協(xié)作分集技術(shù)的研究

1、協(xié)作分集技術(shù)的研究 research on cooperative diversity system 作者姓名： 專業(yè)名稱： 指導(dǎo)教師： 學(xué)位類別：在職攻讀工程碩士 答辯日期：2009 年 12 月 14 日 未經(jīng)本論文作者的書面授權(quán)，依法收存和保管本論文書 面版本、電子版本的任何單位和個(gè)人，均不得對(duì)本論文的全 部或部分內(nèi)容進(jìn)行任何形式的復(fù)制、修改、發(fā)行、出租、改 編等有礙作者著作權(quán)的商業(yè)性使用（但純學(xué)術(shù)性使用不在此 限） 。否則，應(yīng)承擔(dān)侵權(quán)的法律責(zé)任。 碩士學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交學(xué)位論文，是本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下， 獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，

2、本 論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對(duì)本 文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。 本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 學(xué)位論文作者簽名： 日期： 年 月 日 內(nèi)內(nèi) 容容 提提 要要 隨著現(xiàn)代社會(huì)對(duì)無線通信的需求增加，人們對(duì)通信質(zhì)量要求越來越高，在無線 通信中信號(hào)傳輸?shù)亩鄰剿ヂ湫?yīng)是影響傳輸速率和服務(wù)質(zhì)量的重要瓶頸；因此在無 線信道中，為了克服多徑衰落對(duì)無線通信速率和通信質(zhì)量的限制影響，經(jīng)過研究表 明分集技術(shù)是行之有效的方法，是對(duì)抗衰落的有效措施；然而，在實(shí)際中，移動(dòng)終 端對(duì)體積、質(zhì)量和功耗的要求非?？量蹋噪y于實(shí)現(xiàn)多天線技術(shù)。于是，一種新

3、 的分集技術(shù)協(xié)作分集技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生；鑒于其不需要犧牲時(shí)間和帶寬就能獲得性 能增益，使得協(xié)作分集技術(shù)受到特別的關(guān)注。 本文首先在深刻理解無線信道特性的基礎(chǔ)上研究了各種分集合并技術(shù)，研究了 協(xié)作分集原理和系統(tǒng)模型，其主要思想是：移動(dòng)終端之間分享使用彼此的天線，構(gòu) 成的虛擬天線陣列來實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)多輸入多輸出技術(shù)相同的效果，并指出當(dāng)前存在的 相關(guān)問題。結(jié)合協(xié)作分集中的兩個(gè)信號(hào)處理技術(shù)放大中繼和解碼中繼，主要對(duì) 解碼中繼方案和無協(xié)作狀態(tài)方案進(jìn)行了 matlab 仿真；仿真結(jié)果表明在相同信噪比時(shí) 解碼中繼方案比無協(xié)作狀態(tài)方案的誤碼率低 3 個(gè)數(shù)量級(jí)左右，而誤碼率隨著信噪比 的增大也明顯降低， 使協(xié)作分集的優(yōu)越

4、性能得以充分體現(xiàn)。最后針對(duì)實(shí)例分析- 協(xié)作分集在蜂窩網(wǎng)切換中的應(yīng)用，在該方案中，可大大提高系統(tǒng)因資源重新分配而 產(chǎn)生的切換效率，節(jié)省切換所需的時(shí)頻資源，克服了硬切換過程中系統(tǒng)資源利用率 高但是掉話率高以及軟切換過程中掉話率低但系統(tǒng)資源利用率低的缺點(diǎn)。在一定程 度上解決了系統(tǒng)資源和性能指標(biāo)之間的矛盾。 因此，本論文基于協(xié)作分集技術(shù)，并且以協(xié)作分集技術(shù)作為研究對(duì)象，對(duì)基于 協(xié)作分集的編碼調(diào)制技術(shù)及其系統(tǒng)仿真作以重點(diǎn)研究。同時(shí)，在具體應(yīng)用層面針對(duì) 協(xié)作分集在蜂窩網(wǎng)切換中的應(yīng)用展開系統(tǒng)、深入的探究。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞： 無線信道，協(xié)作分集，編碼協(xié)作，蜂窩切換 目 錄 第 1 章 緒 論 .1 1.1 無線

5、通信的發(fā)展和研究背景 .1 1.2 多天線無線通信系統(tǒng)的提出與發(fā)展 .2 1.3 協(xié)作分集技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和前景 .3 1.4 論文主要工作 .5 1.5 論文結(jié)構(gòu) .5 1.6 小結(jié) .5 第 2 章 移動(dòng)通信無線信道及特性參數(shù) .6 2.1 多徑衰落的產(chǎn)生 .7 2.2 描述多徑信道的主要參數(shù) .7 2.2.1 時(shí)延擴(kuò)展 .7 2.2.2 相關(guān)帶寬 .7 2.2.3 多普勒頻移 .8 2.2.4 相關(guān)時(shí)間 .8 2.3 多徑衰落的分類 .9 2.3.1 平坦衰落和頻率選擇性衰落 .9 2.3.2 快衰落和慢衰落 .10 2.4 小結(jié) .10 第 3 章 分集及協(xié)作分集技術(shù) .11 3.1

6、 分集技術(shù)的原理及分類 .11 3.1.1 空間分集 .11 3.1.2 頻率分集 .12 3.1.3 時(shí)間分集 .13 3.1.4 極化分集和角度分集 .13 3.2 合并技術(shù) .14 3.2.1 選擇式合并 .14 3.2.2 等增益合并 .15 3.2.3 最大比值合并 .16 3.3 協(xié)作分集技術(shù) .16 3.3.1 協(xié)作分集的概念 .16 3.3.2 協(xié)作分集的系統(tǒng)模型 .18 3.4 協(xié)作分集存在的問題 .18 3.5 小結(jié) .19 第 4 章 基于協(xié)作分集的編碼調(diào)制技術(shù) .20 4.1 實(shí)現(xiàn)協(xié)作的信號(hào)處理方法 .20 4.1.1 放大-中繼法（amplify and forwar

7、d） .20 4.1.2 解碼-中繼法（decode and forward） .20 4.2 協(xié)作系統(tǒng)中關(guān)鍵編碼調(diào)制技術(shù) .22 4.2.1 卷積碼概要 .22 4.2.2 維特比譯碼子模塊 .26 4.2.3 循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（crc）子模塊 .29 4.2.4 調(diào)制子模塊 .30 4.3 小結(jié) .31 第 5 章 協(xié)作分集仿真實(shí)現(xiàn)及性能分析 .32 5.1 協(xié)作分集仿真模型 .32 5.2 仿真結(jié)果的性能分析 .33 5.3 小結(jié) .36 第 6 章 協(xié)作分集在蜂窩網(wǎng)切換中的應(yīng)用 .37 6.1 傳統(tǒng)越區(qū)切換技術(shù)概述 .37 6.1.1 硬切換 .38 6.1.2 軟切換和更軟切換 .38

8、 6.1.3 接力切換 .38 6.2 基于協(xié)作分集的切換方案描述 .39 6.3 實(shí)例分析 .40 6.4 小結(jié) .43 第 7 章 總結(jié)和展望 .44 7.1 全文總結(jié) .44 7.2 未來展望 .44 參考文獻(xiàn) .45 摘 要 .49 abstract .50 致 謝 導(dǎo)師與作者簡(jiǎn)介 第第 1 1 章章 緒緒 論論 1.11.1 無線通信的發(fā)展和研究背景無線通信的發(fā)展和研究背景 由于移動(dòng)通信具有靈活和便捷的特點(diǎn)所以符合當(dāng)代社會(huì)對(duì)通信技術(shù)的要求， 自從 20 世紀(jì) 80 年代中期以來成為最迅速的通信方式。現(xiàn)代移動(dòng)通信技術(shù)從 模擬調(diào)制方式到數(shù)字調(diào)制方式經(jīng)歷了三個(gè)時(shí)期：第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)(1g

