（通信与信息系统专业论文）协同通信系统中协同方案的研究.pdf

英文题目：s t u d yo nc o o p e r a t i v es c h e m e si nc 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 m s 主题词：协同通信，放大转发，译码转发，误符号率 k e y w o r d ：c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n ，a m p l i f ya n df o r w a r d ( a f ) ， d e c o d e da n df o r w a r d ( d f ) ，s y m b o le r r o rr a t e ( s e r ) 南京邮电大学硕士学位论文 摘要 摘要 作为抵抗无线信道衰落、提高通信系统可靠性和增加系统传输速率的一种有效手段， 协同通信( c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n s ) 技术无疑是近几年学术界研究的热点之一。在协同 通信系统中，单天线便携式移动终端可以共享其它终端的资源，在信源终端与接收终端之 间构建多条通信链路，从而形成一个虚拟的多天线m i m o 系统，为小型移动设备的m i m o 实用化提供了一条崭新的方式。 常用的协同通信方案包括放大转发、译码转发和编码协同等。这些方案在复杂度和性 能方面各有优劣。本文围绕协同通信系统中不同协同方案的性能展开研究。 本文中我们采用参数化性能分析方法，分析了全参与放大转发、选择性放大转发、自 适应译码转发和选择性译码转发协同通信系统在n a k a g a m i m 信道下，采用m p s k 及 m q a m 调制时系统平均误符号率的闭合表达式。基于数值仿真，验证了高信噪比时理论 分析结果和数值仿真结果的一致性。最后通过仿真比较了各种协同通信方案的系统性能。 研究结果表明，在n a k a g a m i m 衰落信道下协同通信系统平均误码率优于非协同系统，译 码转发方案的平均误码率优于放大转发方案。 关键词：协同通信，放大转发，译码转发，误符号率 南京邮电大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t a sah o t p o ti na c a d e m i cc o m m u n i t yd u r i n gt h er e c e n ty e a r s ，c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g ys e r v e st om i t i g a t ew i r e l e s sc h a n n e li m p a i r m e n t ，e n h a n c ec o m m u n i c a t i o nr e l i a b i l i t y a n di n c r e a s et r a n s m i s s i o nr a t e p o r t a b l em o b i l en o d e ss h a r er e s o u r c e so fe a c ho t h e rw i t ha p t c o o r d i n a t i o nu n d e rw i r e l e s ss c e n a r i ，o a c c o r d i n g l y , m u l t i p l ec o m m u n i c a t i o nl i n k sb e t w e e nt h e s o u r c en o d ea n dt h ed e s t i n a t i o nn o d ea r ee s t a b l i s h e dw i t hav i r t u a l m u l t i p l e i n p u t a n d m u l t i p l e - o u t p u t ( m i m o ) s y s t e mf o r m e da tt h es a m et i m e ，p r o v i d i n gan e wt e c h n i q u ef o rm i m o i m p l e m e n t a t i o no fp o r t a b l ea n dm o b i l et e r m i n a l s s of a r , s e v e r a le f f i c i e n tc o o p e r a t i v et r a n s m i s s i o np r o t o c o l sh a v eb e e np r o p o s e di nt h e l i