协同通信系统中能量优化的中继选择算法研究

1、协同通信系统中能量优化的中继选择算法研究 学校代号:号:学密 级:公开兰州理工大学硕士学位论文协同通信系统中能量优化的中继选择算法研究删四四四 . ?,兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。日期:如/多年 日月作者签名:棚、学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有

2、权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本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和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库,并通过网络向社会公众提供信息服务。作者签名:鹰鸽、 砌导师签名: 期期印年尹僻修/硕士学位论文目 录摘 要.】插图索引?.附表索引?一第一章 绪论.引言?.研究背景?.无线移动通信的发展?一.未来移动通信技术趋势.协同理论发展概述?.协同通信技术特征.课题的主要任务和意义?.无线中继信道?.协同中继选择技术?一.文章的

3、章节安排和创新点.章节安排.主要创新点?.第二章分集技术及其基本原理.无线通信中的信道衰落特征.分集技术的定义与分类?.分集的基本原理.分集合并准则?.分集接收技术?.空间发送分集技术.技术.协同分集技术?. .协同分集的概念.协同分集的优点.本章小结?.第三章多用户协同通信.协同分集信道模型及性能分析.协同分集信道模型?协同通信系统中能量优化的中继选择算法研究.多用户协同可达速率域.多用户协同链路中断概率.协同中继协议与信道容量分析.三节点中继信道模型?.半双工协同中继方法?.半双工解码.转发中继?.本章小结?一第四章协同中继选择技术.中继选择遵循的标准.中继选择算法分类?.基于中断概率的协

4、同中继选择.基于端到端比特错误率的协同中继选择?.基于瞬时信道状态的协同中继选择?.基于信噪比门限值的协同中继选择.基于能量分配的协同中继选择一.算法比较.本章小结第五章基于中断概率与功率综合评价的中继选择算法?.引言?一.系统模型?一.信道模型.中断概率.中继选择算法?.算法原理分析?.算法步骤?.仿真结果分析?一.本章小结总结与展望?研究工作总结?.进一步展望?.参考文献?一致 谢?.附录攻读学位期间所发表的学术论文目录?一硕士学位论文摘 要协同通信技术有效地解决了多天线. .技术无法在小型移动终端设备上应用从而获得空间分集增益的问题。在协同通信中,选取适量而适当的协同中继节点不仅可以保证

5、协同传输的顺利进行,而且可以有效地提高系统性能,优化网络资源应用,因此协同中继选择成为未来无线通信研究领域中的重要课题。本文在对协同理论及协同中继选择算法深入研究的基础上,展开针对协同通信系统中能量优化问题的中继选择算法研究。本文首先介绍了移动通信背景,发展历程和未来的发展前景,并对协同通信技术进行详细叙述。在此基础上,本文后续章节对协同通信中的基础理论进行了分析讨论,包括分集技术的基本原理与系统性能分析;协同分集的概念与优点;协同信道模型与性能分析;以及协同中继采用的中继转发策略。其次,在所有这些理论基础之上展开本文工作。通过归纳,总结出协同中继选择算法设计中的六项准则,列举当前主要的五种协

6、同中继选择算法,发现其各自的优势与缺点,发挥优势,改善缺点,展开新的算法设计工作。本文从改善中继选择算法中功率消耗的目标出发,利用传统的由功率决定系统中断概率的函数关系,反推出由中断概率决定系统功率的反函数关系,在这一推导过程中,利用协同信道特性对问题进行简化分析。根据这一机制,可以通过比较系统功率来比较各协同中继的优劣。利用综合评价的方法将这一机制与基于中断概率的协同中继选择算法有效结合,通过调整权重因子进行有侧重的,并且均衡考虑中断概率性能与功率的协同中继选择算法一一基于中断概率与功率综合评价的中继选择算法。对于该算法在单小区多用户场景中的应用,本文设计出完善的中继选择步骤并加以描述。最后

7、,通过计算机仿真,利用图示与比较的方法,可以得出以下结论,新算法在候选中继设备较多,也即协同通信网络中用户分布密度较大时可以达到预期的效果,并且与以往的中继选择算法相比在功率消耗方面到显著改善,而且该算法具有较低的复杂度,能够满足实际应用的需求。关键字:协同通信;中继选择;中断概率;综合评价协同通信系统中能量优化的中继选择算法研究 ?. ,.,. ,. ,; ;. . , , , . ,. ,. ? , , ,. .硕士学位论文, , ,. , . ., : ; ;协同通信系统中能量优化的中继选择算法研究插图索引图.三种合并方式的平均信噪比改善与的关系曲线.图.多输入多输出系统模型.图.移动终

