（通信与信息系统专业论文）无线通信中协作分集技术的研究.pdf

摘要 多输入多输出( m i m o ) 技术是无线通信领域的重大突破，它能够极大地提高通 信系统的容量和频谱利用率。但由于受天线尺寸、功耗和硬件复杂度等多方面因 素的限制，m i m o 技术在无线移动终端中难以实现。为此，人们提出了协作分集 技术，其基本思想是系统中的每个终端可以拥有自己的一个或多个合作伙伴，合 作伙伴共享彼此的天线，构成虚拟的m i m o 系统，从而使单天线的移动终端实现 了空域分集。 本论文针对协作分集领域的协作方案设计和资源优化分配策略展开研究，提 出了一种带宽高效的协作分集方案，然后引入可调功率分配因子，并提出一种功 率分配方法进一步提高了资源利用率。主要工作概括如下： 1 以典型的两用户协作场景为研究对象，提出一种基于1 6 h p s k 调制技术的 固定型中继转发协作方案。推导了协作用户采用十六进制超相移键控( 1 6 h p s k ) 星 座调制时，系统的端到端的误比特率性能的闭式解，从理论上证明了所提方案相 对于基于正交调制的协作方案，具有更高的频谱利用率。仿真结果验证了理论推 导的正确性。 2 针对固定型中继转发协议非协作时的功率浪费问题，提出基于1 6 h p s k 调 制技术的选择型中继转发协作方案。相对于固定型中继，所提方案对信道状况有 更好的适应性，提高了资源利用率。 3 针对等功率分配方案缺乏对信道状况的自适应的问题，引入功率分配因 子，提出了基于1 6 h p s k 调制技术的固定型中继和选择型中继协作方案的最优功 率分配。仿真结果表明，最优功率分配相对于等功率分配有更大的性能增益，且 增益大小与用户间信道质量有关。 关键词：协作分集多输入多输出功率分配多进制超移相键控 频谱利用率误比特率 a b s t r a c t m u l t i p l ei n p u t m u l t i p l eo u t p u t ( m i m o ) t e c h n o l o g yi sas i g n i f i c a n tb r e a k t h r o u g h i nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，w h i c hc a ng r e a t l yi m p r o v et h es y s t e mc a p a c i t ya n d s p e c t r a le f f i c i e n c y h o w e v e r , d u e t ot h el i m i t a t i o ni ns i z e ，p o w e ro rh a r d w a r e c o m p l e x i t y , a n t e n n aa r r a yi sn o te x e r c i s a b l et oi m p l e m e n tf o rm o b i l ed e v i c e s h e n c e ， c o o p e r a t i v ed i v e r s i t yh a sb e e np r o p o s e dt o o v e r c o m et h ed i f f i c u l t y i nc o o p e r a t i v e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，e a c hm o b i l et e r m i n a lh a so n eo rm o r ep a r t n e r s b ys h a r i n g e a c ho t h e r ss i n g l ea n t e n n a ，c o o p e r a t i v ed i v e r s i t yc o n s t i t u t e sv i r t u a lm i m os y s t e m ，s o t h a tt h es p a t i a ld i v e r s i t yc a nb er e a l i z e di ns i n g l e - a n t e n n am o b i l et e r m i n a l s i nt h i st h e s i s ，as t u d yh a sb e e nm a d eo ft h es c h e m ef o ra n dt h eo p t i m i z a t i o no f r e s o u r c e sa l l o c a t i o ni nc o o p e r a t i v ed i v e r s i t y ab a n d w i d t he f f i c i e n tc o o p e r a t i v e t e c h n i q u ei sp r o p o s e d m o r e o v e r , r e s o u r c eu t i l i z a t i o ne f f i c i e n c yi s f u r t h e