（通信与信息系统专业论文）无线网络多用户协作传输关键技术研究.pdf

北京邮电大学博士学位论文摘要 无线网络多用户协作传输关键技术研究 摘要 未来的移动通信网需要支持不同q o s 保证的高速多媒体业务， 日益增大的无线数据应用服务需求促使我们去寻求更有效率的利 用现有资源的新技术。然而移动环境自身具有的特性，如节点移动 性带来网络拓扑的变化、节点自身的资源和能力有限、移动网络带 宽受限、网络连接不稳定等，使得高速传输与覆盖的矛盾日益尖锐。 协作中继是改进未来无线网络性能可行的传输手段之一。协作中继 已被证明能够显著减少链路中断概率、增加链路的稳定性。在过去 的几年内，协作通信技术改善信道状况、促进m i m o 实用化，以及 解决高速传输与覆盖的矛盾角度，受到来自学术与企业界的广泛关 注，已被公认为是未来移动通信系统的候选方案。以往对于通信系 统的研究主要针对点对点链路，现在我们从网络的角度重新审视通 信系统，在这个协作通信系统中，各个节点可以利用无线通信系统 所固有的广播性质来进行相互协作。 本论文围绕无线网络多用户协作传输物理层关键技术展开研 究，研究的侧重点选在空间相关信道下的协作协议的研究，如：协 作机制、性能、空时协作处理。并且研究了一种用于多中继( 也适 用于单中继) 协作通信的中继策略的自适应选择方法，给出了自适 北京邮电大学博上学位论文 摘要 应选择机制和功率自适应分配策略。最后研究了在发送端不知道信 道信息的情况下，将喷泉码应用于无线协作蜂窝系统，分析其下行 链路中使用r a p t o r 码及分布式空时分组码的新方案，并探讨相关信 道中协作通信的效率、可靠性和健壮性问题；本论文的工作主要包 括如下几个方面： ( 1 ) 不同于以往协作分集研究仅考虑衰落信道为理想瑞利的 情况，首次研究了在基于地理信息的随机信道模型( 一种现实传播 环境的空间相关衰落信道模型) 中虚拟m i m o 系统的协作分集协议 性能分析。研究发现，协作分集可以有效的抵抗相关衰落，两个源 节点和两个目的节点形成了一个2 2 虚拟m i m o 协作系统，采用了 半双工的时分多址接入机制，协作分集可以对抗空间相关性衰落， 通过源节点( s o u r c en o d e s ，s n s ) 与目的节点( d e s t i n a t i o nn o d e s ， d n s ) 之间的独立的多径及散射路径，增加了链路的稳定性，即降 低了链路的中断概率。因此，分析干扰中继信道下发射端协作的不 同协作模式的平均误比特率( b i te m r r a t e ，b e r ) ，理论分析和仿真 结果证明，在相关信道下协作分集能产生显著的性能增益，即协作 机制降解了空间相关性，并利用高质量的协作用户间信道来提高虚 拟m i m o 协作系统的整体性能。 ( 2 ) 在第二章的基础上，继续深入研究在双环散射模型中虚 拟m i m 0 系统运用分布式空时分组码( d i s t m u t e ds p a c e t i m eb l o c k c o d e ，d s t b c ) 的协作分集协议性能，研究具有空间相关性信道下 的空时协作处理的性能增益，探讨相关信道中协作通信的效率、可 t t 北京邮电大学博十学位论文摘要 靠性和健壮性。提出了一种总时间片的方式，用来评价系统的有效 性。可靠性可通过空间相关信道中不同信噪比条件下的平均误比特 率来衡量。研究发现，使用d s t b c 编码将进一步提高协作系统的 性能，采用d s t b c 的协作系统将在无线蜂窝系统中有很好的应用 前景。 ( 3 ) 研究了一种用于多中继( 也适用于单中继) 协作通信的 中继策略的自适应选择方法，该方法用于支持协作通信的无线网络 中，为不同用户分别选择不同数目的中继及类型；并根据当前信道 状况，在兼顾通信的可靠性和有效性的前提下，为每个中继选择最 佳的转发策略，并在信源和各个中继之间合理地分配功率；以及判 断是否使用中继，以便能够实现系统的信道容量最大化，为用户提 供满足设定可靠性条件下的高效通信。该方法以多中继系统信道容 量最大化为判断标准，通过穷举的方法为各个中继分别选择不同的 中继转发方式。研究发现，该方法为多中继协作通信系统中的各个 中继节点提供了较好的转发方式的白适应选择和功率自适应分配 策略，并给出了什么情况下不使用中继的判断标准，使得多中继系 统更加智能化，进一步提高其传输性能而进入实用化。本研究既能 用于支持协作通信的无线网络的上行传输，也能用于下行传输；由 于协作通信技术已被公认为是未来移动通信系统的候选技术方案， 因此，随着协作通信相关技术的不断发展和完善，将有很好的推广、 应用前景。 ( 4 ) 不同于传统的采用固定码率编码的协作中继系统，首次 t t t 北京邮电大学博十学位论文摘要 将具有无限编码速率( r a t e l e s sc o d e ) 的r a p t o r 码应用于无线协作 蜂窝系统中，考虑在发送端不知道信道状态信息( c h 锄e ls t a t e i n f o m a t i o n ，c s i ) ，提出协作蜂窝系统下行链路中使用无限码率 r a p t o r 码及分布式空时分组码( d i s t r i b u t e ds p a c e t i m eb l o c kc o d e ， d s t b c ) 的新方案，并研究该方案有效性、可靠性和健壮性的问题。 考虑到编码速率的灵活性，提出了一种新的测量方法( 总时间片) 来评估系统性能。