（通信与信息系统专业论文）基于mimoofdm系统的中继选择协作技术仿真研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 为了满足下一代无线通信网络的高速率、高可靠性的需求，我们需要解决由于多 径信道的存在而导致无线信号的衰落这一主要问题。为了减小衰落信道的影响，时间、 频率以及空间等分集技术得到大量的应用和推广。其中，尤其是空间分集技术不仅利 用了多径效应，还不占用更多的系统时延和降低带宽的利用率，使其受到特别的关注。 协作通信是一种新型的通信模式，它的主要原理就是在发射机和接收机之间通过 引入中继节点构成虚拟多输入多输出( m i m o ) 天线阵列以产生多条独立不相干的传输 路径。由此在接收机端获得空间分集增益和空间复用增益，以提高信道容量和可靠性， 降低误码率。并且由于各个节点之间一般相距较远，远远大于无线电波的几个波长， 所以它们所形成的天线阵列是相互独立的。协作中继的引入解决了由于用户设备体积、 功耗等而不能安装多个天线的限制。 但是，m i m o 系统对于频率选择性衰落是无能为力的。另一方面，正交频分复用 ( o f d m ) 系统利用了频率分集原理，可以将频率选择性衰落信道转变成平坦衰落信道。 所以我们建立了m i m o o f d m 物理层架构的系统，充分利用了m i m o 和o f d m 技术 的优点。然后我们引入了中继节点，完成了基于m i m o o f d m 的协作中继系统的构建。 对于如何引入最优中继，以达到最大的协作增益，本论文研究了已有的三种中继 节点选择算法瞬时信噪比s n r 选择算法、相对最小b e r 选择算法和地理位置选 择算法，并在m i m o o f d m 协作仿真平台上完成了对该三种算法的仿真性能分析与比 较。瞬时信噪比s n r 算法通过中继节点所处链路的瞬时信噪比计算出s r 链路的条件 误比特率尸( i ) 和门限误比特率值r k 埘，然后进行排序与比较，选择尸( i ) 最小的中继进行协作：相对最小b e r 算法则是选择协作系统的最小误比特率心0 f 或 n ：f 对应的中继进行协作：地理位置选择算法是把中继的地理位置信息作为节点选择 的标准，具有简单实用的特点。 最后，本论文通过对已有三种选择算法的性能分析与比较，提出了改进的门限选 择算法混合选择合并算法。其原理是通过门限值选择满足其条件的多个d f 中继与 地理位置算法选择的最优a f 中继一起协作传输源节点的广播信号，如此能提高系统的 空间分集增益，降低系统误比特率。仿真结果表明，改进的混合选择合并算法具有更 好的性能。 关键词：协作；中继：多输入多输( m i m o ) 正交频分复用( o f d m ) ；中继节点选择。 a b s t r a c t s i g n a lf a d i n gd u e t om u l t i p a t hp r o p a g a t i o ni so n eo ft h em a j o ri m p a i r m e n t st om e e tt h e d e m a n d so fn e x tg e n e r a t i o nw i r e l e s sn e t w o r k sf o rh i g hd a t ar a t es e r v i c e s t om i t i g a t et h e f a d i n ge f f e c t s ，t i m e ，f r e q u e n c y ，a n ds p a t i a ld i v e r s i t yt e c h n i q u e so rt h e i rh y b r i dc a l lb eu s e d a m o n gd i f f e r e n tt y p e so fd i v e r s i t yt e c h n i q u e s ，s p a t i a ld i v e r s i t yi so fs p e c i a li n t e r e s t a si s d o e sn o ti n c u rs y s t e ml o s s e si nt e r m so fd e l a ya n db a n d w i d t he f f i c i e n c y r e c e n t l y ，c o o p e r a t i v ed i v e r s i t yi nw i r e l e s sn e t w o r kh a sr e c e i v e dg r e a ti n t e r e s ta n di s r e g a r d e da s ap r o m i s i n gt e c h n i q u et om i t i g a t em u l t i - p a t hf a d i n g ，w h i c hr e s u l t si na f l u c t u a t i o ni nt h ea m p l i t u d eo ft h er e c e i v e ds i g n a l t h ec o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n