ri n c r e a s e db y i n t r o d u c i n gt h ea d i u s t a b l ep o w e ra l l o c a t i o nf a c t o r t h em a i nw o r ko ft h i st h e s i sc a n b e s u m m a r i z e da sf o l l o w s ： f i r s t l y , f o c u s i n go nt h et y p i c a lt w o u s e rc o o p e r a t i o n ，af i x e dr e l a y i n gc o o p e r a t i v e s y s t e mb a s e do n16 h p s ki sp r o p o s e d t h ee n d t o - e n db i te r r o rr a t ei s d e r i v e dw h e n e a c hu s e re m p l o y s16 h p s km o d u l a t i o n ，w h i c ht h e o r e t i c a l l yp r o v e st h a tt h ep r o p o s e d s c h e m eh a sh i g h e rs p e c t r u me f f i c i e n c yc o m p a r e d t ot h a tb a s e do no r t h o g o n a l m o d u l a t i o n s i m u l a t i o nr e s u l t sv e r i f yt h ec o r r e c t n e s so ft h et h e o r y s e c o n d l y , i no r d e rt oa v o i dt h ep o w e ri n e f f i c i e n c yw h e nt h eu s e r s f a i lt oc o o p e r a t e ， as e l e c t i v er e l a y i n gc o o p e r a t i v es y s t e mb a s e do n16 h p s ki sp r o p o s e d c o m p a r e dw i t h t h ef o r m a lf i x e dr e l a y i n gs c h e m e ，t h i ss c h e m ei sm o r ea d a p t i v et oc h a n n e l ，a n dt h u sc a n i m p r o v et h er e s o u r c eu t i l i z a t i o ne f f i c i e n c y f i n a l l y , i na l l u s i o nt ot h el a c ko fa d a p t i v i t yt oc h a n n e li ne q u a lp o w e r a l l o c a t i o n s c h e m e t h ea d j u s t a b l ep o w e ra l l o c a t i o nf a c t o ri si n t r o d u c e d ，a n dt h eo p t i m a lp o w e r a l l o c a t i o ns c h e m e sf o rb o t ht h ef i x e dr e l a y i n ga n ds e l e c t i v er e l a y i n gc o o p e r a t i v es y s t e m b a s e do n16 h p s ka r ei n v e s t i g a t e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss u g g e s tt h a t , c o m p a r e dw i t ht h e e q u a lp o w e ra l l o c a t i o ns c h e m e ，t h eo p t i m a lp o w e ra l l o c a t i o ns c h e m ec a l li m p r o v et h e c o o p e r a t i v eg a i n ，d o m i n a t i n gb yt h eq u a l i t yo f c h a n n e lb e t w e e nd i f f e r e n tu s e r s 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 y m i m op o w e ra l l o c a t i o nm h p s k s p e c t r a le f f i c i e n c y b e r 西安电子科技大学 学位论文独创性( 创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 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；也不包含为获得西安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做了明确的说 明并表示了谢意。 