（通信與信息系統(tǒng)專業(yè)論文）無(wú)線協(xié)作通信中功率分配問(wèn)題研究.pdf

摘要 摘要 近年來(lái) 移動(dòng)通信在全球范圍內(nèi)得到了迅猛發(fā)展 3 g 第三代移動(dòng)通信 系 統(tǒng)也已投入商用 在未來(lái)的b 3 g 超三代移動(dòng)通信 系統(tǒng)中 不僅需要保證良好 的通信質(zhì)量 而且需要為多個(gè)用戶同時(shí)保障較高的傳輸速率 協(xié)作通信技術(shù)是指 在多用戶通信環(huán)境中 使用單天線的移動(dòng)用戶可以按照一定方式共享彼此天線構(gòu) 成虛擬多輸入多輸出系統(tǒng)并發(fā)送信息 在不增加硬件復(fù)雜度的前提下可獲得無(wú) 線鏈路的傳輸可靠性 提高信道容量 并能有效擴(kuò)大無(wú)線傳輸?shù)母采w范圍 從而 提高系統(tǒng)傳輸性能 在協(xié)作通信系統(tǒng)中 信息的傳輸是由信源和中繼節(jié)點(diǎn)共同完成 因而資源分 配是無(wú)線協(xié)作分集網(wǎng)絡(luò)研究的一個(gè)重要課題 信源以及中繼節(jié)點(diǎn)傳輸信息都需要 消耗功率 分集增益是以信源以及中繼節(jié)點(diǎn)消耗的功率之和為代價(jià)獲得的 因此 重點(diǎn)研究信源和中繼節(jié)點(diǎn)之間的功率優(yōu)化分配是很有意義的 本論文以協(xié)作通信為研究背景 針對(duì)功率分配方案進(jìn)行了深入的研究 提出 了一種基于中繼選擇的最小化平均b e r 誤碼率 的功率優(yōu)化分配方案 主要研 究工作如下 1 在基于a l a m o u t i 發(fā)射的協(xié)作分集方案下 對(duì)采用b p s k 二相相移鍵 控 調(diào)制方式下的誤碼率性能進(jìn)行了分析 結(jié)果驗(yàn)證了相對(duì)于無(wú)分集傳輸 采用 分集技術(shù)能獲得更低的b e r 2 對(duì)于a f 放大轉(zhuǎn)發(fā) 和o f 譯碼轉(zhuǎn)發(fā) 兩種協(xié)作分集方式進(jìn)行了研究 結(jié)果表明 當(dāng)系統(tǒng)各支路的信道狀態(tài)相同的時(shí)候 協(xié)作分集支路具有更好的性能 而當(dāng)直傳路徑具有最佳的信道狀態(tài)時(shí) 系統(tǒng)可以不需要利用中繼來(lái)進(jìn)行信息傳 輸 3 為了改善系統(tǒng)的誤碼率 本文提出了一種基于中繼選擇的功率優(yōu)化分 配方案 該方案首先根據(jù)源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)以及中繼節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的信道增益 系數(shù)選擇中繼節(jié)點(diǎn)參與轉(zhuǎn)發(fā)信息數(shù)據(jù) 隨之在總功率一定的條件下 給出了基于 最小化平均b e r 功率優(yōu)化分配方法的理論推導(dǎo) 仿真結(jié)果分析表明 與采用等功 率分配方式相比較 采用優(yōu)化功率分配方案能得到更好的誤碼性能 當(dāng)節(jié)點(diǎn)間的 摘要 信道狀態(tài)很差時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)協(xié)作失敗從而影響系統(tǒng)的性能 因此在中繼選擇時(shí)加 入了門限值a 只有當(dāng)源節(jié)點(diǎn)到可能的中繼節(jié)點(diǎn)以及可能的中繼節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn) 的信道增益系數(shù)兩值之間的最小值大于a 時(shí) 才考慮此節(jié)點(diǎn)為可能中繼節(jié)點(diǎn) 以 d f 協(xié)作模式為例 伉值的選擇要至少保證中繼能準(zhǔn)確無(wú)誤的將源節(jié)點(diǎn)送給中繼 節(jié)點(diǎn)的信息準(zhǔn)確無(wú)誤的譯碼 不會(huì)產(chǎn)生譯碼錯(cuò)誤而降低系統(tǒng)的性能 因此加入中 繼選擇能進(jìn)一步改善系統(tǒng)的性能 關(guān)鍵詞 協(xié)作分集 功率分配 中繼選擇 放大轉(zhuǎn)發(fā) 譯碼轉(zhuǎn)發(fā) i i a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h ep a s tf e wy e a r s t h em o b i l ec o m m u n i c a t i o n sh a v ed e v e l o p e dr a p i d l yi nt h e w o r l d a n d3 gs y s t e m sa l s oh a v e b e e np u ti n t oc o m m e r c i a la p p l i c a t i o n s i nt h ef u t u r e i na d d i t i o nt og o o dc o m m u n i c a t i o nq u a l i t y b 3g c o m m u n i c a t i o ns y s t e ms h o u l da l s o p r o v i d es a t i s f y i n g d a t ar a t e a m o n g m u l t i u s e r s s i m u l t a n e o u s l y c o o p e r a t i o n c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ym e a n st h a t s i n g l ea n t e n n am o b i l eu s e r sc a ns h a r et h e v i r t u a lm i m os y s t e mc o m p o s e db yt h e i ra n t e n n a sw i t he a c ho t h e rt h r o u g hac e r t a i n w a yi nm u l t i u s e rc o m m u n i c a t i o ne n v i r o n m e n t i nt h i sw a y w i r e l e s sl i n kt r a n s m i s s i o n r e l i a b i l i t y c a l lb ee n h a n c e da n dc h a n n e lc a p a c i t yc a nb ei m p r o v e dw i t h o u ta n y i n c r e a s e m e n ti nh a r d w a r ec o m p l e x i t y w h i c hc a na l s oe f f e c t i v e l ye x p a n dt h ec o v e r a g e o ft h ew i r e l e s st r a n s m i s s i o n t h u si m p r o v et h et r a n s m i s s i o ns y s t e m sp e r f o r m a n c e i i lt h ec 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 i