（信息与通信工程专业论文）无线网络中的协作通信技术.pdf

南京邮电人学硕：i 二研究生学位论文摘要 摘要 多天线系统是提高系统容量和可靠性的一种有效手段。但在实际应用中，由于移动终 端物理条件的制约，如终端的体积、功耗、多天线的位置设置等，限制了m i m o 技术的应 用，因此学者们提出了协作分集技术，以实现虚拟空间分集，达到提高系统容量和可靠性 的目的。近年来，人们对无线网络协作分集协议进行了许多研究。本文主要研究无线通信 系统中的协作协议，对放大前传、译码前传和编码协作进行了讨论，针对中继链路状况对 放大前传协作有着重要影响的特点，提出了一种改进协作方案。该方案能在兼顾系统可靠 性的同时减少不必要的能量损失。 本文首先阐述了协作分集研究的进展，对协作分集理论进行了讨论；其次，对三种典 型的协作分集方案：放大前传、解码前传、编码协作进行了讨论，在平坦瑞利衰落信道传 输环境下对协作系统的误码率性能进行了分析，重点分析了放大前传在不同中继链路信道 状况下的特性以及译码前传方案和编码协作方案中中继节点的解码方式和校验方式对协 作性能的影响；最后，在对放大前传协议的分析基础上，本文提出一种改进方案，根据源 一目的链路和中继链路的状况来控制中继节点，使中继链路在性能较好的情况下才参与协 作，达到自主控制中继节点进行协作，在保证协作分集性能的同时实现节省能量的目的。 关键词：协作分集；协作协议；自适应协作 南京邮【乜人学硕士研究生学位论文摘要 a b s t r a c t m u l t i p l ea n t e n n at e c h n i q u ei sa l le f f e c t i v ea p p r o a c ht oi m p r o v et h er e l i a b i l i t ya n dc a p a c i t y o fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s b u ti np r a c t i c a la p p l i c a t i o n s ，t h ep h y s i c a lc o n d i t i o n so f m o b i l et e r m i n a l s ，s u c ha sv o l u m e ，c o n s u m eo fp o w e ra n dt h ep o s i t i o ns e t t i n go fa n t e n n a s ，l i m i t t h ea p p l i c a t i o no fm i m ot e c h n o l o g y s or e s e a r c h e r sp r o p o s e dc o o p e r a t i v ed i v e r s i t yt e c h n o l o g y t or e a l i z ev i r t u a ls p a t i a ld i v e r s i t yf o re n h a n c i n gt h er e l i a b i l i t ya n ds y s t e mc a p a c i t y i nr e c e n t y e a r s ，m u c hw o r kh a sd o n ew i mc o o p e r a t i v ep r o t o c o l sf o rw i r e l e s sn e t w o r k s t h i st h e s i sm a i n l y a n a l y z e dt h ec o o p e r a t i v ep r o t o c o l si nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，a n dd i s c u s s e d a m p l i f y - a n d f o r w a r d ，d e c o d e d - a n d - f o r w a r da n dc o d ec o o p e r a t i o n ，r e s p e c t i v e l y c o n s i d e r i n g t h e i m p o r t a n ti m p a c to fr e l a yl i n ko na m p l i f y - a n d f o r w a r d ，w ep r o p o s e da ni m p r o v e d c o o p e r a t i o ns c h e m ew h i c hc a nn o to n l ye n