si san e w c o m m u n i c a t i o np a r a d i g mw h i c hg e n e r a t e si n d e p e n d e n tp a t h sb e t w e e nt h eu s e ra n dt h eb a s e s t a t i o nb yi n t r o d u c i n gar e l a yc h a n n e l t h eb a s i ci d e ab e h i n dc o o p e r a t i o ni st h a ts e v e r a l u s e r si nan e t w o r kp o o lt h e i rr e s o u r c e si no r d e rt of o r mav i r t u a la n t e n n aa r r a yw h i c hc r e a t e s s p a t i a ld i v e r s i t y s i n c et h er e l a yn o d ei su s u a l l ys e v e r a lw a v e l e n g t h sd i s t a n tf r o mt h es o l t e e ， t h er e l a yc h a n n e li sg u a r a n t e e dt of a d ei n d e p e n d e n t l yf r o mt h ed i r e c t c h a n n e l t h i s c o o p e r a t i v es p a t i a ld i v e r s i t ym i t i g a t e st h el i m i t a t i o no fc o m m u n i c a t i o ne q u i p m e n tb u l ka n d p o w e rc o n s u m p t i o no fu s e r s ，w h oc a l ln o tb ee q u i p p e d w i t hm u l t i p l ea n t c r n n a s a l t h o u g h ，m i m os y s t e mc a nc r e a t es p a t i a ld i v e r s i t y ，i th a sn oa b i l i t yt om i t i g a t et h e e f f e c to ff r e q u e n c y - s e l e c t i v e f a d i n g a n o t h e r ，o f d ms y s t e mc a nd r a s t i c a l l ys i m p l i f yt h e e q u a l i z a t i o np r o b l e mb yt u r n i n g t h ef r e q u e n c y - s e l e c t i v ec h a n n e li n t oaf l a t c h a n n e l t h e r e f o r e ，t h i st h e s i se s t a b l i s h e das y s t e mo fm i m o o f d mb yu s i n ga d v a n t a g eo fm i m o a n do f d m c o o p e r a t i v er e l a ys y s t e mo f b a s e do nm i m o - o f d m i se s t a b l i s h e d ，a f t e rr e l a y s a d d e di n n i st h e s i sr e s e a r c h i n go nt h e s et h r e ek i n d so fa l g o r i t h m so fs e l e c t i n gr e l a y - - a l g o r i t h m s o fi n s t a n t a n e o u ss n r - b a s e dr e l a ys e l e c t i o n ，r e l a t i v ee r r o r - p r o b a b i l i t y m i n i m i z i n gr e l a y s e l e c t i o na n dg e o g r a p h i c b a s e da p p r o a c ht or e l a ys e l e c t i o n ，i st oh o wt of i n do u tt h eb e s t r e l a yo fa l lt og e tt h em o s tc o o p e r a t i v eg a i n n ep r i n c i p l eo fa l g o r i t h m so f i n s t a n t a n e o u s s n r - b a s e dr e l a ys e l e c t i o ni st of i g u r eo u t 尸( i ) a n db e r t h r e s h o l d 心。