（通信与信息系统专业论文）无线通信中协作分集技术的研究(1).pdf

摘要 由于受体积、功耗的限制，不能在移动终端上安装多天线，因此，人们提出 了协作分集技术。该技术通过移动终端共享彼此的天线实现虚拟m i m o ，从而获 得发射分集增益以对抗无线信道中的多径衰落，有效改善上行链路的性能。 论文首先对各种分集技术和协作分集技术的原理进行介绍，然后针对两用户 协作分集模型，在传统译码转发和编码协作方案的基础上，结合自适应调制的思 想，提出了一种自适应调制的协作分集方案，根据反馈回来的信道质量状况与信 噪比门限的比较来动态调整系统的调制方式，在保证一定误比特率的情况下充分 利用信道状态信息来提高频谱效率，随后讨论了结合网络编码技术的译码转发和 编码协作方案，与传统方案相比，这两种结合网络编码的协作方案在误码率为1 0 4 处大约都有1 s d b 的性能增益。 最后提出了一种基于正交信号的译码转发改进方案，该方案引入卷积编码， 进一步提高了系统的性能。针对两用户协作模型，结合网络编码和正交调制的思 想，提出了一种改进的中继协作方案，在不增加额外资源的基础上提高了系统的 分集增益。 关键词：协作分集自适应调制网络编码正交信号译码转发 a b s t r a c t d u et ot h el i m i t a t i o n si ns i z e ，p o w e ra n dc o s t , i t sh a r dt oe q u i pm u l t i p l ea n t e n n a s a tt h eo n em o b i l et e r m i n a l t h u s ，c o o p e r a t i v ed i v e r s i t yh a sb e e np r o p o s e d i tm e a n st h a t m o b i l et e r m i n a l ss h a r ea n t e n n a so fe a c ho t h e rt og e n e r a t eav i r t u a lm i m ot h a tc o u l d a c h i e v et r a n s m i td i v e r s i t yg a i nt oc o m b a tt h em u l t i p a t hf a d i n gi nw i r e l e s sc h a n n e l s ，a n d i m p r o v et h eu p l i n kc h a n n e lp e r f o r m a n c ee f f i c i e n t l y f i r s t l y , v a r i o u sd i v e r s i t yt e c h n o l o g i e sa n dt h ep r i n c i p l eo fc o o p e r a t i v ed i v e r s i t ya l e o u t l i n e d n e x t , o nt h eb a s i so ft w ou s e r s c l a s s i c a ld e c o d e a n d f o r w a r ds c h e m ea n d c o d e dc o o p e r a t i o ns c h e m e ，a c o o p e r a t i v ed i v e r s i t ys c h e m ec o m b i n i n ga d a p t i v e m o d u l a t i o ni sp r o p o s e d t h et r a n s m i t t e r sa d a p t i v e l yv a r yt h em o d u l a t i o ns c h e m e sb y c o m p a r i n gt h e t h r e s h o l dw i t ht h er e t u r n e dn e a r - i n s t a n t a n e o u s c h a n n e l q u a l i t y i n f o r m a t i o n w i t h o u ts a c r i f i c i n gb e r , t h i sa d a p t i v em o d u l a t i o ns c h e m ep r o v i d e sa h i g h e ra v e r a g es p e c t r a le f f i c i e n c yb yt a k i n ga d v a n t a g eo fc h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n t h e n ，t w ou s e r s d e c o d e a n d f o r w a r ds c h e m ea n dc o d