（通信与信息系统专业论文）协同通信中的功率分配研究.pdf

南京邮电大学硕上研究生学位论文 摘要 摘要 在无线通信中，为了对抗无线信道的衰落，出现了各种分集技术。协同分集是一种新 的分集技术，它通过用户协同中继形成虚拟m i m o ，从而可以提高系统性能。随着对协同 系统研究的深入，功率分配技术被引入到协同系统中，功率分配技术对于降低协同系统的 误码率、提高协同系统的容量等起着重要的作用。 论文首先对协同分集的基本原理进行介绍并分析了几种常见的协同系统及其性能。然 后论文以误码率( s e r ) 最小为优化目标，研究分析了放大前传( a f ) 和译码前传( d f ) 两种协同系统中的最优功率分配方案，并在不同的信道条件下仿真比较了a f 和d f 系统 采用最优功率分配所获得的性能增益。 论文还研究了已知瞬时信道状态信息( i c s i ) 和统计信道状态信息( s c s i ) ，以系统 容量最大化为优化目标的最优功率分配方案，并在此基础上仿真比较了两种功率分配方案 对系统容量的影响。 论文最后研究了多中继节点协同通信系统中两种不同的功率分配机制：集中式功率分 配和分布式功率分配。通过分析研究设计了一种a f 协同下的分布式次优化功率分配方法， 仿真结果表明，该方法可在只获得部分i c s i 的情况下大大降低系统总功率。 南京邮电人学硕i j 研究生学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t i nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，m a n yd i v e r s i t yt e c h n o l o g i e sh a sb e e np u tf o r w a r di no r d e rt o c o n f r o n tt h ed e c l i n eo ft h ew i r e l e s sc h a n n e l c o o p e r a t i v ed i v e r s i t yi san e wd i v e r s i t yt e c h n o l o g y , i tf o r mv i r t u a lm i m oa n t e n n aa r r a yt oi m p r o v et h es y s t e mp e r f o r m a n c eb yu s e r sc o o p e r a t i v e c o m m u n i c a t i n g c o o p e r a t i v ed i v e r s i t ys y s t e m sa n d t h e i rp r o p e r t i e sb e c o m ear e s e a r c hh o t s p o t w i t hi n - d e p t hs t u d yo fc o o p e r a t i v es y s t e m s ，p o w e ra l l o c a t i o nt e c h n o l o g yi si n t r o d u c e dt ot h e c o o p e r a t i v es y s t e m ，t h eu s eo fp o w e r a l l o c a t i o nt e c h n o l o g y p l a ya ni m p o r t a n t r o l ei nr e d u c i n g t h es y m b o le r r o rr a t eo fc o o p e r a t i v es y s t e m ，i m p r o v i n gc o o p e r a t i v es y s t e mc a p a c i t ya n ds oo n f i r s t l yp a p e ri n t r o d u c e st h eb a s i cp r i n c i p l e so fc o o p e r a t i v ed i v e r s i t ya n da n a l y s i ss e v e r a l c o m m o nc o o p e r a t i v es y s t e ma n di t sp e r f o r m a n c e t h e np a p e ra n a l y z e dt h eo p t i m a lp o w e r a l l o c a t i o no fd fa n da ff o rm a k i n gs e rt ob et h es m a l l e s t i nd i f f e r e n tc h a n n e lc o n d i t i o n sw e s i m u l a t ea n dc o m p