f ，a n dt o m a k eac o m p a r i s o nb e t w e e np ( 氏i ) a n d 印曲，s ot h er e l a yw h oh a sm i n i m u mo f p ( l ) i s t h eb e s tr e l a y 1 1 b eb e s tr e l a yf r o m t h e a l g o r i t h m s o fr e l a t i v e e r r o r - p r o b a b i l i t y m i n i m i z i n gr e l a ys e l e c t i o ni sw o r k e do u tt h em i n i m a lb e r o fc o o p e r a t i v e s y s t e mp 毒d fo rp e ! f ，w h i c hi st h eb e s tr e l a y f o rt h eg e o g r a p h i c - b a s e da p p r o a c h t or e l a y s e l e c t i o n ，w ec a nf i n do u tt h eb e s tr e l a yw i t hi t sg e o g r a p h yi n f o r m a t i o n ，w h i c hi ss i m p l ea n d e a s l l yp r e s e n t a t e d a tl a s t ，s o m es i m u l a t i o n sh a v i n gb e e nd o n ea let of i n i s h 锄a l y s i sa n d c o m p a r i s o n so nt h e s ea l g o r i t h m sa b o v ea 1 1 1 n a l l y ，a c c o r d i n gt oa n a l y s i sa n dc o m p a r i s o n so nt h e s ea l g o r i t h m sa b o v ea l l ，t h i st h e s i s c o m e su pw i t ht h ec a t e g o r yo fi m p r o v e da l g o r i t h m sb a s e do n t h r e s h o l d h y b r i ds e l e e t i o n c o m b i n ea l g o r i t h m ( h s c ) ，w h o s et h e o r e mi st h a tm u l t i p l ed f sw i t ht h eb e s ta f f 0 刑甜- d s s 1 印a j 缸ms o u r c et od e s t i n a t i o n ，w h i c hw i l li n c r e a s es y s t e ms p a t i a ld i v e r s i t y , a | 1 dd e c r e 弱e b e ko 士c o o p 酬1 v es y s t e m i nt e r m so fs i m u l a t i o n sa n d c o m p a r i s o n s ，t h ei m p r o v e d 甜g o r i t h m sb a s e do nt h r e s h o l dc a nh a v eah i g h e rp e r f o r m a n c eo nc o o p e r a t i v es i n l u l a t i o n s y s t e mb a s e do nm i m o o f d m s y s t e m k e yw 。r d s ：c o o p e r a t i o n ；r e l a y ；m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e 。u t p u t ( m i m o ) ；o r t h 。9 0 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 ( o f d m ) ；r e l a ys e l e c t i o n 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 量量量曼皇舅曼曼曼量皇量量曼奠量量| 量量罾量皇曼邑曼量曼皇曼曼舅皇葛曼皇皇曼暑皇皇皇鼍皇曼曼曼曼皇鼍曼曼葛曼曼鼍i ll 曼舅舅曼量曼鼍舅曼寰曼量毫皇鼍曼曩 1 1课题研究背景 第一章绪论 进入2 1 世纪，随着各种科学技术的飞速发展，无线通信技术也进入了有史以来发 展最快的时期。最初，无线通信是缓慢地伴随着技术的进步而发展的。