（通信与信息系统专业论文）基于协作通信的速率嵌入式差分空时码的研究.pdf

摘要 摘要 近年来 协作通信系统因其利用无线网络中的多个节点之间相互协作实现传 输路径共享 已使其成为通信领域的研究热点 协作通信系统无须额外增加多天 线配置就可以获得类似多输入多输出 m i m o m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t 系统的空间分集 从而提高链路性能 在协作通信技术的理论研究的基础上 近 年来涌现出大量针对协作通信技术更深层次的研究 将空时编码技术与协作通信 技术相结合 可在协作中继网络中 将多个中继节点的天线等效为分布式 虚拟 天线阵列 进行空时编码的设计 能够挖掘天线间的空间分集增益 提高网络的 抗干扰能力并降低节点的能耗 对其的相关研究成为了科研人员的研究重点 目前的协作通信领域的大部分研究工作都是基于接收端已知信道状态信息 的假设 要求系统进行可靠的多信道估计 这必将增加频繁进行信道估计的负担 并且增加接收端需要估计信道参数的数目 因此 有必要研究对于避免要求接收 端已知信道状态信息的协作通信差分传输系统 本论文首先介绍了无线通信基础理论 m i m o 模型及空时编码的相关理论 深入分析了几种典型的空时编码技术并简要介绍了分布式空时码的概念以及协 作通信的相关模型及协议 重点分析了基于两跳单中继节点协作模型的差分空时 编码 d s t c d i f f e r e n t i a ls p a c e t i m ec o d i n g 方案 针对协作差分空时编码系 统中的信息符号矩阵由于必须满足差分传输所要求的酉特性而存在冗余信息 导 致了数据传输速率较低的问题 设计了一种基于两跳单中继协作模型下的速率嵌 入式差分空时编码方案 将非酉特性的全速率空时码与传统的低速率的空时码交 替用在协作差分传输的适当时隙 构造了两种不同类型的信息符号矩阵 突破了 差分传输的信息符号矩阵必须满足酉特性的限制条件 可实现协作差分系统的数 据传输速率的提升 仿真结果表明 与采用低速率酉特性的消息矩阵的两跳单中 继协作差分空时编码方案相比 速率嵌入式的两跳单中继协作差分空时编码方案 的数据传输速率可在保证误码性能的前提下获得明显的提高 另一方面 在传输 速率相同的情况下 速率嵌入式的协作差分空时编码方案的误码性能要明显优于 采用低速率酉特性矩阵作为信息符号矩阵的协作差分空时编码方案 关键词 协作通信 差分调制 速率嵌入式 空时编码 a b s t r a c t w i t hu s eo fm u t u a lc 0 0 p e r a t i o na m o n gm u l t i p l en o d e ss h a r i n g t r a n s m l s s l o np a m i naw i 犯1 e s sn e t v 旧r i 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 h a sb e c o m et h eh o ts p o to f 廿1 ec o m m u n i c a t i o nf i e l di nr e c e n ty e a r s c o o p e r a t i t i v ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m d o e s n o tr e q 血e 锄a d d i t i o n a lm u l t i a n t e n n ac o n f i g u r a t i o n sa n dc a n b e0 b t 妇ds i n l i kt 0 也em i m o m 啪p l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t s y s t e m s p a t i a ld i v e r s i t y t h 眦b y i m p r o v i n gt h el i l l l 叫 0 m a n c e o nt h eb a s i so ft h et h e o r e t i c a ls t u d y o ft h ec o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n t e d m 0 1 0 9 i e s al a r g en u m b e ro fs t u d i e s f o rad e e p e rl e v e lo f c o o p e r a t l v e c o m m u i l i c a t i o nt e c l m o l o g yh a se m e r g e di n r e c e n ty e a r s w i t ht h ec o m b i n i n go f s p a c e t h n ec o d i n gt e c h n i q u e s a n dc o o p e r a t i v e c o m m u n i c a t i o n st e c l l l l o l o g y m c 0 0 p e r a t i v er e l a yn