n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o ni sc o m p l e t e d b ys i g n a ls o u r c ea n dr e l a yn o d e s t h u sr e s o u r c e sa l l o c a t i o ni sa ni m p o r t a n ti s s u ei n w i r e l e s sc o o p e r a t i v ed i v e r s i t yn e t w o r kr e s e a r c h i n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o na m o n gs i g n a l s o u r c e sa n dr e l a yn o d e sc o n s u m e sp o w e r d i v e r s i t yg a i ni so b t a i n e da tt h ec o s to f t h e s u mo ft h ep o w e rc o n s u m p t i o np r o d u c e db ys i g n a ls o u r c e sa n dr e l a yn o d e s t h e r e f o r e t h er e s e a r c ho fp o w e ra l l o c a t i o nb e t w e e ns i g n a l s o u r c e sa n dr e l a yn o d e si s m e a n i n g f u l i nt h ep a p e r b a s e do nt h ec o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n sr e s e a l c h d e e pr e s e a r c h o np o w e ra l l o c a t i o ns c h e m ei sd o n ea n da na l l o c a t i o ns c h e m e w i t hm i n i m i z e db e r a v e r a g ep o w e rb a s e do nt h er e l a yc h o i c ei se s t a b l i s h e d t h em a i n w o r ki s 船f o l l o w s 1 b a s e do nt h ea l a m o u t i t y p eo fc o o p e r a t i v ed i v e r s i t y b e rp e r f o r m a n c ei s a n a l y z e di nb p s km o d es c h e m e t h er e s u l t ss h o wt h a tt r a n s m i s s i o nw i t hd i v e r s i t y t e c h n i q u eh a sal o w e re n o rr a t et h a nt r a n s m i s s i o nw i t h o u td i v e r s i t yt e c h n i q u e 2 s o m er e s e a r c ho nt h ea fa n dd fc o o p e r a t i v ed i v e r s i t yi sd o n e i ts h o w s t h a t c o o p e r a t i v ed i v e r s i t yl i n kh a sa b e t t e rp e r f o r m a n c ew h e na l lt h el i n kc h a n n e l sa r ei n t h es a m es t a t e a n ds y s t e md o e sn o tn e e dr e l a yf o rt r a n s m i s s i o nw h e nt h ef o r w a r d p a s sp a t hc h a n n e li si nt h eb e s ts t a t e i i i a b s t r a c t 3 i no r d e rt or e d u c et h es y s t e mb e r a l la l l o c a t i o ns c h e m ew i t hm i n i m i z e d b e r a v e r a g ep o w e r b a s e do nt h er e l a yc h o i c ei se s t a b l i s h e d t h es c h e m ef i r s tc h o o s e r e l a yn o d e s f o rs e n d i n gi n f o r m a t i o na c c o r d i n gt ot h ec h a n n e lg a i nc o e f f i c i e n tb e t w e e n s o t i r e en o d et or e l a yn o d ea n dr e l a yn o d et od e s t i n a t i o nn o d e o nt h ec o n d i t i o nt h a t t h et o t a lp o w e ri sc o n s t a n t t h e o r e t i c a ld e r i v a t i o no ft h em i n i m i z e db e ra v e r a g e p o w e ro p t i m i z a t i o na l l o c a t i o nm e t h o di sg i v e n t h er e s u l to f t h es i m u l a t i o ns h o w s t h a t c o m p a r e dw i t ht h ep o w e rd i s t r i b u t i o nm e t h o d t h ep o w e ro p t i m i z ea l l o c a t i o n s t h e m ec a r lg e tab e t t e re r r o rp e r f o r m a n c e p o o rc h a n n e ls t a t eb e t w e e nt h en o d e sc a n l e a dt ot h ef a i l u r eo fc o o p e r a t i o nw h i c hw i l la f f e c tt h ep e r f o r m a n c eo f t h es y s t e m i n o r d e rt oa v o i dt h i s at h r e s h o l dai sb r o u g h ti n t ot h ep r o c e d u r e o fr e l a yc h o i c e o n l yw h e n t l l e l i n i i n u mv a l u eo fc h a n n e lg a i nc o e f f i c i e n tb e t w e e nt h es o u r c en o d et ot h el i k e l y r e l a yn o d e sa n dl i k e l yr e l a yn o d et od e s t i n a t i o