e dc o o p e r a t i o ns c h e m eb a s e d o nn e t w o r kc o d i n ga r ei n v e s t i g a t e d n u m e r i c a lr e s u l t ss h o wt h a tt h e s et w os c h e m e s b a s e do nn e t w o r k c o d i n gc a r la c h i e v ea b o u t1 8 d bg a i no v e rt h ec l a s s i c a ls c h e m e sw h e n b i te r r o rr a t ei s1 0 4 f i n a l l y , a ni m p r o v e dd e c o d e - a n d - f o r w a r ds c h e m eb a s e do no r t h o g o n a ls i g n a l i n gi s p r o p o s e d ，w h i c hi n t r o d u c e sc o n v o l u t i o n a ie n c o d i n gt oe n h a n c et h es y s t e mp e r f o r m a n c e o nt h eb a s i so ft w ou s e r s c o o p e r a t i v em o d e l ，a ni m p r o v e dr e l a ys c h e m eb a s e do n n e t w o r kc o d i n ga n do r t h o g o n a lm o d u l a t i o ni sp r o p o s e d , w h i c hi n c r e a s e st h ed i v e r s i t y g a i nf u r t h e r , w i 也n on e e df o ra d d i t i o n a lr e s o u r c e s k e y w o r d ：c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y a d a p t i v em o d u l a t i o n n e t w o r kc o d i n g o r t h o g o n a is i g n a l i n g d e c o d e - a n d f o r w a r d 西安电子科技大学 学位论文独创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担切的法律责任。 本人签名：煎熬速日期型二三腥 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，l 年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名：e t 期丝丝! 呈：! 塾 第一章绪论 第一章绪论 本章由移动通信技术的发展引出了协作分集技术产生的背景，介绍了协作分 集的历史发展与研究现状，并给出了本文的主要研究内容及安排。 1 1 研究背景 移动通信是当代通信领域内发展潜力最大、市场前景最广阔的热点技术之一。 到目前为止，移动通信的发展经历了三代，第一代移动通信系统( 1 g ) 主要采用模拟 技术，随着市场对移动通信容量的巨大需求，1 g 频谱利用率低，信令干扰语音业 务等缺陷也逐渐暴露出来了。第二代移动通信系统( 2 g ) 是在克服l g 不足之处的基 础上发展起来的，主要采用时分多址( t d m a ) 和码分多址( c o m a ) 的数字调制方式， 提高了系统容量，并采用了独立信道传送信令，使系统性能大为改善。随着社会 进步及用户数量的急剧增长，频谱资源日益紧张，因此发展第三代移动通信系统 ( 3 g ) 是社会需求和技术发展的必然。2 0 0 1 年4 月国际电信联盟i t u 正式确立欧洲 w c d m a 、美国c d m a 2 0 0 0 和中国t d s c d m a 为世界三大3 g 标准。在2 0 0 7 年1 0 月， 无线宽带技术w i m a x 正式成为3 g 标准之一，以o f d m aw m a nt d d 的名义成为 3 g 的新成员。第三代移动通信系统不仅能够提供比第二代移动通信系统更大的系 统容量和更好的通信质量，而且能在全球范围内更好的实现无缝漫游以及为用户 提供包括语音、数据和多媒体业务。可以说，移动通信已深刻地影响了人们的生 活方式，为社会进步、经济发展做出了巨大的贡献。在3 g 大规模商用以后，多媒 体服务与应用将会得到广大推广，而3 g 在速率、服务质量、无缝传输等方面的局 限性也日益暴露出来，势必需要带宽更宽的无线系统。未来移动通信必定是容量 更大、速率更高、功能更强的宽带移动通信系统。