9、)以 模擬式蜂窩網(wǎng)為代表，主要的模擬調(diào)制方式為頻分多址，以實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)內(nèi)用戶 的動(dòng)態(tài)尋址功能，并以蜂窩式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和頻率規(guī)劃實(shí)現(xiàn)載頻復(fù)用，滿足擴(kuò)大 覆蓋服務(wù)范圍和滿足用戶數(shù)量增長的需求。在信道動(dòng)態(tài)特性匹配上，適當(dāng)采 用了性能較好的模擬調(diào)頻方式，并利用基站二重空間分集方式抵抗空間選擇 性衰落。第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)(2g)以數(shù)字化蜂窩網(wǎng)為主要特征，采用時(shí)分 多址、碼分多址數(shù)字調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)內(nèi)用戶的動(dòng)態(tài)尋址功能，以數(shù)字式蜂 窩網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和頻率規(guī)劃實(shí)現(xiàn)載頻復(fù)用，并采用獨(dú)立信道傳送信令，從而提高 了系統(tǒng)容量，使系統(tǒng)性能大為改善。第二代移動(dòng)通信技術(shù)采用了抗干擾性能 優(yōu)良的數(shù)字式調(diào)制；采用性能優(yōu)良的抗干擾糾錯(cuò)編碼：

10、卷積碼、級(jí)聯(lián)碼；采 用功率控制技術(shù)抵抗慢衰落和遠(yuǎn)近效應(yīng)；采用自適應(yīng)均衡和rake 接收 抗頻率選擇性衰落與多徑干擾；采用信道交織編碼，如采用幀間交織方式和 塊交織方式抵抗時(shí)間選擇性衰落；采用空間或極化分集方式抵抗空間選擇性 衰落。雖然第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)相對(duì)于第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)已經(jīng)有了很大的 改進(jìn)，但是第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)通常只提供低速語音業(yè)務(wù)。但社會(huì)信息化進(jìn) 程越來越快，僅僅通話已不能滿足人們對(duì)信息交流的需要，除話音外，數(shù)據(jù)、 圖形、圖像等各種信息都希望能隨時(shí)獲取和彼此相通，多媒體服務(wù)就變得越 來越有必要。由此第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)(3g)應(yīng)運(yùn)而生。第三代無線通信系 統(tǒng)以多媒體業(yè)務(wù)為主要特征，支持速

11、率l00mb/s 的多媒體寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)， 在系統(tǒng)適配信道與用戶二重動(dòng)態(tài)特性的基礎(chǔ)上又引入了業(yè)務(wù)的動(dòng)態(tài)性。它繼 續(xù)采用第二代中所采用的行之有效的措施，對(duì)cdma 擴(kuò)頻方式中由于擴(kuò)頻 碼性能的不理想帶來的多址干擾、遠(yuǎn)近效應(yīng)等采用了多用戶檢測(cè)、智能天線、 發(fā)端分集、空時(shí)編碼等；針對(duì)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)要求誤碼率低且實(shí)時(shí)性要求不高的特 點(diǎn)，對(duì)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)采用了性能更優(yōu)良的turbo 碼。第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)及其 下一代移動(dòng)通信 (b3g)系統(tǒng)由于數(shù)據(jù)傳輸速率高，對(duì)分集技術(shù)等抗干擾手段 提出了更高的要求。 1.21.2 多天線無線通信系統(tǒng)的提出與發(fā)展多天線無線通信系統(tǒng)的提出與發(fā)展 在移動(dòng)通信系統(tǒng)的環(huán)境下，無線信道中電波的

12、傳播不是單一路徑，在接收 端除了直射波外，還有各種反射波，繞射波和二次反射波等，由于電波通過 各個(gè)路徑的距離不同，因而各個(gè)路徑來的反射波到達(dá)時(shí)間不同，也就是各信 號(hào)的時(shí)延不同。它們?cè)诮邮斩撕铣珊螅蜁?huì)引起信號(hào)的劇烈變化，從而嚴(yán)重 影響信號(hào)的傳輸質(zhì)量，即多徑衰落。鑒于無線信道中可靠的通信取決于鏈路 上的信號(hào)強(qiáng)度，由于多徑衰落特性的小尺度效應(yīng)，以及諸如由于距離衰減引 起的路徑損耗和障礙物引起的陰影等大尺度效應(yīng)使得信道處于深度衰落時(shí)通 信中可能出現(xiàn)差錯(cuò)或是中斷。因此，如何有效處理衰落的影響對(duì)無線通信系 統(tǒng)的設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的。多徑衰落是影響無線通信質(zhì)量的一個(gè)主要因素，因 此人們提出許多方法來抵抗多徑衰

13、落對(duì)無線通信的影響，如分集、自適應(yīng)均 衡、擴(kuò)頻通信、交織以及糾錯(cuò)編碼技術(shù)等，其中分集技術(shù)是對(duì)抗多徑衰落的 一項(xiàng)行之有效的技術(shù)。目前，解決這一問題有效的方法之一就是利用分集技 術(shù)。 分集技術(shù)可以通過在發(fā)射端發(fā)射多個(gè)信號(hào)，在接收端合并多個(gè)經(jīng)歷獨(dú)立衰 落的信號(hào)的方法來對(duì)抗無線信道的衰落。常見的分集方式主要有時(shí)間分集、 頻率分集和空間分集。時(shí)間分集通過采用時(shí)間交織和信道編碼，在時(shí)間域內(nèi) 提供信號(hào)的副本；頻率分集通過在不同的載波頻率上發(fā)送符號(hào)，在頻率域內(nèi) 提供信號(hào)副本；空間分集則是通過利用多個(gè)天線來實(shí)現(xiàn)的。時(shí)間分集要求發(fā) 送冗余信號(hào)的若干時(shí)隙之間相互獨(dú)立，頻率分集要求幾個(gè)載波頻率之間相互 獨(dú)立，空間分集

14、要求多個(gè)天線之間的距離足夠大(大于若干個(gè)波長 )。空間 分集是在不犧牲信號(hào)頻率帶寬和保證數(shù)據(jù)傳輸速率的同時(shí)獲得分集增益，而 且可以結(jié)合其他各種分集方法，因而得到了廣泛的應(yīng)用。在一定程度上，正 是空間分集展現(xiàn)出的良好特性促使了協(xié)作分集思想的提出。實(shí)質(zhì)上協(xié)作分集 技術(shù)是一種全新的分布式空間分集技術(shù)。而空間分集技術(shù)由于無需占用額外 的時(shí)間和帶寬資源就能獲得很好的抗衰落性能而受到廣泛關(guān)注。多輸入多輸 出(mimo)系統(tǒng)是一種典型的利用空間分集技術(shù)的多天線無線通信系統(tǒng)，它 可以提高系統(tǒng)的信道容量。1994 年 pauiraj 和 kallath 提出在發(fā)送端和接收 端同時(shí)使用多天線可增加無線信道的容量。

15、1996 年， roy 和 ottersten 提 出在基站使用多根天線可在同一信道上支持多個(gè)用戶使用。1995 年 telater 和 1998 年 foschinil 對(duì)高斯信道下多輸入天線、多輸出天線信道容量 的研究表明，多天線mimo 技術(shù)可大大提高容量。 1.31.3 協(xié)作分集技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和前景協(xié)作分集技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和前景 mimo 技術(shù)是無線通信領(lǐng)域的重大突破，它能夠極大地提高通信系統(tǒng)的 容量和頻譜利用率。但在實(shí)際的蜂窩通信系統(tǒng)中，由于移動(dòng)終端體積、功耗 以及硬件復(fù)雜度等的限制，不能在移動(dòng)終端上安裝多天線，這就極大的限制 了 mimo 技術(shù)在無線移動(dòng)終端中的應(yīng)用。為了解決

16、這一問題，誕生了一種全 新的分集技術(shù) 協(xié)作分集（ cooperative diversity） ，使單天線的移動(dòng)終 端也可以實(shí)現(xiàn)空域分集。它的基本思想是系統(tǒng)中的每個(gè)終端可以擁有自己的 一個(gè)或多個(gè)合作伙伴，合作伙伴有責(zé)任幫助其伙伴傳輸信息。這樣，每個(gè)源 節(jié)點(diǎn)在傳輸信息的過程中既利用了自己的又利用了合作伙伴的空間信道，從 而獲得了一定的空間分集增益。由于協(xié)作分集中的合作伙伴共享彼此的天線， 從而構(gòu)成了虛擬的mimo 系統(tǒng)。從這個(gè)意義上講，協(xié)作分集為mimo 多 天線技術(shù)的實(shí)用化提供了一條新的途徑。 協(xié)作分集的概念最初源于van der muelen 對(duì)中繼信道模型 (包括源、中 繼和目的端三個(gè)節(jié)點(diǎn)

