（信号与信息处理专业论文）无线通信系统中的编码协作分集与中继技术研究.pdf

哆_ 吃 一 7 fy _ 1 。酣芎。 t h er e s e a r c ho nt h ec o d i n g c o o p e r a t i v e d i v e r s i t ya n dr e l a yt e c h n o l o g y i nw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s m a j o r ：s i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g 一 一_ _ _ - _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ - _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - - - _ _ _ _ _ 一 a d v i s o r ：p r o f l ig u a n g iu n _ _ _ _ _ _ 一 争、 k 一 嘈 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，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己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 虢倒篁 隰峰3 舻日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 签名：j 逊导师签名：二趁 日期：力p 年1 6 月部日 p p - ， 一_ h 、 ， y ； l 、i k ，r 摘要 摘要 在无线通信系统中，无线信道的衰落是影响系统性能的重要因素。分集技术 是对抗衰落的有效手段，而其中采用多天线的空间分集技术由于不占用额外的频 率和时间资源，且分集的阶数不受限制，因而是最常用和有效的分集技术。但在 无线网络的终端设备上，由于受到体积、重量、功耗、成本等因素的限制，实现 多天线较为困难。协作分集技术是在单天线的无线终端间进行协作，相互共享天 线，从而实现虚拟的多天线的分集技术。而协作中继技术则是无中心节点的无线 网络中实现节点间相互通信的关键技术。正是通过节点间的相互协作，互相作为 中继节点，采用中继传输的方式才实现了网络中任意两节点间的通信。协作分集 和中继技术是下一代无线通信网络中的关键技术，本文对该技术进行研究，重点 研究了利用编码技术和调制技术的协作分集和协作中继的机制和协议。主要工作 有： 1 对基于信道编码的协作分集技术进行了研究，对编码协作分集机制进行了 一般性总结；提出了基于l d p c 编码的协作分集机制，以及l d p c 编码结合空时 编码的协作分集机制，并进行了误码性能的分析和仿真。 2 研究了基于旋转星座分集的协作分集技术，将信号空间分集的思想应用到 协作通信中，提出了通过两用户间的协作和二维旋转星座来实现二阶信号空间分 集的机制，并对分集系统的误码性能进行了理论分析和仿真。 3 研究了数字喷泉码在协作中继系统中的应用技术，在中继节点状态固定和 动态变化两种情况下给出了应用数字喷泉码的协作中继机制，并从传输效率和传 输时间两个方面对中继机制的性能进行了理论分析和性能仿真。 4 提出了一种结合数字喷泉码和旋转星座的协作中继机制，对其进行了理论 分析和性能仿真。 关键词：协作分集，协作中继，编码协作，旋转星座，数字喷泉码 j - - i i y 一 1 y k 1 i a b s t r a c t a b s t r a c t f a d i n go fw i r e l e s sc h a n n e l si sa l li m p o r t a n tf a c t o rw h i c hs e r i o u s l yd e g r a d e st h e p e r f o r m a n c eo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m d i v e r s i t yt e c h n o l o g yi sa l le f f e c t i v e m e t h o dt or e s i s tf a d i n g s p a t i a ld i v e r s i t yi sa l le f f e c t i v ed i v e r s i t yt e c h n o l o g ya n dt h u s v e r yc o m m o n l yu s e d d u et ot h eu s eo fm u l t i p l ea n t e n n a s ，i td o e sn