（信号与信息处理专业论文）协同系统链路自适应技术的研究.pdf

北京邮i 乜大学硕j ：学位论文 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本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中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位 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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：胡函连日期：迎丝! 至! ! 篁 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以 公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇 编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文注 释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 翊困涟 r 期： f q 。；。! 皇 导师签名： 建上孳 一一 日期： 坦望：主：! 北京邮电人学硕f ：学位论文 、 协同系统链路自适应技术的研究 摘要 多输入多输出( m i m o ) 技术和正交频分复用( o f d m ) 技术的应用能够显 著提高通信的传输速率，但终端配备多根天线的要求限制了m i m o 的实际 使用。协同中继技术可以在终端配备单根天线的情况下获得一定的分集增 益，提高数据传输的有效性和可靠性。随着通信频率的逐渐提高，小区的 覆盖范围减小，如果通过增加基站数目进行覆盖势必导致运营成本提高。 通过中继技术对信号进行转发，能够扩展小区的覆盖范围，同时又能降低 信号的发射功率，延长终端的使用寿命。因此协同中继技术成为 l t e a d v a n c e d 系统的一种关键技术。 另一方面，中继节点的增加意味着需要为中继节点预留相应的通信资 源，例如，对于那些需要中继转发才能接收到数据的用户来说，两跳的数 据传输意味着需要两倍的时间、频率或是其他资源来传输同一数据，导致 通信有效性的降低。链路自适应技术能够根据信道的实时状态信息白适应 的调整信号的传输参数，在保证系统可靠性的基础上提高传输的有效性。 本课题旨在研究将链路自适应技术应用于协同中继系统中，以充分利 用信道的实时状态信息，进行更加有效的数据传输。针对两种链路自适应 技术：自适应调制编码( a m c ) 技术和混合自动请求重传( h a r q ) 技术， 结合协同中继系统的特点，进行了方案设计和仿真评估等工作。 对于a m c 的研究主要集中于自适应调制编码方案的设计上，结合协同 中继系统的特点和中继操作分四种情况进行了研究，分别为“中继是否改 变调制编码方式”和“源端到目的端的直接传输链路是否存在 的组合情 况。主要创新点在于：一、针对中继不改变调制编码方式且源端到目的端 的通信链路存在的情况提出了两种有效的自适应方案，方案一优先保证协 同的发生，方案二综合所有传输链路进行调制编码方式的选择，两种方案 相比于固定调制编码方式的传输能够获得显著的吞吐量增益；二、针对中 继改变调制编码方案且源端到目的端的通信链路存在的情况，提出了一种 自适应调制编码方案，采用基于互信息的方法进行有效信噪比的映射，进 而估计各种调制编码方式下的误码率及吞吐量，选择合适的调制编码方式。 仿真结果显示所提出的自适应方案能够有效的提高系统的吞吐量。 针对h a r q 技术的研究主要在于，对协同中继系统中的h a r q 机制进 行了总结研究，划分为三种重传机制，e n d - t o e n d 的重传，h o p b y - h o p 的重 北京邮电大学硕：卜学位论文 传及中继辅助的重传。主要贡献在于借鉴成对错误概率及码重分布的思想 对各种重传机制的误码性能进行了分析。首先通过分析得到各种重传机制 下，采用某种转发技术( 如放大转发，译码转发) 时的瞬时错误概率，这 个错误概率依赖于瞬时信噪比，然后通过对信噪比的分布做积分就可以得 到平均错误概率。仿真结果证明了理论分析的正确性，该分析思路可以为 理论研究提供依据。 最后提出了一种a m c 与h a r q 的联合设计方法。在前述自适应调制 编码研究的基础上，结合对重传错误概率的分析，得到不同重传次数限制 下的吞吐量与误块率的表达式，然后基于调制编码方式的选择准则进行调 制编码方式的选择。 