8、端之间的协同分集?.图.两用户协同分集系统信道模型.图.协同用户与基站间信道的统计特性相同时的速率域比较?一图.协同用户与基站间信道的统计特性不相同时的速率域比较?图.中断概率?一图.三节点中继信道模型?图.三节点高斯解码.转发中继信道模型?图.三节点高斯放大.转发中继信道模型?图.多用户协同网络模型?一图.中继选择流程图.图.中断概率随信噪比变化曲线?图.中断概率随候选中继节点数目变化曲线?.图.不同口值时中断概率随候选中继节点数目变化曲线?图.总功率随候选中继数变化曲线.硕士学位论文附表索引.硕士学位论文论第一章绪.引言随着移动通信与无线互联网技术的高速发展,移动用户的业务需求由原来的语音

9、通信向高质量、高效率的数据传输迅速转变,这就对未来无限通信系统的传输速率与可靠性提出了更高的要求。在当前频谱资源日益紧张的情况下,多天线 ,系统因其对系统传输性能和频谱效率的显著提高而成为当前无线通信系统研究的热点。然而受到个人用户移动终端设备对体积、功耗和复杂度等多种因素的严格限制,多天线技术难以实现,因此协同通信的概念被提出,通过协同技术,移动通信网络也可以享有带来的系统性能提升。随着对协同通信研究的日益成熟,如何选择合适的协同中继端成为研究工作中的重点问题。.研究背景.无线移动通信的发展年双工无线 通信实现,由于其昂贵的成本,在之后的很长一段时间里,双工无线语音通信仅能应用于特殊领域,这

10、一时期主要是其在广播领域的应用。自世界年代开始,计算机技术、集成芯片技术、蜂窝覆盖技术以及无线移动切换技术迅猛发展,使得社会大众期望的个人移动 通信逐渐成为现实。年幼贝尔实验室开发的高级移动 系统 .在美国首次使用,日本与英国随后也开始使用这一系统,通常人们所说的第一代移动通信系统由此诞生。第一代移动通信系统基于模拟信号处理技术,运营成本很高,难以向社会大众普及,于是在世纪年代初开始被具有更高容量与可靠性的数字蜂窝移动通信所取代。数字蜂窝移动通信使个人移动通信设备迅速普及,逐步形成了第二代移动通信系统。.第二代移动通信系统主要采用数字时分多址 和码分多址,技术,它主要提供数字化的语音服务,同时

11、也能够提供低速的数据业务。第二代移动通信系统与第一代同样没有全球范围的统一标准,现在使用的系统包括. 、和协同通信系统中能量优化的中继选择算法研究,由于只是不同,移动用户仅能在同制式覆盖范围内漫游。第二代移动通信系统有限的带宽也限制了高速率的数据业务。与此同时, 互联网络在全世界范围飞速发展,不断推出类型的新应用于新业务,由此吸引了越来越多的研究人员和用户的关注,结果电信网络中的传统语音业务受此冲击,业务流量持续下降。为此,电信运营商积极寻求拓展语音业务以外的其他非语音业务,但是,受到带宽限制,第二代移动通信系统无法提供不影响语音通信的各类新业务。于是,能在提供语音业务的同时提供其他多媒体业务

12、的第三代移动通信技术恤,在世纪年代初被迅速提上研发议程,并在世纪年代中后期被逐步标准化,其全套标准于年前后推出。第三代移动通信系统具有更宽的带宽,这使得它在提供高质量语音业务的同时,还能够提供数据传输服务,从而提供各种快捷、方便的无线应用。此外,第三代移动通信系统能够将高速移动接入和基于互联网协议的服务结合起来,提高无线频谱利用效率,从而为用户提供更经济,具有更丰富内容的无线通信服务。第三代合作伙伴计划 ,自年月起,】,目标是增大蜂窝移动通信系统展开长期演进计划的容量和覆盖范围。然而,第三代移动通信技术也存在其特有的局限性,主要表现在:难以达到移动用户多媒体业务需求的高通信速率;难以提供动态多

13、速率业务;难以实现不同业务环境间在不同频段下的无缝漫游;仍不具有全球统一的移动通信系统标准。对于以上各种局限性,研究者们都希望能在未来第四代移动通信系统中得到解决。未来的第四代移动通信系统通信已在年构思出来,研究者们对这一未来的新技术提出点期望:极高的传输速率与优质的传输质量;灵活多样的业务功能;智能化的高速无线网络;基于网络的核心网;开放的平台;高度可靠的安全保密机制。业界对也普遍给出一种定义:可称为宽带接入和分布式网络,具有非对称的超多/的室外数据传输能力和/的室内数据传输能力,它应当硕士学位论文是包含宽带无线固定接入、宽带无限局域网、移动宽带系统和互操作的广播网络等的系统。年月 日,国际