o tr e q u i r ea d d i t i o n a l r e s o u r c e so ft i m ea n df r e q u e n c y , a n dt h ed i v e r s i t yo r d e ri si n f i n i t e l i m i t e db yt h e d i m e n s i o n , w e i g h t ，p o w e rc o n s u m p t i o na n dc o s to ft h et e r m i n a le q u i p m e n to fw i r e l e s s n e t w o r k s ，t h ei n s t a l l a t i o no fm u l t i p l ea n t e n n a si sv e r yd i f f i c u l tt or e a l i z e c o o p e r a t i v e d i v e r s i t yi sak i n do fs p a t i a ld i v e r s i t yt e c h n o l o g y , w h i c hi sr e a l i z e db yt h ec o o p e r a t i o n a m o n gt h ew i r e l e s st e r m i n a l se a c ho fw h i c hh a so n l yo n ea n t e n n a t h et e r m i n a l sb u i l da v i r t u a lm u l t i p l ea n t e n n a sa r r a yb ys h a r i n gt h e i ra n t e n n a s c o o p e r a t i v er e l a yt e c h n o l o g y i so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e si nt h ed e c e n t r a l i z e dw i r e l e s sn e t w o r k i ti st h er e l a yt h a t m a k e st h ec o m m t m i c a t i o nb e t w e e na n yt w on o d e so ft h en e t w o r kp o s s i b l et h r o u g ht h e c o o p e r a t i o na m o n gt h en o d e s t h ec o o p e r a t i v ed i v e r s i t yt e c h n o l o g ya n dc o o p e r a t i v e r e l a yt e c h n o l o g y , a r et h ek e yt e c h n o l o g i e so ft h en e x tg e n e r a t i o nw i r e l e s sn e t w o r k s t h i s d i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h es c h e m e sa n d p r o t o c o l so fc o o p e r a t i v ed i v e r s i t ya n d c o o p e r a t i v er e l a ya d o p t i n gc o d ea n dm o d u l a t i o nt e c h n o l o g y t h em a i nc o n t e n ti sa s f o l l o w s 1 t h ec o o p e r a t i v ed i v e r s i t yt e c h n o l o g yb a s e do nc h a n n e lc o d ei sr e s e a r c h e d 。