t e r a t u r e ，i n c l u d i n ga m p l i f y a n d - f o r w a r d ( a f ) ，d e c o d e - a n d - f o r w a r d ( d f ) a n dc o d e dc o o p e r a t i o n ( c c ) i nt h et h e s i s ，w ef o c u so nt h ep e r f o r m a n c ea n a l y s i so fa m p l i f y a n d f o r w a r da n d d e c o d e a n d - f o r w a r dp r o t o c o l s i nc o o p e r a t i v es y s t e m ，t h ee n d - t o - e n ds i g n a l t o n o i s er a t i o ( s n r ) i si nt h ef o r mo fh a r m o n i c m e a no fs o u r c e r e l a yc h a n n e ls n ra n dt h er e l a y - d e s t i n a t i o nc h a n n e ls n r i ti sq u i t ed i f f i c u l tt o d e r i v et h ee x a c ts y m b o le r r o rr a t e ( s e r ) e x p r e s s i o n s ot h eb e h a v i o ro ft h ep r o b a b i l i t yd e n s i t y f u n c t i o no ft h eh a r m o n i cm e a no ft w oi n d e p e n d e n td i s t r i b u t e dn o n n e g a t i v er a n d o mv a r i a b l e sa t t h eo r i g i ni sa n a l y z e d t h i sr e s u l ti st h e na p p l i e dt o s t u d yt h ep e r f o r m a n c eo fa l lp a r t i c i p a t e a m p l i f y a n d f o r w a r d ，s e l e c t i o na m p l i f y - a n df o r w a r d ，a d a p t i v ed e c o d e - a n d f o r w a r d ，s e l e c t i o n d e c o d e a n d f o r w a r d c o o p e r a t i o np r o t o c o l i n n a k a g a m if a d i n g c h a n n e la n dc l o s e d f o r m e x p r e s s i o no ft h es y m b o le r r o rr a t e ( s e r ) i nh i g hs n rr e g i o ni sa l s op r o v i d e d b ys i m u l a t i o n s ， w ev a l i d a t et h ec o r r e c t n e s so fo u ra n a l y s i sa n dc o m p a r et h ep e r f o r m a n c eo fd i f f e r e n tc o o p e r a t i v e p r o t o c o l s 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 ，a m p l i f y - a n d f o r w a r d ( a f ) ，d e c o d e d a n d - f o r w a r d ( d f ) ， s y m b o le r r o rr a t e ( s e r ) i i 南京邮电大学硕士学位论文目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i i i 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 研究现状3 1 3 论文的主要内容及组织5 第二章协同通信技术基础6 2 1 无线信道传输特性6 2 1 1 多径时延扩展产生的衰落效应6 2 1 2 多普勒扩展引起的衰落效应7 2 1 3n a k a g a m i 