在进入上世纪 7 0 年代后，美国的贝尔实验室创新的提出了蜂窝网的概念，这时才真正的出现了能够 向人们提供通信服务的无线技术【l 】。并随着半导体技术的快速发展与进步，无线通信进 入了全面的应用阶段。而作为无线通信的最具代表性的一员移动通信，由于其具 有“移动 的优点，已经成为无线通信领域发展最为迅速的通信方式。 真正意义上的移动通信应该是以采用f d m a 方式的模拟蜂窝网第一代移动通 信系统，俗称i g 。第一代移动通信系统采用f d m 的方式来区分用户，并以蜂窝网的 形式来组织小区，利用了频率规划以实现频率复用，来满足覆盖范围和用户数量增长 的要求。i g 的主要代表是美国的a m p s 、英国的t a c s 和北欧的n m t 等。但第一代 系统仍然采用的是模拟调制的方式，接收端接收到的信号是模拟信号。从第二代移动 通信系统( 2 g ) 开始人类就进入了数字通信的阶段。2 g 系统以时分多址( t d m a ) 和码分 多址( c d m a ) 数字调制方式来区分用户，采用数字蜂窝网的网络结构和利用独立的物理 信道来传输信令，极大地提高了系统的容量和性能。2 g 系统采用抗干扰能力更强的数 字调制手段，引入了信道编码来提高抗干扰能力，在抵抗远近效应和慢衰落上采用了 功率控制技术，利用了交织技术以实现减小时间选择性衰落的影响。2 g 系统的主要代 表有i s 9 5 和g s m 等。2 g 系统虽然实现了数字化，但也只能够提供话音业务及低速 率的数据业务，完全不能满足全社会对多媒体业务的需求。针对2 g 系统的这一不足， 第三代移动通信系统( 3 g ) 产生了。3 g 以支持多媒体业务为主要目的，采用码分多址 ( c d m a ) 来主要区分用户，并能提供1 0 0 m b p s 的多媒体数据业务。由于采用码分，所 以会由于扩频码性能的不理想而造成多址干扰和远近效应等干扰，针对于这些干扰因 素，3 g 采用了多用户检测、智能天线、发送分集和空时编码等技术来降低这些不良影 响，以提高系统性能。为了进一步提高数据传输速率和提高系统的抗干扰能力，后3 g 网络对分集技术和频谱利用率提出了更高的要求。 为了在数据传输速率和系统性能上达到更高要求，3 g p p 抛弃了长期使用的码分多 址接入系统，取而代之的是物理层采用o f d m 技术，并大量应用了多输入多输出( m i m o ) 等技术来提高系统的数据率和性能。将m i m o 和o f d m 结合起来作为物理层架构的新 一代的无线通信系统称之为l t e ( l o n gt e r me v o l u t i o n ) 。l t e 的下一代通信系统是 l t e a d v a n c e ，其又在l t e 的基础上进一步提高了系统的性能，是未来移动通信系统 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 寡量_ 皇, , it q 篁 的发展方向。 冒哮塞一 口江三卜撵幽 口：目姗嘞川2 区玉2 一鳓一：毋之人 一 一：匹扣、 图l 1 无线移动通信发展趋势 在过去二十多年中，无线通信技术的成功运用预示着在未来的人类社会的发展中， 仍然会发挥着举足轻重的作用。随着我们对诸如无线多媒体业务、无线视频应用业务 以及无线流媒体业务需求的增加，人们对高速率数据的要求催生了第3 代( 3 g ) 移动通 信系统的出现，而第四代( 4 g ) 系统的出现则是为了满足大家对超大数据速率的需要。 另一方面，上面所涉及到的宽带传输系统的性能正面临着无线信道衰减的挑战。 特别是，对于从发射机出来的无线电波信号的传输都是通过反射、折射和散射后到达 接收机的。再者，信号的多径传输也会影响信号的幅度、相位和时延的波动，造成信 号的多径衰落。这些导致信号的衰减的因素可以采用以下几种方式来对信号进行补偿， 例如提高发射接收功率比、带宽和纠错编码等技术。但是，无线频谱资源的稀缺性致 使提高功率比和带宽是不可行的，并且纠错编码技术仍然会降低传输速率，同样也牺 牲了宝贵的频谱资源。因此，对于无线系统设计人员来讲，如何找到一种能在衰落信 道中高速率、高可靠性的传输数据的通信系统是具有挑战性的一件事。 分集技术是无线通信系统中一种能够有效抵抗各种衰落、提高系统传输性能的基 本技术【2 】【3 】【4 】。在实际应用中，我们在发射机和接收机两端都安装上多幅天线以实现多 输入多输： j ( m i m o ) 系统，能够很明显的提高数据传输速率和增强无线系统的可靠性能 5 】【6 】【7 】【8 】【9 】【l0 1 。空时编码技术的研究使系统传输速率达到了m i m o 信道的信息量的极限 值。美国贝尔实验室提出的垂直分层空时编码技术能够使频谱有效性达到4 2 b p s h z 。 与现在的移动通信系统和无线局域i 网( w l a n s ) 的3 b p s h z 相比，频谱有效性是非常高 的。再者，与单天线系统相比，多天线系统也提高了系统的空间分集增益。 但是，m i m o 系统对无线链路的多径传播环境的散射有严格的要求。事实上，m i m o 系统仍然受限于天线之间的相关性和信道矩阵的秩的阶数。天线之间相关性高造成信 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 道中独立的散射多径数较少，直接就会降f 百m i m o 系统的空间分集复用增益，也即是 减小m i m o 信道实际数据承载容量【1 1 】【1 2 】【1 3 1 1 4 】。 