h a n c et h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m ，b u ta l s os a v e u n n e c e s s a r ye n e r g yl o s s f i r s t l y , w er e v i e w e dt h er e s e a r c hp r o g r e s so fc o o p e r a t i v ed i v e r s i t ya n dt h et h e o r yo f c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y ；s e c o n d l y , t h r e et y p i c a l s c h e m e s ： a m p l i f y a n d f o r w a r d ， d e c o d e d a n d f o r w a r da n dc o d ec o o p e r a t i o nw e r ed i s c u s s e d ，a n ds i m u l a t i o na n a l y s i so f c o o p e r a t i o ns y s t e mi nf l a tr a y l e i g hf a d i n gc h a n n e li sd o n e w em a i n l ya n a l y z e dt h ec h a r a c t e r so f a m p l i f y a n d - f o r w a r di nd i f f e r e n tr e l a yl i n kc h a n n e lc a s e sa n dt h ee f f e c t so fd e c o d i n ga n d v e r i f y i n gi nd e c o d e d - a n d - f o r w a r da n dc o d ec o o p e r a t i o no nc o o p e r a t i o nc a p a c i t y ；f i n a l l y , a f t e r c o n s i d e r i n gt h ea n a l y s i so fa m p l i f y - a n d f o r w a r d ，w ep r o p o s e da ni m p r o v e dc o o p e r a t i o ns c h e m e ， i nw h i c ht h er e l a yn o d ei sc o n t r o l l e db yc o n d i t i o n so ft h es o u r e d - p u r p o s el i n ka n d r e l a yl i n k ，a n d t h er e l a yl i n kp a r t i c i p a t ei nc o o p e r a t i o no ft h es y s t e m so n l yw h e nt h ep e r f o r m a n c eo fr e l a yl i n k i sg o o d i nt h en e w c o o p e r a t i o ns c h e m e ，t h er e l a yn o d ea d a p t i v e l yt a k e sp a r ti nc o o p e r a t i o n t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ea d a p t i v ec o o p e r a t i o nn o to n l ye n s u r e st h eg o o dp e r f o r m a n c e o fc o o p e r a t i v ed i v e r s i t y , b u ta l s oa c h i e v e se n e r g ys a v i n ga tt h es a l t l et i m e k e y w o r d s ：c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y ；c o o p e r a t i v ep r o t o c o l s ；a d a p t i v ec o o p e r a t i o n i i 南京邮电大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：j 碴匹尘k 日期：2 笾金鱼丝 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送 交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论 文。