t h e g e n e r a ls c h e m e so fc o d ec o o p e r a t i o na r es u m m a r i z e d ac o o p e r a t i v ed i v e r s i t ys c h e m e b a s e do nl d p cc o d ea n da n o t h e rd i v e r s i t ys c h e m eb a s e do nt h ec o m b i n a t i o no fl d p c c o d ea n da l a m o u t i s s p a c e t i m ec o d ea r ed e v e l o p e d ，a n dt h e i rp e r f o r m a n c e sa r e a n a l y z e da n ds i m u l a t e d 2 a c o o p e r a t i v ed i v e r s i t yt e c h n o l o g yb a s e do nt h er o t a t e d c o n s t e l l a t i o n s t e c h n o l o g y i sr e s e a r c h e d ab a n d w i d t h e f f e c t i v e c o o p e r a t i v ed i v e r s i t ys c h e m ei s p r o p o s e d ，w h i c hi sr e a l i z e db yt h ec o o p e r a t i o nb e t w e e nt w ow i r e l e s st e r m i n a l s a n d 恤 e r r o rr a t ep e r f o r m a n c ei sa n a l y z e da n ds i m u l a t e d 3 ar e l a yt e c h n o l o g ye m p l o y i n gd i g i t a lf o u n t a i nc o d ei s r e s e a r c h e d t h er e l a y s c h e m e sa r ed e v e l o p e di nb o t ht h es c e n a r i ow h e nt h er e l a yn o d e sa r es t a t i ca n dt h a t i i a b s t r a c t w h e nt h er e l a yn o d e sa r ed y n a m i c t h e i rp e r f o r m a n c e sa r ee v a l u a t e dw i t hr e g a r dt o t r a n s m i s s i o nt i m ea n dt r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c y 4 ac o o p e r a t i v er e l a ys c h e m eu s i n gb o t hf o u n t a i nc o d ea n dr o t a t e dc o n s t e l l a t i o ni s d e v e l o p e d ，a n di t sp e r f o r m a n c ei sa n a l y z e da n ds i m u l a t e d k e yw o r d s ：c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y , c o o p e r a t i v er e l a y , c o d ec o o p e r a t i o n ，r o t a t e d c o n s t e l l a t i o n ，d i g i t a lf o u n t a i nc o d e j j j y 一 一 - 一 k ，、 0 目录 目录 第一章绪论1 1 1 无线衰落信道与分集1 1 1 1 无线衰落信道的基本特征1 1 1 1 1 传输衰耗1 1 1 1 2 多径传输的影响2 1 1 1 3 多普勒频移。3 1 1 2 分集技术4 1 2 协作分集5 1 2 1 中继信道5 1 2 2 协作分集6 1 2 3 协作分集系统模型。7 1 2 4 放大一转发与解码一转发。8 1 2 4 1 放大一转发9 1 2 4 2 解码一转发1 0 1 2 4 3 放大一转发和解码一转发的性能仿真结果1 2 1 3 协作中继13 1 4 无线网络1 4 1 4 1 蜂窝网络1 4 1 4 2 a dh o e 网络1 5 1 5 协作分集与协作中继技术的研究情况1 6 1 6 论文的研究方向和结构1 9 第二章编码协作分集技术2 l 2 1 协作系统模型和协作机制2 1 2 1 1 基于线性分组码的编码协作2 2 2 1 2 基于卷积码的编码协作2 2 2 1 3 基于级联码的编码协作2 3 2 1 4 基于乘积码的编码协作2 4 i v 目录 2 1 5 编码协作中可能出现的四种情况2 4 2 2 编码协作分集的成对误码率分析：2 5 2 2 1r a y l e i g h 慢衰落信道下的成对误码概率2 6 2 2 1 1 无协作时的成对误码概率2 6 2 2 1 2 编码协作时的成对误码概率2 7 2 2 2r a y l e i g h 快衰落信道下的成对误码概率2 8 2 2 2 1 无协作时的成对误码概率2 8 2 2 2 2 编码协作时的成对误码概率。