（通信与信息系统专业论文）异步协作通信系统中提高协作分集增益的关键技术研究.pdf

摘要 异步协作通信系统中提高协作分集增益的关键技术研究 专业：通信与信息系统 硕士生：冯敖 指导老g f 张琳副教授 摘要 随着语音、数据和多媒体业务需求的不断增加，移动通信技术也正在快速发 展。下一代无线移动通信系统面临的挑战是人们希望获得更快的速度、更高的可 靠性和更高的用户容量。与有线系统相比，无线信道存在多径衰落、散射和折射， 有限频谱、受限功率降低了无线通信系统的可靠性。 正交频分复用技术( o f d m ) 、多输入多输出技术( m i m o ) 、空时编码和分集技 术是提高频率效率和信道容量的关键技术。m i m o 技术被广泛应用在无线系统中 用以获得分集增益。然而，m i m o 系统需要在发送端和接收端配置多根天线，但 是利用多根天线获得分集的方式对于移动终端或传感器节点来说是不可行的。 协作通信可通过共享多个分布式节点的天线来构成虚拟的天线阵列获得与 m i m o 系统相似的传输分集，即协作分集增益，因此受到了广泛关注。目前，关 于协作编码分集技术的主要研究成果均假设协作节点之间是同步的，即要求协作 传输的各节点有相同的时钟、载波频率和符号周期，以直接利用现有的空时编解 码技术，获取与m i m o 系统相似的分集增益。 然而，实际协作m i m o 系统的终端都含有一个天线阵列，中继协作系统的 不同天线在不同的终端之上，所以实际的协作系统是异步的。为此，本文将对异 步协作通信系统进行研究，并研究提高该系统协作分集增益的关键技术。 本文基于文献 5 6 】的异步协作通信系统进行研究，针对分布式多中继环境下 的协作系统进行改进，在不降低码速率的前提下，提出了基于o f d m 的分布式 多中继节点的异步协作策略，利用o f d m 调制的c p 消除中继传输的异步误差， 并结合分布式的准正交空时分组码获得优于a l a m o u t i 策略的分集增益。在此基 摘要 础上，为了使得异步协作系统获得全分集增益同时降低目标节点对中继的延时估 计时间，本文提出了固定中继的m i m o 异步协作策略，采用集中控制中继节点， 将放大转发和译码转发中继协作方式相结合，采用与o f d m 相结合的正交空时 分组码，在不增加系统复杂度的情况下，实现全分集增益。理论与仿真结果表明， 与原有的方案相比，本文提出的策略兼顾速率和复杂度的情况下获得了更高的分 集增益。 关键词：异步协作通信系统协作分集协作协议空时分组码o f d m i l a b s t r a c t r e s e a r c ho nt h ek e y t e c h n o l o g yt oi m p r o v ec o o p e r a t i v e d i v e r s i t yf o ra s y n c h r o n o u sc o o p e r a t i v es y s t e m s m a j o r ：c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m n a m e ：f e n ga o s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rz h a n gl i n a b s t r a c t w i r e l e s st e c h n o l o g yi s e x p e r i e n c i n gg r e a td e v e l o p m e n t s ，d u et ot h er a p i d l y g r o w i n gd e m a n df o rn e ws e r v i c e si n c l u d i n gv o i c e ，d a t aa n dm u l t i m e d i a f o rt h en e x t g e n e r a t i o nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，t h ec h a l l e n g ei s t h a t p e o p l ee x p e c t h i g h e r d a t e r a t e ，r e l i a b i l i t ya n du s e rc a p a c i t y u n l i k et h ew i r e l i n ec o n d i t i o n s ， c o m m u n i c a t i o no v e rw i r e l e s sc h a n n e l ss u f f e r s 舶mm u l t i p a t hf a d i n g ，s c a t t e ra n d r e f r a c t i o n , s ol i m i t e df r e q u e n c ys p e c t r u ma n dp o w e rd e g r a d et h er e l