本文电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。 论文的公布( 包括刊登) 授权南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：楚垂尘虱导师签名变墨圭日期凇4q 生。z 2 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 近年来提出的多输入多输出( 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 ，m i m o ) 天线技术，通过 在接收端和发射端同时安置多个天线，形成m i m o 信道结构，可以充分利用空域资源，从 而大幅度提高无线通信的信道容量。在实际系统中，多天线主要设置在基站，因为对于移 动终端这样体积较小的设备，难以安置距离足够远的多个天线。为了解决传统空间分集技 术在移动终端的多天线设置制约，s e n d o n a d s 等人在1 9 9 8 年首先提出一种新的空间分集技术 协作分集( c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y ) 呲3 1 。它的基本思想是两个或两个以上的单天线移动终端通 过中继彼此的信息，共享彼此的天线形成虚拟的天线阵列获得传输分集1 4 j 。协作分集是一 个崭新的研究领域，已经引起人们的广泛的关注，它的思想可应用于蜂窝移动通信系统、 无线a dh o c 网络、无线局域网以及无线传感器网络等多种领域【5 j 。 1 1 协作通信背景、研究现状及未来应用 1 1 1 协作通信研究的背景 移动通信以其特有的灵活、便捷的优点符合了现代社会人们对通信技术的要求，成为 2 0 世纪8 0 年代中期以来发展最为迅速的通信方式。现代移动通信技术从模拟调制到数字 调制经历了三代： 第一代移动通信系统( 1 g ) 以模拟式蜂窝网为主要特征，采用频分多址( f d 凇) 模 拟调制方式，实现对网内用户的动态寻址功能，并以蜂窝式网络结构和频率规划实现载频 复用，满足扩大覆盖服务范围和满足用户数量增长的需求。在信道动态特性匹配上，适当 采用了性能较好的模拟调频方式，并利用基站二重空间分集方式抵抗空间选择性衰落。其 主要代表有美国的a m p s 、英国的t a c s 、北欧的n m t 等。 第二代移动通信系统( 2 g ) 以数字化蜂窝网为主要特征，采用时分多址、码分多址数 字调制方式实现对网内用户的动态寻址功能，以数字式蜂窝网络结构和频率规划实现载频 复用，并采用独立信道传送信令，从而提高了系统容量，使系统性能大为改善。第二代移 动通信技术采用了抗干扰性能优良的数字式调制：g m s k ( g s m ) 、q p s k ( i s 一9 5 ) ；采用 性能优良的抗干扰纠错编码卷积码：卷积码( g s m ，i s 9 5 ) 、级联码( g s m ) ；采用功率 控制技术抵抗慢衰落和远近效应；采用自适应均衡( g s m ) 和r a k e 接收( i s 9 5 ) 抗频率 选择性衰落与多径干扰；采用信道交织编码，如采用帧间交织方式或块交织方式抗时间选 l 南京邮电大学硕上研究生学位论文 第一章绪论 择性衰落；采用空间或极化分集方式抗空间选择性衰落。其主要代表有北美的d a m p s 、 i s 9 5 c d m a 和欧洲的g s m 。虽然第二代移动通信系统相对于第一代移动通信系统已经有 了很大的改进，但是第二代移动通信系统通常只提供低速率的语音业务。但社会信息化进 程越来越快，仅仅通话已不能满足人们对信息交流的需要，除话音外，数据、图形、图像 等各种信息都希望能随时获取和彼此相通，多媒体服务就变得越来越有必要。 第三代无线通信系统以多媒体业务为主要特征，支持速率1 0 0 m b s 的多媒体宽带数据业 务，在系统适配信道与用户二重动态特性的基础上又引入了业务的动态性。它继续采用第 二代中所采用的行之有效的措施，对扩频方式中由于扩频码性能的不理想带来的多址干 扰、远近效应等采用了多用户检测、智能天线、发端分集、空时编码等；针对数据业务要 求误码率低且实时性要求不高的特点，对数据业务采用了性能更优良的t u r b o 码。第三代移 动通信系统及其下一代移动通信系统由于数据传输速率高，对分集技术等抗干扰手段提出 了更高的要求。 