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浙江大学硕士学位论文 无线通信网络中的合作分集研究 摘要 分集是一种有效的对抗移动通信中信号传输的多径衰落和信道问干扰的技术。空间、多 天线分集可以与其它分集技术，如时间、频率分集，有效的结合，在不增加传输时间和带宽 的条件下，提高系统的性能。一种新型的单用户空间分集，即合作分集或者用户合作分集， 被提了出来。分布在无线网络节点上的每一根天线都有自身信息要传送，且集合起来组成虚 拟的天线阵y l j ( v a a ) 。这种结构的通信系统可以看成是分布式或扩展式多输入多输出( m i m o ) 系统。 现在常用的中继协议包括：放大前向( a f ) 、译码前向( d f ) 、选择译码前向( s d f ) 和增量 放大前向( i a f ) 。通过对中断概率的分析，我们对不同中继协议中系统的分集系数进行了比较， 同时发现网络的拓扑结构很大程度的影响着系统的性能，但是这些研究都是基于重复码的。 随后，j n l a n e m a n 提出了以空时编码为基础的合作分集，其理论上可以实现全空间分集增 益，分集系数等于网络中合作节点的个数，同时获得比基于重复码的合作分集更高的频谱效 率。在a f 和d f 协议中，具体的分布式空时合作系统随后被提了出来。p a n g h e l 给出了基 于a l a m o u t i 编码的单中继和双中继分布式空时合作系统，在双中继分布式空时合作系统中， 合作伙伴始终是由两个中继节点“扮演”的，但是源节点同样也可以参与到与中继节点的合 作中来，因此该双中继分布式合作系统并非一定是最优的。现在，越来越多的人将目光转向 大型网络中去，通过对大型网络容量上限的计算，寻求合适的中继信号处理方法使得利用该 方法的网络容量在多中继情况下趋近于理论的上限，同时实现目的节点各天线的独立解码。 本论文通过对现有中继协议和传统单中继和双中继分布式空时合作系统的研究，提出了 在a f 和d f 协议中带有反馈信息的双中继分布式空时合作系统；该系统可以大大的改善b e r 性能并提高分集增益。鉴于l d p c s t b c 在传统m i m o 系统中体现的优越性，我们将 l d p c s t b c 扩展到分布式m i m o 系统中，并提出了基于l d p c 的带有单个或双个非再生中 继的分布式空时合作系统。最后，我们对大型网络中现有的两种中继信号处理方法进行了分 析比较，提出了基于脏纸上写字编码的中继信号处理方法，并给出了其具体实现方案。 在本论文的研究工作中，中继节点都只起到辅助网络中主要用户通信的作用，而本身并 没有通信的要求；实际上，合作通信中继方式中整个系统的资源是固定的，网络中的各用户 既可以作为信源端，同时又辅助其他用户发送信息。在以后的合作通信研究中，将中继节点 自身的通信考虑进去将会是非常值得期待的，同时分布式信源编码和分布式联合信道信源编 码对系统性能的提升也可能会有很大的帮助。 关键词：合作分集；重复码；空时编码；脏纸上写字编码；低密度校验；分集系数 浙江大学硕士学位论文 无线通信网络中的合作分集研究 a b s t r a c t t r a n s m i s s i o n so v e rw i r e l e s sc h a n n e l ss u f f e rf r o mm u l t i p a t hf a d i n ga n dc o c h a r m e li n t e r f e r e n c e d i v e r s i t yh a sb e e na c c e p t e da sa ne f f e c t i v et e c h n i q u e t oc o m b a tt h e s ed e l e t e r i o u se f f e c t s s p a c e ，o r m u l t i p l e a n t e n n a ，d i v e r s i t yc o m b i n e dw i t ho t h e rd i v e r s i t y , e g ，t i m ea n df r e q u e n c yd i v e r s i t y , l e a d s t oat r a n s m i s s i o nt e c h n i q u et h a tg i v e sd r a m a t i cp e r f o r m a n c eg a i n sw i t h o u ti n c u r r i n gt h e e x p e n d i t u r eo ft r a n s m i s s i o nt i m eo rb a n d w i d t h an e wf o r mo fs i n g l e u s e rs p a c ed i v e r s i t yf o rt h e c e l l u l a re n v i r o n m e n th a sb e e np r o p o s e d ，c a l l e d “c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y