因此，在采用半双工模式和时分多址情况下，计 算不同编码方案所需正确发送的总时间片数量和平均误码率( b i t e m rr a t e ，b e r ) ，理论分析和仿真结果证明，当发送端不知道c s i 时，结合应用r a p t o r 码和d s t b c ，即使在低信噪比( s i g n a l - t o - n o i s e r a t i o ，s n r ) 环境中仍能降低总传输时间及能量消耗，给无线蜂窝 系统带来显著的性能增益。 关键词协作分集，多入多出，虚拟m i m o ，分布式空时分组码，喷泉码， r 印t o r 码 i v 北京邮电大学博士学位论文abstract r e s e a r c ho nk e yt e c h n o l o g i e so f 蚤小t i u s e r c o o p e r a t i v et ra n s m i ss i o ni nw o r e l e ss n e t w o r k s a b s t r a c t t h em t u r eo fm o b i l ec 0 忸n m n i c a t i o nn e t l 】i ，o r i 【sn e e dt os u p p c i nh i g l l - s p e e dm u l t i m e d i a s e i c 懿o fd i 伍昌r e n tq o sg u a m t t h ee w 和g r o 、析n gd 啪柚df o rd a t aa p p l i c a t i o n so v 盯 w i r e l 骼sd o m a i l lh 舔p r o m p t e dan e e dt 0d e v e l o pt e c l l l l o l o 西骼t l l a tu t i l i z et l l ea v a i l a b l er 髓o u r c e m o 他e f f i c i e n t l yh o w e v e r ，t l l em o b i l e 即访r o n m e n th a si t s0 w nc h a m c t e r i s t i c s ，s u c h 勰m e c h 孤g eo f t o p o l o g yi sc a u s e db y l em o b i l i t ) ro fd l en o d e ，m e 麟叫r c e 姐dl l l ea b i l 时o f t h e n o d ei sl i m i t e d m eb a n d 州d n lo ft h em o b i l en e t 、) i r o d 圆i sl i m i t e d 锄dt l l e n n e c t i o no f 吐圮 n e t w o r k si su n s t a b l e ，w h i c hc a l i t l l ei l l c r e 勰i n ga c u i ec o n n a d i c t i o nk 小v e e nl l i g h s p e e d 把a n s m i s s i o na n dc o v e 豫g e r e c 锄t l y ，c o o p e r a t i v er e l a 如n g 锄e r g e d 雒av i a b l eo p t i o nf o rf h t u 他 w i i e l 髓sn e t w o f k s c o o p e m t i v er e l a ) r i n gh a sb e e ns h o w n t od e c 嗽s et l l el i i l k 0 u t a g e p r o b a b i l 时( o ra l t 锄a t i v c l y i n c r e a s et l l el i i l l 【s t a b i l i 劝s i 印i f i c a i l t l y i i ll l l ep a s tf i e wy e a l l s ， c o o p 盯a t i v ec o 姗l l i l i c a t i o n 眦h n o l o g ) r 仃yt oi m p r o v em ec h 锄e ls i m a t i o n ，p r o m o t em e p r a c t i c a la p p l i c a t i o no fm i m ot e c l l i l o l o g ) r 锄ds o l v et l l ec o n 咖d i c t i o n 的呻e h i g l l s p e e d 仃a l n s m i s s i o n 觚dc o v e f a g e ，w h i c hc 锄s e d 谢d e s p r c a dc o n c 锄舶ma c a d e m e 锄d t e 印r i s 懿， h 勰b e 饥c 0 印i z e d 舔ac a n d i d a c yo ft l l e 如劬旧m o b i l ec o m m l l i l i c a t i o ns y s t 锄 i i lt h ep a s t ， t l l ec o m m u n i c a t i o ns y s t 锄0 n l yf o c u so np o i i l tt 0p o i n tl i i l l 【，b u tw e n o ws h o u l dr e - s u n 屯ym e c o m m u n i c a t i o ns ) r s t 啪丘。