（通信与信息系统专业论文）无线通信中协同分集的性能分析与编码技术研究.pdf

摘要 摘要 信道衰落是制约无线通信的瓶颈之一，分集是一种抵抗衰落的有效技术。与 时间分集和频率分集相比，空间分集技术可以在不增加时间或频率资源的前提下 提高系统的可靠性。众多空间分集技术中，在收发两端同时采用多根天线的多输 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 ) 技术可获得高分集增益并增加频谱利用 率，成为了近十多年无线通信的研究热点之一。但由于能量、价格、尺寸等因素 的限制，以便携为目的的移动终端使用多根天线面临困难。因此出现了一种新的 空间分集技术协同分集( c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y ) ，它可使单天线终端在多用户或 中继环境下通过共享它们的天线而构成能取得空间分集的虚拟m i m o 系统，同时 可以提高蜂窝小区边缘用户的性能和基站覆盖面积，是近几年继m i m o 之后的一 个新兴的研究方向。本文主要研究无线通信中协同分集技术的理论性能、空时编 码设计及在多载波无线通信系统中的协同信号设计与性能分析问题。 第二章研究了平坦衰落下未编码协同通信的性能。首先仿真了不同数目的中 继节点时协同通信系统性能，结果表明采用一个中继能获得最大平均增益。接着 研究了在协同通信网络中，能够正确译码的中继的个数服从均匀分布、泊松分布 或正态分布三种情形，并推导出相应的误符号率的闭合表达式。最后介绍了基于 信号空间分集技术的协同通信系统，通过仿真验证了正交相移键控( q u a d r a t u r e p h a s es h i f tk e y i n g ，q p s k ) 调制下最优旋转角度，并得出了二进制相移键控( b i n a r y p h a s es h i f tk e y i n g ，b p s k ) 调制下最优旋转角度。b p s k 调制下，当b e r = 1 0 。4 时采 用最优选择角度相比不旋转可获得8 5 d b 增益。 第三章研究了平坦衰落下分布式空时编码的性能。首先介绍了m i m o 系统中 采用两天线空时分组码( a l a m o u t i 码) 的基本原理，接着研究了采用分布式两天线空 时分组码( a l a m o u t i 码) 的协同通信系统，推导出放大前传( a m p l i f y a n d f o r w a r d ， a f ) 和自适应解码前传( d e c o d e a n d f o r w a r d ，d f ) 方式下采用分布式a l a m o u t i 码的 协同通信系统的误符号率。最后推导出自适应d f 方式下采用b p s k 调制时中继节 点的最优位置，并通过仿真得出其它中继信号处理方式和调制下的最优中继位置。 第四章研究了频率选择性衰落下正交频分复用( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n 摘要 m u l t i p l e x i n g ，o f d m ) 协同通信的性能。首先推导出b p s k 和1 6 进制正交幅度调 铝l j ( q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n ，q a m ) 黼j t 两跳o f d m 协同通信系统的误 比特率；接着介绍了一种的采用分布式a l a m o u t i 码的o f d m 协同通信系统，并提 出了一种新的采用分布式a l a m o u t i 码的o f d m 协同通信系统，仿真结果表明所提 系统相比原有系统可获得2 d b 的性能增益。 最后一章总结了全文，并指出了后续的研究工作和未来可能的研究方向。 关键词：a l a m o u t i 码，协同分集，矩母生成函数，信号空间分集，误符号率 a b s t r a c t a b s t r a c t w i r e l e s sc h a n n e lf a d i n gi so n eo ft h eb o t t l en e c k st h a tr e s t r i c tt h ed e v e l o p m e n to f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，a n dd i v e r s i t yi sa ne f f e c t i v et e c h n i q u et oc o m b a tf a d i n gi n w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s c o m p a r i n gw i t ht h et i m ed i v e r s i t ya n df r e q u e n c yd i v e r s i t y ， s p a c ed i v e r s i t yc a na c h i e v ed r a m a t i cp e r f o r m a n c eg a i nw i t h o mc o n s u m i n ga d d i t i o n a l t i m eo rb a n d w i d t h b e c a u s eo fh i g hd i v e r s i t yg a i na n ds p e c t r u mu t i l i z a t i o n , m u l t i - i n p u t m u l t i - o u t p u t ( m i m o ) ，at y p i c