信道模型7 2 2 分集技术概述8 2 2 1 移动通信的分集技术9 2 2 2 分集合并技术1 0 2 3m i m o 技术概述1 2 2 4 协同通信基本原理1 3 2 4 1 放大转发l3 2 4 2 译码转发15 2 4 3 编码协同1 5 2 5 本章小结18 第三章放大转发协同通信系统的性能分析1 9 3 1 全参与放大转发协同通信系统性能分析2 0 3 1 1 系统模型2 0 3 1 2 性能分析2 2 3 1 3 仿真结果2 6 3 2 选择性放大转发协同通信系统性能分析3 0 3 2 1 系统模型3 0 南京邮电大学硕士学位论文目录 3 2 2 性能分析3 2 3 2 3 仿真结果3 4 3 3 本章小结3 7 第四章译码转发协同通信系统性能分析3 8 4 1 自适应译码转发协同通信系统性能分析3 9 4 1 1 系统模型：3 9 4 1 2 性能分析4 0 4 1 3 仿真结果4 1 4 2 选择性译码转发协同通信系统性能分析4 5 4 2 1 系统模型4 6 4 2 2 性能分析4 6 4 2 3 仿真结果4 8 4 3 本章小结51 第五章协同通信系统性能比较5 2 5 1 全参与放大转发与选择性放大转发方案性能比较5 2 5 2 自适应译码转发与选择性译码转发方案性能比较5 5 5 3 放大转发与译码转发方案的性能比较5 8 5 4 本章小结6 0 第六章总结与展望6 1 至i 谢6 3 参考文献6 4 攻读硕士学位期间发表的论文6 8 i v 南京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 无线通信至今已有百年历史，各种技术层出不穷，各种无线通信系统不断涌现，极大 的改变了人们的生活方式。近二十年来无线通信的发展尤为迅猛。和有线通信相比，无线 通信更富有挑战性。其主要的原因在于无线信道的特殊性。首先是无线信道的衰落特性， 主要包括发射机和接收机之间的距离引起的路径损耗，由于建筑物阻挡等引起的阴影衰落 以及多径衰落等。这些特性对信号的传输质量造成严重的影响。其次是无线信道的广播特 性，任意发射机的无线信号可以被接收范围内的其他接收机所接收到，这样当一个系统中 有多个发射机时可能会引起干扰。 近几十年来的研究大多围绕上述问题展开。作为对抗信号衰落的一种有效方法多输入 多输出( m i m 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 ) 技术得到了广泛的关注1 2 1 。其中的正交空时 编码3 1 4 1 作为实现空间分集的一种简单而有效的方法，已被许多通信标准采纳吲6 1 。为了 克服多个发射机之间的干扰，对于不同的通信系统采用了严格的频谱许可管制，对于同一 系统内的用户则采用一定的多址接入技术。例如在g s m 中采用时分多址( t d m a ：t i m e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 的方法，而在第三代系统通信系统中则普遍采用了码分多址 ( c d m a ：c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 技术。此外在过去一段时间里还涌现出许多新的技 术，例如高效率的信道编解码t u r b o 码7 1 和l d p c 码引，o f d m 技术1 9 1 ，多用户检测( m u d ) 技术叫以及结合媒体接入层与物理层的跨层设壬t ( c r o s sl a y e rd e s i g n ) 1 q 等都极大地提高 了无线通信系统的传输效率。 值得注意的是，许多无线通信系统的基本架构却一直没有改变。现有的通信系统普遍 采用点对点或者点对多点直接传输的设计理念。例如蜂窝网中的基站和移动台，无线局域 网的接入点( a p ) 和用户之间都是直接进行信号收发。多个用户之间通常采用竞争机制来获 得系统资源( 时隙频段等) ，典型的如无线局域网所采用的a l o h a 协议等。现在通信系统 的这些设计理念已暴露出许多问题。首先是网络的覆盖范围受到限制，无线电波在空气中 随着传输距离的增加而迅速衰减。对于网络边缘用户，必须增加功率或者采用其它一些复 杂的技术来获得可靠通信。即便如此，这些边缘用户所能获得的数据速率依然十分有限。 为了保证小区边缘用户的性能，在基站发送功率一定前提下只能减小小区半径，这增加了 l 南京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 整个网络的建设成本。此外，随着城市化进程的加快，人口密集城市中高楼不断涌现，使 得信号传播受到的影响越来越大，无线网络中出现了许多覆盖的盲点，使得通信运营商需 要花费大量的时间和经济成本来解决这些盲点。 m i m o 技术可以在一定程度上改善系统性能，但是也存在一些不足之处。为了获得较 好的分集效果，不同天线之间需要保持一定的距离，才能保证信道之间的独立性。