nn o d ei sg r e a t e rt h a na t h en o d e c a n b et a ni n t oc o n s i d e r a t i o na sar e l a yn o d e t a k i n gd fc o o p e r a t i o nm o d ea s a l l e x a m p l e t h es e l e c t i o no ft h ev a l u eo fas h o u l da tl e a s te n s u r et h a tt h ei n f o r m a t i o n b e t w e e ns o u r c ea n dr e l a yn o d e sc a l lb ed e c o d e dc o r r e c t l yt oa v o i dt h ed e c r e a s e m e n t o ft h es y s t e m sp e r f o r m a n c ec a u s e db yd e c o d i n ge r r o r s i ng e n e r a l r e l a ys e l e c t i o n m e t h o dc a nf u r t h e ri m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m k e yw o r d s p o w e ra l l o c a t i o n c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y a m p l i f y a n d f o r w a r d d e c o d e a n d f o r w a r d r e l a ys e l e c t i o n 緒論 第一章緒論 1 1 協(xié)作通信的發(fā)展 如今 無(wú)線通信發(fā)展迅速 為了滿足人們對(duì)無(wú)線通信技術(shù)提出的更高要求 涌現(xiàn)出了許多新技術(shù)和新標(biāo)準(zhǔn)來(lái)提高數(shù)據(jù)傳輸速率 目前3 g 已投入商用 未來(lái) 的4 g 系統(tǒng)也在研發(fā)中 由于數(shù)據(jù)速率的高要求 多輸入多輸出技術(shù)得到了廣泛 的研究 這種技術(shù)是以犧牲設(shè)備成本和復(fù)雜度來(lái)獲取較高的系統(tǒng)性能 l e t 中的 虛擬m i m o 技術(shù)和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)作m i m o 技術(shù)的發(fā)展 使中繼協(xié)作技術(shù)成 為了通信行業(yè)的研究熱點(diǎn) 同時(shí)也帶動(dòng)了協(xié)作通信中資源分配的研究 在發(fā)送方和接收方間使用多天線性 以在空間域獲得分集增益 稱為空間分 集或天線分集 這種多天線配置形式如果在接收端配置單個(gè)天線則是m i s o 系統(tǒng) 如果在發(fā)送端配置單個(gè)天線則是s i m o 系統(tǒng) 一般說(shuō)來(lái) m i m o 系統(tǒng)使用多于一個(gè) 的發(fā)送接收天線 可以在一對(duì)發(fā)射接收天線間建立不同路徑 在這種配置下發(fā)送 信息能通過(guò)不同路徑到達(dá)接收端 只要有一條路徑夠堅(jiān)固 接收端就有能力恢復(fù) 傳輸?shù)男畔?多散射體在多徑情況下 天線間距應(yīng)適當(dāng)拉開以保證發(fā)射 接收信 號(hào)的相互獨(dú)立性 以充分利用多散射體所造成的多徑 假設(shè)不同路徑是相互獨(dú)立 或相關(guān)度較低的 所有路徑的鏈路都失敗的機(jī)會(huì)就會(huì)較低 天線對(duì)數(shù)越多 接收 到的信號(hào)的冗余度就越好 也就是說(shuō)收發(fā)器的檢測(cè)可靠度就會(huì)越高 要克服m i m o 在未來(lái)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的限制 必須想出新技術(shù)去超越傳統(tǒng)的點(diǎn)到 點(diǎn)通信 傳統(tǒng)的無(wú)線系統(tǒng)的觀點(diǎn)是許多節(jié)點(diǎn)之間相互聯(lián)系 由于無(wú)線信道的廣播 特性 可將這些節(jié)點(diǎn)當(dāng)做散落的天線 采用這種觀點(diǎn) 網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)可以相互合 作傳播和處理信息 在協(xié)作通信中 用戶和基站間獨(dú)立的路徑通過(guò)一個(gè)中繼信道產(chǎn)生 中繼信道 可以被認(rèn)為是源端和目的端間的直接信道的一個(gè)輔助通道 協(xié)作通信過(guò)程的一個(gè) 關(guān)鍵的問(wèn)題是接收來(lái)自由中繼完成的源節(jié)點(diǎn)的信號(hào)的處理過(guò)程 這些不同的處理 方案導(dǎo)致了不同的協(xié)作通信協(xié)議 協(xié)作通信協(xié)議可被分類為固定的中繼方案和自 適應(yīng)的中繼方案 在固定中繼中 信道資源在源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)之間以一個(gè)固定的方式被分 無(wú)線協(xié)作通信中功率分配的研究 配 中繼端的處理過(guò)程根據(jù)所采用的協(xié)議的不同而有所不同 在一個(gè)固定的前向 放大中繼協(xié)議中 中繼器簡(jiǎn)單的接收譯文并傳輸一個(gè)它的放大版本到目的端 而 在中繼節(jié)點(diǎn)讓中繼器去譯碼接收信號(hào) 重新編碼 然后重新將它傳送給接收器 這種中繼方式被稱為一個(gè)固定的前向解碼中繼協(xié)議 采用固定中繼方式具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn) 但是絕大數(shù)信道資源都被分配給中 繼器用來(lái)傳輸 所以帶寬效率很低 尤其當(dāng)源一目的信道不是很壞的時(shí)候 由源 端發(fā)送到目的端的分組可以被目的端正確的接收 中繼信道資源將被浪費(fèi) 自適應(yīng)中繼技術(shù)可用來(lái)改善中繼信道資源浪費(fèi)這一問(wèn)題 它包括選擇性中繼 和增加性中繼 在選擇性中繼中 如果在中繼端接收的信號(hào)的信噪比超過(guò)一定臨 界值 中繼器將會(huì)在信息上執(zhí)行前向解碼操作 另一方面 如果源端和中繼端的 信道有嚴(yán)重的衰落 以至于信噪比低于這個(gè)臨界值 中繼器將會(huì)被閑置 此外 如果源端知道目的端不能正確的解碼 那么源端會(huì)重復(fù)的發(fā)送這個(gè)信息給目的 端 或者中繼器將會(huì)促進(jìn)信息傳輸 這被稱作增加性中繼 在這種情況下 一個(gè) 從目的端到源端和中繼端的回饋信道是有必要的 研究發(fā)現(xiàn) 在協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)中雖然能獲得一定的分集增益 但是卻普遍存在 傳輸速率過(guò)低的明顯缺憾 這是因?yàn)樵垂?jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)的信息數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程不是 