a ls p a c ed i v e r s i t yt e c h n i q u ew h i c ha d o p t sm u l t i p l e a n t e n n a sa tt h et r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e ra tt h es a m et i m e ，h a sb e e nah o tr e s e a r c ht o p i c i nr e c e n tt e ny e a r s h o w e v e r , s o m ew i r e l e s sd e v i c e sa l el i m i t e db yp o w e r ，s i z eo r h a r d w a r ec o m p l e x i t y s oc o o p e r a t i v ed i v e r s i t yo rc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n sw a s p r o p o s e d , w h i c he n a b l e ss i n g l e - a n t e n n at e r m i n a l si nm u l t i u s e re n v i r o n m e n tt o s h a r e t h e i ra n t e n n a sa n dg e n e r a t eav i r t u a lm u l t i p l e a n t e n n at r a n s m i t t e rt h a ta l l o w st h e mt o a c h i e v es p a c ed i v e r s i t y a tt h es a m et i m ei tc a l le x t e n dt h ec e l lc o v e r a g ea n di m p r o v e t h ec e l le d g ep e r f o r m a n c e ，s oc o o p e r a t i v ed i v e r s i t yi sc u r r e n t l yav e r ya c t i v er e s e a r c h d i r e c t i o n t h i sd i s s e r t a t i o nw i l lf o c u so nt h et h e o r e t i c a lp e r f o r m a n c e ，s p a c e - t i m ec o d e d e s i g n , s i g n a ld e s i g na n dp e r f o r m a n c ea n a l y s i si nm u l t i c a r r i e rs y s t e mo fc o o p e r a t i v e d i v e r s i t yi nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s t h i sd i s s e r t a t i o nc o n s i s t so ff i v ec h a p t e r s i n c h a p t e ro n e ，f i r s t o fa l l ，t h e b a c k g r o u n d , c u r r e n ts i t u a t i o n , f o r e g r o u n da n de x i s t i n gp r o b l e m s o fc o o p e r a t i v e d i v e r s i t ya r ei n t r o d u c e d m o r e o v e r ，t h em a i nw o r k so f t h i sd i s s e r t a t i o na r es u m m a r i z e d i nc h a p t e rt w o ，w es t u d yt h ep e r f o r m a n c eo fu n c o d e dc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m si nf l a tf a d i n g w ei n v e s t i g a t et h ep e r f o r m a n c eo fc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m sw i t hd i f f e r e n tn u m b e rr e l a y s t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e mw i t h o n er e l a yc o u l da c h i e v e1 l a x i l t i u l t ia v e r a g eg a i n m o r e o v e r ，w ed e r i v ee x a c ta v e r a g e s y m b o le r r o rr a t e ( s e r ) e x p r e s s i o no f ac o o p e r a t i v ew i r e l e s st r a n s m i s s i o n 谢t ha d a p t i v e d e c o d e - a n d f o r w