e t w o r k s m u l t i p l er e l a yn o d e sa n t e n n a i se q u i v a l e n tt oad i 咖b u t e d v i r t u a l 锄t e n n aa r r a y a n dt h ed e s i g no fs p a c e t i m ec o d i n g t ob ea b l et ot a pt h e s p a t i a ld i v e r s i t y 酗na n di m p r o v ea n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t ya m o n g t h ei n t e n s l v e l ya n d r e d u c et h ee n e 啊c o n s u m p t i o no ft h en o d e si nt h en e t w o r ka n d i t sr 删c hh a s b e c o m et h ef o c u so ft h er e s e a r c h e r s f o rm o s t 也ec 叫e n tw o r k so nc o o p e r a t i o nc o m m u n i c a t i o n sa r eb a s e d o nt h e 嬲s 啪p 埴o no ft h ea v a i l a b i l i t y o fp e r f e c tc h a n n e ls t a t ei i 曲n n a t i o n c s i a tt 1 1 e r e c e i v e r r c q u l r i n gf o r r e l i a b l em u l t i c h a n n e le s t i m a t e s w h i c hw i l l i n e 托a 8 et h e 缸q u e n tc h 锄e le s t i m a t i o nb u r d e n a n d i n c r e a s et h en u m b e ro ft h ec 胁m e l p a r 锄e t e r sw h i c ht h er e c e i v e rn e e d st oe s t i m a t e t h e r e f o r e i t i sn e c e s s a r yt os t u d y c o o p e r a t i v ec o m n m l l i c a t i o no f d i f f e r e n t i a lt r a n s m i s s i o ns y s t e m sw h i c h n o tr e q m r et h e r e c e i v e rk n o w i n gp e r f e c t c h a n n e l s t a t e i n f o r m a t i o n i i ln l i st l l e s i s ef 戤i n t r o d u c et h eb a s i ct h e o r yo fw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s m 眦om o d e l sa n dt h e o r i e so fs p a c e t i m ec o d i n g m a k ei n q u i r i e s d e p t ha n a l y s l s o f s e v e r a lt y p i c a ls p a c e t i m ec o d i n gt e c h n i q u e sa n db r i e f l y i n t r o d u c e dt h ec o 眦e p to 士 d i s t r i b u t e ds p a c e t i r n ec 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 nm o d e l a n dp r o t o c 0 1 w e i n v e s t i g a t cd i f f e r e n t i a ls p a c e t i m ec o d i n g d s t c s c h e m eb a s e d o nt h es m g l e r e l a y a n dt v o h o pc 0 0 p e r a t i v em o d e lo fc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n f o rt h ep r o b l e m t h a t i n f o n n a t i o ns r n b 0 1 sm u s tb eu n i t a r y m a t r i xt om e e tt h er e q u i r e m e n t s o ft h e d i 丘 e r e n t i a l 眦l s m i s s i o