由此可以看出，随着移动通信 技术的不断发展，人们对移动通信的数据传输速率、服务质量提出了更高的要求， 但是，移动通信是在复杂的干扰环境中运行，其信道的多径衰落特性会严重影响 数据的传输速率与质量，因此，如何抵抗多径衰落便成为我们要解决的首要问题。 研究表明，分集技术能够有效抵抗多径衰落的影响，其基本思想是分散接收， 集中处理，具体来讲就是使接收端能得到多个携带同一信息的、统计独立的衰落 信号，并把这些信号进行适当的合并。常见的分集技术有时间分集、频率分集、 空间分集等，其中时间分集和频率分集必须使用额外的时间或频谱资源来引入发 射信号的冗余副本，这样会导致资源利用率的降低，而空间分集则可以避免这一 问题，因此得到了广泛的关注。空间分集，也称为天线分集，即从不同的位置( 天 2 无线通信中协作分集技术的研究 线) 发送信号，实际中只要各天线问的距离大于发送信号波长的一半，就可以认为 信号是经历互不相关的衰落信道传输，在接收端得到多个经历独立衰落的信号副 本，经过恰当的合并可以有效地消除多径衰落的影响。多输入多输出( m u l t i p l ei n p u t m u l t i p l eo u t p u t ，m i m o ) 技术就是空间分集的典型应用。 m i m o 技术是在通信链路的发送端与接收端均使用多个天线，即通过发射分 集和接收分集来实现抗多径衰落，它把通信系统中存在的多径因素变成了对用户 通信有利的因素，可以极大提高系统的容量和可靠性，而且不需要占用额外的带 宽或时间资源，是对抗多径衰落、提高信道传输容量的一种有效方法。 1 2 协作分集的历史发展与研究现状 m i m o 技术能够极大地提高系统的数据传输速率和传输质量，因此受到越来 越多的关注，但是由于移动终端体积、功耗、处理信息复杂度等的限制，不能在 移动终端上安装多天线，这就限制了m i m o 技术的应用。为了克服实现上的困难， 一种适用于单天线系统的虚拟m i m o 技术一协作分集( c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y ) 应运 而生，它的基本思想是使移动终端按照一定的方式共享彼此的天线，从而产生一 个虚拟的m i m o 系统以获得发射分集增益。 s e n d o n a r i s t l 】【2 】【3 】等人最早提出了协作分集的概念，他们在信息论上对信道容量 和中断概率所做的分析揭示了协作分集的巨大潜力。研究表明，协作分集不但能 提高系统传输速率，还可以降低系统的中断概率。在s e n d o n a r i s 工作的同一时期， j n l a n e m a n l 4 1 1 5 1 和t e h u n t e r l 6 1 7 搁提出了多种协作方案并对这些方案的性能进 行了分析。 协作方案有不同的分类方式，根据协作用户数目的多少可以分为：两用户协 作方案和多用户协作方案；根据中继是否具有信道自适应性可以分为：固定型中 继方案、选择型中继方案和增强型中继方案，其中固定型中继在任何情况下都进 行中继，而选择型中继只有满足一定的条件( 如中继译码正确、用户间信道信噪比 达到某- f 3 限) 时才进行中继，而增强型中继只在直传出错时才考虑中继；根据中 继对源节点数据的不同处理方式可以分为：放大转发( a m p l i f y a n d f o r w a r d ，a f ) 、 译码转发( d e c o d e a n d f o r w a r d ，d f ) 和编码协作( c o d e dc o o p e r a t i o n ，c c ) ，其中a f 对 接收信号放大后直接转发出去，而d f 贝j 是先进行解调和译码，然后重新进行编码 和调制通过中继发送，由于a f 和d f 从编码角度来看，是一种效率较低的重复编码， h u n t e r 9 1 1 l o 】等人提出了编码协作的思想，它将用户协作与信道编码结合起来，转发 的是源信息的冗余而不是重复，因而编码效率更高，而且能够获得额外的编码增 益。 第一章绪论3 近几年，学者们针对现有的协作分集方案展开了深入的研究，并涌现出大量 的研究成果。 ( 1 ) 两用户协作方案 重复协作分集( a f 和d f ) a f 1 1 1 【1 3 】、d f t l l l 【1 2 1 是被研究最多的两种中继方案，文献【1 4 1 6 】提出了一些混 合中继的方案，例如文献【1 4 】对协作方案进行了改进，将a f 与d f 方案结合起来， 提出了一种混合的方案类型：译码放大转发( d a f ) ，该方案采用软输出译码，使协 作用户转发软信息至目的端，研究证明，该方案在同等条件下比a f 方案具有更加 优越的性能。 在中继的编码方式上，对于早期的d f 方案【l l 】【1 3 】【1 7 1 ，中继采用的是重复编码 方式，即源和中继采用相同的信道编码，后来，并行编码的方式被提出，即源和 中继采用不同的信道编码，使得性能有了一些提高【l 引，但是并行编码也有一定的 缺陷，实现起来比较复杂，为了解决这一问题，文献【1 9 】提出了一种新的半双工 d f 中继方案，在中继处采用部分重复编码，即如果中继能正确译出接收到的信息， 它采用与源节点相同的信道编码方式对译出的信息重新编码，但是只发送一部分 重新编码后的码字，与传统的d f ( 发送重新编码后的整个码字) 相比性能增益有了 很大提升，而且以更低的复杂度达到与并行编码相同的性能。 