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文檔簡介

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人,均不得對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,本論文不包含任何其他個

2、人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個人和集體,均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識到本聲明的法律結(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)代社會對無線通信的需求增加,人們對通信質(zhì)量要求越來越高,在無線通信中信號傳輸?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,是對抗衰落的有效措施;然而,在實際中,移動終端對體積、質(zhì)量和功耗的要求非??量蹋噪y于實現(xiàn)多天線技術(shù)。于是,一種新的分集技術(shù)協(xié)作分集技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生;鑒于其不需

3、要犧牲時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)作分集中的兩個信號處理技術(shù)放大中繼和解碼中繼,主要對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解碼中繼方案比無協(xié)作狀態(tài)方案的誤碼率低 3 個數(shù)量級左右,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)越性能得以充分體現(xiàn)。最后針對實例分析-協(xié)作分集在蜂窩網(wǎng)切換中的

4、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。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)作為研究對象,對基于協(xié)作分集的編碼調(diào)制技術(shù)及其系統(tǒng)仿真作以重點研究。同時,在具體應(yīng)用層面針對協(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,蜂窩切換工程碩士學(xué)位論文目 錄第 1 章 緒 論 .11.1 無線通信的發(fā)展和研究背景 .11.2 多天線無線通信系統(tǒng)的提出與發(fā)展 .

5、21.3 協(xié)作分集技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和前景 .31.4 論文主要工作 .51.5 論文結(jié)構(gòu) .51.6 小結(jié) .5第 2 章 移動通信無線信道及特性參數(shù) .62.1 多徑衰落的產(chǎn)生 .72.2 描述多徑信道的主要參數(shù) .72.2.1 時延擴(kuò)展 .72.2.2 相關(guān)帶寬 .72.2.3 多普勒頻移 .82.2.4 相關(guān)時間 .82.3 多徑衰落的分類 .92.3.1 平坦衰落和頻率選擇性衰落 .92.3.2 快衰落和慢衰落 .102.4 小結(jié) .10第 3 章 分集及協(xié)作分集技術(shù) .113.1 分集技術(shù)的原理及分類 .113.1.1 空間分集 .113.1.2 頻率分集 .123.1.3 時間分

6、集 .133.1.4 極化分集和角度分集 .133.2 合并技術(shù) .143.2.1 選擇式合并 .143.2.2 等增益合并 .153.2.3 最大比值合并 .163.3 協(xié)作分集技術(shù) .163.3.1 協(xié)作分集的概念 .163.3.2 協(xié)作分集的系統(tǒng)模型 .183.4 協(xié)作分集存在的問題 .183.5 小結(jié) .19 目 錄i第 4 章 基于協(xié)作分集的編碼調(diào)制技術(shù) .204.1 實現(xiàn)協(xié)作的信號處理方法 .204.1.1 放大-中繼法(amplify and forward) .204.1.2 解碼-中繼法(decode and forward) .204.2 協(xié)作系統(tǒng)中關(guān)鍵編碼調(diào)制技術(shù) .22

7、4.2.1 卷積碼概要 .224.2.2 維特比譯碼子模塊 .264.2.3 循環(huán)冗余校驗碼(crc)子模塊 .294.2.4 調(diào)制子模塊 .304.3 小結(jié) .31第 5 章 協(xié)作分集仿真實現(xiàn)及性能分析 .325.1 協(xié)作分集仿真模型 .325.2 仿真結(jié)果的性能分析 .335.3 小結(jié) .36第 6 章 協(xié)作分集在蜂窩網(wǎng)切換中的應(yīng)用 .376.1 傳統(tǒng)越區(qū)切換技術(shù)概述 .376.1.1 硬切換 .386.1.2 軟切換和更軟切換 .386.1.3 接力切換 .386.2 基于協(xié)作分集的切換方案描述 .396.3 實例分析 .406.4 小結(jié) .43第 7 章 總結(jié)和展望 .447.1 全文

8、總結(jié) .447.2 未來展望 .44參考文獻(xiàn) .45摘 要 .49abstract .50致 謝導(dǎo)師與作者簡介工程碩士學(xué)位論文0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通信具有靈活和便捷的特點所以符合當(dāng)代社會對通信技術(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)歷了三個時期:第一代移動通信系統(tǒng)(1g)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,以實現(xiàn)對網(wǎng)內(nèi)用戶的動態(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

9、。在信道動態(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。第二代移動通信系統(tǒng)(2g)以數(shù)字化蜂窩網(wǎng)為主要特征,采用時分多址、碼分多址數(shù)字調(diào)制方式實現(xiàn)對網(wǎng)內(nèi)用戶的動態(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)良的抗干擾糾錯編碼:卷積碼、級聯(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間選擇性衰落;采用空間或

