（通信与信息系统专业论文）协作分集技术及其在lte上行系统中的应用研究.pdf

摘要 l i i ii i ii i i ii ii iii itiii y 2 0 6 8 6 18 多输入多输出( m i m o ) 技术通过在发射端和接收端采用多根天线，能够显著 提高无线通信系统的信道容量和可靠性。但是由于功率、体积和硬件复杂度等限 制，在小型移动终端难以实现。协作分集技术通过单天线的移动终端相互协作、 共享彼此的天线构成虚拟m i m o 系统，从而获得空间分集增益，为m i m o 技术的 实用化提供了一种新的途径。本文针对协作中继选择及协作分集技术的应用展开 研究，主要工作总结如下： 首先推导了两用户协作通信系统中的放大转发( a f ) 、解码转发( d f ) 和编 码协作( c c ) 三种协作模式的中断概率并进行了性能仿真；其次分析了现有几种 传统中继选择策略的不足之处，在此基础上，提出一种以最大化系统信道容量为 目标的最优中继选择策略，称之为结合最优功率分配的最佳模式中继选择策略 ( o p a o m - r s s ) ，并且通过引入粗选系数调节潜在中继的数目，可以根据系统的 要求缩放中继选择的时间，通过仿真验证了本策略相对于已有中继选择策略的优 越性能；最后提出将协作分集技术应用于l t e 上行系统中，结合o p a o m - r s s ， 设计了协作分集应用方案的具体实现过程，通过仿真验证了其对系统吞吐量方面 的改善。 关键词：协作分集放大转发解码转发中继选择最优功率分配l t e a b s t r a c t t h em u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ( m i m o ) t e c h n i q u ec a ni n c r e a s et h ec h a n n e l c a p a c i t yo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k sg r e a t l yb yam e a n so fe m p l o y i n gm u l t i p l e a n t e n n a sa tb o t ht r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e r h o w e v e r , i ti sn o tf e a s i b l et ou s ei nm o b i l e t e r m i n a l sd u et ot h el i m i t a t i o n s i np o w e rc o n s u m p t i o n , p h y s i c a ls i z ea n dh a r d w a r e c o m p l e x i t y t h ec o o p e r a t i v ed i v e r s i t yt e c h n i q u ec a nr e a pt h eb e n e f i t so fs p a c ed i v e r s i t y b yc r e a t i n gav i r t u a lm i m os y s t e ma m o n gt h es i n g l e a n t e n n at e r m i n a l s t h e s es p a t i a l l y d i s t r i b u t e d1 1 a n d h e l dt e r m i n a l sc o o p e r a t ew i t he a c ho t h e ra n ds h a r et h e i ra n t e n n a s t h e c o o p e r a t i v ed i v e r s i t yp r o v i d e san e ww a yt or e a l i z et h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n so fm i m o t e c h n i q u e t h i sw o r ki sa i m e da tc o o p e r a t i v er e l a ys e l e c t i o na n dt h ea p p l i c a t i o no f c o o p e r a t i v ed i v e r s i t yt e c h n i q u e t h em a i nc o n t r i b u t i o nc a nh es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： f i r s t l y , t h eo u t a g ep r o b a b i l f f yo ft h r e ec o o p e r a t i v ed i v e r s i t ym o d e l s 蟠d fa n d c cw a sd e d u c e da n ds i m u l a t