在相同的時(shí)隙和載波上同時(shí)完成的 從而浪費(fèi)了寶貴的無(wú)線資源 與普通的單天 線無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)相比較 在相同的傳輸速率下 采用分布式空時(shí)頻編碼轉(zhuǎn)發(fā)源信 息的無(wú)線協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)必須采用更高階的調(diào)制方式 限制了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)誤碼性能的 改善 所以如何在獲得分集增益的同時(shí)最大化網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度 成了需要解決的 首要難題 協(xié)作通信是通過(guò)引入轉(zhuǎn)播信道在用戶和基站之間生成了獨(dú)立的信道 對(duì)不同 節(jié)點(diǎn)接收有用的信息有優(yōu)先限制 用戶協(xié)作中的一個(gè)范例就是通過(guò)執(zhí)行合適的信 息處理算法 多樣的終端可以處理無(wú)意中從其他節(jié)點(diǎn)處得來(lái)的信息 并與轉(zhuǎn)發(fā)節(jié) 點(diǎn)合作 因此 協(xié)作通信技術(shù)在第四代通信系統(tǒng)中是一種新方法 他保證了高速 率的數(shù)據(jù)傳輸 我們期望協(xié)作通信技術(shù)在第五代通信網(wǎng)中也會(huì)成為一個(gè)關(guān)鍵的技 術(shù) 緒論 1 2 協(xié)作分集技術(shù) 上世紀(jì)7 0 年代c o v e r 和g a m a l 提出的中繼信道容量理論 2 是協(xié)作分集的基 礎(chǔ) 如下例所示 用戶1 和用戶2 互為協(xié)作伙伴 它們不僅僅傳輸自己的信息數(shù) 據(jù) 還要接收來(lái)自彼此的信息數(shù)據(jù)然后轉(zhuǎn)發(fā)出去 如圖卜1 用戶s 1 和用戶 s 2 是一對(duì)協(xié)作伙伴 s l 除向基站 b s 傳送自己的信息數(shù)據(jù)之外 還要把接收到 的來(lái)自用戶s 2 的信息數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給b s 相應(yīng)的 用戶s 2 也會(huì)把接收到的用戶s 1 的信息數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給基站 這樣用戶s 1 和用戶s 2 與基站之間就產(chǎn)生了兩條獨(dú)立 衰落分支路徑 以用戶s 1 為例 一條是s 1 與基站之間的直接發(fā)送的路徑 另 條是用戶s 1 發(fā)送給用戶s 2 s 2 接收到來(lái)自s 1 的信號(hào)然后轉(zhuǎn)發(fā)給基站的間 接發(fā)送路徑 協(xié)作分集技術(shù)就是希望借助協(xié)作作伙伴的天線與它自身的天線共同 構(gòu)造成一個(gè)多發(fā)射天線陣 從而模擬傳統(tǒng)的多發(fā)射天線的分集來(lái)獲得空間分集增 益 圖卜1蜂窩網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的協(xié)作通信場(chǎng)景 基于源節(jié)點(diǎn)到中繼然后轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點(diǎn) 源節(jié)點(diǎn)直接發(fā)送給目的節(jié)點(diǎn)的單中 繼模型是上述協(xié)作通信結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化 如圖1 2 所示 r 叁慧 一 j 一 卜 強(qiáng)抄回 無(wú)線協(xié)作通信中功率分配的研究 中繼節(jié)點(diǎn) 源節(jié)點(diǎn)目的節(jié)點(diǎn) 圖1 2 單中繼協(xié)作模型 在協(xié)作通信中 用戶不僅要將自己的信息數(shù)據(jù)傳送出去 還要接收其協(xié)作伙 伴的信息數(shù)據(jù) 然后轉(zhuǎn)發(fā)出去 中繼節(jié)點(diǎn)的作用是用來(lái)協(xié)助源節(jié)點(diǎn)并增強(qiáng)主信道 從而使單天線的用戶通過(guò)這種方法獲得空間上的分集增益 達(dá)到改善系統(tǒng)性能的 目的 協(xié)作分集技術(shù)不僅僅局限在兩用戶之間的協(xié)作上 同樣可以是多用戶的協(xié) 作 也就是一個(gè)用戶可以同時(shí)得到多個(gè)用戶的協(xié)作幫助 稱為多中繼協(xié)作方式 多用戶協(xié)作場(chǎng)景可見圖卜3 圖1 3 多中繼協(xié)作通信系統(tǒng)模型 協(xié)作分集技術(shù)是在協(xié)作傳輸數(shù)據(jù)過(guò)程中 當(dāng)移動(dòng)臺(tái)接收到來(lái)自其他移動(dòng)臺(tái)發(fā) 送來(lái)的信息數(shù)據(jù)時(shí) 將所接收的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并轉(zhuǎn)發(fā)出去 那么在接收端就 可以通過(guò)接收到的兩個(gè)或多個(gè)來(lái)自不同獨(dú)立統(tǒng)計(jì)的衰落信道來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理 因此在接收終端獲得空間分集增益 其通信過(guò)程可以分為兩步 首先 源節(jié)點(diǎn)發(fā) 送信號(hào)給目的節(jié)點(diǎn)和所有的中繼節(jié)點(diǎn) 然后中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)來(lái)自源節(jié)點(diǎn)的信息數(shù)據(jù)進(jìn) 4 緒論 行處理轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點(diǎn) 在目的節(jié)點(diǎn)處通過(guò)合并方法將來(lái)自于源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn) 的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行合并 同傳統(tǒng)的非協(xié)作方式的通信系統(tǒng)比較 協(xié)作通信由于獲得了較好的空間分集 增益 因此當(dāng)傳輸速率相同時(shí) 協(xié)作通信系統(tǒng)發(fā)射所要消耗的總功率肯定要比非 協(xié)作通信系統(tǒng)少 這樣可以大大延長(zhǎng)系統(tǒng)的待機(jī)時(shí)間以及節(jié)約系統(tǒng)資源 由于采 用分集技術(shù)的移動(dòng)臺(tái)不僅僅要傳輸自己的信息數(shù)據(jù) 還要為協(xié)作伙伴轉(zhuǎn)發(fā)信息數(shù) 據(jù) 這就會(huì)加大無(wú)線資源的消耗 所以在協(xié)作通信系統(tǒng)中就要對(duì)用戶的功率進(jìn)行 更為理想的分配 以保證獲得較高的資源利用率 隨著移動(dòng)通信的發(fā)展 協(xié)作通 信技術(shù)成為了通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn) 