（电路与系统专业论文）认知无线电中协作分集技术的研究.pdf

中文摘要 摘要 随着多媒体、宽带i n t 咖e t 等高速率数据传输业务的迅猛增加，对宽带无线接 入的需求也在快速发展。由于无线通信环境恶劣，宽带通信存在诸多技术难题。 针对有限的无线频谱资源，如何充分提高其使用效率是技术难题之一。认知无线 电作为一种智能频谱共享技术，依靠人工智能的支持，感知无线通信环境，根据 一定的学习和决策算法，实时自适应的改变系统工作参数，动态的检测和有效的 利用空闲频谱，理论上允许在时域、频域和空域上进行多维的频谱复用和共享。 频谱感知是构建认知无线电系统的前提之一，通过频谱感知搜集无线环境的统计 信息，既能为高层的频谱管理提供辅助，也能为系统的功率控制提供必要的参数 支持。协作分集技术是提高频谱检测概率、减少检测时间的有效方法。协作检测 能在很大程度上抑制多径衰落和阴影效应的影响，即使在严重的遮蔽环境下也能 获得较高的检测概率。论文重点研究认知无线电中的协作分集技术，主要内容有： ( 1 ) 通过分析和总结认知无线电中协作分集技术的国内外发展现状，针对单个 中继节点情况下，建立了协作分集技术三种基本方法前向放大法、前向检测 法和编码协作法的系统模型，并在瑞利衰落信道下对三者的传输性能进行了仿真 和分析对比，证明了其有效的抗衰落能力。 ( 2 ) 功率分配是协作分集实施的关键技术之一，根据信道条件优化每个用户的 发射功率，能有效提高资源利用率。以单个中继节点为例，在保持总发射功率不 变的前提下，以最小平均误码率为目标，提出了一种用于前向放大协作法和前向 检测协作法的最佳功率分配算法并进行了仿真分析和比较。 ( 3 ) 将单中继用户环境扩展到多中继用户环境，并将所有中继用户的位置理想 化为并行排列( 即多径) ，建立了协作分集技术三种基本方法的系统模型，并对三者 的传输性能进行仿真，分析和比较了三种模式的性能和各自的应用局限。 ( 4 ) 多跳传输在无线通信系统中的研究已得到广泛关注，针对多中继串行排列 ( 即多跳) 情况，建立了协作分集技术三种基本方法的系统模式，并对三者的传输性 能进行仿真和分析对比。 关键词：认知无线电，协作分集，前向放大协作，前向编码协作，编码协作 英文摘要 a bs t r a c t n o w a d a y s ，诵t l lt h ef a s tg r o w i ho fm 曲d a t a 恤血s s i o n r v i c es u c i h 嬲b r o a d b a i l di n t e m e ta n dm u l t i m e d i a ，t l l ed e m 龇1 d sf o rh i 曲s p e e d 、析r e l e s sa c c e s sh a v eb e e n r a p i d l yi l l c r e a s i l l g d u et ot b eb a de n v i r o 姗e mi n 、析r e l e s sc o m m 1 i c a t i o n ，t l 】e r ea r e m a n yt e c 蛳c mp r o b l e m si i lb r o a db a i l dc o i 砌m c a t i o n a i i i l i n ga tm el i n l i t e d 晰r e l e s s n e q u e n c yr e s o u r c e ，i ti so n eo ft e c m c a lp r o b l e m st o 如l l yi m p r o v eu s a g ee m c i e n c y a s as m 砸 s p e c t r u ms 胁n gt e c h n o l o g y ，c o 嘶t i v e r a d i oc a l ls e n s em e 丽r e l e s s c o 删= i l u i l i c a t i o n se n v i r o 】【l i l l e n t 谢n 1t h es u p p o r to fm i f i c i a li m e l l i g e n c e ；c h a n g i n g s y s t e mp a r a m e t e r sa u t o m a t i c a l l ya c c o r d i n gt 0c e 疵nl e 锄i n g 趾dd e c i s i o nm a l ( i n g a l g o r i 岫l s ；t e s t i n gi d l es p e c 仇皿sd y n 锄i c a l l ya n dm a l 【ee m c i e n t l yu s eo f 廿l e m t h e o r e t i c a l l y ，i ta j l o w ss p e c 饥吼t 0m u l t i p l e x 孤ds t l a i ei nt i m e ，s p a c e 锄d 缸e q u e n c y d o m a j n s p e c 仇j l i ls e n s i i 培i so n e o f 