17、 )的理論研究， cover 與 gamal 對(duì)非衰落條件下的中繼 信道進(jìn)行了分析，給出了這類信道容量的上界和下界；為了適合實(shí)際的應(yīng)用， 源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)在正交信道(tdma、fdma、cdma)傳輸條件下，不 同協(xié)作方案的容量和中斷概率性能相繼被研究。此外，還出現(xiàn)了多址接入信 道中協(xié)作度可變的協(xié)作方案、多址接入信道中移動(dòng)端和基站共享一個(gè)中繼方 案等。基于以上中繼性能的研究，sendonaris 等人最先提出了協(xié)作分集的 概念，首先從信息論的角度出發(fā)，分析并給出了這個(gè)系統(tǒng)的容量限，然后討 論了協(xié)作對(duì)中斷概率的影響，最后針對(duì)cdma 接入方式提出了檢測(cè)轉(zhuǎn)發(fā) （detect and forward

18、, df）的協(xié)作策略。 幾乎同一時(shí)間， j.n.laneman 針對(duì)兩個(gè)用戶進(jìn)行協(xié)作的情況，提出放大 轉(zhuǎn)發(fā)（ amply and forward, af）協(xié)議來實(shí)現(xiàn)中繼；文獻(xiàn)中提出了三種不同的 協(xié)作分集協(xié)議：固定中繼，選擇中繼和增量中繼；隨后將協(xié)作方案擴(kuò)展到準(zhǔn) 靜態(tài)瑞利信道下，對(duì)協(xié)作系統(tǒng)的中斷概率進(jìn)行分析，結(jié)果表明兩用戶協(xié)作時(shí) 獲得的分集度為2。更進(jìn)一步地，為了在協(xié)作分集的情況下提高系統(tǒng)吞吐率， hunters 提出了基于編碼協(xié)作的新概念。它是用戶協(xié)作與信道編碼的結(jié)合，不 同于以前的重發(fā)（ af、df） ，協(xié)作端對(duì)源端發(fā)送信息譯碼后按照一定的協(xié)議 轉(zhuǎn)發(fā)額外的校驗(yàn)信息，而且為了避免錯(cuò)誤轉(zhuǎn)發(fā)，還引

19、入了crc 校驗(yàn)。之 后，學(xué)者們對(duì)協(xié)作分集技術(shù)展開了全方位、多層次的研究，并涌現(xiàn)出大量的 研究成果。根據(jù)協(xié)作用戶數(shù)目的多少可以將這些協(xié)作方案分為：兩用戶協(xié)作 方案和多用戶協(xié)作方案，其中兩用戶協(xié)作是協(xié)作通信技術(shù)的基礎(chǔ)；根據(jù)中繼 對(duì)源節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的不同處理方式可以分為：放大轉(zhuǎn)發(fā)(amplify-and-forward, af)、譯碼轉(zhuǎn)發(fā) (decode-and-forward, df)和編碼協(xié)作 (coded cooperation, cc)三類，其中 af 中繼按照功率限制對(duì)接收信號(hào)放大后直接轉(zhuǎn)發(fā)出去，而 df 則是先進(jìn)行解調(diào)和譯碼，然后進(jìn)行編碼和調(diào)制，重構(gòu)源信號(hào)后再進(jìn)行中繼 發(fā)送，與 af、df

20、方案的重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)不同， cc 方案轉(zhuǎn)發(fā)的是源信息的冗余而 不是重復(fù)，從編碼的角度看效率更高，這令cc 方案能夠獲得額外的編碼 增益；根據(jù)中繼是否具有信道自適應(yīng)性可以將這些協(xié)作方案分為：固定型中 繼、選擇型中繼和增強(qiáng)型中繼三種中繼協(xié)議，其中固定型中繼在任何情況下 都進(jìn)行中繼，而選擇型中繼只有滿足一定條件（如中繼譯碼正確、用戶間信 道信噪比達(dá)到某一門限）時(shí)才進(jìn)行中繼，而增強(qiáng)型中繼只在直傳出錯(cuò)時(shí)才考 慮中繼。另外還有采用空時(shí)編碼的協(xié)作方案，其本質(zhì)上屬于cc 方案，因 為其同樣是信道編碼技術(shù)與協(xié)作技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。本論文主要研究基于譯碼 轉(zhuǎn)發(fā) (df)的固定型和選擇型中繼兩用戶協(xié)作系統(tǒng)。協(xié)作通信作為一種新

21、興技 術(shù)，近幾年在國內(nèi)外學(xué)術(shù)界受到廣泛關(guān)注，并已取得諸多研究成果。但任何 一種新技術(shù)的出現(xiàn)，必然會(huì)帶來一些新的問題，協(xié)作通信技術(shù)仍存在不少問 題需要進(jìn)一步的探討和改進(jìn)。目前，協(xié)作通信的研究主要集中如下幾個(gè)方面： 第一，協(xié)作的構(gòu)架問題：在蜂窩通信系統(tǒng)中由于基站的存在，有可能對(duì)該 小區(qū)內(nèi)的移動(dòng)終端進(jìn)行統(tǒng)一管理，有利于用戶協(xié)作；但對(duì)于自組網(wǎng)或傳感器 網(wǎng)，并沒有一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理，需要一個(gè)分布式協(xié)作協(xié)議，使終端能夠 自己決定怎樣協(xié)作或跟誰協(xié)作； 第二，協(xié)作系統(tǒng)在頻率選擇性衰落信道下以及平坦快衰落信道下的應(yīng)用問 題：目前現(xiàn)有的研究工作大多都是假設(shè)信道是平衰落的，但是在實(shí)際的移動(dòng) 通信系統(tǒng)中，信道往往是

22、頻率選擇性衰落的，那么如何在惡劣信道環(huán)境下利 用現(xiàn)有的研究成果，也是一個(gè)亟待解決的問題，即協(xié)作分集與高效信道編碼 調(diào)制 /解調(diào)傳輸技術(shù)的結(jié)合； 第三，協(xié)作的接入問題：主要存在于多個(gè)用戶間協(xié)作的模式，關(guān)鍵在于采 用一種什么樣的接入策略，以盡可能公平地對(duì)待所有移動(dòng)終端，并盡量減少 通信系統(tǒng)由于協(xié)作所帶來的成本開銷，以及如何更靈活地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的多址接 入?yún)f(xié)議； 第四，協(xié)作過程的自適應(yīng)問題：在一個(gè)多用戶環(huán)境中應(yīng)該怎樣劃分各個(gè)終 端的協(xié)作伙伴，并且既然是移動(dòng)終端，當(dāng)其相對(duì)位置改變時(shí)該如何處理，應(yīng) 該隔多久時(shí)間需重新劃分一次合作伙伴，這方面問題同信道檢測(cè)與識(shí)別以及 mac 層管理等緊密聯(lián)系；此外，現(xiàn)有研究均

23、認(rèn)為各個(gè)移動(dòng)終端有著相等的發(fā)射 功率，但如果在協(xié)作過程中，使終端根據(jù)上行信道或協(xié)作伙伴的信道狀態(tài)自 適應(yīng)地調(diào)整發(fā)送功率，可進(jìn)一步提升協(xié)作效率。 目前，在國外越來越多的通信研究者已經(jīng)意識(shí)到協(xié)作分集的巨大潛力，紛 紛開始針對(duì)協(xié)作分集各項(xiàng)技術(shù)的研究。 1.41.4 論文主要工作論文主要工作 本文首先對(duì)移動(dòng)通信中廣泛使用的分集技術(shù)進(jìn)行了介紹，同時(shí)對(duì)協(xié)作分集 所用到的空間分集技術(shù)作了詳細(xì)的介紹。進(jìn)而將采用分集技術(shù)與不采用分集 技術(shù)系統(tǒng)的性能作了對(duì)比。 其次本文討論了協(xié)作分集所取得的進(jìn)展和性能改善，并具體研究了放大中 繼，解碼中繼這兩種協(xié)作方案的協(xié)作方式和性能。其中重點(diǎn)研究了解碼中繼 的協(xié)作方式和性能。通