e di nt w o u s e rc o o p e r a t i o nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s s e c e n d l y , t h es h o r t c o m i n g so fs e v e r a lt r a d i t i o n a lr e l a ys e l e c t i o n s t r a t e g i e s w e r e a n a l y z e da n dan o v e lb e s t - r e l a ys e l e c t i o ns t r a t e g yc a l l e do p t i m u mm o d e lc o m b i n e d w i t ho p t i m a lp o w e ra l l o c a t i o nr e l a ys e l e c t i o ns t r a t e g y ( o p a o m - r s s ) w a s p r o p o s e d t h eg o a lo fo p a o m - r s si st om a x i m i z et h es y s t e mc h a n n e lc a p a c i t y b yi n t r o d u c i n g t h ee x t e n s i v ec o e 伍c i e n ti tc a na d j u s tt h ep o t e n t i a lr e l a yn u m b e r sa n dz o o mr e l a y s e l e c t i o nt i m ei na c c o r d a n c ew i t ht h es y s t e mr e q u i r e m e n t s s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t t h ep r o p o s e ds c h e m eh a sr e m a r k a b l es u p e r i o r i t yc o m p a r e dw i t ht h ec o n v e n t i o n a lr e l a y s e l e c t i o ns t r a t e g i e s l a s t l y , t h ea p p l i c a t i o no fc o o p e r a t i v ed i v e r s i t yt e c h n i q u ei nl t e u p l i n ks y s t e mw a sp r e s e n t e da n dt h es p e c i f i ci m p l e m e n t a t i o nc o m b i n e dw i t h o p a o m - r s sw a sp r o v i d e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h em e r i t so ft h e p r o p o s e d a p p l i c a t i o ns c h e m ei nt e r m so f s y s t e mt h r o u g h p u t k e y w o r d s ：c o o p e r a t i v ed i v e r s i t ya m p l i f ya n df o r w a r dd e c o d ea n df o r w a r d r e l a ys e l e c t i o n o p t i m a lp o w e r a l l o c a t i o nl t e 第一章绪论 第一章绪论弟一旱三：百记 1 1 研究背景与意义 随着通信技术的不断发展，人们经历了以语音业务为主的第一代( t h e1 n g e n e r a t i o n , 1 g ) 移动通信系统、以语音和基本的数据业务为主的第二代( t h e2 n d g e n e r a t i o n , 2 g ) 移动通信系统，此刻我们已经深深体会到现代信息社会带给人们 生活方方面面的便捷与享受。随着以多媒体业务为主的第三代( t h e3 r d g e n e r a t i o n , 3 g ) 移动通信系统逐渐商用化，人们可以通过手机体验多样化的通信和娱乐业务， 如多媒体消息、多媒体动画、视频点播、音乐下载、在线游戏以及移动电视等。 3 g 的数据传输速率可达2m b p s ，而人们对于信息需求的不断增长促使下一代移动 通信网络必须能够提供更高的传输速率、更大的传输带宽和更好的传输性能，以 满足业务实时性、流畅性、便捷性以及多样化等方面的需求。 一 移动通信系统需要提供更多高速率的数据业务、多媒体业务以及一些新兴业 务，故需要采用能进一步增大信道容量、提高数据传输速率和改善通信服务质量 的新技术。而这也由此引起国内外学术界和产业界的广泛重视，成为大家普遍关 注的问题。 