o r “u s e rc o o p e r a t i o n d i v e r s i t y ”d i s t r i b u t e da n t e n n a sb e l o n g i n gt om u l t i p l eu s e r si nt h ew i r e l e s sn e t w o r ka r ec o l l e c t e d ， e a c hw i t ht h e i ro w ni n f o r m a t i o nt ot r a n s m i t ，s ot h a tt h eu s e r sf o r ma “v i r t u a la n t e n n aa r r a y ”( w a ) t h i st y p eo fs t r u c t u r ec o u l db ev i e w e da sad i s t r i b u t e do re x t e n d e dm 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 ) s y s t e m s e v e r a le f f i c i e n t c o o p e r a t i v ed i v e r s i t yp r o t o c o l s ，i n c l u d i n ga m p l i f y - a n d - f o r w a r d ( a f ) ， d e c o d e a n d - f o r w a r d ( d f ) ，s e l e c t i o nd f , a n di n c r e m e n t a la f , a r en o ww i d e l yu s e d b yt h ea n a l y s e s o f t h e i ro u t a g ep r o b a b i l i t y , w em a d ec o m p a r i s o n sa m o n gt h ed i v e r s i t yo r d e r su n d e rt h e s ep r o t o c o l s ， a n df o u n dt h a tg e o m e t r ys t r u c t u r e sh a v ep r o f o u n de f f e c t so nt h es y s t e mp e r f o r m a n c e s b u ta l l t h e s er e s u l t sa r eb a s e do nr e p e t i t i o nc o d e s l a t e r , n i c h o l a sl a n e m a np r o p o s e ds p a c e t i m eb a s e d c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y , w h i c hc a na c h i e v ef u l ls p a t i a ld i v e r s i t yi n t h en u m b e ro fc o o p e r a t i n g t e r m i n a l s a n dp r o v e st oh a v eh i g h e rs p e c t r a le f f i c i e n c yt h a nr e p e t i t i o n b a s e ds c h e m e s n e s p e c i f i ci m p l e m e n t a t i o n so ft h ed i s t r i b u t e ds p a c e - t i m ec o o p e r a t i v e ( d s t c ) s y s t e m s ，i nt h ea f m o d ea n dt h ed fm o d e ，a r er e s p e c t i v e l yp r o p o s e d n o t et h a t ，i nt h et w o - r e l a yd s t cs y s t e m s ， i n t r o d u c e db yp a u la n g h e l ，t h et w or e l a yt e r m i n a l sa r ea l w a y ss e l e c t e dt oi m p l e m e n tt h ea l a m o u t i s c h e m e a c t u a l l y , t h es o u r c ec o u l da l s op o s s i b l yb eu t i l i z e dt oc o o p e r a t ew i t ht h er e l a yt e r m i n a l s t h e r e f o r e t h ec o n v e n t i