nw h i c hh a v er e d u n d a n ti n f o r m a t i o n r e s u l t i n gi n l o w e rd a t a 仃趾s f e rr a t e i nt h er a t e s e m b e d d e dd i f f e r e n t i a ls p a c e t i m ec o d i n gs c h e m eo f t h i s l t a b s t r a c t t h e s i s b a s e do nt w o h o ps i n g l e r e l a yc o o p e r a t i v em o d e l t h ef u l l r a t es p a c e t i m e c o d e sa n dt h et r a d i t i o n a ll o w r a t es p a c e t i m ec o d e sa l t e r n a t e l yb eu s e di nc o o p e r a t i v e d i f f e r e n t i a lt r a n s m i s s i o na tt h ea p p r o p r i a t es l o t s a n dt h et w od i f f e r e n tt y p e so f i n f o r m a t i o ns y m b o l sm a t r i x b r e a kt h r o u g ht h el i m i tt h a tt h ei n f o r m a t i o ns y m b o lo f t h ed i f f e r e n t i a lt r a n s m i s s i o nm a t r i xm u s t m e e tt h er e s t r i c t i o n so ft h eu n i t a r y c h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ec o o p e r a t i v ed i f f e r e n t i a ld a t at r a n s m i s s i o nr a t ec a nb ea c h i e v e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tc o m p a r e dt ot h es c h e m eu s i n gu n i t a r ym a t r i xa st h e i n f o r m a t i o ns y m b o lm a t r i xi nt h et w o h o ps i n g l e r e l a yc o o p e r a t i v ed i f f e r e n t i a ls p a c e t i m ec o d i n gs y s t e m i nt h i si m p r o v e ds c h e m e t h ed a t ar a t eo ft h es y s t e mc a n b e i m p r o v e ds i g n i f i c a n t l yu n d e r t h ep r e m i s eo fg u a r a n t e e i n gt h ee r r o rp e r f o r m a n c eo n t h eo t h e rh a n d w i t ht h es a m et r a n s f e rr a t e t h ee r r o rp e r f o r m a n c eo ft h e r a t e e m b e d d e dc o o p e r a t i v ed i f f e r e n t i a ls p a c e t i m ec o d i n gs c h e m ei ss i g n i f i c a n t l y b e t t e rt h a nu s i n gt h et m i t a r ym a t r i xa st h ei n f o r m a t i o ns y m b o l sm a t r i xi n t h e c o o p e r a t i v ed i f f e r e n t i a ls p a c e t i m ec o d i n gs c h e m e k e yw o r d s c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n s d i f f e r e n t i a lm o d u l a t i o n r a r e e m b e d d e d s p a c e t i m ec o d i n g i i i 第一章绪论 1 1 论文研究背景 第一章绪论 近年来 随着无线通信技术的迅速发展 无线通信系统的应用日益广泛 尽 管根据应用的不同具有各自的特点 并且使用不同的技术 无线通信所面临的各 种挑战的重点也不尽相同 