多径衰落是无线信道固有的特性，是阻碍信道容量增加和通信质量改善的制 约因素【l j 。分集是无线通信中广泛使用以减小多径衰落影响的一种有效方法，它通 过在发射端发送多个信号样本，在接收端合并多个经历独立衰落的信号副本，以 对抗无线信道中的衰落【2 j 。根据所涉及资源的不同，常见的分集方式主要包括时间 分集、频率分集和空间分集等，由于空间分集技术不额外占用时间和带宽资源， 因而更具吸引力。 基于空间分集的多输入多输出 2 1 ( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t , m i m o ) 技术 是近年来国内外研究的一个热点。m i m o 系统在收、发端均设置多根天线，构成 m i m o 信道，天线在物理空间上分开一定距离，使得各个天线接收到的信号互不 相关。m i m o 通过在空间中产生独立的并行信道同时传输多路信号以获得复用增 益，也可以通过在空间中提供发送数据的副本来获得分集增益，这样在不增加发 射功率和牺牲通信资源的情况下能够提高通信系统的信道容量和传输可靠性。 m i m o 技术优势突出，已成为新一代无线通信系统普遍采纳的关键技术之一， 但其在实用化的过程中仍然面临一些亟待解决的问题：1 ) 移动终端的外观、质量、 功耗、成本等方面的要求苛刻( 相对于基站) 。现代社会，人们追求便携式的移动 终端，并且渴望及时跟进流行趋势，因此在移动终端上安装复杂的多天线系统难 2协作分集技术及其在l t e 上行系统中的应用研究 以实现；2 ) 多天线系统对于相邻天线之间的距离有严格要求。理想的m i m o 系统 要求相邻天线之间的间距要远大于电波波长，并且多个收、发天线之间的传输信 道是独立的或至少是不相关的。移动终端的体积限制成为制约m i m o 实用化的又 一阻碍，使得m i m o 技术在小型移动终端的应用受到较大限制，例如很难将其应 用到蜂窝移动通信网的上行链路等，因此m i m o 技术实用化的过程步履维艰。 面对m i m o 实用化过程中存在的问题，一种新的空间分集技术应运而生，即 协作分集【3 】( c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y , c d ) 。在协作分集系统中，每个移动终端均使 用单根天线，而每个移动终端都有一个或多个协作中继( 或称合作伙伴) 。根据不 同的协作模式，协作中继在传输自己信息的同时帮助其合作伙伴传输相应的信息， 目的节点根据一定准则合并来自源节点的信息和中继节点转发的信息。这样移动 终端能够共享彼此的天线，单天线的移动终端也可以实现空间分集，从而使得系 统能够获得一定的空间分集增益。利用这种技术可以增大通信系统的容量、提高 数据传输速率、降低系统的服务中断概率、提升网络服务质量及扩大通信系统的 覆盖范围等，从而能够大大改善通信系统的性能。从另外一种意义上来讲，协作 分集技术也为m i m o 技术的实用化提供了一种可行的思路和方法，特别是为其在 小型移动终端的应用找到了新的出路，这对于进一步推动移动通信技术的演进与 发展有着积极的意义，因此对于协作分集技术的研究具有相当重要的价值。 协作分集是研究领域的一个崭新课题，在国内外已经引起广泛的关注，其应 用不仅仅限于蜂窝移动通信网，在a dh o e 网络、无线局域网、以及无线传感器网 络等多种场景均可使用。未来多网融合以构建全新的“智能网络 是一种必然的 趋势，作为一种可以灵活应用于多种通信网络的无线通信技术，协作分集也将迎 来一个光明的发展前景。 在“移动通信宽带化 的发展趋势下，2 0 0 4 年第三代合作伙伴计划( 3 坩 g 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 ，3 g p p ) 研发的“准4 g ( t h e4 协g e n e r a t i o np a r t n e r s h i p p r o i e c t ，4 g ) 技术3 g p p 长期演进 4 1 ( l o n gt e r me v o l u t i o n , l t e ) 正式启动， 它能够提供上行5 0m b p s 和下行1 0 0m b p s 的峰值数据传输速率。随后3 g p p 又启 动了l t e a d v a n c e d 长期标准演进项目，目前正在研究的第四代移动通信系统，要 求其可实现的数据传输速率高达g b p s 数量级。这些标准均以m i m o o f d m 为基 础，协作分集技术可在不增加硬件复杂度的情况下，能够解决m i m o 技术实用化 过程中面临的问题，充分发挥m i m o 技术的各种优势，因此将协作分集应用于l t e 上行通信系统中很有意义。 1 2 国内外研究现状 s e n d o n a r i s 等3 1 从c o v e r 和e 1g a m a l 对中继信道的理论研究【5 l 中受到启发，首 第一章绪论 3 先提出了协作分集的概念。然而，它与传统的中继技术相比却存在本质的区别：1 ) 传统的中继信道中，中继的职责只是帮助主信道，然而在协作通信中，整个系统 资源固定，各个用户既是源端信息的发送者又作为转发信息的中继者。