（通信与信息系统专业论文）协同通信实现方案研究.pdf

南京邮电大学 硕士学位论文摘要 研究方向： 作 题目：协同通信实现方案研究 英文题e l ：r e s e a r c ho nt h er e a l i z a t i o no fc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n s 主题词：协同通信；正交分集；双向中继；去噪前传 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 ；o r t h o g o n a ld i v e r s i t y ；t w o w a y r e l a y ；d e n o i s ea n df o r w a r d 、p i t；l摩 j 南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 随着用户需求的增加，未来的无线通信网络不仅要为用户提供高质量的语音服务，而 且还要支持无线因特网。这就意味着无线通信网络要提供更宽的频带和更高的数据速率， 因此必然造成覆盖半径的降低。为了满足这一需求，人们提出了各种解决方案，其中基于 中继传输协作通信的无线网络编码技术被视为有很好应用前景的技术之一。为了提高频谱 效率，人们提出了无线网络编码的概念。然而，传统的网络编码是基于“异或”运算操作， 并且只在m a c 层以上研究，缺乏实际系统的可操作性。d n f 将网络编码从上层移到物理 ， 层，使网络编码的研究从信息论转到通信调制理论。但是目前的d n f 中继模型中也存在 许多问题，首先是会出现去噪失败的问题，其次是目前只有去噪映射标准，并没有一个动 态的算法来产生映射，尤其是当调制级别增加时，计算的复杂度相当高。为了解决这一问 题，文章研究了正交分集发送技术在基于d n f 的网络编码无线传输系统中的应用。 在该方案中，d n f 中继对接收到的q p s k 调制信号的i 路和q 路消息在基带分别处理， 然后发送给终端。这就使得一路q p s k 信号可以用两路b p s k 信号来分别处理，降低了系 统的复杂度。文章对该方案进行了仿真分析研究，结果显示系统的吞吐量得到一定的改善。 关键词：协同通信；正交分集；双向中继；去噪前传 堕室坚皇奎堂堡主婴壅生堂位论文a b s t ，a c t 。一- - 一- 一- ： ： a b s t r a c t w i t hi n c r e a s i n go fu s e rd e m a n d ，o n l yt h eh i g h q u a l i t yv o i c es e r v i c e s ，b u ta l s ot h ew i r e l e s s i n t e m e ts e r v i c e ss h o u l db ep r o v i d e db yt h ef u t u r ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r i 【s i tm e a i l s t h a tt h en e x t g e n e r a t i o nw i r e l e s sn e t w o r ki se x p e c t e dt oa d o p t h i g h f r e q u e n c yb a n da n dp r o v i d e v e r yh i g hd a t ar a t e s ，s ot h a tt h ee f f e c t i v es e r v i c ec o v e r a g ea r e aw i l ls h r i n kt os m a l l e ro n et l l a n t h a to fc u r r e n tw i r e l e s ss y s t e m s i no r d e rt om e e tt h i sd e m a n d ，v a r i o u ss o l u t i o n sh a v eb e e n p r o p o s e d r e l a y b a s e dc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o ni nw h i c hw i r e l e s sn e t w o r kc o d i n gt e c h n 0 1 0 9 y i su s e d ，i sr e g a r d e dt ob eag o o dp r o s p e c t ，a n dh a sa t t r a c t e d e v e r - i n c r e a s i n gi n t e r e s t s w i