但几乎所有应用都有着如下的诸多挑战 如高速数据 速率的需求 业务质量 可靠性 功耗 其它用户干扰等等 1 1 无线通信系统近年来的快速发展伴随而来的是无线信道和网络的吞吐量不 断增大 在此期间 无线通信的可靠性要求也在不断提升 尽管有线通信给予了 更强的稳定性 更好的性能 但为了满足日益增长的高速数据业务要求以及移动 多媒体业务的需求 移动通信业务对无线通信网的容量 速率等各项性能指标提 出了更高的要求 随着全球范围内移动通信技术 i n t e r n e t 技术和多媒体业务的全面普及和 迅速发展 我国的移动通信技术应用也日益广泛 移动电话的数目激增 频谱资 源日益紧张 只有大幅度提高无线通信的速率才能满足众多用户的需要 而对于 无线局域网和高速多媒体通信来说 由于信道容量的限制 信息传输速率也已接 近瓶颈 如何从根本上解决目前面临的上述问题已成为各国研究人员关注的热 点 近年来的研究成果表明 多天线分集技术可以在这方面取得显著优势 随着 发射端和接收端天线数的增加 通信系统的频谱利用率可以获得显著提高 由此 产生了m i m o 技术 m i m o 技术突破了单天线系统信道容量较小的瓶颈 可以获 得比单天线系统更大的信道容量 2 1 4 目前m i m o 技术作为一种成熟的技术手段 以被国际电信联盟 i t u t e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n 和第三代合作伙伴计划 3 g p p t h i 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 采纳应用于第三代移动通信 3 g 3 r d g e n e r a t i o n 和超三代 b 3 g b e y o n dt h i r dg e n e r a t i o n 移动通信领域 其中3 g 标准中的宽带码分多址 w c d m a w i d eb a n dc o d ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s 标准 5 和c d m a 2 0 0 0 c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s2 0 0 0 标准 6 1 均采用了 m i m o 技术 从总体上来说 应用m i m o 技术可在不占用额外带宽资源的前提下 大幅度提高整个通信系统的频谱利用率和信道容量 通过多个并行的子信道来传 基于协作通信的速率嵌入式差分空时码的研究 输信息 结合了发射分集和接收分集技术 提高了系统的分集增益 尽管m i m o 技术已有了相当的研究成果 但因为m 1 m o 系统在设计实现方面 的局限性 即终端设备在功耗 大小 成本和质量等方面的诸多限制使多天线的 安装难以实现 为了克服m i m o 技术的限制 将m i m o 技术推广到更多应用领域 协作分集技术由此产生 7 协作分集技术将通信网中的终端作为中继节点协助转 发收到的信息 通过不同终端之间的相互协作 构成了一个虚拟m i m o 阵列来获 取空间分集 进而提高了系统传输的可靠性 由于协作分集不需要终端配有多根 天线 可以解决发送端由于收到体积 成本等多方面限制而无法安装多根天线的 困难 协作通信作为一种新的通信方式 把m i m o 通信技术推广到更多的应用场 景中 在这种新的通信方式中 分散在无线网络中的终端可以看作分布式天线 通过这些节点的相互协作 增加了系统的分集增益从而获得了类似m i m o 系统中 的增益 协作通信的出现可在保证较小的布网开销的条件下 为系统性能的极大提升 提供了可能 通过将协作通信技术与其他先进技术进行结合 可以大大提升系统 性能 因此是一种极具潜力的技术 协作通信系统中通过过多过节点间协作传输 可将处于通信盲点的两个节点之间的传输过程转换成视距传输 用以改善通信链 路质量 利用协作通信的传输方式 通过在接收端进行合并接收或在发射端进行 空时联合发射 系统可以获得复用增益或者分集增益 8 协作通信技术作为未来 移动通信系统的关键技术之一已经成为国内外的研究讨论热点 1 2 论文的研究目的与研究意义 分布式空时编码作为一种针对于分布式无线通信网络的编码技术 可通过编 码可以实现更有效的协作通信 它能够挖掘系统中各天线间的空间分集增益 提 高网络的抗干扰能力并能降低用户能耗 而目前大多数已有的对于协作通信系统 分布式空时编码的研究都是基于接收端已知信道状态信息 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 的假设 这一假设要求系统进行可靠的多信道估计 将加重系统频 繁进行信道估计的负担 而协作通信系统的信道估计比传统的m i m o 系统更加复 杂 9 特别是对于快衰落来说 准确的信道估计尤为困难 此时 若能采用分布 式差分空时编码方案完成信息的编码与传输 可以有效缓解信道估计的压力 2 第一章绪论 目前针对于非相干检测情况 多种差分空时编码 d s t c d i f f e r e n t i a l s p a c e t i m ec o d i n g 方案已经被提出 研究学者对其进行了深入的研究 利用差 分空时编码技术可在发射端和接收端都无需获知信道状态信息 c s i 