本人签名： 盔函娲 日期：尘；，； 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技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西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布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论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 本人签名： 垒臣函茎氛 导师签名： 第一章绪论 第一章绪论 随着无线通信的高速发展，人们对无线传输的数据速率和服务质量的要求不断 提高。与主要传送语音业务的第1 、第2 代无线通信系统不同，第3 代和第4 代无 线通信系统还将支持速率高达1 0 0 m b s 1 g b s 的多媒体宽带数据业务，因此寻求 进一步扩大信道容量、改善通信质量的新技术是国内外学术界和产业界普遍关注 的问题。本章首先介绍课题研究背景，接着引出了协作分集技术及其发展概况， 最后给出论文的主要贡献和内容安排。 1 1 研究背景 无线通信环境十分恶劣和复杂，存在着大量的直射波、反射波和绕射波等， 由于信号经过多条路径到达接收端的时间、幅度和相位不同，导致叠加后信号的 幅度急剧变化，从而产生多径衰落。多径效应严重制约了无线通过中信号传输的 质量，同时也是影响无线通信传输速率的重要因素，因而成为未来的移动无线通 信发展最严峻的挑战之一。对于目前处于火热研究的第四代( 4 g ) 移动通信，如何进 一步扩大信道容量、改善通信质量成为国内外学术界、产业界普遍关注的问题。 针对多径效应，人们曾提出了一系列抗衰落技术以减轻多径衰落的影响，如 抗衰落性能好的调制解调技术、扩频技术、功率控制技术、与交织结合的差错控 制编码技术以及分集接收技术等。其中分集接收技术是一种有效的抗衰落技术， 其基本思想是发送端采取某种方式通过相互独立的衰落信道传送同一信号的多个 副本，降低信号分量同时陷入深度衰落的概率；在接收端再对接收到的多个衰落 独立的信号进行处理，合理地利用这些信号的能量来改善接收信号的质量。常见 的分集技术有：频率分集、时间分集、空间分集和极化分集等。目前分集技术已 经成为移动通信系统提高传输可靠性的关键技术。 空间分集是从不同的位置( 天线) 发送信号，在接收端得到经历独立衰落的多个 信号副本，经过恰当的合并可以有效地消除多径衰落的影响。m i m o ( m u l t i p l e i n p u t - m u l t i p l eo u t p u t ) 技术作为空间分集的典型应用，通过在通信链路的发射端与 接收端使用多个天线，能够将传统通信系统中的多径因素变成有利的因素【l 】【2 】【3 】， 在抗多径衰落、提高通信链路的速率和质量方面有着明显的优势。m i m o 技术在 不需要占用额外的带宽和频谱资源的情况下，极大的提高系统的容量和可靠性， 毋庸置疑是4 g 的主流技术之一。 无线通信中协作分集技术的研究 1 2 协作通信的产生和发展概况 m i m o 技术是无线通信领域的重大突破，它能够极大地提高通信系统的容量 和频谱利用率。但在实际的蜂窝通信系统中，由于移动终端体积、功耗以及硬件 复杂度等的限制，不能在移动终端上安装多天线，这就极大的限制了m i m o 技术 在无线移动终端中的应用。为了解决这一问题，诞生了一种全新的分集技术 协作分集( c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y ) ，使单天线的移动终端也可以实现空域分集。它 的基本思想是系统中的每个终端可以拥有自己的一个或多个合作伙伴，合作伙伴 有责任帮助其伙伴传输信息。这样，每个源节点在传输信息的过程中既利用了自 己的又利用了合作伙伴的空间信道，从而获得了一定的空间分集增益。由于协作 分集中的合作伙伴共享彼此的天线，从而构成了虚拟的m i m o 系统。从这个意义 上讲，协作分集为m i m o 多天线技术的实用化提供了一条新的途径。协作分集技 术在未来的4 g 通信系统中有着非常广阔的应用前景：在无线蜂窝网、a d h o c 网、 无线局域网、无线传感器网等多种场合，因此，协作分集技术已在国内外学术界 和产业界受到了广泛的关注。 协作分集的概念最初源于v a nd e rm u e l e n 4 5 j 对中继信道模型( 包括源、中继和 目的端三个节点) 的理论研究，c o v e r 与g a m a l l 6 1 对非衰落条件下的中继信道进行了 分析，给出了这类信道容量的上界和下界；为了适合实际的应用，源节点和中继 节点在正交信道( t d m a 、f d m a 、c d m a ) 传输条件下，不同协作方案的容量和中 断概率性能相继被研究1 7 儿引。