o n a lt w o - r e l a yd s t cs y s t e m sa r en o tt h eo p t i m u m f u r t h e r , a ni n c r e a s i n g l y l a r g en u m b e ro fp e o p l eb e g a nt o f o c u so nt h el a r g e s c a l ew i r e l e s sr e l a yn e t w o r k s b yt h e c a l c u l a t i o no ft h eu p p e rb o u n do ft h en e t w o r kc a p a c i t y , r e s e a r c h e ss e e kt of i n da p p l i c a b l er e l a y i n g a r c h i t e c t u r e s w i t l lw h i c ht h el o w e rb o u n do ft h en e t w o r kc a p a c i t yc a ng e tc l o s et ot h et h e o r e t i c a l u p p e rb o u n dw h e nt h en u m b e ro ft h er e l a yt e r m i n a l sa p p r o a c h e st h ei n f i n i t e n o t et h a t ，w i t ht h e r e l a y i n ga r c h i t e c t u r e s ，t h ea n t e n n a sb e l o n g i n gt ot h ed e s t i n a t i o nt e r m i n a l ss h o u l di n d e p e n d e n t l y d e c o d et h ei n f o r r n a t i o nr e c e i v e d i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，b ye x a m i n i n gt h er e l a y i n gp r o t o c o l sa n dc o n v e n t i o n a lo n e - r e l a ya n d t w o - r e l a y d s t cs y s t e m s w ep r o p o s e dt h et w or e l a yd s t cs y s t e m sw i t l lf e e d b a c ki n f o r m a t i o ni nb o t ht h e a fm o d ea n dt h ed fm o d e t h ep r o p o s e ds y s t e mc o u l da c h i e v el e s st r a n s m i s s i o ne r r o rr a t ea n d h i g h e rd i v e r s i t yo r d e r d u et ot h ea d v a n t a g eo ft h el d p c s t b co v e rt h es t b ci nt h et r a d i t i o n a l i i 浙江大学硕士学位论文 无线通信网络中的合作分集研究 m i m os y s t e m s ，w ee x t e n d e dt h el d p c s t b cs c h e m et ot h ed i s t r i b u t e dm i m os y s t e m s ，a n d i n t r o d u c e dt h el d p c d s t cs y s t e m sw i t l lo n eo rt w on o n r e g e n e r a t i v er e l a y s b e c a u s eo ft h e r o b u s t n e s so ft h el d p c t h el d p c d s t cs y s t e m sw i t l lr e g e n e r a t i v er e l a y sc a nb ec o n s i d e r e da s m i m os y s t e m s f i n a l l y , b ym a k i n gi n v e s t i g a t i o n si n t ot w or e l a y i n ga r c h i t e c t u r e s ，w ei n t r o d u c e d t w od i 啊p a p e rc o d i n gb a s e dr e l a y i n ga r c h i t e c t u r e s ，a n dg i v eo u tt h e i ri m p l e m e n t a t i o