o mt l l ep e r s p e c t i v eo fn e t w o r i 【s h l l i sc o o p e r a t i v es y s t 锄，e 、嘲哕 n o d ec 锄u s et h ei 1 1 l l e 嘲1 tb r o a d c a s 血gc h 盯a c t 甜s t i co f 耐r e l sc o m m u n i c a t i o ns y s t 锄t o m a k em u t t l a lc o 叩e r a t i o n h lt h ep 邪tf b wy e a r s ，c o o p e r a t i v ec o m m u i “a c a t i o nt h e c h n o l o g yt r ) r t oi i i l p r o v et l l ec h 锄e ls i t u a t i o n 柚dt os o l v e l ec o n 仃a d i c t i o nb e 似咖h i g l l - s p e e d 呦s m i s s i o n 姐do v 硎d e ，w r h i c hc a u s e dal o tf o c u sf o ma c d 锄ea i l de n t e q 埘s 器m i sh 器b c 饥a c c 印t e da sm e c a i l d i d a c yo ft h ef h t i l r cm o b 订ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m i nt l l ep 嬲t ，t l l ec o m m u n i c a t i o ns y s t 锄 o n l yf o c u so np o i i l tt op o m tl 证k b u tn o w ，w es h o u l ds u r v e yt h ec o m m u n i c a t i o ns y s t 咖丘d mt h e 勰p e c t o fn e 觚o r k mt h i sc o o p e r a t i v e s y s t 哪，e v e 拶n o d ec 锄l l s e t l l e b r o a d c a s t i n g c h 啪c t e r i s t i co f 、以r e l e s sc o m m n i c a t i o ns y s t 锄t om a k em u t u a lc o o p e r a t i o n v 北京邮电大学博十学位论文 a b s t r a c t t h i sm e s i ss t i l d i 髓o np h y s i c a l l a y 盯k e y 眈l l i l o l o g yo fm u l t i - u s e rc o o p e r a t i v et i a n s m i s s i o n i i lw i 心l e s sn e t 、) i ，o r k m yr e a r c hf o c u s o ne x i s t i i l gc o o p c 粕t i v ed i v c 猖i t yp r o t o c o l s i i l c o n e l a t e df a d h l gc h 砌e l ，s u c h 弱c o o p e i i a t i v es c h 锄e ，耐o 肋锄c e ，s p a c e - t i m ec o o p e r a t i v e p r o c e s sa n de t c w ba l s os t u d i e ds e l f - a d a p t i v es e l e c tm e t l l o dw i l i c hc 肌b eu s e dmm u l t i - r e l a y ( a l s o 印p l i 懿t os i n 9 1 e - r e l a y ) c o o p e f a t i v ec o m m u n i c a t i o n s ，p r o 啊d 骼ab e t t e rw a yf o r w 莉 a d a p t i v es e i e c t i o ns c h 咖e 觚da d a p t i v ep o w 盯d i s t r i b u t i o ns 帆t e g ) ，f o r 训。邺r e l a yn o d e 7 r i l ef i n a lp a n ，w ei i i v 懿t i g a t e 锄a l y z e sl l l ee 伍c i 锄c y ，r e l i a b i l i t y 如dr o b u s 恤嚣so fc 0 0 p 盯a t i v e c o m m u n i c a t i o ni i law i r e l 懿sc e l l u l a rd o 、1 l i l l l ( e n v i r 0 啪e n tb y 锄p l o ) r i n gan e ws c h 啪eb a s e d o nc o m b m i i l gar a p t o rc o d ew i md i s t r i b u t e ds p a c e - t i m eb l o c kc o d e ( d s t b c ) ，m a t 、v h 锄 c h a i l n e ls t a i ei n f o m a t i o n ( c s di sn o ta v a i l a b l ea tt h e 胁l s m i t t 既t h em a i r ic o n t r i b u t i o n so f t h e s i sa r ea sf o l l o w s ： 1 ) d i f f 盯e d 右r o me x i s t i n gl i t e r a t u r e so nc o o p 啪t i v ed i v e r s i 哆t h a tt l l ef a d i n gc h a n n e l sa r e i d e a l i s t i c a l l y 嬲s u m e dt ob er a y l e i g l lf a d i i l gc h a n n e l ，t h ep e r f o m a n c eo fe x i s t i n gc o o p 啪t i v e d i v e r s 时p r o t o c o l sf o rv i r n l a lm i m os y s t 锄i ng e o m e 仃y - b a l s e ds t o c h a s t i cc h a 肌e lm o d e l si 8 肌a l y z e d ，w h i c hh a st a k e ni n t oa c c o u n tt l l er e a l i s t i cp r o p a g a t i o ne n v i r 0 砌饥t si nt l l ep 他s e r l c eo f s p a t i a lf a d i n gc o r r e l a t i o n c o o p i e r a t i v ed i v e r s i t yi se a e c t i v e l yu s e dt oc o m b a tt l l ec o r r e l a t c d f a d i n g t l l et 、) l ，os o u r c en o d e s ( s n s ) a 1 1 dt 、od e s t i n a t i o nn o d 骼( d n s ) f 0 册a2 2v i n l m l m i m oc o o p e m t i v es y s t 锄t h et i i i l ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c 髓ss c h 即舱i sp r o p o s e d 、j l ，i lh a l f d l l p l e xm o d e c o o p e r a t i v es c h 锄ei sp r ( ) p o s e d ，b e c a u s ec o o p e m t i v ed i v c = r s i 够c a nc o m b a tt h e f a d i n gc o r r e l a t i o nb ys p a t i a ld e c o n e l a t i o nw h i c hi sp r o d u c e db yi i l d 删d e n tm u l t i p a l sa n d s c a t t e r i n gp a t l l sb e t w e e ns o u r c en o d e s ( s n s ) a n dd 懿t i n a t i o nn o d 髓( d n s ) c o o p e m t i v e r e l a y i n gi s s h o w nt oi i l c r e 舔et l l el i r l ks t a b i l i t ) r ( o r ，a l t e n l a t i v e l y d e c 佗够en l el i r l ko u t a g e p r o b a b i l i t y ) s i g n i f i c a n t l y t h e r e f o r e ，n l eb i te r r o rr a t e ( b e r ) o fc o o p i e m t i o na t a n s m i t t e ri s p r e s e i l t e di i lm ei i l t e r f e r 明c e 陀l a yc h a i m e lb ya p p i 姐n gv a r i o u sc o o p e m t i v es c h 锄e s b 髂e do n m e o r e t i c a l 孤a l y s e sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t s ，m ec o o p e r a t i v ed i v e r s 时如e l d ss i 印i f i c 龃t p e r f o 肋a l l c eg a i l li nc o 玎e l a t e dc h 砌e l ，i e ，他d u c i n gt h es p a t i a ic o r r e l a t i o no fe a c hp a t l l 锄d e i l l l 锄c i n gm eo v e r a l lp e r f o n t l 锄c eo fv i r t u a lm i m os y s t 锄b yh i g l lq u a l 时o fc o o p e r a t i v