此外，还出现了多址接入信道中协作度可变的协作方 梨9 - - , 1 2 】、多址接入信道中移动端和基站共享一个中继方案等【13 1 。基于以上中继性 能的研究，s e n d o n a r i s 等人最先提出了协作分集的概念【1 4 卜【1 6 】，首先从信息论的角 度出发，分析并给出了这个系统的容量限，然后讨论了协作对中断概率的影响， 最后针对c d m a 接入方式提出了检测转发( d e t e c ta n df o r w a r d ，d f ) 的协作策略。 几乎同一时间，j n l a n e m a n 1 7 j 针对两个用户进行协作的情况，提出放大转 发( a m p l y m a df o r w a r d ，a f ) 协议来实现中继；文献【1 8 】中提出了三种不同的协作 分集协议：固定中继，选择中继和增量中继；随后将协作方案扩展到准静态瑞利 信道下【19 1 ，对协作系统的中断概率进行分析，结果表明两用户协作时获得的分集 度为2 。更进一步地，为了在协作分集的情况下提高系统吞吐率，h u n t e r s 提出了 基于编码协作的新概念【2 0 j 【2 4 1 。它是用户协作与信道编码的结合，不同于以前的重 发( a f 和d f ) ，协作端对源端发送信息译码后按照一定的协议转发额外的校验信 息，而且为了避免错误转发，还引入了c r c 校验。 之后，学者们对协作分集技术展开了全方位、多层次的研究【2 4 卜 3 2 】，并涌现出 大量的研究成果。根据协作用户数目的多少可以将这些协作方案分为：两用户协 第一章绪论 作方案和多用户协作方案，其中两用户协作是协作通信技术的基础；根据中继对 源节点数据的不同处理方式可以分为：放大转发( a m p l i f y a n d f o r w a r d ，a f ) 、译码 转发( d e c o d e a n d f o r w a r d ，d f ) 和编码协作( c o d e dc o o p e r a t i o n ，c c ) 三类，其中a f 中继按照功率限制对接收信号放大后直接转发出去，而d f 则是先进行解调和译 码，然后进行编码和调制，重构源信号后再进行中继发送，与a f 、d f 方案的重 复转发不同，c c 方案转发的是源信息的冗余而不是重复，从编码的角度看效率更 高，这令c c 方案能够获得额外的编码增益；根据中继是否具有信道自适应性可以 将这些协作方案分为：固定型中继、选择型中继和增强型中继三种中继协议，其 中固定型中继在任何情况下都进行中继，而选择型中继只有满足一定条件( 如中 继译码正确、用户间信道信噪比达到某一门限) 时才进行中继，而增强型中继只 在直传出错时才考虑中继。另外还有采用空时编码的协作方案，其本质上属于c c 方案，因为其同样是信道编码技术与协作技术结合的产物。本论文主要研究基于 译码转发( d f ) 的固定型和选择型中继两用户协作系统。 协作通信作为一种新兴技术，近几年在国内外学术界受到广泛关注【3 3 【3 6 】，并 已取得诸多研究成果。但任何一种新技术的出现，必然会带来一些新的问题，协 作通信技术仍存在不少问题需要进一步的探讨和改进。目前，协作通信的研究主 要集中如下几个方面： 第一，协作的构架问题：在蜂窝通信系统中由于基站的存在，有可能对该小 区内的移动终端进行统一管理，有利于用户协作；但对于自组网或传感器网，并 没有一个中心节点进行管理，需要一个分布式协作协议，使终端能够自己决定怎 样协作或跟谁协作； 第二，协作系统在频率选择性衰落信道下以及平坦快衰落信道下的应用问题： 目前现有的研究工作大多都是假设信道是平衰落的，但是在实际的移动通信系统 中，信道往往是频率选择性衰落的，那么如何在恶劣信道环境下利用现有的研究 成果，也是一个亟待解决的问题，即协作分集与高效信道编码调制解调传输技术 的结合； 第三，协作的接入问题：主要存在于多个用户间协作的模式，关键在于采用 一种什么样的接入策略，以尽可能公平地对待所有移动终端，并尽量减少通信系 统由于协作所带来的成本开销，以及如何更灵活地适应网络的多址接入协议； 第四，协作过程的自适应问题：在一个多用户环境中应该怎样划分各个终端 的协作伙伴，并且既然是移动终端，当其相对位置改变时该如何处理，应该隔多 久时间需重新划分一次合作伙伴，这方面问题同信道检测与识别以及m a c 层管 理等紧密联系；此外，现有研究均认为各个移动终端有着相等的发射功率，但如 果在协作过程中，使终端根据上行信道或协作伙伴的信道状态自适应地调整发送 功率，可进一步提升协作效率。 4 无线通信中协作分集技术的研究 目前，在国外越来越多的通信研究者已经意识到协作分集的巨大潜力，纷纷 开始针对协作分集各项技术的研究。 1 3 论文的主要贡献和结构安排 本论文的研究课题来源于国家8 6 3 计划项目( 2 0 0 6 a a 0 1 2 2 7 0 ) “无线通信中 的用户协作分集技术研究”。 