廿l eb 嬲e so fc o n s 咖c t i i l gac o 鲥t i v em d i os y s t c i m c o l l e c t i n gs t a t i s t i c a li i l f o 珊a t i o n a b o u tw i r e l e s se n v i r o 姗e n tc a n1 1 0 to i l l yp r o v i d e 勰s i 娅1 c ef o rl l i 曲e r1 e v e ls p e c t r i l n lm a i l a g e m e n tb u ta l s os o m ed a t at 0s u p p o r tm e p o w e rc o n 仃o lo f t h es y s t e m c o o p e r a _ t i v ed i v e r s i 够i so n eo ft h ee f f e c t i v em e t l l o d st o n s es p e 咖l l n ，w h i c hc a ni l l l p r o v ea g i l 姆锄dr c d u c ed e t e c t i o n 缸e c o o p e r a t i v e d e t e c t i o nc a i lr e s 臼试nm u l t i p a ：t hf a d i n ga l l ds h a d o we a 、e c tt 0ag r e a te x t e n t ，a l s oi tc 趴 i l l l p r o v em e d c t e c t i o ne f j e i c i e n c ye v e nms e v e rs h a d o we n v i r o 衄e n t i i lt h i sd i s s e r t a t i o n t l l em a i l lc o n t e n t s 锄e ： ( 1 ) b ya 1 1 a l y z i n ga n ds l u i u l l 撕z i n gt l l ec u 玳n tr e s e a r c i h e so fc o o p e r a t i v ed i v e r s i t ) r s c h e m e si 1 1c o g i l i t i v er a d i o ，w eh a v ee 曲如l i s h e dt l l e m a t l l e m a t i c a lm o d e l so fa f ( a m p l i 匆a n d f o 刑a r d ) 、d f ( d e t e c t a i l d f o r v v a r d ) a n dc c ( c o d ec o 叩e r a t i o n ) ， f o c u s h l go nt l l es i t i l a t i o n m a tt h e r ei s 0 1 1 1 yo n er e l a yb e 撕e e ns o 眦en o d e 髓d d e s t i 彻t i o nn o d e a tt 1 1 es a n 舱t i m e ，、v eh a v ea n a l y z e da n dc o m p a r e dt 1 1 e 仃a n s m i s s i o n p e 晌n n a i l c eo fm et h r e ec o o p e r a t i v ed i v e r s 埘s c h e m e si 1 1r a y l e i g hc h 锄m e l ，p r o v i n g t l l a tt ：1 1 e yc o u l dp r o v i d ec o o p e r a t i v ed i v e r s i t ) rt oc o m b a tf 砒i i l g ( 2 ) p o w e r 出l o c a t i o nm e m o d i so n eo f k e yt e c l l n o l o g i e st op u tc o o p e r a t i v ed i v e r s 时 i n t op r a c t i c e nc a i le m c i e n t l y 硫p r o v et 1 1 eu s e a g eo fr e s o u r c eb y0 p t i m i z i n gt 1 1 e 仃a n s m i tp o w e rf o re a c hu s e ra c c o r d i l l gt oc h 锄e lc o n d i t i o n s t a ：k i n gt h ec o n d i t i o no f o n er e l a yb 嘶e e ns o u r c en o d ea l l dd e s t i n a t i o nn o d ef o re x 锄p l e ，h e nt l l et o t a l 仃a 1 1 s m i s s i o np o 、e rk e e p st h es 锄e ，w ei l a v ep u tf o 朋a r da i l d 锄a l y z e dt h eo p t i l l l i s t i c p o w e ra l l o c a t i o nm e t h o df o ra fa n dd fb ym i 捌血ga v e r a g e b i te 玎0 rf a t e 。 ( 3 ) w eh a v ee x p a n d e d l ec o n d i t i o no fo n er e l a yt om u l t i - r e l a y s ，锄d 甜lt 1 1 er e l a y s a n a n g e di np a r a l l e l 1 1 1 e n 、糟k l v ee s 讪l i s h e dt h em a t l l e m a t i c a lm o d e l so fa f 、d f a i l d c c ，锄甜y z e da n dc o m p a r e dt h et r a 【i l s m i s s i o np e r f o 衄锄c e 觚d 印p l i c a t i o no f l e 讥r c e c o o p e r a t i v ed i v e r s i t ) ，s c h e i n e si i lr a y l e i 曲吐团m e l ( 4 ) p e o p l eh a v ep 撕dm o r ea t c e n t i o nt on l e 订锄s m i s s i o no fm u l t i - h o pi 1 1v y i r c l e s s s y s t e m t h e r e f o r e ，w h e na l lt h er e l a y s a r ci i ls 甜e s ，、eh a v ee s t a b l i s h e dt l l e m a ：t l l e m a t i c a lm o d e l so fa f 、d fa n dc c ，a n a l y z e d 龇mc o m p a r e dt h e 觚i l l i s s i o n p e r f o n l l a n c eo ft h e l r e ec o o p e r a t i v ed i v e r s i 够s c h 咖e si l lr a y l e i 曲c h 砌e 1 k q 例o r d s ：c o 鲥t i v er a d i o ，c o o p e r a t i v ed i v e r s i t ) ，a n l p l 毋一a i l d - f o n 砌，d e t e c t - 砒l d f o n ；v a r d ，c o d ec o o p e r a t i o n 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的二丛 士 学位论文 丛墅垂遗里主堕叠鑫丛旦! 鱼立釜 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 文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：萏l 戎 导师签名：i 量af 店 v 签字日期： 工o p 7 f 签字日期：知憎7 歹7 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中 国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程( 以 下简称“章程”) ，愿意将本人的名煎士学位论文认芙d 毛氏电皇哟叶公毽寺支柄潲提 交中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社( c n k i ) 在中国博士学位论文全文数据 库、中国优秀硕士学位论文全文数据库以及重庆大学博硕学位论文全文数 据库中全文发表。中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文 全文数据库可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入c n l ( i 中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价数据库中使用和在互联 网上传播，同意按“章程”规定享受相关权益和承担相应义务。本人授权重庆大学 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公开论文的全部或部分内容。 扣、 作者签名： 售辜；氏 导师签名： 7 善冬z 易一 ? 年占月。日 备注：审核通过的涉密论文不得签署“授权书”，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至年一月一日。 