编码协作分集( c c ) c c 方案将信道编码技术与协作分集技术有机地结合起来，进一步改善了系统 性能。文献【2 0 研究证明c c 方案的中断率性能比a f 和d f 方案都要好，而且h u n t e r 还证明它的性能优于空时协作方式口。除此以外，c c 方梨2 2 】【2 3 】还能够进一步提高 吞吐率，具有较高的灵活性。在码型的选择上，文献【2 4 】采用了速率匹配穿孔卷积 码( r a t ec o m p a t i b l ep u n c t u r e dc o n v o l u t i o n a lc o d e ，r c p c ) 来实现c c 方案。文献 2 5 】 分析了速率匹配穿孔t u r b o 码( r a t ec o m p a t i b l ep u n c t u r e dt u r b oc o d e ，r c p t ) 在c c 中的应用。文献【2 6 】给出了一种适合用户协作且编码复杂度比l d p c 低、译码复杂 度比t u 帕。低的卷积码，它能保证更好的通信质量。文献 2 7 1 将空时编码和正交频 分复用技术( o f d m ) 应用到异步协作通信系统中，提出了一种高速的空频编码方 法，而且能达到完全协作。 另外，在协作分集技术中融合网络编码技术【2 8 】也是一个重要的研究方向。网 络编码首先在理想的有线网络中被提出，后来应用到无线网络领域提高了系统的 性能【2 9 】【3 0 】。文献 2 9 】研究表明结合网络编码技术的系统性能有了明显提高。网络编 码技术还用于d f t 3 0 】和c c 方案中。文献【3 1 】采用网络编码技术，使得用户产生新 的校验码字来保护自身和协作用户的信息。文献 3 2 】提出了一种新的方案，将网络 编码的思想加入到编码协作中，用户在第二时隙将自身的校验码字和对方的校验 码字叠加起来一起发送到目的端，该方案可以达到完全分集，而且比传统的编码 4无线通信中协作分集技术的研究 协作方案更有优势。 为了有效的提高协作通信系统的整体性能，一些学者在调制方式以及功率等 无线资源的优化分配上也做了一些研究。在调制方面，文献 3 3 1 采用差分调制技术 来实现两用户协作分集，这种方案使得系统在协作过程中不需要任何用户或终端 的信道状态信息( c s i ) ；在功率分配方面，以不同性能为优化目标的功率分配方法 也相继被提出。文献【3 4 】给出了基于a f 单中继节点的符号误码率和最优功率分配 策略。文献 3 5 1 分析了基于d f 单中继节点的符号误码率，并提出了最佳功率分配 策略，在此策略中，发射端的符号加入了c r c 校验码字，中继根据c r c 来决定 是否协作。文献 3 6 】提出了另一种基于d f 单中继节点的功率分配策略：最佳门限 选择分配策略，发射端的符号不需要加入了c r c 校验码字，中继根据接收到的信 噪比与门限值的比较确定是否协作。文献 3 7 】提出了一种基于自适应协作编码 ( a c c ) 的中继方案，协作水平随着信道条件自适应变化，同时提出了一种次最优功 率分配算法来提高a c c 的性能。 ( 2 ) 多用户协作方案 无线网络环境下的多用户协作方案同样是当前研究的热点。文献 3 8 1 分析了在 a dh o e 网络中，关于协作分集的伙伴选择问题，得到了协作伙伴的确定方法以及更 新伙伴的时间间隔。文献 3 9 1 提出了一种在a dh o c 网络中将h a r q 协议与协作分集 相结合的机制，文献 4 0 】研究表明，在无线传感器网络协议的基础上，加入协作分 集和空时编码技术，使系统性能得到大幅度提高。文献【4 1 研究了在传感器网络中， 当中继节点与目的节点之间的信道状况很好时，多个节点如何帮助接收节点接收 信息。文献【4 2 】分析了无线传感器网络中利用发送信息的相关性相互协作的系统传 输速率。文献 4 3 】针对协作分集在a dh o e 网络中的路由性能问题进行了讨论，研究 证明，在一个大范围的a dh o e 网络中，采用协作分集进行端对端的通信可以有效 减少能量消耗并提高其鲁棒性。文献 4 4 1 提出了无线网络环境下多节点的协作分集 方案，并分析了当节点数为n 时，协作系统的可靠性性能。文献【4 5 】研究了一种新 的多用户编码协作方案，对于n 个用户，该方案可以在适当的高信噪比下达到n 阶 全分集。 在最近的研究中，人们开始把协作分集与o f d m 技术结合起来。文献【4 6 4 7 】 分析了o f d m 系统采用协作分集方案后的系统差错率性能，得到了高信噪比情况下 系统的分集增益。文献 4 8 贝j j 分析t s t b c o f d m 协作分集系统在时间与载频不能 理想同步情况下的性能。 