功率分配技術(shù)的研究也成為了人們研究的重 要方向 1 3 國(guó)內(nèi)外對(duì)功率分配的研究現(xiàn)狀 隨著協(xié)作通信技術(shù)的發(fā)展 如何分配資源一直是大家研究的重點(diǎn)之一 由于 各個(gè)方面的限制 對(duì)于系統(tǒng)功率分配的問(wèn)題就成了資源分配的主要問(wèn)題 協(xié)作通 信系統(tǒng)中的功率分配方案是指在系統(tǒng)總的發(fā)送功率一定的前提條件下 如何在參 與協(xié)作通信的源和終端之間合理地分配功率 從而改善功率資源的利用率 提高 中繼系統(tǒng)的容量 從而得到最佳的網(wǎng)絡(luò)性能 目前有很多關(guān)于協(xié)作通信系統(tǒng)中功率分配方案的研究 出發(fā)點(diǎn)一般都基于以 下不同的原則來(lái)分類 根據(jù)目標(biāo)函數(shù) 有無(wú)中心控制節(jié)點(diǎn) 信道狀態(tài)信息以及中 繼的數(shù)目 3 其中根據(jù)目標(biāo)函數(shù)可分為基于可靠性為目標(biāo) 中斷概率 誤碼率 等 和基于提高有效性為目標(biāo) 最大互信息量 遍歷容量等 根據(jù)有無(wú)中心控 制節(jié)點(diǎn)可分為集中式 僅用于有中心控制節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò) 和分布式 不管網(wǎng)絡(luò)是否 有中心控制節(jié)點(diǎn) 根據(jù)信道狀態(tài)信息可分為瞬時(shí)信道狀態(tài)信息 采用最大互信 息量 瞬時(shí)接收信噪比等 和統(tǒng)計(jì)信道狀態(tài)信息 采用遍歷容量 平均接收信噪 比 中斷概率等 而根據(jù)中繼數(shù)目就是由于中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)目的不用來(lái)分類的方案 根據(jù)不同的方案進(jìn)行功率分配獲得的系統(tǒng)性能是不同的 文獻(xiàn) 6 1 給出了一種基于中繼節(jié)點(diǎn)的選擇和功率分配聯(lián)合優(yōu)化的方案 根 據(jù)系統(tǒng)中繼節(jié)點(diǎn)的信噪比的性能從各個(gè)中繼中選擇適合用來(lái)進(jìn)行信息數(shù)據(jù)傳輸 的中繼節(jié)點(diǎn) 從而實(shí)現(xiàn)可靠的通信傳輸 文獻(xiàn) 9 分析了基于中斷概率的協(xié)作 無(wú)線協(xié)作通信中功率分配的研究 瑞利網(wǎng)絡(luò)獲得最大傳輸速率的功率分配方案 文獻(xiàn) 1 0 1 分析了在譯碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作 通信方式中 基于接收端最佳誤碼率的分析 文獻(xiàn) 1 2 1 基于2 跳的可再生的瑞 利衰落信道中 在總的傳輸功率一定時(shí)獲得最大的平均信噪比的一種功率分配方 案 文獻(xiàn) 1 3 1 分析了采用正交頻分多路復(fù)用技術(shù) o f d m 調(diào)制的2 跳放大轉(zhuǎn)發(fā) a f 網(wǎng)絡(luò) 并且傳輸信息數(shù)據(jù)是在選擇性頻率衰落信道中 考慮當(dāng)源節(jié)點(diǎn)或中 繼節(jié)點(diǎn)有最大的瞬時(shí)速率時(shí) 對(duì)中繼節(jié)點(diǎn)或源節(jié)點(diǎn)采用功率優(yōu)化分配方案 比對(duì) 在采用正交頻分復(fù)用技術(shù)調(diào)制中單獨(dú)對(duì)源節(jié)點(diǎn)或中繼節(jié)點(diǎn)的功率分配方案 可以 獲得較好的性能 文獻(xiàn) 1 6 研究了總發(fā)射功率一定的前提下 基于瑞利衰落信 道的最小化中斷率的譯碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼系統(tǒng)最優(yōu)功率分配的方案 提出了一種近似的 最優(yōu)功率分配算法 它假設(shè)系統(tǒng)給源節(jié)點(diǎn)端分配一定比例的功率 剩下功率平均 分配給我們所選中的中繼節(jié)點(diǎn) 并在第二跳信道的質(zhì)量很差的情況下 那么所分 配的功率就分配給源節(jié)點(diǎn) 這種近似最優(yōu)方法與最優(yōu)的功率分配方案的中斷概率 相比較 其系統(tǒng)的性能是很接近的 1 4 本文的研究重點(diǎn)及內(nèi)容安排 本文主要就中繼協(xié)作通信系統(tǒng)中基于中繼選擇的最小化平均b e r 的最優(yōu)功 率分配方案進(jìn)行了研究分析 內(nèi)容分為五章 其安排如下 第一章是緒論部分 闡述了本文的研究背景 即協(xié)作通信與協(xié)作通信分集技 術(shù)的發(fā)展 功率分配的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 然后介紹了本文的研究?jī)?nèi)容和論文安排 第二章是無(wú)線通信信道和分集技術(shù) 介紹了無(wú)線通信信道的特征和常見的分 集技術(shù) 時(shí)間分集 空間分集以及頻率分集 并以a l a m o u t i 發(fā)射分集方案為例 驗(yàn)證了分集技術(shù)可以有效的提高通信系統(tǒng)傳輸?shù)目煽啃?最后介紹了幾種常見的 分集合并方式 第三章是協(xié)作系統(tǒng)的性能分析 詳細(xì)研究了對(duì)協(xié)作分集的兩種協(xié)議 放大轉(zhuǎn) 發(fā) a f 和譯碼轉(zhuǎn)發(fā) d f 基于傳統(tǒng)的中繼基礎(chǔ)上 分析了只有一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā) 信息數(shù)據(jù) 通過(guò)仿真結(jié)果表明中繼協(xié)作方式可以降低系統(tǒng)的誤碼率 第四章是協(xié)作通信系統(tǒng)中基于中繼選擇的最小化平均b e r 的功率分配方案 主要討論了a f 和d f 兩種協(xié)作分集中 如何選擇合適的中繼節(jié)點(diǎn)參與轉(zhuǎn)發(fā)信息 并假設(shè)在總的發(fā)送功率一定時(shí) 在信源和中繼節(jié)點(diǎn)之間如何最優(yōu)的分配功率 以 6 及中繼選擇對(duì)系統(tǒng)性能的影響 仿真結(jié)果表明 采用優(yōu)化分配方案可以降低系統(tǒng) 的誤碼率 中繼選擇方案的加入能有效的避免協(xié)作失敗的情況 進(jìn)一步了改善系 統(tǒng)的性能 第五章是結(jié)論與展望 對(duì)本文進(jìn)行了總結(jié) 并對(duì)未來(lái)的工作進(jìn)行了展望 7 無(wú)線協(xié)作通信中功率分配的研究 第二章無(wú)線通信信道和分集技術(shù) 相對(duì)其他的通信信道而言 無(wú)線通信信道是最復(fù)雜的一種 在無(wú)線通信中 由于無(wú)線通信信道具有接收環(huán)境的復(fù)雜性 傳播開放性和用戶的隨機(jī)移動(dòng)性等特 點(diǎn) 所以信號(hào)在傳輸過(guò)程中會(huì)遭受各種各樣的損耗以及衰落的影響 大大減弱了 接收信號(hào)的質(zhì)量 因此無(wú)線信道中的衰落特性就成為了無(wú)線通信所面臨的巨大挑 戰(zhàn) 分集技術(shù)的提出就是為了對(duì)抗這種衰落 