14、电信联盟正是通过标准作为未来无线通信标准。.未来移动通信技术趋势纵观移动通信技术的发展历程,可以得出以下结论:要达到提高有效带宽的目的,需从信息处理的角度出发,实现更加优化的高带宽信道编码调制与解调的方案,当前的无限通信领域多数研究者正在从事的正是这一目标的工作,如分布式天线技术、智能天线技术、,以及各类蜂窝结构网络等技术都属于这一方面的研究。然而,无论提出的新算法如何,大气空间始终属于共享的时变信道,各用户所能享受的带宽,相较于有线信道,仍然具有很大差距。因此,当前的研究者们从网络异构混合的角度出发,结合多核心计算机并行处理的思路,探索使用户采用多模终端来实现数据多径并行传输的技术,达到有效

15、地提高逻辑带宽的目标。由此又产生了为资源调度管理设计新一代的支持多径传输的介质接入控制与动态频谱自适应的技术的要求,以使物理层的应用更为优化。当前,通信网络,尤其是移动通信网络正处于转型期,各种新的技术不断涌现,各具所长且相辅相成,并不能简单评判某一技术就一定占有绝对的优势。未来是的进一步演化,在传统通信网络技术的基础之上,不断提高无线通信网络的效率并增加服务功能。而且,不仅包含一项技术,它是多种技术的融合,不仅包括传统移动通信技术,同时包括了宽带无线领域和广播电视领域中的新技术。.协同理论发展概述协同通信的基本思想的起源可以追溯到和对于中继信道信息论特性的研究。他们的研究得出了在几种特殊下情

16、况下中继信道的容量,以及在一般情况下信道的容量界,自此奠定了中继通信理论的基础。近些年,在系统中得到了进一步发展。由于无线设备要受到体积尺寸和硬件的复杂度的限制,专家提出一种新的解决方案一一虚拟通信。此外,为了在无线传感器网络中达到节省能耗和提高传输速率的目的,研究者提出由多借点相互协同来组成协同的策略。系统中的虚拟和无线传感器网络中的协同技术促进了近年来协同通信的迅速发展。.协同通信技术特征用户协同与非协同方案相比,可以带来两个好处:增加数据速率以及减小对协同通信系统中能量优化的中继选择算法研究信道变化的敏感程度。协同通信带来的数据速率增加又可以带来降低用户发送速率的效益。因此,协同系统用户

17、在相同传输速率下传输数据时,比非协同用户消耗更小的功率,由此使得设备电池寿命得以延长。研究表明,协同增益还可以在蜂窝系统中起到增加小区覆盖半径的作用。然而,要使协同通信技术得到更好的应用,还需要优化以下问题:复杂度问题;安全问题;层及其上层协议问题。除了以上物理层设计问题之外,在网络层及更上层也由许多问题需要全面考虑。用户协同增益将来源于具有较好信道资源的用户帮助其他移动台获得优化的性能,但是却要因此牺牲自己的部分数据速率,所以在协同协议设计中还须做到各方利益统筹兼顾。.课题的主要任务和意义.无线中继信道多天线技术的提出使研究者们找到了无线通信系统中抗多径衰落的有效方法,通过在无线通信系统的发

18、端与收端配置多天线,以较低的成本代替了单纯依靠提高发射功率,从而增大信噪比的方法克服信道中的干扰与衰落。然而,在当前最为先进的移动通信网络中,受移动台体积等限制,多天线技术无法直接应用,于是协同中继传输技术应运而生。自信息论诞生以来,关于通信信道容量的研究一直是通信领域的核心问题,对于新兴的协同通信技术的研究,自然要从对协同中继信道的研究入手。协同通信通过利用临近节点构建虚拟多天线系统,其本质原理与传统多天线技术相近。然而,与传统多天线不同的是,信息源与各发射天线之间,以及各天线相互之间不再是有线信道的传输,而是无线信道。另外,协同无线传输也不再像传统无线通信系统那样在发射端与接收端之间建立单

19、一的无线信道。这些区别使得协同通信的信道模型及其相关原理不同于以往的任何信道模式。因此在研究工作中,有必要在传统信息理论的基础之上,对协同中继信道进行深入的讨论分析。对协同中继信道的主要研究工作包括:协同中继传输单元的三节点信道模型。作为协同通信中最基本的通信单元模型,对其进行深入研究具有十分重要的意义,只有在对该模型充分理解的基础上才可能展开对更高级的系统模型的讨论分析。协同中继传输信道容量。信道的价值体现在其所能为无线通信提供何种质量的服务,因此,对信道容量的研究始终是无线通信系统研究的首要问题。硕士学位论文协同通信技术的主要优点就是能够在同等条件下极大提高无线信道容量,所以对协同中继传输

20、信道特有的信道特性的研究是协同理论研究的不可忽视的基础。中断概率。无线通信的根本任务是为了满足人类对于信息服务的需求,因此对无线信道的根本要求是其所能提供的传输速率能够保证无线用户业务的正常开展。在无线业务传输速率得不到满足的时候,就称其发生了中断事件,中断概率是对这一情况发生可能性的描述,其本事是信道容量的另一种体现,尽管如此,当前对信道中断概率的研究日趋广泛,尤其是在协同中继技术的研究工作中,本文主要研究内容一一协同中继选择技术也是以中断概率为基础。协同通信已经成为未来移动通信采用的重要技术之一,并且具有十分广阔的应用前景。对协同通信中基本的协同中继技术进行深入研究,发掘潜在的创新并使之应