协作中继的引入克服了m i m o 系统的上述缺点【”】。如果两个节点想要互相通信， 但是他们之间的信道链路质量太差，此时，第三个节点的引入就能扮演中继的角色来 帮助它们转发消息。中继节点的引入不仅可以大大的降低由于天线间相关性的影响导 致系统空间分集复用增益的降低，而且目的节点还可以将直传链路信号和中继转发链 路信号进行合并，以提高空间分集复用增益。协作中继技术的采用可以提高通信系统 的容量和可靠性，节约了系统能源，延长了网络寿命，扩大了系统覆盖范围【16 1 。 协作通信是一种新型的通信模式，它主要是通过引入中继节点的方法在发射机和 接收机之间产生了多条独立不相干的传输路径。协作通信最基本的原理就是源节点和 中继节点之间形成了一个虚拟的m i m o 天线阵列，由此在接收机端获得了空间分集和 复用增益【1 7 】【1 8 】【19 】。由于各个节点之间一般相距较远，远远大于无线电波的几个波长， 所以它们所形成的天线阵列是相互独立的，也即是所形成的m i m o 信道矩阵达到了满 秩。这种协作空间分集系统的误比特率随着信噪比s n r 的提高成指数衰减【2 0 】。 协作中继系统的信号传输主要分成两阶段：第一阶段称为广播阶段，此阶段就是 源节点通过广播的形式向中继节点和目的节点发送信号；在中继协作的第二阶段中， 源节点停止发送信号，而中继节点将接收到的信号再转发给目的节点。目的节点利用 合并技术合并通过不同路径传输来的信号，并进行判决译码等。其中，处于源节点和 目的节点之间的每个中继节点所处的信道信噪比环境和地理位置都不同，就会造成每 个中继节点接收到的广播信号强度和时延也不一样，由此在协作阶段中，如何通过一 定的选择标准来得到相对最优的中继节点，也即是选择协作增益最大的中继节点参与 协作，这就会大大的提高目的节点接收的中继信号的强度，降低系统的误比特率，提 高系统性能。因此对于研究如何选择一个或多个相对最优的中继节点来参与信号的协 作传输，是非常有必要的。 1 2国内外研究现状 协作通信系统中的每一个节点都相互利用，以达到空间分集的效果。目前很多有 关协作分集的研究都是基于中继节点已经选定的前提下来进行的。所以说中继节点的 选择是协作通信的第一步，如何选择一个或多个中继节点对后面的研究也是有重要的 影响。而且，在一个无线通信系统中，协作中继节点数目很多，有时候需要我们选择 一个中继参与系统协作，有时候要求我们选择多个中继节点来转发源节点的信号。处 于不同链路环境的中继节点参与系统协作传输，对于系统性能的改变是完全不一样的 【2 l 】 o 文献 1 7 】中，l a n e m a n 等研究人员较早地提出了两种主要的协作中继节点类型，称 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 之为放大转发中继( a f ) 和译码转发中继( d f ) ，并分析了这两种中继节点的中断概率性 能。文献【2 2 】的作者认为根据节点地理位置的要求，最优中继出现在距离目的节点最近 的地方。但是却不能获得最大的空间分集增益效果。文献 2 3 描述了中继节点和最大比 合并( m r c ) 相结合的中继策略。文献 2 4 】提出了一种基于信道增益的最优中继节点选择 方案，它是根据瞬时的信道状态信息( c s i ) 来决定最优中继的。文献 2 3 1 和 2 4 】提出的算 法能够达到或接近于最大分集增益，但是算法需要对大量的信道状态信息进行计算， 并且对快速变化的信道环境比较敏感。文献 2 5 】的中继选择算法是依据链路的信噪比来 选择的。如果中继节点接收到的信噪比s n r 较低，数据就有可能出现错误，此时中继 节点就会丢弃该数据。文献 2 6 】和 2 7 对于基于信噪比选择算法的优点进行了讨论和分 析，并提出了信噪比选择算法能够降低系统的能耗，未被选中的中继节点处于静默休 眠状态，节省了能量消耗。这适合应用于那些功耗受限的传感器网络。在文献 2 8 矛- 1 1 2 9 】 中，研究了一种分布式的最优中继节点选择算法。如果中继采用a f 模式传输信号，在 达目的节点的所有n 个中继链路信号中，信噪比s n r 最大的中继节点就是最优中继【2 8 】： 如果是d f 中继，就会产生两种节点选择方案被动中继和主动中继。在源节点发射 信号后，被动中继才会参与系统协作；主动中继在源节点发射信号前就认定自己会参 与协作传输。被动中继d f 中，要求每个中继节点需要知道自己是否正确译码。通过监 听源节点的信息，信道质量最好的d f 中继就被选择出来参与系统协作。而主动中继就 不要求每个节点都了解自己是否译码正确，只是根据信道质量信息来选择最佳中继【2 9 1 。 对于协作中继节点的最根本的选择标准主要是目的节点处的系统误比特率和中断 概率p 们。再有就是根据不同的系统及信道质量环境等因素所衍生发展出来的地理位置 标准、信噪比标准以及功耗限制等标准。文献【3 1 主要描述了一个基于门限值的最优中 继节点选择算法。在该算法中，无线平坦衰落信道被分割成k 个持续的观察阶段，所 有的中继节点不停地监听来自于源节点的r t s ( r e a d y - t o s e n d ) 消息和目的节点的 c t s ( c l e a r - t o s e n d ) 消息。