a r et h ep e r f o r m a n c eo ft h ec o o p e r a t i o ns y s t e m sw i t he i t h e rd fo ra f a c c o r d i n gt h ei n s t a n t a n e o u sc h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ( i s c i ) a n ds t a t i s t i c sc h a n n e l s t a t e i n f o r m a t i o n ( s c s i ) t ow o r k i n go u tt h eo p t i m a lp o w e ra l l o c a t i o no fm a x i m i z i n gs y s t e mc a p a c i t y i nt h i sp a p e r b a s e do nt h i s ，i nd i f f e r e n tc h a n n e lc o n d i t i o n sw es i m u l a t ea n dc o m p a r et h e d i f f e r e n tp o w e ra l l o c a t i o ni n f l u e n c i n gt h es y s t e mc a p a c i t y f i n a l l y , p a p e rs t u d i e st h et w od i f f e r e n tp o w e ra l l o c a t i o nm e c h a n i s m so fm u l t i - n o d e c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ：c e n t r a l i z e dp o w e r d i s t r i b u t i o na n dd i s t r i b u t e dp o w e r a l l o c a t i o n t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h e s e ，w ep r o p o s e das u b o p t i m i z a t i o np o w e r a l l o c a t i o nu n d e r a f c o o p e r a t i v es y s t e m t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t ，w i t ho n l yp a r to f t h ei c s it h ea f c o o p e r a t i v es y s t e mu s i n gi tc a ns i g n i f i c a n t l y r e d u c eo v e r a l ls y s t e mp o w e r 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：丝直选 日期：垄咝丝主 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：盔宣垫 导师签名 2 南京邮电人学硕f j 研究生学位论文第一章绪论 1 1 本文选题的背景 第一章绪论 m i m o 技术作为抵抗多径衰落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。但从实际工程角度考虑，对于蜂窝通信系统上行信道 而言，由于受到移动终端尺寸、功耗、天线设置等因素的限制，很难在一个移动终端上装 置多根天线，m i m o 技术很难直接应用到实际通信系统中。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。c o v e r 和g a m a 曾提出中继信道 模型，s e n d o n a r i 等人受到中继信道的启发，首先提出了协同分集的概念，使具有单根天线 的移动台获得类似于m i m o 系统中的空间分集增益【3 】。其基本思想是在多用户环境中， 具有单根天线的移动台可以按照一定的方式来共享彼此的天线，从而产生一个虚拟m i m o 系统，以获得分集增益。s e n d o n a r i s 等人在信息论理论上对信道容量，中断概率和遍历概 率所做的分析揭示了协同分集的巨大潜力【4 。并且表明协同分集不但能提高系统的传输速 率，还可以降低系统的中断概率。l a n e l n a n 提出了两种基于重传的协同分集方案，放大前 传和译码前传，进而又针对译码前传进行了扩展，提出了选择中继和增强中继协同方案 5 】。 