2 ) 协作通 信均假定在衰落信道环境下，如何产生克服衰落的分集以及在不同条件下的资源 如何分配及联合优化已经成为目前协作分集的研究重点，而c o v e r 和e lg a m a l 主 要研究在加性高斯白噪声( a d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s e ，筒m g n ) 信道下的信道 容量及性能分析。 l a n e m a n 和w o m e l l 等【6 】【7 】对协作分集的中继模式进行了深入的研究，提出了 三种协作策略：固定中继、选择中继及增量中继。其中固定中继包括放大转发 ( a m p l i f ya n df o r w a r d ，a f ) 和解码转发( d e c o d ea n df o r w a r d , d f ) ；选择中继和 增量中继通过引入反馈自适应地调节协作模式。a f 协作模式在放大信号的同时也 放大了噪声，而d f 模式中如果中继解码错误便存在错误传播的问题，并且这两种 协作模式均存在一定形式的重复编码。因此，h u n t e r 等【8 】提出了编码协作( c o d e d c o o p e r a t i o n , c c ) 。c c 将协作分集和信道编码相结合，在协作过程中各用户不再是 简单地重复发送合作伙伴的信息，而是尝试为其合作伙伴传输增加的冗余信息， 从而可以改善a f 和d f 编码效率较低的问题。 协作通信能够增强无线通信环境中高速信息传输的鲁棒性，是无线通信中的 一项核心技术【3 】。协作分集系统中，至关重要的两个问题就是如何在源节点和中继 节点之间分配有限的功率【9 】【l o 】以及在多中继系统中如何选择一个或多个中继节点 参与协作【l l 】【1 2 】。在系统总功率一定的条件下，文献【9 】通过源节点和中继节点之间 的最优功率分配( o p t i m a lp o w e r a l l o c a t i o n , o p a ) 以达到系统中断概率最小的目标。 文献 n 】在选择d f 协议中，通过中继节点与目的节点之间的反馈信道幅度是否大 于一个固定门限来决定一个中继是否参与协作，但是这种方法仅考虑了单个节点 自身的反馈信道而没有考虑其他中继的反馈信道。文献【1 2 卜 1 5 1 通过最大化接收信 噪比( s i g n a l t on o i s er a t i o ，s n r ) 来选择中继，这是一种常用的单中继选择算法， 然而随着系统用户数目的增加，算法的复杂度会急剧增加。 随着研究的不断深入，中继选择和功率分配的联合优化也逐渐成为人们关注 的一个热点【1 6 卜【2 1 1 。文献 1 6 】理论推导了在足够高的信噪比下源节点和中继节点的 最优功率分配；提出两种联合中继选择和功率分配的方案：1 ) s - a ra l g o r i t h m ：j o i n t p o w e ra l l o c a t i o na n dr e l a ys e l e c t i o n ，该方案在基站端实现，通过最优功率分配和最 佳中继选择使得接收s n r 最大；2 ) s - o ra l g o r i t h m ：j o i n to p p o r t u n i s t i cr e l a y i n ga n d p o w e ra l l o c a t i o n ，结合机会中继，选择即时信道最好的终端作为中继，再通过推导 出的最优功率分配策略进行功率分配。文献 1 7 】研究了多中继a f 协作分集系统中 的功率分配和中继位置联合优化的问题。但是实际中用户的位置信息需要g p s 定 位，因此受成本、体积和质量的制约，在实际中难以实现。文献【1 8 】提出一种结合 4 协作分集技术及其在l t e 上行系统中的应用研究 门限选择中继的方案：首先在c c 系统中推出系统采用穿孔卷积码时的误码率( b i t e r r o rr a t i o ，b e r ) 上界，并以b e r 最小为目标获得最佳判决门限值，然后利用估 计出的协作用户接收信噪比与此门限值进行比较以判断是否进行协作。文献1 1 9 】 在多节点a f 协作通信系统中，结合平均信道增益提出一种o p a 方法，使得系统 的误符号率( s y m b o le r r o rr a t i o ，s e r ) 最小。文献【2 0 在a f 中继网络中，结合混 合自动重传请求( h y b r i da u t o m a t i cr e p e a t r e q u e s t ，h y b r i d - a r q ) ，提出一种能够 自适应增加中继节点的方法。文献【2 1 】在系统总功率一定的条件下，提出一种基于 有限反馈的最小中断概率协作策略，该策略能够准确给出在任何信道增益下中断 概率最小的发射模式，由此可以降低计算的复杂度并减小所需的反馈信息量。 