nm e t h o d s i na l lt h es c h e m e si nt h i sd i s s e r t a t i o n t h er e l a yt e r m i n a l sa r eo n l yu t i l i z e dt oa s s i s tt h et r a n s m i s s i o n f r o mt h es o u r c et ot h ed e s t i n a t i o n ，b u td on o th a v et h e i ro v c r li n f o r m a t i o nt ot r a n s m i t a c t u a l l y , u s e r si nt h en e t w o r kc o u l dp l a yt h er o l en o to n l yo ft h es o u r c et e r m i n a lb u ta l s oo ft h er e l a y t e r m i n a l t h ef u t u r er e s e a r c ho ft h ec o o p e r a t i o nc o m m u n i c a t i o n s w i t ht h ec o n s i d e r a t i o no ft h i s p o i n t ，i su n d o u b t e d l yv e r yp r o m i s i n g ；t h ed i s t r i b u t e ds o u r c ec o d i n ga n dt h ej o i n td i s n 曲u t e d s o u r c e c h a n n e lc o d i n gw o d db eag r e a th e l pt ot h ei m p r o v e m e n to f t h es y s t e mp e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y ；r e p e t i t i o nc o d i n g ；s p a c e t i m ec o d i n g ；d i r t yp a p e rc o d i n g ； l o w d e n s i t yp a r i t yc h e c k ；d i v e r s i t yo r d e r i 塑坚查兰塑堂垡堡塞垂竺望堕旦丝生堕鱼堡坌i ! ! ! 翌 术语表 a f ： a w g n ： b e r ： b p s k ： c d m a ： c f ： c r c ： c s h d f ： d p c ： d s t c ： e g c ： f d m a ： f e r ： g s m ： i s i ： l d p co m i m 0 ： m f ： m l ： m r c ： p d f ： s i n r ： s n r ： s t b c ： s t c ： t d m a ： v 久a ： v b l a s t w l a n ： z f ： 放大前( a m p l i f y a n d f o r w a r d ) 加性高斯白噪声( a d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s e ) 误比特率( b i te r r o rr a t e ) 二进制相移键控( b i n a r yp h a s es h i f tk e y i n g ) 码分多址( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 压缩前向( c o m p r e s s - a n d - f o r w a r d ) 循环冗余校验( c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k ) 信道状态信息( c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ) 译码前向( d e c o d e a n d f o r w a r d ) 脏纸上写字编码( d i r t yp a p e rc o d i n 曲 分布式空时合作( d i s t r i b u t e ds p a c e t i m ec o o p e r a t i v e ) 等增益合并( e q u a lg a i nc o m b i n i n 曲 频分多址( f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 误帧率( f r a m ee r r o rr a t e ) 全球移动通信系统( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l e ) 符号间干扰( i n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e ) 低密度校验码( 