分集技術(shù)中有時(shí)間分集 空間分集 以及頻率分集等 其中空間分集可以根據(jù)發(fā)射端和接收端是否使用了多根天線 分為兩類 接收分集和發(fā)射分集 這一章將介紹論文研究中所應(yīng)用到的一些基礎(chǔ)知識(shí) 首先將對(duì)無(wú)線信道特性 和信道模型做簡(jiǎn)單的介紹 然后重點(diǎn)分析分集技術(shù) 對(duì)分集技術(shù)分類以及接收端 對(duì)接收到的信號(hào)合并方法做概要介紹 并以a l a m o u t i 發(fā)射分集作為例子來(lái)分析 分集技術(shù)對(duì)比無(wú)分集傳輸 比較優(yōu)劣 2 1 無(wú)線通信信道的特性 無(wú)線電播的傳播環(huán)境決定了無(wú)線信道的衰落特性 利用無(wú)線信道進(jìn)行通信是 很有挑戰(zhàn)性的任務(wù) 因?yàn)槊浇閷?duì)其中的信號(hào)引入了多種減損 在這個(gè)過(guò)程中 無(wú) 線傳輸?shù)男盘?hào)會(huì)受到諸如噪聲 衰減 失真 干擾等影響 下面簡(jiǎn)要介紹一下影 響信號(hào)的各種情形 在發(fā)射臺(tái)和接收機(jī)之間 單一的傳輸信號(hào)由于傳輸過(guò)程中的反射 比如大型 的建筑物或山脈引起的 散射 衰減等原因出現(xiàn)了二個(gè)或更多個(gè)的副本 并且 通過(guò)不同傳播途徑 最終在不同時(shí)刻 延遲引起的 到達(dá)接收機(jī)時(shí) 這樣的信道 稱為多徑信道 各個(gè)路徑來(lái)的信號(hào)各有不同的振幅 相位 延時(shí) 它們?cè)诮邮斩?迭加 有時(shí)迭加而加強(qiáng) 有時(shí)迭加而減弱 這樣 接收信號(hào)的幅度將急劇變化 由于這種衰落是由于多路徑引起 因此也叫多徑衰落 在無(wú)線通信中 從統(tǒng)計(jì)特 性上看對(duì)接收信號(hào)造成影響的有大 小尺度效應(yīng) 大尺度效應(yīng)影響是在相對(duì)較長(zhǎng) 距離情況下而小尺度效應(yīng)影響大約在一個(gè)信號(hào)波長(zhǎng)時(shí) 大尺度效應(yīng)可以描述接收 到的本地信號(hào)功率的平均值隨接 發(fā)機(jī)距離的變化的情況 從而了解無(wú)線通信的 無(wú)線通信信道和分集技術(shù) 覆蓋范圍 無(wú)線信道在小尺度范圍的特性主要有以下幾種 1 在多徑信道傳 輸中由于各路路徑的時(shí)延不同從而導(dǎo)致的接收機(jī)信號(hào)產(chǎn)生的時(shí)延擴(kuò)展 2 由于 接 發(fā)機(jī)及通信媒質(zhì)的移動(dòng)所產(chǎn)生的多普勒頻移 3 多徑特性受媒介的影響 如果媒介的結(jié)構(gòu)隨時(shí)間改變 導(dǎo)致的結(jié)果就是多徑特性也隨時(shí)間改變 使得短距 離的信號(hào)傳輸在接收端信號(hào)強(qiáng)度發(fā)生極大變化 多徑信號(hào)隨著到達(dá)時(shí)間的推遲功率是下降的 這個(gè)功率下降是關(guān)于延遲時(shí)間 的負(fù)指數(shù)函數(shù) 功率下降和延遲時(shí)間的關(guān)系就是功率延遲譜 用一些源自于功率 延遲譜 或者頻譜響應(yīng) 的參數(shù)來(lái)描繪多徑信道的特征并且進(jìn)一步對(duì)多徑信道細(xì) 化 下面我們來(lái)看一下這些參數(shù) 定義了多徑信號(hào)最早到達(dá) 通過(guò)一條路徑 與 最晚到達(dá) 通過(guò)另一條路徑 之間的時(shí)差 如果通過(guò)這條信道發(fā)送的符號(hào)持續(xù)時(shí) 間超過(guò)了信道時(shí)延擴(kuò)展 就會(huì)出現(xiàn)碼間干擾的現(xiàn)象 如果用于傳輸信號(hào)的帶寬比 信道相干帶寬小 這樣的信道稱為平坦衰落信道 即窄帶信道 與之對(duì)應(yīng)的是頻 率選擇性衰落信道 即寬帶信道 接收天線收到直射波 還收到來(lái)自各物體或地 面的反射波 散射波 此外 還由于移動(dòng)臺(tái)的快速移動(dòng) 車 帶來(lái)多普勒效應(yīng) 這些使得移動(dòng)臺(tái)接收到的信號(hào)的振幅和相位隨時(shí)間發(fā)生急劇變化 如果比發(fā)送數(shù) 據(jù)的符號(hào)周期快 則稱此現(xiàn)象為快衰落 反之 則稱為慢衰落 慢衰落和快衰落 是根據(jù)信道時(shí)變的速度來(lái)決定的 當(dāng)發(fā)射源與接收端之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí) 接收 端接收到的發(fā)射源發(fā)射信息頻率與發(fā)射源發(fā)射信息頻率不相同 這種現(xiàn)象稱為多 普勒效應(yīng) 接收頻率與發(fā)射頻率之差稱為多普勒頻移 因此 在無(wú)線通信中 產(chǎn)生極差的信道特性是避免不了的 如果要在這樣的 條件下維持較好的傳輸質(zhì)量 就要應(yīng)用各種技術(shù)來(lái)抵消這些衰落帶來(lái)的不利影 響 所以 各種抗衰落技術(shù)的研究在無(wú)線通信系統(tǒng)中是非常有必要的 2 2 無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)信道模型 無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中 各個(gè)路徑來(lái)的信號(hào)各有不同的振幅 相位 延時(shí) 它們?cè)?接收端迭加 有時(shí)迭加而加強(qiáng) 方向相同 有時(shí)迭加而減弱 方向相反 這樣 接收信號(hào)的幅度將急劇變化 即產(chǎn)生了多徑衰落 從而造成使信號(hào)發(fā)生失真情 況 這里只考慮加性高斯白噪聲 a w g n 瑞利衰落以及路徑損耗對(duì)信號(hào)產(chǎn)生的影 響 其中路徑衰落和損耗是以乘性疊加到信號(hào)上 信道模型如圖2 1 9 無(wú)線協(xié)作通信中功率分配的研究 路徑損耗衰落高斯白噪聲 圖2 一l無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)信道模型 在圖2 1 的信道模型中 我們假設(shè)經(jīng)過(guò)調(diào)制的輸入信號(hào)為x f 多徑衰弱系 數(shù)為as d 路徑損耗為d 叫 加性高斯白噪聲為z 州 經(jīng)過(guò)信道后的信號(hào)輸出也就 是解調(diào)前的接收信號(hào)是y 由此得到關(guān)系表達(dá)式為 y 2x 口 d d 一 z d 2 1 并且由路徑損耗d 引起的衰落同在傳輸信號(hào)的過(guò)程中的路徑長(zhǎng)度s 的r 1 次方是 反比的關(guān)系 也就是 d 芘1 s 2 2 在關(guān)系式中 r i 定義為路徑損耗指數(shù) 根據(jù)環(huán)境的不同可以對(duì)1 1 在2 5 之間 進(jìn)行取值 而當(dāng)信號(hào)的傳輸路徑s 變化很小的時(shí)候 可以認(rèn)定在這個(gè)信號(hào)傳輸?shù)?