（信号与信息处理专业论文）基于双向中继技术的协同通信系统研究.pdf

东南大学学位论文独创性声明 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，也不包含为获得东南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： 名丝 日期：垄! ! ：! ：圣 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、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、缩印或其他复制手段保存论文。本人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) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名： 名鱼垄 导师签名：e l 期：垄! ! ：兰：墨 摘要 随着无线通信的迅猛发展，人们对无线通信系统中各种业务的需求日益广泛，对传输速率、服 务质量和系统业务容量等方面的要求与日俱增，传统蜂窝网络已呈现出不少弊端。新一代移动通信 系统将向高频段、高速率、高效率以及与因特网等其他网络相融合的方向发展，因此现有的蜂窝网 络架构以及无线传输技术需要有较人的变革。在现有蜂窝网络中加入中继站协作通信，被认为是在 不明显改变骨干网络结构的同时显著提高网络传输性能、解决或部分解决传统蜂窝网络弊端的有效 途径。 中继系统的一大缺憾就是采用半双工模式，损失了大量频谱效率。在处理语音通话、视频电话 等业务时传输速率不能得剑保障。而本文研究的双向m i m o 巾继系统有效解决了这个问题。通过双 向巾继网络编码，存保i j f 通信可靠性的同时，大幅度提升传输速率。本文研究的重点就是不同中继 模式下，双向中继网络编码的设计。论文主要有如下几方面的工作： 1 研究了a f 模式下及d f 模式下双向中继系统的流程；分析了双向中继系统的容量上界；将网络编 码应用于双向中继系统，并分析了小同模式下的吞吐造性能。 2 研究了d f 双向中继系统的两种经典处理方法：x o r 处理和s p c 处理；提出了基于有限反馈预编 码技术的d f 双向中继处理方案。 3 研究了a f 双向中继系统的中继策略：推导了中继理想波束形成矩阵的设计方法：分析了 m r r m r t 、z f r z f r 这两种次优处理方法；以及a f 双向中继中的线性预编码矩阵设计：并提 出了一种联合基站、中继、用户的波束形成方案。 4 研究了双向中继系统中如何通过调制的方式消除自干扰，实现信息的相互传递。分别讨论了适 用于b p s k 的干扰消除方法和q p s k 中的干扰消除方法：研究了自适应四进制或五进制的干扰消 除方案：并给 h 了近邻 1 类干扰消除网络编码的算法以及最小码间距离最大化算法。 关键词：双向中继，多输入多输出，网络编码， 放大中继模式( a f ) ，解码中继模式( d f ) ， 调制与干扰消除， a b s t r a c t a st h er a p i dd e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，t h ed e m a n df o rv a r i o u ss e r v i c ei nw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa n dt h ed e m a n df o rh i g h e rd a t ar a t e s ，b e r e rq u a l i t yo fs e r v i c e ，h i g h e rn e t w o r k c a p a c i t ya n du s e rc o v e r a g ei si n c r e a s i n gd a yb yd a y t h et r a d i t i o n a l c e l l u l a rn e t w o r k sr e f l e c tm a n y s h o r t c o m i n g s t h en e wg e n e r a t i o no fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sn e e d sh i g h e rs p e c t r u me f f i c i e n c y a n dh i g h e rp o w e re f f i c i e n c