说明：本声明及授权书1 2 缦装订在提交的学位论文最后一页。 1 绪论 1 绪论 1 1 研究背景及意义 随着无线通信技术的飞速发展，频谱资源变得越来越紧张。尤其是随着无线 局域网( w h l e s sl o c a ln e t w o r k ：w l a n ) 和无线个域网( w i r e l e s sp e r s o n a ln 咖o r k ： w r a n ) 的推广应用，越来越多的入通过这些网络以无线方式接入互联网。根据世 界大多数国家( 包括我国在内) 的频率使用政策，除分配极少的非授权频段( u f b ) 供 w l a n 和w p a n 类无线接入网络使用之外，大部分频谱采用授权使用。由此产生一 个严峻的问题，即频谱资源紧张。一方面多种w l a n 和w p a n 类无线接入网络共用 u f b ，必然导致网际之间相互干扰。另一方面，相当数量的授权频谱的利用率却 非常低。 为了解决目前频谱资源匮乏的问题，就希望能尽量提高频谱的利用率。认知 无线电被认为是提高频谱利用率的有效途径之一。认知无线电的基本出发点是： 为了提高频谱利用率，具有认知功能的无线通信设备可以按照某种“伺机 ( o p p o m 面s t i cw - a y ) 方式工作在已授权的频段内。当然，这一定要建立在授权频段 暂时未用或只有很少的通信业务在活动的情况下。这种在空域、时域和频域中出 现的可以被利用的频谱资源被称为“频谱空洞”。认知无线电的核心思想就是使无线 通信设备具有发现“频谱空洞”并合理利用的能力l l j 。 认知无线电( c o g m t i v e 黜i d i o ) 【2 ，3 】的概念是由当时的m i t r e 公司顾问、瑞典皂 家技术学院博士生约瑟夫米托拉( j o s e p h m i t o l a ) 和g e r a l dq m a g u m e ，j r 教 授于1 9 9 9 年8 月在i e e ep e r s o n a lc o n u n u i l i c a t i o n s 杂志上首次提出的。它是对软 件无线电的进一步扩展，采用无线电域的基于模型的方法对控制无线电频谱使用 的规则( 如l u 频段、空中接口、协议以及空间和时间模式等) 进行推理，通过无线 电知识表示语言( r k r i ，) 来描述无线电规则、设备、软件模块、电波传播特性、网 络、用户需求和应用场景的知识，以便增强个人业务的灵活性，使软件无线电更 好的满足用户需求。 认知无线电描述了一个在无线电领域使用基于模型的推理来获得特定能力的 通信系统。图1 1 所示为m i t o l a 教授研究这一课题使用的感知循环模型1 4 j 。认知无 线电通过分析外部环境提供的激励来认识它通信任务的内容，通过对接收和发送 的多媒体内容进行分析，选择适当的解决方式。它是一个目标驱动的框架结构， 首先自发的观察( o b s e e s ) 无线通信环境，建立用户优先级( o r i e n t ) ，根据学习( l e 锄) 和评估( p l a l l ) 选择用户，然后决定( d e c i d e ) 用户占用频谱资源的范围及时问，最后 在指定频谱范围的指定时间内进行操作( a c t ) ，同时还需完成监控通信服务，从错 重庆 学硕士学位论文 误中进行学习等系统任务，这种观察一思考一行动的循环从根奉上有别于当前通 信终端_ j ； 能在用户设定的频率上交换数据和执行网络指令的概念。 or i e n t 4 b t “- ，鼎黪象。 频谱感知足认知无线电应用的基础和前提。认知无线电中的频谱感知技术包 含两个方面：带内感知和带外感知。认知用户在工作时必须频繁的对当前工作频 段和其他频段进行感知操作，带内感知的目的是检测所用频段是否出现授权的主 用户。当出现主用户时必须进行快速规避，放弃对当前工作频段的占用，从而避 免对主用户形成干扰；带外感知的目的是对周围其它频段的频谱使用状况进行测 量，一方面在当前工作频段不可用时，可以及时切换到其它叫用的一 作频段，另 一方面，可以利用新的可用频谱资源扩展工作频段，提高传输速率和网络容量。 此外，进行频谱感知还有利丁频谱资源的管理、共享和交换。 通常将待查的频段分为三种类型：黑色区域，常被高能量的局部干扰占用； 灰色区域，有部分时间被低能量干扰占用；自色区域，只有环境噪声而没有射频 干扰占用。一般情况f ，白色区域和有限度的扶色区域可被等待服务的用户使用。 在认知无线电系统中，将分配给某初始授权用户但在特定时问和具体位置该用户 并没有使用的频带称为频谱空穴，频谱空穴检测的可靠方案对于认知无线电系统 设计和实现是撤其重要的。频谱感知的主要任务就是黄找适合认知无线电业务的 频谱空穴，使认知无线电能够快速主动退避，避免对丰用户造成严重影响。频谱 感知还需要负责频谱状态的实时| i ：i 测，一方面搜集尤线环境的统计信息，为高层 的频谱管理提供辅助另一方面也为系统的发射端进行功率控制提供必要的参数 支持。协作分集技术是提高频谱检测概率、减少检测时日j 的有效方法。 l 绪论 1 2 国内外研究现状 如前所述，认知无线电实现的前提是频谱感知( s p e c 们蛐s e n s i n g ) 。