i a b i l i t yo fw i r e l e s s o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( o f d m ) ，m u l t i p l e - i n p u t m u l t i p l e o u t p u t ( m i m o ) ，s p a c et i m ec o d i n ga n dd i v e r s i t yt e c h n i q u e sa r et h ek e y t e c h n o l o g yt oi n c r e a s ef r e q u e n c ye f f i c i e n c ya n dc h a n n e lc a p a b i l i t y m i m oh a sb e e n w i d e l yu s e di nm a n yw i r e l e s ss y s t e m sf o re x p l o i t i n gd i v e r s i t yg a i n h o w e v e r , m i m o s y s t e m sr e q u i r em u l t i p l ea n t e n n a se q u i p p e di nb o t ht r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e rb u ti ti s n o tf e a s i b l et oa c h i e v ed i v e r s i t yb ye m p l o y i n gm u l t i p l ea n t e n n a si na m o b i l et e r m i m a l o ras e n s o rn o d e c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o nh a sr e c e n t l ya t t r a c t e dm u c ha t t e n t i o nt oo b t a i na s i m i l a rt r a n s m i td i v e r s i t yg a i na sm i m o s y s t e m sb ys h a r e i n gt h ea n t e n n a so fm u l t i p l e d i s t r i b u t e dn o d e st oc r e a t ev i r t u a la n t e n n aa r r a y s t h en e wd i v e r s i t ya b o v ei sc a l l e d c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y a tp r e s e n t ，t h e r eh a v e b e e np l e n t yo fs t u d i e so nt h ec o d ed e s i g n s c h e m ef o rt h ec o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n s i nm o s to ft h e s e ，t h es y n c h r o n i z a t i o n 1 1 1 a b s g a c t b e t w e e nc o o p e r a t i v en o d e si sa s s u m e d t h a tm e a n st h a ta l ln o d e si nc o o p e r a t i v e t r a n s m i s s i o ns h o u l dh a v ei d e n t i c a lc l o c k ，c a r d e rf r e q u e n c ya n ds y m b o lt i m i n gi n o r d e rt od i r e c t l yu s ee x i s t i n gs t c e n c o d e dt r a n s m i s s i o na n dd e c o d i n gt e c h n i q u e st o o b t a i nt h ed i v e r s i t ys i m i l a rw i t hm i m o h o w e v e r , d i f f e r e n tf r o mm i m os y s t e mw i t ha l la n t e n n aa r r a yi no n et e r m i n a l t h ec o o p e r a t i v es y s t e mi sa c t u a l l ya s y n c h r o n o u sd u et od i