请求 关键词：协同中继链路自适应技术自适应调制编码混合自动重传 北京邮电人学顾卜学位论文英文摘要 r e s e a r c ho fl i n ka d a p t i o ni nc o o p e r a t i o n s y s t e m s a b s t r a c t t h ea p p l i c a t i o no fm u l t i i n p u tm u l t i o u t p u t ( m i m o ) a n do r t h o g o n a l f r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( o f d m ) t e c h n o l o g i e si n c o m m u n i c a t i o n s y s t e mc a ns i g n i f i c a n t l yi m p r o v et r a n s m i s s i o nd a t ar a t e ，b u tt h er e q u i r e m e n to f m o r et h a no na n t e n n ae q u i p p e di nt e r m i n a l sl i m i t st h ei m p l e m e n t so fm i m o c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yc a na c h i e v ed i v e r s i t yg a i nw i t h o u t r e q u i r i n gm o r et h a no n ea n t e n n ae q u i p p e di nt e r m i n a l s ，p r o v i d i n ge f f i c i e n ta n d r e l i a b l ec o m m u n i c a t i o n s o nt h eo t h e rs i d e ，h i g hc a r t i e rf r e q u e n c yl e a d st oa d e c r e a s ei nc o m m u n i c a t i o nd i s t a n c e i no r d e rt op r o v i d et h es a m ec o v e r a g e ， m o r eb a s es t a t i o n sa l en e e d e d , w h i c hi sal a r g ec o s tt oo p e r a t o r s b yf o r w a r d i n g s i g n a l si tr e c e i v e s ，t h er e l a yg i v e sa na l t e r n a t i v es o l u t i o nt oe x p a n dc o v e r a g e a t t h es a m et i m e ，d u et oi t sf o r w a r d i n g ，t h et e r m i n a l sc a nl o w e rt h et r a n s m i tp o w e r , r e s u l t i n gi nal o n g e rb a t t e r yl i f e t h e r e f o r e ，r e l a y i n gc o o p e r a t i o nh a sb e c o m ea k e yt e c h n o l o g yi nl t e a d v a n c e ds y s t e m h o w e v e r a d d i t i o n a lr e s o u r c e sa r en e e d e df o rr e l a y i n gc o m m u n i c a t i o n f o r e x a m p l e ，f o ru s e r sw h or e l y o nr e l a y st oa c c e s st ot h en e t w o r k , m u l t i h o p t a n s m i s s i o nm e a n st h a tm u l t i p l et i m es l o t so rf r e q u e n c i e sa r ec o n s u m e dt o d e l i v e ro n eb l o c k , m a k i n gar e d u c t i o no f e f f e c t i v e n e s s b ya d j u s t i n gt a n s m i s s i o n p a r a m e t e r sa d a p t i v e l ya c c o r d i n gt oi n s t a n t a n e o u sc h a n n e