由于放大前传和译码前传都是基于重传的协同方案，因此从信道编码角度来看，它们都没 有很好的利用信道带宽，于是h u n i e r 等人提出了采用信道编码的协同方案编码协同 6 】。 不像放大前传和译码前传需要重复发送信号，编码协同分集中将所需发送的码字分为两部 分，一部分由发送端发送，另一部分由协同端发送。研究表明编码协同分集比放大前传和 译码前传具有更好的性能。 随着协同通信技术的提出和系统研究的推进，人们也开始关注协同系统中的资源分配 问题。在a d h o c 和蜂窝移动通信网络中，由于终端发送功率的限制，功率的有效利用是无 线通信系统的设计中的关键部分。由于各个用户或节点的信道链路质量不同，如果各个节 点采用平均功率分配的话，无法充分利用功率，达到最佳的性能。以不同性能参数为优化 目标的功率分配方法也相继被提出。 7 中给出了基于a f 的单中继节点的符号误码率( s e r ) 和最优的功率分配策略。在 9 中，作者分析了基于d f 的单中继节点的符号误码率( s e r ) 并提出了o p a ( o p t i m u mp o w e ra l l o c a t i o n ) 分配策略。在此策略中，发射端的符号加入 了c r c 校验码，中继端依靠判断c r c 是或正确来决定是或协同。 1 0 中提出了另一种基于 d f 的单中继节点功率分配策略：o t s ( o p t i m u mt h r e s h o l d - s e l e c t i o n ) 分配策略。发射端 l 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 的符号不需要加入了c r c 校验码，中继端依靠接收到的信噪比与阀值的比较确定是或中继。 1 1 讨论了a f 和d f 两种基本协同方式的中断概率并给出了功率分配的一般原理。在 1 2 】 中，证明了最优化的功率分配能够提高系统的容量。功率分配被证明是一项能够提高系统 性能的有效手段。 1 2 本文的主要工作和结构安排 本论文主要是总结了协同分集的基本原理并介绍了协同分集的几种模式。研究了协同 分集系统中的功率分配技术，其中重点研究了放大前传协同和译码前传两种协同方式中功 率分配技术对系统性能的影响，分析比较了采用最优功率分配方案与采用平均功率分配方 案的系统性能及各种不同条件下最优功率分配方案的系统性能。最后研究了多中继节点网 络中以系统总功率最小为优化目标的功率分配方案，并提出了一种分布式的次优化功率分 配方法。 第一章简单介绍了协同通信和功率分配的背景和研究现状。 第二章介绍了无线信道的特点及本文所采用的仿真信道模型。 第三章介绍协同系统的理论和基本原理，协同系统中功率分配的重要性。 第四章研究分析了协同通信中的误码率及以误码率最小为优化目标得到最优的功率 分配方案。比较了不同信道条件下，a f 和d f 协同系统由于采用最优功率分配获得的增益。 第五章对协同分集系统的容量进行了研究分析，在不同的信道链路状态信息下最优 功率分配都能给系统的容量带来一定程度的改善。通过仿真比较它们的性能增益。 第六章分析研究了协同系统的中断概率。在满足一定中断概率的前提下，利用功率 分配能够使整个协同系统的总功率大大降低。分析比较了两种功率分配机制，在此基础上 提出了一种在a f 协同系统满足一定中断概率条件下，降低系统总功率的分布式次优化功 率分配策略。 2 南京邮f l i 人学坝 j 研究生学位论文第一二章移动通信尢线信道及特性参数 第二章移动通信无线信道及特性参数 数字移动通信系统的关键问题是在移动信道中实现高可靠性的数字信号传输。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。本章详细介绍了数字信号在移动信道中的传播机理，移 动信道的主要特征，以及本文仿真所采用的信道模型和各项参数。 2 1 多径衰落的产生 陆地移动信道的主要特征是多径传播。传播过程中会遇到很多建筑物、树木和起伏的 地形，会引起能量的吸收和穿透以及电波的反射、散射及绕射等，这样，移动信道是充满 了反射波的传播环境。在移动传播环境中，到达移动台天线的信号不是单一路径来的，而 是许多路径来的众多反射波的合成。由于电波通过各个路径的距离不同，因而各个路径来 的反射波到达时间不同，相位也不同。不同相位的多个信号在接收端叠加，有时同相叠加 而加强，有时反向叠加而减弱。这样，接收信号的幅度将急剧变化，即产生了衰落。这种 衰落由多径引起的，所以叫多径衰落。移动信道的多径环境所引起的信号多径衰落，可以 从时间和空间两个方面来描述和测试。从空间角度来看，沿移动台移动方向，接收信号的 幅度随着距离变动而衰减。其中本地的反射物所引起的多径效应呈现较快的幅度变化，其 局部均值为随距离增加而起伏下降的曲线，反映了地形起伏所引起的衰落以及空间扩散损 耗。从时域角度来看，各个路径的长度不同，因而信号到达的时间就不同。这样，如从基 站发送一个脉冲信号，则接收信号中不仅包含该脉冲，而且还包含它的各个时延信号。