yt om e e tt h ed e m a n d so fh i g hq u a l i t yo fv o i c es e r v i c e s ，i n t e m e ta c c e s s ，h i g h s p e e do ff i l et r a n s m i s s i o na n dd o w n l o a d ，e t c t h er e l a ye n h a n c e dc e l l u l a rs y s t e mi sc o n s i d e r e dt o b ea p r o m i s i n gm e t h o dw h i c hc a nd e a l w i t ht h et r o u b l e so ft r a d i t i o n a lc e l l u l a rs y s t e mw i t h o u tt r e m e n d o u s c h a n g e so f t h ec e l l u l a rs t r u c t u r e o n eo ft h ec r u c i a lp r o b l e m si nr e l a ys y s t e m si st h a te a c hn o d ec a no n l yw o r ki nh a l f - d u p l e xm o d e ，w h i c h r e s u i t si nag r e a tl o to fl o s si ns p e c t r u me f f i c i e n c y m i m ot w o - w a yr e l a ys y s t e m ss t u d i e di nt h i st h e s i sc a n e f f e c t i v e l yd e a l st h ep r o b l e m d e p e n d i n go nt w o - w a yr e l a yn e t w o r kc o d i n g ，w ec a ni m p r o v el i n kr e l i a b i l i t y a sw e l la ss p e c t r u me f f i c i e n c y t h ee m p h a s i so ft h i st h e s i si st h ed e s i g no ft w o - w a yr e l a yn e t w o r kc o d i n g b a s e do nd i f f e r e n tr e l a ym o d e t h em a i nw o r k so ft h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s ： 1 s y s t e m sf l o wo fa ft w o - w a yr e l a ya n dd ft w o - w a yr e l a y , t h eu p p e rb o u n do ft w o - w a yr e l a yc h a n n e l ， n e t w o r kc o d i n gi nt w o - w a yr e l a yn e t w o r k ，a n dt h et h r o u g h p u to fa ft w o w a yr e l a ya n dd ft w o - w a y r e l a ya r es t u d i e d 2 t w oc l a s s i c a lp r o t o c o l sf o rd ft w o - w a yr e l a ys y s t e m s ：x o ra n ds p c 。l i m i t e df e e d b a c kp r e c o d i n gi n d ft w o - w a yr e l a ys y s t e m sa r es t u d i e d 3 a ft w o - w a yr e l a yp r o t o c o l s ，o p t i m a lr e l a yb e a m f o r m i n gf o ra ft w o w a yr e l a ys y s t e m s ，t w o s u b o p t i m a l s c h e m e sf o ra ft w o - w a yr e l a y s y s t e m s ：m