近年来，人们将空时编码【2 2 j ( s p a c et i m eb l o c kc o d e ，s t b c ) 、低密度奇偶校 验码【2 3 】( l o wd e n s i t yp a r i t yc h e c k , l d p c ) 、t u r b o 编码1 2 4 1 2 5 1 、网络编码 2 6 1 、正交 频分复用【2 7 】【2 8 1 ( 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 m ) 、波束赋形口9 】 ( b e a m f o r m i n g ，b f ) 及循环延时编码【3 0 j ( c y c l i cd e l a yc o d e ，c d c ) 等引入协作通 信系统中。特别是由于o f d m 的引入，打破了传统的在高斯信道和平坦瑞利衰落 信道下实现协作分集的限制，将其应用扩展到频率选择性衰落信道环境中，促使 协作分集技术得到进一步发展。 与此同时，协作分集技术的应用也在不断地延伸，涉及到了现代社会网络覆 盖的多个方面。s e n d o n a r i s 等人最早在文献【3 】中提出一种适合码分多址( c o d e d i v i s i o nm u l t i p l ea d d r e s s ，c d m a ) 传输系统的协作策略，它通过无线网络节点相 互协作来获得分集增益；并对其如何实现的问题以及协作分集与中断概率、网络 容量等通信系统性能的关系做了研究。x i a o h u al i 等【3 l 】在无线传感器网络中，研究 了如何利用s t b c 进行协作通信以增强能量效率，从而延长传感器网络的生命周 期。文献【3 2 】提出在两种情况( 单向和双向) 下，将协作分集应用于交互式广播系 统中；研究了采用协作分集的m i m o o f d m a 上行系统的具体设计并对其性能进 行了评估。文献【3 3 】对具有源节点( s o u r c en o d e s ，s n s ) 和中继代理( r e l a y a g e n t s ， r a s ) 两类不同节点的协作蜂窝网性能进行了研究，重点对网络边缘可达数据速率 和s n s 的功耗进行了深入分析。文献 3 4 n 进一步将a f 协作分集应用到冲击无线 电超宽带( i m p u l s er a d i ou l t r aw i d e b a n d , i r - u w b ) 网络中，研究了采用a f 协作 分集对网络性能的改善。也有不少研究将协作分集技术应用于a dh o e 网络中，以 提高a dh o e 网络的性能。由此可知，将协作分集技术应用到新的网络中以提高系 统性能，是通信网络技术发展的一种必然趋势。 l t e 项目自2 0 0 4 年1 1 月启动以来，学术界和商业界对于空中接口技术以及 网络架构的演进方面进行了一系列的研究。l t e 在空中接口方面采用 o f d m o f d m a 代替3 g 长期使用的c d m a ，结合m i m o 技术以及一些自适应技 术( 如自适应调制和编码等) ，可显著提高数据传输速率及系统的性能；在网络架 第一章绪论 5 构方面，取消了通用移动通信系统( u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m , u m t s ) 标准长期采用的无线网络控制器( r a d i on e t w o r kc o n t r o l l e r , r n c ) 节点， 使得网络架构更趋于扁平化【4 】。为了满足l t e 对于峰值数据率、用户吞吐量、频 谱效率、移动性以及覆盖等方面的需求，l t e 上行系统在空中接口物理层方面引 入了单载波频分多址( s i n g l ec a r r i e rf d m a , s c f d m a ) 、虚拟m i m o 、信道编码、 链路自适应、功率控制以及小区间干扰抑制等一系列关键传输技术【4 】【3 5 】。本文将协 作分集技术应用于l t e 上行系统中，以改善l t e 上行系统的吞吐量性能，无疑是 一种新的尝试与挑战，也使得协作分集技术的应用得到了进一步扩展。 1 3 论文研究内容与结构安排 本文从最基本的协作通信系统开始研究，详细推导了三种协作分集模式的中 断概率并通过仿真分析了其相对于直传( d i r e c tt r a n s m i s s i o n , d t ) 模式的性能；在 此基础之上，基于实际中存在多个潜在中继的问题，提出一种结合最优功率分配 的最佳模式中继选择策略o p a o m - r s s 。o p a o m r s s 通过在不同的信道状况下选 择a f 、d f 或者直传，结合最优功率分配实现系统信道容量的最大化，以充分利 用功率和信道资源，并且将参与协作通信的中继选择条件进行扩展，引入粗选系 数调节潜在中继的数目，在潜在中继节点数目较大以及目的节点处理能力有限的 场合，能够明显缩短中继选择的时间；鉴于协作分集的优越性能，提出将协作分 集技术应用于l t e 上行系统中，结合o p a o m r s s 设计了协作分集在l t e 上行系 统中的应用方案，并搭建了结合协作分集技术的l t e 上行系统仿真平台，对所提 方案做了性能验证。 本文的章节结构安排如下： 第一章绪论主要介绍了论文的研究背景与意义、协作分集技术的国内外研究 现状以及l t e 的发展状况，并总结了本文的主要工作与章节安排。 