本论文针对协作通信方案的设计及性能分析和功率分配展开研究，提出一种 基于1 6 h p s k 调制技术的协作分集系统，分析了系统性能，并进一步研究了功率 分配问题。论文的研究工作主要包括： 第一章引出了本文的研究背景，概括介绍了协作分集技术的产生以及发展概 况，并给出了本论文的主要结构安排。 第二章介绍了协作通信技术的基础知识。首先介绍了常见的分集接收方式， 然后给出了协作分集系统的模型，最后详细叙述了几种经典的协作方案，并分析 比较了它们的性能和特点。 第三章以典型的两用户协作场景为研究对象，提出了一种基于1 6 h p s k 调制 技术的固定型协作系统。首先介绍了m h p s k 调制技术，包括其发展概况以及调 制解调的基本原理；然后提出一种基于1 6 h p s k 调制技术的固定型协作方案，并 分别从理论上分析了等功率分配和不等功率分配条件下系统的性能；最后引入功 率分配因子自适应的控制功率分配，进一步提升了系统性能。仿真验证了理论的 正确性。 第四章仍然以典型的两用户协作场景为研究对象，提出一种基于1 6 h p s k 调 制技术的选择型协作系统，并引入功率分配因子自适应的控制功率分配。理论推 导了用户端到端误比特率的闭式解，仿真验证了理论的正确性。 第五章对全文主要工作进行总结，展望协作通信技术的未来。 第二章协作通信基础 第二章协作通信基础 众所周知，影响无线通信传输速率和质量的一个重要的瓶颈是无线信道具有 的时变多径衰落特性，而分集技术是抵抗多径衰落的有效方式。以多输入多输出 ( m i m o ) 技术为首的空间分集技术，可以在不占用额外的时间和频带资源的情况有 效的消除多径衰落的影响，并且可以和其他信号处理方式相结合，因此得到了广 泛的关注。但由于天线尺寸、功耗和成本等多方面的限制，使得移动终端采用多 天线不可实现，因此极大的限制了m i m o 技术在无线移动终端的应用。协作分集 技术是由s e n d o n a r i s 和l a n e m a n 等学者提出的一种全新的空域分集技术，可以使 单天线的移动终端实现空域分集。本章首先介绍了经典的分集发送合并技术；接 着重点介绍协作分集协议类型，并对其进行性能分析和比较。 2 1 分集接收技术 陆地移动信道、短波电离层反射信道等随参信道引起的多径时散、多径衰落、 频率选择性衰落、频率弥散等，会严重影响接收信号的质量，使通信系统的性能 大大降低。为了提高随参信道中信号传输质量，必须采用抗衰落的有效措施。分 集接收技术是一种有效的抗衰落技术，并已在短波通信、移动通信系统中得到广 泛应用。 2 1 1 分集方式 为了在接收端得到多个互相独立或基本独立的接收信号，一般可利用不同路 径、不同频率、不同角度、不同极化、不同时间等接收手段来获取。因此，分集 方式也有空间分集、频率分集、角度分集、极化分集、时间分集等多种方式【3 。 2 1 1 1 时间分集 时间分集技术就是将同一信号在不同的时间区间多次重发，接收端接收这些 衰落独立的信号，然后对接收到的多个信号副本进行合并，从而改善系统性能。 在移动通信环境中，信道衰落系数随时间变化。当时间间隔大于信道的相干 时间乃时，这两个时刻的无线信道衰落特征不同，可以认为是独立的。因而为了 保证重复发送的数字信号具有独立的衰落特性，重发时间间隔应满足： 6 无线通信中协作分集技术的研究 出丽1 = 瓦1 丽 ( 2 一1 ) 2 厶2 ( y 见) 、7 式中，厶为衰落频率，l ，为移动台运动速度，兄为工作波长。 2 1 1 2 频率分集 频率分集是将待发送的信息分别调制到不同的载波频率上发送，只要载波频 率之间的间隔达到一定程度，则接收端所接收到信号衰落是相互独立的。在无线 信道中，若载波的频率间隔大于信道的相干带宽e ，则可以认为这两个载波信号 经历的衰落是独立的。实际应用中通过在多个载波上传输同一信息获得多个频率 分集信号，这需要的带宽很宽，这对频谱资源极度短缺的移动通信系统来说代价 是很大的。 2 2 1 3 空间分集 多径传播使得无线通信系统中不同位置的衰落特征也不相同。因此在相隔足 够大的距离上，信号的衰落是可以认为是相互独立的。因此若在距离达到一定程 度的位置设置多副接收发送天线，它们所接收发送的信号就可以认为是不相关 的。这种分集方式也称作天线分集。使接收信号不相关的两副天线的距离，因移 动台天线和基站天线所处的环境不同而有所不同。 图2 - 1 相关系数p 与d 2 的关系 一般，移动台附近的反射体、散射体比较丰富，移动台天线和基站天线的直 第二章协作通信基础 线传播可能性比较小，因此移动台接收的信号多是服从瑞利分布的。理论分析表 明，移动台两副垂直极化天线的水平距离为d 时，接收信号的相关系数与d 的关系 为 ，一 p ( d ) = 名( 三箸d ) ( 2 - 2 ) 式中，j o ( x ) 为第一类零阶贝塞尔函数，兄载波波长。p ( d ) 一d 的特性如图2 1 所示。 空间分集是利用衰落随位置的随机变化实现的，空间距离越大，多径传播的 差异就越大，所接收信号的相关性就越小。由图2 1 可以看出，随着天线距离的增 加，相关系数呈现波动衰减。在d = 0 4 2 时，相关系数为零。实际上只要相关系数 小于o 2 ，这两个信号就可以认为是互不相关的。