这 样由于多径效应引起的接收信号中脉冲的宽度扩展现象，成为时延扩展。一般来说，模拟 移动系统中主要考虑多径效应所引起的接收信号幅度的变化。而数字移动通信系统中主要 考虑多径效应所引起的脉冲信号的时延扩展。这是因为，时延扩展严重影响数字信号。 ( 2 ) 时延扩展 在多径传播条件下，接收信号会产生时延扩展，或称时延散布。当发送端发送一个极 窄的脉冲信号时，由于存在多条不同的传播路径，路径长度不一样，则发射信号沿各个路 径到达接收天线的时间就不一样，而且传播路径又随移动台的变化而变化，因而移动台接 收的信号是由许多不同时延的脉冲组成。由于移动台的移动，各个脉冲可能是离散的，也 3 南京邮电人学颀t = 研究生学位论文第二蕈移动通信无线信道及特性参数 可能连成一片。 2 2 移动通信信道的主要参数和衰落类型 ( 1 ) 时延扩展 在多径传播条件下，接收信号会产生时延扩展，或称时延散布。当发送端发送一个极 窄的脉冲信号时，由于存在多条不同的传播路径，路径长度不一样，则发射信号沿各个路 径到达接收天线的时间就不一样，而且传播路径又随移动台的变化而变化，因而移动台接 收的信号是由许多不同时延的脉冲组成。由于移动台的移动，各个脉冲可能是离散的，也 可能连成一片。 ( 2 ) 相干带宽 信号通过移动信道时会引起多径衰落，因此需要考虑信号中不同频率分量所受到的衰 落是否相同。相关带宽表征的是信号中两个频率分量基本相关的频率间隔。衰落信号中的 两个频率分量，在其频率间隔小于相关带宽时，它们是相关的，衰落特性具有一致性；在 其频率间隔大于相关带宽时，它们是不相关的，衰落特性不具有一致性。 ( 3 ) 相干时间 多径效应可能引起时间选择性衰落，多普勒频移引起频率扩展，使得信号在经过多径 传输后可能引起时间选择性衰落。一般情况下，相关时间近似定义为多普勒频移的倒数， 表示为： i 玢7 1 ( 2 1 ) ，d 相关时间是信道冲激响应维持不变的时间间隔的统计平均值。也即是，相关时间就 是指一段时间间隔，在此间隔内，两个到达信号有很强的幅度相关性。如果基带信号的带 宽的倒数大于信道相关时间，那么传输中基带信号可能就会发生变化，导致接收机译码真。 ( 4 ) 多普勒频移 。 当移动台在运动中通信时，接收信号频率会发生变化，称为多普勒效应，这是任何波 动过程都具有的特性。多普勒效应引起的附加多普勒频移称为多普勒频移，可用下式表示： 乃= ；c o s 口 ( 2 2 ) 式中，口是入射波与移动台运动方向的夹角；v 是移动台运动速度；五是波长。 ( 5 ) 多径时延扩展引起的衰落类型 多径时延扩展与相关带宽是用于描述本地信道时间扩散特性的两个参数，当信号带宽 南京邮电人学硕l ：研究生学位论文第二苹移动通信尢线信道及特性参数 小于相关带宽时，信号通过信道传播后各频率分量的变化具有一致性，成为非频率选择性 衰落，称为平坦衰落。在平坦衰落情况下，信道的多径结构使发送信号的频率特性在接收 机内仍然保持不变。然而，由于多径导致信道增益的起伏，使接收信号的强度会随时间变 化。经历平坦衰落的条件可概括如下： 忍 互 ( 2 6 ) 南京邮电人学硕l 研究生学位论文第二章移动通信无线信道及特性参数 2 3 瑞利衰落信道 移动天线接收到许多的反射散射波。由于不同的路径长度、随机的相位，因此，接收 的功率为一个随机变量。假设载波未经调制，频率为w 的信号通过了许多路径到达接收机， 第i 条路径的幅度为a ，相位为破。如果假设不存在直视路径成分，接收到的信号可以表 示为： j ( f ) = 吩c o s ( w c f + 谚) ( 2 7 ) 其中，n 为路径数。相位谚取决于不同的路径的长度，当路径长度改变一个波长时， 相位谚就变化2 万。因此，相位在【o ，2 石】上呈均匀分布。当发送方和接收方之间有相对的移 动时，等式( 2 。7 ) 就应当包括有由移动导致的频移和相移所产生的影响。假设第i 条幅度为q 、 相位为谚的反射波到达接收机，其运动方向与天线之间的夹角为。该反射波的多普勒频 移由下式 哟= w c v c o s ( ) c 其中，v 为移动台的运动速度，c 为光速( 3 木1 0 8m s ) ，在【o ，2 石】上呈均匀分布。 于是，接收信号s ( t ) 表示如下： s ( f ) = 口，c o s ( k f + 锄f + 谚) 将上式表示成同相和正交分量的形式， s ( f ) = i ( t ) c o s w d - o ( t ) s i n w j ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 其同相和正交的分量分别为： nn m ) = 口。c o s ( c o a i t + 馋) ，o ( t ) = 口。s i n ( r a m + # ，) ( 2 1 1 ) 包络为： 当n 很大时候，同相和正交的分量为g a u s s i a n 。 n 5 时，接收信号包络为瑞利分布，概率密度函数厂( ，- ) 为 6 ( 2 1 2 ) 南京邮电人学硕二i j 研究生学位论文第二章移动通信无线信道及特性参数 巾) 寺e x p 一2 r _ 卦l 例 其中，2 0 2 为信号的平均功率。 ( 2 1 3 ) j a k e s 在文献 1 3 1 q u 提出了一种简单的产生多径瑞利衰落的j a k e s 模型， 该模型构造了复低通接收信号的包络，该信号在全向散射的情况下经过平稳的 非频率选择性移动衰落信道，这个时候假设了不存在直视路径。j a k e s 模型所生成的衰 落仿真信道可表示为： r o ( t ) = e o c 月c o s ( w 。t + w ，t c o s a + 。) ( 2 1 4 ) 式中，磊是载波的幅度，e 表示第n 条路径衰减的随机变量，4 表示的是第1 1 条射线与接收机移动方向之间夹角的随机变量，心为载波频率，w 为最大多普勒频 移，且w m = 2 n v 2 。v 为接收机的运动速度，以为载波波长。 然而，由文献 1 4 】可知，j a k e s 仿真器模型存在着明显的缺点：( 1 ) 信号的同相和正交分 量都是相关的：( 2 ) 对于给定数目的信道，信号的同相和正交分量并非最佳的高斯分布。这 样，j a k e s 仿真器产生的信号是非平稳信号，并不能体现出物理衰落信道的一些非常重要的 特性。m e p o p 和n c b e a u l i e u 在文献 1 5 】中分析了传统的j 出e s 模型的缺点所在，并针对 这个缺点，对传统的j a k e s 模型进行了改进，使得这个改进过的j a k e s 模型能产生广义平稳 信号。 改进的j a k e s 模型的生成的衰落仿真信道可表示为： r i ( t ) = c o s w , t x l 。( t ) + s i nwt x i ，( t ) = 而2 c o s w c r 芝c 。s + i c 。s ( r + + i ) + 2 善c o s 峨c 。s ( r + 眠) ( 2 1 5 ) = 专s i nw c r 压s i n 巩+ 。c o s ( h + 1 ) + 2 善ms ；n ec o s ( h 眠) 其中，虬是 o ，2 万) 上均匀分布的随机变量，而其他所有的参数都与前面介绍的传统 j a k e s 模型中的参数一样。由于在改进的j a k e s 模型中引入了随机相位梦，从而消除 了传统的j a k e s 模型中的相关性问题，因此，使得产生的信号为所需要的广义平稳信号。 本文仿真所采用的瑞利衰落信道系数由上述改进的j a k e s 模型产生。 7 南京邮电大学硕t 研究生学位论文第二章移动通信无线信道及特性参数 2 4 本章小结 本章主要介绍了无线移动通信的信道特性，主要阐述了多径衰落和多普勒频移对信号 传输的影响，对多径衰落进行了具体分类，并详细的介绍了全文仿真所用的信道模型。信 道的瑞利衰落系数是由改进的j a k e s 模型获得。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章协同分集 3 1m i m o 技术 第三章协同分集 m i m o 无线通信技术源于天线分集技术与智能天线技术，它是多入单出( m i s o ) 与单入 多出( s 蹦0 ) 技术的结合，具有两者的特征。m i m o 系统在发端与收端均采用多天线单元， 运用先进的无线传输与信号处理技术，利用无线信道的多径传播，因势利导，开发空间资 源，建立空间并行传输通道，在不增加带宽与发射功率的情况下，成倍提高无线通信的质 量与数据速率，堪称现代通信领域的重要技术突破。 对于m i m o 系统，若其n 个发射天线与m 个接收天线形成的无线链路m x n 信道矩 阵的元素是完全独立的，则系统的容量随最小天线数目线性增长，而不是采用智能天线下 的对数增长。理论上，如果天线的空间和成本与射频通道不受限制，m i m o 系统就能提供 无限大的容量，这是空间维度充分结合时间维度的结果，即采用空时编码的数据流利用矩 阵信道而不是智能天线系统中的向量信道传输数据。 图3 - 1 给出了一个典型n x mm i m o 系统的模型，其中x = ( x 。，x 2 ，z ) 7 是发射信号， 】，；( x ，e ，o oo ) 7 是接收信号，h 是信道矩阵，w = ( ，w 2 ，) 7 是接收端的高斯白噪声 矢量，比代表第n 根接收天线上的噪声矢量，上标t 代表矩阵的转置，y = h x + w 。 碍 = 港 j o 淳 h = _ 一一?0 。_ 1爪? 2 碚 ，7i y 一 三 一落 7 、：、 舞 叠 i i j 爪h hl“ w n f 图3 1m i m o 系统模型 无线通信系统的三个主要的有害因素是：信号衰落、码间干扰( i s i ) * nm 频干扰( c c i ) 。 信号衰落和i s i 是由无线信道的多径产生的，c c i 一般是由共道用户或系统中未知的干扰 源产生的。