而由于 终端尺寸，硬件复杂度以及实现成本等因素的影响，在移动终端上部署多个天线有一定的 困难。对于由传输距离引起的路径损耗，m i m o 技术的作用也十分有限。 针对现有通信系统中存在的这些问题，人们开始研究如何在不增加移动终端天线数目 的情况下来获得和传统m i m o 技术一样的分集效果，并改善小区边缘用户性能。协同通信 技术有望解决这些问题，在近年来受到日益广泛关注1 1 2 i - 【1 4 i 。无线信道的广播特性在过去 普遍认为是一个对通信质量十分不利的因素，而协同通信则刚好利用了这一特性。当某一 终端发送信号给接收端时，在其邻近的终端若采用一定的协议配合其进行信号的传输，就 有可能获得性能的提升。例如考虑一个蜂窝网中的小区，当某一用户和基站进行通信时， 如果该用户和基站的信号正好处于深度衰落，而从该用户到其他附近的终端信道情况较 好，则就可以借助这些终端将该用户的信号转发给基站。一般而言，协同通信有以下几种 方式，包括用户协 司( u s e rc o o p e r a t i o n ) t 1 2 1 1 1 3 1 ，无线中继( w i r e l e s sr e l a y i n g ) h 】和无线网络编 码( w i r e l e s sn e t w o r kc o d i n g ) 1 5 】等。 实际上中继技术并不是最近才出现的。其原始的思想可以追溯到中国古代长城的烽火 台。那时候，士兵们利用烟作为传递信息的有效方式。如果某个烽火台上的士兵看到前方 烽火台有浓烟升起就判定前方有敌情，于是点燃自己值守的烽火台将此信息传递给下一个 烽火台。如果所有的烽火台都判定准确，那么前方的敌情就可以迅速传到后方作决策。这 实际上可以看作是一种最原始的译码传送协同通信系统。中继技术也早已在通信系统中得 到应用。在微波链路中，由于空间传输损耗，一般每隔几十公放置一个中继将接收到的信 号放大后再发送出去。不过这些早期的中继通常用于骨干网络，而且采用比较简单的信号 处理方式。c o v e r 和g a m a l 等也早就对采用中继的系统进行了信息论方面的分析 1 6 1 不过由 于当时硬件条件，数字信号处理技术不够成熟等因素的制约，这一技术并没有得到更多的 关注。 南京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 研究现状 近年来随着研究的深入，中继这一技术逐渐演化为协同通信的概念，提出了许多更高 级的信号协同通信( 中继) 方式。在文献 1 2 1 1 1 3 】中，s e n d o n a r i s 等明确提出了协同的概念。 在文中，他们考虑了一个c d m a 上行通信系统，用户之间相互检测对方的发送数据并转 发给基站，从而获得了更高的传输速率。与此同时，l a n e m a 等也开始进行了协同通信的相 关研究，提出了几种简单而且有效的协同通信技术，并分析了这些协同通信技术的性能“。 这些研究成果引起了学术界和工业界对协同通信的广泛关注。 s d 图1 1 典型的协同通信系统 在文献 1 6 卜 1 8 】中作者提出了几种协同通信技术，包括放大转发( a f ：a m p l i f ya n d f o r w a r d ) 、译码转码( d f ：d e c o d e a n d f o r w a r d ) 以及压缩转发( c f ：c o m p r e s sa n df o r w a r d ) 等。 考虑图1 1 所示一个典型的协同通信系统，其中包含一个信源s ，一个接收端d 以及一个 协同终端r 。信源终端在协同终端r 的协同下与接收端进行通信。在放大转发协议中协同 终端只是将接收到的信号进行线性缩放后再发送给接收端。在译码转发方案中，协同终端 需要对接收信号进行解码并重新编码后再发送给接收端。上述这些方案实现较为简单，并 且可以获得较好的分集效果。在这些基本方案的基础上，人们还提出了许多其他协同通信 方案，例如自适应协同方案 2 0 1 12 1 1 ，与自动重传请求a r q 相结合的协同中继技术【2 2 】和与信 道编码相结合的编码协同c c ( c o d e dc o o p e r a t i o n ) 2 3 2 4 1 等。在【2 0 【2 1 】中，作者提出了协同 终端根据信道情况进行自适应协同通信。当协同终端接收信噪比低于某一特定阀值时，协 同终端r 就不参与协同。而在 2 2 中，只有当接收端发生译码错误时，协同终端r 才会将 接收到的数据转发给接收端。而在文献 2 3 1 1 2 4 1 ，h u n t e r 提出了将协同通信与信道编码相结 南京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 合，在信源终端和协同终端处采用不同的编码方式，两者构成一个分布式t u r b o 码来获得 额外的编码增益。 