a r d ( d f ) p r o t o c o l ，w h e r et h en u m b e ro fr e l a y s o rc o o p e r a t i v eu s e r n o d e s ，w h i c hc a nc o r r e c t l yd e c o d et h er e c e i v e ds i g n a l ，i sar a n d o mv a r i a b l es u b j e c tt o t h ep o i s s o nd i s t r i b u t i o n , t h en o r m a ld i s t r i b u t i o n , o rt h eu n i f o r md i s t r i b u t i o n , 1 1 1 a 5 s t r a c t r e s p e c t i v e l y f i n a l l y ，w ev a l i d a t et h eo p t i m a lp r e e o d e ro fc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m 、析t l lq u a d r a t u r ep h a s es h i f tk e y i n g ( q p s k ) s i g n a la n dg e tt h eo p t i m a lp r e c o d e r f o rb i n a r yp h a s es h i f tk e y i n g ( b p s k ) s i g n a lw h i c hw i l lm n ga g a i no f8 5d b i n c h a p t e rt h r e e ，w es t u d yt h ep e r f o r m a n c eo fd i s t r i b u t e ds p a c e t i m ec o d e d 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 s i nf l a t f a d i n g f i r s t o fa l l ，w ed e r i v e d a p p r o x i m a t i v ea n a l y t i c a ls e re x p r e s s i o n so fa m p l i f y a n d f o r w a r d ( a f ) m e t h o d ， a n a l y t i c a ls e re x p r e s s i o n so fa d a p t i v ed fm e t h o di nt h ec o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m 、析md i s t r i b u t e da l a m o u t ic o d e t h e no p t i m a lr e l a yl o c a t i o no fa d a p t i v ed f m e t h o dw i t hb p s ks i g n a li sd e r i v e da n do t h e r sa r eg i v e nt h r o u g hs i m u l a t i o n i nc h a p t e rf o u r ，w es t u d yt h ep e r f o r m a n c eo fc 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 s o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( o f d l v oi nf r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n g f i r s t l y ，b i te r r o rr a t e ( b e r ) e x p r e s s i o n so ft w oh o po f d mc o o p e r a t i v et r a n s m i s s i o n s y s t e mw i t hb p s ka n d16 - q a ms i g n a l s a r ed e r i v e d m o r e o v e r ，an e wo f d m c o o p e r a t i v et r a n s m i s s i o ns c h e m e 谢t hd i s t r i b u t e da l m o u t ic o d ei sp r o p o s e d ，w h i c h i m p r o v e ss e rp e r f o r m a n c eb y2d bw h e ns e re q u a lt o10 a f i n a l l y ，s o m ec o n c l u s i o n so ft h ed i s s e r t a t i o na r ed r a w n ，a n dt h ef u r t h e rr e s e a r c h i s s u e sa r ep o i n t e do u t k e y w o r d s ：a l a m o u t ic o d e ，c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y ，m o m