24、過仿真對(duì)其與沒有協(xié)作分集的方案進(jìn)行性能比較。 1.51.5 論文結(jié)構(gòu)論文結(jié)構(gòu) 本論文的結(jié)構(gòu)安排如下 : 第一章：簡(jiǎn)要介紹目前移動(dòng)通信和協(xié)作分集的發(fā)展和研究現(xiàn)狀，并概括論 文的主要工作。 第二章：介紹移動(dòng)通信無線信道的特性和參數(shù)，具體介紹多徑衰落對(duì)無線 通信的影響，并對(duì)多徑衰落進(jìn)行分類。 第三章：介紹能夠抵抗多徑衰落的分集技術(shù)，并重點(diǎn)介紹了空間分集技術(shù) 和分集合并技術(shù)。 第四章：研究現(xiàn)有的協(xié)作分集技術(shù)：放大中繼和解碼中繼；并介紹協(xié)作分 集中用到的編碼調(diào)制技術(shù)，包括crc 編解碼，卷積碼編解碼和8psk 調(diào) 制解調(diào)技術(shù)。并闡述協(xié)作分集的優(yōu)點(diǎn)及現(xiàn)存在的問題。 第五章：對(duì)采用解碼中繼協(xié)作分集和無協(xié)作分

25、集兩種通信狀態(tài)，進(jìn)行 matlab 仿真，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行比較。 第六章：針對(duì)于結(jié)合網(wǎng)絡(luò)編碼的協(xié)作分集在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中扇形區(qū)域中切換技 術(shù)中的應(yīng)用，并且將其性能和傳統(tǒng)的切換技術(shù)進(jìn)行了比較。 最后對(duì)全文所得出的結(jié)論進(jìn)行歸納，總結(jié)全文，并提出了未來的研究方向。 1.61.6 小結(jié)小結(jié) 本章主要介紹了無線通信、多輸入多輸出系統(tǒng)和協(xié)作分集技術(shù)的國內(nèi)外發(fā) 展?fàn)顩r，并且結(jié)合課題研究背景和意義，最后總結(jié)出本論文的主要工作并列 舉出全文的組織結(jié)構(gòu)。 第第 2 2 章章 移動(dòng)通信無線信道及特性參數(shù)移動(dòng)通信無線信道及特性參數(shù) 無線通信工程師的任務(wù)就是克服惡劣的無線信道環(huán)境，設(shè)計(jì)出滿足一定性 能要求的通信系統(tǒng)，因此對(duì)無線信

26、道的理解尤為重要。無線信道對(duì)信號(hào)傳輸 的影響主要有傳輸衰減、多徑傳播引起的頻率選擇性衰落、時(shí)變性引起的選 擇性衰落以及角度擴(kuò)展引起的頻率選擇性衰落。 大尺度衰落：無線信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)乃p使接收信號(hào)的功率減小，它由傳 輸路徑的長度、直達(dá)信號(hào)路徑中的障礙情況決定。無線通信中的傳輸衰減主 要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面： (1)路徑損耗：它反應(yīng)出在宏觀范圍（千米量級(jí)）的空間距離上傳播的接 收信號(hào)電平均值的變化趨勢(shì)。接收信號(hào)電平平均值與信號(hào)傳播距離的n 次方成反比，稱為路徑損耗指數(shù)，其大小由具體的傳輸環(huán)境決定。 (2)陰影衰落：電磁波在空間傳播時(shí)受到地形起伏、高大建筑物的阻擋， 在這些障礙物后面會(huì)產(chǎn)生電磁波的陰

27、影，造成場(chǎng)強(qiáng)中值的變化，從而引起信 號(hào)的衰減，稱為陰影衰落。陰影衰落是以較大的空間尺度來衡量的，其統(tǒng)計(jì) 特性通常符合對(duì)數(shù)正態(tài)分布。路徑衰落和陰影衰落合并在一起反映了無線信 道在大尺度上對(duì)傳輸信號(hào)的影響，稱為大尺度衰落。 小尺度衰落：當(dāng)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的距離在較小的尺度上（數(shù)個(gè)波長） 變化時(shí)，接收信號(hào)的功率會(huì)發(fā)生急劇的變化，稱之為小尺度衰落。常見的選 擇性衰落有頻率選擇性衰落、時(shí)間選擇性衰落和空間選擇性衰落。 (1)頻率選擇性衰落主要由多徑傳播引起。信號(hào)的多徑傳播導(dǎo)致時(shí)延擴(kuò)展， 其結(jié)果會(huì)發(fā)生符號(hào)間干擾（isi） ，體現(xiàn)在頻域中就是頻率選擇性衰落，即信 號(hào)在不同的頻率上遭受的衰落是不同的。相干帶

28、寬描述了無線信道的時(shí)間色 散特性。 (2)時(shí)間選擇性衰落是由于發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)或信道中其他物體 的運(yùn)動(dòng)所引起的。信道的時(shí)變性導(dǎo)致的時(shí)間選擇性衰落表現(xiàn)為信號(hào)的頻譜被 展寬。相干時(shí)間在時(shí)域上，描述信道的頻率色散的時(shí)變特性。如果在一段時(shí) 間 t 內(nèi)，信道包絡(luò)近似不變， t 為相干時(shí)間。如果載波包絡(luò)以快于傳輸符號(hào) 率的速度波動(dòng)，信道被稱為快衰落信道；如載波包絡(luò)以慢于傳輸符號(hào)率的速 度波動(dòng)，信道被稱為慢衰落信道。 (3)空間選擇性衰落是由于信號(hào)本身散射體影響下呈現(xiàn)角度上的擴(kuò)展所引 起的。如果在一段距離dc 內(nèi)，信道包絡(luò)近似不變， dc 稱為相干距離。如 果接收機(jī)移動(dòng)的距離大于相干距離，信道經(jīng)歷小

29、尺度衰落。與小尺度衰落相 應(yīng)的是大尺度衰落，大尺度衰落反映了路徑損耗和載波頻率對(duì)信號(hào)衰落的影 響。 2.12.1 多徑衰落的產(chǎn)生多徑衰落的產(chǎn)生 移動(dòng)無線信道的主要特征是多徑傳播。多徑傳播是由于受無線傳播環(huán)境的 影響，在電波的傳播路徑上產(chǎn)生了反射、繞射和散射，這樣當(dāng)電波傳輸?shù)浇?收端的天線時(shí)，信號(hào)不是單一路徑來的，而是許多路徑來的多個(gè)信號(hào)的疊加。 因?yàn)殡姴ㄍㄟ^各個(gè)路徑的距離不同，所以各個(gè)路徑電波到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間不 同，相位也就不同。不同相位的多個(gè)信號(hào)在接收端疊加，有時(shí)是同相疊加而 加強(qiáng)，有時(shí)是反相疊加而減弱。這樣接收信號(hào)的幅度將急劇變化，即產(chǎn)生了 多徑衰落。 2.22.2 描述多徑信道的主要參數(shù)

30、描述多徑信道的主要參數(shù) 2.2.12.2.1 時(shí)延擴(kuò)展時(shí)延擴(kuò)展 在多徑傳播條件下，接收信號(hào)會(huì)產(chǎn)生時(shí)延擴(kuò)展。當(dāng)發(fā)送端發(fā)送一個(gè)脈沖信 號(hào)時(shí)，由于信號(hào)的傳播路徑不同，所以到達(dá)接收端的時(shí)間也就不同，因此接 收信號(hào)不僅包含該脈沖，還將包括此脈沖的各個(gè)延時(shí)信號(hào)，這種由于多徑效 應(yīng)引起的接收信號(hào)中脈沖的寬度擴(kuò)展現(xiàn)象稱為時(shí)延擴(kuò)展。擴(kuò)展的時(shí)間可以通 過第一個(gè)到最后一個(gè)多徑信號(hào)之間的時(shí)間來衡量，一般用d 來表示。 2.2.22.2.2 相關(guān)帶寬相關(guān)帶寬 時(shí)延擴(kuò)展是由多徑傳播所引起的現(xiàn)象，而相關(guān)帶寬是從時(shí)延擴(kuò)展得出的一 個(gè)確定關(guān)系值。兩個(gè)頻率相隔很近的衰落信號(hào)，當(dāng)時(shí)延擴(kuò)展達(dá)到某一數(shù)值時(shí)， 就有可能變得相關(guān)。對(duì)于某一