r r - m r ta n dz f r - z f t , d e s i g no fl i n e a r p r e c o d i n gm a t r i xa r es t u d i e d b e a m f o r m i n gc o m b i n i n gb a s e s t a t i o n ，r e l a y , u s e ri sp r o p o s e d 4 s e l f - i n t e r f e r ec a n c e l a t i o nb yb p s km o d u l a t i o na n dq p s km o d u l a t i o ni ss t u d i e d s e l f - i n t e r f e r e c a n c e l a t i o nb y5 - a r ym o d u l a t i o na n dn e t w o r kc o d i n gd e s i g nm e t h o db a s e do nc l o s e s t - n e i g h b o r c l u s t e r i n ga r ep r o p o s e d k e y w o r d ：t w o - w a yr e l a y , m u l t i i n p u tm u l t i - o u t p u t ( m i m o ) ，n e t w o r kc o d i n g ， a 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 ) ， m o d u l a t i o na n ds e l f - i n t e r f e r ec a n c e l a t i o n i i i 目录 摘要i a b s t r a c t 1il 目录：v 第一章绪论1 1 1m i m o 技术概述1 1 1 1 平衰落m i m o 信道及信道容量l 1 1 2m i m o 系统的收发设计3 1 1 2 1 接收端检测3 1 1 2 2 空时编码4 1 1 2 3 预编码4 1 1 2 4 波束形成5 1 1 2 5 仿真结果5 1 2 中继增强型蜂窝无线通信网络概述6 1 2 1 中继增强型蜂窝无线通信网络架构。6 1 2 2 基于中继的协作方式分类8 1 3 单向中继传输策略8 1 3 1 单向中继传输信号分析。9 1 3 2 中继处理矩阵设计。9 1 3 2 1 目标s n rf 的m m s e 准则设计。l o 1 3 2 2 g r a s s m a n n i a n 波束形成l o 1 4 本文工作概述1 2 第二章双向中继系统中的网络编码1 3 2 1 双向中继系统流程1 3 2 2 双向中继系统容量1 4 2 2 1 双j 匈中继系统容量上界1 4 2 2 2 单、双向中继系统容量比较1 6 2 3 网络编码概述及在双向中继中的应用1 7 2 3 1 网络编码的基本概念及优缺点1 7 2 3 2 单向中继协议1 9 2 3 2d f 双向巾继协议2 0 2 3 2a f 双向中继协议2 l 2 4 仿真结果2 2 2 5 小结。2 4 v 第三章d f 双向中继策略2 5 3 1x o r 处理。2 5 3 2s p c 处理2 9 3 3 有限反馈预编码3 l 3 3 1 有限反馈预编码流程3 l 3 3 2 码本设计3 2 3 3 2 1g r a s s m a n 码本3 3 3 3 2 2 基于b e r 准则的码本。3 4 3 3 3d f 双向中继中的有限反馈预编码3 6 3 4 仿真结果3 6 3 5 卅、结4 l 第四章a f 双向中继策略4 3 4 1 理想波束形成4 3 4 1 1a f 双向中继传输信号分析4 3 4 1 2 a f 双向中继理想波束形成4 4 4 1 3 a f 双向中继次优波束形成。4 5 4 2a f 双向中继中的线性预编码。4 7 4 2 1 中继功率约束4 7 4 2 2 中继线性预编码4 7 4 3 联合基站、中继、用户的波束形成。4 9 4 4 仿真结果5 0 4 5 j 、结5 5 第五章双向中继系统中的调制与干扰消除5 7 5 1d n f 双向中继传输信弓分析5 7 5 2 适用于b p s k 调制的干扰消除5 8 5 3 适用于q p s k 调制的干扰消除5 8 5 3 1 干扰消除的设计准则5 9 5 3 2 四进制干扰消除5 9 5 3 3 五进制干扰消除6 l 5 3 仿真结果“ 5 4 ，j 、结6 5 第六章结束语6 7 6 1 论文工作总结。