根据这些信道状态信息( c s d 估计出瞬时信道增益ihi 。在第k 各阶段，如果第m 个中继的瞬时信道增益值大于预先设定好的门限正，即ij j i 。f 正， 那么该中继就参与协作传输；否则，该中继就保持静默监听状态。每个阶段的门限值 不断更新，直到发现瞬时信道增益值ihl 最大的中继节点为止，此时ih | m - i 所对应的就 是相对最优的中继。如果没有中继的lhl 满足门限正，则正会在下一个k + i 观察阶段 主动减小，直到选择出一个相对最优的中继节点为止：同时，当有多个中继满足门限 条件参与协作时，疋值也会变大，以选择一个最优中继。该算法的一个比较大的缺点 就是要不断的监听来自于源节点和目的节点的信道状态信息，并不停的计算门限值正， 会消耗很多的中继自身的能量，对于那些能量有限，对节点生命周期严格的中继网络， 如传感器网络等，该算法不是理想选择。文献 3 2 1 从研究分析最优单中继节点的选择引 申到多个中继节点的选择，提出了如何满足系统对中继节点选择算法的性能、复杂度 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 和最大分集增益的要求。由于最佳信噪比多中继选择算法能够获得最大的分集增益， 但是随着协作中继数量的逐渐增加，其计算复杂度呈指数增长，不利于大规模的网络 应用，所以说最后从多中继节点的选择问题的研究引申到了如何根据一定的准则来对 最优中继进行排序的问题上来。而后又证明了没有最佳中继排序算法的存在，所以重 点研究了次优的最差信道排序准则、基于h a r m o n i c 均值的排序以及基于瞬时信噪比的 排序算法。最后的性能仿真验证了次优的多中继排序选择算法优于单中继节点选择算 法，并且还降低了算法的计算复杂度，取得了良好的效果。综上分析可知，这些中继 节点选择标准的最主要宗旨就是，所选择出来的中继节点能否给系统带来空间复用分 集增益，并提高系统的协作增益，减小系统的误比特率或者降低系统的中断概率。并 且在此宗旨上，综合考虑算法的复杂度和时延等对系统的影响。 1 3 本论文主要研究工作及内容安排 论文的研究目标是在m i m o o f d m 物理层架构基础上研究中继节点选择算法对协 作中继系统性能的影响。通过理论分析几种经典的中继节点选择算法，并在m a t l a b 工具软件上搭建协作仿真平台，完成对节点选择算法的仿真工作。在总结和比较这几 种算法的优劣性的基础上，提出了一种性能较好的中继节点选择算法，仿真并验证了 所提出算法的性能。 针对论文的研究目标与工作，论文的主要研究内容和结构安排如下： 第一章绪论，概要地描述了无线通信技术的发展历史，以及其中协作通信技术的 发展历程。并且重点简要地介绍了协作中继节点选择算法的国内外研究现状。 第二章本章节首先主要完成了对无线信道的几种重要特性的研究与分析，并针对 本论文的仿真需求建立了无线信道模型。其次本章节对现在几种主要的中继节点类型 进行了分析与研究，并通过仿真比较了这几种中继的误码率性能指标。 第三章这一章我们主要研究分析了m i m o o f d m 物理层架构，并建立了基于 m i m o o f d m 的仿真平台。最后通过引入中继节点，完成了本课题所需要的基于 m i m o o f d m 的协作仿真平台的建立，为后续节点选择算法的比较分析与研究打下了 基础。 第四章在第三章的基础上，本论文通过对基于瞬时信噪比s n r 算法、相对最小 b e r 算法及地理位置选择算法的分析研究与比较，并通过在协作仿真平台上的性能仿 真分析，深入熟悉了这几种算法的优缺点及适用环境。 第五章基于对第四章节研究的几种算法的了解，提出了两种混合选择合并算法。 最后在协作仿真平台上完成了对新的算法的性能仿真验证与分析。 最后是总结和展望，总结本论文所完成的工作内容和结论，并展望下一步的工作。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第二章无线信道模型及协作中继协议研究 2 1 无线信道模型研究 2 1 1引言 无线通信用户必须利用无线电波来完成信息的交换传播。但无线电波传播特性不 稳定，主要受到传播环境、用户之间相互干扰等其它外部因素影响，具有不确定性。 通常而言，无线信道主要可以分为大尺度衰落模型和小尺度衰落模型两类【3 3 1 。大 尺度衰落模型主要描述的是从发射机和接收机之间的长距离来看或长时间来看信号的 强度变化，通常有几百或几千米的距离，所以大尺度衰落也叫慢衰落，跟信号的路径 损耗有直接关系。基于几个无线电波波长的距离或很短时间内信号强度的变化称为小 尺度衰落模型，也称之为快衰落。对于无线通信而言，信号的传输过程中，既存在小 尺度衰落又有大尺度衰落。 2 1 2 无线信道的多径衰落 大尺度衰落模型主要反映了信号的路径损耗和受阴影衰落的影响。其中，路径损 耗可以通过接收信号的功率跟信号的传播距离d 的口次方成反比来表示。其中，口是路 径损耗系数，一般取值3 4 。 气d 叫( 2 - 1 ) 阴影衰落的产生主要是在信号传播过程中遇到高大建筑物、起伏地形的阻碍，导 致在阻碍物前后信号场强的变化，而引起的信号衰落。 大尺度衰落对无线电信号的影响是缓慢的，相比小尺度衰落而言，短时间变化不 明显，因此在通信技术研究和仿真过程中不是重点。