31、時(shí)延擴(kuò)展達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，兩衰落信號(hào)是否相 關(guān)取決于兩者的頻率間隔。兩衰落信號(hào)相關(guān)時(shí)的頻率間隔稱為相關(guān)頻率，它 是對(duì)信道傳輸信號(hào)帶寬能力的度量。如輸入信號(hào)的帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于信道相關(guān)帶 寬，則輸出信號(hào)頻譜中，譜分量幅度與相位關(guān)系是確定的;反之，如輸入 信號(hào)的帶寬大于信道相關(guān)帶寬，則會(huì)引起輸出信號(hào)的失真，對(duì)于數(shù)字通信將 會(huì)引起誤碼。 相關(guān)帶寬可以用公式定義如下： (2-1) t c b 2 1 其中為相關(guān)帶寬，為多徑時(shí)延擴(kuò)展。 c b t 式 2-1 表明，時(shí)延擴(kuò)展越大，相關(guān)帶寬越窄，信道容許傳輸?shù)牟皇д骖l 帶就越窄。反之，時(shí)延擴(kuò)展越小，相關(guān)帶寬越寬，信道容許傳輸?shù)牟皇д骖l 帶就越寬。 2.2.32.2

32、.3 多普勒頻移多普勒頻移 當(dāng)移動(dòng)臺(tái)在運(yùn)動(dòng)中通信時(shí)，接收信號(hào)頻率會(huì)發(fā)生變化，稱為多普勒效應(yīng)， 波動(dòng)過程都具有的特性。多普勒效應(yīng)引起的附加多普勒頻移稱為多普勒頻移， 如圖 2-1 所示。 v 運(yùn)動(dòng)方向 入射電波 圖 2-1 多普勒效應(yīng) 此時(shí)多普勒頻移可以表示為： （2-2） cos v fd （2-3） v fm 其中，表示移動(dòng)速度，表示波長，表示入射波與移動(dòng)臺(tái)移動(dòng)方向v 之間的夾角，為最大多普勒頻移。 m f 由式 2-2 可以看出，多普勒頻移與移動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)的方向、速度以及無線電 波入射方向有關(guān)。若移動(dòng)臺(tái)朝向入射波方向運(yùn)動(dòng)，則多普勒頻移為正(接 收信號(hào)頻率上升 )；反之，若移動(dòng)臺(tái)背向入射波方向運(yùn)

33、動(dòng)，則多普勒頻移為 負(fù)(接收信號(hào)頻率下降 )。信號(hào)經(jīng)過不同方向傳播，其多徑分量造成接收機(jī)信 號(hào)的多普勒擴(kuò)散，因而增加了信號(hào)帶寬。 2.2.42.2.4 相關(guān)時(shí)間相關(guān)時(shí)間 相關(guān)時(shí)間是指一段時(shí)間間隔，在此間隔內(nèi)，兩個(gè)到達(dá)信號(hào)具有很強(qiáng)的相關(guān) 性，換句話說在相關(guān)時(shí)間內(nèi)信道特性沒有明顯的變化。因此相關(guān)時(shí)間表征了 時(shí)變信道對(duì)信號(hào)的衰落節(jié)拍，這種衰落是由多普勒效應(yīng)引起的，并且發(fā)生在 傳輸波形的特定時(shí)間段上，即信道在時(shí)域具有選擇性。一般稱這種由于多普 勒效應(yīng)引起的在時(shí)域產(chǎn)生的選擇性衰落為時(shí)間選擇性衰落。時(shí)間選擇性衰落 對(duì)數(shù)字信號(hào)誤碼有明顯影響，為了減少這種影響，要求基帶信號(hào)的碼元速率 遠(yuǎn)大于信道相關(guān)時(shí)間的倒數(shù)

34、。多普勒頻移的倒數(shù)就是信道相關(guān)時(shí)間的度量， 即： （2-4） md c ff t 11 其中，為相關(guān)時(shí)間，為多普勒擴(kuò)展，當(dāng)入射波與移動(dòng)臺(tái)移動(dòng)方向之 c t d f 間的夾角時(shí)上式成立。0 2.32.3 多徑衰落的分類多徑衰落的分類 2.3.12.3.1 平坦衰落和頻率選擇性衰落平坦衰落和頻率選擇性衰落 根據(jù)衰落與頻率的關(guān)系，將衰落分為兩種：平坦衰落和頻率選擇性衰落。 是否發(fā)生頻率選擇性衰落或非頻率選擇性衰落要由信道和信號(hào)兩方面來決定， 對(duì)于移動(dòng)信道來說，存在一個(gè)固有的相關(guān)帶寬，對(duì)于信號(hào)來說也有其信號(hào)帶 寬。如果信道帶寬大于發(fā)送信號(hào)的帶寬，且在帶寬范圍內(nèi)有恒定增益，且線 性相關(guān)，則接收信號(hào)就會(huì)經(jīng)

35、歷平坦衰落過程。在平坦衰落情況下，信道的多 徑結(jié)構(gòu)使發(fā)送信號(hào)的頻譜特性在接收機(jī)內(nèi)仍能保持不變，所以平坦衰落也稱 為頻率非選擇性衰落。產(chǎn)生平坦衰落的條件為： (2-5) cs bb (2-6) ts t 其中，為信號(hào)周期 (信號(hào)帶寬的倒數(shù) )，是信道的時(shí)延擴(kuò)展， s t s b t 為信道相關(guān)帶寬。 c b 如果信道具有恒定增益，且相關(guān)帶寬范圍小于發(fā)送信號(hào)帶寬，則此信道特 性會(huì)導(dǎo)致接收信號(hào)產(chǎn)生頻率選擇性衰落。在這種情況下，接收信號(hào)中包含經(jīng) 歷了衰減和時(shí)延的發(fā)送信號(hào)波形的多徑波，因而產(chǎn)生接收信號(hào)失真。產(chǎn)生頻 率選擇性衰落的條件是： (2-7) cs bb (2-8) ts t 對(duì)于數(shù)字移動(dòng)通信來說

36、，當(dāng)碼元速率較低信號(hào)帶寬小于信道相關(guān)帶寬時(shí)， 信號(hào)通過信道傳輸后各頻率分量的變化具有一致性，衰落為平坦衰落，信號(hào) 的波形不失真；反之，當(dāng)碼元速率較高信號(hào)帶寬大于信道相關(guān)帶寬時(shí)，信號(hào) 通過信道傳輸后各頻率分量的變化是不一致的，衰落為頻率選擇性衰落，引 起波形失真，造成碼間干擾。 2.3.22.3.2 快衰落和慢衰落快衰落和慢衰落 根據(jù)衰落與時(shí)間的關(guān)系，將衰落分為兩種：快衰落和慢衰落。對(duì)于是否發(fā) 生時(shí)間選擇性衰落，即快衰落和慢衰落，由信道和信號(hào)兩方面來決定，對(duì)于 移動(dòng)信道來說，存在一個(gè)固有的相關(guān)時(shí)間，對(duì)于信號(hào)來說也有其信號(hào)周期。 當(dāng)信道的相關(guān)時(shí)間小于發(fā)送信號(hào)的周期，且基帶信號(hào)的帶寬小于多普勒擴(kuò)展

37、時(shí)，信道沖激響應(yīng)在符號(hào)周期內(nèi)變化很快，從而導(dǎo)致信號(hào)失真，產(chǎn)生衰落， 此衰落為快衰落。所以信號(hào)經(jīng)歷快衰落的條件是： (2-9) cs tt (2-10) ds fb 其中，為信號(hào)周期 (信號(hào)帶寬風(fēng)的倒數(shù) )，是信道相關(guān)時(shí)間，為 s t c t d f 多普勒頻移。當(dāng)信道的相關(guān)時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于發(fā)送信號(hào)的周期，且基帶信號(hào)的帶 寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于多普勒擴(kuò)展時(shí)，信道沖激響應(yīng)變化比要傳送的信號(hào)碼元的周期低 很多，可以認(rèn)為該信道是慢衰落信道。所以信號(hào)經(jīng)歷慢衰落的條件是： (2-11) cs tt (2-12) ds fb 2.42.4 小結(jié)小結(jié) 本章主要闡述了多徑衰落和多普勒頻移對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懀?duì)多徑衰落 進(jìn)行了具