ls t a t e ，l i n ka d a p t i o n t e c h n o l o g i e sm a k em o r ee f f e c t i v et r a n s m i s s i o n ，a n dm e a n w h i l e ，i te n s u r e s r e l i a b i l i t y s o ，i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w em a d ear e s e a c ho nl i n ka d a p t i o ni nc o o p e r a t i o n s y s t e m ，a i m i n g t om a k em o r ee f f e c t i v et r a n s m i s s i o nb ym a k i n gu s eo f i n s t a n t a n e o u sc h a n n e li n f o r m a t i o n t w ok i n d so fl i n ka d a p t i o n ，n a m e l ya d a p t i v e m o d u l a t i o na n dc o d i n g ( a m c ) a n dh y b r i da u t o m a t i cr e t r a n s m i s s i o n r e q u e s t ( h a r q ) a r es t u d i e d s c h e m e sa r ed e s i g n e da n de v a l u a t e dc o n s i d e r i n gt h e c h a r a c t e r i s t i c so fc o o p e r a t i v es y s t e m r e s e a r c ho fa m ci sm a i n l yo nh o wt os e l e c tam o d u l a t i o na n dc o d i n g s c h e m e ( m c s ) b a s eo nw h e t h e rt h ed i r e c tc o m m u n i c a t i o nl i n ke x i s t sb e t w e e n t h es o u r c ea n dd e s t i n a t i o na n dw h e t h e rt h er e l a yc h a n g e sm c s f o u rc a s e sa m 北京邮电大学硕士学位论文英文摘要 s t u d i e d i h em a i nc o n t r i b u t i o nl i e si n ：f o rt h ec a s eo fd i r e c tc o m m u n i c a t i o nl i n k e x i s t i n gb e t w e e n t h es o u r c ea n dd e s t i n a t i o na n dt h er e l a yk e e p i n gt h es a m em c s a ss o u r c e ，w ep r o p o s e dt w oa m cs c h e m e sw h i c hp r o v i d em u c hb e t t e r t h r o u g h p u tt h a ns y s t e m sw i t h o u ta m c t h ef i r s t s c h e m et r i e st oe n s u r e c o o p e r a t i o n ，w h i l et h es e c o n ds c h e m ec h o o s e sam c sa c c o r d i n gt oa l lt h e t r a n s m i s s i o n l i n k s f o ra n o t h e rc a s eo fd i r e c tc o m m u n i c a t i o nl i n k e x i s t i n g b e t w e e nt h es o u r c ea n dd e s t i n a t i o na n dt h er e l a yc h a n g i n gm c s ，w ep r o p o s e d a na d a p t i v em o d u l a t i o ns c h e m e m u t u a li n f o r m a t i o nb a s e de f f e c t i v es n r m a p p