第二章首先讨论了分集技术、分集技术分类和分集合并方式；其次介绍了协 作分集技术，以及a f 、d f 和c c 三种协作模式的特点及其实现方法；最后探讨了 协作分集技术的优点与存在的主要问题。 第三章详细推导了两用户协作通信系统中，a f 、d f 和c c 三种协作模式的中 断概率，分析了各协作及直传模式的分集阶数与归一化频谱效率之间的权衡，并 通过仿真对比了各协作及直传模式的中断概率性能。 第四章首先介绍了存在多个潜在中继节点的协作系统模型；然后分析了现有 的几种常用中继选择策略及其存在的主要问题；在此基础之上提出一种以最大化 系统信道容量为目标，结合最优功率分配的最佳模式中继选择策略，简称 o p a o m - r s s 。另外，提出在采用o p a o m - r s s 选择最佳中继之前，通过引入粗选 6 协作分集技术及其在l t e 上行系统中的应用研究 系数调节潜在中继节点的数目。最后通过仿真验证了所提策略相对于现有几种中 继选择策略的优越性能。 第五章首先简要介绍了l t e 上行系统的相关内容；然后提出将协作分集技术 应用于l t e 上行系统中，设计了协作分集技术应用在l t e 上行系统中的具体实现 方案；最后通过仿真验证了所提应用方案的在系统吞吐量方面的优越性能。 第六章对全文做以总结并提出进一步研究的方向。 第二章分集与协作分集技术 7 第二章分集与协作分集技术 分集是无线通信中广泛应用以减小多径衰落影响，从而提高传输可靠性的一 种有效方法。协作分集技术通过单天线用户间的相互协作构成虚拟多天线阵列， 以增大通信系统的容量、有效对抗衰落、降低系统的服务中断概率、提高数据传 输速率、提升系统的服务质量和可靠性及增加通信覆盖范围等，是一种能够在不 增加硬件复杂度的情况下，实现m i m o 诸多优势的新技术。本章首先介绍了分集 技术的分类和几种主要的分集合并方式；其次介绍了协作分集技术，并分析了a f 、 d f 和c c 三种协作模式的特点及其实现方法；最后探讨了协作分集技术的优点及 存在的主要问题。 2 1 1 分集技术简介 2 1 分集技术 移动通信系统在语音通信质量、业务数据速率、覆盖范围以及频谱利用率等 方面必须展示出其更为优越的性能，才能迎合人们的需求，在日益激烈的市场竞 争中脱颖而出。其面临的首要问题便是影响移动通信质量和系统容量的主要因素， 即无线信道的多径衰落效应。可以通过增加发射功率来解决这一问题，但是由于 移动终端体积受限且电池容量有限，另外该方法会增加发射机的硬件复杂度和成 本，因此并不实用。 分集技术是提升通信系统可靠性从而提升通信系统服务质量的一种有效方 法，己被广泛应用在移动通信系统中。其基本思想是：在不增加发射功率或牺牲 通信带宽的情况下，通过提供同一信息的多个独立副本，接收端接收这些副本并 采用一定的方式进行合并处理，从而提高接收信号的信噪比( 对模拟系统而言) 或降低接收数据的误码率( 对数字系统而言) 。由于采用分集方法后各个信号同时 经历严重衰落的概率大大降低，因此相对于不使用分集的情况，该方法可以大大 提高多径衰落信道下信息传输的可靠性。 2 1 2 分集技术分类 根据引入分集的域的不同，一般将分集技术分为以下三类1 2 】： ( 1 ) 时间分集 时间分集是指在大于信道相干时间的不同时隙发送相同的信息，从而产生分 8 协作分集技术及其在l t e 上行系统中的应用研究 集效果。时间分集的性能由重复发送信号之间的衰落特性决定，若移动终端静止 不动，则通过重复发送信号的时间分集方法就难以克服信道衰落了。因此，一般 采用差错编码结合交织技术来实现移动通信中的时间分集。时间分集的缺点是： 在时域上引入了冗余，增大了时隙资源的开销，降低了数据的传输速率，不适应 对时延比较敏感的业务以及高速通信的情况。 ( 2 ) 频率分集 频率分集通过在不同的频率上发送相同的信息，在频域内提供同一信号的多 个副本来获得分集增益。要求发射频率之间的间隔必须足够大，从而保证各个载 波频率之间相互独立。移动通信中一般采用跳频或者多载波调制的方法来获得频 率分集。频率分集的缺点是：在频域上引入了冗余，占用了更多的频带资源，并 且需要在发射端安置多个发射机。目前频谱资源日益紧张，由此可知使用频率分 集并不是一种最佳选择。 ( 3 ) 空间分集 空间分集又称天线分集，通过在发射端( 接收端) 安置多根天线或者采用天 线阵列来实现。为了保证每根天线接收信号之间的不相关性，要求各副天线之间 的距离必须足够大( 通常要求天线之间的间距在几个信号波长以上) 。该方案中发 射信号的副本以空间冗余的形式存在，能够充分利用系统的空域资源，并且克服 了时间分集和频率分集对资源利用的损失，在保证数据传输速率的同时还能获得 较大的分集增益，因此成为对抗多径衰落的有效途径。 2 1 3 分集合并方式 分集技术能提高系统总的接收s n r 以获得分集增益。其性能依赖于接收端如 何对分集接收到的m 个独立信号副本进行合并，即依赖于分集合并的方式【3 6 1 。分 集合并通常采用如图2 1 所示的线性合并器，通过加权相加的方式实现【3 7 1 。