在某些场合下系统可能会有多个终端参与协同通信，如何有效的协调这些终端进行传 输是一个十分关键的问题。目前所研究的协同通信技术主要有分布式空时编码( d s t c ： d i s t r i b u t e ds p a c e t i m ec o d i n g ) 以及选择性协同( s e l e c t i o nc o o p e r a t i o n ) 等。这些协同通信技 术各有优缺点。文献【2 5 】中提出的分布式空时编码协同通信，利用了m i m o 系统中的空时 编码方式。这种协同通信技术要求各个终端之间的发送信号是同步的，这在某些系统中存 在一定困难。在选择性协同通信中，并不是所有的终端都参与协同，而是根据信道状况在 每次协同通信中选择信道状况最好的一个终端进行协同通信。选择性协同通常虽然对同步 没有严格要求，但是需要选择决策者具有全局的信号信息并将根据信道情况做出选择的结 果反馈给参与协同的终端，因此开销比较大。 目前已有许多文献对这些协同通信技术的误符号率和误码率性能、中断概率性能、可 达速率域以及容量等进行了分析。在文献 2 6 】中，h a s n a 通过计算两个独立的服从指数分布 的随机变量的调和平均值的概率密度函数，分析了具有单个协同终端的两跳放大转发系统 在瑞利信道中的性能，并给出了闭合的表达式。在 2 7 2 8 1 0 7 ，k a r a g i a n n i d i s 等利用调和平 均值与几何平均值之间的不等式关系，给出了多跳放大转发通信系统在n a k a g a m i m 信道 中的性能下限。对于一般的协同通信系统，文献 3 5 利用 3 6 中的性能分析方法，给出了高 信噪比时多协同终端和多跳放大转发协同通信在瑞利与莱斯衰落信道下的误符号率的闭 合表达式。不过该文的分析方法的前提是信道概率密度函数在原点不为零，因此只适用于 瑞利及莱斯信道而不能应用到n a k a g a m i m 等其他更一般的信道中。 为了进一步提高协同通信的性能，一些学者将用于传统点对点m i m o 系统的一些较为 复杂的技术引入到协同系统中。由于协同系统中有多个终端参与信号传输，因此如何在这 些终端之间进行资源分配以实现系统性能的最优化是一个非常重要的研究方向。在文献 2 9 】 中，讨论了利用信道统计信息来进行功率分配以及实现最小化误符号率，所讨论的协同协 议包括放大转发，译码转发以及分布式空时编码等。在总发送功率一定的限制下，文献 3 0 1 研究了如何在发送端和协同终端之间进行功率分配才能使得误码率最小。在文献 3 l 】中 d i n g 等提出了一个放大转发协同通信系统，中继利用部分信道信息进行预编码使得接收端 的成对错误概率最小。但这些方法在改善协同通信系统性能的同时也增加了系统的复杂 度。 4 南京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 论文的主要内容及组织 在参阅了大量中英文文献的基础上，本文对中继协同通信系统中协同方案进行了研 究，对主流的协同方案下系统的性能进行分析，并且仿真比较了在不同的协同方案下系统 的性能。 本论文章节安排如下： 第二章：介绍了协同通信的相关知识。首先介绍了无线信道，分集技术，多天线系 统的基础知识，在这基础上重点分析了三种协同分集方案，包括放大前传，解码前传，编 码协同。 第三章：研究了放大转发协同通信系统的性能。首先给出了全参与放大转发和选择性 放大转发的系统模型。分析了这些系统的渐近误码率性能，并以n a k a g a m i m 信道为例， 推导了在高信噪比时误符号率的闭合表达式，并通过仿真检验了理论分析结果。 第四章：研究了译码转发协同通信系统的性能。首先给出了自适应译码转发和选择性 译码转发的系统模型。分析了这些系统的渐近误码率性能，并以n a k a g a m i m 信道为例， 推导了在高信噪比时误符号率的闭合表达式，通过仿真检验了理论分析结果。 第五章：进行协同通信方案之间的性能比较。通过理论分析和数值仿真，我们比较了 全参与放大转发、选择性放大转发、自适应译码转发和选择性译码转发系统性能。 南京邮电大学硕士学位论文 第二章协同通信技术基础 第二章协同通信技术基础 2 1 无线信道传输特性 信号衰落主要由以下三种情况引起：平均传输路径损耗、大尺度衰落、小尺度衰落。 平均传输路径损耗主要由水、树叶和地面反射等引起的，和传输距离的平方成反比。大尺 度衰落主要由建筑物和山等大型物体引起，所以又称为阴影衰落。小尺度衰落主要由多径 效应引起。多径效应导致了时延扩展和频率扩展。 2 1 1 多径时延扩展产生的衰落效应 信号通过无线信道时会引起多径衰落，因此需要考虑信号中不同频率分量所受到的衰 落是否相同。相关带宽用来表征信号中两个频率分量基本相关的频率间隔。衰落信号中的 两个频率分量，在其频率间隔小于相关带宽时，它们是相关的，衰落特性具有一致性；其 频率间隔大于相关带宽时，它们是不相关的，衰落特性不具有一致性。 