21、用于实际是我们对研究工作的期望。.协同中继选择技术在传统的多天线系统中存在这样的问题,即在有些时候,全部天线的使用对系统性能的提高并不能达到应有的效果,反而造成无线资源的浪费。协同系统中,系统性能的提升并非随中继数目的增加而无限制的增长,过多的中继反而会给系统带来不必要的负担,同样造成资源的浪费,因此,选择合适的协同中继伙伴是协同中继传输能够获得理想增益的前提条件。协同中继选择的思想直接来源于系统中的天线选择技术【】,因此在算法设计当中有很多共同点,但是,由于协同中继信道中存在信源与虚拟的天线一一中继之间的额外无线信道,使得协同中继信道变得更为复杂,因此对其“天线的选择问题也比系统更加复杂。当

22、前的协同中继选择研究工作已经设计出许多系统的选择算法,但是由于仍然存在许多尚未克服的问题,未能付诸实践。因此,我们期望在前人的工作至上对目前研究中存在的一些问题进行合理的解决。针对于移动网络中设备能量资源的匮乏,我们期望通过中继选择这一协同传输的前期工作来对网络中的功率消耗进行优化。通过选择最佳中继与源节点进行协同传输,不仅保证无线业务的进行,同时尽可能小的降低发射功率,减小能量消耗。.文章的章节安排和创新点.章节安排本文围绕协同通信系统中以能量优化为目标的协同中继算法设计进行研究,同时对协同中继链路中断概率进行了分析。在研究过程中运用理论分析与计算机仿真结合的研究方法,在理论与实践双方面对研

23、究的正确性与可行性进行了证明。协同通信系统中能量优化的中继选择算法研究本文结构共分五个章节,安排如下:第二章本章重点内容为协同通信理论基础的分集技术,对分集技术的基本原理进行介绍,讨论了分集接收合并技术的几种准则及其相应的性能与技术特点比较。之后对空间分集发送技术进行介绍,并由此引出多天线技术的讨论。最后对本文中重点讨论的协同分集技术的概念和优点进行了详细说明。第三章在前一章内容基础之上,本章对协同分集信道模型进行了分析讨论,从理论分析的角度对协同分集技术给通信系统带来的各项增益进行了说明。最后对协同中继的两种重要的中继转发方式进行了详细的分析比较,作为后文的基础。第四章本章讨论的重点是本文的

24、核心研究内容,协同中继选择算法。首先对协同中继选择技术的基本理论进行阐述,列举了协同中继选择中的几个主要标准,然后对当前一些已经提供出的选择算法进行介绍。最后对这些现有的选择算法进行了比较。第五章本章在前文介绍的基础上提出一种基于中断概率与功率综合评价的协同中继选择算法。对该算法的构建思路与理论推导进行了详细说明,描述了算法实现的步骤,并且利用对算法性能进行仿真分析,通过图例与比较的方法,验证的算法的正确性与可能性。本文最后对全文工作进行总结,并对未来进一步的深入研究工作加以展望。.主要创新点本文研究的主要内容为:协同通信系统中能量优化的协同中继选择算法研究,以及在此基础上对系统容量进行了分析

25、。论文的创新主要有以下几点:利用三节点基本协同通信单元分析中断概率由功率决定的线性关系式反推导功率由中断概率决定的关系,借此提出基于总功率因素的中断概率选择算法。构造合理的综合评价系数归一化方法,使得在进行综合评判是取值介于的中断概率与取值达到数量级的功率在综合评价过程中具有相当的比重。提出新的基于中断概率与功率综合评价的协同中继选择算法步骤,并加以详细描述。硕士学位论文第二章分集技术及其基本原理协同通信技术的提出主要是为了解决小体积移动设备获得空间分集的问题。为此,本章首先从无线通信系统中的分集技术展开研究,对分集技术的基本原理进行讨论,并由此拓展到协同分集技术的研究。协同分集技术由于无线信

26、道特性,具有许多不同于传统分集技术的特点,因此,本章中对协同分集技术也进行了详细讨论。.无线通信中的信道衰落特征在一般的无线传输过程中,电磁波在其传播路径上需经过反射、衍射和散射后到达接收机,在接收端得到的信号是经过不同路径传输后到达接收端的信号叠加,接收端接收到每一路电波不仅幅度和相位偏移不同,而且到达的时间也各不相同,因此由接收机接收到的信号会呈现出无线通信特有的衰落特性。慢衰落若接收信号强度的中值表现出缓慢变化,则将这一衰落现象称为慢衰落。造成这一变化的主要原因有两个方面:一是地区位置的变化;二是气象条件的改变。后者的影响通常比较小,因此可以忽略。电磁波如果在其传播路径上遇到障碍物,就会