虽然协作分集技术已经受到国内外的广泛关注，并涌现了大量的研究成果， 但是作为一种新技术，仍然存在一些问题： ( 1 ) 协作分集技术在多种动态衰落信道条件下的应用问题：目前对协作分集的 研究工作大多假设信道是平坦瑞利块衰落，然而，在实际的通信系统中，无线信 第一章绪论 道比单一衰落信道复杂的多，因此对快衰落、频率选择性衰落以及多种动态衰落 信道条件下的协作分集模型进行研究具有更实际的意义。 ( 2 ) 多用户网络中的伙伴选择问题：如何在一个多用户协作分集系统中划分协 作伙伴，当移动用户的位置发生改变时协作伙伴该如何处理，隔多长时间重新划 分协作伙伴，这些都是需要进一步解决的问题，如果可以根据信道的状况来自适 应的决定是否协作，让哪些用户协作，以及协作的水平，则有可能进一步提高系 统的性能，因此这方面的研究也是非常重要的。 ( 3 ) 异步条件下的协作分集问题：现有对协作分集系统的研究大多假设各用户 之间是理想同步的，即协作用户间，协作用户和目的端之间都是理想同步的，然 而实际的情况是参与协作的各个用户需要以分布式的方式处理信息，难以做到理 想同步，这就需要研究在异步条件下的协作分集技术。 ( 4 ) 协作方案中编码和调制的设计问题：如何高效的运用编码与调制技术，进 一步增强系统传输的可靠性和提高频谱利用率，这些都是需要研究的问题。 针对协作分集方案编码调制的设计问题，本文首先提出了一种自适应调制的 协作分集方案，在保证一定误比特率的情况下充分利用信道资源来提高频谱效率，1 然后提出了一种基于正交信号的译码转发改进方案，引入卷积编码，进一步降低 了系统的误码率性能，最后结合网络编码和正交调制的思想，提出了一种改进的 中继协作方案，在不增加额外资源的基础上提高了协作系统的分集增益。 1 3 论文组织安排 论文的主要内容安排如下： 第一章由移动通信技术的发展引出了协作分集技术产生的背景，介绍了协作 分集的历史发展、研究现状以及存在的问题，并给出了本文的主要研究内容及安 排。 第二章首先介绍了主要的分集技术( 时间分集、频率分集、角度分集、极化分 集、场分量分集、空间分集等) ，然后比较了三种常用合并方式( 选择式合并、最 大比值合并以及等增益合并) 的合并增益，最后针对不同的分类方式对现有的中继 方案分别进行了研究。根据中继是否具有信道自适应性介绍了固定型中继、选择 型中继和增强型中继三种中继方案；根据中继对源节点信息的处理方法不同分别 讨论了放大转发、译码转发和编码协作方案。 第三章首先针对两用户协作分集模型，在传统译码转发和编码协作方案的基 础上，提出了一种自适应调制的协作分集方案，在保证一定误比特率的情况下充 分利用信道资源来提高频谱效率，然后将网络编码技术与协作分集技术结合起来， 6 无线通信中协作分集技术的研究 采用卷积编码，建立了基于网络编码的译码转发和编码协作模型，进一步提高了 协作系统的性能。 第四章首先提出了一种基于正交信号译码转发的改进方案，在发射端采用卷 积编码，接收端采用v i t e r b i 译码，进一步降低了系统的误码率性能，其次，针对 两用户协作模型，结合网络编码和正交调制的思想，提出了一种改进的中继协作 方案，从而在不增加额外资源的情况下提高系统的分集增益。 第五章总结全文，并对今后的工作提出建议。 第二章分集技术 7 第二章分集技术 分集技术是一种十分有效的抗衰落技术，其基本思想是产生多个携带同一信 息且相互独立的衰落信号，然后对收到的多个独立的衰落信号进行适当的合并， 从而降低衰落的影响，改善系统的性能。本章首先介绍了常见的分集技术与合并 方式，然后讨论了协作分集技术的原理，最后针对不同的分类方式对现有的中继 协作方案分别进行了研究。 2 1 分集技术 根据接收端获得多个相互独立信号的方式，分集技术可以分为时间分集、频 率分集、角度分集、极化分集、场分量分集、空间分集等。 ( 1 ) 时间分集 时间分集是在不同的时间区间多次重发同一信号，只要各次发送的时间间隔 足够大，则各次发送信号所出现的衰落将是相互独立的，即重复发送的时间间隔f 应满足： 1 t ( 2 - 1 ) jm 其中瓦表示相干时间，厶表示移动台高速移动时所产生的最大多普勒频移， 厶= v a , ，v 表示移动台的运动速度，允表示工作波长，当移动台处于静止状态时， ，= 0 ，出，由此可以看出，时间分集对于静止的移动台是无效果的。 ( 2 ) 频率分集 频率分集是将待发送的信息分别调制到不同的载波频率上发送，只要载波的 频率间隔大于信道的相关带宽，则接收端所接收信号的衰落是相互独立的，即载 波的频率间隔厂应满足： 1 a f 忍= ( 2 2 ) 凸【_ 其中盈表示相干带宽，f 。表示最大多径时延差。 ( 3 ) 角度分集 信号在传输过程中受环境的影响，以不同角度到达接收端，接收端利用多 个方向性尖锐的接收天线分离出来自不同方向的信号分量，由于这些分量的 衰落相互独立，因而实现角度分集。 ( 4 ) 极化分集 无线通信中协作分集技术的研究 在移动环境下，空中的水平路径和垂直路径是互不相关的，因而信号也呈现 不相关的衰落特性。