f f e r e n ta n t e n n a si nd i f f e r e n t t e r m i n a l s s ot h i st h e s i ss t u d i e st h ek e yt e c h n o l o g yt oi m p r o v ec o o p e r a t i v ed i v e r s i t y f o ra s y n c h r o n o u sc o o p e r a t i v es y s t e m s t h i st h e s i si sb a s e do nt h er e s e a r c hi n 【5 6 】a n dp r o p o s e san e ws c h e m eu s i n g o f d mt r a n s m i s s i o nm e t h o d ，w h i c hc o m b a tt h et i m i n ge r r o r sf r o mt h er e l a yn o d e s n o v e l l yj u s tb yt h ec y c l i cp r e f i x ( c p ) ，a n de x p l o i t st h ec o o p e r a t i v ed i v e r s i t yw i t h o u t a n yl o s so ft h es y m b o lr a t eb yu s i n gt h ed i s t r i b u t e dq u a s i - - o r t h o g o n a ls p a c e t i m e b l o c kc o d e s ( q o s t b c ) t h ei m p r o v e ds c h e m eo u t p e r f o r m sa l a m o u t is c h e m e b a s e do nt h er e s e a r c ha b o v e ，t h i st h e s i st h e np r o p o s e saf i x i n gr e l a yw i t hm i m o s c h e m ei na s y n c h r o n o u sc o o p e r a t i v es y s t e m ，w h i c hc a na c h i e v ef u l lc o o p e r a t i v e d i v e r s i t yu s i n go f d mc o u p l e dw i mo r t h o g o n a ls p a c e t i m eb l o c kc o d e s ( o s t b c ) a n dr e d u c et h et i m eo fd e s t i n a t i o nn o d es p e n ti ne s t i m a t i n gt h ed e l a yb e t w e e nr e l a y n o d e s t h e o r ya n ds i m u l a t i o nr e s u l t sp r e s e n t e da r es h o w i n gt h a tt h es c h e m e s p r o p o s e di nt h i st h e s i so u t p e r f o r mt h ef o r m e rr e s e a r c h k e y w o r d s ：a s y n c h r o n o u sc 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 s ，c o o p e r a t i v e i v d i v e r s i t y ,c o o p e r a t i v ep r o t o c o l ，s p a c e - t i m e b l o c k c o d i n g ， o f d m 本人郑重声明： 原创性声明 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表 或撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：二书汉 日期：v 口t 年, e lz y 日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学 位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查 阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其 他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：弓夸父 导师签名：枨列和 日期：1 ，o7 年j - 月乙v 日 第一章绪论 1 1 论文背景 第一章绪论 移动通信已经成为人类生活必不可少的需求。