r e l e s s n e t w o r kc o d i n gi sp r o p o s e dt oi m p r o v es p e c t r a le f f i c i e n c y a sx o r i su s e di nt h et r a d i t i o n a l c o d i n gn e t w o r k ，a n di t sr e s e a r c hi sa b o v et h em a c l a y e r s oi tc a n tb eu s e di na c t u a ls v s t e m i nd n fm o d e l ，t h ec o d i n gw o r kw a sm o v e dt ot h ep h y s i c a ll a y e r ，a n dc h a n g e s t h er e s e a r c h f r o m i n f o r m a t i o n t h e o r y t oc o m m u n i c a t i o nm o d u l a t i o n t h e o r y h o w e v e r s o m e p r o b l e m s p r e v e n ti t sa p p l i c a t i o nt oh i g hm o d u l a t i o no r d e ri nf a d i n gc h a n n e l s f i r s t l y ，c u r r e n td n fs c h e m e h a v ed e n o i s i n gf a i l u r ep r o b l e m s a n dt h e r ea r eo n l yc r i t e r i at h a tad e n o i s i n gm a p p i n gs h o u l d s a t i s f yb u tn oa l g o r i t h mt og e n e r a t et h em a p p i n gd y n a m i c a l l y t h ec o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y w i l lb ei nah i g ho r d e rw h e n h i g hm o d u l a t i o no r d e rw a su s e d i nt h i s p a p e r ，a ne n h a n c e dd n fs c h e m ei s p r o p o s e d ，w h i c he x t e n d sd n ft oh i g h m o d u l a t i o no r d e rf o rf a d i n gc h a n n e l sw i t hl o wc o m p u t a t i o n a l c o m p l e x i t y i nt h i ss c h e m e ， h a n d l i n gt h es i g n a l so fia n dqp a t ho fq p s ks e p a r a t e l yi nb a s e b a n db e f o r et r a n s m i r i n gt o t e r m i n a la tt h er e l a yn o d e t h a ti st o s a y ，t w ob p s km o d u l a t i o n sc o u l db eu s e dt oi n s t e a da q p s km o d u l a t i o n t h e r e f o r et h ec o m p l e x i t yo ft h es y s t e mi s r e d u c e d i ti ss h o w nb vt l l e s i m u l a t i o nr e s u l t st h a tt h ep r o p o s e ds c h e m ec a na c h i e v eh i g h e rs p e c t r u me f f i c i e n c yt h a nt h a t p r o v i d e db yt h ee x i s t i n gs c h e m e 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 s ；o r t h o g o n a ld i v e r s i t y ；t w o w a yr e l a y ；d e n o i s ea n d f o r w a r d i i 霸 代，矿 南京邮电大学硕士研究生学位论文目录 目录 第一章绪论1 1 1 论文背景1 1 2 本文的主要研究工作。