27、产生电磁场的阴影区,移动台移动过程中通过不同阴影区时会引起中值的变化,因此这种衰落也被称为阴影衰落。慢衰落信号变化的幅度由其工作频率、变化频率、障碍物状况及其与移动台之间的相对移动速度决定。慢衰落的信号强度近似地服从对数正态分布:.去矿叫彪矿其中,口是幅度的均值。若移动台与基站之间的距离为,传播路径和慢衰落可以联合表示为:鱼.,”式中的表示路径损耗因子,表示由于慢衰落而产生的对数损耗,服从均值为零,标准差一般为拘对数正态分布。式.用表示为:.协同通信系统中能量优化的中继选择算法研究快衰落接收端接收到的信号强度表现出快速、大幅度周期性变化的现象称为多径快衰落,也成为小区间瞬时值变动。统计表明,在

28、障碍物均匀分布的城市街道或者森林当中,信号包络的起伏近似服从瑞利分布,因此多径快衰落也被称为瑞利衰落。快衰落的衰落幅度的变化与地形地物有很大关系,可以达到 ,衰落的速度与移动台的移动速度有关。例如:在移动台移动速度为/,电磁频率为的条件下,衰落速度可以达到.次每秒。在没有直达路径的时候传播路径数目较多时,各路径信号幅度差异很小,快衰落服从瑞利分布:一.箬护,式中,信号幅度的均值为三盯,为其方差。当仃时取得最大值。若存在直达路径,则快衰落服从莱斯分布:亿,等胚咖等坤警式中厶石表示第一类修正贝塞尔函数。由上式可得,当,即没有直达路径时,此式就表示瑞利分布。产生快衰落的原因主要由两个:多普勒效应和多

29、径效应。多普勒效应在存在多条传输路径的条件下,由移动物体的运动速度和方向引起信号频谱展宽的现象,就称为多普勒效应。多普勒效应引起的附加频移被称作多普勒频移,可以表示为:厶÷ .式中口表示入射电波同移动台运动方向间的夹角,代表移动台移动速度,五为波长。上式中的与入射角大小无关,是以的最大值,厶称为最大多普勒频移。多径效应由移动台周围的局部散射体引起的多径传播效应被称为多径效应,表现为快衰落。发射端发射的信号经过多条路径传输到达接收端,由此经历不同的传播损耗号衰落,经过各路径的信号均不相同。从时域的角度看,信号通过的各条路径的长度不同,所以各路径信号达到接收端的时刻就各不相同,也就是说,

30、如果从基站发出一个脉冲信号,接收端接收到的信号中除该脉冲以外,还要包含它的多个时延信号,这使得接收信号中的脉冲宽度扩展,由多径效应引起的这一现象被称为时延扩展。扩展的时间可以用第一个码元信号至最后一个码元信号之间的时硕士学位论文间来测量。时延扩展会引起码间串扰,从而严重地影响到数字信号的传输质量。从空间角度看,接收信号的幅度沿着移动台的移动方向会随着距离的变多而衰减,这一幅度变化反映出了地形起伏引起的衰落以及空间扩散带来的损耗。.分集技术的定义与分类影响通信质量的主要因素之一就是衰落,无限衰落信道因为要遭受多径衰落和时变性等影响,传输性能会变得非常差。在加性高斯白噪声,信道中,要使得误码率从

31、。级降低到级,信噪比只需要增加.,然而在无线衰落信道中,快衰落的深度可以达到.,很难通过加大发射功率.倍来减小这种深衰落的影响,并且这样的做法还会对其他的无线电台造成干扰。同时简单增加信号带宽也不可能提高信噪比,因此无线先衰落信道需要寻找其他的方法来提高传输性能。能够有效克服各种衰落,带来无线传输性能提高的方法之一就是分集接收【,它的基本思路是:接收机接收同一信号经过多个衰落特性独立的信道传输的副本,在给定的任意的瞬时时刻,各信号副本同时处于深衰落状况的可能性很小,这样就可以保证接收机收到强度足够大的信号副本进行接收处理,以此达到提高接收信噪比的效果。.分集的基本原理分集技术的基本原理可以总结

32、为:接收机接收经多个信道传播的同一信号的多个副本,这些信道在时域、频域或空间具有相互独立的信号衰落特性,并且接收到的信号副本强度具有可比性,将这些信号副本按照一定的规则加以合并,使合并后得到的有用信号强度最大化,对模拟系统而言是最大化接收端信噪比,而对数字信号而言就是最小化接收端误码率。在噪声受限的条件下,当信道条件较差时,为保证无线信号正常传输,若不采取分集的办法,就必须要提高发送端的发射功率。但是,对于移动无线环境中的手持终端设备,其承载的电池能量十分有限,为了保持较长的工作时间,上行发射功率必然受到严格限制,因此在这一系统中无法通过提高发射功率的方法增加上行链路的接收信噪比,因此采用分集