从上个世纪9 0 年代开始，蜂 窝系统的通信业务迅速发展，手机也因此成为生活、工作的重要工具。另外，数 据业务中的无线局域网已经逐步可以在学校、公司、家庭范围内代替有线网络。 许多新的技术也慢慢地从实验室研究走向实际应用，例如无线传感器网络、 a d h o e 网络、远程工作等等。对更高通信质量、更快速度、更大容量的需求， 推动通信技术不断向前发展。 目前移动通信的发展经历了三个阶段： 第一代移动通信系统( 1 g ) 出现于2 0 世纪8 0 年代，它是以模拟技术为基础搭 建了简单的移动通信系统，开始采用了蜂窝结构、频率复用技术、跨域漫游等技 术，从而实现了移动环境下的不间断通信。然而，语音通话是1 g 的仅有功能。 第二代移动通信系统( 2 g ) ，目前已经在全球广泛应用，为人类提供了优质的 语音服务【1 1 。2 g 是以数字信号处理( d s p ) 为基础，被称为模拟到数字革新的技术。 从2 0 世纪9 0 年代起，2 g 随着全球移动通信系统( g s m ) 的覆盖取得了巨大的成 功，支持大容量用户成为了2 g 的主要贡献。2 5 g 系统可支持低速的数据业务接 入，进一步扩展了分组交换的应用。 第三代移动通信系统( 3 g ) 是由i t u 在2 0 世纪9 0 年代中后期提出的，3 g 的 目的是为了解决2 g 的频带不统一问题。在1 9 9 9 年1 1 月，i t u 最终确定了以欧 盟提出的w c d m a 、美国提出的c d m a 2 0 0 0 、中国提出的t d s c d m a 为主流 技术的三大标准【2 】。3 g 布置了全新的系统提供了更高的速率和更广的带宽，不 仅改善了以往的语音和数据业务还开阔了更新的通信服务。由于采用智能d s p 等技术，3 g 系统可以更好地实现多媒体数据通信。 虽然3 g 网络相对于2 g 有了很大提升，并且已经开始在全球建设，中国也 已经发放了3 g 牌照，但不能满足人们更高的需求，例如：相对于2 g 增加的业 务不是很多、不能充分支持协议、不能灵活地实现服务管理、以及更高速率 需求的带宽限制等等。因此，能提高更高传输速率、更高频谱效率的新一代通信 中山大学硕士学位论文 系统( 4 g ) 已成为目前的研究热点。 表1 1 所示为移动通信系统及其相关技术的发展【3 】： 表1 1 移动通信系统发展与技术 特性l g2 g 2 5 g3 g 时问 ， 1 9 8 51 9 9 21 9 9 52 0 0 2 主要技术模拟信号处理数字信号处理分组交换技术智能信号处理 w c d m a 、 g p r s 、e d g e 、 主要标准 a 衅s 、1 a c sg s m 、i s 9 5c d n 队2 0 0 、 i s 9 5 b t d s c d m - a ；频率 ， 4 0 0 m 8 0 0 m 8 0 0 m - 9 0 0 m ，18 0 0 m - 19 0 0 m 2 g 信道带宽j 2 4 k 3 0 k9 9 k 1 4 4 k1 7 1 k 3 8 4 k2 m 5 m 多址技术if d m at d m ac d m a c d m a 蜂窝范围i大范围中等范围小范围 核心网 电信网络电信网络 电信网络i p 网络 语音、数据、部分 服务类型i语音语音、s m s数据业务 多媒体业务 新一代的移动通信系统( 4 g ) 在核心部分将会基于口协议构建而不是以往 s s 7 协议，这是因为s s 7 信令使用了一大部分网络带宽。4 g 将会支持多种接入， 包括i e e e8 0 2 1 1 、w c d m a 、蓝牙技术等，同时用户的设备将会有各自的专有 识别码，这样就可以在不同的网络中接入( 图1 1 ) 。 与本论文相关的4 g 物理层关键技术包括： 1 o f d m 技术 o f d m 技术目前被认为4 g 物理层的核心技术。无线通信的一个挑战是多径 效应引起的衰落，多径衰落是由于发送和接收之间多个路径之间的随机衰落引起 的，而o f d m 能够在一定范围内抵抗多径衰落，将一个频率选择性的信道分成 多个频率平衰落的并行子信道，提供高速率的通信。由于o f d m 使用正交的子 载波划分子信道，极大地提高了频谱利用率，同时又可以根据信道环境的优劣采 用更合适的调制方式，并通过使用加载算法，将数据集中到条件好的信道上传输， 另外o f d m 易于与空时编码、分集、干扰抑制、智能天线等技术结合 4 1 。 2 第一章绪论 图1 1 基于口的新一代网络系统图 谚t 三一藿 眵：一 2m i m o 技术 m i m o 是采用多个发射天线和多个接收天线实现无线通信的技术，它的基本 原理是利用同一信号通过不同天线发射出去，其接收信号不是完全相同的。因此， 多个天线可以同时利用相同的频率发射各自不同的信号，然后在接收端通过信号 处理饿复出发送信号。m i m o 技术能够抵抗点到点信道的有害影响，是一种获得 空间分集和复用的有效办法。 