i n gi sa d o p t e dt op r e d i c te r r o rr a t ea n dt h o u g h p u t ，a n dm c s i st h e nc h o s e n f o rr e s e a r c ho fh a r q ，w ef i r s tm a d eas u m m a r yo fh a r qm e c h a n i s m s b a s e do ne x i s t i n gr e s e a r c h e s t l l e ya r ee n d - t o e n dm e c h a n i s m ，h o p - b y - h o p m e c h a n i s ma n dr e l a ya s s i s t e dm e c h a n i s m t h e n ，b yu s i n gw e i g h te n u m e r a t i n g f u n c t i o na n dp a i r w i s ee r r o rp r o b a b i l i t ya n a l y s i s ，w ea n a l y z et h ee r r o rr a t eo f t h e s eh a r qm e c h a n i s m s f i r s t ，w ec a ng e tt h ee r r o rr a t ew h i c hi sd e p e n d e n to n i n s t a n t a n e o u ss i g n a lt on o i s er a t i o ，a n dt h e n ，b yi n t e g r a t i o no nd i s t r i b u t i o no f s i g n a lt on o i s er a t i o ，w ec a ng e tt h ea v e r a g ee r r o rr a t e t h ea n a l y s i sm e t h o di s v e r i f i e db ys i m u l a t i o nr e s u l t s i tc a np r o v i d er e f e r e n c ef o rr e s e a r c hw o r k a tl a s t ，w em a k eaj o i n td e s i g no fa m ca n dh a r qi nc o o p e r m i o ns y s t e m b a s e do nt h ef o r m e rr e s e a r c ho fa m ca n de r r o rr a t ea n a l y s i s ，t h et h r o u g h p u t a n db l o c ke r r o rr a t ew i t han u m b e ro fr e t r a n s m i s s i o n sc a nb ec a l c u l a t e d a n d t h e nc h o o s ep r o p e rm o d u l a t i o na n dc o d i n gs c h e m e sa c c o r d i n gt od i f f e r e n t p r i n c i p l e s k e y w o r d s ：c o o p e r a t i o n ；r e l a y i n g ；l i n ka d a p t i o n ；a d a p t i v em o d u l a t i o na n d c o d i n g ；h y b r i da u t o m a t i c r e t r a n s m i s s i o nr e q u e s t 北京邮电人学项：l 学位论文目录 目录 第一章绪论l 1 1 弓i 言一l 1 1 1 协同中继技术背景l 1 1 2 应用场景2 1 2 论文内容安排5 第二章协同中继系统的链路自适应技术概述6 2 1 中继转发技术6 2 1 1 放大转发a f “7 2 1 2 译码转发d f 9 2 1 3 压缩转发c f lo 2 1 4 编码协同c c l l 2 2 链路自适应技术1 2 2 2 1a m c 技术1 4 2 2 2h a r q 技术l8 2 3 协同中继系统中关于链路自适应的研究”2 4 2 3 1a m c 的研究“2 4 2 3 2h a r q 的研究2 7 2 4 本章小结2 8 第三章协同中继系统的a m c 技术研究3 0 3 1 研究场景3 0 3 2 统一m c s 3 3 3 2 1e n b 到u e 的直接通信链路不存在“3 3 3 2 2e n b 