2 8 2 3 基于速率兼容打孔卷积码的协作分集2 9 2 3 1 速率兼容打孔卷积( r c p c ) 码2 9 2 3 2 基于r c p c 码的编码协作机制3 0 2 3 3 性能仿真3 1 2 3 3 1r a y l e i g h 慢衰落信道下的性能3 1 2 3 3 2r a y l e i g h 快衰落信道下的性能3 5 2 4 基于低密度奇偶校验编码的协作分集3 6 2 4 ，1 低密度奇偶校验( l d p c ) 编码3 6 2 4 2 基于l d p c 编码的编码协作机制3 7 2 4 3 性能仿真3 7 2 4 3 1r a y l e i g h 慢衰落信道下的性能3 8 2 4 3 2r a y l e i g h 快衰落信道下的性能3 9 2 5l d p c 编码与空时编码相结合的编码协作分集4 1 2 5 1 协作机制4 2 2 5 1 1 接收端一个天线时数据的发送和接收4 2 2 5 1 2 接收端两个天线时数据的发送和接收4 4 2 5 2 性能仿真4 5 2 5 2 1 接收端一天线时的仿真结果4 5 2 5 2 2 接收端两天线时的仿真结果4 5 2 6 本章小结4 7 第三章基于旋转星座的协作分集技术4 9 3 1 引言4 9 3 2 基于旋转星座的协作分集机制5 0 v 纠 y 一 ， k 0 目录 3 3 旋转星座的设计5 3 3 4 信号的调制与接收5 4 3 5 性能分析。5 8 3 5 1 第一阶段用户间传输的误符号率5 8 3 5 2 完全差错检测方式的误符号率上界5 9 3 5 2 1 协作时( 情况1 1 ) 的误符号率上界。5 9 3 5 2 2 非协作时( 情况1 2 ) 的误符号率上界6 l 3 5 2 3 系统处于两种情况的概率6 2 3 5 3 独立差错检测方式的误符号率上界6 2 3 5 3 1 情况2 3 时的误符号率上界6 3 3 5 3 2 情况2 4 时的误符号率上界6 3 3 5 3 3 系统处于四种情况的概率6 5 3 6 性能仿真6 5 3 7 本章小结6 8 第四章中继节点状态不变时的喷泉协作中继技术。6 9 4 1 数字喷泉码概述6 9 4 1 1 数字喷泉码简介6 9 4 1 2r s 码7 0 4 1 3 随机线性喷泉码7 l 4 1 4i t 码7 2 4 1 5r a p t o r 码7 3 4 2r s 作为喷泉码的编码和迭代译码方法7 3 4 2 1 编码7 4 4 2 2 译码7 5 4 3 中继节点状态不变时的喷泉中继系统7 7 4 3 1 系统模型7 8 4 3 2 源节点一中继节点间的传输性能分析7 9 4 3 2 1 喷泉传输方式7 9 4 3 2 2 普通传输方式8 1 4 3 3 中继节点一目的节点间的传输性能分析8 2 4 3 3 1 能量累积喷泉传输方式8 2 v i 目录 4 3 3 2 信息累积喷泉传输方式8 4 4 3 3 3 普通传输方式8 5 4 3 4 性能仿真8 6 4 4 本章小结：8 8 第五章中继节点动态变化时的喷泉协作中继技术8 9 5 1 系统模型和传输机制8 9 5 1 1 系统模型8 9 5 1 2 喷泉传输机制9 0 5 1 3 普通传输机制9 0 5 2 中继节点数量固定、转发能力变化时的性能分析9 l 5 2 1 喷泉传输性能分析9 1 5 2 1 1 源节点一中继节点9 1 5 2 1 2 中继节点一目的节点9 1 5 2 2 普通传输性能分析9 4 5 2 2 1 源节点一中继节点9 4 5 2 2 2 中继节点一目的节点。9 6 5 3 中继节点数量和转发能力均动态变化时的性能分析9 7 5 3 1 喷泉传输性能分析9 8 5 3 1 1 源节点一中继节点9 8 5 3 1 2 中继节点一目的节点。9 8 5 3 2 普通传输性能分析9 9 5 3 2 1 源节点一中继节点9 9 5 3 2 2 中继节点一目的节点9 9 5 4 性能数值计算和仿真结果9 9 5 4 1 中继节点数量固定时的结果1 0 0 5 4 2 中继节点数量变化时的结果1 0 6 5 5 本章小结1 1 0 第六章结合数字喷泉码和旋转星座的协作中继技术。1 1 1 6 1 协作中继传输机制1 1l 6 1 1 中继机制1 1 2 6 1 2 星座的旋转1 1 3 v i i j 。