分集是通过不同路径发送含有同样信息的信号，多个路径会有着相对独立的 衰落，接收端将这些经过独立衰落的信号合并接收，解出发送信息的技术指标。 比如，在一个准静止的瑞利信道( r a y l e i g h - f a d i n g ) t ，一个发送天线向n 个接收天 线发送同样的信息，若 个信道下的衰落是相互独立的，那么我们可以最终得到 在高信噪比s n r 下的平均差错概率曲线是按照s n r l 的形状分布。实现分集则可 以采用基于块和网格的空时间编码方案。本文则主要利用前者，也就是空时分组 码( s t b c ) 。 命 中山大学硕士学位论文 复用可以分为频分复用、时分复用、空分复用。频分复用和时分复用在传统 的通信系统中已经广泛应用，而空分复用是指的发送端到接收端的衰落在空间上 相互独立，这种情况下就可以认为产生了多个并行的信道，从而实现了复用。 3 协作通信 m i m o 系统的运行基本上是利用发送接收端的天线阵列结合空时编码实现 的，m i m o 技术的优势也是大家所公认的。然而，在蜂窝系统或传感器网络中， 由于设计成本和尺寸的限制，每个终端都配备多天线是很不现实的。对于点对点 的独立用户来说，没有多个天线就不可能获得空间分集增益。为了让只有单个天 线的终端获得分集，s e n d o n a r i s 提出了一种让多个终端相互协作最终完成分集增 益的策略【5 】，这种空间分集又被成为协作分集。协作的思想最早可以追溯到上世纪 7 0 年代中继理论的提出【6 】，在文献【6 中，如图1 2 ，作者分析了由源节点、中继 节点和目标节点所构成的系统容量问题，系统信道被分成两部分，一部分是源节 点的广播信道，另一部分是目标节点的接入信道，中继节点完成协作转发功能。 b r o a d c a s t 图1 2 中继协作示意图 协作通信是节点通信的策略，而要实现协作分集则要通过有效的编码方案来 实现，比如空时编码等。同时这种虚拟m i m o 技术也同样可以和o f d m 级联， 在解决频率选择性衰落的同时还可以实现多阶分集，提高系统容量。因此，协作 通信是下一代无线通信系统研究的方向之一，对未来的通信的发展有着重要的意 4 第一章绪论 义。另外，2 0 0 9 年国家科技重大专项“新一代宽带无线移动通信网 的课题申 请也包含有协作中继方向。因此，不失时机的开展对协作分集技术的研究，无疑 具有重要的应用前景。 1 2 国内外研究现状 近十年来关于协作通信的研究主要有以下方向： 容量理论方向。协作通信的研究最早就开始于无线中继信道容量的研究。2 0 世纪8 0 年代左右，t - c o v e r 最早给出了高斯信道下的单中继容量上限 3 1 】，从此 拉开了中继、协作等特殊信道容量研究的序幕。但随后，该方向停滞了近二十年， 在这二十年中移动通信技术得到迅速发展，此时重新研究中继协作系统就有了新 的角度和方法。文献 6 2 1 扩展了单中继容量理论，给出了多个中继高斯信道容量， 但是文献中的多中继并没有进行协作。中继节点的协作可以减少信息的不确定性 从而改进系统容量。 性能分析方向。协作通信理论建立起来之后，关于各种协作方式和结构的系 统性能分析也成为研究的热点。文献 6 3 】【6 4 】分别给出了放大转发和译码转发方 式下的协作通信系统的渐进平均误码率，但其文中的结论适用于已知衰落分布密 度函数的某些特定系统。 分布式空时编码设计方向。由于协作系统可以看成虚拟的m i m o 系统，因 此空时码也可以应用在协作系统中，用以获得分集增益，而此时的空时编码也具 有了分布式的特性【2 1 1 。该方向的研究很多，主要是设计协作方案实现空时码 1 6 5 1 6 6 o 基于o f d m 的协作通信方向。o f d m 常用于消除符号间干扰和提高频谱效 率，因此被广泛应用与宽带通信系统中。将o f d m 引入到协作系统中，不仅可 以获得协作分集，同时可以利用o f d m 的优点【6 7 】【6 8 】。然而，大部分该方向的研 究都是基于固定中继信道参数的。另外与空时编码级联也是重要的方向之一。 中继选择和资源分配方向。由于存在多个协作节点，因此节点间的协作如何 分配和管理，节点间如何协作，在什么条件下协作，是分布式节点决定协作还是 专门的集中控制都是很该部分所要研究的问题【6 9 1 。中断概率和误码率是中继选择 5 中山大学硕士学位论文 的两个主要标准和方式。另外，优化中继节点处的功率、带宽、速率分配算法也 是重要的研究方向【7 0 】。 异步协作系统方向。这是本文重点研究的部分。与m i m o 多天线系统相比， 协作节点要考虑到分布式条件，因此在空时编码设计中实现时协作节点的同步是 一个重要问题。到目前为止，为了有效利用空时分组码的优点，大多数协作通信 的研究【2 1 】【4 7 】【4 8 1 都是假设协作用户之间的传输是完美同步的，然而在实际中协作 节点间的不同步是不可避免的，这种不同步现象会引起符号间的串扰( i s i ) ，从而 破坏s t b c 的标准结构，导致接收端的译码错误。因此异步情况下的协作通信更 符合实际的要求，为此，本文对异步协作通信系统中提高协作分集增益的关键技 术进行了研究。 