8 1 3 论文的结构9 第二章分集技术1 0 2 1 通信信道1 0 2 1 1 通信信道电波传播机理1 0 2 1 2 通信信道的特点1l 2 1 3 通信信道分类1 4 2 2 传统分集技术1 6 2 2 1 时间分集1 7 2 2 2 频率分集17 2 2 3 空间分集1 8 2 3 正交分集1 9 2 3 1 发送分集的历史和分类2 l 2 3 2w c d m a 和c d m a 2 0 0 0l x 中的发送分集2 1 2 4 协作分集的提出2 2 2 5 协作分集原理2 3 第三章传统协作分集协议2 5 3 1 译码前传：2 5 3 1 1 译码前传的原理2 5 3 1 2 译码前传的性能分析2 6 3 2 放大前传2 8 3 2 1 放大前传的原理2 8 3 2 2 放大前传的性能分析2 9 3 3 编码协作31 3 3 1 编码协作的原理3 1 3 3 2 空时编码协作的性能分析3 4 第四章双向中继模型的原理。3 7 4 1a f 中继模型3 7 4 1 1a f 中继模型的原理3 7 4 1 2a f 中继模型的性能分析3 8 4 2d f 中继模型。4 0 4 2 1d f 中继模型的原理：4 0 4 2 - 2d f 中继模型的性能分析4 0 4 3d n f 中继模型4 1 4 3 1d n f 中继模型的原理4 1 4 3 2d n f 中继模型的性能分析4 2 第五章改进的d n f 中继模型4 7 5 1d n f 中继模型存在的问题4 7 5 2 改进的d n f 中继模型4 8 5 2 1q p s k 调制的正交分集4 8 i l l 南京邮电大学硕士研究生学位论文 目录 5 2 2 改进的d n f 中继模型4 9 第六章仿真结果5 2 6 1 通信系统仿真与m a t l a b 介绍5 2 6 2 仿真结果及分析_ 5 2 6 2 1 译码前传5 2 6 2 2 放大前传5 3 6 2 3 编码协作5 4 6 2 4 双向中继模型5 6 第七章结论与展望。5 8 7 1 本文主要工作5 8 7 2 下一步工作的展望- - 。5 9 致谢6 0 参考文献6 1 i v 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 第一章绪论 双向中继协作传输因其能够极大地提高频谱效率而成为人们研究的热门。到目前为 止，人们提出许多的无线网络双向中继协作传输模型，在这些中继协作传输策略中，d n f ( d e n o i s e a n d f o r w a r d ) 因其频谱效率而备受人们的青睐，在d n f 策略中，中继节点可以 消除干扰噪声。 然而，目前的d n f 中继模型中存在许多问题：1 、该中继模型存在去噪失败的问题。 2 、对于去噪映射，随着调制级别的增加，去噪映射的复杂度呈数量级增加，而且目前只 有去噪映射标准，并没有一个动态的算法以产生映射，其计算的复杂度是相当高的，这又 导致在实际中是不可行的。由此，如何降低高阶调制时的映射数对于提高系统的性能将显 得特别重要。3 、在去噪估计中，其搜索过程也是相当复杂的。综上所述，随着调制级别 的增加，系统的复杂度急剧增加。尽管文献【3 7 】【4 1 】中提出了各种改进方案，企图降低复杂度， 但是这些都是沿着原创作品相同的轨迹而行，显然其改进仍将是有限的，本文将换个思考 问题的方法，从系统结构来降低复杂度。采用3 g 系统中分集发送与接收子结构来改善系 统性能。从对性能函数的仿真分析。 1 1 论文背景 蜂窝移动通信的发展经历了第一代模拟系统和第二代数字移动系统，目前正在向第三 代宽带数字系统方向发展。 第一代蜂窝移动通信系统出现于2 0 世纪8 0 年代早期，采用频分多址和模拟技术，典 型的系统有美国的a m p s 、英国的t a c s 、前西德的c 4 5 0 等。模拟系统的缺点主要有频 谱利用率低、抗干扰能力差、系统保密性差等，但由于模拟技术十分成熟，因而在发展初 期也得到了较为广泛的应用。模拟蜂窝技术由于不适合未来多媒体通信业务的需求，必将 在日益激烈的市场竞争中被逐步淘汰。 第二代移动通信系统出现于2 0 世纪九十年代，采用数字调制方式和先进的呼叫处理 技术，充分应用了大规模集成技术和低速语音编码技术的最新成就。典型系统如欧洲的 g s m 、d c s l 8 0 0 、美国的i s 5 4 ，以及基于直接序列扩频技术的窄带c d m a 系统i s 9 5 等。 第二代移动通信系统主要是为了支持语音和低速率的数据业务而设计的。但随着人们对通 信业务范围和业务速率要求的不断提高，已有的第二代移动通信网将很难满足新的业务需 l 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一苹绪论 求。