到u e 的直接通信链路存在3 5 3 3 独立m c s ”3 9 3 4 本章小结4 1 第四章协同中继系统的h a r q 技术研究4 3 4 1 协同h a r q 机制4 3 4 2 性能分析4 6 4 2 1 基本原理4 6 4 2 2e n d - t o - e n d 性能分析4 7 4 2 3h o p - b y - h o p 性能分析“5 0 4 2 4 中继辅助的t t a r q 性能分析5 4 目录 h 5 7 的应用5 8 5 9 5 9 ”6 l 6 3 6 3 6 4 6 6 6 8 7 0 7 1 北京邮电人学硕： ：学位论文第一章绪论 1 1引言 i i 1协同中继技术背景 第一章绪论 在无线通信网络中，人们期望能够提供越来越高的数据速率及越来越可靠的服务质 量，针对这种通信需求，产生了多种技术。多输入多输出( m u l t i i n p u tm u l t i o u t p u t ， m i m o ) 技术能够在空问中产生独立的并行信道，在这些并行信道中同时传输多路数据 流，这样就有效的提高了系统传输速率，即由m i m o 提供的空间复用技术能够在不增 加系统带宽的情况下提高频谱效率。m i m o 技术提供了巨大的优势如空间分集，空间复 用，波束赋形，空分复用，干扰抑制等。正交频分复用( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g , o f d m ) 技术通过将高速数据流变换成并行的低速数据流传输，能够有效 的对抗多径衰落，提高数据传输的可靠性。同时它的各个子载波之间相互正交，允许自 信道的频谱相互重叠，最大限度的利用频谱资源。o f d m 还易于结合时空编码、分集、 干扰抑止以及智能天线等技术，最大程度地提高物理层信息传输的可靠性。如果再结合 自适应调制，自适应编码以及动态子载波分配，动态比特分配算法等技术，可以使其性 能进一步得到优化，提高了数据传输的有效性。在第三代合作伙伴计划( t i l i r dg e n e r a t i o n p a r t n e r s h i pp r o j e c t ，3 g p p ) 的长期演进( l o n g t e r me v o l u t i o n ，l t e ) 系统中应用了m i m o ， o f d m 两种关键技术来满足人们对高质量通信的需求。尽管m i m o 技术提供了多种优 点，但是它要求终端配置多根天线设备，而这与用户终端的便携，低功耗等要求有所矛 盾。协同无线通信技术由于提供了类似于m i m o 技术的优势而颇受关注，且它不需要 一个终端配置多根天线，目的终端通过适当的合并来自源端和中继端的信号就可以获得 协同分集增益( 类似于m i m o 系统的空白j 分集) 。 另一方面，i m t a d v a n c e d 要求移动通信的传输速率达到1 0 0m b s - - - 1g b s ，这至少 是高速数据分组接入( h i g h s p e e dd o w n l i n kp a c k e ta c c e s s ，h s d p a ) 的1 0 倍以上，在 传统的蜂窝网络中几乎无法实现。如果要达到如此高的传输速率，必然要降低传统小区 的覆盖面积，相应要增加基站个数。基站个数的增加无疑将提高运营商的组网成本，降 低其市场竞争力。无线中继的基本思想是使用中继节点将基站的信号重新处理后再发送 出去。应用多跳中继可以扩展小区的覆盖范围，减少通信中的死角地区，同时还可以平 衡负载，转移热点地区的业务。另外，引入无线中继还可以节省终端的发射功率，从而 延长电池寿命【1 1 。 北京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 因此，基于中继的网络结构及其协同技术已经得到了国内外学者的广泛重视。i e e e 8 0 2 1 6 j 标准是以中继技术为核心、以8 0 2 1 6 e ( w i m a x ) 标准为基础架构的新一带无线城 域网标准。它的目标是通过在基站的覆盖小区内布放中继站来降低w i m a x 系统的整体 建设成本，并提高系统的柔韧性。在2 0 0 6 年1 2 月获得授权开展的i e e e8 0 2 1 6 m 目标 是通过改进i e e e8 0 2 1 6 以满足i m t - a d v a n c e d 的需求。其中仍然采用中继技术以扩大 覆盖范围。在l t e a d v a n c e d 2 中采用中继技术来扩大高速数据速率的覆盖范围，改进 群移动性，进行临时网络覆盖，增大小区边缘吞吐量或者并且为新的区域提供覆盖。 1 1 2应用场景 协同网络中主要组成部分为具有多跳功能的基站( b a s es t a t i o n ，b s ) ，具有多跳功 能的中继节点( r e l a y n o d e ，r n ) ，及用户终端( u s e r t e r m i n a l ，u e ) 。