6 7 6 2 未来研究展望6 7 6 3 结语6 8 致谢6 9 参考文献7 1 v i 第一章绪论 随着无线通信技术的迅速发展，人们对无线通信、i k 务的需求更加丰富，传统的无线通信 网络架构已不能满足人们日益增长的需求。在未来的无线通信系统中有以下重点问题嗳待攻 关： 1 无线通信的数据传输速率应有大幅度提升； 2 无线通信的町靠性应该增强： 3 应保证小区的覆盖面积，消除“盲区”或“死区”，提升小区边缘用户的通信质量。 近些年来，针对新型无线通信网络的研究已有显著进展，一些新技术的出现有效解决了 以上问题。如现已渐渐走向成熟的m i m o 技术带来的容量提升是十分可观的，同时在现有 蜂窝小区架构中加入中继节点可以有效解决边缘用户通信的可靠性问题。基于在网络结构中 引入q 1 继的协作通信的研究，以及它与m i m o 链路技术的融合被认为是高速率覆盖的最可 行的结构上的改进，并在未来移动通信( 3 g p p ，3 g p p 2 ，b 3 g ，4 g ) 、无线局域网( w l a n s ) ( 8 0 2 1 1 ) 和宽带无线网( 8 0 2 1 6 ) 等标准的制订时都考虑了如何引入中继协作处理的问题 i t 。更进一步考虑，m i m o 中继系统的一大缺憾就是采用半双工模式( h a l f - d u p l e x ) 损失了 大量频谱效率。而本文研究的双向m i m ol f l 继系统就很好解决了这个问题，这在以往的大 部分研究中未曾出现，可以说有一定的开创性意义。本章节简要介绍一下m i m o 技术和中 继增强型无线通信网络的架构，为更好的探讨双向| i 继传输技术做准备。 1 1m i m o 技术概述 1 9 9 9 年，t e l a t a r 首次提出了在发射端和接收端同时采用多根天线进行传输的技术，即 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 ) 系纠2 1 。经过1 0 年的研究，m i m o 技术日 益成熟，已被绝大多数通信协议所采纳，是未来通信系统的必备技术。 1 1 1 平衰落m i m o 信道及信道容量 本文的人部分研究都是建立在平衰落m i m o 信道模型上的，图1 - 1 给出了一个平衰落 m i m o 信道模型3 1 。 对于一个川根发射天线，r 根接收天线的m i m o 系统，平衰落m i m o 信道可以表示 为如下，x m 维的矩阵： h ( ) = 啊( 行)矗：( 门)啊m ( ”) 呜，( 刀)魄：( 刀)红m ( 刀) ； ； ； k ( 刀) k ：( 胛) k m ( 刀) 其中( 疗) 表示第刀时刻从第根发射天线到第i 根接收天线之间的信道响应。 东南大学硕士学位论文 y 。地羔 纽l 咎： 孓垮羔 图1 1 平衰落m i m o 信道模型 平衰落m i m o 信道的传输关系为： y = h x + n ( 1 2 ) 其中，y 是r 1 维的接收信号向量，x 是l l 维的发射信号向量，且满足 t r a c e ( r ，) = t r a c e ( e ( x x ) ) = 巨，即发射信号的总功率为巨；h c m 。m 为能量归一化的 m i m o 信道矩阵；n 是加性自高斯噪声，均值为0 ，方差为。 因此，根据信息论，可以推导得到m 1 m o 信道的信道容量： c = 嚣小9 2 d e 砸m + 志剐， m 3 ， 其中信道容量c 的单位为b i t h z - i , s 一，d e t ( 1 表示矩阵行列式。 如果发射端无法获知信道信息，只能假设各发射天线上的信号相互独立且能量相等，即 r 。= i ，则此时的信道容量为： c 扎g ：m + 志叫 。4 ) c = 舡( ，+ 志t 旬 m 5 ， f = l v -， 式中，表示信道矩阵h 的秩，而五，i = l ，2 ，厂则为h h 的非零特征值。可见m i m o 信 道的容量可以分解为，个s i s o 子信道的容量之和。若发射端已知信道信息，可以对各子信 道进行功率分配，使式( 1 - 3 ) 取得最大值，a 0 - ，、 c 一舡( 船t 叫 m 6 ， ，= l o t u - 式中，乃= e | x 1 2 表示了各自信道上的功率分配，且满足乃= m 。最优的一组乃应当满 足： 以= ( 一普卜乩2 ，r m 乃 其中，( x ) + 定义为： 2 k y yvj 三 三 ! 第一章绪论 + = 岳 x o z 0 满足式( 1 7 ) 的最佳功率分配可由注水算法( w a t e rf i l l i n g ) 求得1 2 i 。 