10、極化分集方式抵抗空間選擇性衰落。雖然第二代移動通信系統(tǒng)相對于第一代移動通信系統(tǒng)已經(jīng)有了很大的改進(jìn),但是第二代移動通信系統(tǒng)通常只提供低速語音業(yè)務(wù)。但社會信息化進(jìn)程越來越快,僅僅通話已不能滿足人們對信息交流的需要,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態(tài)特性的基礎(chǔ)上又引入了業(yè)務(wù)的動態(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

11、效應(yīng)等采用了多用戶檢測、智能天線、發(fā)端分集、空時編碼等;針對數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)要求誤碼率低且實時性要求不高的特點,對數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)采用了性能更優(yōu)良的turbo 碼。第三代移動通信系統(tǒng)及其下一代移動通信 (b3g)系統(tǒng)由于數(shù)據(jù)傳輸速率高,對分集技術(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)展在移動通信系統(tǒng)的環(huán)境下,無線信道中電波的傳播不是單一路徑,在接收第 1 章 緒 論1端除了直射波外,還有各種反射波,繞射波和二次反射波等,由于電波通過各個路徑的距離不同,因而各個路徑來的反射波到達(dá)時間不同,也就是各信號的時延不同。它們在接收端合成后,就會引起信號的劇

12、烈變化,從而嚴(yán)重影響信號的傳輸質(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通信中可能出現(xiàn)差錯或是中斷。因此,如何有效處理衰落的影響對無線通信系統(tǒng)的設(shè)計是至關(guān)重要的。多徑衰落是影響無線通信質(zhì)量的一個主要因素,因此人們提出許多方法來抵抗多徑衰落對無線通信的影響,如分集、自適應(yīng)均衡、擴(kuò)頻通信、交織以及糾錯編碼技術(shù)等,其中分集技術(shù)是對抗多徑衰落的一項行之有效的技術(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)射多個信號,在接收端合并多

13、個經(jīng)歷獨(dú)立衰落的信號的方法來對抗無線信道的衰落。常見的分集方式主要有時間分集、頻率分集和空間分集。時間分集通過采用時間交織和信道編碼,在時間域內(nèi)提供信號的副本;頻率分集通過在不同的載波頻率上發(fā)送符號,在頻率域內(nèi)提供信號副本;空間分集則是通過利用多個天線來實現(xiàn)的。時間分集要求發(fā)送冗余信號的若干時隙之間相互獨(dú)立,頻率分集要求幾個載波頻率之間相互獨(dú)立,空間分集要求多個天線之間的距離足夠大(大于若干個波長 )??臻g分集是在不犧牲信號頻率帶寬和保證數(shù)據(jù)傳輸速率的同時獲得分集增益,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。實質(zhì)上

14、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)送端和接收端同時使用多天線可增加無線信道的容量。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用戶使用。1995 年telater 和 1998 年 foschinil 對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

15、.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。但在實際的蜂窩通信系統(tǒng)中,由于移動終端體積、功耗以及硬件復(fù)雜度等的限制,不能在移動終端上安裝多天線,這就極大的限制工程碩士學(xué)位論文2了 mimo 技術(shù)在無線移動終端中的應(yīng)用。為了解決這一問題,誕生了一種全新的分集技術(shù) 協(xié)作分集( cooperative diversity) ,使單天線的移動終端也可以實現(xiàn)空域分集。它的基本思想是系統(tǒng)中的每個終端可以擁有自己的一個或多個合作伙伴,合作伙伴有責(zé)任幫助其伙伴傳輸信息。這樣,每個源節(jié)點在傳輸信息

16、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)。從這個意義上講,協(xié)作分集為mimo 多天線技術(shù)的實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 對中繼信道模型 (包括源、中繼和目的端三個節(jié)點 )的理論研究, cover 與 gamal 對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;為了適合實際的應(yīng)用,源節(jié)點和中繼節(jié)點在正交信道(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

17、協(xié)作度可變的協(xié)作方案、多址接入信道中移動端和基站共享一個中繼方案等?;谝陨现欣^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),分析并給出了這個系統(tǒng)的容量限,然后討論了協(xié)作對中斷概率的影響,最后針對cdma 接入方式提出了檢測轉(zhuǎn)發(fā)(detect and forward, df)的協(xié)作策略。幾乎同一時間, j.n.laneman 針對兩個用戶進(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,對協(xié)作系統(tǒng)的中斷概率進(jìn)