认知无线电 通过感知周围无线环境的变化，实时发现频谱空穴，使其与周围无线通信环境相 适应。本文沿用文献【5 】的定义，即授权用户称为主用户( p 血n a r yu s e r ) ，认知无线 电用户称为第二用户( s e c o n d a r yu s e r ) 。由于主用户网络没有义务改变自身结构来 与认知无线电网络共享频谱，因此认知无线电只能独立地、可靠地、通过连续的 频谱感知对主用户进行探测。最有效的探测频谱空穴的方式就是探测在认知无线 电范围内的、正在接收数据的主用户。因为认知无线电要面对各种不同需求的用 户，要求具有不同的灵敏度和感知速度，所以频谱环境的检测方法也有所不同。 目前典型的方法有：匹配滤波法、能量检测法、循环平稳特性检测法和协作分集 法6 1 等。 信号检测中最常见的方法就是匹配滤波法，它能够使接收信号的信噪比最大 化。在认知无线电中应用是为了解调主用户的信号，需要知道主用户物理层和媒 体控制层的调制方式、时序、脉冲形状、封装格式等信息，通过这些信息辅助完 成与待检信号的同步、解调。匹配滤波法用于信号检测的优点是可以在短时间内 完成同步并提高信号的处理增益，主要缺点是需要掌握每一类主用户的先验信息。 所以在对主用户先验信息掌握较多的频谱环境中，可以应用匹配滤波法。 能量检测法与频谱分析类似，属于非相干检测方法，是以干扰温度为度量标 准来寻找合适的频谱空穴。在接收端完成各信道干扰温度检测和估计后，分别与 干扰温度限进行比较，低于干扰温度限的信道就是适宜的频谱空穴。能量检测法 的缺点是干扰温度限较难确定，而且对微弱信号检测时，难以区分信号、噪声和 干扰。 由于已调信号具有周期平稳特性，因此对信号检测和参数估计可以通过其循 环谱密度函数特征检测来完成。循环平稳特性检测法就是利用不同的循环平稳信 号具有不同的频谱冗余特性，通过获取循环谱实现信号检测和模式识别。分析表 明，即使在2 0 d b 信噪比的情况下也可以检测出已调信号类型。循环平稳特性检 测法弥补了能量检测法和匹配滤波器法的诸多缺点，并且可用于扩频信号的检测。 缺点主要是计算量比较大，检测时间相对较长。 以上信号检测方法的检测性能会随着多径和阴影衰落导致的接收信号强度减 弱而降低，而且检测能力本身也受到一定的限制。在多数情况下，认知用户与主 用户网络在物理上是分隔开来的，因此，认知用户无法避免由于主用户接收机位 置未知而造成的干扰，而且可能存在“隐蔽终端”问题，由于遮蔽等原因，有可能无 法检测到主用户发射信号。为此，认知无线电需要从其他用户那里得到信息并进 行准确检测，也就是需要其他用户协作感知。认知用户之间的协作检测可以减少 重庆大学硕士学位论文 单个用户检测的不确定性，理论上协作检测更加准确。通常多径衰落和阴影效应 是造成检测性能下降的主要原因，协作检测能在很大程度上抑制多径衰落和阴影 效应的影响，即使在严重的遮蔽环境下也能获得较高的检测概率。协作分集技术 是一种能够有效提高检测概率的频谱感知方法。协作侦听允许多个用户之间相互 交换所侦听到的信息，能显著提高频谱侦听和检测性能。在协作检测中必须引入 一个控制信道。控制信道可以是一条专用信道，也可以是超宽带( u w b ) 信道。宽 带射频前端调谐器和滤波器应该能够被u w b 控制信道和认知无线电收发功能所 共享。并且由于多个认知无线电节点组同时工作，控制信道宽带也应被共享。如 果控制信道是一条专用信道，c s m a 方式是必要的；如果是u w b 控制信道，可以 将不同的扩展序列分配给不同的认知无线电节点组。 在认知无线电网络中，如果接收机距发射机较远，可能会存在极弱信号的感 知问题。对此，通过引入认知无线电用户两两绑定的协作机制，即每两个用户为 一组，通过相互协作完成频谱环境的感知1 7 j 。 协作通信起源于v a nd e rm u e l e n 、c o v e r 和e ig a m a l 的中继信道理论研究【8 】【9 】， 即采用通用的干扰信道模型研究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 ) 系统中的 各种算法结构和性能分析。随后，l a l l e i n a n 【9 以2 j 提出了多种协作协议并对这些协议 在各态历经信道和准静态信道中的性能进行了分析。这些协作协议包括：前向放 大( a m p l 坶a i l df o m d ：a f ) 、前向解码( d e c o d ea i l df o r w a r d ：d f ) 以及这两种协作 方式间的自适应切换。l 趾e m 肌的工作证明了前向放大和自适应方式在两用户协 作中能实现两阶分集。与l a n e m 趾工作的同期，h l m t e r 将协作传输与信道编码相 结合提出了编码协作( c o d e dc o o p e r a t i o n ：c c ) 法，主要思想是在协作中各用户不 是简单的重复接收到的协作伙伴的数据或信号，而是试图为其协作伙伴传输增加 的冗余。原因是在之前工作中通过重复传输而实现的协作方式，从编码角度看， 是一种效率较低的编码。相反，编码协作的本质是将码字分成两个部分，每一部 分均通过两个用户传输出去。除去编码增益以外，编码协作还提供了比重复传输 更大的灵活度，即在源和中继之间，以及中继和信宿中间的数据长度分配的灵活 度。