力幔 p 以( t 耶) 其中4 ( 七，d ) = ( 七+ d ) ! f 二巧! i 捕腼。 将( 2 18 ) 式代x , ( 2 2 ) 式可以得到， 1 0 互e 一| 一 重庆邮电大学硕士论文第二章m i m o 与虚拟m i m o 技术 = 卜( + 甜薹赤隧( - 1 严北卅a 小卅叫以旯 ( 删 d ) o 肛a ( + 专p ) 舻分钒( 1 9 ) ( 七，d ) ( k , d ) w + 2 + da ) 式中，口= 专p ，甲，( 口) = 。g ：( 1 + 觚) 见分丑d 名。 接下来需要解决的问题是计算甲，( a ) 。 当，= 0 时， 叭口)-i。“+矾炒z以=-ell*e10( 一丢) 州2 ) ( 1 2 。) h 保持不变，其中厨( 石) = f 手衍为指数积分。 喇川- l ( 口) + 南麓p 以以 始e 州叫h ( 妒伯勘( 一丢) + 扣吵( 一 将( 2 2 0 ) 式和( 2 2 2 ) 式代入( 2 2 1 ) 式可以得到 喇= 南嘉i 尚卜l - i ( 丢) l - je l * e i ( 一丢) + 黔1 ) f ( 一| ( 1 2 3 ， 从而，将( 2 2 3 ) 式代入( 2 19 ) 式可得c j l ，。 v a a 小区内的协作信道为加性高斯白噪声( a w g n ) 信道，假设v a a 小区内协 作信道的信噪比为s n r 。，v a a 小区内的信道容量可以通过下式计算 e = l 0 9 2 ( 1 + s n r , ) ( 1 2 4 ) 由上述分析可以得出，在虚拟m i m o 系统中，通过理想的假设条件或者分布 式协议，合理地进行执小区划分后，使v a a 小区内的协作信道状况远远好于 v a a 小区之间的信道状况，因而虚拟m i m o 系统的信道容量等效为传统m i m o 系 统的信道容量，传统m i m o 系统的信道容量公式仍然适用，由于所采用的协作分 集技术不同，其信道容量可以分别使用( 2 7 ) 式、( 2 1 0 ) 式或者( 2 1 2 ) 式进行计算。 m m 咿 嗲 。l 力- i 力 七一+七一一 南南 州脚川脚 、，、j 1 2 2 2l ，i、，-， 重庆邮电大学硕士论文第二章m i m o 与虚拟m i m o 技术 2 2 3 虚拟m i m o 技术的优势 虚拟m i m o 技术的主要优势在于：突破了集中式和单终端信号处理的界限。 虚拟m i m o 技术把若干单天线无线终端的收发天线作为整体来构成虚拟的分布式 m i m o 收发天线阵列，从而克服了传统m i m o 技术在无线移动通信中应用的苛刻 限制。虚拟m i m o 技术由多个相互间的距离较远( 大于信号波长的1 4 ) 的无线终 端组成认小区，从而满足了各天线间的独立性月乍相干性，同时解决了工作在较 低频段的小型便携式移动终端配置多天线难实现的问题。因此，虚拟m i m o 技术 可以利用分集和服用增益提高系统容量，改善系统性能，并且突破了传统m i m o 系统应用中的限制。 2 2 4 虚拟m i m o 系统应用中需要解决的问题 虚拟m i m o 技术的优势为移动性高速宽带多媒体应用带来了新的希望，成为 研究热点，但是对于v m i m o 的实际应用等方面还有若干关键问题亟待解决： 目前的研究主要集中在基于c d m a 网络和空时分组编码( s t b c ，s p a c et i m e b l o c kc o d e ) 的虚拟m i m o 技术，尽管虚拟m i m o 技术是传统m i m o 技术的推广， 但是二者具有本质的区别。虚拟m i m o 技术如何与o f d m 技术结合是需要解决的 一个问题。 虚拟m i m o 实质上并不单纯是物理层的分布式m i m o 那么简单，而是一个 跨层方案，因此，不能简单的采用传统m i m o 的分析模型，其应用框架需要进一 步深入研究。 现有研究对虚拟m i m o 系统容量的理论分析，以及利用实测信道进行的理 论容量计算已经证明了虚拟m i m o 技术的优势，但是，对协作机制及其带来的能 量消耗、计算复杂度、信令复杂度和q o s 参数的影响缺乏深入的研究。 在虚拟m i m o 系统的协作通信过程中，如何进行认小区划分( 或者称为 聚簇) 并没有具体、实用的解决方案。 2 3 协作分集技术 2 3 1 协作分集技术概述 协作分集技术是虚拟m i m o 技术的基础，各种协作分集技术有不同的应用场 景，对系统性能的影响也不同。