根据衰落与频率的关系，可将衰落分为两种：频率选择性衰落和非频率选择性衰落， 后者又称为平坦衰落。 ( 1 ) 平坦衰落 如果无线信道带宽大于发送信号带宽，即符号周期大于信号时延扩展，且在带宽范围 内有恒定增益及线性相位，则接收信号就会经历平坦衰落过程。这是最常见的一种衰落。 对于数字移动通信来说，在平坦衰落情况下，当码元速率较低，信号带宽远小于信道相关 带宽时，信号通过信道传输后各频率分量的变化具有一致性，信号波形不失真，无码间串 扰。信道能够保证发送信号的频谱特性和接收信号的频谱特性是一致的，然而，由于多径 信道增益的起伏，使接收信号强度会随时间变化。 ( 2 ) 频率选择性衰落 如果无线信道带宽小于发送信号带宽，即符号周期小于多径时延扩展。且在带宽范围 内有恒定增益及线性相位，则接收信号就会经历频率选择性衰落。频率选择性衰落是指信 号中各分量的衰落状况与频率有关，即传输信道对信号不同的频率成分有不同的随机响 应，当信号带宽大于相关带宽时，信号通过信道传输后，各频率分量的变化具有非一致性， 因而波形失真，造成码间串扰，成为频率选择性衰落。一般地，窄带信号通过移动信道时 将引起平坦衰落，而宽带扩频信号将引起频率选择性衰落。 6 南京邮电大学硕士学位论文第二章协同通信技术基础 2 1 2 多普勒扩展引起的衰落效应 根据发送信号与信道变化快慢程度的比较，信道可分为快衰落信道和慢衰落信道。 ( 1 ) 快衰落 接收信号强度出现快速、大幅度的周期性变化称为快衰落。统计表明，在障碍物均匀 的城市街道或森林中，信号包络起伏近似于瑞利分布，故快衰落又称为瑞利衰落。在快衰 落信道中，信道冲激响应在符号周期内变化很快，信道的相干时间比发送信号的信号周期 短。即符号速率小于信道多普勒扩展。由于多普勒扩展引起频率色散( 时间选择性衰落) ， 从而导致信号失真。从频域可看出，信号失真随发送信号带宽的多普勒扩展的增加而加剧。 需要注意的是，当信道被认为是快衰落或慢衰落信道时，就不用再指它为平坦衰落或频率 选择性衰落信道。快衰落的衰落幅度变化与地形地物有关，衰落速度与移动台移动速度有 关。信道变化快于数字基带信号的变化，且接收信号具有较大的多普勒频移，则信道为快 衰落信道。 ( 2 ) 慢衰落 信道变化慢于数字基带信号的变化，且接收信号具有较小的多普勒频移，则信道为慢 衰落信道，即符号速率大于信道多普勒扩展。在慢衰落信道中，可认为信道参数在一个或 多个信号码元周期是稳定的。为了简化系统便于研究，有时候也把这种慢衰落信道当作平 坦信道进行分析。慢衰落和快衰落是根据信道时变的速度来决定的，如果信道时变相比发 送数据符号周期而言很慢，则成为慢衰落。 2 1 3n a k a g a m i 信道模型 无线通信系统实验已经证实n a k a g a m i 信道模型对实测数据具有很好的拟和性。因此， 它已经成为一类具有广泛代表意义的无线信道模型并具有重要的应用价值，得到非常多的 国际学者的关注，很多的理论研究工作也都是基于n a k a g a m i 信道模型展开的。n a k a g a m i 衰落信道模型主要分为三种：n a k a g a m i - n 、n a k a g a m i q 、n a k a g a m i - m 。 n a k a g a m i - n 信道又称为莱斯信道，它是用于描述传播路径存在直射分量和散射分量的 情形。假定通信过程中的两节点间的衰落系数为h ，它的幅值为( z = h ) 服从n a k a g a m i - n 分布，则概率密度函数( p d f - p r o b a b i l i t yd e n s i t yf t m c t i o n ) 为 一等竽e x p ( 一警寸( 2 舷浮 弘， 南京邮电大学硕士学位论文第二章协同通信技术基础 其中：q = e k 2 】，衰落参数n 的取值范围在0n + o o2 _ i n 。e 【 表示数学期望，i o ( ) 代表 零阶第一类修正贝赛尔函数。 当卫星链路遭受到电离层闪烁时，衰落信道通常符合n a k a g a m i q 分布，其p d f 为 一警唧( 一鬻寸( 等 p 2 ， 其中：衰落参数q 的取值范围在0 到1 之间。 n a k a g a m i m 衰落信道早在2 0 世纪4 0 年代就被提出用于无线环境下多径散射的描述， 其p d f 为 眦，= 而2 m 。z 2 - 1e x p ( 一蠢z 2 ) ， 其中：衰落参数m 的取值范围在0 5 到+ o o 之间。r ( ) 表示伽马函数。 由式( 2 - 3 ) 我们还能够得知，随机变量z 2 服从伽马分布。n a k a g a m i m 衰落信道能够涵 盖很广的信道特性。