的条件下 完成信号的传输和检测 并可获得相应的分集增益 然而 目前大部分的差分空 时传输方案都存在着系统频谱效率较低的问题 而且在非相干检测情况下难以实 现全速率差分空时码的设计方案 而z h a n g 提出的速率嵌入式的差分空时编码方 案 1 0 1 可以在保证误码性能的同时 显著提高整个系统的频谱效率和传输速率 因 此结合速率嵌入式差分空时频编码结构的优势 针对无线协作通信网络的特点 通过对分布式差分编码结构的设计 探索能够实现高速率传输的分布式差分空时 频编码新方案具有实际的应用价值 目前国内外对于协作通信系统的研究模型主要是源端 中继端和目的端三个 部分 其协作分集方案涉及到广播和中继两个阶段 根据系统无线链路的特点和 不同的协作机制可以选择不同的分布式空时频编码方案 而对于支持协作通信发 展的m i m o 技术 正交频分复用 o f d m 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 m u l t i p l e x i n g 以及差分空时编码 国内外的研究学者已有了广泛深入的研究 差 分空时编码传输方法最早f l 了h o c h w a l d 1 1 和m a r z e t t a 1 2 首先提出 但早期的差分空 时编码方案的检测复杂度较高 给接收端的实时检测带来很大困难 t a r o k h 和 j a 鼬k h a i l i 1 3 1 4 根据复正交设计的思想提出一种差分正交空时分组码 其编码方 案具有线性检测复杂度 但由于这些差分空时码中存在着较多的冗余信息 因而 无法实现高速率的差分传输 为了提高差分空时码的传输速率 n a o f a l 1 5 1 z h u 1 6 1 等提出了高速率差分空时编码 但都未能取得很好的误码性能 而近年来为了使 系统的整体误码性能得到进一步的改善 国内外研究者提出了多种差分空时频编 码方案 但也几乎都存在着频谱效率不高 不能实现高速率传输的问题 针对基于协作通信系统的分布式差分空时编码的研究 国内外相关文献还相 对较少 其中g a o 建立了一种放大转发分布式差分空时频编码方案 l 7 1 通过在源 节点对数据符号分组 降低编解码的复杂度 同时经过满分集旋转 c a y l e y 变换 及o f d m 调制技术 构造了一种满分集的空时频码 与采用差分正交空时码的 0 f d m 传输方案相比具有较好的性能 总体上看 目前针对无线协作通信网络中差分空时传输方案 国内外的研究 工作还处于初级阶段 现有方案还普遍存在着频谱利用率低 抗时变衰落能力差 基于协作通信的速率嵌入式差分空时码的研究 等缺点 难以高速率传输量数据等问题 因此在该课题上进一步开展相关研究具 有实际意义 1 3 论文的研究工作和论文的结构安排 本论文主要对基于协作通信系统的分布式差分空时编码方案进行了一定程 度的研究 主要内容分为五章 其安排如下 第一章简要说明了论文的研究目的与意义 协作通信中的差分空时频编码方 案的国内外的研究现状和趋势 分析了当前存在的问题 第二章详细介绍了无线信道的基本传输特性 重点分析了频率选择性信道模 型 研究了正交频分复用系统的原理 并给出了协作分集的概念 第三章在建立空时编码系统的基本模型的基础上 讨论了空时编码 s t c s p a c e t i m ec o d i n g 的设计准则 分析了几种典型的空时编码及其性能编码复杂 度 简要介绍了差分空时编码理论以及协作通信基本模型及协议 第四章针对单中继节点两跳协作差分空时编码传输方案中的传输速率较低 及频谱利用率不高的问题 提出了一种速率嵌入式的高速率协作差分空时编码传 输方案 将高速率的传输矩阵与低速率的矩阵结合使用 共同完成整个的差分传 输过程 可在不影响系统误码性能的前提下提高整个系统的传输速率 第五章总结了论文的所做的工作 并指出了论文中可开展进一步研究的方 向 对接下来的研究趋势进行了展望 4 第二章无线协作通信概述 第二章无线协作通信概述 2 1 正交频分复用技术 o f d m 在o f d m 系统中 把信道分成若干个正交的子信道 将数据信号转换成为 并行的数据流 在接收端可以采用相关技术对信号进行还原 在o f d m 系统中 是将正交的子载波作为子信道 可以极大提高系统的频谱利用率 从频域上分析 如图2 1 所示 每个子载波是彼此重叠的 这种情况下 当子载波个数有很多时 系统的频谱利用率就会很高 当接收端对o f d m 符号进行解调时 可在不受其 他子信道干扰的情况下 从多个彼此重叠的子信道符号中提取各个子信道符号 而对于传统的频分复用 f d m f 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 系统来说 由 于需要在两个信道之间保留较大的频率间隔作为保护频带来防止干扰 因而会降 低系统的频谱利用率 由此可知 o f d m 系统的带宽利用率更高 载波间隔 h 图2 1o f d m 调制信号的频域表示 如图2 2 所示 对一个o f d m 系统来说 先对输入的二元数字序列进行串 并转换以及编码映射 之后经过快速傅立叶反变换 i f f t i n v e r s ef a s tf o u r i e r t r a n s f o r m 将编码后的星座点进行基带调制 再对其进行并 串转换 d