为了对抗信号衰落，单用户m i m o 系统采用分集技术处理，如空间分集、时问 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章协同分集 分集、极化分集和频率分集。空间分集和极化分集由采用阵列天线获得，频率分集利用多 径物理信道获得，时间分集通过具体的编码调制技术获得。为了消除和利用无线通信系统 中的i s i ，信道均衡技术包括自适应均衡或r a k e 接收，可以用来均衡多径信道。为了消 除共道干扰，自适应波束形成是在干扰信息未知时使用的技术，当干扰信息在接收机中已 知时，采用多用户检测技术是更好的选择。自适应波束形成技术与多用户检测技术的组合 可以进一步提高系统的性能，但它是以系统复杂度为条件的。采用阵列天线技术，m i m o 系统能够充分利用信号的所有空时频域特性，具有以下的优点： 利用或减轻多径衰落：m i m o 技术能够充分利用多径的各种发射合成技术，提高无线 通信系统的性能。 消除共道干扰：m i m o 系统能够采用自适应波束形成技术或多用户检测技术对共道干 扰进行有效的抑制或消除。 提高频谱利用率、增加发射效率、减小发射功率、减小空间电磁干扰及增大系统容量： 由于阵列天线可以降低共道干扰和多径衰落的影响，因此在一定的s n r ( 信噪比) 条件下 可以降低误码率，或者在一定误码率条件下降低检测所需的s n r 。m i m o 系统能够抑制或 消除共道干扰和码间干扰，同时利用分集技术提高接收信号的信噪比，因此基站和移动终 端的发射功率可以得到一定程度的降低，同时减小空间电磁干扰的影响、延长移动终端电 池使用时间、减小对生态环境的影响、降低系统对功率控制精度和器件的要求。 m i m o 技术利用了无线信道多径传播的固有特性：如果在发送端与接收端同时采用多 天线系统，只要各天线单元间距足够大，无线信道散射传播的多径分量足够丰富，各对发 收天线单元间的多径衰落就趋于独立，即各对等效的发收天线间的无线传输信道趋于独 立，这些同频率、同时间、同信道特征码的子信道趋于相互正交，从而在接收端接收机采用 先进的信号处理技术对各接收信号联合处理，可恢复出原始数据信号。 3 2 协同分集的提出 3 g 及其以后的无线通信系统，为了满足多速率多媒体通信的需求，不仅需要提高数据 的传输速率，还要提高系统的服务质量( q o s ) 。受到无线通信环境的多径衰落的影响，任何 通信的过程中移动用户数据都受到严重的信号衰落。为了对抗无线信道的多径衰落，人们 不仅采用了改进的信号处理元件( 如编码，调制，检测) 还运用各种形式的分集方法。其中， 无线环境的特殊性决定了分集方法的重要性。通过在相互独立的信道发送信号样本，分集 能有效地对抗衰落，某些特定的发送分集技术( 如a l a m o u t i 码) 已经被列入了无线标准。其 l o 南京邮电人学硕士研究生学位论文第三章协同分集 中空间分集技术由于其无需占用额外的时间和频率资源的特性，而受到广泛关注，使用空 间分集技术的m i m o 系统的优点已经被广泛认识。 但是，由于受到移动终端物理条件( 如体积，功率，天线位置设置等) 的限制，在一个 无线移动终端上无法设置多根天线，因此无线通信的上行链路中不能实现发送分集。为了 克服这一限制，s e n d o n a r i s 等人受到中继信道的启发，首先提出了协同分集的概念，使具 有单根天线的移动台获得空间分集增益，这分集增益是通过用户间的协同获得的。网内的 每个用户都有个“伙伴”用户。每对用户协同通信，它们不仅发送自己的信息，还发送 其“伙伴”用户的信息，通过共享天线来获得空间分集增益。这种用户间的协同不仅可以 应用在蜂窝网络中还可以应用在无线对等网络( a d h o c ) 中。 协同分集的最基本思想可以追溯到c o v e r 和e 1g a m a l 对中继信道所作的研究工作。文 章给出了由一个源点发送端，一个中继点，一个接收端的中继情况的信道容量。虽然协同 分集的思想起源于中继信道，但是还是与其有很大的区别。中继信道中，中继节点只中继 其信源节点的信号，并不发送自己的信号，但是在协同分集中每个用户既作为中继协同其 伙伴用户进行通信，也发送自己的信号。而且传统的中继没有分集功能，而通过协同可以 使单天线用户也获得分集增益。 3 2 1 协同分集技术的基本原理 从原理上讲，协同分集分为两步：第一步，源节点以广播的方式发送信号，目的节点 和所有的中继节点接收信号，其中中继节点对接收的信号进行处理；第二步，中继节点向 目的节点发送信号，目的节点通过某种合并方式合并两步接收到的信号。 单中继节点协同系统中的每个用户都有一个合作伙伴，互为合作伙伴的两个用户除 了要传输自己的信息外，还要协助其伙伴传输伙伴的信息。如图3 2 所示，用户l 用户2 互为合作伙伴，用户2 除了要在第一步传送自己的信息外，还要在第二步把从用户1 接收 到的信息传送给基站。这样用户l 与基站之间就产生了两条独立衰落路径：一条是用户1 与 基站之间的直接传输路径，另一条是用户1 ，用户2 与基站之间的间接传输路径。 