1 1 2m i m o 系统的收发设计 ( 1 - 8 ) t e l a t a r 从理论卜指出，m i m o 信道的容量随发射天线数渐进的呈线性增长，较传统的 单输入单输出( s i n g l e i n p u ts i n g l e o u t p u t ，s i s o ) 系统有夫幅度提升，极大提岛了系统的频谱 利用率。这个结论显而易见，m i m o 系统采用丁空间分集( s p a t i a lm u l t i p l e x i n g ) 技术，在多根 发射天线上同时传输多路数据，从而成倍提升了信息的传输速率。但是在实际的通信系统中 如何设计收发方式有效逼近m i m o 系统的理论极限是近几年来的一个热点问题。这里简单 罗列几种典型的收发处理方案： 1 1 2 1 接收端检测 接收端检测包括最大似然检测、线性检测、分层检测等。最大似然检测的目的是最小化 检测错误概率，尽管该方法可以使系统获得最佳的误码性能，仍鉴于其运算复杂度太高，在 实际系统中往往难以实时实现。线性检测的基本思想足通过对接收信号进行预处理，即先实 现各路信号的分离，再对每一路都可以独立地进行检测，凶而算法复杂度与信号字符集大小 呈线性关系。常见的线性检测包括基于迫零( z e r of o r c i n g ，z f ) 准则和最小均方误差( m i n i m u m m e a ns q u a r ee r r o r , m m s e ) 准则的两种算法。式( 1 - 2 ) 中接收信号y 经过接收端处理g ，得到 信号z ： z = g y = g ( h x + n ) ( 1 - 9 ) 对于迫零检测g ：f = h = ( h h ) _ h ，代入式( 1 9 ) 可得： z = g z f y = h ( h x + n ) = x + h + n ( 1 i o ) 对于最小均方误差检测g m 船= ( r l h + z i ) 叫h 其中，p 表示信噪比，代入式( 1 9 ) 可得： 尸 1 z = - - 1 h h x + h n 】( 1 1 1 ) p 早在1 9 9 8 年，w o l n i a n s k y 等人提出的v b l a s t 空时结构中采用了一种基于排序的干扰消 除检测，并取得了较好的性能1 4 1 。该算法将m i m o 系统的每根发射天线上的信号视为一 层，利用干扰消除的思想逐层检测，但是在每一次检测之前需要对待检测的各路信号按照后 验信噪比进行排序，选择信噪比最高的一路优先榆测，如此反复直至检测完毕。与线性检测 类似，分层检测也包括z f 和m m s e 两种方法。 3 东南大学硕上学位论文 1 1 2 2 空时编码 空时编码( s p a c e t i m ec o d i n g ，s t c ) ，包括空时格码( s p a c e t i m et r e l l i sc o d e ，s t t c ) 和空时 分组码( s p a c e - t i m eb l o c kc o d e ，s t b c ) 。t a r o k h 等人推导了空时码的设计准则，通过一对不 同的编码序列构造出一个矩阵，基于成对差错概率( p a i r w i s ee r r o rp r o b a b i l i t y ，p e p ) 分析得 到空时码设计的秩准则和行列式准则，并在此基础卜提出了守时格码的编解码方法哺1 。由于 空时格码的解码复杂度过高，人们开始寻求其它的窄时编码方法，最早由a l a m o u t i 提出了 一种两根发射天线的空时编码方案，该方案在发射端未知信道信息的情况下进行编码，接收 端只需对接收信号简单的线性组合就能够实现最大似然检测，并获得满分集增益1 。由于这 种编码方案简单的编解码结构，受到了包括w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 在内的很多通信标准 的关注。此后t a r o k h 将这种思想推广到多根发射天线的情况，提出了正交空时分组码，同 样可以通过线性运算获得满分集增益1 7 】【引。 1 1 2 3 预编码 预编码( p r e c o d i n g ) ，根据下行链路服务用户数可以分为单用户预编码和多用户预编码； 根据算法设计理念可以分为线性预编码和非线性预编码。本文主要涉及的是单用户线性预编 码。在m i m o 系统中，通过信道估计，用户可以获知自身的信道状态信息c s i ( c h a n n e ls t a t e i n f o r m a t i o n 。