18、行分析,結(jié)果表明兩用戶協(xié)作時獲得的分集度為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)額外的校驗信息,而且為了避免錯誤轉(zhuǎn)發(fā),還引入了crc 校驗。之后,學(xué)者們對協(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)中繼對源節(jié)點數(shù)據(jù)的不同處理方式可以分為:放大轉(zhuǎn)發(fā)(amplify-and-forward, a

19、f)、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接收信號放大后直接轉(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)源信號后再進(jìn)行中繼發(fā)送,與 af、df 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第 1 章 緒 論3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

20、譯碼正確、用戶間信道信噪比達(dá)到某一門限)時才進(jìn)行中繼,而增強(qiáng)型中繼只在直傳出錯時才考慮中繼。另外還有采用空時編碼的協(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,有可能對該小區(qū)內(nèi)的移動終端進(jìn)行統(tǒng)一管理,有利于用戶協(xié)作;但

21、對于自組網(wǎng)或傳感器網(wǎng),并沒有一個中心節(jié)點進(jìn)行管理,需要一個分布式協(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,但是在實際的移動通信系統(tǒng)中,信道往往是頻率選擇性衰落的,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,以盡可能公平地對待所有移動終端,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

22、協(xié)議;第四,協(xié)作過程的自適應(yīng)問題:在一個多用戶環(huán)境中應(yīng)該怎樣劃分各個終端的協(xié)作伙伴,并且既然是移動終端,當(dāng)其相對位置改變時該如何處理,應(yīng)該隔多久時間需重新劃分一次合作伙伴,這方面問題同信道檢測與識別以及mac 層管理等緊密聯(lián)系;此外,現(xiàn)有研究均認(rèn)為各個移動終端有著相等的發(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)意識到協(xié)作分集的巨大潛力,紛紛開始針對協(xié)作分集各項技術(shù)的研究。1.41.4 論文主要工作論文主要工作本文首先對移動通信中廣泛使用的分集技術(shù)進(jìn)行了介紹,同時對協(xié)作分集工程碩士學(xué)位論文4

23、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。其中重點研究了解碼中繼的協(xié)作方式和性能。通過仿真對其與沒有協(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:簡要介紹目前移動通信和協(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:介紹移動通信無線信道的特性和參數(shù),具體介紹多徑衰落對無線通信的影響,并對多徑衰落進(jìn)行分類。第三章:介紹能夠抵抗多徑衰落的分集技術(shù),并重點介紹了空間分集技術(shù)和分集合并技術(shù)。第四章

24、: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)點及現(xiàn)存在的問題。第五章:對采用解碼中繼協(xié)作分集和無協(xié)作分集兩種通信狀態(tài),進(jìn)行matlab 仿真,并對結(jié)果進(jìn)行比較。第六章:針對于結(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

25、工作并列舉出全文的組織結(jié)構(gòu)。第 2 章 移動通信無線信道及特性參數(shù)5第第 2 2 章章 移動通信無線信道及特性參數(shù)移動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)計出滿足一定性能要求的通信系統(tǒng),因此對無線信道的理解尤為重要。無線信道對信號傳輸?shù)挠绊懼饕袀鬏斔p、多徑傳播引起的頻率選擇性衰落、時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:無線信道對信號傳輸?shù)乃p使接收信號的功率減小,它由傳輸路徑的長度、直達(dá)信號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)在以下兩個方面:(1)路徑損耗:它反應(yīng)出在宏觀范圍(千米量級)的空間距離上傳播的接收信

26、號電平均值的變化趨勢。接收信號電平平均值與信號傳播距離的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受到地形起伏、高大建筑物的阻擋,在這些障礙物后面會產(chǎn)生電磁波的陰影,造成場強(qiáng)中值的變化,從而引起信號的衰減,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)計特性通常符合對數(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傳輸信號的影響,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)個波長)變化時,接收信號的功率會發(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、時間選擇性衰落和空

27、間選擇性衰落。(1)頻率選擇性衰落主要由多徑傳播引起。信號的多徑傳播導(dǎo)致時延擴(kuò)展,其結(jié)果會發(fā)生符號間干擾(isi) ,體現(xiàn)在頻域中就是頻率選擇性衰落,即信號在不同的頻率上遭受的衰落是不同的。相干帶寬描述了無線信道的時間色散特性。(2)時間選擇性衰落是由于發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的相對運(yùn)動或信道中其他物體的運(yùn)動所引起的。信道的時變性導(dǎo)致的時間選擇性衰落表現(xiàn)為信號的頻譜被展寬。相干時間在時域上,描述信道的頻率色散的時變特性。如果在一段時間 t 內(nèi),信道包絡(luò)近似不變, t 為相干時間。如果載波包絡(luò)以快于傳輸符號率的速度波動,信道被稱為快衰落信道;如載波包絡(luò)以慢于傳輸符號率的速度波動,信道被稱為慢衰落信道。(3