e n tg e n e r a t i n gf u n c t i o n , s i g n a ls p a c ed i v e r s i t y ，s y m b o le r r o er a t e i v 图目录 图1 1 图1 2 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 - 8 图2 9 图2 1 0 图2 1 l 图2 1 2 图2 1 3 图2 1 4 图2 1 5 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 - 9 图3 1 0 图4 1 图4 2 图目录 协同分集系统原理图4 全文的研究思路和结构11 多用户协同分集等效系统模型1 4 调制方式下两个用户协同性能的比较1 6 多中继协同性能17 随机中继的协同系统模型1 9 平均误符号率一万服从均匀分布2 5 平均误符号率一行服从泊松分布2 5 平均误符号率一万服从正态分布2 6 分集度三不同时的系统性能2 7 信号空间分集系统模型2 7 旋转矩阵为乙n 2 时系统性能2 8 旋转矩阵为乙一时系统性能2 9 单中继协同通信系统模型3 0 旋转角度不同时系统性能( e = 2 0 d b ，4 一q a m ) 3 1 旋转角度不同时系统性能( 庐1 5 d b ，b p s k ) 3 2 旋转前后系统性能比较3 2 a l a m o u t i 空时编码器原理框图3 5 a l a m o u t i 方案接收机原理框图3 5 a l a m o u t i 方案系统性能3 6 包含路径损耗的协同通信系统模型3 7 a f 方式下系统性能一b p s k 。4 3 a f 方式下系统性f l g - - q p s k 和1 6 q a m 4 4 自适应d f 方式下系统性能一b p s k 4 4 自适应d f 方式下系统性能- - q p s k 和1 6 q a m 4 5 混合a f d f 方式下系统性能4 5 中继处于最优位置时不同中继方式下系统性能比较4 6 传统正交多载波传输系统示意图4 9 o f d m 系统原理框图5 0 i 图目录 图4 3 图4 _ 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 11 图4 1 2 图4 1 3 a p s 时数值和仿真结果图( 4 一q a m ，e s n o = 3 5 d a ) 一5 4 a p s 时数值和仿真结果图( 1 6 一q a m 和b p s k ，e s n o = 3 5 d b ) 5 5 a p s 时数值和仿真结果图5 7 a p s 时数值和仿真结果图( 存在直接链路) 5 7 r 到d 无衰落时系统性能( 2 径) 一6 0 r 到d 无衰落时系统性f 毙( t u1 2 径) 6 l r 到d 经历不同衰落时系统性能6 1 各路径衰落为t u1 2 径时系统性能6 2 r 到d 无衰落时系统性能( - r - t j1 2 径，协议i ) 6 4 r 到d 经历不同衰落时系统性能( 协议i ) 6 4 各路径衰落为t u1 2 径时系统性能( 协议i ) 6 5 表目录 表目录 表1 1 基于t d m a 的三种协同协议4 表2 1 均匀分布的概率密度2 0 表2 2 各种检测算法复杂度比较3 0 表4 1 ，r u1 2 径信道参数6 0 i x 缩略词表 3 g p p 4 g 蟠 a p s k n g r b e r b p s k c c c d m a c f c i o d c p c r c c s i d a f d c f d f d f t d s t b c f d 【a f f t i d f t i f f t i p s l s t d m m g f m i m o 缩略词表 3 r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t第三代合作伙伴计划 t h e4 t hg e n e r a t i o n第四代 a m p l i f y a n d f o r w a r d 放大前传 a v e r a g ep o w e rs c a l i n g 平均能量缩放 a d d i t i v ew h i t cg a u s s i a nn o i s e加性白高斯噪声 b i te r r o rr a t i o误比特率 b i n a r yp h a s es h i f tk e y i n g二进制相移键控 c o d e dc o o p e r a t i o n 编码协同 c o d ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n ga c c e s s码分多址 c o m p r e s s a n d f o r w a r d 压缩前传 c o o r d i n a t ei n t e r l e a v e do r t h o g o n a ld e s i g n坐标交织正交设计 c i r c l ep r e t 叔循环前缀 c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k 循环冗余校验 c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n信道状态信息 d e c o d e a m p l i f y f o r w a r d解码放大前传 d e e o u p l e a n d f o r w a r d 解耦前传 d e c o d e a n d