過(guò)程中路徑損耗值n 是一個(gè)常數(shù)值 因?yàn)槎鄰剿ヂ淠芤鸬男盘?hào)相位的變化以及幅度的衰弱 所以會(huì)大大影響傳 輸?shù)男盘?hào)質(zhì)量 因此這里假設(shè)多徑衰落系數(shù)的幅度是服從瑞利分布的 也就是說(shuō) 它是滿足服從 o 5 0 上的復(fù)高斯的隨機(jī)變量 相位 服從是 o 2 萬(wàn) 上的 均勻分布 也就是幅度包絡(luò)概率密度函數(shù)p 的表達(dá)式為 p 口 2 南p 瓦拓專e 域 倍3 其中概率密度函數(shù)p 和a 的關(guān)系如圖2 2 所示 無(wú)線通信信道和分集技術(shù) i i l2 2 瑞利分布一f 的概率密度函數(shù) 相位的概率密度函數(shù)p 表達(dá)式為 p o 兩1 f a e2 8 2 d a 2 1 石 o p 鰳 2 4 而加性的噪聲服從均值為0 且方差為6 的高斯分布 并滿足單邊噪聲功率 為n 2 拜 2 3 分集技術(shù) 影響無(wú)線通信質(zhì)量的一個(gè)主要原因是衰弱效應(yīng) 而分集技術(shù)可以提高系統(tǒng)的 傳輸?shù)目煽啃?克服多徑引起的衰落 分集技術(shù)是利用多個(gè)不相關(guān)信號(hào)進(jìn)行處理 并通過(guò)在空域 頻域和時(shí)域來(lái)采集這些不相關(guān)的信號(hào)從而實(shí)現(xiàn)分集 2 3 1 分集技術(shù)的類別 當(dāng)前在無(wú)線通信中我們常見的分集方式有時(shí)間分集 頻率分集 空間分集等 1 時(shí)間分集1 1 9 1 是利用一個(gè)隨機(jī)衰落信號(hào) 當(dāng)取樣點(diǎn)的時(shí)隙夠大時(shí) 兩個(gè)取 樣點(diǎn)之間的衰落在統(tǒng)計(jì)上可以看成是相互獨(dú)立的 也就是利用在時(shí)間上的衰落統(tǒng) 計(jì)特性的不同來(lái)實(shí)現(xiàn)抗衰落 時(shí)間選擇性 的功能 時(shí)間分集采用的是在不連續(xù)時(shí) 間間隙上發(fā)送信號(hào)完成分集 對(duì)這種技術(shù)的應(yīng)用造成了極大的限制 并且對(duì)傳輸 無(wú)線協(xié)作通信中功率分配的研究 信號(hào)的改善程度由于不一樣的信道衰落性能也是不同的 如果是慢衰落信道 它 的相干時(shí)間很大 有很大的時(shí)隙間的間隔來(lái)用于時(shí)間分集 從而造成了接收端的 巨大時(shí)延 時(shí)間分集的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)設(shè)備裝置數(shù)目要求較少 可是它占用了大量的時(shí) 隙資源 增加了開銷 降低了傳輸效率 2 頻率分集 2 0 l 是利用不一樣的載波頻率獲得分集 這就需要它在多個(gè)不同 的頻率上發(fā)送相同的信息 頻率間的間距必須大于信道的相干帶寬 因此 幾路 信號(hào)所受到的衰落可以認(rèn)定是不相關(guān)的 從而實(shí)現(xiàn)頻率分集 和空間分集相比 頻率分集需要占用的頻帶資源會(huì)更多 但是在接收端的天線數(shù)目和裝置相對(duì)時(shí)間 分集較少 3 空間分集是利用多天線技術(shù)從而獲得分集增益的 依據(jù)的是快衰落的空間 的獨(dú)立性 即是在兩個(gè)不同的地理位置上 兩個(gè)接收天線它們之間的距離夠大時(shí) 可以認(rèn)為在這兩根接收天線處接收到的信號(hào)之間的衰落是不相關(guān)的 以此來(lái)實(shí)現(xiàn) 抗衰落 所以在空間分集技術(shù)的應(yīng)用中 我們需要接收機(jī)至少要配備相距為d 的兩副天線 其中d 與地理位置 天線擴(kuò)展角9 以及它的工作波長(zhǎng)允等有關(guān) 表 達(dá)式可以表示為i l g j d 塵 9 2 3 2a 1 a m o u ri 發(fā)送分集方式 2 5 a l a m o u t i 編碼1 1 2 1 是a l a m o u t i 提出的 是最早提出的一種空時(shí)編碼 它的發(fā) 射端有兩根天線組成 在其接收端可以是單根也可以是多根天線 本節(jié)中 我們 討論的是接收端為單一天線的情況 1 2 無(wú)線通信信道和分集技術(shù) 圖2 3a l a m o u t i 空時(shí)編碼器發(fā)射原理框圖 圖2 3 所示 兩個(gè)連續(xù)的符號(hào)周期 編碼器的輸出兩個(gè)發(fā)射天線發(fā)送出去 其中在第一個(gè)符號(hào)周期和下一個(gè)符號(hào)周期內(nèi)符號(hào)x 和x 以及符號(hào)一x 和x 分別 由天線1 和天線2 發(fā)射出去 它的編碼的矩陣形式是 廣 1 x lx 1 0i 2 6 l x 2 x lj 可以看出 a l m o u t i 編碼不僅僅是在空域進(jìn)行編碼 也在時(shí)域進(jìn)行了編碼 其中天線l 和天線2 發(fā)射的序列分別是 x l b 一x 以及x2 x x j 它們的 內(nèi)積為零 也就是說(shuō)這兩根發(fā)射天線它們的發(fā)射序列是正交的 圖2 4 a l a m o u ti 發(fā)射分集方案 假設(shè)在t 時(shí)間天線l 發(fā)送的信號(hào)經(jīng)過(guò)的衰落信道的信道衰落系數(shù)是h t 無(wú)線協(xié)作通信中功率分配的研究 同時(shí)天線2 發(fā)送的信號(hào)經(jīng)過(guò)的衰落信道的信道衰落系數(shù)是h t 其接收機(jī)原理 如圖2 4 所示 假設(shè)信道在連續(xù)的兩個(gè)符號(hào)周期時(shí)刻是不變的 這樣衰落信道的 信道衰落系數(shù)就可以表示為h o 和h 所以接收端接收的兩個(gè)連續(xù)周期時(shí)刻的信 號(hào)表達(dá)式為 j 吒2h o x i h l x 2 2 7 k h o x 啊x 咒2 7 上述表達(dá)式中r 和r 為在t 和t t 兩個(gè)連續(xù)時(shí)間周期接收端所接收到的信 號(hào) n 和i 1 2 表示在這兩個(gè)連續(xù)時(shí)間周期接收端的加性高斯白噪聲 它是均值為 零 功率譜密度是哆彳的獨(dú)立復(fù)變量 2 3 3a 1 a m o u ti 最大似然譯碼 如果信道衰落系數(shù)可以在接收機(jī)端無(wú)誤的恢復(fù)出來(lái) 就能采用其作為信道狀 態(tài)信息 根據(jù)信號(hào)調(diào)制星座圖中對(duì)于最大似然檢測(cè)器對(duì)全部的x 和x 2 的值選擇 一對(duì)信號(hào) 鞠 工 使距離量度最小 d 2 啊安 紅安z d 2 吃 一 安 紅x a s t l i 一曩安 一吃安 1 2 l 乞 j j l 安 一吃安 1 2 2 8 將式 2 6 代入公式 2 7 中 我們就可以得到最大似然譯碼表達(dá)公式 a a 一 腳x x a n c c q 州吃1 2 1 科塒川2 毛 札以恐 乏 2 9 在 2 9 式中 c 是調(diào)制符號(hào)對(duì) x 2 的所有可能存在的集合 在圖2 4 的合并器中 x t 和x 通過(guò)合并接收信號(hào)以及信道的狀態(tài)信息構(gòu)成 出了兩個(gè)判決統(tǒng)計(jì) 其結(jié)果表示 三 耳 紅弓 2 1 0 如 噬 i 一啊再 將公式 2 7 和 2 1 0 合并得到結(jié)果表示為 1 4 由于分集子信道是不同的 所以望 三淼 毒噪比是采用分集技術(shù) 蠹篡篇搿鬣茹茹晰瓣擇 無(wú)線協(xié)作通信中功率分配的研究 了合適的合并算法 在接收端我們接收到m m 2 個(gè)分級(jí)信號(hào)后 考慮的是如何將這些信號(hào)合 并來(lái)減少衰落的影響 通常使用線性合并器把接收到的m 