实际测量表明，在市区，通常取 d = 0 5 2 ，在郊区可以取d = 0 8 2 。 空间分集分为空间发送分集和空间接收分集两类系统。其中空间接收分集是 在接收端安装多根天线进行接收，空间发送分集是在发射端采用多天线进行多天 线发送。为了保证信号的不相关，对移动端天线间距要求d 五2 ，基站天线间距 要求d 1 0 3 , 。 发送分集功率效率会随着发射天线数目m 的增加而降低，而且在进行功率分 配和相位调整( 加权) 时，发射端须知道信道的衰落系数。时分双工系统( t d d ) 系统在信道变化不是很快的情况下，可以利用信道的互易性在发送端进行信道估 计，而在其它的双工系统中，信道估计一般是在接收端进行的，这就需要接收端 将信道状态信息反馈给发送端。相比接收分集方案，发送分集方案的实现要更复 杂些。发送分集方案是近几年研究的热点，本文研究的协作分集技术就属于发送 分集技术。 2 1 2 合并方式 在获得多个衰落独立的信号后，需要对它们进行合并处理，通常是将经过相 位调整和时延后的各分集支路信号相加。对大多数通信系统而言，m 重分集对这 些信号的处理概括为m 支路信号的线性叠加 丝 f ( t ) = 喁( f ) z ( f ) + ( f ) 五( f ) + + o t t ( t ) f m ( f ) = c t k ( t ) f k ( t ) ( 2 - 3 ) k = l 其中五( f ) 为第k 支路的信号；a k ( t ) 为第k 支路信号的加权因子。信号合并的 目的是使它的信噪比有所改善。 分集的效果常用分集改善因子或分集增益来描述，也可以用中断概率来描述。 无线通信中协作分集技术的研究 最佳的分集技术在于最有效地减小信噪比低于正常工作门限信噪比的概率。信噪 比的改善和加权因子有关，对于加权因子的选择方式不同，形成三种基本的合并 方式，即选择合并、最大比合并和等增益合并。 在本节的讨论中假设 每支路的噪声与信号无关，均为零均值、功率恒定的加性白噪声； 信号幅度的变化是由于信道的衰落，其衰落的速率比信号的最低调制频率 低许多； 各支路信号相互独立，信号包络服从瑞利分布，具有相同的平均功率。 2 1 2 1 选择合并( s e l e c t i o nc o m b i n i n g ，s c ) 假设有m 个支路，选择合并接收在多路信号中选择信噪比最高的一路输出， 这相当于式( 2 3 ) 中，m 个系数( f ) 中只有一个等于l ，其余的为0 。 设第k 支路信号所经衰落为瑞利衰落，信号包络为= 吒( f ) ，则其概率密度函 数为 比) 2 分矽2 矗r k o ( 2 - 4 ) 则第k 支路信号瞬时功率为等，设该支路噪声平均功率为m ，则第k 支路的 信噪比为 以2 盖 ( 2 - 5 ) 选择合并的输出信噪比为 = m a x y k k = 1 ，2 ，m ( 2 - 6 ) 由于是一个随机变量，所以以也是一个随机变量，可以求得其概率密度函 数为 丝 p 魄) = 去p h 磊0 ( 2 - 7 ) 如果所有支路的平均信噪比相同( 即对所有的k ，瓦= 歹) ，可以计算出给定 目标儿的中断概率为 第二章协作通信基础 9 只删。，o ，= p r c 比 = m l fr，o)=(r尹oto)1-e 1 - e 厂。 c 2 8 ，眦) = p r 帆 = 兀j 7 j - i尹l o( 2 8 ) 七= l 、， 若各路信号独立，且包络均服从瑞利分布，则选择合并输出的平均信噪比为 瓦= j c 0 7 以( 枘= 歹善妻 ( 2 - 9 ) 2 1 2 2 最大比合并( m a x i m a l r a t i oc o m b i n i n g ，m r c ) 选择合并中只选择一路信号，其余信号被抛弃。这些被弃之不用的信号都具 有能量并且携带相同的信息。最大比合并根据信噪比将各支路信号加权，各支路 同相相加，这样合并后输出信号包络为 m k = a k r k k = l 输出的噪声功率等于各支路的输出噪声功率加权 m k = 口；m k = l 于是合并输出信噪比为 ：老：掣 可以证明，使输出信噪比最大的加权系数满足 - c 轰嗜 ( 2 - 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) 上式中c 为一常量，可以取1 ，即第k 支路的加权系数吒与该支路信号幅度咯 成正比，和噪声功率成反比。此时合并输出信噪比为 ：鳟：魁鬻文k = l p 。” 善m 善( 轰) 2 m 台m 厶n 即合并后输出信噪比为各支路信噪比之和，对于独立同分布瑞利衰落各支路 具有相同的平均信噪比，可以证明其概率密度函数为 无线通信中协作分集技术的研究 p ( ”) 2 面面1 万( ”) 州p 尹o ( 2 1 5 ) ，-孵 由式( 2 - 1 4 ) 可以求得合并输出信号的平均信噪比为 m 孺= 死= 坛 ( 2 1 6 )2 己以2 肘以( 2 。 给定目标信噪比儿，则最大比合并的中断概率为 e o ( r o ) - - ，帆) = 尸。 