r n 既可以是 固定的也可以是移动的，当b s 的覆盖范围有限时，它能够延伸宽带接入到用户端。它 的应用场景可进行一下简单的分类【3 】。 乡村场景： 在那些没有应用a d s l 的小城市里，多跳的w m a n 可作为无线的d s l ，为大 范围内的低密度的用户提供接入。其中的b s 连接核心网络，一般说来属于某个无 线的互联网服务提供商( w i s p ) 。多个r n ，将b s 的数据提供给终端用户，它们属 于w i s p 或者是某些用户志愿者，提供给终端用户室内到室外或是室外到室外的接 入，能够提供b s 覆盖范围的延伸。 图1 - 1 乡村场景下的多跳r n 组成的协同网络 公共交通场景 这种场景对应的是用户位于移动的公共交通工具内，如公共汽车，火车等。场景的 特点是用户比较密集，移动的环境。包括一个连接到核心网的b s ，几个将b s 的信息转 发给终端用户的r n ，最后一跳的r n 位于交通工具的顶端，终端用户通过该r n 进行 室内到室外的接入。临近的其他用户可以作为工作在协同模式的中继。 2 北京邮电人学硕：l ：学位论文 第一章绪论 图卜2 公共交通场景下多跳b s 及r n 构成的协同网络 汽车场景( c a rs c e n a r i o ) 与前一个场景不同的是，这种场景下用户位于自己移动的车内，车顶不会安装多跳 的r n ，因此它不能寄希望于协同通信。一个连接到核心网络的b s ，几个r n 将b s 的 信息转发给终端用户，他们或者位于高速路上，或者位于街道上，如路灯上。位于车内 的终端用户通过r n ，接入b s 。 图卜3 汽车场景下多跳r n 构成的协同网络 城市中心场景 当位于室外街道时，可能会同时存在w m a n 和w l a n 的应用，这是一个典型 的热点区域，特点是用户密度较大，移动速度缓慢。组成部分包括：一个接入到核 心网络的b s ，几个r n 将b s 的信息发送给终端用户，多位于路灯的灯杆上，可能 会协作起来为终端用户提供接入。几个网络接入点( m e s ha p ) ，连接到附近的b s 或r s 上，向终端用户转发信息。终端u e 通过多跳的r n 或是a p 接入核心网，u e 附近的其他的u e 可以提供协同。 3 数据。 在3 g p p 2 的相关提案中，用m r b s 表示基站，i 峪表示中继，m s 表示用户终端， 在3 g p p 的相关文档中，这三种节点分别用e n b ，r n ，l i e 表示。当我们不说明上下行 时，用s ( s o u r c e ) ，r ( r e l a y ) ，d ( d e s t i n a t i o n ) 分别表示信号源，中继，目的终端 北京邮电人学硕：i ：学位论文第一章绪论 1 2论文内容安排 本论文内容的章节安排如下： 第一章，介绍了协同无线通信系统产生的背景，及当前的研究现状，并介绍了它的 应用场景。 第二章，详细介绍了协同中继系统中常用的转发技术，包括放大转发，译码转发及 编码协同技术。然后对链路自适应技术主要是a m c 及h a r q 技术的原理进行介绍，最 后介绍两种自适应技术在协同中继系统中的研究现状。 第三章，将协同应用场景进行分类，包括源端与目的端是否能够直接通信，中继端 是否改变编码调制方案等情况，对应四种两种情况的结合共四种组合提出了相应的自适 应调制编码解决方案，仿真结果显示，所提出的自适应方案能够有效的提升了系统的吞 吐量。 第四章，首先研究总结了协同中继系统中h a r q 应用的几种重传机制。然后基于 a f 及d f 转发技术，结合成对错误概率和码重分布情况对几种重传机制下h a r q 的性 能进行了详细的推导分析，经验证该分析方法十分有效，能够为理论研究提供依据。 第五章，在第三章及第四章的基础上，考虑协同中继系统的特点，研究了a m c 与 h a r q 技术的联合应用。最后总结论文内容，给出了协同中继系统中链路自适应技术的 应用前景。 协议二 在中继接收阶段( p h a s e1 ) ，发送源仅仅是向中继发送数据，目的端不接收或是不 考虑这些信息；在中继发送阶段( p h a s e2 ) ，中继和信息源都向目的节点传送数据。如 图2 - 2 所示，在这种情况下，第二个阶段的信道变成了一个多址接入信道( m u a c ) j i i 北京邮电人学硕：l ：学位论文 第一二章协同中继系统的链路自适心概述 套 e n b 国 u e 套 e n b 第一阶段第二阶段 图2 - 2 协同协议二 协议三 这个协议可以看做是前两种协议的结合，在中继接收阶段，发射源向中继和目的节 点发送信息，与协议一相同；在中继发送阶段，发射源和中继节点都向目的阶段发送数 据，与协议二中相同。如图2 3 所示。 