为了适应新的市场需求，人们的目光开始向第三代移动通信系统转移。 第三代移动通信系统最早于1 9 8 5 年由国际电信联盟( i t u ) 提出，当时称为未来公 众陆地移动通信系统( f p l m t s ) ，1 9 9 6 年更名为国际移动通信2 0 0 0 ( i m t - 2 0 0 0 ) 俐。要 求在第三代移动通信系统中添加宽带数据业务，以支持视频、互联网接入以及其它更高速 率的业务，要求能满足：( 1 ) 高速接入：支持例如快速互联网络接入或者多媒体类型应用 的宽带业务：( 2 ) 灵活性：支持引入新业务，能够为用户运营商带来好处；( 3 ) 兼容性： 提供与现有无线网络最佳的演变途径；( 4 ) 速率要求：在移动条件下，提供1 4 4 k b i f f s 的传 输速率，以3 8 4 k b i f f s 为最佳，在固定条件下，提供2 m b i t s 的传输速率。 表1 1 给出了数字移动通信的发展进程。 表l 。1 三种标准的比较 2 g 2 5 g 2 7 5 g3 g g s m g p r s ( t i e d u p + r e c c ) e d g ew c d m a 上下行：1 0 k b p s标称：1 7 2 k b p s( g m s k - , - 8 p s k ) 上行：10 2 0 k b p s 标称：4 7 5 k b p s 下行：3 0 - 4 0 k b p s c d m a ( i s - 9 5 ) c d m a 2 0 0 01 xc d m a 2 0 0 01 xt d s c d m a 上下行：1 0 k b p s( t i e d u p + r e c c ) e v 二d 0 ( 中国) 标称：1 5 3 6 k b p s e v 二d v 上行：3 0 4 0k b p s( c d m a - - t d m a ， d a 咿s 下行：7 0 - 8 0k b p s q p s k ，8 p s k ，16 q a 上下行：1 0 k b p sm ) 标称 2 m b p s 平均：6 0 0 b p s 小灵通( p a s ) c d m a 2 0 0 03 x 上下行：3 2 k b p s1 4 4 k b s ( 车速) r 1 0 k m 3 8 4 k b s ( 步行) 一 r 5 0 0 m 2 m b s ( 静止) r 1 0 m 注：e d g e ( e n h a n c e dd a t ar a t ef o rg s me v o l u t i o n ) 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 为多个用户提供可变的无线接入r 是3 g 标准的核心要求。对应于不同的数据速率要 求基站的覆盖半径应分别约为1 2 k i n 、3 0 0 m 和1 0 m 。 表1 2 给出4 种主流3 g 标准的主要参数。这4 种方式均采用c d m a 方式， f d d w c d m a 和t d d w c d m a 的主要倡议者为欧洲和日本，t d s c d m a 由中国提出， c d m a 2 0 0 0 以美国和北美为主要倡议者。 表1 - 23 g 主流标准的比较 参数f d d w c d m at d d w c d m at d s c d m a c d m a 2 0 0 0 双工方式 f d dt d dt d df d d 码片速率 1 x ：1 2 2 8 8 ( m c p s ) 3 8 43 8 41 2 8 3 x ：上行1 2 2 8 8 3 下行1 2 2 8 8 扩频系数下行5 1 2 - - 4 1 6 11 6 l约4 3 2 射频调制上行：b p s k q p s kq p s kq p s k s p s k 下行：b p s k 、q p s k 射频带宽 1 x ：1 2 3 ( m h z ) 5 51 6 3 x ：上行：1 2 3 3 下行：1 2 3 3 x 上行：单载波 载波方式单载波单载波单载波 下行：多载波 可工作频段 2 0 0 02 0 0 09 0 0 ，2 0 0 09 0 0 ，2 0 0 0 ( m h z ) c d m a 2 0 0 0 可分别用于两个频段，并分别起到移动和个人( 步行) 移动通信系统的作用， 甚至可以考虑在两个频段分别使用两个无线接入网( r a n ) ，并合用一个核心网( c n ) 。 c d m a 2 0 0 03 x 的下行链路采用多载波方式，码片速率兄亦与i s 9 5 相同，射频设备仍 可兼容；上行链路为单载波，码片速率为3 6 8 6 4 m c p s ，此时才与f d d w c d m a 相当。