例如：m = 0 5 代表高斯分布；当m o o 时，n a k a g a m i 衰落信道收敛 为无衰落下的加性白高斯噪声信道( a w g n ：a d d i t i o n a lw h i t eg a u s s i a nn o i s e ) ；再者，根据 a o f ( a m o u n t o f - f a d i n g ) ，n a k a g a m i m 信道也常用于近似n a k a g a m i n 和n a k a f a m i q 衰落信 道。特别地，当m = 1 时，n a k a g a m i - m 衰落信道就退化为众所周知的瑞利( r a y l e i g h ) 情形，p d f 为 ( z ) = 五1e x p ( 一百1z )(2-4) 两个正交高斯噪声信号之和的包络分布服从瑞利分布。瑞利衰落信道可以用于描述 平坦衰落信号接收包络或独立多径分量接收包络统计时变特性，适用于描述建筑物密集的 城镇中心地带的无线信道。密集的建筑物和其它物体使得无线设备的发射机和接收机之间 没有直射路径，而且使得无线信号被衰落、反射、折射、衍射。n a k a g a m i 衰落和瑞利衰落 同属于小尺度衰落效应，它们总是叠加于阴影、路径损耗等大尺度衰落效应上。 2 2 分集技术概述 分集技术是无线通信系统中为对抗衰落，提高传输性能的一项基本技术。由于无线信 道存在多径效应和时变性，无线衰落信道中的信号会受到严重的衰落，这种衰落使得接收 端正确判断发送信号有困难。然而，若能接收到衰落程度比较小的同一信号的其他副本提 供给接收机，这一问题就可以解决，这种方法就被称为分集。其基本原理是：将接收到的多 8 南京邮电大学硕士学位论文 第二章协同通信技术基础 个在时间、频率或空间等方面衰落特性相互独立的信号按一定规则合并起来，使得组合后 得到的有用信号能量最大化。对数字系统而言，可以使接收端的误码率最小；对模拟系统 而言，可以提高接收端的信噪比。 在移动通信中广泛使用分集技术来减小多径衰落的影响，在不增加发射功率或牺牲通 信带宽的情况下提高传输可靠性。分集技术在接收端需要接收到发射信号的多个样本信 号，每个接收信号携带相同的信息，但是在衰落统计特性上具有较小的相关性。分集的基 本思想是，如果利用信号的两个或多个独立样本，那么这些样本将以不相关的模式衰落。 例如，一些信号的样本可能严重衰落，而另一些则衰落的较少。这就意味着所有样本信号 同时低于给定门限电平的概率要比任何单个信号低于给定门限值的概率小得多。因此，采 用合理的方式合并这些样本可以大大降低衰落的影响和提高系统的传输可靠性。 在噪声受限条件下，若不采用分集技术，则发射机必须提高发射功率，才能保证信道 条件较差时，链路能够正常连接。然而，工作于移动无线环境中的手持终端，电池容量非 常有限，所以反向链路中所能获得的发射功率也非常有限。采用分集技术可以降低移动终 端的发射功率，这在移动通信中非常重要。另外，通过采用分集技术对抗信道衰落，对系 统的容量受干扰限制的蜂窝网络系统来说，就意味着减小载波干扰比，提高复用系数，进 而提高系统性能。 2 2 1 移动通信的分集技术 ( 1 ) 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，接收机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。采用时 间分集时，相同的信号序列在不同的时隙被多次重发，历经不同的独立衰落到达接收端， 然后由接收端进行适当的合并以获得分集增益。在快衰落环境中，时间分集比在慢衰落信 道中有效。因为快衰落具有时间独立性，只要各次发送信号的时间间隔足够大，那么各次 发送信号所出现的衰落将是彼此独立的。接收机将重复收到的同一信号进行合并就能减小 衰落的影响。一般的时间分集方式在快衰落信道中尤为有效。但对于慢衰落信道来说，由 于要求的发送时间的间隔要大于信道相关时间，所以除非通信双方能忍受大的交织延迟， 否则这一方法的作用并不明显。 ( 2 ) 频率分集 频率分集就是将相同的信息用不同频率的载波发送出去，在接收端接收不同载波上的 9 南京邮电大学硕士学位论文第二章协同通信技术基础 相同信息再进行合并的技术。当发射的载频之间的间隔大于信道相关带宽时，接收端就能 够得到相同信息的独立传输结果。这种方法利用了衰落在频域上不相干特性。它和时间分 集相比，能够加速信息的传输，避免了数据在时间上的等待和重复。但是频域分集传输同 一信号需要多个载频，占用了更多的频谱资源，因而其频谱利用率较低。并且频率分集需 要多部独立信号的发射机和接收机进行不同频段的信息收发，因此在设备构成方面比较复 杂。现在的g s m 标准就是采用跳频技术来获得频率分集的。 ( 3 ) 空间分集 空间分集又称天线分集。空间分集就是在发射端和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。当天线间距足够大时，各个天线接收到的衰落信号可以认为是相 互独立的。这样就可以利用衰落信号的空间独立性对信号进行接收处理。