在过去的十年中，各种无线网络的应用为通信产业的发展带来了前所未有的机遇同时， 一系列新型传输技术和体系结构的出现也让通信系统的设计者们面临巨大的挑战。未来的 无线通信系统与网络将是无所不在的，能实现任何时间、任何地点、任何业务的任意接入， 能提供不同高速率的多媒体业务。 为了满足多速率多媒体通信的要求，下一代无线系统必须采用更先进的算法和技术， 不仅要提高数据速率，还要使系统能确保不同媒体所要求的服务质量。为了达到这一目标， 人们己经进行了大量的理论研究，包括先进的信号处理技术、针对无线环境的编码和调制 技术、检测技术以及各种分集技术，而其中分集技术显得至关重要，这是由无线信道的本 质特性决定的。 与有线信道相比，无线信道是一个多径信道，其中特有的衰落现象会对信号的传输产 生很大影响。由于多径信号不同的传播路径长度产生了不同的传播时延，所以多径衰落是 导致无线通信接收信号不稳定的主要原因。按照多径信号到达接收机相位的不同，它们可 能相加，也可能相互抵消，使得接收信号被严重恶化，要恢复接收信号存在很大困难。早 期的研究1 6 1 已使人们认识到利用分集可以改善无线衰落信道的有效接收信噪比。目前无线 通信中抗衰落的显分集技术包括空间、时间、频率、角度和极化分集等，抗衰落的隐分集 技术包括交织编码、跳频和直接序列扩频等。 分集技术是通过有效的传输和处理同一信号各不相关的传输副本，达到补偿衰落损耗 的目的。近几年来，空间分集成为研究热点。因为无线通信中，空间略有变动就可能出现 较大的场强变化。当使用多个传输信道时，它们受到的衰落影响是互相独立或者相关性很 2 堕室坚皇盔堂堡主婴窒生兰垡堡銮 笙二童笙笙 小的，且多个信道在同一时刻处于深衰落的可能性极小。因此，如果能使用多个传输信道 发送信息，在若干个支路上接收相关性很小的载有同一消息的信号，然后对各个支路的信 号做适当的合并处理，便可在接收端大大降低衰落的影响，改善传输的可靠性，这就是空 间分集的意义所在。空间分集是利用场强随空间的随机变化实现的，空间距离越大，多径 传播的差异就越大，而接收场强的相关性就越小。 分集能大大提高传输的可靠性，但发送同一信号的多个副本会降低通信的有效性。由 于无线频谱资源十分匮乏，下一代无线通信系统还必须具有更高的频谱效率。如何才能既 克服多径衰落的不良影响，又大幅度提高频谱的利用率，在通信的有效性和可靠性两方面 取得平衡呢? 多输入多输出的天线系统在这样的背景下诞生了。m i m o 技术可以在不增加 带宽的前提下提高系统的信道容量，同时利用收发分集和空时编码提高传输的可靠性，是 下一代无线通信系统建议采用的必选技术之一。 但是，在一些实际场景中，例如蜂窝系统上行链路，由于自身体积、实现复杂度与功 耗等限制，m i m o 技术不容易直接应用于移动用户终端或者网络节点。在支持更多节点和 具有更大覆盖范围的分布式网络中如何提高系统频谱效率的挑战促使了协作通信技术的 产生与发展。用户间协作是其基本思想，它使一个网络节点可以通过一定的协作方式，合 理利用其它节点的资源。由于共享资源的两个或多个节点上的天线在无线网络中形成了一 个虚拟天线阵列，因此可以使协作节点比非协作节点获得更高的传输速率和分集性能。 协作分集技术通过为网络中某些单天线用户寻找若干个用户作为“伙伴”，并共享彼此 天线，形成虚拟的多天线阵列，来实现多天线分集。研究表明在衰落环境下，协作分集可 以扩大系统容量，提高网络服务质量，改善系统性能。协作分集中的协作伙伴彼此共享天 线，从而构成了一个虚拟的m i m o 系统，从这个意义上讲，协作分集思想为m i m o 技术 走向实用提供了一条新的途径。 i i 2 协作通信研究的现状 协作分集可以切实地利用空间资源来提高通信系统的性能，包括提升系统容量、增大 数据传输速率、有效对抗衰落、降低系统的服务中断概率、提高系统的服务质量和可靠性 等。此外，协作分集的思想还可以应用于抗干扰通信中，抗干扰的基本方法有直接序列扩 频、跳频、跳时以及它们的混合应用，但是这些方法都没有利用空间资源。跳频的工作原 理是信号的载波频率受伪随机码或某种特定跳频图案的控制而跳变，跳频增益的大小取决 于跳频幅度的大小和跳频的快慢，跳时技术在时间上也有类似的结论。协作分集技术可以 3 南京邮电大学硕上研究生学位论文 第一苹绪论 看作是根据一定的准则( 某种特定空间跳变图案) ，节点信息在空间方位上进行跳变，随着 参与节点数、空间跳变幅度以及跳速的提高，通过空间跳变获得的增益将会越大。 正是因为以上的优点，l a n e m a n 等从概念和数学上进一步延伸了文献 1 的工作，提出 了基于单节点和多节点中继的协作分集协议，如固定中继、选择中继和增强中继三种协作 策略，并给出了它们的互信息和中断概率分析【4 5 ，7 1 ，证明除译码中继协议外，其它协议均 能实现完全的分集增益，然而这些协议都包括一定形式的重发，要获得完全的分集增益是 以降低频谱效率为代价的。