a d i g i t a l a n a l o g 数字 模拟 转换 最后进行低通滤波后经由上变频送至信道进行传输 在接收端对o f d m 符号的处理过程则与发送端正好相反 从信道接收到的信号 首先需经过下变频 低通滤波 a d a n a l o g d i g i t a l 模拟 数字 转换以及串 并转换之后 然后经过快速傅立叶变换 f f t i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r m 接着对所得数据进行均衡用以校正传输中产生的信道失真 最后信号在进行译码 判决和并 串转换之后即可恢复出初始的二元数字序列 基于协作通信的速率嵌入式差分空时码的研究 一 调制串并 窜 并串 趣 转换 输入序列映射转换 一 碱 篙 蛔j 图2 2 0 f d m 系统框图 对一个具体的信号传输过程来说 假定发射端有n 个待发送的符号 或 2 开始时先经过串并变换 可得到n 路并行码流 在这里可设码元周期为1 之 后需要把码元符号分别调制到n 个子载波上 就得到输出的o f d m 符号 一1 s f 吃 f e 2 1 n s o 上式中 以w 是第力个子载波的频率 以 是第力个子载波上的复星座 点 当一个符号周期t j 2 l 幂jd t 为定值 则有 吸 以 2 2 当0 f z 时 则有 1 j 吃p w 2 3 n 0 若令o f d m 信号的采样周期为乇 v n 就能得到信号的采样值为 s 明 j 蛾 d e 以q 2 4 刀 0 为了不失一般性 可令w o 0 有 6 第二章无线协作通信概述 一l n 1 j 明 以p 加厶崛 吃e 7 2 删 2 5 如果把o f d m 技术当成多载波传输方案那么其中多载波调制就可用离散傅 立叶变换 d f t d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m a t i o n 来实现 这就从理论上为o f d m 的实现给予了支持 2 2 分集技术 信号由于受到无线信道衰落特性的影响 在无线传输中 源端和目的端之间 的单一信号路径就可能会出现严重的衰落 因此需要通过增加信道编码部分的纠 错能力 降低传输速率等技术来解决这些问题 然而 对于实际路径中的实现来 说 这些解决方法还远远不够 系统中整体链路的可靠性则可通过在源端和目的 端提供多个信号路径来得到明显改善 使每一个衰落过程都尽可能地独立于其他 衰落过程 而分集的主要思想就是给接收端提供发射信号的不同副本 使这些副本所经 历的衰落是独立的 这样所有副本同时经历深度衰落的可能性就比较小 进而使 接收端用接收到的信号副本对发射信号进行译码时的可靠性得到提高 这可以通 过采用分集来接收信号的多个副本来降低错误符号概率 对于任何一种分集技 术 系统性能的改善体现在与没有分集的系统作比较时 在高信噪比和高传输速 率的条件下 传输的错误符号概率下降的程度 当使用对数表时 传输错误概率 下降的比率表示为在高s n r 条件下传输错误概率曲线的斜率 即分集增益 分 集增益定义如下 1 s l 朋一 l i m 警 2 6 喇l b l 式中y 是信噪比 尽职是错误符号概率 分集是当横轴和纵轴均是对数坐标 时 以接收信噪比为横坐标的错误概率曲线的斜率 根据具体的分集方案和系统 设计 可以使用其他错误概率 例如 在一些情况下使用中断概率 而不是使用 错误符号概率 与分集概念相关的重要问题有两点 一是如何以最小的功耗为接 收端提供发射信号的副本 二是如何在接收端利用这些发射信号的副本使得错误 概率得以最大程度的降低 基于协作通信的速率嵌入式差分空时码的研究 2 2 1 时间分集 信道相干时间大于等于几个符号传输时间的通信环境非常普遍 也就是说在 远远大于相干时间的独立时间内 两个符号会经历高度相关的信道实现 因此可 以用来在时域上获得分集 通过使用重复编码机制形成两个符号 同时我们在符 号流的传输过程中使用适当的交织以保证重复符号在不相关的信道中实现 简单 的说 它是将同一信号样本在一定的时隙间隔后进行多次重复发送 只要各次发 送的时间间隔大于信道的相干时间 那么就可在在接收端获得有独立衰落特性的 几个信号 达到了分集的效果 一般采用差错控制编码方式结合适当交织技术来 实现n 钉 其中时间的交织实现了所需的发送时间间隔 通过重复编码获得满分集增益的同时牺牲了总的传输比特率 而且时间交织 会造成译码延迟 因此时间分集技术并不适合时延敏感 慢衰落的环境 而适用 于信道相干时间很小的快衰落场景中 获得时间分集的最简单的方法是使用重复编码机制来形成两个符号 为保 证重复符号在不相关的信道中实现 符号流的传输过程中要用到适当的交织 在 接收端 符号的副本会被合并到一起 若每个符号的传输可以表示为下面的输入 输出形式 力 危x 2 7 其中 x 是发送的单位符号能量 m 是通过路径i 接收到的符号 惕是噪声 背景 建模为均值为o 且方差为 的循环对称高斯随机变量 瑰是路径f 的信道 实现函数 假设信道服从瑞利衰落 最大化接收信噪比 s n r s i g n a lt on o i s er a t i o 的最优组合使用最大比例合成器实现 而最大比合并 m r c m a x i m a lr a t i o c o m b i n i n g 输出端的s n r 是m r