， 一 一 一 k q 目录 6 1 3 目的端信号的检测1 1 4 6 2 性能分析1 1 4 6 2 1 源节点一中继节点间的传输性能分析1 1 5 6 2 1 1 包错误率上界1 1 5 6 2 1 2 平均发送数据包数和传输时间1 1 6 6 2 2 中继节点一源节点间的传输性能分析1 1 6 6 2 2 1 包错误率上界1 1 6 6 2 2 2 平均发送数据包数和传输时间1 1 8 6 3 性能仿真1 1 9 6 4 本章小结1 2 4 第七章结束语1 2 5 7 1 本论文所做的工作和取得的研究成果1 2 5 7 2 进一步的研究工作1 2 6 致谢1 2 8 参考文献1 2 9 作者攻读博士学位期间完成的论文1 4 3 作者攻读博士学位期间参加的科研项目。1 4 5 v i i i j 、 一 j y k q 数学符号和缩写词 1 数学符号和缩写词 论文中用到的数学符号 符号类别 示例 标量变量a ，a 矢量变量 a 矩阵变量a 转置，彳t 成正比a b 均值 + 彳 求均值 e 口】 估计值 ； 合并或修正值厅 高斯q 函数q 取实部r e 嘲 取虚部 i i i l 嘲 求共轭 x 指数函数 e x p ( x ) 向上取整 i - x l 函数取得最小值的变量值 a r gm i n ( x ) 】 论文中用到的缩写词 a f a m p l i f y a n d f o r w a r d a r q a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t a w g na d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s e b e rb i te r r o rr a t e b p s k b i n a r yp h a s e - s h i f tk e y i n g c cc o d ec o o p e r a t i o n c d m ac o d e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s c r c c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k i x 说明 小写或大写斜体 小写粗斜体 大写粗斜体 a 与b 成正比 随机变量a 的均值 求随机变量彳的均值 信号s 的估计值 信号或变量a 的合并值或修正值 取复数x 的实部 取复数x 的虚部 取复数x 的共轭 等价于矿 取不小于x 的最小整数 取使瓜) 为最小值的x 放大一转发 自动重发请求 加性高斯白噪声 误比特率 二进制相移键控 编码协作 码分多址 循环冗余校验 数学符号与缩写词 d f d e c o d e a n d f o r w a r d解码一转发 d e t e c t a n d f o r w a r d检测一转发 f r c d f d m a f e c g f h e c i e c j e c l d p c m i m 0 m i s o m l p a m p e p p e r p s d q a m q p s k r c c d r c p c r s s e r s i m o s n r s s d s t c t d m a f o u n t a i nc o d e s - r o t a t e d c o n s t e l l a t i o nd i v e r s i t y 行e q u e n c y - d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n g a l o i sf i e l d h y b r i de r r o rc o r r e c t i o n i n d e p e n d e n te r r o r - c h e c k i n g j o i n te r r o r - c h e c k i n g l o w - d e n s i t yp a r i t y c h e c k m u l t i p l e - - i n p u tm u l t i p l e - - o u t m u l t i p l e i n p u ts i n g l e - - o u t m a x i m u ml i k e l i h o o d p u l s ea m p l i t u d em o d u l a t i o n p a i r w i s ee r r o rp r o b a b i l i t y p a c k e te r r o rr a t e p o w e rs p e c t r a ld e n s i t y q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n q u a d r a t u r ep h a s e - s h i f tk e y i n g c o o p e r a t i v ed i v e r s i t yw i t