33、技术尤为重要。另外对于蜂窝网络系统,其系统容量受到干扰的限制,采用分集技术可以减小载波干扰比,增大复用系数并提高系统容量【¨。经过理论分析与研究实践证明,在时域、频域或空间等方面分离的多路无线信号,都能够呈现出相互独立的衰落特性,因此分集技术可以分类为时间分集、频率分集和空间分集等。时间分集通过在不同的时隙重发同一信号,在时域内提供信号副本;频率分集通过在不同频率载波上发送相同信号,在频率域内提供信协同通信系统中能量优化的中继选择算法研究号副本;空间分集要通过在在发送设备配备多个天线来实现。要获得好的分集效果,时间分集必须要保证相同信号副本之间有足够的时间间隔,空间分集要保证载波频率

34、之间相互独立,而空间分集的多天线排布要保证相互之间大于相关距离。通过以上比较可见,空间分集的技术能够在保证数据传输速率且不需要牺牲信号频谱带宽的条件下获得分集增益,由此受到了研究者们的重视。传统的空间域分集方案主要是接收分集,研究表明,在误码率约为。条件下,若接收端采用两幅天线实现接收分集,信噪比能够获得近的改善【引。但是由于移动通信中个人用户的需求,移动台的体积、功率消耗等受到严格限制,接收分集技术无法在移动台上实现,只能在基站或车载电台等较大终端采用。为了使个人移动设备的接收信号质量得到改善,人们越来越多地关注发送分集技术。发送分集是在移动通信网络的基站端配置多个发射天线,并且进行相应的信

35、号处理,而在移动台仅需配置单天线就能够获得较好的分集效果。发送分集改善了移动设备的接收信号质量,并且易于实现,由此带来的基站成本增加可以由众多移动用户分担,因此具有良好的应用前景。在此需要额外的几点说明:首先,空间分集本质上是利用多条路径中较强的信号补偿处于深度衰落路径的信号,而分集技术的主要用途是对抗衰落,对于没有明显衰落的信道,采用分集技术无法获得显著的分集增益【。其次,分集技术中各接收信号副本之间经历的信道衰落特性必须相互独立,并且越低的相关程度,分集的效果就越好,这时由于当各路径衰落特性的相关性很强的时候,它们同时处于深度衰落的概率就会非常大,因此无法提供分集增益。最后,为了能够获得好

36、的分集效果,各接收信号副本的信号强度要具有明显的可比性。.分集合并准则接收端收到个分集信号以后,怎样对这些信号副本进行处理来减小衰落影响,就是信号合并的问题。一般普遍采用的方式是线性合并,即将肋个衰落特性独立的信号副本相加,然后合并输出。设这个输入信号的电压值为,?,则合并表达式为:吖.吼圪,尼,?,其中,。是第个信号的加权系数。不同的加权系数可以得到不同的合并方式,常用的方式有以下三种:等增益合并。对各路信号副本以相等的支路增益进行直接地相加处理,无须对各路信号分别加权,相加合并后的信号作为接收信号。这种合并方式比较容易实现,性能同最大比合并接近。等增益合并器输出的信号包络为:硕士学位论文.

37、吃平局信噪比改善为:.也署一最大比合并。最大比合并是一种最佳的合并方式。需要在信号合并之前对个信号副本进行加权,加权系数与各路信号的接收信噪比成正比,即瓦.由此得到最大比合并器输出的信号包络应为:亿吃静善爰平均信噪比改善量【】:.最佳选择合并。在各路信号副本当中选取出接收信噪比最大的一路信项的加权系数为,其他的都是。在实际系统中估算各支路信号的接收信噪比其实十分困难,因此常常是通过选取信号与噪声功率的和最大的支路信号来替代最大分支选择。后来又出现了转换合并的方式【¨】, 即在各信号副本中将信噪比超过某个给定阈值的一个副本作为接收信号输出,之后就一直使用再这一支路接收的信号进行输出,直

38、到这一支路的接收信噪比不再能够达到给定阈值时,接收机重新进行选择。条支路的选择合并得到的平均信噪比改善为】:.圭三种合并方式性能的比较如图.所示。协同通信系统中能量优化的中继选择算法研究佰亏副本数.分集接收技术传统的空间分集以接收分集技术为主,接收分集即是在信号接收端采用多天线接收,以适当的方式对各天线接收到的多个信号副本进行合并,达到提高接收集通信系统。孓,【融丫取发送分集示意图接收分集示意图当信号为符号时,在接收端的两根天线接收到的信号分别应为:,玎.、玎.、惕表示两条传播路径上互不相关的噪声。设接收端知道知道两条传播路径的信道衰落系数和红,通过合并后恢复原始信号,得到估计值:. ;嵋以%