显 然f d d w c d m a 低民用户或语音用户的移动台( m s ) 成本也会大幅上升，在c d m a 2 0 0 0 系统中则不会出现此类不合理现象。 c d m a 2 0 0 0 的做法可能要比w c d m a 系统合理。但是在移动因特网应用中，要求的上 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一苹绪论 行容量很小，所以上行的宽带频谱配置是一种浪费，然而所要求的下行容量极大，c d m a 方式可能无法满足。所以c d m a 2 0 0 03 x 标准还是被遗弃，这似乎也从一个侧面既明w c d m a 系统的不合理性。取代c d m a 2 0 0 03 x 标准的l xe v - d o 增加一个专门用于传输高速数据 ( 3 8 4 k b p s ) 带宽为1 2 3 m h z 的载波，它的基本参数见表1 3 ，上行链路的r 要求较低。 突出的改变是在下行链路中采用t d m a ( 时分多址) 方式区分多个用户，各用户的s f ( 扩 频因子) 由基站b s 据信号传播衰落情况决定，s f 8 0 , - + 2 。 。 表l 一3l x e v - d o 下行链路数据信道主要参数 ( k b p s )r e c c调制方式 3 8 4 - - + 3 0 7 41 5 q p s k 6 1 4 41 3 q p s k 9 2 1 61 3 8 p s k 2 4 5 7 61 3 1 6 q a m l xe v - d v 与l xe v - d o 的主要不同是可以用一个载波同时传输语音、低r 和高心信 号，在传输语音、低民时使用与c d m a 2 0 0 0l x 相同的无线配置，并将剩余的w a l s h 码资源 组成两个t d m a 信道用于高吃信号的传输。相应的r 可分为8 1 6 、1 5 8 4 3 0 9 1 2 k b p s1 8 档，选用1 5t u r b o 纠错编码，可选用q p s k 、8 p s k 、1 6 q a m 调制方式。w c d m ar 5 中 给出的h s d p a ( 高速下行分组接入) 与l xe v - d v 有类似的机制。 表1 4 移动通信系统发功率和占用带宽等指标的比较 f d d w c d m at d s c d m ac d m a 2 0 0 0 l xg s m小灵通 频段( g h z ) 22 0 8 ，1 8 0 9 ，1 8 2 基站发功率( w ) 2 0 2 0 2 02 5 3 2 0o 5 移动台发功率( w ) 22 o 0 1 o 2 0 0 2 2 00 0 1 覆盖半径( k m ) 0 0 1 一1 20 1 - 1 20 5 5 00 5 3 5o 3 分配带宽( m h z ) 1 2 0 + 6 01 5 52 01 0 01 5 移动通信系统占用的频段和带宽是系统占用频谱资源效率的重要指标。8 0 0 9 0 0 m h z 是优质车载移动通信频谱资源，应该用于小区覆盖半径较大，运动速度很快的车载移动通 信系统，2 g h z 频段用于覆盖半径小于3 0 0 米的步行移动通信系统。小灵通占用的带宽仅 为2 g 系统的1 5 ，却同样能覆盖全部城区，因此小灵通的频谱利用率应该是最高的。 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 移动台的发功率和覆盖半径的关系应该是在发语音数据的条件下。发3 g 要求的高速 数据时，发功率需成倍上升。c d m a 系统的主要优势是功率利用率较高，用较小的发功率 覆盖较大的小区半径，对人体健康和环境保护的影响较小。这也是3 g 系统最早都选择 c d m a 方式的初衷。 从表1 4 中可以看出，g s m 系统要求的发功率远远大于c d m a 2 0 0 0l x 系统，小灵通系 统的要求的发功率最小。由于2 g h z 频段原属微波频段，对人体健康的影响较大，在城市 环境中设立大功率基站时，环境电磁波辐射较大。小灵通系统的基站发功率才达0 5 w ，比 较适合城市环境的应用。 f d d w c d m a 和t d s c d m a 的移动台最大发功率均为2 w ，这么大的微波发功率似 乎不适合用于手机，在计算覆盖半径的无线链路预算中一般取手机发功率为2 1 d b m ( 0 1 2 6 w ) ，此时密集市区环境中f d d w c d m a 的覆盖半径约为5 6 0 米，t d s c d m a 约 为3 1 3 米。这说明它们的覆盖半径将接近小灵通的参数，将导致基站数和网络建设成本的 快速上升。对于在8 0 0 9 0 0 m h z 频段工作的c d m a 2 0 0 01 x 和g s m 系统而言，则不会出现 此类情况。 