e i i l t e m s e rc h 猢e 1 2 ) o nt h eb 勰i so ft l l es e c o n dp a r a g r a p h ，t a k i n gi i l t oa c c o u n tt t l e 心a l i s t i cp r o p a g a t i o n e n v i r 0 衄e n t si i lm ep r e s e n c eo fs p a t i a lf a d i n gc o r r e l a t i o n ，t l l ep e r f 0 眦a n c eo fc o o p e r a t i v e p r o t o c o l su s 血gd i s t r i b u t e ds p a c e - 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a d a p i i v es e l e c tm e t h o dw h i c hc a nb eu s c di nm u l t i r e l a y ( a l s oa p p l i e st o s i i l g l e r e l a y ) c o o p e r a t i v ec o m m u i l i c a t i o n s ，m em e m o di s u s e dt os u p p 耐t l l ec 0 0 p e r a t i v e 、v i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nn e t w o i ，【s f o rd i 矗b i 蜘tu s e r s i tc 锄c h o o s et l l ed i f l e r e n tn u m b e ro f r e l a ya i l dc o o p e r a t i v em o d e 麟p e c t i v e i y a c c o r d i i l gt ot h ec u r r e n tc h 锄e l i n f o 咖a t i o ns t a t e ， t a l ( i n gi n t oa c c o u n tm er e l i a b i l i t ) r 锄de 疏c t i v e f l e s so fc 删n j c a t i o n ，c hr e l a yn o d ec h o o s e t h eb 器tc 0 0 p e r a t i v em o d e ，a l l o c a t e 血ep o w e rb e m 咖v a r i o u ss o u r c en o d a j l dr e l a yn o d e s ， a n dd 烈e n t l i l l e 、v h e m e rn l er e l a yn o d ec a nj o i nr e l a yp r o c e s st oa c h i 昏，et l l em a x i m 啪c h a 肌e l c a p a c i t y 卸dp r o v i d e1 l s e r s 们t ht l l er e l i a b i l i 哆t om e e tt l l e c o n d i t i o n su n d e rm ee f f i c i 朗t c o m m l l l l i c a t i o n t h ea i p r o a c ho fe v a l u a t i o ns t a n d a r d si sc h a n n e lc a p a c i t yf o rm u l t i - r e l a y s y s t 锄t 0m a x i m i z e ) ，t l l r o u g ha 【l l a l l s t i v em e n l o dt 0c h o o s ead i 缗：哪l tc o o p e m t i v em o d ef o r d i f j f 相l tr e l a yn o d e i t i sf o u n d 也a it l l em e t h o dp r 0 v i d e sab e t t e rw a ya b o u tf o r w 裥a d a p t i v c s e l e c t i o n 锄da d a p t i v ep o w 盯d i s 仃i b u t i o ns 仃a t e g ) rf 0 rv 撕o u sr e l a yn o d ef o rm u l t i r e l a y c o o p e 豫t i v ec o m m u n i c a t i o 璐s y s t 锄，a i l dp u tf o n a r dt l l ej u d g es t a l l d a r da b o u t w h e t h e rd l e r c i a yn o d ec 觚w o r ko rn o t t h i sc 锄m a l 【em u l t i 一坞l a ys y s t 锄m o 他i i l t e l l i g t ，a n d 凡n l i 盯 e i l l l 柚c ei t st i 孤s m i s s i o np e r f o 加柚c e 粕dp r o m o t e l ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n