小尺度衰落模型反映了信号在短 时间短距离的急剧变换情况，这对信号传输方式的选择和接收机设计有重要影响，因 此作为我们研究通信技术信道建模的重点。 无线信道的主要特点之一就是多径效应。如图2 1 所示，发射机发射的信号经过 建筑物、山丘等阻碍物的折射、衍射和反射后，到达接收机处的信号是很多路信号的 叠加。这些多路信号之间的时延和强度等参数不一样，就会使叠加后的信号幅度发生 急剧变化，从而产生衰落多径衰落。多径效应所导致的信号时延展宽，称为时延 扩展，会带来符号间干扰( i s i ) ，在频域上既是导致频率选择性衰落既是信号中的 某些频率分量的强度得到增强，某些频率分量的强度受到衰落。 多径效应的描述可以通过时延扩展r 和相干带宽霞来表述。最大时延扩展f 。，的定 义就是第一路信号分帚到达接收机处与最后一路信号分母到达接收机的时间差。时延 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 扩展会造成符号间干扰( i s i ) ，严重的符号间干扰就会使接收机性能下降，出现严重的 误符号率。根据经验，在户外环境的信道建模中采用最大时延扩展f 蛐= 1 0 9 s 1 1 。相干 带宽最表示的是最大时延扩展瓤的倒数。 忍士( 2 - 2 ) r 眦 最大时延扩展甑变大，造成符号间干扰( i s i ) ，致使相干带宽变小。当相干带宽毋 小于信号发送带宽时，频域上就会使信号产生频率选择性衰落，也就是说，频率选择 性衰落会造成接收机端的符号间干扰，降低接收机性能。如果相干带宽e 大于信号发 送带宽，信道就成为平坦衰落信道，既是频率非选择性衰落信道。由此接收机的性能 会大大提高，误比特率就会大大的减小。所以我们要想方设法的提高系统的相干带宽e ， 最小化系统的最大时延扩展r 。，。 建筑物 图2 1 无线信号的多径传播 2 1 3 无线信道的时变特性 无线信道的时变性描述了无线信道的变化跟多普勒频移厶和相干时间有关。发 射机和接收机之间只要发生了相对运动，就会产生多普勒频移。所以说，多普勒频移正 跟收发机的相对运动有直接关系【l 】，我们可以用以下表达式来表示。 石= 兀二c o s 9( 2 3 ) c 上述表达式中，兀表示发射机的载频；v 表示发射机和接收机之间的相对运动速 度；9 表示的是相对运动方向与无线电波入射角之间的夹角；c 表示无线电波的传播速 度光速。 由于余弦分量c 0 s 9 1 ，所以最大的多普勒频移量为： 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 一i 一量鲁舅墨量皇皇 一一。一；i 曼曼曼曼曼量墨量鼍皇量皇量皇曼鼍皇置皇 _ 姒= a 二 ( 2 4 ) c 此时我们称最大的多普勒频率偏移量为多普勒扩展，用于描述信号的频谱由于发生 相对运动所造成的频谱的展宽程度。多普勒扩展反映了无线信道的时变性质，造成信 号的时间选择性衰落。 无线信道相干时间疋跟多普勒扩展厶相对应，跟厶成反比。如果基带信号的符 号周期是z ，那么当i i 时，在传输基带信号时就不会经历时间选择性衰落，也即 是信号到达接收机处不会产生失真，不会影响接收机的性能；当 e 时，符号周期z 大于相干时间，导致信号产生时间选择性衰落，接收机收到的信号就失真了，从而 降低了接收机的性能，系统误比特率变大。 2 1 4 无线信道的包络统计特性 大部分快衰落信道下的接收信号的包络都服从瑞利分布 3 4 1 。根据文献【3 3 】可知，一 个均值为0 ，方差为仃2 的平稳高斯过程f 的包络是服从一维瑞利分布，而大量的接收 信号可以视为广义平稳复高斯过程，所以，本文可以采用这种随机过程来对信道进行 建模。 本文假设衰落信道系数为乩计，根据以上分析可知： 月鲫= r e 【日脚) + h n 【日脚) ( 2 5 ) r e ( h 胁) 和h n ( 日脚) 是独立同分布，并服从均值为0 ，方差是仃2 的高斯分布。因此衰 落信道系数为日船，的幅度就服从均值为0 ，方差是仃2 的瑞利分布。 综上所述，我们在信道仿真过程中，信道模型采用下图2 2 所示结构： !无线信道： 发射机 2 2协作中继节点分析 图2 2 无线信道模型 接收机 根据对接收到的信号的处理过程，中继节点主要可以分为放大转发中继( a f ) 和译 码转发中继( d f ) 及这两者的组合几大类t 3 s 。 2 2 1放大转发中继( a f ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 对于放大转发中继( a f ) 而言，对接收到的信号进行放大后再转发给目的节点d 。 a f 中继节点的优势就是简单，低延时和易实现的特点。源节点s 发射的信号为x ，那 么在a f 中继节点处接收的信号是。，： = p 1 x + ( 2 - 6 ) 经过放大后到达d 节点处的信号y 伽。： y r 旷d = , p 2 h r 伊d t 习s r 心七q r 伊d q _ 1 、) a 和p 2 分别是源节点s 和中继节点的信号发射功率。信道衰落系数k 和。是独立 同分布，且服从均值为0 ，方差分别是吃和屯的复高斯分布。和d 分别是高 斯白噪声，且服从均值为0 ，方差是0 的高斯分布。g 表示的是a f 中继的放大系数 a s l ， ， 1 虻石丽 。