28、)空間選擇性衰落是由于信號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)移動的距離大于相干距離,信道經(jīng)歷小尺度衰落。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信號衰落的影工程碩士學(xué)位論文6響。2.12.1 多徑衰落的產(chǎn)生多徑衰落的產(chǎn)生移動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)浇邮斩说奶炀€時,信號不是單一路徑來的,而是許多路徑來的多個信號的疊加。因為電波通過各個路徑的距離不同,所以各個路徑電波到達(dá)接收機(jī)的時間不同,相

29、位也就不同。不同相位的多個信號在接收端疊加,有時是同相疊加而加強(qiáng),有時是反相疊加而減弱。這樣接收信號的幅度將急劇變化,即產(chǎn)生了多徑衰落。2.22.2 描述多徑信道的主要參數(shù)描述多徑信道的主要參數(shù)2.2.12.2.1 時延擴(kuò)展時延擴(kuò)展在多徑傳播條件下,接收信號會產(chǎn)生時延擴(kuò)展。當(dāng)發(fā)送端發(fā)送一個脈沖信號時,由于信號的傳播路徑不同,所以到達(dá)接收端的時間也就不同,因此接收信號不僅包含該脈沖,還將包括此脈沖的各個延時信號,這種由于多徑效應(yīng)引起的接收信號中脈沖的寬度擴(kuò)展現(xiàn)象稱為時延擴(kuò)展。擴(kuò)展的時間可以通過第一個到最后一個多徑信號之間的時間來衡量,一般用d 來表示。2.2.22.2.2 相關(guān)帶寬相關(guān)帶寬時延擴(kuò)

30、展是由多徑傳播所引起的現(xiàn)象,而相關(guān)帶寬是從時延擴(kuò)展得出的一個確定關(guān)系值。兩個頻率相隔很近的衰落信號,當(dāng)時延擴(kuò)展達(dá)到某一數(shù)值時,就有可能變得相關(guān)。對于某一時延擴(kuò)展達(dá)到某一數(shù)值時,兩衰落信號是否相關(guān)取決于兩者的頻率間隔。兩衰落信號相關(guān)時的頻率間隔稱為相關(guān)頻率,它是對信道傳輸信號帶寬能力的度量。如輸入信號的帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于信道相關(guān)帶寬,則輸出信號頻譜中,譜分量幅度與相位關(guān)系是確定的;反之,如輸入信號的帶寬大于信道相關(guān)帶寬,則會引起輸出信號的失真,對于數(shù)字通信將會引起誤碼。相關(guān)帶寬可以用公式定義如下: (2-1)tcb21其中為相關(guān)帶寬,為多徑時延擴(kuò)展。cbt式 2-1 表明,時延擴(kuò)展越大,相關(guān)帶寬越窄,

31、信道容許傳輸?shù)牟皇д骖l帶就越窄。反之,時延擴(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。第 2 章 移動通信無線信道及特性參數(shù)72.2.32.2.3 多普勒頻移多普勒頻移當(dāng)移動臺在運(yùn)動中通信時,接收信號頻率會發(fā)生變化,稱為多普勒效應(yīng),波動過程都具有的特性。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)動方向入射電波圖 2-1 多普勒效應(yīng)此時多普勒頻移可以表示為: (2-2)cosvfd (2-3)vfm其中,表示移動速度,表示波長,表示入射波與移動臺移動方向v之間的夾角,為最大多普勒頻移。mf由式 2-2 可以看出,多普勒頻移與移動臺運(yùn)動的方向、速度以及無線

32、電波入射方向有關(guān)。若移動臺朝向入射波方向運(yùn)動,則多普勒頻移為正(接收信號頻率上升 );反之,若移動臺背向入射波方向運(yùn)動,則多普勒頻移為負(fù)(接收信號頻率下降 )。信號經(jīng)過不同方向傳播,其多徑分量造成接收機(jī)信號的多普勒擴(kuò)散,因而增加了信號帶寬。2.2.42.2.4 相關(guān)時間相關(guān)時間相關(guān)時間是指一段時間間隔,在此間隔內(nèi),兩個到達(dá)信號具有很強(qiáng)的相關(guān)性,換句話說在相關(guān)時間內(nèi)信道特性沒有明顯的變化。因此相關(guān)時間表征了時變信道對信號的衰落節(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間段上,即信道在時域具有選擇性。一般稱這種由于多普勒效應(yīng)引起的在時域產(chǎn)生的選擇性衰落為時間選擇性衰落。時間選擇