为了提高频谱效率，h u n t e r 等提出了采用信道编码的编码协作， 如凿孔分布式卷积码【8 , 9 , 1 0 , 1 1 j ，从中断概率的角度也可以获得完全的分集增益。之后l a n e m a n 又提出了以空时编码为基础的协作分集n 幻，理论上可以实现全空间分集增益，同时没有降 低频谱效率。在放大中继和译码中继协议中，具体的分布式空时协作系统随后被提了出来。 b a r b a r o s s a 和a n g h e l 等主要继续研究了在高斯信道和平坦瑞利衰落信道环境下，采用空时 编码技术实现协作分集的问题【1 3 , 1 4 , 1 5 , 1 6 。n a b a r 等人分析了分布式空时分组码( s t b c ) 的放 大中继模式，得到了误码率( b e r ) 的理论分析结果【 】，研究并得到了分布式s t b c 方案在 理想信道状态( c s i ) 估计和非理想c s i 估计两种情况下的b e r 表达式【l s 】。在此基础上，r o 衄 提出了改进式空时编码协作分集协议【1 9 1 ，谢林探讨了基于低密度奇偶校验码( l d p c ) 的空 时编码协作分集协议1 2 0 l ，s u s i n d e r 对非正交空时编码协作分集协议进行研究【2 1 1 ，这些协议 在容量和分集增益角度都有所提升。 针对协作分集技术在具体通信系统中的实现方案，文献 2 2 、 2 3 对蜂窝网中基站端 和移动终端所需的改进进行了探讨，文献 2 4 提出了一种a dh o e 网中空时协作分集方案， 文献 2 5 3 、 2 6 、 2 7 研究无线传感器网络中利用协作分集提高能效性和包接收效率的方 案，文献 2 8 将协作分集技术应用与超宽带系统，构建了一种分布式s t b c u w b 系统， 文献 2 9 对o f d m 系统采用协作分集方法后的系统差错率性能进行了分析与研究，提出了 一种实现方案。 此外，针对协作分集的功率分配方案，z h a n gj i n g m e i 和z h a n gq i 等从信道容量出发， d e n gx i n m i n 和h a s n a 等则从中断概率的角度，对源节点和中继节点的发射功率进行优化 分配【3 0 ，3 1 , 3 2 , 3 3 】；针对伙伴选择算法，文献 3 4 提出了一种离散随机优化算法自适应选择最 好的协作伙伴，文献 3 5 提出了机会中继选择方案的改进s d t r s 方案，文献 3 6 提出了 匈牙利算法，文献 3 7 提出贪婪算法来选择协作伙伴；以及将协作分集与跨层设计思想相 结合，充分利用空闲节点资源，使吞吐量最大化也有学者进行了研究1 3 8 , 3 9 。 任何一种新技术的出现，必然会带来一些新的问题，协作通信也不例外。虽然协作通 信的研究已取得很多突破，但仍有不少问题需要进一步探讨和改进，以达到更好的性能。 4 南京邮电大学硕上研究生学位论文第一章绪论 第一，同步问题。目前大多数协作通信的文献都假定系统能够实现精确同步，即协作 者之间、协作者和目的端之间都是同步的，但这在实际中是难以做到的。与有线同步网络 不同，协作通信中同一信息是由多个协作者发往目的端的。如果多个协作者到目的端的时 延不同，则协作者之间的同步问题与协作者和目的端的同步问题是相互矛盾的。以现有的 同步机制，如果做到了多个协作者间的同步，就很难做到目的端与协作者间的同步，反之 亦然。对于蜂窝系统中的协作通信而言，有可能做到用户间的准同步。但是，对于自组织 网络和无线传感器网络而言，多个用户间的同步就极为困难了。目前文献 2 1 3 9 分别研 究了准同步环境下和异步环境下的协作通信，但其频谱利用率和性能还不尽如人意。 第二，功率分配问题。现在的研究大多采用等功率分配法，认为各个移动终端有着相 同的发射功率。如何使移动终端根据上行信道或者协作伙伴的信道状态自适应地调整发送 功率，从而更好地提升性能呢? 更进一步，如何在已有基础的协作网络中进行功率控制， 有效的对抗远近效应，使干扰最小化这些重要的问题仍未有令人满意的解决方案。 第三，频率选择性衰落信道下的协作通信问题。到目前为止，绝大多数的协作通信研 究工作都假设信道是平坦衰落的。然而，在实际的通信系统中，特别是对于高数据率和高 移动性的通信系统，信道是频率选择性衰落的。能否将现有的研究成果移植到频率选择性 衰落信道中，频率选择性信道中的协作通信有什么特殊的研究内容，这些问题都急待解决。 文献 1 4 e 1 5 己经开始着手做这方面的工作，把协作通信和正交频分复用技术( o f d m ) 结 合起来，利用o f d m 抗频率选择性衰落的特性来解决上述问题，取得了一些积极的成果。 