h r o t a t e dc o n s t e l l a t i o n s r a t e - c o m p a t i b l ep u n c t u r e d c o n v o l u t i o n a l r e e ds o l o m o n s y m b o le r r o rr a t e s i n g l e i n p u tm u l t i p l e - o u t s i g n a l t o - n o i s er a t i o s i g n a ls p a c ed i v e r s i t y s p a c et i m ec o d e t i m e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s x 喷泉编码一旋转星座分集 频分多址 前向纠错 伽罗华域 混合纠错 独立差错检测 联合差错检测 低密度奇偶校验 多输入多输出 多输入单输出 最大似然 脉冲幅度调制 成对误码概率 包错误率 功率谱密度 正交幅度调制 正交相移键控 旋转星座协作分集 速率兼容打孔卷积 里德一所罗门 误符号率 单输入多输出 信噪比 信号空间分集 空时编码 时分多址 j k 第一章绪论 无线通信技术在过去的2 0 多年里得到了快速的发展。目前移动通信网络已经 发展到了第三代，而且还在不断发展，系统容量和传输速率在不断提高。相比较 有线通信，无线通信网络中的终端是可移动的，传输信道的变化较有线信道要复 杂，且无线信道的频谱资源是有限的，因而其传输信道的分析和信号的处理要复 杂得多，提高信道的频谱利用率的要求也较有线信道要迫切。本章首先简单介绍 无线信道的特点和分集技术，然后介绍协作分集技术的基本原理，以及协作中继 技术的概念，并对协作分集技术和协作中继技术的研究情况作简单的综述，最后 介绍论文的内容安排。 1 1 无线衰落信道与分集 1 1 1 无线衰落信道的基本特征 在无线通信系统中，信息的传送是通过无线电波在空间的传播进行的。相比 较有线信道稳定和可预测的传输特性，无线信道的传输特性则是变化的，其性能 的分析也要困难得多。无线电波的传输有三种主要传输特性：反射、衍射和散射1 1 。 信号通过无线信道进行传输时，要受到以下几个方面的影响：传输衰耗、多径传 播、信道时变等。 1 1 1 1 传输衰耗 信号在无线信道中传输时的衰耗主要有三种类型：路径损耗、阴影衰落和小 尺度衰落。 1 路径损耗 电磁波在无线信道中传输时，由于信号传输中的扩散特性，接收天线所接收 到的信号能量只是发送信号能量的一小部分。同时，电磁波在传输中还有部分能 量被空气吸收。这样，即使传输过程中无其它因素的影响，接收到的信号强度也 要远低于发送信号强度。这种传输中固有的损耗称为路径损耗。当发送天线和接 收天线间隔足够远时，路径损耗与传输路径长度的，z 次方成正比。在自由空间中， 玎= 2 【l 】o 1 电子科技大学博士学位论文 2 阴影衰落 电磁波在传输过程中，如果遇到如树木、建筑物、山丘等较大的障碍物的阻 挡、电磁波无法绕过时，会在障碍物的后面形成电磁波的阴影，造成电磁场强度 的严重下降，引起信号的严重衰减，这种衰减称为阴影衰落。由于路径损耗和阴 影衰落是在传输距离和障碍物的尺寸相对于电磁波的波长较大时才表现出来，因 此这两种衰落又称为大尺度衰落。 3 小尺度衰落 电磁波在空间传播时，由于存在反射现象，以及散射和衍射现象的存在，到 达接收天线的信号可能经过了多条不同长度的路径，而这些经过不同路径传播的 信号在到达接收天线时所需要的传输时间不相同，因此这些多径信号在到达接收 天线时相位也不再相同。这些信号叠加在一起可能导致信号的加强，也会导致信 号的减弱。由于多径传输造成的信号衰落在收发天线间的距离相比较信号波长有 很小的变化时就会有明显的变化，因此又称为小尺度衰落。 图1 1 是无线信道的传输衰耗随发送机和接收机间距离变化而变化的示意图。 横坐标为距离的对数，纵坐标为传输衰耗，单位为分贝( d b ) 。 ，、 3 耀 懈 簿 颦 0 l o g l o ( d ) 图1 1 无线信道的传输衰耗 1 1 1 2 多径传输的影响 假设传输的信号为带通信号： 2 式中，仅一( f ) 和砀( d 分别是第疗条路径的传输损耗和延时。将式( 1 1 ) 代入上式，可得 广r11 x ( f ) = r e i ( f ) e - j 2 n f e r n ( t ) s it - - ( ，) 】 e j 2 吮l ( 1 3 ) ll n j j 其等效低通信号为 五( f ) = c t ( t ) e 一2 矾如函【f 一毛o ) 】= o ) e 一岛o 西p 一乙o ) 】( 1 - 4 ) n 打 式中，皖( f ) = 2 蜕0 ( f ) 。