1 0 wd e n s i t yp a r i t yc h e c k ) 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 ) 匹配滤波( m a t c h e df i l t e r i n g ) 最大似然( m a x i m u ml i k e l i h o o d ) 最大比合并( m a x i m u mr a t i oc o m b i n i r i 曲 概率密度函数( p r o b a b i l i t yd e n s i t yf u n c t i o n ) 信干比( s i g n a lt oi n t e r f e r e n c ep l u sn o i s er a t i o ) 信噪比( s i g n a lt on o i s er a t i o ) 空时分组码( s p a c e t i m eb l o c kc o d e ) 空时码( s p a c e - t i m ec o d e ) 时分多址( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 虚拟天线阵列( v i r t u a la n t e 衄aa r r a y ) 垂直贝尔实验室分层编码( v e r t i c a lb e l ll a b o r a t o r i e sl a y e r e ds p a c e t i m e ) 无线局域网( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ) 迫零( z e r of o r c i n g ) i v 浙江大学硕士学位论文 无线通信网络中的合作分集研究 第1 章绪论 移动通信正在飞速发展，从第一代主要采用频分多址( f d m a ) 方式的模拟蜂窝系统，如 a m p s ，t a c s 等，发展到目前广泛采用的第二代以时分多址( t d m a ) 或码分多自l ( c d m a ) 为主 的数字蜂窝系统，p n g s m ，i s 9 5 等，以及即将投入商用的能够提供全球漫游、支持多媒体业 务且有足够容量的第三代移动通信系统i m t 2 0 0 0 系统和目前正大力开展研究的后三代移动 通信系统。 新一代移动通信( b e y o n d3 g 4 g ) 与第三代移动通信( 3 g ) 相比将会提供更高的数据传输速 率，更低的成本。达到高速率低成本就需要高频谱效率的技术，这样才能在有限的频谱上提 供更高的传输速率和系统容量。多输入多输出( m n d o ) 系统【1 】_ 【3 和正交频分复用( o f d m ) 4 5 1 就是这样的技术。这两种技术的优势互补，可以为系统提供高达2 1 0 0 m b i t s 的传输速率，提 高系统容量，降低成本。当前，分布式m i m o 和合作分集 6 i _ 【1 0 l 已经成为了新的研究热点。合 作分集作为一种新型的空间分集，可以有效地提高频谱效率和分集增益。现在这方面的研究 主要集中在通信协议的制定和具体通信系统的实现上。 本章首先对几种传统的分集技术和分集合并方法进行简单的介绍，然后给出合作分集提 出的背景，并详细的介绍两种较常用的合作中继协议使读者对合作分集有个比较大概的了 解；最后给出本论文的结构。 1 1 分集技术 在无线移动通信中广泛使用分集技术来减小多径衰落的影响，并且在不增加发射功率或 牺牲通信带宽的情况下提高传输的可靠性f l ” 1 2 1 。分集技术在接收端需要接收发射信号的多 个样本信号，每个接收信号携带相同的信息，但是在衰落统计特性上具有较小的相关性。分 集的基本思想是：如果要利用信号的两个或多个独立样本，那么这些样本将以不相关的模式 衰落，例如，一些信号的样本可能严重衰落，而另一些则衰减的较少。这就意味着所有样本 信号同时低于给定门限电平的概率要比任一单个信号低于给定门限值的概率小得多。因此， 采用合理方式合并这些样值可以大大降低衰落的影响，相应的也就能提高传输的可靠性。 1 1 1 时间分集 在不同的时隙上发送相同的信息可以实现时间分集，接收机端可以收到不相干的衰落信 号。所需的最小时间间隔要大于或者等于信道的相干时间或者衰落速率的倒数1 肌= c v f 。 相干时间是信道衰落过程相干的时间周期的统计测量值。在数字通信系统中，通常使用差错 控制编码以获得相对于未编码系统的编码增益。在移动通信中，一般使用差错控制编码结合 交织技术来实现时间分集。在这种情况下，发射信号的副本通常以差错控制编码带来的时域 冗余形式到达接收端【l ”。由时间交织提供发射信号副本之间的时间间隔，从而在译码器的输 入端得到独立的衰落。因为时间交织会产生译码延迟，因此该技术一般在信道相干时间小的 1 浙江大学硕士学位论文 无线通信网络中的台作分集研究 快衰落环境中较为有效。对慢衰落信道而言，交织大可能引起太大的延迟，这对语音通信这 样时延敏感的应用是不适合的。这种限制使得时间分集在有些移动无线系统中无法使用。该 方案的缺点之一就是由于在时间域上引入了冗余，使得带宽的利用率受到损失。 1 1 2 频率分集 在频率分集中，使用许多不同的频率发射相同的信息。