第四，基站的改进。协作通信技术的引入会导致基站的接收复杂度提升，因此开展关 于协作方案中的信道估计和信号检测等方面的研究很有必要。此外，还可以再利用空间资 源来提升接收性能。蜂窝系统中，在基站安置多天线的方案是可行的。因此发射采用协作 分集，接收采用多天线接收分集，形成一个虚拟的结构，既可以提供分集增益，也可以提 供空间复用增益。另外，若基站端采用阵列天线，能够自适应地跟踪用户的信号方向，也 可以减小系统对同步的敏感性。总之，协作中接收端如何利用空域信息还有待进一步研究。 第五，伙伴选择问题。在一个多用户的环境中怎样划分各个终端的协作伙伴，既然是 移动终端，当它们的相对位置改变时又该如何或者说应该隔多久的时间重新划分一次协作 伙伴这方面虽然已经有了一些相关的解决方案，但选用的网络模型相对比较简单，有待补 充和扩展。 第六，协作的时机问题。现有的文献往往只关注协作带来的增益，极少有考虑协作通 信的必要性，似乎协作在任何场景下都能带来好处。事实上，无论什么技术都有它难以克 服的缺陷，只有使用得当才能充分发挥其积极作用。文献c 4 0 提出。的基于部分信道状态信 5 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 息的协作分集机制，是考虑协作必要性的有益尝试。不过，相关文献的数量太少，研究也 需要进一步深入。 第七，协作通信的推广与应用。迄今为止，协作通信的研究主要是在物理层，应用场 景主要是针对蜂窝无线网络。近年来，协作通信被推广到协议栈的上层，出现了如协作 m a c 、协作路由之类的新协议。同时，协作通信技术还可用于w l a n 、w s n 、a dh o c 网 络、m e s h 网络等多种场合，不过分布式网络中没有中心节点进行管理，需要设计分布式协 作协议，使移动终端能自己决定怎样协作，跟谁协作等。 今后协作通信还可用于异构融合的无线网络，形成一种全新的智能化的网络，这其中 存在多用户、多网络之间的协作问题，问题的关键在于采用什么样的策略尽可能公平地对 待所有用户和网络，如何尽量减少系统开销，以及如何更灵活地去适应各类网络的接入协 议等。这些相关的研究目前仍然处在初级阶段，有很多的工作等待开展和讨论。 1 1 3 协作通信在无线通信中的应用 分集技术作为无线和移动通信中对抗衰落的一种有效手段，在第二代移动通信中就已 投入实际应用( i s 9 5 中的r a k e 接收等) ；在第三代移动通信系统的u m t s 及c d m a 2 0 0 0 中，都已考虑采用天线发射分集中的空间发射分集( s t d ) 技术；而以空间分集为基础的 m i m o 技术也已成为3 g 4 g 拟采用的重点技术。最近的研究表明，多入多出技术可以显著 提高无线系统的频谱利用率。实验室的研究证明，采用技术在室内传播环境下的频谱效率 可以达到2 0 4 0 b i t s h z ，用传统无线通信技术在移动蜂窝中的频谱效率仅为1 5 b i t s h z ，在 点到点的固定微波系统中也只有1 0 1 1 2 b i t s h z 。m i m o 技术作为提高数据传输速率的重要 手段得到人们越来越多的关注，已经被认为是新一代无线传输系统的关键技术之一。但令 人遗憾的是，从实际工程和商业实现的角度考虑，对于蜂窝通信系统的上行信道而言，即 对于尺寸、能耗受限的移动用户来讲，安置多根天线以实现空间分集始终是欠缺一定的现 实性。因此，如何更好地将分集的强大优势和具体实现结合起来一直是一个值得研究的问 题。 现在无线和移动通信研究领域提出了一种称为协作分集( c o o p e r a t i v e ) 或协作通信 ( c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n ) 的新型技术。使单天线的移动终端也可以实现空域分集，它 的基本思想是：系统中的每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 了自己又利用了合作伙伴的空间信道，从而获取了一定的空间分集增益。由于协作分集中 6 南京邮电大学硕上研究生学位论文 第一章绪论 的合作伙伴共享彼此的天线，从而构成了虚拟的m i m o 多天线系统，从这个意义上讲，协 作分集为m i m o 多天线技术走向实用提供了一条新的途径。它恰恰可以使单天线移动用户 在多用户的环境下，同样获得分集或m i m o 系统具有的高容量的优势，而比后者更易于实 现。所以，协作分集已成为近期的一个研究热点，已经引起人们的关注。协作分集的思想 具有非常广阔的应用前景，可应用于蜂窝移动通信系统、无线a dh o c 网络、无线局域网以 及无线传感器网络等多种场合。 