3 g 所取的频段为2 g h z ，具有视距传播特性，对人体健康的影响比2 g 的9 0 0 m h z 频 段大的多。而且2 g h z 频段的电波传播衰落在城区和郊区环境分别比9 0 0 m h z 频段大1 4 4 和9 5 d b ，只考虑这一点，2 g h z 频段的m s 发信功率约需分别增加至9 0 0 m h z 频段的2 7 5 倍和9 倍。也可以采用减小覆盖半径的方法以避免过大的发功率，但此时系统的建设成本 上升。而且2 g h z 频段的电波穿透能力和绕射能力均较差，易产生覆盖盲区，即易掉话， 此时即使增加发信功率也无济于事。1 8 g h zg s m 系统和小灵通的应用情况也证明了这一 点。可以认为该频段并不是理想的移动通信频段。所以在f c c 的规定中将其定为个人通信 频段，其含义是适用于覆盖半径r 3 0 0 米的步行速度无线通信系统。 较理想的覆盖方法是用2 g h z 频段在人员稠密地区提供， l k m 的小区覆盖，为低速移 动用户提供无线接入。用9 0 0 m h z 频段提供l k m ， 2 0 k m 的小区重叠覆盖，提供高速移动 用户业务。若采用双频手机还是有可能给用户提供满足3 g 要求的各种数据速率。 2 g h z 频段适用于步行或固定环境，用于无线局域网，小灵通之类的个人通信系统则 更为合适。小灵通系统利用有线电话网连接基站，基站结构简单，网络建设成本很低。只 占用1 5 m h z 无线频谱，频谱利用率极高，覆盖半径小，发功率也极小，符合绿色手机概 念。 尽管目前第三代移动通信系统的标准和规范已达成协议，并开始商用。但从上面的比 较中也应该看到第三代移动通信系统尚有很多需要改进的地方。如缺乏全球统一标准；所 s 堕室堡皇奎堂堡主婴墅竺兰垡笙奎兰二兰堕垒 采用的语音交换架构仍承袭了第二代的电路交换，而不是纯i p 方式：流媒体( 视频) 的应 用不尽如人意等。所以有理由认为第三代移动通信系统仅仅是一个从窄带向未来移动通信 系统过渡的阶段。另一方面，宽带多媒体服务( 包括音频、视频和因特网) 将成为未来移 动通信中的主流业务，这给无线传输技术和系统结构带来了新的要求和很大的挑战。因为 目前的移动通信系统( 包括3 g ) 不能支持高数据速率( 大于2 0 m b i t s ) 、提供大范围服 务( 8 k b i t s , - 一2 0 m b i t s ) 以及满足各种q o s ( 服务质量) 要求。因此，人们应该更多的注 意研究三代以后( b e y o n d3 g ) 的移动通信系统，使其可以容纳庞大的用户数、改善现有 通信品质不良以及达到高速数据传输的要求。若从技术层面来看，第三代移动通信系统主 要是以c d m a 为核心技术，三代以后的移动通信系统则以正交频分复用( o r t h o g o n a l f 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 ，o f d m ) 最受瞩目。特别是有不少专家学者针对o f d m 技术在移动通信中的应用，提出相关的理论基础，例如无线本地环路( w l l ) 、数字音频 广播( d a b ) 以及数字视频广播( d v b ) 等，都将在未来采用o f d m 技术【4 l 【1 0 】。为了支 持具有各种q o s 要求的多媒体服务，使得频率重新使用率因子达到1 ，b e y o n d3 g 系统的 多址方案必须非常灵活和有效。为此，把o f d m 和多址技术( 例如c d m a 或者t d m a ) 相结合的各种方式也获得广泛研究。 无论对于已有的还是未来将出现的无线移动通信系统，研究如何为更多的用户更好地 支持更高速率的业务都是十分重要的课题。因此，研究新的通信体制或者改进现有的扩频 通信体制，不仅具有深刻的理论意义，同时还具有很高的实用价值。 一 与有线通信相比，移动通信的传输环境非常恶劣，信号在无线信道中传播要经历频域、 时域及空域上的衰落，分别用信号的延迟扩展、多普勒扩展及角度扩展这三个参数来表示。 3 g 及b 3 g 无线通信系统可以使用分集技术来有效地克服衰落效应，从而提供比现有无线 通信系统更高的系统容量和更优异的性能。 分集技术就是在频域、时域或空域引入冗余，在接收端合并冗余信号从而改善系统性 能，相应的分集技术就称为频率分集、时间分集或空间分集。m i m o ( m u l t i p l e i n p u t m u l t i p l e o u t p u o 8 】技术是在发射端和接收端安装多个天线，只要天线之间的距离足够远， 就可以认为在发射端和接收端之间建立了多条独立同分布的空间信道，从而在空域引入了 冗余，实现空间分集。 m i m o 技术最早是由m a r c o n i 于1 9 0 8 年提出的，它利用多天线来抑制信道衰落。