38、體分類。了解無線移動(dòng)通信信道特性是克服多徑衰落的基礎(chǔ)，必須 充分考慮這些特性，針對(duì)這些特性的影響找出合適的解決方案。 第第 3 3 章章 分集及協(xié)作分集技術(shù)分集及協(xié)作分集技術(shù) 3.13.1 分集技術(shù)的原理分集技術(shù)的原理及分類及分類 分集技術(shù)是無線通信系統(tǒng)中對(duì)抗多經(jīng)衰落、提高傳輸性能的一項(xiàng)基本技術(shù)。 由于存在多徑效應(yīng)與時(shí)變性，在無線衰落信道中傳輸?shù)男盘?hào)可能會(huì)受到嚴(yán)重 的衰減。這種衰減使得接收端不能正確地判斷發(fā)送信號(hào)，除非有其他的衰減 程度比較小的信號(hào)副本提供給接收機(jī)，這種方法就被稱為分集。其基本原理 是：將接收到的多個(gè)不相關(guān)的信號(hào)能量按一定規(guī)則合并起來，使得組合后得 到的有用信號(hào)能量最大化。對(duì)數(shù)

39、字系統(tǒng)而言，使接收端的誤碼率最小。 從分集的類型看，分集的方法有空間分集、頻率分集、時(shí)間分集、極化分 集和角度分集等多種。 3.1.13.1.1 空間分集空間分集 兩個(gè)接收信道時(shí)，它們受到的衰落影響是不相關(guān)的，且二者在同一時(shí)刻經(jīng) 受深衰落谷點(diǎn)影響的可能性也很小，因此這一設(shè)想引出了利用兩副接收天線 的方案，獨(dú)立地接收同一信號(hào)，再合并輸出，衰落的程度能被大大地減小， 這就是空間分集?？臻g分集是利用場(chǎng)強(qiáng)隨空間的隨機(jī)變化實(shí)現(xiàn)的，空間距離 越大，多徑傳播的差異就越大，所接收?qǐng)鰪?qiáng)的相關(guān)性就越小。這里所提相關(guān) 性是個(gè)統(tǒng)計(jì)術(shù)語，表明我們知道在移動(dòng)通信中，空間略有變動(dòng)就可能出現(xiàn)較 大的場(chǎng)強(qiáng)變化。當(dāng)使用信號(hào)間相似

40、的程度，因此必須確定必要的空間距離。 經(jīng)過測(cè)試和統(tǒng)計(jì)，建議為了獲得滿意的分集效果，移動(dòng)單元兩天線間距大于 0.6 個(gè)波長，并且最好選在的1/4 奇數(shù)倍附近。若減小天線間距，即使小到 1/4，也能起到相當(dāng)好的分集效果。 空間分集分為空間分集發(fā)送和空間分集接收兩個(gè)系統(tǒng)。其中空間分集接收 是在空間不同的垂直高度上設(shè)置幾副天線，同時(shí)接收一個(gè)發(fā)射天線的微波信 號(hào)，然后合成或選擇其中一個(gè)強(qiáng)信號(hào)，這種方式稱為空間分集接收；如下圖 所示。 分 集 合 并 圖 3-1 分集原理示意圖 空間分集接收是利用多副接收天線來實(shí)現(xiàn)的。在發(fā)射端采用一副天線發(fā)射， 而在接收端采用多副天線接收。接收端天線之間的距離人為工作波長

41、，以保 證接收天線輸出信號(hào)的衰落特性是相互獨(dú)立的，也就是說，當(dāng)某一副接收天 線的輸出信號(hào)很低時(shí)，其他接收天線的輸出則不一定在這同一時(shí)刻也出現(xiàn)幅 度低的現(xiàn)象，經(jīng)相應(yīng)的合并電路從中選出信號(hào)幅度較大、信噪比最佳的一路， 得到一個(gè)總的接收天線輸出信號(hào)。這樣就降低了信道衰落的影響，改善了傳 輸?shù)目煽啃浴？臻g分集接收的優(yōu)點(diǎn)是分集增益高，缺點(diǎn)是還需另外單獨(dú)的接 收天線。 3.1.23.1.2 頻率分集頻率分集 頻率分集是采用兩個(gè)或兩個(gè)以上具有一定頻率間隔的微波頻率同時(shí)發(fā)送和 接收同一信息，然后進(jìn)行合成或選擇，利用位于不同頻段的信號(hào)經(jīng)衰落信道 后在統(tǒng)計(jì)上的不相關(guān)特性，即不同頻段衰落統(tǒng)計(jì)特性上的差異，來實(shí)現(xiàn)抗衰

42、 落頻率選擇性的功能。實(shí)現(xiàn)時(shí)可以將待發(fā)送的信息分別調(diào)制在頻率不相關(guān)的 載波上發(fā)射，所謂頻率不相關(guān)的載波是指當(dāng)不同的載波之間的間隔大于頻率 相干區(qū)間，即載波頻率的間隔應(yīng)滿足 （3-1） m c bf 1 式中，為載波頻率間隔，典為相關(guān)帶寬，為最大多徑時(shí)延差。f c b m 在移動(dòng)通信中，當(dāng)工作頻率在頻段，典型的最大多徑時(shí)延差為5mhz900 ，此時(shí)有s khzbf m c 200 105 11 6 當(dāng)采用兩個(gè)微波頻率時(shí)，稱為二重頻率分集。同空間分集系統(tǒng)一樣，在頻 率分集系統(tǒng)中要求兩個(gè)分集接收信號(hào)相關(guān)性較小即頻率相關(guān)性較小，只有這 樣才不會(huì)使兩個(gè)微波頻率在給定的路由上同時(shí)發(fā)生深衰落，并獲得較好的頻

43、 率分集改善效果。在一定的范圍內(nèi)兩個(gè)微波頻率相差，即頻率間隔 越大，兩個(gè)不同頻率信號(hào)之間衰落的相關(guān)性越小。頻率分集與空12fff 間分集相比較，其優(yōu)點(diǎn)是在接收端可以減少接受天線及相應(yīng)設(shè)備的數(shù)量，缺 點(diǎn)是要占用更多的頻帶資源，所以一般又稱它為帶內(nèi)頻帶內(nèi)分集，并且在發(fā) 送端可能需要采用多個(gè)發(fā)射機(jī)。 3.1.33.1.3 時(shí)間分集時(shí)間分集 時(shí)間分集是將同一信號(hào)在不同的時(shí)間區(qū)間多次重發(fā)，只要各次發(fā)送的時(shí)間 間隔足夠大，則各次發(fā)送信號(hào)所出現(xiàn)的衰落將是相互獨(dú)立的。時(shí)間分集正是 利用這些衰落在統(tǒng)計(jì)上互不相關(guān)的特點(diǎn)，即時(shí)間上衰落統(tǒng)計(jì)特性上的差異來 實(shí)現(xiàn)抗時(shí)間選擇性衰落的功能。為了保證重復(fù)發(fā)送的數(shù)字信號(hào)具有獨(dú)立

44、的衰 落特性，重復(fù)發(fā)送的時(shí)間間隔應(yīng)滿足 （3-2） )(2 1 2 1 vf t m 式中，為衰落頻率， v 為移動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度，為工作波長。 m f 若移動(dòng)臺(tái)是靜止的，則移動(dòng)速度v=0，此時(shí)要求重復(fù)發(fā)送的時(shí)間間隔 為無窮大。這表明時(shí)間分集對(duì)于靜止?fàn)顟B(tài)的移動(dòng)臺(tái)是無效果的。t 時(shí)間分集與空間分集相比較，優(yōu)點(diǎn)是減少了接收天線及相應(yīng)設(shè)備的數(shù)目， 缺點(diǎn)是占用時(shí)隙資源增大了開銷，降低了傳輸效率。 無論何種分集方式，都是利用在不同的傳播條件下，幾個(gè)微波信號(hào)同時(shí)發(fā) 生深衰落的概率小于單一微波信號(hào)發(fā)生深衰落概率來取得分集改善效果的。 3.1.43.1.4 極化分集和角度分集極化分集和角度分集 (1)極化分集 在