集中式无线网络中的协作通信不仅在于终端之间，基站与终端之间也可以协作用于定 位。下面简要介绍其提出背景和基本原理。 传统蜂窝网中，一般利用若干个基站对终端的位置进行估计。但若终端与某一个基站 的距离相比其它基站要近得多，则距离较远的基站收到终端信号的信噪比相对偏低，定位 的准确性就会大打折扣。系统使用的干扰抑制技术，如功率控制等，又会使这种定位的准 确性进一步降低。对这种情况，采用联合估计法，即将波达时间( t o a ) 或波达时间差( t d o a ) 估计法与波达角度( a o a ) 估计法结合起来，可以减少参与定位的基站数量。t o a a o a 联 合配置技术h t a f 4 1 】是一种最简单的联合估计法，通过判断终端与基站的距离和所在的方 向，估计终端的大致位置。该定位技术只需要一个基站即终端所在小区的基站，但只有当 终端距离基站很近时才可行，因为终端距离基站越远，角度误差带来的影响就越大。文献 4 2 提出一种t d o a ，a o a 联合估计法，该估计法的准确性较高，但是需要至少四个基站 参与定位。当然，还有很多其它的办法将不同类型的定位数据合并，以便对终端的位置做 出准确的估计。 未来的4 g 网络中，终端之间能以p 2 p 方式通信，因此可将蜂窝系统和短距离无线通 信系统的定位技术结合起来，实现基站与终端协作定位。基于这个思想，文献 4 3 提出一 种网络中的协作定位机制，该机制规定蜂窝小区内的终端可形成若干个“簇 ，“簇”的 结构与无线传感器网络类似，每个“簇”都有一个“簇”头，“簇 头一般位于“簇” 的中心。基站仍然使用t o a a o a 联合估计法，判断终端与基站的距离和所在的方向终端 使用技术判断终端与“簇”内其它终端之间的距离，终端在“簇”内的定位信息一律交 给“簇 头，由“簇”头再反馈给基站。研究表明，协作定位技术只需要一个基站参与， 其准确性大大高于传统的蜂窝网多基站定位技术，甚至可以g p s 相比，但其成本比g p s 低的多。 集中式无线网络中，因频率、时隙、码字等无线资源是固定分配的，协作通信往往只 关注点到点、多点到点的传输技术，对于通信协议的设计讨论的很少。然而，在分布式网 络中，由于协作通信的引入，网络中的传输模型、能耗模型等都发生了很大变化，节点在 7 堕室塑皇叁堂堡：! 三婴窒竺茎垡笙塞至二里堕堡 时间、空间上对无线资源的占用更加复杂，网络拓扑相对以前也更为多样，所有这些变化 使原有的分布式无线网络的通信协议已不能胜任新的需求。下面以无线传感器网络为例， 简要介绍w s n 中使用协作通信时所面临的挑战以及协议设计的关键问题。 在w s n 中，协作通信对协议设计的影响主要体现为两个方面：一是通信过程的复杂化， 二是节点覆盖模型的不确定性。这对于其它类型的分布式网络同样适用。w s n 中的多点协 作发送和多点协作接收使任何“源一目的”之间的数据分组的传输演变为若干个“源一目的” 之间的数据传输。所以新的协议要以多对收发节点同时或依次建立连接为研究对象，同时 考虑这些节点如何在时间、空间上共享无线信道资源的问题。相应地，其消息种类将更为 丰富，控制也更为复杂。另一方面，w s n 中通常用以源节点为圆心、半径为r 的圆来描 述通信过程中节点发出的无线信号在空间上形成的覆盖范围。处于源节点覆盖范围内的节 点可以正确接收其发送信号，若同时收到其它节点的信号则势必造成碰撞。引入协作通信 后，节点对无线资源的占用是与协作策略、物理环境、节点位置、通信阶段等因素都相关 的一个随机量，在时间和空间上很难建立统一的协作通信过程中的节点覆盖模型。这将导 致网络中的节点很难以某个确定的准则判断自己是否处于某个发送空间或接收空间内。综 上所述，通信过程的复杂化约束了通信协议控制规程的设计，节点覆盖模型的不确定性则 影响着节点以什么为基准判断自己能否发送或接收。 异构无线网络中的协作通信( 如蜂窝网络与w l a n 、w i m a x 、z i g b e e 、a dh o c 网络) ， 尤其是在各类网络自身优势( 如速率、覆盖、移动性等) 基础之上的协作通信，是指用户在 当前接入网中能够访问另一类网络的业务。异构无线网络中的协作通信，旨在实现业务层 面上的融合与互通，一般具备如下三个特点： 第一，能够实现业务控制与连接控制的分离，使承载网络能够迅速的开展新业务，用 户在一种网络中能够访问另一种网络中的服务。 第二，以i p 为基础，连接使用不同技术的各种通信网络，提供丰富的移动性管理功能， 包括支持网络间的漫游，支持无缝切换，用户能够以自动或手动的方式选择最佳接入方案。 第三，支持各种电路交换业务和分组交换业务，包括语音业务、数据业务等，并对这 些业务提供端到端的q o s 保证，确保通信质量及信息安全。 