33、性衰落對數(shù)字信號誤碼有明顯影響,為了減少這種影響,要求基帶信號的碼元速工程碩士學(xué)位論文8率遠(yuǎn)大于信道相關(guān)時間的倒數(shù)。多普勒頻移的倒數(shù)就是信道相關(guān)時間的度量,即: (2-4)mdcfft11其中,為相關(guān)時間,為多普勒擴(kuò)展,當(dāng)入射波與移動臺移動方向之ctdf間的夾角時上式成立。02.32.3 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兩方面來決定,對于移動信道來說,存在一個固有的相關(guān)帶寬,對于信號來說也有其信號帶寬。如果信道帶

34、寬大于發(fā)送信號的帶寬,且在帶寬范圍內(nèi)有恒定增益,且線性相關(guān),則接收信號就會經(jīng)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)csbb (2-6)tst其中,為信號周期 (信號帶寬的倒數(shù) ),是信道的時延擴(kuò)展,stsbt為信道相關(guān)帶寬。cb如果信道具有恒定增益,且相關(guān)帶寬范圍小于發(fā)送信號帶寬,則此信道特性會導(dǎo)致接收信號產(chǎn)生頻率選擇性衰落。在這種情況下,接收信號中包含經(jīng)歷了衰減和時延的發(fā)送信號波形的多徑波,因而產(chǎn)生接收信號失真。產(chǎn)生頻率選擇性衰落的條件是: (2-7)csbb (2-8

35、)tst對于數(shù)字移動通信來說,當(dāng)碼元速率較低信號帶寬小于信道相關(guān)帶寬時,信號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,信號的波形不失真;反之,當(dāng)碼元速率較高信號帶寬大于信道相關(guān)帶寬時,信號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。第 2 章 移動通信無線信道及特性參數(shù)92.3.22.3.2 快衰落和慢衰落快衰落和慢衰落根據(jù)衰落與時間的關(guān)系,將衰落分為兩種:快衰落和慢衰落。對于是否發(fā)生時間選擇性衰落,即快衰落和慢衰落,由信道和信號兩方面來決定,對于移動信道來說,存在一個固有的相關(guān)時間,對于信號來說也有其信號周期。當(dāng)信道的相關(guān)時間小

36、于發(fā)送信號的周期,且基帶信號的帶寬小于多普勒擴(kuò)展時,信道沖激響應(yīng)在符號周期內(nèi)變化很快,從而導(dǎo)致信號失真,產(chǎn)生衰落,此衰落為快衰落。所以信號經(jīng)歷快衰落的條件是: (2-9)cstt (2-10)dsfb 其中,為信號周期 (信號帶寬風(fēng)的倒數(shù) ),是信道相關(guān)時間,為stctdf多普勒頻移。當(dāng)信道的相關(guān)時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于發(fā)送信號的周期,且基帶信號的帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于多普勒擴(kuò)展時,信道沖激響應(yīng)變化比要傳送的信號碼元的周期低很多,可以認(rèn)為該信道是慢衰落信道。所以信號經(jīng)歷慢衰落的條件是: (2-11)cstt (2-12)dsfb 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信號傳輸?shù)挠绊?,并對多徑衰?/p>

37、進(jìn)行了具體分類。了解無線移動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,針對這些特性的影響找出合適的解決方案。工程碩士學(xué)位論文10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)中對抗多經(jīng)衰落、提高傳輸性能的一項基本技術(shù)。由于存在多徑效應(yīng)與時變性,在無線衰落信道中傳輸?shù)男盘柨赡軙艿絿?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,除非有其他的衰減程度比較小的信號副本提供給接收機(jī),這種方法就被稱為分集。其基本原理是:將接收到的多個不相關(guān)的信號能量按一定規(guī)則合并起來,使得組合后得到的有用信號能量最

38、大化。對數(shù)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接收信道時,它們受到的衰落影響是不相關(guān)的,且二者在同一時刻經(jīng)受深衰落谷點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,再合并輸出,衰落的程度能被大大地減小,這就是空間分集。空間分集是利用場強(qiáng)隨空間的隨機(jī)變化實現(xiàn)的,空間距離越大,多徑傳播的差異就越大,所接收場強(qiáng)的相關(guān)性就越小。這里所提相關(guān)性是個統(tǒng)計術(shù)語,表明我們知道在移動通信中,空間略有變動就可能出現(xiàn)較大的場強(qiáng)變化。當(dāng)使用信號間相似的程度,因