1 3 本文的主要研究内容 本文首先介绍了本文所用到知识的相关理论，介绍三种协作通信的协议和放 大转发( a m p l i f y a n d f o r w a r d ，a f ) 和译码转发( d e c o d e a n d - f o r w a r d ，d f ) 中继协作 方式，并对它们的实现和性能进行了比较，在传统的单载波调制下用m a t l a b 进 行了性能仿真。研究表明，系统采用协作可以提高可靠性，获得分集增益。讨论 了各种空时分组码，包括编码、发送、接收译码等过程，并分析了它们的性能， 并实现了仿真验证，其结果为它们能获得分集增益，但a l a m o u t i 仅获得了两阶 增益，正交空时分组码( o s t b c ) 可以获得全分集，而准正交空时分组码( q o s t b c ) 虽不能获得全分集增益但并未降低码速率。 在上面的基础上引入了协作通信的异步问题。介绍了目前异步协作通信的研 究现状，通过学习z h e n gl i 在文献 5 6 研究成果，对其中公式推导的错误进行了 修正。同时，针对z h e n gl i 异步环境下多中继协作系统进行了改进，提出了基 于o f d m 的q o s t b c 策略下的异步协作系统。通过仿真验证了该系统性能，并 与文献【5 6 】给出的策略比较，结果表明在维持码速率不变的情况下获得了性能的 提高。 另外针对传统的蜂窝通信系统，本文提出了一种基于m i m o 固定中继的协 作策略，并解决其实际条件下的异步问题。联合集中控制中继、放大转发和译码 6 第一章绪论 转发相结合、分集合并方式选取、基于o f d m 的正交空时分组码策略，在系统 功率不变的条件下最终在异步协作系统条件下达到全分集增益。 1 4 本文的章节安排 全文共分六章。 第一章为绪论，阐述论文研究的选题背景，国内外研究现状及对主要工作进 行介绍； 第二章主要介绍与论文相关的无线通信理论，包括衰落信道理论，o f d m 和 m i m o 的系统结构和基本原理，并结合仿真对其进行描述； 第三章介绍协作通信理论，包括分集技术、协作方式以及协作编码的基础 空时分组码理论； 第四、五章是本文的重点章节，引入了协作通信的异步问题，在对已有文献 的研究基础上，提出了异步条件下协作策略，并通过仿真对它们的性能进行分析 比较。 最后一章则是对全文的总结和对后续工作的介绍。 7 第二章o f d m 与m i m o 技术概述 2 1 引言 第二章o f d m 与m i m o 技术概述 本章主要介绍论文中所涉及到的数字通信中的相关概念和理论基础。无线通 信相对于有线来说，最大的不同就在于复杂的随机的信道，所以本章首先对无线 信道特征和衰落特性进行简要说明，接着详细介绍了o f d m 、m i m o 等无线通 信技术。 数字通信技术有着以往模拟技术所不具备的特点。由于数字通信中的信号处 理更直接更方便，并且能够实现传统模拟技术所不能做到的功能，再加上数字信 号处理技术不断进步，它已经成为当今主导的通信技术。随着人们对即时通信的 需求不断增加，数字通信技术也备受关注。 如图2 1 所示，信源输入可以是音频信号、视频信号或者其它类型的模拟信 号，也可以是幅度取值离散，在时间上不连续的数字信号。为了更好地表达信源 的信息量，同时又要使得这些信息量适应通信系统，系统首先将来自信源的信号 进行信源编码，将模拟信号转化为数字信号，或者将冗余的数字信息除去，最终 成为一串二进制比特信息c ，这部分的处理被称为信源编码。然后，将c 经过信 道编码过程，该过程中信道编码器向二进制比特信息c 中引入差错控制冗余。进 行信道编码的目的是克服通信过程中信道的噪声和干扰所带来的负面影响，所加 入的冗余信息也就能够增加接收器的可靠性和最终信息的真实性。数字调制器 ( d 硒t a lm o d u l a t o r ) 根据无线信道的电磁特性，将 ，调制为适合信道传播的电磁 波。在这个过程中，最常用的数字调制技术有载波幅度调s 0 ( a m ) ，载波相位调 制( p s k ) ，载波频率调s s j ( f s k ) ，正交幅度调$ 1 j ( q a m ) 。调制后的信号x ( f ) 通过发 送天线进入信道传输。 9 中山大学硕士学位论文 i n f o r m a t i o n s o u r c e s o u r c e e n c o d e r s o u r c e d e c o d e r c h a n n e l e n c o d e r n o i s e 斗 c h a n n e l d e c o d e r 图2 1 典型数字通信系统方框图【7 】 d i g i t a l m o d u l a t o r c h a n n e l d i g i t a l d e m o d u l a t o 发送端到接收端之间的传送信号的信道为一个实际的物理媒介，可以是大气 ( 无线传输模式) 、或其它介质( x 2 绞线、光纤、电缆) 。