在发射端和接收端各安装两副天线，一个水平极化天线，一 个垂直极化天线，这样就可以得到两个不相关的信号来实现极化分集。 ( 5 ) 场分量分集 在移动信道中，很多个e 波和日波叠加，结果表明e ：、日。和日，的分量是互 不相关的，因此可以通过接收这三个场分量来实现场分量分集。 ( 6 ) 空间分集 空间分集是接收端在不同的位置上接收同一个信号，只要各位置间的距离大 到一定程度，则所收到信号的衰落是相互独立的。使接收信号不相关的两副天线 的距离，因移动台天线和基站天线所处的环境不同而有所不同。 移动台接收的信号多是服从瑞利分布的。理论分析表明，接收信号的相关系 数p 为： j d ( d ) ：七( 孥d ) ( 2 3 ) 其中，d 为移动台两副垂直极化天线的水平距离，a 为载波波长，以 ) 为第一类 零阶贝塞尔函数。 空间分集分为发送分集和接收分集两类。传统的空间分集方法主要以接收分 集为主，在接收端安装多根天线进行接收，但是在下行链路中，由于要受移动终 端体积、功耗、处理信息复杂度等的限制，不可能在移动终端内使用多天线接收， 因此发送分集成为近年来的研究热点，所谓发送分集就是在发送端采用多副天线 发送信号，每副天线平均分配信号的发射功率，而在接收端只采用一副天线来接 收。本文研究的协作分集就属于发送分集。 2 2 合并方式 在获得多个衰落独立的信号后，需要对它们进行合并处理，通常是采用加权 相加的方式合并。假设五9 ) 为第k 支路的信号，口。( r ) 为第k 支路信号的加权因子， 总共有m 条支路，则合并器输出为： 旦 f ( t ) = a 1 ( f ) 石o ) + a 2 0 ) 五o ) + + a m o ) 厶o ) = a i o ) 五o ) ( 2 - 4 ) 七l l 表征合并性能的参数有平均输出信噪比、合并增益和中断概率。选择不同的 加权因子，就形成不同的合并方式，常用的三种合并方式为选择式合并、最大比 值合并和等增益合并。 2 2 1 选择式合并( s c ) 第二章分集技术9 选择式合并( s e l e c t i o nc o m b i n i n g ，s c ) 是所有合并方式中最简单的一种，检测所 有接收机输出信号的信噪比，选择信噪比最大的那一路信号作为合并器的输出。 这相当于式( 2 4 ) 中，m 个系数a 。( f ) 中只有一个等于1 ，其余的都等于0 。 设每条支路信号所经历的衰落为瑞利衰落，第k 条支路信号包络为咯，则服 从参数为仃。的瑞利分布，即r k 的概率密度函数为： p ( r k ) 2 分咖2 卸 ( 2 - 5 ) 对于m 条支路而言，用九( 七= 1 ，2 ，m ) 表示每条支路的瞬时信噪比，则选择 式合并输出的瞬时信噪比为： k = m a x r ) ，k = 1 ，2 ，m( 2 6 ) 如果所有支路的平均信噪l - t ；相同( 用f 表示) ，则扎( 七= l ，2 ，m ) 的概率密度函 数为： p ( y k ) = 当口7 ，靠0 ( 2 7 ) 给定目标信噪比y 。，则中断概率为： ( ) = p r ( r 础y o ) = p r ( r j ，) ，2 ，t o )( 2 - 8 ) = ( 一p 一等) 盯，y 。 假设各路信号独立，则选择式合并输出的平均信噪比为： 瓦= j c o k p ( k v 比= 歹善妻 ( 2 - 9 ) 2 2 2 最大比值合并( m r c ) 最大比值合并( m a x i m a l - r a t i oc o m b i n i n g ，m r c ) 的原理是各支路的加权系数与 该支路的信噪比成正比，根据信噪比将各支路信号加权，各支路同相相加，这样 合并后输出的信号包络为： m 阼= r k ( 2 - l o ) k = l 输出的噪声功率等于各支路的输出噪声功率加权： m = a ；m k = l ( 2 - 1 1 ) 1 0 无线通信中协作分集技术的研究 于是合并器输出的瞬时信噪比为： ：丧：蝶 可以证明，使输出信噪比最大的加权系数满足： 铲c 表嗜 ( 2 - 1 2 ) ( 2 1 3 ) 上式中c 为一常量，可以取1 ，即第k 支路的加权系数a 。与该支路信号幅度 成正比，与噪声功率成反比。此时合并器输出的瞬时信噪比为： ：鞋m 2 a 。2 也厶“女”o 一售科 一爵 ( 2 1 4 ) 由( 2 - 1 4 ) 司知，合并后输出信噪比为各支路信噪比之和，对于独立i 司分布瑞利 衰落而言，如果所有支路的平均信噪比相同( 用歹表示) ，可以证明 ，。的概率密度 函数为： 烈j 2 面翥萨。删广。， o ( 2 - 1 5 ) 由式( 2 - 1 5 ) 可以求得合并器输出信号的平均信噪比为： 死陌= j c o ”p ( y 。矽膳m 死= m 死( 2 - 1 6 ) 给定目标信噪比) ，。，则最大比值合并的中断概率为： p ( ) ，o ) = p r ( y 。席) ，o ) = f 丽1 ( k n 一等d ) ，肌 ( 2 - 1 7 ) 小p 等兰k = l 错确。 = h 歹等，y 。