发射频率的间隔必须足够大，从 而保证每个频率的衰落是独立的。发射频率间隔是信道相干带宽的凡倍以上，这样就能保证 不同频率的衰落统计特性是互不相干的：不同传播环境的相干带宽不同。在移动通信中，发 射信号副本通常按频域冗余的形式到达接收端，这种频域冗余是由直接序列扩频、多载波调 制和调频等扩频技术引入的。当信道的相干带宽较小时，扩频技术是有效的。但是当信道的 相干带宽大于扩展的带宽时，多径时延扩展和符号周期之间的相关性就不大了。这时就无法 用扩频实现频率分集。和时间分集一样，由于频率域上引入了冗余，频率分集也使得带宽的 利用率受到损失。 1 。1 3 空间分集 空间分集在无线微波通信中是一项比较常用的技术。空间分集也成为无线分集。典型的 空间分集是在发射端接收端由空间上分开排列的多个天线或天线阵列来实现的。多个天线 在物理空间上分开一定的距离，使得各个天线接收的信号互不相关。天线间隔的大小随天线 的高度、传播环境和频率的不同而有所不同。一般间隔几个信号波长就能获得不相关的信号。 在空间分集中，发射信号副样是以空间域冗余的形式到达接收端的。与时间分集和频率分集 不同，空间分集不会带来带宽利用率上的任何损失。这一特性对于未来的高速无线数据通信 是很有吸引力的。 极化分集和角度分集是空间分集的两个示例。在极化分集中，通过两根不同极化的天线 发射水平极化信号和垂直极化信号，同时用两根不同极化的天线接收。由于极化方式不同， 两根天线不用相隔很远就可以使这两个信号不相关【13 1 。角度分集通常用于发射频率大于 i o g h z 的场合。这种情况下，由于发射信号在空间发生很大的散射，从不同方向到来的信号 相互独立。因此，在接收端用两根或多根定向天线对准不同的方向，就能接收到不相关的发 射信号副本”。 根据发射或接收是否使用多根天线，可以把空间分集分成两类：接收分集和发射分集【”】。 接收分集是在接收端使用多个天线接收发射信号的独立副本。合理合并发射信号的副本能够 降低多径衰落的影响，并且提高总的接收信噪比( s n r ) 。发射分集则是在发射端使用多根天 线。信号经发射机处理后经多根天线辐射出去。 在实际的通信系统中，为了满足系统的性能要求，经常将两个或多个常规分集方案结合 起来使用，以实现多维分集i l ”。例如在g s m 蜂窝网络中，基站使用多根接收天线，并且同 时使用交织与差错控制编码技术来实现空间和时间分集。 浙江大学硕士学位论文 无线通信州络中的台作分集研究 快衰落环境中较为有效。对慢衰落信道而言，交织大可能引起太大的延迟，这对语音通信这 样时延敏感的应用是不适合的。这种限制使得时间分集在有些移动无线系统中无法使用。该 方案的缺点之一就是由于在时问域上引入了冗余，使得带宽的利用率受到损失。 1 1 2 频率分集 在频率分集中，使用许多不同的频率发射相同的信息。发射频率的间隔必须足够大，从 而保证每个频率的衰落是独立的。发射频率间隔是信道相干带宽的几倍阻上，这样就能保证 不同频率的衰落统计特性是互不相干的：不同传播环境的相干带宽不同。在移动通信中，发 射信号副本通常按频域冗余的形式到达接收端，这种频域冗余是由膏接序列扩频、多载波调 制和调频等护频技术引入的。当信道的相干带宽较小时，扩频技术是有效的。但是当信道的 相干带宽大于扩展的带宽时，多径时延扩展和符号周期之间的相关性就不大了。这时就无法 用扩频实现频率分集。和时间分集一样，由于频率域r 引入了冗余，频率分集也使得带宽的 利用率受到损失。 1 1 3 空问分集 空间分集在无线微波通信中是一项比较常用的技术。空间分集也成为无线分集。典型的 空间分集是在发射端接收端由空间上分丁f 排列的多个天线或天线阵列来实现的。多个天线 在物理空间上分开一定的距离，使得各个天线接收的信号互不相关。天线间隔的大小随天线 的高度、传播环境和频率的不同而有所不同。般间隔几个信号波长就能获得不相关的信号。 在空间分集中，发射信号副样是以空间域冗余的形式到达接收端的。与时间分集和频率分集 不同，空问分集不会带来带宽利_ i ； j 率上的任何损失。这一特性对于未来的高速无线数据通信 是很有吸引力的。 极化分集和角度分集是空间分集的两个示例。在极化分集中，通过两根不同极化的天线 发射水平极化信号和垂直极化信号，同时用两根不同极化的天线接收。由于极化方式不i 列， 两根天线不用相隔很远就可以使这两个信号不相关【1 ”。角度分集通常用于擅射频率大于 i o g h z 的场合。这种情况下，由于发射信号在空间发牛很大的散射，从不同方向到来的信号 相互独立。因此，在接收端用两根或多根定向天线对准不同的方向，就能接收到不相关的发 射信号副本【l 。 根据控射或接收是否使用多根天线，可以把空间分集分成两类：接收分集和发射分集” 。 接收分集是在接收端使用多个天线接收发射信号的独立副本。合理合并发射信号的副本能够 降低多径衰落的影响，并且提高总的接收信噪比( s n r ) 。发射分集则是在发射端使用多根天 线。信号经发射机处理后经多根天线辐射出去。 崔实际的通信系统中，为了满足系统的性能要求，经常将两个或多个常规分集方案结台 起来使用，以实现多维分集j 。例如在g s m 蜂窝网络中，基站使用多根接收大线，并且同 时使用交织与差错控制编码技术来实现空间和时间分集。 