39、此必須確定必要的空間距離。經(jīng)過測試和統(tǒng)計,建議為了獲得滿意的分集效果,移動單元兩天線間距大于0.6 個波長,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??臻g分集分為空間分集發(fā)送和空間分集接收兩個系統(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,同時接收一個發(fā)射天線的微波信號,然后合成或選擇其中一個強(qiáng)信號,這種方式稱為空間分集接收;如下圖所示。分集合并第 3 章 分集技術(shù)11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,以保證接收天

40、線輸出信號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很低時,其他接收天線的輸出則不一定在這同一時刻也出現(xiàn)幅度低的現(xiàn)象,經(jīng)相應(yīng)的合并電路從中選出信號幅度較大、信噪比最佳的一路,得到一個總的接收天線輸出信號。這樣就降低了信道衰落的影響,改善了傳輸?shù)目煽啃???臻g分集接收的優(yōu)點是分集增益高,缺點是還需另外單獨(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或兩個以上具有一定頻率間隔的微波頻率同時發(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經(jīng)衰落信道后在統(tǒng)計上的不相關(guān)特性,即不同頻段衰落統(tǒng)計特性上的差異,來實現(xiàn)抗衰落頻率選擇性的功能。實現(xiàn)時可以將待

41、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)mcbf1式中,為載波頻率間隔,典為相關(guān)帶寬,為最大多徑時延差。fcbm在移動通信中,當(dāng)工作頻率在頻段,典型的最大多徑時延差為5mhz900,此時有skhzbfmc200105116當(dāng)采用兩個微波頻率時,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)中要求兩個分集接收信號相關(guān)性較小即頻率相關(guān)性較小,只有這樣才不會使兩個微波頻率在給定的路由上同時發(fā)生深衰落,并獲得較好的頻率分集改善效果。在一定的范圍內(nèi)兩個微波頻率相差,即頻率間隔越大,兩個不同頻率信號

42、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發(fā)射機(jī)。工程碩士學(xué)位論文123.1.33.1.3 時間分集時間分集時間分集是將同一信號在不同的時間區(qū)間多次重發(fā),只要各次發(fā)送的時間間隔足夠大,則各次發(fā)送信號所出現(xiàn)的衰落將是相互獨(dú)立的。時間分集正是利用這些衰落在統(tǒng)計上互不相關(guān)的特點,即時間上衰落統(tǒng)計特性上的差異來實現(xiàn)抗時間選擇性衰落的功能。為了保證重復(fù)發(fā)送的數(shù)字信號具有獨(dú)立的衰落特性,重復(fù)發(fā)送的時間間隔應(yīng)滿足 (3-2))(2121vftm式中,為衰落

43、頻率, v 為移動臺運(yùn)動速度,為工作波長。mf若移動臺是靜止的,則移動速度v=0,此時要求重復(fù)發(fā)送的時間間隔為無窮大。這表明時間分集對于靜止?fàn)顟B(tài)的移動臺是無效果的。t時間分集與空間分集相比較,優(yōu)點是減少了接收天線及相應(yīng)設(shè)備的數(shù)目,缺點是占用時隙資源增大了開銷,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,幾個微波信號同時發(fā)生深衰落的概率小于單一微波信號發(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)極化分集在移動環(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天線,一個水

44、平極化天線,一個垂直極化天線,這就可以得到兩個不相關(guān)的信號。實際上極化分集是空間分集的特殊情況,但其優(yōu)點是費(fèi)用較低,結(jié)構(gòu)緊湊,節(jié)省空間,缺點就是發(fā)送功率要分配到兩個天線,造成了3db 的損耗。這一技術(shù)在蜂窩移動用戶激增時,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,則每個方向性天線接收到的信號是弱相關(guān)的,而且方向(角度)相差越大,來自不同方向信號的相關(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)計上獨(dú)立的不同樣

45、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衰落特性相互獨(dú)立的信號,所謂合并就是根據(jù)某種方式把得到的n 個獨(dú)立衰第 3 章 分集技術(shù)13落信號相加后合并輸出,從而獲得分集增益。假設(shè) n 個獨(dú)立衰落信號分別為,份,則合并器輸出為)(1tr)(2tr)(trn (3-3)niiinntratratratratr12211式中,為第 i 個信號的加權(quán)系數(shù)。ia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)k1k2kn n檢測器選擇電路圖 3-2 選擇式合并原理3.2.13