如图 2 1 所示，经过无线信道传输后进入合并器的每条独立衰落支路可表示为： r a t ) = 瑰p j g x o ) + 吩( f ) ，f = 1 ，2 ，m ( 2 1 ) 合并器的最终输出信号，( f ) 如式( 2 2 ) ： m ，( f ) = a , r i ( t ) ，i = i ，2 9j 9 m ( 2 - 2 ) i = i 瓯表示第f 路信号的加权系数。 为了便于后面分析和比较分集技术对系统传输性能的影响，对进行归一化， 即使加权系数满足： 第二章分集与协作分集技术 9 m 口1 ( 2 - 3 ) 厶“f 一1 、7 j = l i q 砭多a ：砭多砭多受多 哆 多 、l 图2 1 线性合并器 根据接收端采用的加权系数及所需的信道状态信息量的不同，可以将分集合 并分为以下几种方式【3 7 】： ( 1 ) 选择合并 选择合并( s e l e c t i o nc o m b i n i n g ，s e c ) 方式简单，易于实现。系统在每个符号 间隔处选择具有最大瞬时s n r 的信号作为输出，因此最终输出的信噪比等于各支 路信噪比的最大值。其加权系数为口，= l ，= 0u f ，f ，j = 1 ，2 ，m ) o 因为系统每个时刻只选用一条支路，所以选择合并只需要一个接收机即时切 换到最好的被选天线支路上便可实现。但是在连续发送的系统中，为了保证切换 的即时性，往往需要在每个天线支路上都安装一个接收机以便监测各支路上的 s n r 。实际中，由于s n r 的测量比较困难，选择合并一般选用信号和噪声平均功 率之和最大的分支作为输出。已有的研究表明，m 条支路的选择合并系统所能提 供的平均信噪比改善量为1 3 8 】【3 9 1 ： m = ( 2 - 4 ) i = 1 ( 2 ) 切换合并 切换合并( s w i t c hc o m b i n i n g ，s w c ) 系统中预先设定一个s n r 门限，接收机 通过扫描发现第一个s n r 高于该门限值的某条支路便将其作为输出信号，直到该 支路的s n r 低于给定的阈值，接收机才重新扫描选择。相比于选择合并，切换合 并不需要扫描所有的分支，因此可以减少计算量，是一种更简单的合并方法。切 换合并不是持续选择具有最大s n r 的支路作为输出，故性能较选择合并要差些， l o 协作分集技术及其在l t e 上行系统中的应用研究 但是若门限选取足够恰当，也能取得与选择合并近似的性能。 ( 3 ) 最大比合并 最大比合并( m a x i m u mr a t i oc o m b i n i n g ，m r c ) 是对各支路信号分别乘以一 个加权系数，通过调整加权系数使输出信号的信噪比最大。瓯与其信号电压和噪 声的功率比成正比，假设4 和咖分别表示接收信号，；( f ) 的幅度和相位，则相应的加 权系数取值为瓯= 4 e 一。最大比合并器的输出s n r 等于各支路s n r 之和，因此 性能最优，在采用分集对抗衰落的信号合并技术中性能最佳。 最大比合并与前两种分集合并方式的区别就是将选择器变为相加器，要求各 支路信号同相，而且必须知道信道的衰落系数及信号的相位信息，仅适用于相干 检测。 m 条支路的最大比合并系统所能提供的平均信噪比改善量为【3 8 】【3 9 1 ： m 知毗= m( 2 - 5 ) ( 4 ) 等增益合并 等增益合并( e q u a lg a i nc o m b i n i n g ，e g c ) 能够解决m r c 在很多情况下较难 计算各个支路时变系数的问题，是一种次优但复杂度较低的线性合并方法。它将 加权系数设为定值，即取4 = 1 ，a i = e - m ，因此不必分别对每路信号进行加权，而 只需直接输出各支路的信号之和。 m 条支路的等增益合并系统所能提供的平均信噪比改善量为【3 8 】【”1 ： m 脚= l + ( m 一1 ) ( 2 - 6 ) 2 2 协作分集技术 移动终端由于功耗、体积、天线设计等方面的问题很难安装多根天线，由此 阻碍了m i m o 技术在实际中的广泛应用，协作分集为m i m o 技术的实用化提供了 一种新的途径。下面以蜂窝移动通信网下的两用户协作通信为例，详细介绍协作 分集技术的基本原理和实现方法。 2 2 1 协作分集技术简介 如图2 2 所示，用户m 1 、m 2 及基站( b a s es t a t i o n , b s ) 均安装一根天线，互 为合作伙伴的m 1 和m 2 除了要传输自己的信息外，还要帮助其合作伙伴传输信息。 其中，m 1 的信息用实线表示，m 2 的信息用虚线表示。这样对m 1 而言，获得了 一条直接传输路径和一条间接传输路径，即“m 1 基站”和“m 1 m 2 基站”；而对 m 2 而言，同样获得了一条直接传输路径和一条间接传输路径，即“m 2 基站”和 “m 2 m 1 一基站”。 从本质上来讲，协作分集的初衷就是希望借助于合作伙伴的天线，与用户自 身的天线共同组成多发射天线系统，并通过类似传统的多发射天线分集来获取空 间分集增益【i 】【4 0 l 。相对于非协作通信系统，协作分集可以通过用户之间彼此利用其 合作伙伴的空域资源，而使空闲资源能够得到充分利用。当然，协作用户会牺牲 自身的一些资源，但是只要协作方案设计足够合理，完全可以显示出协作分集带 来的增益相对于其所付出代价的优势。 