2 的情况，可求出其均值为 对瑞利衰落信道有 = 击睁叼m 吲 ， = 歹 1 + ( 州，司 ( 2 - 2 2 ) 、，一 10 兰m m旦吖h ，一 第二章协作通信基础 等增益合并的中断概率求解比较复杂，可用数值方法求解。 2 1 2 4 性能比较 对于不同合并方式，定义输出平均信噪比与没有分集时的平均信噪比之比为 合并方式的改善因子，用d 表示。 对于选择合并方式，由式( 2 9 ) 可得改善因子为 d s c 等2 羔k = l 妻( 2 - 2 3 ) k1 ，一彤 对于最大比合并，由式( 2 1 6 ) 可得改善因子为 = 譬= m ( 2 - 2 4 ) 对于等增益合并，由式( 2 - 2 2 ) 可得改善因子为 = 等- 1 + ( m - 1 ) 三( 2 - 2 5 ) 改善因子通常用d b 表示：d = 1 0 1 9 ( d ) ，图2 - 2 给出了不同合并方式的改善因 子与分集重数m 的关系曲线。 图2 - 2 合并方式的改善因子与分集重数的关系曲线 由图2 2 可见，随着分集的重数增加信噪比的改善也在增加，在m = 2 3 时， 增加很快，但随着分集重数m 的继续增加，改善的速率放慢，特别是选择合并。 考虑到随着m 的增加，实际电路复杂度也增加，实际的分集重数一般最高为3 4 。 在三种合并方式中，最大比合并改善最多，其次是等增益合并，选择合并改善最 无线通信中协作分集技术的研究 小。本文采用的合并方式是最大比合并。 2 2 协作分集技术原理 协作分集技术可以对抗无线通信环境下的多径衰落，是改善移动终端上行信 道性能的有效方法，在各种无线网络中有着广阔的应用前景。本章首先给出了协 作分集的系统模型，然后介绍了协作通信的中继处理方式以及基本的中继协作方 案，并对它们进行了分析和比较。 2 2 1 协作分集系统模型 协作分集最初由a s e n d o n a r i s 等人提出【1 4 h 1 6 】，它的基本思想是系统中的每个 移动终端都有一个或多个合作伙伴( p a r t n e r ) ，合作伙伴之间在传输自己的信息的同 时，有义务帮助其伙伴传输信息。这样，每个用户信息的传输不仅利用了自己的 信道，还利用了伙伴的信道，从而获得了一定的空间分集增益。现有的研究结果 表明：在平坦衰落环境下，协作分集可以扩大系统容量，提高网络服务质量，较 大地改善系统性能。由于协作分集中的合作伙伴可以共用彼此的天线，从而构成 了虚拟的m i m o ( 或称为分布式m i m o ) 多天线系统。 图2 3 两用户协作系统示意图 为阐明协作通信的实现方法，以图2 3 为例。其中，终端乃传输数据至乃， 乃传输数据至乃。分配给两个用户的资源已经有上层网络协议确定。例如在蜂窝 无线网络情况下，死和疋代表手机或移动终端，而i 3 = i 4 代表基站；而在局域网 中，五瓦可能代表终端之间的一个a d h o c 设置，t 3 = t 4 则代表以乃为接入点的 接入网设置。无线介质的广播特性是在传输终端中实现协作分集的关键因素，从 理论上讲一个用户发射的数据可以被任意多个用户接收。因此，与各用户独立的 传输数据到中心节点不同，死和死可以互相接收对方的信号，并共同实现通信的 目的。这种用户问的相互接收信号的操作，除了增加接收硬件的消耗以外，并不 增加发射信号的能量。 通常情况下，乃和乃可以统一分配功率和带宽资源，互相帮助实现对目的端 第二章协作通信基础 的传输，在t 3 = t 4 时，这种传输实际上是通过接入信道进行传输，而五五时则是 通过一个有干扰的信道进行传输。在极限情况下，乃用分配给它的所有资源帮助 死传输信息，这时候实际上死成为信源，而乃成为中继。即使兀和死之间的信 道衰落很严重，乃的信息也能通过乃成功传输，这样就实现了协作分集。 基站 图2 _ 4 蜂窝小区两用户协作示意图 本文重点考虑图2 4 所示的蜂窝小区，即1 3 = 1 4 的情况。在目前的蜂窝无线网 络应用中，我们将可用的带宽分为相互正交的信道，并将这些信道分配给各终端。 通常情况下，用户l 和用户2 可以统一分配系统功率和带宽资源，相互帮助。在 极限情况下，用户2 用分配给它的所有资源帮助用户l 传输信息，此时用户l 成 为信源，而用户2 成为中继，即使用户l 到基站的上行信道衰落很严重，用户l 的信息也可以通过用户2 的上行信道成功传输，从而实现了协作通信。 i t i 发 i t 2 发 i i 一n 2 一n 2 ( a ) 直传 二铽l 每_ n | 每+ 心l 每栽| 每+ ( b ) 正交协作 图2 5 正交时分分配 图2 5 为采用正交时分分配时的两用户直接传输模式和协作传输模式的时隙 分配，由于分配的信道为正交信道，在这里不考虑码间串扰( i s i ) 。在直传模式中 ( 图2 - 5 ( a ) ) 每个用户将分配给自己的2 时间单位全部用来发送自己的数据。 而在协作模式中( 图2 5 ( b ) ) ，用户用4 的时间单位为自己传输，另外4 时间 单位为协作伙伴进行中继。其中，正交传输可由时分或频分实现，结果是等价的。 本文中使用t d m a ，所以用户的传输信道为正交信道，这就使得目的端和协作用 户都能独立的进行译码。 对于直传模式，等效的离散基带信道模型为 1 4 无线通信中协作分集技术的研究 y a h 】= k t 【玎】+ z d 刀】 ( 2 2 5 ) 其中，2 = l ，n 2 ，x , e n 】为五的发送信号，y a h 】为对应接收端的接收信号。 