这种技术不会在 时域和频域引入冗余性，也不会降低系统的效率，同样还能够获得相应的分集增益。当采 用空间分集时，一般要求各个天线之间的间距大于几个波长，以保证每根天线接收到的信 号都是经过相对独立的衰落路径的信号。接收天线个数越多，其分集效果越佳。相对于单 天线，多天线传输可使信道容量得到大幅度的改善，因此这种分集技术得到了广泛的研究。 分别为选择 ( 2 - 5 ) 南京邮电大学硕士学位论文第二章协同通信技术基础 均功率的和最大来代替信噪比最大进行分支选择。后来又有转换合并方式出现，即从多个 接收分支中选择信噪比超过某一给定域值的一条支路作为输出，然后一直使用这条支路输 出，直到该支路的信噪比低于给定值后，接收机重新扫描选择。 m 条支路的选择合并，所得到的平均信噪比改善量为： m s2 荟去(2-6) ( 2 ) 最大比值合并 最大比值合并是一种最佳合并方式。在信号合并之前，需要对m 个接收分支进行加权， 其加权系数正比于每一支路各自的信噪比，即 鲰2瓦rk(2-7) 由此得到最大合并器输出的信号包络为： m m ，2 轳酗荟表(2-8) 平均信噪比改善量为： m 只= m ( 3 ) 等增益合并 将各路信号以相同的支路增益进行直接相加，无须对信号分别加权，相加后的信号作 为接收信号。等增益合并方式实现比较简单，其性能接近于最大比值合并。等增益合并器 输出的信号包络为： = ( 2 9 ) 平均信噪比改善量为 mf=l+4(m1)(2-lo) 若单纯从性能考虑，最大比合并是最好的选择，但在实际系统实现的时候还涉及到系 统的复杂度问题。最大合并要求知道接收信号的幅度和相位信息，而实际中是有困难的。 等增益合并和选择合并虽然性能稍差，但实现起来比较容易。 南京邮电大学硕士学位论文第二章协同通信技术基础 2 3m i m o 技术概述 传统无线通信系统采用一个发射天线和一个接收天线，称作s i s o ( s i n g l ei n p u t s i n g l e o u t p u t ) 系统。s i s o 系统在信道容量上具有一个不可突破的瓶颈香农容量限制。 m i m o 无线通信技术源于天线分集技术与智能天线技术，它是m i s o 与s i m o 技术的 结合，具有两者的特征。 、一歹 7 发 j l 接 送 收 端 端 图2 1 m i m o 系统模型图 在无线通信领域，对m i m o 的研究源于对利用多个天线阵元的空间分集的性能研究。 作为提供空间分集的多输入所输出系统，能够提供比单天线系统大得多的信道容量，是一 种对抗衰落的有效技术。它的贡献主要体现在两个方面：一个是达到分集效果的极大化， 即系统传输性能的提高：另一个是达到传输速率的极大化，即频谱效率的大幅度提高。 多输入多输出( m m i o ) 即在接收端和发送端都采用多个天线，可以成倍地提高衰落 信道下的信道容量。根据信息论最新成果，假定发送天线数为。，接收天线数是，在 每个天线发送信号能够被分离的情况下，有如下信道容量公式： c = ，i o g ( f ，s n r ) ( 2 - 1 1 ) 其中f n ，。 式中s n r 是每个接收天线的信噪比。根据这个公式，对于采用多天线阵发送和接收的 系统，在理想情况下信道容量将线性增加，也就是说可以利用m m i o 信道成倍地提高无线 信道容量，从而提供了目前其他技术无法达到的容量潜力。m m i o 系统结构如图2 1 所示。 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和 接收天线对的传输信道相互独立，此时分集阶等于发射天线的数目乘以接收天线的数目。 1 2 南京邮电大学硕士学位论文 第二章协同通信技术基础 对应不同的应用环境和需求，通过选择正确传输方案，使用正确的编码设计和接收机设计， m i m o 在提升系统性能方面是很有优势的。 m i m o 系统可以分为空间复用方案的m i m o 系统，空间分集方案的m i m o 系统以及 两张相结合的系统。空间复用方案提供了随发射天线数线性增长的数据传输速率，而不需 要增加额外的带宽和发射功率。在空间复用中，要发送的数据比特流被分为若干较低速率 的子比特流，在各个发送天线上被同时发送。接收机通过信道信息可以区分并分别提取来 自各个发射天线的信号，然后恢复出各个原始的子比特流，合并后就可以得到原始比特流。 s e n d o n a r i s 等人最早在1 9 9 8 年提出了一种使单天线的移动终端也可以实现空域分集的 新技术协同通信：系统中的每一个移动终端都有一个或多个合作伙伴，合作伙伴之间 有责任在传输自己信息的同时，帮助其伙伴传输信息。这样，每个终端在传输信息的过程 中，既利用了自己的又利用了其合作伙伴的空间信道，从而获得了一定的空间分集增益。 由于协同通信中的合作伙伴共享彼此的天线，从而构成了虚拟m i m o 多天线系统，从这个 意义上讲，协同通信为m