t h i ss t i l d yi sn o t o n l yu s e dt os u p p o r tt h ec o 叩e r a t i v e 而r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sn e t 、) l ，o r ku p l i n k 仃a n s m i s s i o n ，b u t a l s ol 培e dt od o w n l i i l l 【咖s n l i s s i o n c o o p e m t i v ec o m m u n i c a t i o nt e c i l l l o l o g yh 鸽b e r e c o g i l i z e d 雒ac a n d i d a c yo ft l l ef i l t i l r e 皿【o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t 锄，t 1 1 e r e f o r e ，c 0 0 1 ) e r a t i v e w i r e l 岱sc o m m u n i c a t i o n s 糟i a t e d 慨h 1 1 0 l o g i 鼯、玑l lb ed e v e l o p e da n di i r l p m v i e du n c e a s i n g l y t h e 陀、v i l lh a 、，eav e 叮孕e a tp r o m o t i o n 孤da p p l i c a t i o np r o s p e c t s 4 ) d i f f b r e d 丘d ml i t e r a t i l r e so nc o o p e r a t i v er e l a ys y s t 啪a d o p i i n gac o n v e n t i o n a lf e d - r a t e c o d e ( 缸a d i t i o n a lc o d e ) ，t l i er a t e l 嚣sc o d e ，i e ，r a p t o rc o d e ，t 0c o o p 啪t i v ew i r e l e s sc e l l u l 盯 s y s t 锄i ss t i l d i e d i l lp a n i c u l 弭m i sp a p e r 锄a 1 ) ，z e st l l ee 硒c i c xr e l i a b i l i t ) r 锄dr o b u s t i l 懿so f c o o p e r a t i v ec o n 埘u n i c a t i o ni na 、i r e b sc e l l u l a rd o w n l i i l l ( 饥v i r o 姗tb y 锄叩l o 妒n gan e w s c h e m eb a s e do nc o m b i n i i l gar a p t o rc o d e 、析t l ld i s t r i b u t e ds p a c e t i m eb l o c kc o d e ( d s t b c ) ， w h e nc h a i m e ls t a t ei i l f o 珊a t i o n ( c s i ) i sn o ta v a i l a b l ea tl l l e 胁l s m i t t e r c o n s i d e r i n g 1 e n e x i b l ec o d er a t ec h a r a c t e r i s t i c ，an e wm e a s u r e m e n t( t o t a lt i m es l i c 铝)t oe v a l u a t et l l e p e r f o 咖a n c ei sf o u n d t h e r e f o 他，t l l en u m b e ro ft o t a lt i m es l i c 船a tt r a n s m i t t i n ge x a c t l ya n d t h ea v e r a g eb i t 肿o rr a t e ( b e r ) o fc 0 0 p e r a t i o na r ep r e s e i l t e db ya p p l y i n gv 撕o u s c o d i n g s c h e m e s t h et i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s ss c h 锄ei sp r o p o s e dw i t hh a l fd u p l e xm o d e e ；a s e do nt l l e o r e t i c a la n a l y s 髓姐ds i i i m l a t i o nr e s u l t s ，w es h o wm a tw i t h o u tc h a 衄e ls t a t e i i l f o n i l a t i o na tt 1 1 e 咖s m i t t e r 山ec o o p e r a t i v ew i r e l e s sc e l l u l a rs y s t 锄u s i i l gr a p t o rc o d e 姐d v i i 