套 e n b 第一阶段 ； u 夕e l 奎 第二阶段 图2 - 3 协同协议三 不同的半双工协议可以达到的速率依赖于每个阶段的持续时间，这个持续时间可以 是静念的，提前分配的，且两个阶段的持续时间相同。也可以是动态的，根据通信时的 链路的信道质量进行分配。 中继采用的转发方式对系统的性能会有很大的影响。常用的转发技术包括放大转发 ( a m p l i f ya n df o r w a r d ，a f ) ，译码转发( d e c o d ea n df o r w a r d ，d f ) ，压缩转发( c o m p r e s s a n df o r w a r d ，c f ) 和编码协同( c o d e dc o o p e r a t i o n ，c c ) 。压缩转发的复杂度较高， a f ，d f ，c c 应用的更加普遍。下面分别介绍。 2 1 1放大转发a f 中继端并不总是需要对接收到的数据进行译码或者说是重新产生，因此如果要进行 这类的操作，需要配备一些能够进行译码等操作的设备，它可以仅仅是将接收到的数据 放大到它所能够允许的最大功率然后向目的终端发送出去。除了复杂度的降低，在发射 源端到中继端的信道质量比较差时，a f 能够提供比d f 更好的性能( b l e r ，p e r 等) 7 北京邮电火学硕：b 学位论文第二章协同中继系统的链路白适应概述 【4 】。 中继端需要配备射频前端，将接收到的信号转换成基带信号，然后乘以一定的放大 倍数，转发给终端，如图2 4 所示，分别为单天线系统和多天线系统的中继处理流程 示意图。的大小与接收到的信号的强度有关- 下面的阐述中，假设信号黾，的发送 功率为l ，便于分析。 图2 - 4 中继的a f 处理 考虑协议一，单天线系统，并且假定s 到r ，r 到d 与s 到d 三条链路经历相互 独立的信道衰落，且为零均值的，服从高斯分布的的复变量， 砧刖d ，以d 分别表示从 s 到r ，r 到d 及s 到d 的信道衰落系数，以，膏c n ( o ，一詹) ，d c n ( o ，蠢d ) ， d c n ( o ，d ) 。其中西表示i 到_ ，的信道衰落的方差。吩，露，d ，吩，d 分别表示响 应链路的加性高斯白噪声，对应方差分别为一足，d ，蠢，d 。 第一阶段，s 发送，r 和d 接收信号，可以分别表示为： 蜘，量2 足黾+ n s 置 ( 2 1 ) y s d 2 h s 。d x s + n s d 中继计算得到的的表达式如下： 8 = 于是第二阶段中继发送的信号表达式： x r = i s r = p h s k x s + d n s 1 目的端d 收到的来自中继的转发信号可以表示为： y r d2h r 。d x r + n t l d = 峨，。( k 置x s + f i n s ，卫) + 撑柚 = p h 亿d h s i i 一+ p h 呦n s , + n g o l ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) l 巳 北京邮电人学硕上学位论文第二章协同中继系统的链路自适应概述 相应地，信噪比表达式： = 糕 一 l k m 。1 2 i k l 2 + 9 2t i l l 2 + 矗) ：& ： l + + ( 2 - 5 ) 目的端d 将两个时隙中接收到信号采用最大比合并，并根据( 2 5 ) 式，得到在d 的 信噪比： 2 + 雨y i s r y 肋瓦 从而利用中继获得了分集的效果。 2 1 2译码转发d f ( 2 6 ) 为了描述简单，我们先看只有一个中继的情况，中继节点在第一阶段接收到发射源 发来的数据后，会对数据进行解调，译码等操作，然后再重新编码，调制，发送给目的 节点。当不存在发射源到目的终端的直接的数据传输时，目的节点在第二阶段只是对从 中继节点发送来的数据进行译码等操作。当存在发射源到目的终端的直接传输时，目的 终端需要合并在第一阶段接收到的从发射源发来的数据和第二阶段从中继节点转发过 来的数据，将它们进行适当的合并操作，然后再进行译码等操作，如图2 5 所示。 前向前向 纠错纠错 码译码编 码 码 图2 - 5i ) f 转发的中继操作 假设，靠分别表不由s 和r 发送的信号，s 到r ，r 到d 与s 到d 三条链路经历 相互独立的信道衰落，且为零均值的，服从高斯分布的的复变量， k 刖d 砧d 分别表 示从s 到r ，r 到d 及s 到d 的信道衰落系数，以置c a r ( o ，蠢足) ，d c a r ( o ，2 d ) ， 砧d c a c ( o ，d ) 。其中露表示i 到j 的信道衰落的方差。信道噪声为加性高斯白噪声， 且刀肋，n s d ，n j ，一吖( o n o ) ，即假设各个终端接收的噪声功率相同。 第一阶段，s 发送，r 和d 的接收信号可以分别表示为： y s r h 。s , , x s + n s 詹 ( 2 7 ) y s 0 2 h s 。