认知无线电技术的出现，使得异构无线网络中的协作通信有了更大的发展空间。在位 置与切换管理、接入网选择、动态网络规划、异构q o s 、信令支持机制等技术之后，协作 频谱检测、协作频谱共享、协作资源管理等新技术相继应运而生，以期在应用中达到动态 的、一致的、对业务无缝适配的互补应用，实现统一、动态的联合无线资源管理，为用户 提供更丰富的业务种类、更广阔的覆盖范围和更快捷方便的接入方式。 8 南京邮电大学硕上研究生学位论文第一章绪论 1 2 研究内容和本文所做的工作 本文以实现协作分集在实际移动通信中的应用为目标。主要研究在不同的协作协议下， 通信系统的性能状况。并在已有的协作方案分析、比较基础上，提出改进的协作方案。 本文所做的工作分为以下几个方面： 1 讨论协作研究的背景、现状以及协作研究在未来的应用。 2 对协作分集协议进行研究。主要阐述协作分集的基本原理、系统结构和系统模型等； 对三种主要的协作方案：放大前传协议、译码前传协议和编码前传协议进行了理论分析， 在此基础上给出了通信系统性能的仿真，通过仿真我们看到协作通信相对没有中继的通信 系统在取得了协作分集性能，特别是编码协作方案效果更加明显。 3 对放大前传协作方案进行了改进，提出了一种称为自适应协作的协作通信方案。与 基本的放大前传协作模式比较，主要进行了以下的改进 在原来放大前传模型的基础上，增加了一条低密度反馈信道。中继节点可以根据信道 提供的信息有选择的对信号放大，不同于以往的对所有接收到的信号放大前传，且可以控 制中继对哪些性能较好的信号进行前传。这一方案，即可以节省系统能耗，同时提供分集 性能。 1 3 本文的组织结构 本文主要对协作分集技术及协作协议进行研究，主要内容安排如下： 1 第二章讨论了分集技术，主要包括时间分集、频率分集和空间分集，此外还阐述了 通信系统的信道、几种常用的分集方法以及典型的分集模型m i m o 。 2 第三章阐述了协作分集的理论、系统模型及协作协议详细的分类，对不同的协作方 案进行简单的性能分析比较。 3 第四章对三种主要的协作分集协议：放大前传、译码前传和编码协作进行讨论。从 协作协议的概念出发，给出简单的系统模型进行理论分析，最后给出试验仿真。 4 第五章基于放大前传的协作系统模型，进行了改进，提出了一种称为自适应的协作 通信系统方案；对这个协作系统性能分析及仿真，最后得出自己的结论。 5 最后是对本文的总结 9 南京邮电火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。分集技 术已广泛应用于包括移动通信、短波通信等随参信道中。本章主要对空间分集、频率分集、 时间分集这三种典型的分集技术及各自的特点进行讨论和分析。 2 1 通信信道 传输可靠性是移动通信系统的关键问题之一。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就无直射 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 ：墨堡! 鱼! 笙 ( 4 万) 2 d 2 l 式中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；允为波长；d 为 发射天线和接收天线间的距离；工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，与距离的二次方成正比。 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 果电磁波传播到理想介质的表面，则一部分能量进入新介质继续传播，部分能量在原介 1 0 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二苹分集技术 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。 实际的无线系统中，接收信号的能量比反射模型和绕射模型预测的场强要大。这是由 于当电磁波在粗糙表面上发生反射时，反射能量散布于各个方向，即发生了反射。一些圆 柱形的散射体如树木等可以在所有方向上散射能量，从而增加了接收信号的能量。散射一 般发生在粗糙的表面。 2 1 2 通信信道的特点 移动无线信道的主要特征是多径传播。多径传播是由于受无线传播环境的影响，在电 波的传播路径上产生了反射、绕射和散射，这样当电波传输到接收端的天线时，信号不是 单一路径来的，而是许多路径来的多个信号的叠加。因为电波通过各个路径的距离不同， 所以各个路径电波到达接收机的时间不同，相位也就不同。不同相位的多个信号在接收端 叠加，有时是同相叠加而加强，有时是反相叠加而减弱。这样接收信