f o r w a r d解码前传 d i s c r e t e f o u r i e rt r a n s f o r m离散傅立叶反变换 d i s t r i b u t e ds p a c et i m eb l o c kc o d e分布式空时分组码 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 频分多址接入 f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m快速傅立叶变换 i n v e r s ed i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m离散傅立叶反变换 i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o v l n快速傅立叶反变换 i n s t a n t a n e o u sp o w e rs c a l i n g瞬时能量缩放 l i n e a rs p a c e t i m ed e s i g n线性空时设计 l o n gt e r me v o l u t i o n 长期演进 m o m e n tg e n e r a t i n gf u n c t i o n矩母生成函数 m u l t i i n p u tm u l t i o u t p u t 多输入多输出 x 缩略词表 m l d m m s e 不p s k m - q a m m r c o f d m o f d m a p e p q a m q o s q p s k s c f d m a s d m a s e r s i s 0 s n r s s d s t b c t d m a w c d m a w i 瞰 m a x i m u ml i k e l i h o o dd e t e c t o r m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r m a r yp h a s es m rk e y i n g m a r yq u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n m a x i m u mr a t i oc o m b i n g o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s p a i r w i s ee r r o rp r o b a b i l i t y q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n q u a l i t yo fs e r v i c e q u a d r a t u r ep h a s es h i f tk e y i n g s i n g l ec a r r i e rf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s s p a c ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s s y m b o le r r o rr a t e s i n g l e - i n p u ts i n g l e - - o u t p u t s i g n a l - t o - n o i s er a t i o s i g n a ls p a c ed i v e r s i t y s p a c et i m eb l o c kc o d e t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s w i d e b a n dc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s w o r l d w i d ei n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v e a c c e s s x i 最大似然检测 最小均方误差 m 进制相移键控 m 进制正交幅度调制 最大比合并 正交频分复用 正交频分多址接入 成对错误概率 正交幅度调制 服务质量 正交相移键控 单载波频分多址接入 空分多址接入 误符号率 单输入单输出 信噪比 信号空间分集 空时分组码 时分多址接入 宽带码分多址接入 全球互操作微波接入 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，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 为获得电子科技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 确的说明并表示谢意。 关于论文使用授权的说明 年月 日 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：心导师签名： 日期： 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 1 1 1 信道衰落对无线通信系统的影响 信道衰落是制约无线通信性能的最重要瓶颈之一，各类衰落都会导致系统差 错率显著上升，严重降低通信的可靠性。