时使用交织与差错控制编码技术来实现空间和时间分集。 浙江大学硕士学位论文 无线通信网络中的台作分集研究 1 1 4 发射分集 在目前的蜂窝移动通信系统中，基站使用多根接收天线有两个目的；一是抑制信道间的 干扰，二是减小信道衰落的影响。例如，在g s m 和i s 1 3 6 中，基站端使用多根天线建立上 行( 从移动台到基站) 接收分集，补偿移动台相对较低的发射功率。这样做能够提高上行链 路的质量和变化范围。但对于下行链路( 从基站到移动台) 而言，移动台很难使用接收分集。 首先，在较小的便携移动台上不便于安装两根以上的天线。其次，多根接收天线意味着多套 r f 下变频器，因此需要更大的处理功率，而移动台功率是受限的。对于下行链路来说，比 较实际可行的解决方法是采用发射分集。在基站安装多根天线，并且为多个发射提供额外的 功率是比较方便的。发射分集降低了接收端所需的处理功率，因此能简化接收系统的结构， 降低功耗和成本。而且，发射分集可以和接收分集结合使用，从而进一步提高系统性能。 与蜂窝移动系统中广泛使用的接收分集相比，由于发射天线分集和接收天线分集差别很 大，很难实现，因而在使用中对发射天线的关注比较少。主要困难在于：1 ) 由于从多根天线 发出的信号到达接收机之前已经在空中混合在一起，因此要分离出这些接收信号并且实现分 集，发射端和接收端都需要进行一些额外的信号处理：2 ) 与通常可以估计衰落信道的接收机 不同，如果不从接收机向发射机反馈信息，发射机就不能立即获得信道的瞬时信息。 1 2 分集合并方法 在上一节的讨论中，按照弓【入分集的域对分集技术进行了分类。分集技术的关键在于不 同分集子信道同时出现深衰落的概率要小。使用分集技术的遥信系统的性能通常取决于接收 端如何合并多个信号副本来提高总的接收s n r 。因此，可以按照接收端使用的合并方法的类 型对分集方案进行分类。根据接收端实现的复杂性和合并方法所需的信道状态信息量，主要 分为四种合并技术，分别为选择合并、切换合并、等增益合并( e g c ) 和最大比合并( m r c ) 1 ” 【l2 1 1 2 1 选择合并 r x lr x 2 r x n r 逻辑选择器 图1 1 选择合并方法 浙江大学硕士学位论文 无线通信网络中的合作分集研究 选择合并是一种较为简单的分集合并方法。对于接收天线数为妇的接收分集系统，选择 合并方案的原理框图如图1 1 所示。该系统选择每个符号间隔处具有最大瞬时信噪比( s n r ) 的信号作为输出，因此输出信号的s n r 等于最好输入信号的s n r 。在实际使用中，由于s n r 很难测量，一般采用信号和噪声功率之和p + ) 最大的信号。 1 2 2 切换合并 对于图1 2 所示的切换合并分集系统，接收机扫描所有的分集支路，并选择s n r 在预设 门限之上的特定分支。在该信号的s n r 降低到所设的门限值之下之前，选择该信号作为输 出信号。当s n r 低于设定的门限时，接收机开始重新扫描并切换到另一个分支。该方案也 称为扫描合并。 由于切换合并并非连续选择最好的瞬时信号，因此它比选择合并可能要差一些。但是， 由于切换合并不需要同时连续不停的监视所有的分集分支，因此这种方法要简单得多f l “。 对选择合并和切换合并而言，两者的输出信号都是只等于所有分集分支的一个信号。另 外，他们也不需要知道信道状态信息。因此，这两种方案即可用于相干调制也可以用于非相 干调制。 r x lr x2 r xr t r 扫描切换单元 图1 2 切换合并方法 1 2 3 最大比合并 最大比合并是一种线性合并方法。在一般的线性合并过程中，各个输入信号分别按权重 相加在一起得到输出信号。加权因子的选择可以有多种方式。 图1 3 给出了最大比合并分集的原理框图。输出信号为所有接收信号的加权副本的线性 组合。此加权和为： r = q i ， ( 1 1 ) j 2 1 式中，n 是第i 根接收天线的接收信号，是第i 根接收天线的加权因子。在最大比合并中， 选择每个天线的加权因子与其信号电压和噪声功率比成正比。设a ，和函，分别代表接收信号 n 的幅度和相位。假设每根天线具有相同的平均噪声功率，可以得到相应的加权因子 浙江大学硕士学位论文 无线通信网络中的台作分集研究 口：= a , em 。 r x1r x 2 r x n r + 图1 3 最大比合并方法 ( 1 2 ) 由于此方法能达到最大的输出信噪比s n r ，因此也称为最优合并。已经证明最大输出信 噪比s n r 等于单个信号的瞬时s n r 的和【1 2 】。 此方案中各信号必须同相，并且用各自相应的幅度加权后求和。由于此方案需要知道信 道衰落幅度和信号相位的信息，因此只能用于相干检测的场合，而不能用于非相干检测。 1 2 4 等增益合并 等增益合并是种次优，但比较简单的线性合并方法。它不需要顾及各个分支的衰落幅 度，丽是按照式( 1 3 ) 将加权因子的幅度设为单位值1 。 q = e - “。( 1 3 ) 采用等增益合并，即所有的接收信号经同相后用等增益相加。等增益合并的性能只是在 边缘上比最大比合并差，而其复杂性要比最大比合并低很多。 1 3 合作分集 目前大量工作已经证明了m i m o 系统具有较强的对抗多径衰落的能力，有些发送分集 方法也成为了无线标准之一。