信道的等效低通冲激响应为 办( f ；f ) = ( r ) e 一岛8 t - r ( t ) 】 ( 1 5 ) 由于载波频率五一般很高，砀( o 间的细小差别都会带来多路信号间较大的相位 差别。由于( 力是随机变化的，导致力) 也是随机变化的。 按照信道冲激响应的模i 办心d i 的分布特性，常见的衰落信道有r a y l e i g h 衰落信 道、r i c e 衰落信道、n a k a g a m i m 衰落信道等。 多径传输在时域中对信号的影响是造成信号的延时扩展，在频域对信道的影 响则是相关带宽。衰落信道的相关带宽可以认为是信道在该带宽内是平坦的，或 者是在该频带内的频率分量间有很强的相关性。时延扩展越大，则相关带宽越小。 当信号的带宽小于信道的相关带宽时，虽然信号要受到衰落的影响，但其频谱的 特性不会发生明显失真。此时，称信道衰落为平坦衰落。而当信号的带宽大于信 道的相关带宽时，信号的频谱特性则会发生明显失真，在时域的表现为引起明显 的符号间干扰。此时，信道衰落为频率选择性衰落。 1 1 1 3 多普勒频移 在无线通信中，由于收发双方的相对运动，会带来接收信号的多普勒频移兀： 兀= c o s 0( 1 6 ) 几 式中，v 是收发双方间相对运动的速度，五为电波波长，日为运动方向与电波传输 方向间的夹角。 由于物体的运动造成信道的时变特性，其在频域上的表现即为信号频谱的多 3 电子科技大学博士学位论文 普勒扩展，而信道在时域上的表现为相关时间，是一个衡量信道冲激响应变化速 度的统计量。在相关时间内的信号之间具有较大的相关性。多普勒频谱扩展越大， 则相关时间越短。如果信道的变化速率与信号变化的速率相近，则称信道为快衰 落信道，反之则称为慢衰落信道。 1 1 2 分集技术 通过衰落信道传输信号时，由于衰落的变化，将导致接收信号的强度也在不 断的变化。当信道处于深度衰落时，接收方接收到的信号非常微弱，会导致接收 错误。为达到与非衰落信道相同的传输性能，衰落信道下需要更大的信号发送功 率。分集技术是提高衰落信道下系统性能的有效手段，其核心思想是接收方能得 到承载同一信息的、经过多个相互独立的信道传输的信号。如果信道处于深度衰 落使得信号不能正确接收的概率为p ，而接收方能收到三个经过相互独立的信道传 送的信号，那么三个信道同时处于深度衰落而使接收方不能正确接收信息的概率 为矿，而p l p 。因此衰落的影响能通过分集在很大程度上得到克服。常用的分 集技术有： ( 1 ) 极化分集：采用具有两个不同极化方向的发送和接收天线发送和接收信 号。信号在传输过程中由于反射、散射后其极化方向会发生变化，同时反射体和 散射体对不同极化方向的电磁波作用不一样，这样经过传输后，两个极化方向天 线上发送或接收到的信号的衰落情况就是不相关的。 ( 2 ) 频率分集：承载同一信息的信号通过不同的传输频带进行传输。如果这些 频带间的间隔大于信道的相关带宽，则可以认为在这些频带上传输的信号经历的 衰落是不相关的。 ( 3 ) 时间分集：承载同一信息的信号通过不同的时隙进行传输。如果时隙间的 间隔大于信道的相关时间，则可以认为通过这些时隙传输的信号经历的衰落是不 相关的。 ( 4 ) 空间分集：承载同一信息的信号通过多个发送天线或接收天线，或两者的 结合进行发送和接收。为使任何两个发送一接收天线间信道的衰落具有较小的相 关性，在采用全向天线，且散射物分布较为均匀时，要求发送天线间或接收天线 间的距离至少在半个信号波长以上；而当采用定向天线时，则要求两天线间的距 离在几个甚至几十个信号波长以上【2 1 。如果采用多个发送天线，则称为发送分集、 多输入单输出( m i s o ) 系统；采用多个接收天线则称为接收分集、单输入多输出 4 第一章绪论 ( s i m o ) 系统；具有多个发送和接收天线的则称为多输入多输出( m i m o ) 系统。 由于空间分集不占用额外的频率或时间资源，传输效率较高，同时分集信号 的个数不受限制，因此可获得很高的分集增益，是使用最广泛的分集方式。 1 2 协作分集 空间分集是对抗无线信道衰落的有效手段，m i m o 系统能获得高阶的分集增 益，可有效降低传输误码率；或在保持误码率的不变的情况下降低发送功率，或 提高系统容量【3 】【4 】。但在诸如蜂窝移动通信、无线传感器网络这样的无线通信系统 中，终端设备( 如手机) 由于受到体积、重量、功耗及成本等因素的限制，实现 多天线技术较为困难。即使在终端设备上实现了多天线，但由于天线间的距离不 够远，也不能获得明显的分集增益。这样物理上的多天线就只能在基站上实现。 协作分集的核心思想是通过在只有单天线的终端用户间进行协作，以某种方式相 互共享他们的天线，实现虚拟的多天线，从而获得分集增益，改善系统性能。 1 2 1 中继信道 协作分集的思想可以追溯到c o v e r 和e 1g a m e l 研究的中继信道【引。在中继信 道中，有三个节点：源节点、目的节点和中继节点，如图1 2 所示。源节点发送信 号；中继节点接收源节点发送的信号，对接收到的