46、.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單的一種,其原理是利用選擇邏輯電路檢測所有接收機(jī)輸出信號的信噪比,選擇其中信噪比最大的那一路信號作為合并器的輸出。選擇式合并的平均輸出信噪比為 (3-nkmkrr1014)合并增益為 (3-5)nkmmkrrg101工程碩士學(xué)位論文14為合并器平均輸出信噪比,為支路信號最大平均信噪比。mr0r3.2.23.2.2 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1ik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)411nrrm等增益合

47、并的增益為 (3-7)4) 1(1nrrgmm式中為合并前每條支路的平均信噪比。r移動臺(發(fā)端)k1輸入輸出knk2發(fā)射機(jī)可變增益加 權(quán)增益可變增益加 權(quán)可變增益加 權(quán)檢測器選擇電路基站(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,對合并后信號貢獻(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)第 3 章 分集技術(shù)15 (3-8)2kkaa 分集合并后的平均輸出信噪比最大。式中為第 k 條支路信號幅度,ka為每條

48、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)nrrgmm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,等增益合并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,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,要在移動終端安置多天線還是比較難以實現(xiàn)的。主要是因為移動終端由于受體積、功耗、工藝等多方面的限制,不適合安置多天線,同時由于不能保證

49、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)在小型移動終端網(wǎng)絡(luò)中的廣泛應(yīng)用提供了一條新的途徑。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,以模仿天線陣列,并在無線衰落信道下實現(xiàn)空間分集。下圖中,用戶1 和用戶 2 為某兩個單天線用戶,他們通過協(xié)作,共享彼此天線,形成一個虛擬的兩天線發(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

50、 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。工程碩士學(xué)位論文16圖 3-4 協(xié)作分集簡單模型如下圖所示,將基站視為源節(jié)點,有高速率需求的終端視為目的節(jié)點,其他終端作為中繼節(jié)點,這樣整個系統(tǒng)從有高速率需求的終端來看就是一個多址信道,參加通信的中繼節(jié)點就可以視作高速率終端的收發(fā)天線。從整體上看,整個網(wǎng)絡(luò)就等效于一個mimo 系統(tǒng)。這種使用移動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有限的系統(tǒng)資源進(jìn)行調(diào)配和對不斷變化的網(wǎng)絡(luò)

51、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,無法在移動蜂窩網(wǎng)中得到大規(guī)模應(yīng)用。relaysourcedestination圖 3-5 中繼信道模型以上圖為例,簡單說明協(xié)作分集的基本過程。第 1 步,終端(source)以廣播的方式發(fā)送信號(實線所示) ,目的終端(destination)和協(xié)作終端( relay)收,協(xié)作終端對信號進(jìn)行相應(yīng)的處理,為下一步做準(zhǔn)備。第2 步,終端 relay 將處理后的信號發(fā)往目的終端destination,此時終端 source 也可以向 destination 發(fā)送重復(fù)的或新的信號,最后目的終端按照某種規(guī)則合并接收到的兩路信號。協(xié)作分集的實質(zhì)就是希第

52、3 章 分集技術(shù)17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)立衰落的信號副本,實現(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,有效對抗衰落以及降低系統(tǒng)的服務(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。在實際系統(tǒng)中使用中繼的一個問題是目前的無線設(shè)備無法在同一頻段同時收發(fā)信號,也就是說,它們必須工作在半雙工模式。除了對功率的限制外,半雙工約束必須是模型不

53、可分割的一部分。更具體些,考慮有個無線終端的網(wǎng)絡(luò),每個設(shè)備都有一個基帶等效且時(2)t t 間離散的發(fā)射信號,其平均功率限制為,接收 ixk1,2,.,it 21niikxknp信號為,。結(jié)合半雙工的限制條件,無線終端 在時刻接收信號為: iy k1,2,.,itik ,0ti jjij iia xkz kiky kik無線終端在時刻接收,無線終端在時刻發(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 jaij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。 iz ki受準(zhǔn)靜態(tài)條件的啟發(fā),這里考慮系數(shù)對接收端是已知的,也就是說接收機(jī), i ja可以精確估計該系數(shù)

54、,但對發(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,。從統(tǒng)計意義來說,可把i, i ja, i jaij1,2,.,jt建模為獨(dú)立復(fù)隨機(jī)變量,這個假設(shè)對通過幾個載波波長分離無線終端的情況是, i ja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)對稱的復(fù)高斯隨機(jī) iz n序列,其方差為。0n3.43.4 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)目相對較少的并行或單級中繼上,對于多跳網(wǎng)絡(luò),多