尽管发射分集技术在无线蜂窝系统中有着明显的优势，但在某 些特定的应用场合中，由于终端尺寸、成本和硬件等方面的限制，终端用户不适合配置多天 线。针对这一问题，一种称为合作分集的新的通信思想被提了出来，它允许多个单天线用户 通过用户之问的合作获得m i m o 系统的分集性能。 合作分集的基本思想是利用网络中的多个用户共享其天线组成分布式m i m o 系统，处 于不同位置的用户向目的节点发送信号，由于这些信号是相关的并经历了独立的信道衰落， 浙江大学硕士学位论文 无线通信网络中的合作分集研究 接收端即可获得多个独立衰落信号。因此合作通信以一种新的分布式方式达到分集的目的。 常用的合作中继协议f 1 0 】【1 1 有：译码前向( d f ) 中继协议，放大前向( a f ) 中继协议以 及压缩前向( c f ) 中继协议。在本节中我们先对a f 和d f 协议进行简单的介绍，具体的中 断概率以及分集增益的分析将在第二章中阐述。由于本论文中不涉及c f 协议，因此，在这 里我们不对其进行介绍。 1 3 1d f 中继协议 d f 中继协议与传统中继协议方式最为接近，该协议中作为合作中继的各用户试图检测 出信源端的发送信号，然后将检测出的信号重新发送。基站根据当时的信道状态，按照一定 的策略，指配每次发送时的合作中继用户的数目和相应的人员。d f 中继的例子【6 】 7 1 对目前该 领域的研究工作有很多的启示，对译码合作中继进行了简单分析，并实现了简单的码分多址 介入的d f 中继。在该方案中，研究两个用户作为一对合作伙伴的情形，分配给每个用户一 个扩频码字，用c l ( 0 和c 2 ( f ) 表示，两个用户的数据比特记为球，i = 1 ，2 代表用户，片代表信 息比特的时间。嘶代表信号幅度，即代表分配给用户的功率。用户1 的信号为( 0 ，用户2 的信号为噩( ，) ， 工( f ) = i 喁。舛oc l ( r ) ，q ：辞2 q ( f ) ，a i ，群2 q ( f ) + q 。噬”6 2 ( r ) 1 置( f ) = ，趣1 ) 吃( r ) ，：厦2 1 q ( 咄a ：，6 f 2 ) e 1 ( f ) + a 。磋2 ) c 2 ( f ) ” 每个信号周期分为三个子时间段，在第一和第二个子时间段各用户发送各自的信号，接 着每个用户检测其他用户的第二个比特( 每个用户对其它用户的估计用来表示) 。第三个 子时间段所有的用户发送自己的第二个比特和合作用户的第二个比特的线性合并，并乘以各 自的扩频码。三个时间段的发送功率是可变的，并根据各链路的信道状态对相应的发送功率 进行优化分配。 在平均功率约束条件下对网络中各用户进行功率分配。如果用户间的信道状态良好，把 大量的功率分配给合作用户。但若用户间信道状态较差，则不采用合作方式。该中继方式的 优势是简单且能够适应信道状态，但该方法存在以下问题：若合作用户不能完全正确检测出 信源的发送信号，此时合作通信方式对于接收端检测是有害无益。为了能够实现最佳译码， 接收端还需知道用户间信道的错误特点。为了避免错误传播问题，可以考虑一种混合检测中 继方法，当衰落中继信道瞬时信噪比较高时，作为合作的用户检测并发送其合作伙伴的数据， 但当信道瞬时信噪比较低时，不再采用合作通信方式。 1 3 。2a f 中继协议 另外一种较为常用的中继协议为a f 合作中继协议。在该协议中每个中继用户接收经信 道衰落的发送信号，中继用户对接收到的附加了噪声的信号进行放大，并重新发送给下一个 中继用户和接收端。接收端接收并按照最大比合并、选择合并或等增益合并准则合并来自发 6 浙江大学硕士学位论文 无线通信网络中的合作分集研究 送端和合作用户的信息，对发送的各比特进行最终判决。应该指出，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形式，接收端能够对接收信 息作出较为准确的判决。该方法最早是由j n l a n e m a n 提出的【l ，其证明了两用户系统可 以实现分集系数为2 的全分集增益，达到了高信噪比条件下的最大分集系数。在放大前向中 继协议中，为实现最佳译码，假定接收端己知各用户间的信道状态信息，而在实际实现时， 则必须考虑估计这些信道状态信息的最优机制。放大中继方式中的取样、放大和重发模拟信 号失灵一个挑战l 生的问题。但放大中继方式理论分析相对比较简单，对于进一步理解合作通 信系统非常有用。 1 4 本文所作的工作 本论文在后面的章节中通过对分布式m i m o 系统【1 0 1 18 】以及传统单中继和双中继分布式 空时合作( d s t c ) 19 】_ 【2 2 】系统的研究，提出了一种新型的带有反馈信息的双中继d s t c 系统，同 时引入了低密度校验码( l d p c ) 2 3 - 1 2 5 和d s t c 级联的分布式合作系统。此外，通过对大型无线 中继网络的容量的研究，本文对几种可以实现在多中继情况下网络容量逼近理论容量上限的 中继信号处理方法【2 6 1 2 7 1 进行了比较，同时考察了脏纸上编码技术( d p c ) 2 8 】引入无线中继 网络的可能性。 全文共分六个部分：第一章绪论主要介绍了几种传统的分集技术和分集合并方法，并且 简单