d x s + n s 。o 9 2 1 3压缩转发c f 中继节点将接收到的数据进行量化，压缩和转发，目的节点将自己接收到的数据与 中继节点转发来的数据合并，进行译码。与d f 相比，当中继节点靠近发射源端的时候， 性能会差，但是当中继节点与目的终端间的信道质量比较高时，c f 的性能要比d f 好。 由于c f 比较复杂，所以本论文的研究并没有考虑c f 。 i o 北京邮电大学硕上学位论文 第二章协同中继系统的链路白适心概述 2 1 4编码协同c c 考虑到基于重复转发( 如a f ，d f 等技术) 的协同技术会降低系统的效率，h u n t e r 5 】 等人提出了一种编码协同技术。它的主要思想是两个用户都需要向基站传输数据，此时 通过协同的方式进行传输，而不是自己传输自己的数据，能够达到一定的分集增益，从 而提升性能。 第缀第二顿 图2 - 7 编码协同传输 如图2 7 所示，两个用户与基站通信，基本思想是每一个用户的码字可以通过两个 独立衰落的信道到达基站，同时保持与非协同系统相同的信息速率和平均功率。编码码 字被分作两部分，或叫做两帧，码字的划分可以很灵活，通过打孔等操作来获取不同长 度的传输比特。首先，数据源被分为长度为k 的信息块，这些信息块被添加c r c ，进 行编码，总的编码码率为尺。因此编码后的码字长度为= k r ，然后码字被划分为两 帧进行传输，第一部分码率为r i ，打孔后的码字长度为i = k 足，第二部分码字长度 为2 = n 一l 。用户通过将码字在两个连续帧中传输进行协同。在第一帧中，用户发送 自己的i 比特，同时接收伙伴的发送数据并译码。如果用户j 下确接收了伙伴的信息，则 在第二帧中，用户将发送伙伴的 比特。如果用户在第一帧中没有正确接收伙伴的数 据，则第二帧中，用户发送自己的，比特。用户在两帧中总是传输总数为的比特。 定义p = 为协同系数，它表示用户为伙伴传输的比特所占的比例。各个用户独立 操作。 根据第一帧用户的接收结果，可以分为四种情形，如图2 8 所示。第一种情形是完 全协同，两个用户的数据都能够经独立的信道传输到基站，达到编码分集的效果。第二 种和第三种情形类似，只不过用户的角色互换，这种情形对某一个用户是有利的，他的 第二部分数据经独立的信道传输，在接收端可以进行分集合并，但另外一个用户只有第 一部分数据得以传输。第四种情形两个用户之间没有协作，独立的完成各自的数据传输。 北京邮电大学硕上学位论文 第_ 二章协州中继系统的链路自适应概述 第一帧第一：帧 第一种情形 第一帧第一：帧 第二种情形 第一帧第：儆第一帧弟：帧 第三种情形第四种情形 图2 - 8 编码协同的四种情形 在接收端，基站需要知道发生了哪种情形，以进行相应的操作。基站可以通过各种 情形发生的概率进行顺序的译码，直到c r c 指示j 下确译码为止。或者用户可以在第二 帧通过一个额外的比特指示伙伴的数据是否被j 下确译码。 2 2链路自适应技术 链路自适应技术是指随信道环境的变化而自动调节发送、接收端的参数以适应底层 信道和上层业务要求的变化，从而获得最佳通信效果的技术。 信道的时变性对通信是不利的。在移动通信技术的早期，由于受到当时科技水平的 限制，通信系统设计时考虑信道衰落最大时系统能够正常的工作，往往加大发射机的发 射功率、使用低阶的调制方式和强壮的编码来保证通信的质量。这种方式在信道衰落条 件好时仍然只能按照信道衰落最坏时的方式来进行通信，虽然实现简单，但是极大的浪 费了系统的容量。 随着科技水平的进步，出现了随信道环境的变化而自动的调节发射机的参数以克服 信道随时间变化的效应从而获得最佳通信效果的技术，被称为链路自适应技术。其中， 发射端随信道环境可以调节的参数有发射功率、调制方式、编码方式和天线的增益。设 计链路自适应技术时应该综合考虑如何调节以上参数来适应随时间变化的信道。 北京邮电人学硕：l ：学位论文 第二章协同中继系统的链路自适应概述 由于调节发射功率实现起来较为简单，第2 代和第3 代移动通信技术采用功率控制 ( p o w e r c o n t r 0 1 ) 技术作为链路自适应技术。其原理是在信道条件好时，减小n o d e b 的发 射功率，信道条件差时加大n o d e b 的发射功率，保持u e 接收到信号的功率为接收机 接收该业务所需要的最小功率。因此，在不同的信道条件下，n o d e b 可以用最小的发 射功率使u e 得到恒定的传输速率和固定的延时，保证u e 的服务质量。 由于平均路径损耗和慢衰落的变化速度较慢，通信系统中发射机的发射功率更新的 频率只要达到2 h z 就可以跟踪它们的变化，这种频率的功率控制技术常常被称为慢速功 率控制技术。快衰落的变化速度较快，发射机的发射功率更新频率要达到l kh z 以上才 能较好的跟踪它的变化，这种频率的功率控制技术常常被称为快速功率控制技术。 g s m 系统链路自适应技术采用慢速功率控制技术，其上下行发射功率更新频率较 低，最大时