o 一1 ，； 2 2 3 等增益合并( e g c ) 最大比值合并需要知道每条支路的时变信噪比，这是比较困难的。一种简单 的方法是等增益合并( e q u a l g a i nc o m b i n i n g ，e c , c ) ，各支路的加权系数均为l ，即： h m 闰 = 互m 肼蹦 i l 第二章分集技术 吼= 1j j = 1 ，2 ，m 合并器输出信号包络为： m = 七= l 若各支路噪声功率相同( 1 = 2 = = = n ) ，则输出瞬时信噪比为： 2 = 击2 ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 2 击肾扑铲m ，：，】j p 2 。 ， 、 对于独立同分布瑞利衰落而言，如果所有支路的平均信噪比相同( 用歹表示) ， k = 订川) 习 ( 2 - 2 2 ) 等增益合并的中断概率求解比较复杂，可用数值方法求解。 对于不同的合并方式，定义合并器输出信号的平均信噪比与没有分集时各支 对于选择式合并而言，由式( 2 9 ) 可得合并增益为 玩专。姜妻 ( 2 - 2 3 ) r百k 对于最大比值合并而言，由式( 2 1 6 ) 可得合并增益为 见陌= 冬= m ( 2 - 2 4 ) 对于等增益合并而言，由式( 2 2 2 ) 可得合并增益为 = 等- l + ( m _ 1 ) 号( 2 - 2 5 )5 等2 l + ( m 1 ) 寺 合并增益通常用d b 表示：d = 1 0 1 9 ( d ) ，图2 1 给出了不同合并方式下合并增 2 一 、一 i厂_ 吖一m m盟吖糊 ，。一一 1 2 无线通信中协作分集技术的研究 图2 1 不同合并方式下合并增益与分集重数的关系 由图2 1 可知，随着分集重数的增加，合并增益也在不断增加，在m = 2 3 时， 增加很快，但是随着分集重数m 的继续增加，合并增益增加的速率放慢，特别是 选择式合并。考虑到随着m 的增加，电路变得更复杂，实际中的分集重数一般最 高为3 4 。在三种合并方式中，最大比值合并的性能最好，其次是等增益合并， 选择式合并的性能最差，当m 较大时，等增益合并的合并增益接近于最大比值合 并的合并增益。 2 3 协作分集技术 协作分集技术可以对抗无线信道中的多径衰落，是改善移动终端上行链路性 能的有效方法，在蜂窝移动通信、无线a dh o c 网络、无线传感器网络等领域有着 非常广阔的应用前景。本节主要针对基本的两用户协作模型，对协作分集的基本 原理以及不同分类方式下的协作方案进行介绍和分析。 2 3 1 协作分集原理 图2 2 为典型的两用户协作模型，其中s 、，和d 分别代表源节点、中继节点 和目的端。 二_ 弋 、 r h r a 图2 2 两用户协作模型 d 第二章分集技术 以源节点为例来描述协作的基本过程。首先由源节点s 发送信息x n 中继节点 ，和目的端d ，中继节点，对接收到来自源节点s 的数据进行处理，然后进行转发， 这样在目的端d 就可以获得x 的两个独立衰落副本，通过将这些独立副本进行合并 处理，从而获得分集增益。由于存在一个转发的过程，协作分集方案中需要为中 继节点分配一定的信道资源和发送功率进行转发。 图2 3 为两用户直接传输模式和协作传输模式的时隙分配，假设所有节点均安 置单根天线，各个节点的上行信道和节点间的信道都彼此独立，并服从平坦瑞利 块衰落。系统采用时分半双工方式，每个节点不能同时发送和接收信号。在直传 模式中( 图2 3 ( a ) ) 每个用户将分配给自己的2 时间单位全部用来发送自己的数 据，而在协作模式中( 图2 3 ( b ) ) ，用户用n 4 的时间单位为自己传输，另外4 时 间单位为协作伙伴进行中继。 一n 1 2 一n 1 2 + ( a ) 直传 一n 4 _ 一n 4 - 一n 4 卜一一n 4 卜 ( b ) 协作分集传输 图2 3两用户亘传协作传输模式 首先说明一下每个符号的含义，忍，代表信道衰落系数，相互独立，且服从均 值为0 ，方差为o - u 2 的复高斯分布，吩，【m 】为加性高斯白噪声，也相互独立，服从 均值为0 ，方差为n o 的复高斯分布，其中f s ，) ， j ，d ) ，f 。 对于直传模式，目的端接收的信号为： 从一【朋】= 吃。d 气【朋】+ 以，d 【聊】 ( 2 - 2 6 ) 其中，m = 1 ，n 2 ，“朋】为源节点s 的发送信号，y , a m 】为目的端的接收信号。 中继节点，在聊= n 2 + 1 9 e 9 n 时的情况类似。 对于协作传输模式，仅考虑源节点占的发送情况，中继节点，的情况与之类似。 在第一个n 4 时间块内，源节点s 向协作伙伴，和目的端d 发送消息，两者的接收 信号为： 只。，【埘】= 吃，气【肌】+ 体， 朋】 ( 2 - 2 7 ) 只，d 【肼】= 吃d 气 m 】+ 侬，d 【所】 ( 2 - 2 8 ) 第三个n 4 时间块内，中继节点，将在第一个n 4 时间块内接收的信号处理 1 4无线通信中协作分集技术的研究 后进行中继，这时目的端接收信号为： ”d 【聊】= 砖，d 【聊】+ 砟，d 【m 】 ( 2 2 9 ) 其中，研= 2 + 1 ，3 n 4 ，砟泐】为中继节点r 的发送信号。 