北京邮电大学博士学位论文a b s t r a c t d s t b c 撕e l d ss i 鲥f i c 锄tp e m 眦a 1 1 c eg a i n ，i e ，r 酣u c i i l gt h et o t a l 竹a n 锄i s s i o nt i i i l ea i l d e 曙yc o n s u m p t i o n ，e v i n a1 0 ws i 盟a l t o n o i s er a t i o ( s n r ) e i l 诎_ 0 砌t 1 ( e yw o l m s ：c 0 0 p e r a t i v ed i v e r s i 劬m u l t i i n p u tm u l t i o u t p u t ，咖a lm i m o ， d i s t r i b u t e ds p a c e t i m eb l o c kc o d e ( d s t b c ) ，f o u t a i nc o d e ，r a p t o rc o d e v i i i 声明 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学 或其他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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：张码互琦，v ， 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定， 即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校 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，允许学位论文被 查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、 缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此 规定) 本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。 本人签名： ；象矽务讶 日期扣8 夕- 名：( 恻嗍夕孚7 北京邮电大学博士学位论文第一章绪论 第一章绪论 未来的移动通信网需要支持不同q o s 保证的高速多媒体业务。然而移动环 境自身具有的特性，如节点移动性带来网络拓扑的变化、节点自身的资源和能 力有限、移动网络带宽受限、网络连接不稳定等，使得高速传输与覆盖的矛盾 日益尖锐。 传统无线传输技术在支持高速多媒体业务、小区覆盖和频谱效率方面的局 限性已经显露出来。虽然被未来通信青睐的m i m o 【 1 和o f d m 【8 m 1 解决了高速 传输和频谱效率，但它们不能改善高速传输与覆盖的矛盾。因而必须在改进的 网络结构基础之上，引入新的先进传输技术，以进一步提高无线通信系统的传 输性能，满足未来无线通信系统的需求。近年来出现的协作式传输技术f 1 3 1 9 】 是较理想的解决方案，它颠覆了以往主要针对点对点通信链路的研究，从网络 的角度重新审视无线通信系统的传输问题。在协作无线通信网络中，无线移动 节点利用无线通信所固有的广播特性， 相互的中继协作，产生空间分集增益， “免费的接收到别人的信息，并进行 克服阴影衰落和小尺度衰落；协作不会 带来额外的功率开销，相反网络总能量得到降低，因而减弱了干扰；较低的重 传数据导致较低的网络时延，从而可支持更高的数据速率；通过协作中继，增 大了网络覆盖范围。 协作通信的思想最初来源于中继( r e l a y ) 通信，但在许多方面比中继通 信具有更优越的特征。在中继通信中，中继点是纯粹作为中继而存在的，本身 没有信息要传递。协作通信中，每个用户既要中继其合作伙伴的信息，还要传 递自己的信息，主信道得到增强；传统的中继通信没有分集的功能，而通过协 作通信可以使单天线用户获得分集增益，也称之为协作分集增益，改善移动通 信系统性能。 1 1 引言 协作通信【2 0 - 2 7 】( 又称合作通信) 译自c o o p e r a t i v ec o m m u i l i c a t i o n ，虚拟 m i m o 技术是其中的一个子集。在协作通信系统中，每个移动终端都有一个或 多个合作伙伴( p a n n e r ) ，合作伙伴之间在传输自己信息的同时，协助其伙伴传 输信息。这样，每个终端在传输信息的过程中既利用了自己又利用了合作伙伴 的空间信道，从而获取定的空间分集增益。通过协作使单天线的移动终端也 北京邮电大学博十学位论文第一章绪论 可以实现空域分集，称为协作分集( c 0 0 p e r a t i v ed i v e r s i t y ) ，是一种全新的空 间分集技术。由于协作的合作伙伴共享彼此的天线，从而构成了虚拟的多天线 系统，称为虚拟m m o ( n u a lm i m o ) 。协作通信解决了难以在移动终端安 装多根天线的问题，不必受限于终端尺寸，可推进m m o 技术的实用化进程。 m m o 系统的优点众所周知，并已被大多数主流协议所采纳。在理想情况 下，接收天线的间隔龇就可以保证各支路接收的信号是不相关的。但是目 前移动通信系统中m i m o 的状况是：p o o r t a y ，r i c hs c a t t 甜n g ，即天线阵较 小( 维数) ，富散射环境。此时电磁波波长较长，移动台由于尺寸或其他的约 束条件不能支持多天线( 例如3 g 系统工