根据 收发两端天线数量，相对于普通的s i s o ( s i n g l e i n p u ts i n g l e o u t p u t ) 系统，m i m o 还可以包 括s i m o ( s i n g l e i n p u tm u l t i - p l e o u t p u t ) 系统和m i s o ( m u l t i p l e i n p u ts i n g l e o u t p u t ) 系统。 m i m o 系统在发端与收端均采用多天线单元，通过阵列增益、分集增益、空域复用和 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一覃绪论 干扰抵消来改善系统性能。在m i m o 系统中，信道容量随着天线数量的增大而线性增大【1 9 1 。 也就是说可以利用m i m o 信道成倍地提高无线信道容量，在不增加带宽和天线发送功率的 情况下，频谱利用率可以成倍地提高。 利用m i m o 技术可以提高信道的容量，同时也可以提高信道的可靠性，降低误码率。 前者是利用m i m o 信道提供的空间复用增益，后者是利用m i m o 信道提供的空间分集增 益。实现空间复用增益的算法主要有贝尔实验室的b l a s t 算法、z f 算法、m m s e 算法、 m l 算法。m l 算法具有很好的译码性能，但是复杂度比较大，对于实时性要求较高的无 线通信不能满足要求。z f 算法简单容易实现，但是对信道的信噪比要求较高。性能和复杂 度最优的就是b l a s t 算法。该算法实际上是使用z f 算法加上干扰抵消技术得出的。目前 m i m o 技术领域另一个研究热点就是空时编码。空时编码是通过在天线发射信号之间引入 空域、时域相关性，在接收端进行分集接收而实现增益的。常见的空时码有空时格码 ( s p a c e t i m et r e l l i sc o d e ，s t t c ) 、空时t u r b o 码( s p a c e t i m et u r b oc o d e ) 、空时分组码 ( s p a c e t i m eb l o c kc o d e ，s t b c ) 、差分酉空调s t j ( d i f f e r e n t i a l u n i t a r ys p a c e t i m em o d u l a t i o n ) 和空频码( s p a c e f r e q u e n c yc o d e ) 等。空时码的主要思想是利用空间和时间上的编码实现一 定的空间分集和时间分集，从而降低信道误码率。 随着移动通信的迅速发展，通信系统的系统容量不能满足日益增长的用户的需求。使 得如何高效率的利用无线频谱受到了广泛的重视，阵列天线技术被认为是目前进一步提高 频谱利用率的最有效的方法之一。 研究表明在移动通信系统中采用阵列天线技术可以增加信道容量、提高频谱效率，扩 展覆盖范围，调节波束形状和引导多波束来跟踪移动用户，可以显著改善系统的性能。 在阵列天线的基础上，可以结合相应的自适应算法，形成自适应阵列天线移动通信系 统，这样，系统的性能可以得到整体性的提高。 采用天线阵列，多输入多输出( m i m o ) 的数字移动通信已成为重要的突破技术之一。 多输入多输出的数字移动通信系统可以看做是阵列天线移动通信系统或智能天线移动通 信系统的进一步拓展。m i m o 移动通信系统的核心特性就是它具有能将多径转化为用户可 从中受益的能力，而多径传播是传统无线传输的主要缺陷。m i m o 可有效地利甩随机衰落 和多径延迟扩展，从而实现了无线通信系统的传输速率以多数量级的提高与性能的改善， 这将使m i m o 技术成为移动通信新的研究主题。 已有成果表明，在天线间衰落独立的前提下，空时编码可以获得很高的分集增益，但 是其性能会随着天线间信道衰落相关性的增加而下降。随着未来无线宽带通信系统可用频 段的增高，视距传播环境会大大增加天线间的相关性。同时，很多移动台由于受到设备硬 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 件的限制，只能配备一个天线。这种情况下，空间分集技术似乎没有明显的应用前景。然 而，协同通信技术以一种新的有缺的方式推广了空间分集的定义，开辟了一个新的研究领 域。 协同通信基本思想是用户问可以共享彼此的天线，以构建一个虚拟的m i m o 系统，这 样可以使得多用户s i s o ( 单输入单输出) 系统获得m i m o 系统的好处。由于无线媒体的 广播特性，一个用户所发送的信号，不仅可以被目的终端接收到，也可以被其他用户接收 到。这样，与直接和目的终端通信相反，该用户可以和其它用户互通信息，以协同方式和 目的终端通信。协同通信基本理论可以追溯到c o v e r 和e 1 g a m a l 的关于中继信道的容量理 论【3 7 1 。