五在刀= n 2 + l ，n 时的情况类似。 对于协作传输模式，仅考虑用户五的发送情况，用户乏的情况类似。在第一 个n 4 时间块内，源s 向协作伙伴，和目的端d 发送消息，两者的接收信号为 ”【”】= 砧气【玎】+ v ，【刀】( 2 - 2 6 ) y a h 】= k t 【，】+ 屹m ( 2 2 7 ) 第三个4 时间块内，中继，( e ) 将在第一个4 时间块内接收的信号处理 后进行中继，这时目的端接收信号为： y a h 】- k 【刀】+ 蛆刀】 ( 2 - 2 8 ) 其中，”= n 2 + 1 ，3 n 4 ，“刀】为中继，的发送信号。 在式( 2 2 5 ) ( 2 2 8 ) 中，代表信道衰落系数，胁】为加性高斯白噪声，f s ，) ， _ ， 厂，d ) 。假设接收端( r 或d ) 已知信道状态信息，发射端( s 或r ) 不知道或不利用信 道状态信息进行发送，信道衰落系数相互独立，且服从均值为0 ，方差为吒的 复高斯分布，信道噪声胁】为相互独立的随机变量，且服从均值为0 ，方差为0 的 复高斯分布。 2 2 2 三种中继处理方法 根据中继节点处理信号的方式，协作分集技术主要分为三类：放大转发 ( a m p l i f ya n df o r w a r d ，a f ) 、译码转发( d e c o d ea n df o r w a r d ，d f ) 以及编码协作 ( c o d e dc o o p e r a t i o n ，c c ) 。 2 2 2 1 放大转发 放大转发协议是最简单的协作分集协议，如图2 - 6 ( a ) 所示。在a f 中每个用户 接收协作伙伴经由衰落信道发送来的信号，继而对该附加了噪声的信号进行放大， 并重新转发至目的端。因此a f 本质上是一种重复编码机制，中继节点将接收到的 噪声连同信号一起放大转发了。目的端通过合并两个时刻接收到的信号，合并后 第二章协作通信基础 对源信号t 【胛】进行译码，本文采用最大比合并方式。尽管该方法在放大信号的同 时也放大了噪声，但目的端接收到关于信号的多个独立衰落样本，因此能够获得 分集增益。 ( c ) 图2 - 6 协作分集的三种模型( 只考虑单个用户信息) ( a ) 放大转发；( b ) 译码转发；( c ) 编码协作 2 2 2 2 译码转发 译码转发协议与传统中继协议方式最为接近，如图2 - 6 ( b ) 所示。d f 方案的信 道模型同前，当 = 1 ，n 4 时，中继对从源节点接收到的信号”【”】进行解调并 1 6 无线通信中协作分集技术的研究 译码。中继译码完成后再重新进行编码，然后在”= n 2 + l ，3 n 4 时刻发送重 构后的源信号，这显然也是一种重复编码机制。在目的端对接收到的两个信号进 行最大比合并，然后进行判决译码。 不同于a f 协议对噪声的放大，译码转发协议由于在协作用户处发送重新编码 的信号，这样可以避免对噪声的放大。但是，协作用户在译码时有可能出现错误， 转发至目的端使得错误累计，从而导致目的端判决错误。为了避免这一问题的出 现，衍生出一种基于循环冗余校验( c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k ，c r c ) 的译码转发 模式。在这种模式下，各个用户的发送信号中引入c r c 冗余，协作用户对接收到 的信号译码判决后进行c r c 校验，若校验结果正确则转发该信号分组，否则不进 行转发。这种模式通过损失一定的频谱效率避免了错误的传播，在高信噪比条件 下，其性能优于无c r c 校验的d f 模式；然而在低信噪比区域，其性能反而会比 无c r c 校验的d f 模式差，其原因是丢弃分组会损失一定的能量，从而降低了信 号在接收端的信噪比。 2 2 2 - 3 编码协作 编码协作如图2 - 6 ( c ) 所示，其基本思想是将信道编码与协作分集结合起来。 为了保证中继端能够对源信息进行译码，c c 方案需要采用可分块译码的码，如率 匹配凿孔卷积码( r c p c ) 【3 8 1 和本来就可以分块译码的t u r b o 码【3 9 1 进行编码。源信息 经过编码后，码字的不同部分分别在两条相互独立的衰落信道上分别传输，从而 获得分集增益。其过程是中继节点接收到一部分码字后即进行译码，并计算出码 字的另一部分进行中继。与a f 和d f 模式中目的端合并同一信号的多个衰落样本 不同，c c 模式可以避免协作伙伴间信息的重复发送，中继转发源信息的冗余而不 是重复，在相同条件下可以获得更大的编码增益。协作用户同样采用c r c 校验以 避免错误的累积传播。编码协作模式在完全协作条件下能够达到二阶完全分集， 并且可以获得更大的编码增益。 用户自 协作伙 发送信号 弘+ 图2 7 编码协作系统用户端实现框图 图2 7 为用户采用r c p c 码进行协作的结构。假设系统中所有信道均为平坦瑞 第二章协作通信基础 1 7 利块衰落信道，且彼此独立，系统采用b p s k 调制方式，接收端均采用v i t e r b i 译 码方式。如前