c s i ) ，但发射端对信道情况却一无所知，通过在系统中划分部分信道资源作为 用户的上行信道，将用户的c s i 部分或完全地反馈给基站从而构成一个闭环系统，那么基站 就可以进行一些预处理，尽量降低信道干扰，极大地提高系统性能。为了能在发射端获得 c s i ，信道应当是时不变的，或者在一段相对长的时间内大致恒定。依靠发射端获知的c s i 以及发射信号进行预处理，则此时用户的接收信号为 y = r i p ( x l a ，x ) + n ( 1 - 1 2 ) 其中预处理映射p ( ) 可以利用发射端已知的全部信息进行设计，因此是h 和x 的函数。 如果p 是线性的，那么这种预处理方法就是线性预编码，则上式简化为 y = h p x + i l( 1 1 3 ) 其中p 是h 和x 的线性函数。 对信道矩阵进行奇异值分解( s i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o n ，s v d ) ，将信道分解为 h = u v 爿，其中u 和v 是酉矩阵，是对角阵，对角线元素对应s i s o 信道增益且为顺 序排列。将数据信号x 向量左乘v ，在接收端乘上u 爿，则原来的m i m o 信道h 被对角化， 即将m i m o 信道转换为一组并行的s i s o 信道。这种方法即不会增加发射能量，也不会放大噪 声。 如果假设p 与x 无关，并且能让信道矩阵h 转化为对角阵，称这种预处理方式为迫零 预编码，b ，= h 。如果是在m m s e 准则下进行迫零，则称为m m s e 预编码， ：( h h + 土i ) 一- h ，其中，p 表示信噪比。 p 4 第一章绪论 1 1 2 4 波束形成 波束形成( b e a m f o r m i n g ) 技术的基本思想与预编码技术相类似，区别在于预编码的每一 路发射天线均发送不同的数据流，而波束形成只发送。一路或n 路( n 小于发射天线数) 数据，通 过发射端的处理将一路或1 3 路数据流在所有发射天线卜发送。对信道矩阵h 进行s v d 分解， 选取一个或n 个最大信道增益所对应的西阵向量，即v ( ：，l ：刀) 和u ( ：，1 ：刀) “，将数据信号x 向量左乘v ( ：，1 ：刀) ，在接收端乘上u ( ：，l ：刀) h 。在发射总功率一定的情况下，波束形成町 获得更好的误码性能。 1 1 2 5 仿真结果 图1 2 比较了4 发4 收m i m o 系统不同收发方式f 的误码性能。系统采用q p s k 调制， 发射信号的总功率一定，分别比较了最大似然接收( m l ) 、迫零接收( z f ) 、最小均方误差接收 ( m m s e ) 、v - b l a s t 接收、通过对信道矩阵s v d 分解的预编码、迫零预编码、最小均方误 差预编码、只发送一路数据的波束形成，所有处理都未经过功率注水。可以看出波束形成可 以获得最好的误码性能；同一种收发方式中m m s e 比z f 的性能要好；v - b l a s t 接受处理 比一般线性接收机性能更好。 ； + m l 十亚 ，m m b - ；e 营7 2 ：b l a s t ，m m s e b l a s t - 一p m c o d m g ( s v d ) 每p m c o d m g - z t ；蓦一 - p r e c o d m g - m m s e 。pb e a m f o r m m g 耄? 。蜢一) _ _ 鼍 、枣、n 套s k l 、 、 篓纛 ”、n k 、溆冬o 篝 、， 、f k 、 、 卜。?瓠 专 、k n 、 、 叁塾 i、 | 。 、 、 、 f l ， y 、 ； ： r s n r ( 咖 图1 24 发4 收系统不同收发方式的误码率比较 5 东南大学硕士学位论文 1 2 中继增强型蜂窝无线通信网络概述 随着用户对高速无线通信网络的需求与期待日益殷切，新一代的移动通信系统被期待能 提供更高的信息传输率、更广的信号覆盖范围，以便在不久的将来让用户利用无线传输得到 与现今有线宽带网络相同甚至更佳的服务。现今移动通信网络中- 卡要是采用微小区( m i c r o c e l i ) 基站或直放, 站( r e p e a t e r ) 的部署来改善此问题，然而前者的问题在于成本较高，后者则会 有干扰信号被一并放大的问题，较缺乏智能型控制机制。为了在成本及效能间达成更佳的平 衡点，各无线通信联盟都大力研究在现有无线蜂窝网络中加入中继站( r e l a y ) 的可行性。 1 2 1 中继增强型蜂窝无线通信网络架构 目前无线接入网络( r a d i oa c c e s sn e t w o r k 。