2 3 2 基本的中继方案 根据中继是否对用户间信道具有自适应性，可以分为固定型、选择型和增强 型三种中继方案。 2 3 2 1 固定型中继方案 无论信道条件如何，中继节点都进行转发，这种中继方案称为固定型中继方 案。中继对信号的处理方法可以是a f 、d f 也可以是不加c r c 的c c 方案。 由于没有利用用户间的信道状态信息，固定型a f 在低信噪比下转发的基本上 是放大的噪声，这样造成对发送功率的浪费，因此无法获得分集增益，性能甚至 不如直传模式，而d f 和无c r c 校验的c c 方案转发的基本上是误码，这会严重 降低系统的性能，并形成误码平台。 2 3 2 2 选择型中继方案 选择型中继方案是对固定型中继方案的一种改进，中继节点根据用户间信道 条件选择是否转发接收到的信号。对于a f 模式，可以给定一个信噪比门限，当信 噪比高于这一门限时才进行中继，否则源节点进行重发；而d f 模式可以通过加入 c r c 编码来判断是否对协作伙伴的信息正确译码，若正确则进行转发，否则源节 点重发。由于a f 模式中计算最佳的信噪比门限比较复杂，选择型中继一般用于 d f 模式，带c r c 校验的c c 方案也属于选择型中继方案。 2 3 2 3 增强型中继方案 无论是固定型中继还是选择型中继方案，都存在对第一帧信号正确译码的情 况，这时再进行中继或重发，显然是对功率和信道资源的浪费。针对这一点，提 出了增强型中继协议，即当目的端对第一帧信号译码正确时，第二时隙不再进行 中继或重发，显然这需要目的端向源节点和中继节点反馈信息，这种方案可以看 作是一种特殊的a r q 协议。 2 3 3 不同的中继信号处理方法 根据中继节点对源节点信息处理方法的不同，可以分为放大转发、译码转发 和编码协作方案。 第二章分集技术 2 3 3 1 放大转发( a f ) 放大转发( a m p l i f y a n d f o r w a r d ，a f ) 是最简单的协作分集方案，每个用户接收 协作伙伴经由衰落信道发送来的信号，继而对该附加了噪声的信号进行放大，并 重新转发至目的端。 在a f 方案中，式( 2 2 9 ) q b 的中继发送信号具体为： _ = 卢只，【m n 2 ( 2 3 0 ) 其中，聊= n 2 + l ，3 n 4 ，卢为中继放大系数。由于对中继的功率限制为尸， 所以卢需要满足条件： 卢 ( 2 3 1 ) 可见放大系数卢依赖于用户间信道衰落系数，这就需要中继的信道估计具 有较高的精度。a f 本质上是一种重复编码机制，中继节点将接收到的噪声连同信 号一起放大转发了，目的端通过合并两个时刻接收到的信号，对源信号【朋】进行 译码，由此看出，目的端接收到关于信号的多个独立衰落样本，因此能够获得分 集增益。 2 3 3 2 译码转发( d f ) 译码转发( d e c o d e a n d f o r w a r d ，d f ) 方案与传统中继方案十分相似，第一时隙 ( m = 1 ，n 4 ) ，源节点向中继节点和目的端广播自身的第一帧信号，中继接收到 源节点所发的第一帧信号见，沏】后进行解调并译码。中继译码完成后再重新进行 编码，然后在第二时隙m = n 2 + l ，3 4 发送源的第二帧信号，即重构后的源 信号，目的端对两个时隙所接收到的两帧信号进行合并，然后进行译码判决。显 而易见，d f 和a f 一样，也是一种重复编码机制。 与放大转发方案相比，因为译码转发方案在协作用户处发送重新编码的信号， 所以避免了对噪声的放大。但是，协作用户在译码时有可能错误，转发至目的端 使得错误累积，这时协作对在目的端进行的最后判决是有害的。为了避免这一问 题，可以在译码转发方案中加入循环冗余校验( c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k ，c r c ) ，通 过损失一定的频谱效率来避免错误的传播，基本思想是在每个用户的发送信号中 均加入c r c ，协作用户对接收到的信号译码判决后进行c r c 校验，只有在校验结 果正确的情况下才转发该信息分组。 2 3 3 3 编码协作( c c ) 前面所描述的传统的a f ，d f 协作方案都有一些局限性。第一，两种方案在第 二帧都是对协作伙伴信号的重发，从信道编码的角度看，都属于重复编码，不能 1 6 无线通信中协作分集技术的研究 很好地利用带宽；第二，a f 方案转发了协作伙伴的噪声，而d f 方案可能会转发对 协作伙伴错误估计的信息。为了解决这些局限性，h u n t e r 提出了一种新的协作方案 一编码协作( c o d e dc o o p e r a t i o n , c c ) 。 编码协作结合了信道编码技术和协作分集技术，其基本思想是通过两条独立 衰落信道发送码字的不同部分，使得用户信息经历两个独立衰落，可以避免协作 用户间信息的重复发送，编码效率更高，在相同条件下不仅可以获得分集增益， 还可以获得一定的编码增益。 第三章结合网络编码的协作