39、嵋,。;和是合并方案的权值,因此信号估计§的平均信噪比。为:硕士学位论文一堕刍:堕丛.比盯盯是噪声功率。若选择口扛、口吃,即采用最大比合并,其中的为复常数,此时可获得的最大接收平均信噪比为:.:学由此可知,肌%与%吃同分布。也能看出,即使啊和红当中有一个衰落为零,接收端仍然能够恢复原始信号,进而完成检测。当信道衰落系数服从瑞利分布的时候,采用双天线接收的分集系统可获得阶数为的全分集。.空间发送分集技术由于空间分集能够通过充分利用无线通信系统的空间域在不牺牲信号频谱和时间资源并保证数据传输速率的条件下获得较大分集增益,因而作为减小多径衰落的有效途径而备受关注。空间分集的方式可以简单分为

40、空间发送分集与空间接收分集。今以双天线系统为例,介绍空间发送与接收分集技术。在此假定信道是平稳衰落的,两条路径的信道衰落系数分别为扛和如。接收分集可以获得较大分集结束,但是在移动通信系统中体积与功耗极度有限的用户端配置多天线是难以实现的,因而无法再移动终端通过配置多天线来实现接收分集。图示出由条发射天线与条接收天线组成的发送分集通信系统。的研究【表明在发送端未知信道衰落特性的条件下,在发送端采用双天线进行发送可以和在接收端使用双天线接收取得同样的性能。仍设发送的信号为符号,在发送之前对两根天线上的信号进行加权处理,和为各自的权值,则接收端接收到的信号应为:.接收信噪比为:.帆掣叶若发送端未知信

41、道状态信息,与的值固定不变,由上式可知,平均信噪比与啊或吃具有相同分布。如果和不依赖于信道衰落系数 和%系统就无法获得最大分集阶数。而如果发送端能够知道啊和%的恰当函数,协同通信系统中能量优化的中继选择算法研究系统就可能获得阶数为的满分集度。系统在无法获知信道信息的情况下无法获得较大的分集增益,若此时系统采用时空切空时编码,即两根天线交替发送相同信息,则在相邻的时刻与时刻接收端天线接收到的信号分别为:.款吃上式与.相同,此时的发送分集能够获得与接收分集同样的分集效果,但是双发送天线交替工作却牺牲了信息传输速率,这种同时在时间域和空间域上的编码方式称为空时编码。发送分集相比于接收分集比较难以实现

42、,因此接收分集技术发展相对落后。其中一个难点是由多天线发送的信号道道接收端时不可避免的在空间上产生混叠,这就要在接收端进行有效地分离才能够获得理想的分集效果,如此一来发送端与接收端都需要相应的信号处理过程;另外一个难点在于接收端能够通过信道估计来获知信道状态信息,而发送端难以获得。. 技术三信道散射环境.介发射天线 个接收天线多输入多输出是一种在无线通信系统发送端与接收端同时采用多天线以达到成倍提高信道容量目的的技术。根据信息论最新成果【】,当发送天线与接收天线数目分别为与时,若各天线发送信号可以被有效分离,则信道容量为:亿?,训。嚆叫舭,其中是各天线接收信噪比。根据上式,采用发送和接收的无线

43、通硕士学位论文信系统容量在理想情况下将随天线数量增加而线性增加,即可以利用信道来成倍提高无线信道容量,从而开发当前其他技术无法利用的容量潜力。系统结构如图.所示。.协同分集技术早在年等人提出一种能够使配置单天线的移动终端实现空间分集的技术一一协同分集【:移动通信系统中的每一个移动终端都能有一个或者多个的协作伙伴,协作伙伴之间负责在传输各自信息的同时帮助其他伙伴传输他们的信息。由此每个终端在信息传输过程中能够同时利用到自己与其协作伙伴的空间信道而获得一定的空问分集增益。由于协同分集中的协作伙伴相互之间共享了彼此的天线,因而构成了虚拟的多天线系统,可以说,协同分集技术为多天线技术提供了一种新的实现

44、途径,并且更进一步的具有提高传输速率及降低移动终端对无线信道变化灵敏度的作用。协同分集作为一个崭新的研究领域已经在国内外引起研究者们的广泛关注,其广阔的应用前景为未来蜂窝移动通信系统、无线 网络、及无线传感器网络等无线通信网络系统提供了技术支持。.协同分集的概念多天线设备要求各天线之间具有足够大的不相关距离,实际蜂窝通信系统中的个人用户移动台因为受到体积和功耗的严格限制,无法在其上安装多天线来直接应用技术。然而,另移动台互相组成协同伙伴,就可以将协同技术运用其中,使蜂窝通信蜂窝系统获得协同分集增益,改善系统性能。用户用户作为虚拟多天线技术的协同分集基本模型如图.所示。图中用户和用户为两个配置单