h l m t e r 提出用空时编码( s p a c i i l gt i m ec o d c ：s t c ) 协作方法【肛1 2 j ，由于将空域 分集和时域分集的优势同时发挥，系统能获得更好的性能改善。 近年来，多跳传输在无线通信系统中的研究已得到广泛关注【1 4 ，1 5 】，它不再是 传统意义下的基站和移动用户间的直接通信，而是基于无线中继技术，借助1 个 或多个固定或移动的中继节点来传输信源的信息到目的节点，从而形成多跳或多 路分集的传输网络。这种多跳传输既可实现高速数据分集发送，也可为处于深衰 落或阴影区的移动终端建立可靠的链路连接。尤其在多跳传输系统中的应用，如 a d h o c 网和多跳蜂窝网，使得在现有条件下实现高速率数据传输、增加覆盖和提 4 l 绪论 高容量成为可能。然而无线移动信道是复杂时变的，主要表现为多径衰落和阴影 效应。对于如何在多跳信道下实现可靠的数据传输问题，目前已有多种分集协作 模型被研究。文献【1 6 1 8 】分别提出了由3 个移动终端构成的合作网络；文献f 1 9 1 分析了阴影衰落下的多用户分集系统；文献 2 0 】研究了多跳信道的理论特性。 论文根据国家自然科学基金项目“基于认知无线电的多频段宽带无线局域网 关键技术研究”( 6 0 6 7 2 0 9 7 ) 任务书的要求，重点开展基于认知无线电中协作分集技 术的研究，通过对现有技术的深入分析和比较，力图找到简单、有效的方法增加 频谱检测的概率。 1 3 主要研究内容及论文结构 论文重点研究认知无线电中的协作分集技术，通过对现有技术的深入分析和 比较，力图获得简单、有效的频谱感知手段。论文结构如下： 第一章：叙述认知无线电的概念，以及认知无线电中协作分集技术的意义、 应用和国内外发展现状。 第二章：以单个中继节点为应用对象，建立协作分集技术三种基本方法a f 、 d f 和c c 的系统模型，并对三者的传输性能进行仿真和分析对比。 第三章：以单个中继节点为应用对象，在保持总发射功率不变的前提下，以 最小平均误码率为目标，提出一种用于前向放大协作法和前向检测协作法的最佳 功率分配算法并进行了仿真分析和比较。 第四章：以多个中继节点并行排列( 即多径) 为应用对象，建立协作分集技术三 种基本方法a f 、d f 和c c 的系统模式，并对三者的传输性能进行仿真，分析比较 了三种模式的性能和各自应用局限。 第五章：以多个中继节点串行行排列( 即多跳) 为应用对象，建立协作分集技术 三种基本方法a f 、d f 和c c 的系统模式，并对三者的传输性能进行仿真和分析对 比。 第六章：全文工作总结和未来研究展望。 5 2 单个中继节点情况下协作分集技术研究 2 单个中继节点情况下协作分集技术研究 一般情况下，认知用户与主用户网络在物理上是分隔开来的，由于遮蔽等原 因，认知用户有可能无法检测到主用户发射信号。为此，认知无线电需要从其他 用户那罩得到信息并进行准确检测，也就是需要其他用户协作感知。认知用户之 间的协作检测可以减少单个用户检测的不确定性，理论上协作检测更加准确。 本章假设源节点检测到主用户信息，中间只通过一个中继节点将信息协作传 输到目的节点，即使源节点和目的节点之间的信道衰落很严重，信息也可能通过 中继节点成功的传输，由此实现频谱的协作感知。各用户之间以及和目的节点之 间的信道是相互独立的，假设所有信道均为慢衰落瑞利信道，采用时分多址接入 方式( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ：t d m a ) ，上下行信道对称，且目的节点知道信 道状态信息( c h a l l i l e ls t a t ei n f o m a t i o n ：c s i ) 。 除直接传输信道外，中继节点r 帮助源节点s 传输信息到目的节点d ，如图 2 1 所示，所有节点都是半双工的，即不能同时发送和接收信号；日s d ，日s 足和h r d 分别代表各路径的路径损耗、阴影衰落和频率非选择性衰落的共同影响，服从瑞 利分布且相互独立，其方差分别为q ，q 船和q 冗d ；刀詹和代表中继节点尺和 目的节点d 接收热噪声的影响，假设均为加性高斯白噪声且服从相同的分布， 刀尺m c ( o ，w ) ，【刀卜c ( o ，f ) 。 图2 1 单个中继节点协作分集模型 f 远2 1c h 籼e lm o d e lo fc o o p e r a t i v ed i v e r s i t yw i 廿lo n er e l a y 2 1a f 协作模式 2 1 1a f 模式系统模型 a f 模式是协作分集系统中一种常用的传输模式。在该模式中，中继用户接收 经信道衰落的发送信号，然后对接收到的信号进行放大，并重新发送给接收端。 接收端按照一定的合并准则处理来自发送端和协作节点的信息，对发送比特进行 最终判决。尽管该方法在放大信号的同时也放大了噪声，但接收端接收的是信号 的多个独立的衰落样本，所以接收端还是能够做出较为准确的判决。 7 重庆大学硕士学位论文 假定源节点在时隙刀传输信号为：函甩】，虹胛】为m - p s k ( p h a s es t l i nk e y i n g ) 调制，b 为源节点发射功率。