以二进制相移键控( b i n a r yp h a s es h i f t k e y i n g ，b p s k ) 为例，加性白高斯噪声( a d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s e ，a w q 邺信 道大约需要6 8 d b 的信噪比( s i g n a l - t o - n o i s er a t i o ，s n r ) 以保证1 0 。3 的误比特率( b i t e r r o rr a t i o ，b e r ) ，而平坦瑞利衰落信道大约需要2 4 d b 的信噪比才能保持相同的 误比特率【l j 。 无线信道的主要特征是多径传播，多径传播是由于受无线传播环境的影响， 在电波的传播路径上产生了反射、绕射和散射，当电磁波传输到接收端的天线时， 信号不是单一路径来的，而是许多路径来的多个信号的叠加。由于电磁波通过各 个路径的距离不同，各个路径电磁波到达接收机的时间不同，相位也就不同。不 同相位的多个信号在接收端叠加，有时是同相叠加而加强，有时是反相叠加而减 弱。这样接收信号的幅度将急剧变化，即产生了多径衰落。在实际的无线通信中， 除了多径衰落外还有阴影衰落，当信号受到高大建筑物( 如移动台移动到背离基站 的大楼前) 或地形起伏等的阻挡，接收到的信号幅度将降低。 在无线通信中广泛使用天线分集技术来减少衰落的影响，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。 1 1 2分集技术 分集【1 心是在独立的衰落路径上发送相同的数据，由于独立路径在同一时刻经 历深衰落的概率很小，因此经过适当的合并后，接收信号的衰落程度就会被减小。 分集可分为宏分集和微分集，其中宏分集是用来对抗楼房等物体的阴影效应的， 一般是将几个基站或接入点的接收信号进行合并，而微分集是用来对抗多径衰落 电子科技大学硕士学位论文 的。根据获得独立路径信号方法的不同，微分集可分为：时间分集、频率分集、 空间分集、极化分集和角度分集等，其中空间分集、极化分集和角度分集统称为 天线分集。根据信号传输方式的不同可分为显分集和隐分集，时间分集、频率分 集等微分集属于显分集，而对隐分集而言，信号只被发送一次，但通过其他途径 获得多个副本，如码分多址接入( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，c d m a ) 中的r a k e 接收机技术，其等价于相同的数据通过独立衰落的路径传输。 ( 1 ) 时间分集：指以超过信道相干时间的时间间隔重复发送相同数据的方法。 无线通信中常采用差错控制编码结合交织技术来实现，其适用于信道相干时间小 的快衰落环境。 ( 2 ) 频率分集：指以超过信道相干带宽几倍以上的频率间隔发送相同数据的方 法，其利用电磁波在不同频率上具有独立的衰落特性来减少或消除影响。 ( 3 ) 空间分集：也称为天线分集，是无线通信中使用较多的分集形式。典型的 空间分集是在发送端或接收端采用多根天线来实现的，分为接收分集和发送分集。 ( 4 ) 极化分集：指通过两根不同极化方式的天线发送水平极化信号和垂直极化 信号，同时用两根不同极化方式的天线接收，由于散射角相对应每个极化方向是 任意的，所以不同极化接收的功率同时经历深衰落的可能性很小。 ( 5 ) 角度分集：指通过将接收天线的波束宽度限制在一定的角度内，用定向天 线实现分集的方法，常用于发射频率大于1 0 g h z 的通信系统中。 使用分集技术的通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 提高总的接收信噪比，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，分别是选择合并、切换合并、最大比合并( m a x i m u m r a t i oc o m b i n g ，m r c ) 和等增益合并。 ( 1 ) 选择合并：较为简单的方法之一，其输出信噪比最大的那个支路上的信号。 在实际中由于信噪比较难测量，一般输出信号和噪声功率最大的那个支路上的信 号。 ( 2 ) 切换合并：接收机以一个固定顺序扫描所有的分集支路，并选择s n r 在特 定的预定门限之上的特定支路。在该信号的s n r 降低到所设的门限值之前，选择 该信号作为输出信号。当s n r 低于设定的门限时，接收机开始扫描并切换到另一 个支路。该方案也称为扫描合并或切停合并。 ( 3 ) 最大比合并：能取得最好性能的方法，其输出是所有支路信号的加权和， 而权重是由各路信号所对应的电压与噪声功率的比值所决定的，其输出s n r 等于 各支路s n r 之和。 2 第一章绪论 ( 4 ) 等增益合并：一种次优但比较简单的线性合并方法，以相同的权重对各支 路上的信号进行同相合并。其性能只在边缘上劣于最大比合并，但复杂度较低很 多。 在前面所述的传统分集技术中，分集都是通过在时间、频率或空间上发送相 同的独立衰落数据，在接收端进行适当的合并技术而实现分集增益，从而提高链 路可靠性。其中，空间分集技术如多输入多输出( m u l t i i n p u tm u l t i - o u t p u t ，m i m o ) 技术是近十多年无线通信的研究热点之一，因为他们提供了分集增益而没有占用 额外的时间或频率资源。传统的空间分集技术是通过在发送端或接收端使用多天 线而获得空间分集增益。但根据l e e 模型，对无线衰落信道，手持终端的天线阵 列的最小间距是o 2 兄，其中见是载波的波长。当天线阵列间距小于0 2 力时，多天 线分集性能大为削弱。同时由于能量、价格和尺寸等因素的限制，在手持终端使 用多根天线具有一定的困难。因此出现了一种新的空间分集技术协同分集 d 4 1 ，它可使单天线终端在多用户或中继环境下通过共享它们的天线而构成能取得 空间分集的虚拟m i m o 系统，同时可以提高蜂窝小区边缘用户的性能和基站覆盖 面积，是近几年继m i m o 之后的一个新兴的研究方向。 