45、移動(dòng)環(huán)境下，空中的水平路徑和垂直路徑是不相關(guān)的，因而信號(hào)也呈現(xiàn) 不相關(guān)的衰落特性。這就可在發(fā)送和接收端各裝兩個(gè)天線，一個(gè)水平極化天 線，一個(gè)垂直極化天線，這就可以得到兩個(gè)不相關(guān)的信號(hào)。實(shí)際上極化分集 是空間分集的特殊情況，但其優(yōu)點(diǎn)是費(fèi)用較低，結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)省空間，缺點(diǎn) 就是發(fā)送功率要分配到兩個(gè)天線，造成了3db 的損耗。 這一技術(shù)在蜂窩移動(dòng)用戶激增時(shí)，在改鏈路的傳輸效率和提高容量方面有 很明顯的效果。 (2)角度分集 由于地形、地貌及建筑物等通信環(huán)境的不同，到達(dá)接收端的信號(hào)來自不同 的方向。在接收端可以安裝方向性天線，分別指向不同的方向，則每個(gè)方向 性天線接收到的信號(hào)是弱相關(guān)的，而且方向(角度)

46、相差越大，來自不同方 向信號(hào)的相關(guān)性越小。 3.23.2 合并技術(shù)合并技術(shù) 分集技術(shù)的充分條件是如何將可獲得含有同一信息內(nèi)容但是統(tǒng)計(jì)上獨(dú)立的 不同樣值加以有效且可靠的利用，在接收端采用分集方式可以得到多個(gè)衰落 特性相互獨(dú)立的信號(hào)，所謂合并就是根據(jù)某種方式把得到的n 個(gè)獨(dú)立衰 落信號(hào)相加后合并輸出，從而獲得分集增益。 假設(shè) n 個(gè)獨(dú)立衰落信號(hào)分別為,份，則合并器輸出為)( 1 tr)( 2 tr)(trn （3-3） n i iinn tratratratratr 1 2211 式中，為第 i 個(gè)信號(hào)的加權(quán)系數(shù)。 i a 選擇不同的加權(quán)系數(shù)，就可構(gòu)成不同的合并方式。表征合并性能的參數(shù)有 平均輸出

47、信噪比、合并增益等。最常用的分集中合并的方式有選擇式合并、 等增量合并和最大比值合并等。 發(fā)射機(jī) k1 k2 kn n 檢測(cè)器 選 擇 電 路 圖 3-2 選擇式合并原理 3.2.13.2.1 選擇式合并選擇式合并 選擇式合并原理圖如圖3-4 所示。選擇式合并是所有合并方式中最簡(jiǎn)單 的一種，其原理是利用選擇邏輯電路檢測(cè)所有接收機(jī)輸出信號(hào)的信噪比，選 擇其中信噪比最大的那一路信號(hào)作為合并器的輸出。選擇式合并的平均輸出 信噪比為 （3- n k m k rr 1 0 1 4） 合并增益為 （3-5） n k m m kr r g 1 0 1 為合并器平均輸出信噪比，為支路信號(hào)最大平均信噪比。mr

48、0 r 3.2.23.2.2 等增益合并等增益合并 等增益合并原理圖如圖3-5 所示。當(dāng)各加權(quán)系數(shù)，即為等增益合1 i k 并。假設(shè)每條支路的平均噪聲功率是相等的，則等增益合并的平均輸出信噪 比為 （3-6） 4 11 nrrm 等增益合并的增益為 （3-7） 4 ) 1(1 n r r g m m 式中為合并前每條支路的平均信噪比。r 移動(dòng)臺(tái) （發(fā)端） k1 輸入 輸出 kn k2 發(fā)射機(jī) 可變?cè)?益加 權(quán) 增益 可變?cè)?益加 權(quán) 可變?cè)?益加 權(quán) 檢測(cè)器 選 擇 電 路 基站（收端） 圖3-3 等增益合并和最大比值合并原理 3.2.33.2.3 最大比值合并最大比值合并 最大比值合并的原理

49、圖如圖3-5 所示。最大比值合并原理是各條支路加 權(quán)系數(shù)與該支路信噪比成正比。信噪比越大，加權(quán)系數(shù)越大，對(duì)合并后信號(hào) 貢獻(xiàn)也越大。若每條支路的平均噪聲功率是相等的，可以證明當(dāng)各支路加權(quán) 系數(shù) （3-8）2 k k a a 分集合并后的平均輸出信噪比最大。式中為第 k 條支路信號(hào)幅度， k a 為每條支路噪聲平均功率。 2 最大比值合并后的平均輸出信噪比為 （3-9）rnrm 合并增益為 （3-10） n r r g m m 可見合并增益與分集支路數(shù)成正比。 在這三種合并方式中，最大比值合并的性能最好，選擇式合并的性能最差。 比較式（ 3-7）和式（ 3-10）可以看出當(dāng) n 較大時(shí)，等增益合并

50、的合并增益 接近于最大比值合并的合并增益。 3.33.3 協(xié)作分集技術(shù)協(xié)作分集技術(shù) 盡管分集技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，并已逐漸被新一代無線通信系統(tǒng)的主流協(xié) 議所采納，但仍然有其缺陷。目前多天線都設(shè)置在基站，要在移動(dòng)終端安置 多天線還是比較難以實(shí)現(xiàn)的。主要是因?yàn)橐苿?dòng)終端由于受體積、功耗、工藝 等多方面的限制，不適合安置多天線，同時(shí)由于不能保證技術(shù)要求的天線間 的獨(dú)立性，使該技術(shù)的使用受到限制。 sendonaris 等人在 1998 年提出的協(xié)作分集技術(shù)打破了這種僵局，使單天 線的移動(dòng)終端通過形成虛擬天線陣列，抵抗信道的多徑效應(yīng)，提高傳輸速率， 增加系統(tǒng)容量，為分集技術(shù)在小型移動(dòng)終端網(wǎng)絡(luò)中的廣泛應(yīng)用提

51、供了一條新 的途徑。 3.3.13.3.1 協(xié)作分集的概念協(xié)作分集的概念 協(xié)作分集允許一組無線終端互相中繼信號(hào)，以模仿天線陣列，并在無線衰 落信道下實(shí)現(xiàn)空間分集。下圖中，用戶1 和用戶 2 為某兩個(gè)單天線用戶， 他們通過協(xié)作，共享彼此天線，形成一個(gè)虛擬的兩天線發(fā)射系統(tǒng)。接收基站 通過合并接收，可獲得一定的分集增益。 協(xié)作分集技術(shù)最早源于中繼信道(relay channel)的研究，但協(xié)作又不同 于中繼：中繼用戶只是為源用戶轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，而協(xié)作用戶既是轉(zhuǎn)發(fā)者，又是數(shù) 據(jù)源。協(xié)作分集概念如圖2-1 所示。 圖 3-4 協(xié)作分集簡(jiǎn)單模型 如下圖所示，將基站視為源節(jié)點(diǎn)，有高速率需求的終端視為目的節(jié)點(diǎn)，其

52、他終端作為中繼節(jié)點(diǎn)，這樣整個(gè)系統(tǒng)從有高速率需求的終端來看就是一個(gè)多 址信道，參加通信的中繼節(jié)點(diǎn)就可以視作高速率終端的收發(fā)天線。從整體上 看，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)就等效于一個(gè)mimo 系統(tǒng)。這種使用移動(dòng)中繼來增加特定用 戶容量的技術(shù)，被稱為協(xié)作通信，由于類似于mimo，也被稱為虛擬多天 線和虛擬 mimo。但由于并沒有解決如何對(duì)有限的系統(tǒng)資源進(jìn)行調(diào)配和對(duì)不 斷變化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行規(guī)劃的問題，使該技術(shù)一直局限在無線局域網(wǎng)中，無 法在移動(dòng)蜂窩網(wǎng)中得到大規(guī)模應(yīng)用。 relay sourcedestination 圖 3-5 中繼信道模型 以上圖為例，簡(jiǎn)單說明協(xié)作分集的基本過程。第 1 步，終端 （source）以廣