在时隙刀，中继和目的节点接收到的信号： 蹦聆】_ 西m + 蚶甩】 y 。m = 豕m + 行】 在a f 模式中，中继节点在时隙刀+ 1 将所接收到的信号放大前传： 【刀+ 1 】= 厶k 虼 行】+ 【疗+ l 】 = h s r h 胛】+ ( 2 1 ) ( 2 2 ) 【行】+ 【以+ 1 】( 2 3 ) 其中为放大系数1 7 2 1 1 ，用于对接收到的信号进行功率调整，使得 占 l m + 1 】1 2 ) = 耳，& 为中继节点r 的发射功率。因此，在c s i 已知的条件下， 可选择放大系数为： 6 = 为了简化分析，忽略中继r 处的噪声，选 8 = ( 2 4 ) ( 2 5 ) 假设目的节点知道准确的信道状态参数即：，和，目的节点将接 收到的信号经过最大比合并( m a 】【h u i i l 黜i oc o m b i n i l l g ：m r c ) ： y _ ( 警卜，+ ( 筠矧， 亿6 ， 2 1 2a f 模式性能分析 由上一节的推导可得，在a f 模式下，经过最大比合并总的瞬时信噪比( s i 黟1 a l n o i s ei 己a t i o ：s n r ) ： y = + ( 2 7 ) 其中是s 与d 之间的信噪比，是s 经尺至d 之间的等效信噪比。在慢衰落信 道中，可以得到路径s j d ，s 专r ，尺寸d 的瞬时信噪比： = 警一峄一峄 亿8 ， 其中，和的方差分别为q ，q 册和q r d ，因此可得平均信噪比： = 警耻警护紫 亿9 ， 在上面研究的基础上，由式( 2 6 ) 得协作支路接收到的信噪比为冽： 8 二w 肭 系压痣铄 2 单个中继节点情况下协作分集技术研究 胪型竺矗：纽拉 胪面著2 蒜 q 1 r = 扮m 圩( 翥) 枷= 石m 缅( 斋) m 砌( 翥卜 其中，鲰：= s i n 2 ( 万m ) ，m ，( j ) = p 所( 7 ) d 7 ，b ( 7 ) 为随机变量7 的概率密 一血幽一舻= 昙f 肘- 1 培 4 圣( 咿) 一乃) 1 1 1 ，( 秒) + 2 ( 口) 一4 乃、 + 乃，( 目) 一4 乃 ，2 ( 9 ) 一4 乃 2 乃 9 ( 2 1 3 ) 卜洲母掣1 ( 1 二警p 卅气枷灿4 ， 卜一 r 的码字，该码字含有1 = k 冠比特的信息。中继用户 接收并尝试对伙伴的数据进行正确的译码，如果译码正确( 由c r c 决定) ，则在第 二帧中，中继用户将计算并发送其伙伴的第二部分，包括，比特，否则用户将在 第二帧传送自己的第二部分码字，也是，比特。这样每个用户每个周期都是发送 = 1 + ，比特，每一个用户仅在自己的多重信道中传播。编码协作传输结构图 如图2 5 所示【2 7 1 。 u s e r f r a m e1 f r a m e2 图2 5 编码协作方法模型 f i g 2 5c o d e dc o o p e i a t i o ns c h e m e 用户在第二帧中的行为是独立的，并不知道它们自己的第一帧是否被成功译 码。因此，在第二帧的传输中有四种可能的协作情况，如图2 6 所示口7 捌。 在第一种情况下，第一帧时两用户都成功地检测到对方，所以在第二帧中它 重庆大学硕士学位论文 们都传输其伙伴的，比特信息，可以达到完全增益；第二种情况下，在第一帧时 两用户都不能成功地检测到对方，系统此时返回到非协作模式；第三种情况下， 第一帧时用户2 可以成功地检测到用户l ，但用户1 不能成功检测到用户2 。从而 在第二帧时，两用户都传输用户1 的：比特信息，用户2 的：比特则不被传输。 用户1 两个独立的t 和，比特译码前在接收端可以得到最优的合并；第四种情况 和第三种情况相反，只是把用户1 和用户2 的位置调换。 i i s e rli i l c a s el c a s e2 c a s e3c a s e4 图2 6 第二帧传输中的四种可能的协作情况 f i g 2 6f o u rc a s e so fc o d e dc o o p e r a ：t i o n 矗”s e c o n df 姗e 在编码协作模式中，目的节点必须知道两个用户以上述哪种方式进行协作， 才能够对接收到的数据正确解码。目的节点可以简单对每种方式都进行解码，直 到c l 配验证得到正确的解码，或者每个用户在第二帧发送一个指示伙伴用户数据 是否被正确解码的附加比特，以告知目的节点两用户的协作方式。 可以很明显地看出，当信道不对称时，必然会有一个用户码字的第二部分不 会在第二帧进行传输，因此，系统的性能将会受到较大的影响。于是，h 1 m t e r 提 出用空时协作方法【2 9 3 1 】来解决这一问题，如图2 7 所示，即在第二帧中，用户不 仅替伙伴传输其校验比特，还要将一部分功率分出，用来传输自己的校验比特。 另外，每个用户的信息仍然只在他自己的多址信道上传输。 在空时编码协作( s p a c i n gt i m ec o d ec o o p e r a t i o n ：s t c c ) 方式中，在第一个时隙 各用户均用自己的天线和接入信道发射自己码字的第一部分。在第二时隙，各用 户在用自己的天线通过协作伙伴的接入信道为协作伙伴传输第二部分码字的同 时，通过自己的接入信道传输自己的第二部分码字。