1 2协同通信的研究现状、前景和存在问题 1 2 1 协同分集技术 协同分集技术源于v a i ld e rm u e l e n 【5 】【6 】和c o v e r 与e 1g a m a l 7 】关于中继信道的信 息论研究，其基本思想是移动终端有一个或者多个协同伙伴，移动终端发送信号 到基站的同时协同伙伴帮助移动终端传输信号，从而构成一个虚拟m i m o 系统， 获得空间分集增益，提高系统容量，有效地对抗衰落，使单天线系统具有多天线 系统的特点。同时协同分集可以提高蜂窝小区边缘用户的性能和基站覆盖面积。 下面以蜂窝无线移动通信系统中两个移动终端的协同为例来说明协同传输过 程，如图1 1 【8 】所示。传输过程分为两步，第一步，用户1 以广播方式发送信号( 实 线所示) ，基站和协同伙伴用户2 接收信号，且用户2 对接收到的信号进行相应的 处理，此时用户2 充当用户l 的中继。第二步，用户2 向基站发送处理好的信号( 虚 线所示) ，此时用户1 也可以向基站发送重复或新的信号，最后基站对经过两条独 立衰落路径到达的信号进行合并。若用户2 同时也有信息发送，可以同时通过用 户1 中继。这一协同传输模式可以扩展到多用户场景。 电子科技大学硕士学位论文 图1 1协同分集系统原理图 1 2 2 协同通信的研究现状 s e n d o n a r i s 等人提出协同分集技术后，越来越多的学者加入到协同通信的研究 中来，推动着协同通信的研究不断向前发展。下面从几个方面来介绍协同通信的 研究现状。 ( 1 ) 中继处理信号方式 主要分为三种【8 】：放大前传( a m p l i f y a n d f o r w a r d ，h f ) 、解码前传 ( d e c o d e a n d f o r w a r d ，d f ) 和编码协同( c o d e dc o o p e r a t i o n ，c c ) ，目前大部分关于 协同通信的研究都是基于这三种中继处理方式的，其中按增益系数是否包含信道 状态信息a f 方式可分为平均能量缩放( a v e r a g ep o w e rs c a l i n g ，h p s ) 和瞬时能量缩 放( i n s t a n t a n e o u sp o w e rs c a l i n g ，i p s ) 吲。同时也有压缩前传( c o m p r e s s - a n d f o r w a r d ， c f ) t 7 1 、解码放大前传( d e c o d e - a m p l i f y - f o r w a r d ，d a f ) t 1 们、解耦前传 ( d e c o u p l e a n d f o r w a r d ，d c f ) t 1 1 j 和一些基于这些处理方式的改进方案，如混合 a f d f 、自适应d f 、混合d a f 等。在所有中继信号处理方式中关于a f 和d f 方 式的研究最多。 ( 2 ) 协同传输协议 表1 1基于t d m a 的三种协同协议 对由一个信源、一个中继和一个目的节点组成的协同通信系统，按时分多址 4 第一章绪论 接入( 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 h ) 方式文献 1 2 1 将传输过程分为3 种协 议，如表1 1 所示，其中s 代表信源( s o u r c e ) ，r 代表中继( r e l a y ) ，d 代表目的节 点( d e s t i n a t i o n ) ，a b 表示信息从终端a 发送到终端b 。 ( 3 ) 发送接收方案设计 对两用户协同通信系统，文献【1 3 】提出一种带宽和能量有效的发送方案，即两 个用户分别发送正交相移键控( q u a d r a t u r ep h a s es h i f tk e y i n g ，q p s k ) 的同相和正交 分量。对由一个信源、一个中继和一个目的节点组成的协同通信系统，文献 1 4 】 提出中继解码后对信息比特进行异或操作，目的节点进行迭代最大后验概率译码， 可以取得3 阶分集增益，相比普通系统能多取得1 阶分集增益；文献 1 5 】提出中继 解码后对信息比特映射到新的星座图，仿真结果表明1 6 进制正交幅度调制 ( q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n ，q h m ) 下此方案有2 d b 的增益，对6 4 q h m 有 3 d b 增益。 信号空间分集【1 6 ( s i g n a ls p a c ed i v e r s i t y ，s s d ) 是一种带宽和功率效率较高的单 天线收发分集技术，它可在不编码、不牺牲发射功率和带宽的前提下取得分集增 益三，文献 1 7 - 【2 1 】将信号空间分集技术用于协同通信系统中，大大提高系统性能。 学者对协同通信的研究大多假设所有终端只有单根天线，但在一些应用场合 一些终端可以使用多根天线，如蜂窝移动通信中的基站，文献 2 2 得出在目的节点 放置天线阵列系统性能最好，其次是在中继，最后是在信源。 ( 4 ) 分布式空时频码 在m i m o 2 】【2 3 1 系统中，空时频编码技术可以有效抵抗信道衰落和显著提高频 率利用率，其被越来越多地应用于提供高速数据传输速率的业务。a l a m o u t i 码 2 4 1 是为发射天线数为2 的系统提供全速率全分集的第一种空时分组码( s p a c et i m e b l o c kc o d e ，s t b c ) ，且能通过简单操作实现最大似然译码，因此在协同通信系统 中分布式空时码的研究中关于分布式