53、播的方式發(fā)送信號(hào)（實(shí)線所示） ，目的終端 （destination）和協(xié)作終端（ relay）收，協(xié)作終端對(duì)信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的處理， 為下一步做準(zhǔn)備。第2 步，終端 relay 將處理后的信號(hào)發(fā)往目的終端 destination，此時(shí)終端 source 也可以向 destination 發(fā)送重復(fù)的或新的信號(hào)， 最后目的終端按照某種規(guī)則合并接收到的兩路信號(hào)。協(xié)作分集的實(shí)質(zhì)就是希 望借助協(xié)作伙伴的天線，與自身天線一起，傳輸兩條或多條在空間上獨(dú)立衰 落的信號(hào)副本，實(shí)現(xiàn)空間分集，獲得分集增益?，F(xiàn)有的研究成果表明，在平 坦衰落環(huán)境下，協(xié)作分集可以擴(kuò)大系統(tǒng)容量，提高數(shù)據(jù)傳輸速率，有效對(duì)抗 衰落以及降低系統(tǒng)的服

54、務(wù)中斷概率，提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量，改善系統(tǒng)性能。 3.3.23.3.2 協(xié)作分集的系統(tǒng)模型協(xié)作分集的系統(tǒng)模型 為了減少無線信道中由于慢時(shí)變、頻率非選擇性多徑衰落、大尺度陰影和 路徑損耗引起的效應(yīng)，才提出了協(xié)作分集的概念。在實(shí)際系統(tǒng)中使用中繼的 一個(gè)問題是目前的無線設(shè)備無法在同一頻段同時(shí)收發(fā)信號(hào)，也就是說，它們 必須工作在半雙工模式。除了對(duì)功率的限制外，半雙工約束必須是模型不可 分割的一部分。 更具體些，考慮有個(gè)無線終端的網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)設(shè)備都有一個(gè)基帶等效且時(shí)(2)t t 間離散的發(fā)射信號(hào)，其平均功率限制為，接收 i xk1,2,.,it 2 1 n ii k xknp 信號(hào)為,。結(jié)合半雙工的限制條件，

55、無線終端 在時(shí)刻接收信號(hào)為： i y k1,2,.,itik , , 0 t i jji j i i a xkz kik y k ik 無線終端在時(shí)刻接收 ，無線終端在時(shí)刻發(fā)射 式中，為無線設(shè)備 和之間頻率非選擇性、準(zhǔn)靜態(tài)多徑衰落、陰影和路徑 , i j aij 損耗的共同效應(yīng)；為描述了終端 接收的熱噪聲和其他干擾。 i z ki 受準(zhǔn)靜態(tài)條件的啟發(fā)，這里考慮系數(shù)對(duì)接收端是已知的，也就是說接收機(jī) , i j a 可以精確估計(jì)該系數(shù)，但對(duì)發(fā)射機(jī)來說是不可獲知的或不能為其所用。也就是，無 線終端 可以但不能確知，此時(shí)，。從統(tǒng)計(jì)意義來說，可把i , i j a , i j aij1,2,.,jt 建

56、模為獨(dú)立復(fù)隨機(jī)變量，這個(gè)假設(shè)對(duì)通過幾個(gè)載波波長分離無線終端的情況是 , i j a 比較合理的。 另外，這里把建模為零均值、相互獨(dú)立的、白色循環(huán)對(duì)稱的復(fù)高斯隨機(jī) i z n 序列，其方差為。 0 n 3.43.4 協(xié)作分集存在的問題協(xié)作分集存在的問題 盡管協(xié)作通信的某些形式看起來將在未來無線網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)，但最終的網(wǎng)絡(luò) 結(jié)構(gòu)形式和多種應(yīng)用的性能影響還不是很清晰。 (1)鏈路提取的再思考目前有關(guān)合作的研究工作多集中在合作終端數(shù)目相 對(duì)較少的并行或單級(jí)中繼上，對(duì)于多跳網(wǎng)絡(luò)，多級(jí)合作表現(xiàn)為網(wǎng)絡(luò)層，且具 有數(shù)量較大且更為復(fù)雜的鏈路，而更多的工作應(yīng)該集中在這些復(fù)雜鏈路如何 影響網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的問題上。 (2)硬件

57、演示平臺(tái)由于協(xié)作通信設(shè)計(jì)了不只一個(gè)發(fā)射端和接收端，精確地 建模和性能預(yù)測(cè)就具有挑戰(zhàn)性了，為了核實(shí)這些假設(shè)的合理性或開發(fā)更好的 模型，協(xié)作通信需要硬件演示平臺(tái)的設(shè)計(jì)。 (3)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)影響因素改變?cè)垂?jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)所獲知它們與目的節(jié)點(diǎn)的信 道狀態(tài)信息可導(dǎo)致不同的傳輸策略。但為了簡(jiǎn)單，在具體的分析過程中忽略 了很多相互作用，而這些作用主要存在于用于信道估計(jì)、波束形成和同步的 信號(hào)處理，用于錯(cuò)誤控制的信道編碼以及用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)協(xié)議中。開銷 經(jīng)常不被考慮，尤其是為了csi 傳輸和網(wǎng)絡(luò)協(xié)作開銷，看來沒有一個(gè)易處 理的模型可足以評(píng)價(jià)所有的相互作用和折中。然而，為了完成這些事情，在 無線測(cè)試平臺(tái)上進(jìn)行廣泛的

58、方針和實(shí)現(xiàn)可能是追求的目標(biāo)。 3.53.5 小結(jié)小結(jié) 本章針對(duì)之前的無線信道特性和參數(shù)分析的基礎(chǔ)上，詳細(xì)闡述了分集技術(shù) 和協(xié)作分集的基本概念和原理，給出了傳統(tǒng)分集和合并技術(shù)的具體分類，協(xié) 作分集系統(tǒng)的基本模型以及協(xié)作分集當(dāng)前實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)模型，最后針對(duì)協(xié)作分 集技術(shù)存在的問題做了簡(jiǎn)要分析。 第第 4 4 章章 基于協(xié)作分集的編碼調(diào)制技術(shù)基于協(xié)作分集的編碼調(diào)制技術(shù) 目前 ,對(duì)協(xié)作分集技術(shù)的研究已在諸多方面取得了相當(dāng)?shù)倪M(jìn)展,主要集 中在如下幾個(gè)方面：（ 1）從信道容量、中斷概率或覆蓋率等方面對(duì)采用協(xié) 作分集的系統(tǒng)的優(yōu)異性能給出證明；（2）給出用戶端如何具體實(shí)現(xiàn)“協(xié) 作”的信號(hào)處理方案；（ 3）研究實(shí)現(xiàn)

59、信道編碼、調(diào)制、協(xié)作分集一體化的 方法；（ 4）實(shí)現(xiàn)控制用戶間如何相互協(xié)作的協(xié)議。下面,就分別就從信號(hào) 處理方案入手予以介紹和總結(jié)。 4.14.1 實(shí)現(xiàn)協(xié)作的信號(hào)處理方法實(shí)現(xiàn)協(xié)作的信號(hào)處理方法 針對(duì)在用戶端如何相互處理自己和“伙伴”的有用信號(hào)的問題，目前 主要提出了 2 種方案：放大 -中繼法（ amplify and forward） 、解碼 -中繼 法（ decode and forward） 。下面在考慮只有兩個(gè)用戶相互協(xié)作的情況下，總 結(jié)兩種方案及其性能的相互比較。 4.1.14.1.1 放大放大- -中繼法（中繼法（amplifyamplify andand forwardforwa

60、rd） 這是一種簡(jiǎn)單的協(xié)作處理方法，即每個(gè)用戶接收到加有噪聲的伙伴的信號(hào) 后進(jìn)行放大，然后重新將這加有噪聲的信號(hào)重新發(fā)送給基站?；窘邮盏接?戶和伙伴的信號(hào)后再進(jìn)行判決。在這種方案中，盡管協(xié)作者在放大信號(hào)的同 時(shí)也放大了噪聲 ,但基站能接收到兩個(gè)獨(dú)立的衰落信號(hào)，仍然能起到分集的 作用，最后檢測(cè)結(jié)果的性能還是得到了改善。放大-中繼法（ amplify and forward）又被稱為放大中繼模式（amplify-and-forward，af） ，該機(jī)制由 laneman 提出并進(jìn)行了詳細(xì)的分析。其研究表明,在高信噪比時(shí)，在兩個(gè)用 戶的情況下，該機(jī)制可以獲得的分集階數(shù)為2。這里，分集階數(shù)可以看作