c 输入端的各分支的s n r 的总和 从上述对瑞 利衰落信道的解释中可以看出 m r c 输出的s n r 服从z 2 分布 若假设使用b p s k 调制 传输符号的m 个副本分别与相应的信道增益 矗 忽9 oo 相结合 使用m r c 合并器得到的错误概率为 q l 瓣2 2 在此 我们可以得到平均错误符号概率为 第二章无线协作通信概述 j c o q 历 f o d y 2 辩 2 8 其中 y 1 o i 1 2 m r c 输出端的s n r y 是z 2 分布的概率密 度函数 歹是m r c 输出端的平均s n r 2 2 2 频率分集 与时间分集相类似 在可用带宽超过相干带宽的系统中 分集可通过使用被 划分为可用带宽 而且在信道带宽一致性的基础上相互分开的信道来实现 其中 最为直观的方式就是将整个系统带宽分割为具有较小带宽并且具有独立响应的 信道 这种方式适用于多载波系统 系统通过将宽带信道分割为无重叠的窄带子 信道实现传输 在每一个字信道中 用于传输的符号有一个足够长的传输周期使 该子信道表现为平坦衰落信道 不同的子信道被一起使用 通过确保每一个子信 道频率在带宽一致性的基础上与其他子信道在频域相互分开 以获得频率分集 用这种方式 各子信道的衰落过程将呈现小的交叉相关 这种系统的一个例子就 是正交频分复用 o f d m 2 2 3 空间分集 空间分集 也称天线分集 是通过在传输系统中的节点配置多根天线 让接 收端在不同天线上接收同一个信号 并对接收到的信号按一定的合并方式进行合 并 设计中需使天线间隔足够大 从而保证不同天线间的信道衰落情况是相互独 立的 这样接收端就可以先后接收到在空间上历经独立衰落的多个不相关的信号 样本 利用彼此的相互独立性来抵消衰落 采用空间分集技术的系统 因不占用 多余的带宽 通过合并后接收信噪比提高 进而提高了系统的容量 因此是通信 中使用较多的分集技术 9 压2 卜 一 基于协作通信的速率嵌入式差分空时码的研究 2 3 合并技术 分集技术考虑了传输过程中多径信号能量的有效利用 借此提高整个通信系 统的可靠性 而合并技术就是在信号分集后将其收集起来 以获得比每个单一的 接收机具有更好质量的信号或者获得更大成功接收信号的概率 在信号合并过程 里 具体到每路信号的处理 合并技术的本质就是设计一个有特定目的的函数组 合信号 一般的表达式如下 g y m2 乞a i 坛 2 9 k o 其中 y k 为第尼 七 o 1 l 1 条路径的接收信号 为合并器的加权系数 l i 为组合后的信号 对加权系数 进行归一化 即满足 a 1 根据a 值的不 k o 同 我们可以得到不同的合并技术 如果只有一个加权系数不为零 即a l l o k o k l k o k l o l l 1 口i o 1 可以得到最优选择合并 o s c o p t i m a lc h o i c ec o m b i n i n g 如果能在通 过自动调节a 七使得组合后得到的信号y m 的s n k 最高 就得到最大比合并 m r c 如果把所有接收到的信号按相同的加权系数叠加起来 即 a l a 工 l 1 就可以得到等增益合并 e g c e q u a lg a i nc o m b i n i n g 2 3 1 最优选择合并 o s c 应用范围广 并不需要知道任何信道信息 因而是一种易于实现的方 式 采用o s c 方式时 对于一个由l 个接收机组成的接收分集系统 l 个接收 机的输出信号先送入已有的选择逻辑 把l 个支路中具有最优瞬时s n r 的信号 作为输出 即式2 1 中只有一项的吼为1 其他均为0 的情况 在实际操作过程 中 因为对信号进行瞬时s n k 估计非常困难 所以多选用每个支路平均s n r 最 大来代替瞬时s n r 最大进行选择 把每个支路的平均功率表示为仃2 仃2 包络的衰落均服从瑞利分布 可定义变量 童尘薹璧薯里婴尝 每个支路的瞬时s n rr 世7i 口i除卜nii班 1 l 平均噪声功率 1 一 一 第二章无线协作通信概述 r 鱼塑雩孽雾蕞铲 每个支路的平均s 际 i 一一1 苴 l vl b 何n i t 纠o j 1 n 平均噪声功率 7 一 一一一 s n r 小于或等于特定门限值咯的概率为 p 咯 l p 一盘厅 那么 所有独立衰落分支的 都小于或等于咯的概率为 p 吒 r z 4 吩 1 一g r s l r 二 通过采用o s c 方式 l 条支路所得到的平均s n r 值为 1 7 1 8 m e 锄 咯 r 七一o 平均s n r 改善量为 m 2 荟妻 2 3 2 最大比合并 2 1 0 2 1 1 2 1 2 2 1 3 假设m r c 的输入端是三个信号样本 y o 咒 耽 这些样本被合并为信 号样本砌 每一个接收信号对应一个发送的单位能量信号 这些信号通过 e 胁 啊p 埔 吃一l e 触表示的不同路径接收 则线性输出值为 助 龟口一施败 2 1 4 这里龟是n m c 合并器的加权系数 复指数是为了达到同相位而均衡其中每一路 信号 假设待合并信号在接收端同样受到功率谱密度为 o 的噪声影响 那么 m r c 输出端的s n r 为 嘞 必l l o 咯2 这里噪声也是作为接受信号的一部分来讨论 如果要使2 7 式达到最大值 即使该式分子最大 可以利用柯西一施瓦兹不等式 可得 l i1 2 除烙2 