r a n ) 的体系结构丰要由众多的基站与客户端 组成，通过网络规划可将基站部署在适当的地点以确保有限传输功率下也可使信号完整地覆 盖特定区域。然而在规划基站覆盖范围时，需要考虑地形地物可能造成信号的阴影衰落效应， 结果使有效覆盖范围需大幅度缩小以确保客户端在信号遭到严重遮蔽时仍有一定的概率可 维持连线。因此通过信号转发以避免遭受严重遮蔽效应的概念便应运而生，其概念如下图所 示。 n o n - l i n e - o f - s i g h t ( n l o s t r a n s m i s s i o n = w o r s es i 掣l a jq u a l i t y ，l o w e rr a t e 。 ( 曩) l i n e - o f - s i g h t ( l o s ) t r a n s m i s s i o n 静b e t t e rs i g n a lq u a l i t y h i g h e rm 姆 图l - 3 ( a ) 未采用中继时信号遭受严重阴影衰落；( b ) 通过中继转发以避开不理想的传播路径 r e l a ys t a t i o n 首先接收来自基站发送的信号，接着再将信号转送给客户端。通过适当地 部署r e l a ys t a t i o n ，可使信号避开不理想的传播路径以减少哀减，同时在转发信号时可再度 放大其功率，这样双管齐下，可使得客户端所接收到的信号质量大幅度改善。 虽然r e l a y 技术的开发并不容易，但它对于系统的效益是显而易见的。相比于过去在信 号质量不佳的地点增设微小区基站，r e l a ys t a t i o n 的成本应该低廉得多。原因在于r e l a y s t a t i o n 不需要有线骨干网络( w i r e 1 i n eb a c k h a u l ) 的设置，可大幅度节省电信运营商为构建骨 干网络所耗费的成本( 如道路开挖、电路租用等) 。且省去了网络处理功能的r e l a ys t a t i o n ， 其复杂度和成本也将远低于基站，因此虽然其提供的效果可能不如增设微小区纂站，但其低 成本与灵活部署的优势对电信运营商而言仍有很大吸引力。 6 第一章绪论 除此之外，相比于传统的直放站而言，r e l a ys t a t i o n 也有其优势。与传统类比式直放站 将所有收到的信号无差别地放人有所不同，r e l a ys t a t i o n 会对接收到的信l 号进行数字处理， 依功能复杂度的不同可单纯将信息转送给用户，或者进行更高级的智能型信号处理及传输调 度以进一步提升性能。另外，由于r e l a ys t a t i o n 在接收信号时已对干扰信号进行处理，因此 转发时可将其全部的传输功率分配在需转发的信号上，而不是将其它不需要转发或干扰的信 号起传送。不仅如此，多个相邻的r e l a ys t a t i o n 之间町以将信号多跳( m u l t i h o p ) 转发，以 送达更远的地点，这些灵活性都足传统的直放站难以具备的。 i e e e8 0 2 1 6 标准制定组织自2 0 0 5 年九月开始成屯m o b i l e m u l t i h o p r e l a y ( m m r ) 研究小 组( s t u d yg r o u p ，s g ) 以研究在i e e e8 0 2 1 6 系统中采用r e l a y 技术的可行性，并于2 0 0 6 年三 月通过i e e e8 0 2 执行委员会( e x e c u t i v ec o m m i t t e e ，e c ) 的核准成立i e e e8 0 2 1 6 jr e l a y 工作 小组( t a s kg r o u p ，t g ) 。近年来，1 e e e 主推的8 0 2 1 6 m 系统不属于w i m a x ( 8 0 2 1 6 j ) 标准， 但叮以在两标准之间建立一个共享平台。8 0 2 1 6 m 和w i m a x 的系统架构中都包含r e l a y 这个节点，可以预见中继技术在未来无线通信中的重要作用。 l t e ( l o n gt e r me v o l u t i o n ，l t e ) 项目是3 g 的演进，始于2 0 0 4 年3 g p p 的多伦多会议。 l t e 并非人们普遍误解的4 g 技术，而是3 g 与4 g 技术之间的个过渡，是3 9 g 的全球标 准，它改进并增强了3 g 的窄巾接入技术，采用o f d m 和m i m o 作为其无线网络演进的唯一 标准。