( 2 - 8 ) p ll 吃哳1 2 + “ 7 a f 中继的结构简单易实现，但在对有效信号进行放大的同时，噪声也被放大了。 但是我们可以在源节点s 处对信源比特流进行一系列的信道编码交织等处理，以提高 其抗噪声的能力。 2 2 2 译码转发中继( d f ) 另一种常见的中继节点就是译码转发中继( d f ) 。d f 中继的原理就是中继节点试图 将接收到的信号进行译码判决，减小s r 链路的信道衰落的影响后，再对其进行信道 编码等信号处理过程，最后再发送给目的节点d 。 d f 中继对于a f 中继的一个最大优点就是，d f 中继能够减少s r 链路衰落的影 响和高斯白噪声的干扰。但是如果d f 对s 节点发送来的广播信号进行了错误的译码， 此时就会很大地影响接收机的译码判决，造成差错传播事件的发生；其次就是d f 中继 增加的译码后再编码等一系列的信号处理过程对系统的时延和复杂度的要求都是严峻 的挑战。所以说a f 和d f 中继各有优缺点，通信系统结构的不同及环境的区别对中继 节点的选择是不同的。 2 2 3d f a f 混合中继 混合中继节点主要还是以d f 中继为主，既是首先中继节点对接收到的信源信号进 行c r c 校验，当校验正确时采用d f 模式进行转发，否则采用a f 模式进行转剔3 7 1 。 如图2 3 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 信号 信号 图2 3d f a f 混合中继 d f a f 混合中继节点类型不仅拥有d f 的优点，而且又有a f 的长处，且增加的系 统复杂度和时延上来看也是介于两者之间，具有比较好的应用前景。 2 2 4 仿真性能分析 本小节建立了一个相对简单的两跳中继协作模型，一个a f 中继、一个d f 中继和 一个d f a f 混合中继，这些中继节点都位于源节点s 和目的节点d 的中间，即 d 。= d 耐= d 耐2 ，且考虑到协作中继系统中s d 直传链路信噪比都比较低，因此仿真 环境设定为7 耐= y 一2 0 d b 。该模型中首先对产生的随机序列进行q p s k 星座映射成星 座符号，再对q p s k 符号进行t u r b o 信道编码，编码后的数据通过瑞利衰落信道后到 达目的节点。目的节点对直传链路信号和中继信号进行最大比合并，之后完成信道译 码和解映射，最后判决计算出误码率。d f 中继、a f 中继以及d f a f 混合中继节点的 误码率性能仿真如下图2 - 4 所示。 分析图2 _ 4 ，单纯的从误码率性能上来看，由于中继节点的协作传输，各个协作中 继系统的分集增益得到了提高，并且都好于直传链路性能；其次，d f 中继的性能最优， 混合d f a f 中继性能高于a f 中继，但比d f 中继稍差。但是d f 的性能是以牺牲复杂 度和时延换来的。对于d f a f 混合中继而言，在复杂度和时延性能上取得了d f 和a f 之间的折中，误码率性能上也是居于两者之间。但是现在的通信系统在时延和复杂度 上要求很高，特别是对于那些实时业务，所以未来的协作通信中，a f 中继仍然是比较 理想的选择。并且对于d f 中继而言，较低的信噪比环境会导致差错传播事件发生的概 率大大增加，所以d f 中继比较适合于较高的信噪比链路条件下使用，且随着信噪比的 提高，其能够大大的增加系统的协作增益；相反，a f 中继虽然结构简单，但是通过对 信号源的编码等附加上冗余信息，能极大提高其在较低环境下的性能，增强系统在低 信噪比环境下的协作增益。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 ，中继节点的b e r e b n o 性能曲线 1 0 一一一一一r ：j r j 一_ _ r f _ = = = 1 一面 窿雾慧誊i 三曩童叠i ：。：。：。，：， ，。 。一，。：吕：。+ ，、永，：j 2 3本章小结 02 46 81 01 21 41 61 82 0 e b n o ( d b ) 图2 - 4 = y - 2 0 r i b 环境下不同类型中继节点性能 本章节主要介绍了无线信道的多径效应、时变特性以及包络的统计特性等，并根 据信道的这些特性，本文建立了仿真环境所需要的信道模型，以帮助研究和分析通信 技术的一些性能指标。最后本文又对常见的中继节点类型进行了研究与分析，总结了 各自的优缺点，并通过仿真分析了中继的误码率性能。 胙删 5 j 昨 享 ) _ 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 第三章基于m i m o o f d m 的协作中继系统仿真平台 3 1 m i m o o f d m 系统简介 3 1 1引言 在无线信道环境中，信号从发射机经过多径信道的衰落到达接收机。信号在传输 过程中，信号功率受到路径损耗、大尺度衰落和小尺度衰落的影响。通过分集技术可 以有效抵抗信号的这些衰落，为了获得同一信号的多个独立路径的副本，我们可以将 要发送的信号通过时间、频率或空间分集，最后在接收机处进行合并。多输入多输出 ( m i m o ) 技术通过在发射端和接收端设置多个天线实现了信号的空间分集。 正交频分复用( o f d m ) 技术是一种调制