信号在信道的传输过程 中不可避免地发生变质，造成变质的原因则是由于物理信道本来的特性引起的， 这种影响甚至是随机不可预测的，比如电阻性器件由于电子的无规则运动产生的 起伏噪声或者是无线传播中的反射、绕射、散射所引起的幅度衰减和信号时延。 其中，高斯白噪声( a d d i t i v ew h i t eg a u s s i a n n o i s e ，a w q d 是通信系统中最常见的 加性噪声模型。 在数字通信系统的接收部分中，数字解调器( d i g i t a ld e m o d u l a t o r ) 接收已经加 入噪声的波形信号厂( f ) ，将其转化为一串对原有数字信号v 的估计信号r 。信道 解码器对发送端的编码进行相反过程，从而用5 来重构原来的比特信息c ，最后 恢复发送端的信息。实际上，最终在接收端的副本信息是对发送端原有信息的估 计，产生接收与发送信息不一致的原因也正是由于信道噪声和衰落。 移动通信是数字通信的一部分，因此，移动通信的研究都是在特定的信道条 件下进行的，而本文的研究也正是在具有衰落特性无线信道下进行的，对于该类 型的信道特性，将在接下来的一节详细介绍。 1 0 第二章o f d m 与m i m o 技术概述 2 2 衰落信道理论 2 2 1 衰落的数学模型 无线通信的信道特性相对于有线信道特性是很复杂的，发送端与接收端之间 的复杂环境使得信号在传送过程中存在着各种散射、绕射现象，这些现象导致了 信号传输的多径效应，因此，接收端从多个方向接收了这些经过反射、散射、绕 射的信号。这些信号被接收端叠加之后进行下一步处理，显然通信的质量也因此 受到了很大的影响，而实际上经过不同路径到达接收端的信号经过了各自不同的 衰减，延迟以及相位偏移。这种现象被称为多径衰落。多径衰落造成信号功率的 放大或缩小，这给接收端带来了破坏性的干扰。 根据无线传播特性，多径衰落的数学模型可以被分为好多种。本节给出瑞利 ( r a y l e i g h ) 和莱斯( r i c i a n ) 两种模型来描述无线环境下的多径衰落。 2 2 1 1 瑞利衰落 当发送端和接收端之间不存在视距( l i i l eo fs i g h t ，l o s ) 的环境下，比如城市 内有很多建筑能够吸收、反射、散射信号，我们此时可以把通信信道模型看成是 呈瑞利衰落的，另外平流程和电离层的反射和折射信道也是呈瑞利衰落的。正因 为此，瑞利分布经常被用来描述非l o s 下的多径衰落，而两个零均值同分布且 相对独立的高斯随机变量的平方和的平方根就为瑞利分布，通常情况下通信研究 过程中的瑞利分布可以表示为： z = x + j 】， ( 2 1 ) 其中x 与y 都是零均值、方差为仃2 的独立正态变量n ( o ，仃2 ) ，那么z 的 幅度y 与幅角痧为【8 】， y = x 2 + y 2 ( 2 2 ) 多= a r c t a i l y ( 2 3 ) x 、。 此时矿的分布即为瑞利分布。假设，为瑞利分布的随机变量，那么该变量的 中m 大学硬学位论文 分布密度函数( p r o b a b i l i t yd e n s i t 。yf u n c t i o n ，p d f ) n 表示为 p n ( r ) r o ( 24 ) ， o 亿5 ， 1 0 o t h e r w i s e 其中仃2 为零均值独立同分布的高斯随机变量的方差，么代表接收信号的相 干部分的峰值量，厶( ) 为第一类型零阶修正贝塞尔函数( b e s s e lf u n c t i o n s ) 。另外 定义一个参数k ， k = 参 ( 2 6 ) k 代表接收信号相干部分和非相干部分的功率之比，用它可描述不同情况 下的莱斯分布，可以看出当k = 0 时，式( 2 5 ) 就等于式( 2 4 ) ，所以瑞利衰落可以 认为是莱斯衰落在k = 0 时的特殊情况。 2 2 2 非频率选择性衰落和频率选择性衰落 非频率选择性衰落和频率选择性衰落是从无线信道的时延展宽来划分的。由 于无线信道的多径效应，接收端的接收信号是各种反射、折射、散射信号的叠加， 这些多径信号不可能同步到达接收端，如果发送端发送一个窄脉冲信号，那么接 收端的接收信号为从多个路径传来的衰落信号之和( 如图2 3 ) ，在时间范围内， 接收信号的持续时间也因为时延的影响而扩展。多径信号由于频带、相对传播时 间、分布强度的不同，使得多径信号的幅度和相位的变化各不相同。假设g 。o ) 为 发送端信号的低频复包络。那么接收端的多径信号的叠加为： g r ( f ) = 仅七e j o k g 。( t - - 七) + ( f ) ( 2 7 ) | 其中，为第素条径的幅度衰减系数，吃为第霓条径的频偏系数，q 为第 k 条径的时延系数，( f ) 为a w g n 。令乙= m a x ( r | | ) ，那么乙表示为无线信道 的最大时延扩展。 1 3 中山大学硕士学位论文 i n p u t o u t p u t 圈国囫圈 l j 1 瞄瞄i i + 圈 线 j 一 如 一 栏 i 口 - 一”_ 道 _ 岛 毛+ f i如+ f 2 图2 3 无线信道的多径效应 2 2 2 1 非频率选择性衰落 根据无线信道的最大时延扩展乙和符号间隔时间乙的比较关系，我们可以将 无线信道衰落分为非频率选择性( 平衰落) 和频率选择性两种方式。