但目前协同通信在很多概念和内容上都不同于中继通信，最突出的特征就是中继通 信中，中继与信源是两个独立实体，而协同通信中信源同时还是中继。因此产生很多新的 问题有待解决。 关于协同通信的研究以有了一定的进展，关于它的论文也是非常之多，但是关键问题 在于没有一个统一的结论，其中最主要的两个问题是：关于通信第三方( 下称中继点) 的 选择问题和其作用问题。很多文章都是基于这两种或者其中的一种提出一定的解决方法。 对于中继点的选择问题主要在于比较各个中继点能提供的服务质量问题，以及对于中 继点的能源消耗问题。我们的目标是中继点之间能够提供无偿的服务，但是对于中继点的 能源消耗问题也是一个不容忽视的问题。 对于中继点的作用一般有两种：放大前传和译码前传。放大前传的好处是中继点不需 要对数据进行处理，直接放大后转发，这样噪声也会被放大；译码前传的好处是提供的服 务质量相对较好，但是对于中继点的要求较高。 1 2 本文的主要研究工作 本文主要研究从系统结构来降低复杂度。首先研究了通信信道及分集技术，进而引出 了3 g 系统中广泛采用的正交分集发送与接收原理，然后研究了传统协作分集协议，并对 其性能进行了分析，接着研究了双向中继模型的原理，对常见的3 种双向中继模型进行了 系统的分析比较，最后提出了一种改进的d n f 中继模型，理论推导和仿真分析都证明所 提出的改进方案能解决传统d n f 中继中存在的问题。 8 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 3 论文的结构 本文将由以下的几个部分组成，在文章的第二部分将介绍分集技术，并引出正交分集 和协作分集的概念，详细分析了正交分集和协作分集的原理。第三部分介绍传统协作分集 方法，对译码前传、放大前传和编码协作三种传统协作分集协议进行了分析比较。第四部 分介绍双向中继模型的原理，对a f 中继模型、d f 中继模型和d n f 中继模型进行了详细 的分析介绍，并给出了它们的缺陷，尤其是性能较好的d n f 中继模型，也存在很多的问 题亟需解决。在文章的第五部分我们给出了一种改进的d n f 中继模型，它能解决传统d n f 中继模型存在的问题，性能也有了很大的改善。在本文的第六部分对给出的改进方案进行 了仿真分析。最后在第七部分给出了结论并对下一步的工作提出了展望。 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章分集技术 第二章分集技术 分集是通过两条或两条以上途径传输同一信息，以减轻衰落影响的一种技术。分集接 收是抗平坦瑞利衰落、空间选择性衰落的一种有效措施。因此我们需要采用分集接收技术 减轻衰落的影响，以获得分集增益，提高接收灵敏度。分集技术已广泛应用于包括移动通 信，短波通信等随参信道中。 2 1 通信信道 数字移动通信系统的关键问题是在移动信道中实现高可靠性的数字信号传输。移动信 道是一种时变信道，其特性是比较恶劣的。影响信号在移动信道中传输性能的因素有很多， 其中最主要的有多径效应、阴影衰落和多普勒频移等。为了克服这些因素的影响，我们首 先要对这些因素进行深入的了解。本节主要针对数字信号在移动信道中的传播机理以及移 动信道的主要特征进行讨论。 2 1 1 通信信道电波传播机理 蜂窝无线移动通信系统中，电磁波传播的机理是多种多样的，总体上可以归结为反射、 绕射和散射。大多数的蜂窝无线移动通信系统运作在城区，发射机和接收机之间基本无直 射路径，而高层建筑产生了强烈的绕射损耗。此外，由于不同物体的多路径反射，经过不 同长度路径的电磁波相互作用引起多径损耗。同时，随着发射机和接收机之间距离的不断 增加，引起电磁波强度的衰减。 自由空间传播是指在理想的、均匀的、各自同性的介质中传播，不发生反射、折射、 散射和吸收现象，只存在电磁波能量扩散而引起的传播损耗的空间。卫星通信和微波视距 通信是典型的自由空间传播。在自由空间中，若发射点处以球面波辐射，则接收处的接收 功率为 p = 器 ( 2 - 1 ) 式中e 为发射点处的发射功率；g ，、g ，分别为发射天线和接收天线增益；名为波长； 1 0 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二苹分榘技术 d 为发射天线和接收天线问的距离；三是与传播无关的系统损耗因子。从上式中可以看出， 接收功率和发射天线与接收天线增益的乘积成正比，与距离的二次方成反比。 电磁波在不同介质交界处会发生反射。在理想介质表面上反射是没有能量损失的。如 果电磁波传播到非理想介质的表面，则一部分能量进入新介质继续传播，一部分能量在原 介质中发生了反射；如果电磁波传播到理想反射体的表面，则所有能量都将被反射回来。 绕射使无线电波能够穿过障碍物，在障碍物的后面形成场强，即绕射场强。由于处于 障碍物前方的各点可以作为新的波源产生球面次级波，次级波在障碍物的后方形成的场就 是绕射场。