南京邮电人学硕士研究生学位论文第三章协同分集 用p 2 基站 图3 2 协同分集的简单模型 从本质上说，协同分集就是借助于合作伙伴的天线，与其自身天线共同构造多发射天 线，通过形成虚拟的m i m o 系统来获得空间分集增益。如果在某个时段用户没有信息要传 送，那么在没有协同时其资源只能闲置，而协同分集则可以实现用户资源的充分利用。另 外，在用户资源没有闲置时，用户既要传送自己的信息，又要传送其合作伙伴的信息，会 牺牲一部分自己的资源，但另一方面，用户也通过协同分集利用了其合作伙伴的空域资源。 只要合理地设计协同方案，完全可以做到协同分集带来的增益大于其所付出的代价。综合 来讲，协同分集可以更有效地利用整个网络的资源，使网络性能更稳定 2 】。 3 3 协同分集分类 根据用户如何处理自己和“伙伴”信号的方法，协同分集可分为三种：放大前传( a f ， a m p l i f ya n df o r w a r d ) 、译码前传( d f ，d e c o d ea n df o r w a r d ) 和编码协同( c c ，c o d e c o o p e r a t i o n ) 。下面分别介绍这三种协同分集方案。 3 3 1 放大前传 在放大前传模式下，每个用户第一步都接收到其伙伴所发射的被噪声污染的信号，并 在第二步放大并转发这些被噪声污染的信号。目的接收端以一定的准则合并用户和其伙伴 所发送的信号，形成最终的判决。在这种方案中，尽管协同者在放大信号的同时也放大了 噪声，但接收端能接收到经两个独立衰落信道衰落的信号，仍然具有分集的作用，检测性 能得到了改善。研究表明，在两用户协同的情况下，用户间信道良好( 即用户间瞬时信噪比 较高) 时，放大前传方案分集阶数为2 1 3 。这里的分集阶数可以看作是空间不相关信道的个 数，不可以简单的看作是协同用户的个数。 1 2 占、 户 用 南京邮电人学硕：卜研究生学位论文第三章协同分集 3 3 2 译码前传 译码前传是最接近传统中继方法的，其设计初衷是在中继处消除噪声干扰，避免放大 前传模式中对噪声的放大。在这种模式下，中继点总是试图对接收到的其合作伙伴的信号 先进行解码，然后再进行编码转发给接收端，这样就去除了中继产生的噪声影响。这种中 继模式的优点是对各种信道都有较好的适应性。但问题是当用户间的信道条件比较差时， 作为中继的移动终端有可能无法正确解码，从而危害到基站的最终解码。 为了避免上述错误传播，l a n e m a n 等人提出了一种选择译码前传模式，当移动终端间 的瞬时信噪比比较高时( 大于某个特定的门阀值) ，中继节点译码并转发其合作伙伴的信 息，反之，不进行协同。可以证明【2 ，3 】，在信噪比较高时，两个移动终端的系统采用译码 前传模式不仅可和放大前传一样获得二阶的分集增益，而且可获得更低的误码率。 另一种对译码前传的改进方法是有校验的译码前传( d fw i t hc r c ) 。在这种方式下， 中继节点接收到源节点信号并进行译码后，先对其进行c r c 校验，如果正确则重新发送， 否则就抛弃该帧。这样就避免了错误信息的重传。 3 3 3 编码协同 编码协同是将协同技术和信道编码技术结合起来的一种技术。它通过两条不同的衰落 路径发送每个用户码字的不同部分。首先对接收到的协同伙伴的信息进行正确译码，再按 照原编码方式进行编码并发送冗余信息。这时系统性能的改善是通过在不同空间发送冗余 获得的。各移动终端通过重新编码发送不同的冗余信息，把分集和编码结合起来，从而达 到提升系统性能的目的。编码协同与以上两种模式的不同之处在于：中继节点并不是重复 发送接收到的数据，每个用户的码字被分为两部分，一部分由该用户传输，另一部分由协 同伙伴传输，即每个用户的码字通过两个独立的衰落信道发送出去。编码协同的基本思想 是，每个用户为其他用户传输增加的冗余比特，当这一过程不能完成时，则自动转回非协 同模式。通过码字设计，这一过程可以自动进行，不需要用户间反馈。此外，由于允许不 同的编码率及码字分段比率，协同编码对各种信道条件显示了更大的适应性。 3 4 协同分集的优点 促进m i m o 技术的实用化是协同分集最大的好处，它有可能带来无线通信领域的巨大 变革。传统的m i m o 技术通过在发射、接收端配置多个天线构成多发射、接收天线分集， 1 3 南京邮电大学硕f j 研究生学位论文 第三章协同分集 但对于小型移动终端来说是很不现实的，这就导致m i m o 技术在蜂窝网以及a d - h o e 等网 络中难以实用化。协同分集为m i m o 技术在小型移动终端的应用找到了新的出路，是一种 很有前途的空间分集技术。可以说。协同分集可以使m i m o 技术的各种优势得以发挥，能 够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、 有效对抗衰落以及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，协同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，而协同分集在 某种意义上可以看作是一种空跳。