u s e r l ( m d 国 i 譬i u s e r 2 似2 ) 器b s 图2 2 两用户协作原理框图 一般将协作分集的过程分为以下两个阶段( 这里以m 1 发送信号为例，m 2 的 通信过程同m 1 ) ：1 ) 广播阶段。m 1 以广播方式向基站和m 2 发送信号，m 2 对接 收到的信号进行处理并为下一步做准备；2 ) 转发阶段。m 2 将经过处理后的信号 转发给基站，基站将从m 1 和m 2 接收到的信息按照一定方式进行合并。 2 2 2 协作模式介绍 按照协作通信过程第二阶段中合作伙伴( 也就是中继节点) 对接收到信号的 不同处理方式，可以将其划分为以下三种协作模式1 1 1 1 4 0 l ： ( 1 ) 放大转发协作模式 如图2 3 ，在放大转发协作模式中，每个用户接收合作伙伴发送的信号，然后 在转发阶段将该带有噪声的信号进行放大后转发给基站。基站对接收到的两路经 过独立衰落信道的信号进行合并判决便能得到源端用户发送的信息。若用户间的 信道已知，基站可以进行最优解码。 如果用户间的信道状况较差时，放大转发带来的分集效果就会大打折扣，这 是因为中继节点在放大信号的同时也放大了噪声，但是由于中继节点仅需对信号 进行放大处理，因此该方式实现最为简单。 1 2 协作分集技术及其在l t e 上行系统中的应用研究 j t _ ，i 放大器 l l ! 些妻l 图2 3 放大转发结构图 ( 2 ) 解码转发协作模式 解码转发的系统结构如图2 4 所示，每个用户首先尝试检测出其合作伙伴发送 的数据信息，然后将检测出的比特按照与合作伙伴相同的编码方式编码后转发给 基站。这样每个用户都有一个伙伴为其提供第二条路径，利用在不同空间重复发 送冗余来获得分集增益，从而获得系统性能的改善。 在用户间信道状况恶劣的情况下，中继节点检测信号时如果出现错误，将会 导致错误传播，因此解码转发协作模式不能获得满分集增益。为了克服这一不足， l a n e m a n 等人提出了选择解码中继方案，即通过判断用户之间的信道状况，在协 作与直传模式之间进行切换。对于切换时机的选择，需要根据“信道好坏”的门 限值来判断。因此，在变化的无线信道中如何确定当前环境下“信道好坏”的门 限值显得尤为重要。相对于放大转发协作模式，解码转发实现稍微复杂一点。 l 输入信思h 编码器和调制器i7 l “u ) 源端 叫至酬编码器和调制器卜一 中继端 图2 4 解码转发结构图 ( 3 ) 编码协作模式 编码协作将协作通信与信道编码相结合，每个用户在两条独立的路径上将信 源编码码字的两个部分分别发送出去，其基本思想是每个用户都将增加的冗余部 分发送给自己的伙伴。当用户间的信道变得很差时，能够自动切换到非协作机制 来传输自己的信息。编码协作的最大优势就是不需要用户间的反馈。与放大转发 协作模式不同，它还能够获得编码增益。 在1 2 节中我们提到，l d p c 和t u r b o 码等已被应用在协作通信中，这里以t u r b o 码为例来说明编码协作的实现过程，如图2 5 所示。用户将待发送数据信息分为若 干数据块，每块包含m 比特，首先对每一个数据块进行c r c 编码，经过c r c 编 码后的数据长度为比特，然后通过码率为k 的t u r b o 编码器后有k = n k 比特 的信息，假设经过编码后的码字速率为r 。 在编码协作中，将每个用户的数据经过编码后的码字划分为两个部分，分别 包含k 比特和疋比特。两个协作用户均将含有k 比特码字的数据发送周期分为两 帧。在第一帧中，每一个用户发送一个码率r j r 的码字，其中包含q = n r , 比 特的信息。合作伙伴收到该信息后，对伙伴的数据进行解码，根据c r c 判断解码 是否正确。如果解码正确，用户则在第二帧中计算并发送其伙伴的第二部分丘比 特的信息，否则发送自己的第二部分墨比特的信息。由此每个用户在一个发送周 期都发送k = k 岷比特的信息，并且只在自己的多径信道中传输信息。将每个用 户为其合作伙伴传输的比特数与总传输比特数的比值定义为协作水平程度，用 墨k 表示。 ， 图2 5 编码协作结构图 用户在第二帧中并不知道自己的第一帧是否被伙伴成功解码，其帮助用户发 送信息的行为是独立的。因此，第二帧的传输可分为以下四种情况：1 ) 在第一帧 时两用户都能够成功检测对方的信息，这样在第二帧中它们都帮助传输其合作伙 伴的丘比特信息，可实现完全增益；2 ) 在第一帧时两用户均未成功地检测到对方 的信息，系统自动切换到非协作模式；3 ) 第三种情况，第一帧时用户2 成功地检 测到用户1 的信息，而用户l 检测用户2 的信息失败。因此在第二帧，两用户皆传 输用户1 的b 比特信息，用户2 的墨比特信息则不被传输；4 ) 与3 ) 的情况相反， 仅需将两个用户的位置互调即可。 编码协作在慢衰落信道下的性能很好，但是在快衰落信道下会牺牲上行信道 质量相对较好的用户性能l i 】，为此人们将空时编码与协作通信结合，用户在第二帧 中传输自己信息的同时也传输合作伙伴的信息，这样两个用户能够携手共同对抗 不利的用户间信道衰落，使上行信道条件较差的用户性能明显改善。空时编码协 作在快衰落信道下也能够保持编码协作的优异性能。 另外，前两种协作模式均存在一定形式的重复编码，且中继节点均工作在半 双工模式下，所以对于频带的利用率不高，编码协作引入空时编码后，充分显示 了其在这方面的优势。但是