45、天线的用户移动终端,通过协同通信共享彼此的天线来形成一个虚拟的双天线发射系统。基站通过接收合并获得一定的分集增益【】。协同通信系统中能量优化的中继选择算法研究该模型的协同分集工作过程可简述如下:用户通过广播的方式将信号发送出去图中实线所示,基站与用户的协同伙伴用户都可接收到该信号,基站接收信号后,等待另一路径信号到达准备合并,用户对接收到的信号进行处理,为做准备。用户对接收大的信号进行相应处理后进行转发,将其发送给基站图中虚线所示,此时的用户可以同时向基站再次发送重复信号或者包含新的信息的信号,基站接收后对于经过相互独立衰落的不同路径的相同信号按照一定的合并规则进行合并处理。当用户需要向基站发

46、送信息的时候,同样可以借助于用户与其协同发送。这一协同模式可以扩展到更多用户以及不存在网络中心设备的情况。协同分集本质上即是单天线发送设备借助协同伙伴的天线,与自身天线一起构成虚拟多天线阵列,像实际的系统一样通过在空间上具有相互独立衰落特性的不同路径传输信号的多个副本,以实现空间分集并获得空间分集增益。出移动蜂窝网络以外,协同分集技术也广泛应用于 网络、无限局域网络与无线传感器网络等系统当中。.协同分集的优点本质上讲,协同分集技术就是单天线无线通信终端借用与其协同的伙伴的天线,将其自己与协同伙伴的天线作为虚拟天线阵列,构成多天线发射环境,即形成虚拟的系统来获得相应的空间分集增益。这一技术为技术

47、在小型移动终端上的实现提供了一种有效地解决方案,是一种发展前景十分广阔的新的空间分集技术。在用户终端没有信息发送的时候,将其天线贡献出来为伙伴提供协同服务,改善系统性能,因此而实现用户资源的更充分利用。当前的研究结果指出:协同分集在平稳衰落环境中能够有效对抗多径衰落,起到增大系统容量和数据传输速率,降低系统服务中断概率,改善网络服务质量及提高系统性能的作用。.本章小结移动通信的发展趋势表明,未来移动通信服务的重点内容已经开始从提供可靠的话音服务向提供可靠的并且具有高速数据传输速率的多媒体业务和数据业务方向转变,由此未来无线通信系统必须要寻求更加先进的技术来满足用户对于数据业务高效性与可靠性的需

48、求。无线信道所具有的多径衰落特性是影响无线通信传输速率与传输质量的重要因素,如何克服多径衰落带来的负面影响就成为无线通信研究中要解决的首要问题之一。硕士学位论文有效对抗多径衰落的手段之一就是分集技术,而分集技术可以分为时间分集,频率分集和空间分集等多种方式。实现空间分集的技术通过在通信系统给发送端与接收端配置多条天线来将传统无线通信中的多径效应转变成对系统性能有益的因素,在对抗多径衰落及提高通信链路速率和质量方面具有明显优势。协同分集作为一种全新的空间分集技术,在多用户环境中令用户终端之间结成协同伙伴,在适当的时候共享彼此的天线,伙伴之间相互帮助传输信息,形成一种虚拟的多天线系统来获得与系统相

49、当的系统增益,为技术提供一种可选择的解决方案。研究表明,协同通信的方式能够同一样带来提高系统容量与数据传输速率、降低系统服务中断概率,最终提高系统服务质量与可靠性的效果。协同通信系统中能量优化的中继选择算法研究第三章多用户协同通信本章对基本的两用户协同信道模型进行详细描述与分析,通过这些工作了解协同通信系统的基本工作机理,其后,通过对多用户协同时系统可达速率域和中断概率的分析,比较协同与非协同,以及在不同协同程度下的这两种系统性能指标,可以直观的看出多用户采用协同传输机制可以明显的改善系统传输速率与可靠性。而后本章对协同传输过程中中继采用的两种主要转发方式进行研究,这两种转发方式极大影响到协同

50、传输性能,通过比较可知这两种转发方式分别适合于不同环境的协同传输,在后文所提算法中也将采用这些转发方式,并进一步讨论。.协同分集信道模型及性能分析.协同分集信道模型协同分集技术的基本思想为:移动通信系统中的任意移动终端都具有至少一个或多个协同伙伴,协同伙伴相互之间负责在传输自己信息的同时为其伙伴提供信息传输帮助的服务。于是,每一个移动终端在信息传输的过程中,同时充分地利用了自己与其协同伙伴的空间信道资源,从而获得一定的空间分集增益。为了对协同分集对于数据速率提高方面的作用进行分析,文献】建立了两用户协同分集系统的信道模型,如图.所示,图中与分别表示互为协同伙伴的两个用户,该模型中假设两个用户都有各自需要传输的信息/,并且两个用户进行协同传输来将信息以可能达到的最高速率发送至接收端。为了区分接收端与移动终端接收单元并便于说明,尽管协同分集可以应用于蜂窝系统之外的对等无线通信网络系统,仍将接收端假设为蜂窝网络中的基站。各