为了保持相同的发射功率， 各用户在第二时隙分配自己的功率，根据比率磊，用户阢用能量屈置传输自己的 信息，用能量( 1 一屈) 巨中继用户q 的信息。同一接入信道，两个不同天线上可能 1 4 2 单个中继节点情况下协作分集技术研究 传输相同数据，这就为s t c 的采用提供了条件，即两用户在第二时隙内可以采用 空时编码发射数据来获得分集。这一方案在快衰落环境中尤其有效。首先，在快 衰落环境下，可以认为用户上行信道在两帧中是独立衰落的，这就使得用户在第 二帧中借用伙伴的上行信道不会获得任何附加增益。将空时编码引入后，两用户 的第二帧信息就实现了很好的空域分集。其次，在第二帧中同时传输自己和伙伴 的信息，使得两用户携起手来共同对抗不利的用户问信道衰落。研究表明，引入 空时编码以后，在快衰落环境中，上行信道条件较差的用户的性能有明显改善， 同时，出现了一个有趣的现象：上行信道条件较好的用户的性能不仅没有损失， 还有所改善。可见空时编码协作分集，由于将空域分集和时域分集的优势同时发 挥，使系统获得了很好的性能改善。 ? 麓三。口怒j 渊芝j 鬻黪潦h cc l l 咖e iil f r 蛆el 拗彩嬲缀f r 啪l 鳓謦彩鬻 一瓮三。口 ；= ：黝 ：怒：獭燃 姒cc l | a 叫e lf r 疆e2 籀缀翳翳缓 f r a 2 黪麓麓坡 2 7 空时编码协作与普通编码协作及无协作比较 f i g 2 7s p e _ t i m ec o o p e 枷o nc o m p a r e dt om eo r i g i n a lc o d e dc o o p e r a t i o na n dn oc o o p e 船t i o n 在s t c c 方式下，各用户在第二帧传输是独立工作的，他们不知道自己的第一 帧数据是否被伙伴正确解码。这样，在第二帧传输有四种可能的协作模式。第一 种情况下，两用户均j 下确解码伙伴传输的信息，在第二帧传输，他们同时传输自 己的和伙伴对第二帧数据，如图2 7 ；在第二种情况下，两用户均未正确解码伙伴 传输的信息，系统转为非协作模式，屈= 1 ，扣1 ，2 ；在第三种情况下，用户2 正确 解码用户1 传输的信息，而用户1 未正确解码用户2 传输的信息，屈= 1 ，而用户2 同 时传输自己的和用户1 的信息；第四种情况和第三种情况只是将用户1 和用户2 的角 色互换。以上四种情况的发生是随机的，即便如此，仍假设目的节点知道是哪一 种情况，这样在目的节点可以进行合并。表2 1 给出了第二帧传输中四种情况下的 取值。 表2 1 第二帧传输中四种情况下的取值 1 1 a b l e 2 1 、，a l u e so f u 1 1 d e rf o u rc a s e so fc o d e dc o o p e r a t i o nf o rs e c o n df h m e c a u s el c a s e2c a s e3 c a s e4 1 5 重庆大学硕士学位论文 届 1 ，岛 1屈= 1 ，屈= l届= 1 ，属 1届 l ，岛= 1 第一帧传输，中继节点和目的节点在时隙疗接收到的信号分别为： y 娘 刀】= z k 尽x 【刀】+ ，【甩】 ( 2 2 5 ) y d l 力】= b x ，z + 刀】 ( 2 2 6 ) 其中埘以】是源节点在时隙刀( 刀= 1 ，2 ，1 ) 发射的码字，码长为m 比特。 第二帧传输，在时隙刀目的节点接收到分别从中继节点和源节点传输的信号： 【以】- ( 1 一屏) 昧卸以】+ 饧【力】 ( 2 2 7 ) ：【刀】= 屈乓z 刀】+ 饧【刀】 ( 2 2 8 ) “咒】是源节点在时隙玎( 刀= m + 1 ，l + 2 ，2 ) 中继节点解码器的输出码字， 码长为2 。 目的节点接收到的信号经过最大比合并m r c ： 少= ( 警n 小 平灿，+ ( 学灿2 缈 2 3 2c c 模式性能分析 由式( 2 2 9 ) 可得，经过最大比合并的总的瞬时信噪比s n r ： y ： 擎攀竺掣刊珈， y 2立i雩葛手二：了：i雩磊手二五二_乏了酉2厂+u一r厂rd+屈厂23。 条件成对差错概率( p a i r 、i s ee 舯rp r o b a b i l i t ) r ：p e p ) 是当码萨【c ( 1 ) ，c ( 2 ) ，c 】 被传输时，错误码字p = lp ( 1 ) ，p ( 2 ) ，p ( ) i 的检测概率。一般情况，对于b p s k 调制，相关检测和最大似然译码，基于信噪比7 = 7 ( 1 ) ，7 ( 2 ) ，7 ( ) 的条件p e p ， 由【2 3 1 可得： ，7 、 尸( cj p7 ) = q 厂( 刀) l ( 2 3 1 ) y n 1 7 其中q ( x ) 表示高斯q 函数，y ( 门) 是码字在比特刀接收到的瞬时信噪比。，7 是 c ( 刀) p ( 刀) 的集合，7 的势等于码字c 和p 之间的汉明距d 。下面的研究仅限于线 性码，且码字c 为全零码字。因此，p e p 仅取决d ，条件p e p 将简化表示成尸( dly ) 。 在慢衰落情况下，s n r 相对于码字来说是常数，即(