目前的协作分集方案主要有重复协作分集( r c d ， 1 2 重庆邮电大学硕士论文第二章m i m o 与虚拟m i m o 技术 r e p e t i t i o n b a s e dc o o p e r a t i v ed i v e r s i t y ) t 1 7 】、编码协作分集( c c d ，c o d e dc o o p e r a t i v e d i v e r s i t y ) t 堪】和空时编码协作分集( s t c c d ，s p a c e - t i m e - c o d e dc o o p e r a t i v e d i v e r s i t y ) t 1 9 1 。 协作分集技术的基本思路【1 7 】是：在源终端附近寻找一个或者多个合适的移动 终端作为中继终端，在源终端发送数据到目的终端的同时，中继终端发送源终端 数据的副本到目的终端，使源终端和中继终端构成一个虚拟天线阵列( v 从) ，从而 获得分集增益。 协作分集技术的基本结构如图2 5 所示，其中，s 表示源终端，r 1 ，r 2 表示 中继终端，d 表示目的终端，实线表示源终端和中继终端r 1 ，r 2 与目的终端d 之 间的信道，虚线表示中继终端r 1 ，r 2 与目的终端d 之间的信道。 阶段1 阶段2 图2 5 协作分集技术的基本结构示意图 协作分集技术的通信过程分为两个阶段： 阶段1 ，如图2 5 中实线所示。源终端s 将原始数据发送给中继终端r 1 ， r 2 和目的终端d 。 阶段2 ，如图2 5 中虚线所示。中继终端r 1 ，r 2 将在阶段1 收到的源终端 数据转发到目的终端d 。 在协作分集的通信过程中，各终端的工作状态为半双工，即是，各终端不能 同时进行收发信息，并且目的终端具有完整的信道状态信息( c s d 。 2 3 2 协作分集方案 重复协作分集 重复协作分集【1 7 】主要有放大转发( a f ) 和译码转发( d f ) 两种模式，其信道模型 如图2 6 所示。 1 3 重庆邮电大学硕士论文第二章m i m o 与虚拟m i m o 技术 图2 6 重复协作分集信道模型不意图 图2 6 等效的数学模型为 f ”( f ) = k ( ，) + 伟( r ) 均( ，) = h , d x , ( t ) + n d ( t ) ( 1 2 5 ) 【均( ，) = h , d x , ( t ) + n d ( t ) 式中，”( f ) 与儿( r ) 分别表示中继终端r 和目的终端d 的接收信号，气( ，) 与一( r ) 分别表示源终端s 和中继终端r 的发射信号，绋( f ) 与嘞( f ) 分别表示在中继终端r 和目的终端d 处的噪声，吃，k 与分别表示源终端s 与中继终端r 之间、源 终端s 与目的终端d 之间以及中继终端r 与目的终端d 之间的信道衰落系数。 1 ) 放大转发( a f ) ：在这种模式中，中继终端r 仅对叠加了噪声的源终端s 的 发送信号在功率上作简单的处理，进行能量归一化后直接转发给目的终端d 。目 的终端d 对来自源终端s 和中继终端r 的信号利用最大比合并( m r c ，m a x i m a l r a t i oc o m b i n i n g ) 准则进行解调与判决。 根据( 2 2 5 ) 式的信道模型，在t = o ，t 4 】时，丁为一次通信周期，源终端s 发 送的信息为t ( f ) 。在此期间，中继处理”( f ) ，并在t = t 4 ，t 2 】时转发信息 ( ，) = p y , ( t - t 4 ) ( 1 2 6 ) 为了保持功率限制，中继终端使用的放大增益因子必须满足约束条件： ( 1 2 7 ) 约束条件中的放大增益因子依赖于中继终端精确估计的源终端和中继终端之 间的信道衰落系数j i l 一如果不考虑中继终端放大了接收噪声，此方案可以看作两 个独立终端的循环编码。通过适当地合并来自两个终端的信号，例如利用最大比 合并准则，目的终端可以对接收信号y d ( r ) ( t = o ，t 2 】) 进行正确解码。 2 ) 译码转发( d f ) ：在这种模式中，中继终端r 仅对叠加了噪声的源终端s 的 发送信号进行解码判决，以确定接收信号是否为源终端s 的发送信号。若接收信 号是源终端s 的发送信号，则对其进行编码，并转发给目的终端d ；若接收信号 不是源终端s 的发送信号，则保持空闲状态。 1 4 重庆邮电大学硕士论文第二章m i m o 与虚拟m i m o 技术 同样，利用( 2 2 5 ) 式的信道模型，则对于t = 【o ，t 4 】，源终端s 的发送信号为 x ，( ，) 。在此通信期间，中继终端