当乙t 时， 信道衰落为非频率选择性的。这时接收的多径信号的时间都在相邻符号的时间间 隔之内，那么接收端很容易就能区分两个相邻符号。由于多径的时延效应并没有 导致相邻符号的相互覆盖，所以并没有产生i s i 。这时式( 2 7 ) q b 的传输模型就简 化为： 毋( f ) = & ( f ) 仅后吼+ ( f ) k ( 2 8 ) 会& ( f ) 木h + n ( t ) 其中，ha ： a 七艮= a e j 一= x + j y 。当路径数后很大时，由中心极限定理， 有h 趋向于零均值的复高斯分布，即 ( ) = 寺e x p ( 一等) ( 2 9 ) 1 4 p a ( a ) = t 吾e x p 一丢) 口邳 10 口 以时，信道为频率选择性的，这时接收到的多径信号的时间超过了相 邻符号的时间间隔，前一个符号的接收信号会对下个符号的接收带来影响，从而 产生了符号间干扰( i s i ) 。这时式( 2 7 ) 中的传输模型就为： r l 毋( f ) = 么& ( t - - l 七) ( 2 1 2 ) k = o 其中，为传输过程中可分辨的多径数目，唿为该径下的衰落系数，其分 布如2 3 2 1 中的h ，可以将其认为单个平衰落。频率选择性衰落信道模型表示 为图( 2 5 ) 。 7l 久习州、- 杰 、f ) h o ( t )久。穴 。， 7 丫7 丫一丫i y 。， 毋i 、l 厶 “r 图2 5 频率选择性衰落信道模型 1 5 中山大学硕士学位论文 另外，可定义信道多径展宽乙的倒数为信道的相干带宽a b e ， a b e = 1 乙 ( 2 1 3 ) 从频域上划分平衰落和频率选择性衰落可认为，信号的带宽小于信道的相关 带宽蝇时，即w a b e 时，信号各个频率受到的衰落都是一样的，此时信道衰 落为非频率选择性的，反之为频率选择性衰落。 2 2 3 慢衰落和快衰落 慢衰落和快衰落是从信道参数随时间改变的快慢角度来说的，它反映信道参 数相关系数随时间变化快慢值同符号持续时间的比较。时变信道的特性也可以从 多普勒频移( d o p p l e rs h i n ) 的角度来分析。当发送端或者接收端处于运动中时， 也就是两者存在相对运动，接收信号的频率相对与发送信号的频率会出现偏差， 将这种现象称为多普勒效应。令厶为多普勒频移， 厶= v c o s 0z ( 2 1 4 ) 其中，1 ，为发送端与接收端的相对速度，c 为光速，正为发送信号的载波频 率，p 为散射信号入射角。当发送信号为： g ( 矿) = g 。( t ) e x p ( j 2 r c f c t ) ( 2 15 ) 那么接收信号就为从各个角度散射来的叠加信号： 毋= 器( f ) 红( f ) e x p j ( 2 万缸+ i = 1 2 7 r f 。v c o s 0 c 矿) )( 2 1 6 ) ，= f 帝洲i f l 篓 7 ， 1 6 第二章o f d m 与m i m o 技术概述 其中，厶= 二z 为最大多普勒频移，相对应的自相关函数表达式为， 瑚 r ( f ) = is ( ) p j 2 刀7 d f _ j o ( 2 万厶f )( 2 18 )dt- - 0 0 。 其中，j o ( ) 为第一类型零阶贝塞尔函数。 图2 6 接收信号的功率谱密度图 式( 2 1 8 ) 中的r ( z x t ) 表示间隔时间相干函数( s p a c e d t i m ec o r r e l a t i o nf u n c t i o n ) ， s ( 厂) r ( z 。t ) ，r ( z x t ) 描述多径对于两个时差为“的信号相应的相关性【8 】 r ( f ) 表示为下图， 1 7 中山大学硕士学位论文 l、j ui 一瓦= 百1 ，| v ，口 图2 7 相问时间相关函数【8 】 由图2 - 7 所示，当r o e 时，信道衰落为慢衰落，此时瓦为无线信道的相 干时间，z 为符号持续时间。这时在一个符号持续时间内信道的特征参数基本 保持不变。在通信过程中，系统总希望能够使符号内的影响能够一致，但当 r o z 时信道衰落为快衰落，也就是说在一个符号持续时f m 内信道的特征参数 改变了多次，那么基带信号就发生了严重的失真，更重要的是这种失真是不可恢 复的。在信道信息已知的情况下，这时慢衰落影响通信质量的主要因素取决于系 统的信噪比( s n r ) 。 另外，如果通信过程中每一帧符号内的衰落系数基本不变，且帧与帧之间的 衰落系数相互独立，那么这种衰落被称为准静态衰落( q u a s i s t a t i cf a d i n g ) 。本文 中的研究都是以这种准静态瑞利分布平衰落信道作为基本系统环境。 2 2 4 信道仿真数据 本文所有的仿真都是在普通p c 机上完成的，仿真平台为m a t l a b7 1 。假设 发射天线发送平均功率为一的调制信号，g 。o ) = c o s ( 2 7 r f j ) ，设载波频率为 1 8 第二章o f d