55、級合作表現(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)雜鏈路如何工程碩士學(xué)位論文18影響網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的問題上。(2)硬件演示平臺由于協(xié)作通信設(shè)計了不只一個發(fā)射端和接收端,精確地建模和性能預(yù)測就具有挑戰(zhàn)性了,為了核實這些假設(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的設(shè)計。(3)實際網(wǎng)絡(luò)影響因素改變源節(jié)點和中繼節(jié)點所獲知它們與目的節(jié)點的信道狀態(tài)信息可導(dǎo)致不同的傳輸策略。但為了簡單,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、波束形成和同步的信號處理,用于錯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

56、輸和網(wǎng)絡(luò)協(xié)作開銷,看來沒有一個易處理的模型可足以評價所有的相互作用和折中。然而,為了完成這些事情,在無線測試平臺上進(jìn)行廣泛的方針和實現(xiàn)可能是追求的目標(biāo)。3.53.5 小結(jié)小結(jié)本章針對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)前實現(xiàn)的系統(tǒng)模型,最后針對協(xié)作分集技術(shù)存在的問題做了簡要分析。第 4 章 協(xié)作分集及其關(guān)鍵編碼調(diào)制技術(shù)19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方面:(

57、 1)從信道容量、中斷概率或覆蓋率等方面對采用協(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現(xiàn)“協(xié)作”的信號處理方案;( 3)研究實現(xiàn)信道編碼、調(diào)制、協(xié)作分集一體化的方法;( 4)實現(xiàn)控制用戶間如何相互協(xié)作的協(xié)議。下面,就分別就從信號處理方案入手予以介紹和總結(jié)。4.14.1 實現(xiàn)協(xié)作的信號處理方法實現(xiàn)協(xié)作的信號處理方法針對在用戶端如何相互處理自己和“伙伴”的有用信號的問題,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用戶相互協(xié)作的情況下,總結(jié)兩種方案及其性能

58、的相互比較。4.1.14.1.1 放大放大- -中繼法(中繼法(amplifyamplify andand forwardforward)這是一種簡單的協(xié)作處理方法,即每個用戶接收到加有噪聲的伙伴的信號后進(jìn)行放大,然后重新將這加有噪聲的信號重新發(fā)送給基站。基站接收到用戶和伙伴的信號后再進(jìn)行判決。在這種方案中,盡管協(xié)作者在放大信號的同時也放大了噪聲 ,但基站能接收到兩個獨(dú)立的衰落信號,仍然能起到分集的作用,最后檢測結(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

59、進(jìn)行了詳細(xì)的分析。其研究表明,在高信噪比時,在兩個用戶的情況下,該機(jī)制可以獲得的分集階數(shù)為2。這里,分集階數(shù)可以看作空間不相關(guān)信道的個數(shù)。需要注意的是分集階數(shù)并不簡單地等于天線個數(shù)或參與協(xié)作的用戶數(shù)。在放大轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制中,該機(jī)制假設(shè)已知用戶間信道系數(shù),從而可以進(jìn)行最優(yōu)譯碼。所以,基站端要完成最優(yōu)檢測,還需要知道用戶間信道的狀態(tài)信息。另外,如何采樣、存儲、放大并重傳模擬信號的技術(shù)也是值得研究的問題。4.1.24.1.2 解碼解碼- -中繼法(中繼法(decodedecode andand forwardforward)該方法與傳統(tǒng)中繼方法很接近,每個用戶首先去嘗試檢測出伙伴的數(shù)據(jù)比特,然后將檢測出的

60、比特重新發(fā)送;伙伴可以通過基站或其他技術(shù)進(jìn)行指定,這樣在實際中,每個用戶都有一個伙伴為它提供第二條路徑從而形成分集。解碼一中繼法( decode and forward)又被稱為解碼中繼模式。在該機(jī)制中,工程碩士學(xué)位論文20兩個用戶成對地進(jìn)行相互協(xié)作。每個用戶都具有各自的擴(kuò)頻碼c1(t)和c2(t)。兩個用戶的數(shù)據(jù)比特分別是bi(n),其中 i=1、2,為用戶索引號,n 為信息的時間標(biāo)記。因子aij表示信號幅度,體現(xiàn)了對各部分的功率分配,每個信號周期包括3bit 間隔。這里 x1(t)表示用戶 1 的信號, x2(t)表示用戶 2 的信號。于是可以表示為:(4-1) tcbatcatcbatc

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