基于协作通信的速率嵌入式差分空时码的研究 志 那么 在m r c 输出端可以得到最大的s n r 为 掣 p t 乃 合并后所得到的平均s n r 为 1 9 m e a n r 卅 l f 2 1 8 m m 三 2 1 9 2 3 3 等增益合并 等增益合并 e g c e q u a lg a i nc o m b i n i n g 万式中每条支路的增益与接收 s n r 无关 如上述所示 加权系数全部都设为1 z e g c 的性能与m r c 方式 非常接近 合并后的平均s n r 为 1 9 m e a n 乞 r 号 三一 2 2 平均s n r 改善量为 m 1 孚 三一1 2 2 1 2 4 协作分集 近些年来 无线通信业务的激增速度是前所未有的 而语音通信早已不能 满足人们实际业务需求 高速率业务 多媒体业务和宽带无线i n t e m e t 以及其他 各种业务在近年来不断出现 而大多数未来无线系统 如移动超宽带 u m b u l t r am o b i l eb r o a d b a n d i e e e 8 0 2 6 e 都有可能在高带宽信道上为每个用户提供 高速率的数据业务 比如 在第四代无线通信网络中 如移动宽带无线多址 第二章无线协作通信概述 m b w a m o b i l eb r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s s 或i e e e 8 0 2 2 0 其下行链路 2 l l 可以达到2 6 0 m b p s 的峰值数据速率 而事实的情况是 仅针对于满秩m i m o 用 户而言 这些高数据速率才可能达到 因为由于多天线无法在小型终端上予以实 现 或是由于传播环境并不能支持m i m o 为了解决上述m i m o 增益难以实现的问题 推动我们思考一种超越传统点 对点通信的新技术 通常的观点认为 无线系统是一个可互相通信的节点的集合 而考虑到无线信道的传播特性 我们可将这些节点看做分布在无线通信系统中的 天线的集合 因为中继节点常常距源节点有几个波长的距离 所以中继信道与直 接信道间的衰落独立 这就在源和目的端之间产生了一个满秩m i m o 信道 在 协作通信方案中 对于接收到由其他发射节点辐射出的有用能量的节点会有一些 先验的限制 这一新的协作方案如图2 3 所示 发射机1 和发射机2 互为合作伙伴 假设 发射机2 为中继节点 发射机2 除了向接收机传输自己的信息外还要负责合作伙 伴发射机1 发送信息的传输 发射机1 先向接收机广播信息 同时发射机2 也接 收到该广播信息 广播信息通过在节点上做适当的信号处理后转发给接收机 对 于接收机来说相当于接收到了两个独立的信息样本 即发射机1 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 模拟了多天线分集系统 从而获得 了空间分集效果 提高了信息传输可靠性 如果将发射机1 作为中继节点通信过 程也是相同的 另外 在协作通信过程中 各节点不只需要传送自己的信息 同 时还要负责传送其合作伙伴的信息 虽然这将必然在协作的过程中牺牲了自己的 部分资源 但也因此可以利用其它协作伙伴的资源 由此推测 如果能进行合理 的协作设计就可以将整个网络的资源加以高效利用 大大提高通信能力 2 2 2 3 1 基于协作通信的速率嵌入式差分空时码的研究 发丫 射 机 1 发 丫 射 机 2 接 收 机 图2 3 用户协作结构中两个相关的发射机 2 5 协作通信传输协议 2 5 1 放大转发协议 放大转发协议 a f a m p l i f y a n d f o r w a r d 是最简单的协作思想 每个用户 接收协作节点发送过来的信号 对该信号进行放大后转发给目的端 该模式是由 l a n e m a n 提出并进行了详细的分析 如图2 4 所示 图2 4 放大转发示意图 a f 中继信道可以建模如下 只 尸绣 s 2 2 2 儿一 4 e h d s 2 2 3 其中 我们假设信道系数 即信道衰落 符合瑞利平坦衰落信道 噪声分别表示 均值为零且方差为 0 的加性高斯白噪声 中继将接收到的信息放大后转发给目 1 4 第二章无线协作通信概述 的端 目的端对源到中继的信道衰落进行理想均衡 中继的放大处理实质就是简 单的对信号用了一个因子量化 这个因子应该满足 西 q 2 而 2 2 4 之和 源端到目的端的趴鸣 d 为 s n r 一 r k l 2 f p i n o 2 2 5 中继端到目的端的接收信号为 只一2 曩一q 只 吩一5 了习丢等等i i h r d h s r s f 以一 q 乏6 砖一 芈绋 d 绋一 埠一2 了i 丽绋一 绋一 这里的砖 d 也是均值为零的复高斯随机变量 其方差为 氓 蒜 o 7 合并i 丢t f a 吒应该设计来最大化合并s n r 假设发送的符号平均能量为1 可 知m r c 的输出的瞬时s n r 为 2 4 1 p k l 2 o 2 3 0 吒 击一 轳瓦瓦芹葡蕞 亿3 d 由上式看出 放大转发瞬时互信息量是衰落系数的函数 为 l f 吾l b 1 r r 2 吾l b r l 吃 d 1 2 s r i 吃 1 2 r i 以 d 1 2 2 3 2 基于协作通信的速率嵌入式差分空时码的研究 厂 x 少 百x 鬲y 通