其性能指标人致包括：在2 0 m h z 频谱带宽下能够提供下行1 0 0 m b i t s 与上行5 0 m b i t s 的峰值速率；改善小区边缘用户的性能：用户平面内部币向传输时延低于5 m s ，控制平面从 睡眠状态到激活状态迁移时问低于5 0 m s ，从驻留状态到激活状态的迁移时间小于1 0 0 m s ； 支持1 0 0 k m 半径的小区覆盖：能够为3 5 0 k m h 高速移动用户提供大于1 0 0 k b p s 的接入服务； 支持成对或非成对频谱，并可灵活配置1 2 5m h z 到2 0 m h z 多种带宽。l t e 采用由n o d e b 构成的单层结构，这种结构有利于简化网络和减小延迟，实现了低时延，低复杂度和 低成本的要求，与传统的3 g p p 接入网相比，l t e 减少了r n c 节点。名义上l t e 是 对3 g 的演进，但事实上它对3 g p p 的整个体系架构作了革命性的变革，逐步趋近于 典型的i p 宽带网结构。近年来l t e 对于r e l a y 技术的引入非常关切，各类提案也层 出不穷。 弧 。一6 卜。囊一，；一j 图1 - 4 ( a ) w i m a x 中加入中继站的系统模型：( b ) l t e ar i - 0 8 3 2 0 5 中加入l l 继站的系统模型 7 t - 东南大学硕上学位论文 1 2 2 基于中继的协作方式分类 基于中继的协作传输可有多种分类方式： a )按照双工模式可以分为半双工协作和全双工协作。半双工协作是指不能同时发送和接 收，即发送和接收信道一。定是正交的。发送和接收信号之间的正交性可以是时域的、频 域的，或使用任何一个在时频平面正交的信号集，半双工可分为f d d 和t d d ；全双工 协作是指可以同时发送和接收，但这哩却不能保证正交性，这样就会产生干扰，所以并 不常用。 b )按照多址方式或信道的正交方式，可以分为在c d m a 、t d m a 以及f d m a 等模式下实 现。i e e e8 0 2 1 6 标准制定和l t e 项目演进中，都采用o f d m a 技术作为其无线网络演 进的唯一标准。 c )按照信号处理的方式可分为放大中继模式( a f ) 、解码中继模式( d f ) 、选择中继模式 ( s r ) 以及编码协作模式( c c ) 。更进一步，还可以把它们分为两种基本模式：模拟 ( a n a l o g ) 模式和数字( d i g i t a l ) 模式。在1 1 1 继的模拟模式中。信号不需要经过信号处 理就被中继发送出去，a f 就属丁：这种模式，这种模式义被称为“非再生中继 ( n o n r e g e n e r a t i v er e l a y i n g ) ”：在中继的数字模式中，中继需对信号进行解码然后再编 码，d f 和c c 就属于这一类，这种模式又被称为“再生中继( r e g e n e r a t i v er e l a y i n g ) ” 9 1 。 本文主要涉及的是a f 中继系统和d f 巾继系统，这也是近年各国科学研究的重点，更 有可能应用子下一代无线通信网络中。 放大中继模式作为预测中继模式的一个特例，中继节点只是简单地放大转发收到的信 号，在放大转发的过程中，接收到的信号的噪声部分也被放大并转发出去。现在已经有很多 文献讨论了中继处理矩阵的设计，可以将噪声部分转化为有效信号，增强系统的误码性能， 使系统获得更佳的稳定性。 对于解码中继而言，中继节点总是试图对接收到的信源信号先进行解码，然后再进行编 码转发给信宿。此过程的性能改善是通过在小同空间霞传冗余信息而得到的。这种中继模式 的优点对各种信道都有较好的适应性。但当信道质量较差时，很可能造成中继节点和信宿部 无法正确解码，此时协作分集传输不能达到完伞分集。对中继网络的协作模式的研究表明， 当信源距离中继较近时，解码中继模式近十最优；当中继距离目的端较近时，预测巾继模式 更好1 1 0 1 。 1 3 单向中继传输策略 近年来，各国学者对单向中继传输策略已进行详细研究，系统模型很多，有三节点模型 i l q l l 2 1 ，有多中继模型1 3 1 1 1 4 1 ，有多用户模型1 1 5 】，这里针对三节点模型简要介绍几种典型策略， 以便与之后讨论的双向中继技术进行比较。下两图分别为单向中继2 系统框图和流程图。 8 第一章绪论 8 0 8 1 sl 屯s 1 m 一一l 图1 - 5 ( a ) 单向中继系统框图 钐 1 y t - 一l 肘xl m m 图1 - 5 ( b ) 单向中继流程图 1 3 1 单向中继传输信号分析 该系统中，发射端l 根天线，中继站m 根天线，接收端n 根天线。发射端发送信号s 为 l x l 的列向量，经过m x l 的m i