個(gè)獨(dú)立的衰落信號(hào)進(jìn)行 加權(quán)后合并輸出 設(shè)m 個(gè)我們接收到的信號(hào)為r t r t r m t 那么在 合并器輸出端的電壓r t 可表示為 m o q o 呸吒 f h f a k r k t 2 1 3 k l 上式中 吼表示的是第k 個(gè)分集信號(hào)的加權(quán)系數(shù) 加權(quán)系數(shù)選擇不一樣就 可以構(gòu)成不同的合并方法 一般采用的有以下幾種方法 選擇合并方法 s c 最大比合并方法 m r c 等增益合并方法 e g c 1 選擇合并方法是一種比較簡(jiǎn)單的合并形式 其原理是在接收天線端檢測(cè) 所有分集信號(hào)在每個(gè)符號(hào)的間隔處選擇其中具有最大信噪比的一個(gè)支路的信號(hào) 作為輸出 因此輸出信號(hào)的信噪比也就是最好輸入信號(hào)的信噪比 從式 2 1 2 中可知 此時(shí)選擇合并器的加權(quán)系數(shù)中僅有一項(xiàng)是1 其余全部為零 其方框圖 2 6 如下所示 圖2 6 選擇合并方框圖 2 最大比合并方法是一種線性的合并方法 原理是將接受到的分集支路的 i l l 路輸入信號(hào)按照權(quán)重相加 為了保證迭加的是同相的信號(hào) 因此接收端需要采 用調(diào)相電路 如圖2 7 所示 輸出信號(hào)表達(dá)式為式 2 1 3 設(shè)接收信號(hào)的幅度 為4 相位為九 此時(shí)加權(quán)因此為 1 6 采用最大 但是它需要知 個(gè)支搿鬈 等增益厶并方法是一種蘭鬟 磊衰落麟棚敝時(shí) 鬻囂鬟囂茹赫讎艫當(dāng) 但是在 圖2 8 是 好牲 副限 性有刖上 圓捅 之以 比所 噪 觸息 路信 劉位 盞一 k 了藁 曠 刪鋤篡 厶口各 0 酋 無(wú)線協(xié)作通信中功率分配的研究 采用b p s k 調(diào)制方式對(duì)兩種分集合并方法的誤碼性能比較 由圖中可以看出 最 大比合并的性能要好于等增益合并的性能 并且最大比合并的性能雖著支路的增 加而增加 但是卻是用設(shè)備的復(fù)雜度為代價(jià)得到的 2 4 本章小結(jié) 本章介紹了在無(wú)線通信中的一些基礎(chǔ)知識(shí) 首先簡(jiǎn)述了無(wú)線通信中通信信道 的特性 然后對(duì)信道模型進(jìn)行了簡(jiǎn)單的描述 第二節(jié)介紹了幾種常見的分集技術(shù) 空間分集 時(shí)間分集和頻率分集 采用a l a m o u t i 發(fā)射分集的方法舉例 驗(yàn)證了 在傳輸信號(hào)的過(guò)程采用分集技術(shù)的性能比沒有采用分集技術(shù)要好 最后介紹在接 收端的幾種合并方式選擇性合并 等增益合并以及最大比合并 分析比較了幾種 方式的優(yōu)劣 協(xié)作通信系統(tǒng)中協(xié)作分集性能分析 第三章協(xié)作通信系統(tǒng)中協(xié)作分集性能分析 協(xié)作通信融合了中繼和分集技術(shù) 采用一個(gè)或多個(gè)中繼對(duì)接收到的信源信號(hào) 進(jìn)行處理并轉(zhuǎn)發(fā)給信宿 通過(guò)在終端將接收到的信號(hào)合并獲得分集增益 達(dá)到分 集的目的 協(xié)作通信中常見的協(xié)作技術(shù)一般有放大轉(zhuǎn)發(fā) a f 方式 譯碼轉(zhuǎn)發(fā) d f 方式以及編碼協(xié)作 c c 方式 本章主要討論放大轉(zhuǎn)發(fā)方式和譯碼轉(zhuǎn)發(fā) 方式下的協(xié)作通信系統(tǒng)的性能 3 1a f 協(xié)作分集方式下系統(tǒng)性能分析 本章討論在兩跳的中繼信道系統(tǒng)中 a f 協(xié)作分集方式性能的分析 a f 協(xié)作 分集技術(shù)采用的是中繼節(jié)點(diǎn)在接收到信源發(fā)送來(lái)的信息數(shù)據(jù) 將信息數(shù)據(jù)放大后 轉(zhuǎn)發(fā)給信宿 在放大轉(zhuǎn)發(fā)方式中中繼在轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程中不僅僅是放大了信息數(shù)據(jù) 同 時(shí)也放大了噪聲部分 但是由于在信宿接收到的是獨(dú)立統(tǒng)計(jì)的衰落信號(hào) 因此可 以解決這個(gè)問(wèn)題 3 1 1 信道模型 圖3 1 兩跳中繼網(wǎng)絡(luò)的信道模型 本章采用的是兩跳的中繼信道模型 如圖3 1 其中s 為信源 d 為信宿 1 9 無(wú)線協(xié)作通信中功率分配的研究 r l r 2 r 是n 個(gè)中繼節(jié)點(diǎn) 可以將中繼過(guò)程分為兩個(gè)階段 在第一個(gè)階段 信源s 分別向中繼節(jié)點(diǎn)r r r 和信宿d 發(fā)送信息數(shù)據(jù) 中繼節(jié)點(diǎn)此時(shí)會(huì)處 理接收到的信息數(shù)據(jù) 并準(zhǔn)備轉(zhuǎn)發(fā)給信宿 在第二個(gè)階段 中繼節(jié)點(diǎn)r r 2 r 將處理過(guò)的信息數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給信宿d 并在信宿d 通過(guò)分集合并的方法將第一階 段從信宿收到的信息數(shù)據(jù)和在第二階段從中繼節(jié)點(diǎn)處接收到的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行合 并 然后完成對(duì)信息的解碼 設(shè)信源發(fā)送的信息數(shù)據(jù)為x o 信宿接收到的信息數(shù)據(jù)為兒o 中繼節(jié)點(diǎn) 接收到的信息數(shù)據(jù)為聊 f 處理后的信息數(shù)據(jù)為r f 各個(gè)支路的路徑損耗以 及瑞利衰落對(duì)信息數(shù)據(jù)產(chǎn)生的衰落的衰落參數(shù)為圖中所示的辦 和h z n 為高 斯白噪聲 r l 為中繼節(jié)點(diǎn)數(shù) 我們有如下公式 y o t x h 0 z 0 3 1 m x f 曩一 知 i 1 2 n 3 2 3 1 2a f 協(xié)作分集支路性能分析 這里定義放大系數(shù)為g 那么在信宿端接收到到的由中繼處理轉(zhuǎn)發(fā)后的信 息數(shù)據(jù)為 只 f 廚 r z j 2 扛l 2 n 3 3 最后在信宿端將接收到的由信源直接發(fā)送得到的信息數(shù)據(jù)和中繼處理轉(zhuǎn)發(fā) 來(lái)的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行最大比合并 則合并后的信息數(shù)據(jù)可以表示為 兒 成 色以 小1 3 4 式中盧 j l 2 n 為最大比金并系數(shù) 只需將公式 3 2 3 3 代到公式 3 4 就可以得到兒 f 詳盡表達(dá)式 本章只考慮三節(jié)點(diǎn)的情況 就是只有一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn) 其中信源到信宿的直傳 支路的信噪比為 信源到中繼節(jié)點(diǎn)的信噪比為k 中繼節(jié)點(diǎn)到信宿的信噪比 協(xié)作通信系統(tǒng)中協(xié)作分集性能分析 為 耐 定義各個(gè)支路的加性噪聲相同 并且n o 為歸一化為1 的加性高斯白噪聲 磕碡 y 盟盟 盔 絲 等 矗碡吾 仔5 門2