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，而跳时 技术在时间上也有类似的结论。协同分集技术从另一个角度可以看作是根据一定的准则( 某 种特定空跳图案) ，用户信息在空间方位上的跳变，其空跳增益可以根据跳频、跳时的结论 推出，随着参与用户数、空跳幅度以及跳速的提高，空跳增益将会越大。 3 5 协同分集的功率分配 目前的研究一般假设用户平均的发射功率，但是由于系统中各个节点的信道链路总是 有差异的，平均功率分配必定无法充分利用系统资源。为了实现系统的性能最优化，就不 得不把节点之间的功率分配考虑在内，因此对于协同系统其功率控制机制是非常重要的。 对于不同的优化目标，有各种不同的功率分配方案。在本文的下几个章节将分别对基于误 码率最小化的功率分配、基于容量最大化的功率分配、基于总功率最小的功率分配进行研 究分析。 3 6 本章小结 本章介绍了协同分集的基本原理，具体介绍了放大前传，译码前传，编码前传三种协 同方式及其优点。简要的介绍了协同系统中功率分配问题的重要性。 1 4 南京邮电大学硕t 研究生学位论文第p q 章基于误码率最小化的功率分配 第四章基于误码率最小化的功率分配 误码率( s e r ) 是用来衡量系统性能的最常用的指标之一。本章中首先对d f 和a f 协同系统的误码率性能进行分析，并在此基础上出以误码率最小化为准则设计和分析不同 中继策略下的最优功率分配方案。 4 1 系统模型 我们考虑单中继节点协同的简单情况，系统模型如图4 - 1 所示。信道系数h 。d ，h 和 h r d 是方差为。，和。的零均值复合高斯随机变量。噪声7 7 s d ，r l ，和仇。是方差为n o 的零均值复合高斯随机变量。各个信道是相互独立的，且假设接收端都知道信道系数，发 送端不知道信道系数。总功率为p l + p 2 p 。 n 甜 右回 ：咧 h r d 天 h j ：r i s d 曰u 掣为 图4 1 单中继节点协同模型 在时隙l ，无论系统采用的是译码前传协同还是发大前传协同，源点发送端广播它的 信息，接收端和中继点接收到的信号y s 。和y 可以表示为： y s d = p l h 。d x + 7 7 s d ( 4 1 ) y = 西x + r 。， ( 4 2 ) 式子中的只是发送端的发射功率，x 是传送信息的符号，7 7 s 。和仇，是加性白噪声。在( 4 1 ) 和( 4 2 ) 中，h 削和h 。，是发送端到接收端和中继点的信道链路系数。 在时隙2 ，如果系统采用的是译码前传协同，且中继点能j 下确的解调译码出第1 时隙 所接收到的信号，则中继点重新编码调制并用功率只向前传送译码信号，或则中继点不参 与协同。因此，在时隙2 中目的接收端接收到的来自中继点的信号可以写成 l s 南京i i i j , 1 2 , 人学硕。i j 研究生学位论文第四章基于误码率最小化的功率分配 n - - y r d = 4 p 2 h r d x + r “ ( 4 3 ) 志= 孑 粪鬈点正确解码后发送的信号功率 c 4 q 当系统采用放大前传协同时，中继点在时隙2 放大第1 时隙时接收到的信号并以传 送给接收端。此时目的接收端在第2 时隙所接收到中继节点的信号可表示为： ”d = 绋d ( 鼽，) + 仉d = 吃，i d x + r ( 4 5 ) 其中的是放大增益，= ， ，7 = 触d 仇d + 7 7 r d 是总的加性白噪声。 无论是译码前传还是放大前传，接收端都用最大比合并( m r c ) 方法合并两个时隙所 接收到的信号。目的接收端的输出信号可以表示为： y = a iy s d + a 2 y ，d ( 4 6 ) 式中，a 1 、a c 2 为接收端最大比合并加权系数。 4 2 译码前传 首先我们将计算译码前传协同系统采用m p s k 调制时的s e r ，为了便于后续的分析， 我们对s e r 表达式进行简化，以获得高信噪比条件下s e r 的近似表达式。最后基于误码 率最小化得出最优化功率分配方案【9 】。 4 2 1 译码前传协同系统的误码率 根据式( 4 6 ) 所示的系统模型，接收端接收的合并信号为y = a , y ，。+ a ：y r d ，式中的a l 和a 2 在d f 协同系统中可分别表示为a 。：止_ h ：。n 。，a ：i ：。n 。 假设发送信号x 的平均能量为1 ，则接收端的s n r 为： y ：坐! 业：! | ： 。 n o ( 4 7 ) 假设系统采用m p s k 调制，端到端的s e r 可以表示为 1 6 】： 呶k h r 。嘲“y ) 全去广州me x p ( - 蒜) d 口 ( 4 8 ) 式中，y 为接收信号的信噪比( s n r ) 。 1 6 南京邮电人学硕 j 研究生学位论文第四章基于误码率最小化的功率分配 中继点解调译码错误的概率是p s k ( r i h s