（通信与信息系统专业论文）无线协作通信中功率分配问题研究.pdf

摘要 摘要 近年来 移动通信在全球范围内得到了迅猛发展 3 g 第三代移动通信 系 统也已投入商用 在未来的b 3 g 超三代移动通信 系统中 不仅需要保证良好 的通信质量 而且需要为多个用户同时保障较高的传输速率 协作通信技术是指 在多用户通信环境中 使用单天线的移动用户可以按照一定方式共享彼此天线构 成虚拟多输入多输出系统并发送信息 在不增加硬件复杂度的前提下可获得无 线链路的传输可靠性 提高信道容量 并能有效扩大无线传输的覆盖范围 从而 提高系统传输性能 在协作通信系统中 信息的传输是由信源和中继节点共同完成 因而资源分 配是无线协作分集网络研究的一个重要课题 信源以及中继节点传输信息都需要 消耗功率 分集增益是以信源以及中继节点消耗的功率之和为代价获得的 因此 重点研究信源和中继节点之间的功率优化分配是很有意义的 本论文以协作通信为研究背景 针对功率分配方案进行了深入的研究 提出 了一种基于中继选择的最小化平均b e r 误码率 的功率优化分配方案 主要研 究工作如下 1 在基于a l a m o u t i 发射的协作分集方案下 对采用b p s k 二相相移键 控 调制方式下的误码率性能进行了分析 结果验证了相对于无分集传输 采用 分集技术能获得更低的b e r 2 对于a f 放大转发 和o f 译码转发 两种协作分集方式进行了研究 结果表明 当系统各支路的信道状态相同的时候 协作分集支路具有更好的性能 而当直传路径具有最佳的信道状态时 系统可以不需要利用中继来进行信息传 输 3 为了改善系统的误码率 本文提出了一种基于中继选择的功率优化分 配方案 该方案首先根据源节点到中继节点以及中继节点到目的节点的信道增益 系数选择中继节点参与转发信息数据 随之在总功率一定的条件下 给出了基于 最小化平均b e r 功率优化分配方法的理论推导 仿真结果分析表明 与采用等功 率分配方式相比较 采用优化功率分配方案能得到更好的误码性能 当节点间的 摘要 信道状态很差时可能会出现协作失败从而影响系统的性能 因此在中继选择时加 入了门限值a 只有当源节点到可能的中继节点以及可能的中继节点到目的节点 的信道增益系数两值之间的最小值大于a 时 才考虑此节点为可能中继节点 以 d f 协作模式为例 伉值的选择要至少保证中继能准确无误的将源节点送给中继 节点的信息准确无误的译码 不会产生译码错误而降低系统的性能 因此加入中 继选择能进一步改善系统的性能 关键词 协作分集 功率分配 中继选择 放大转发 译码转发 i i a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h ep a s tf e wy e a r s t h em o b i l ec o m m u n i c a t i o n sh a v ed e v e l o p e dr a p i d l yi nt h e w o r l d a n d3 gs y s t e m sa l s oh a v e b e e np u ti n t oc o m m e r c i a la p p l i c a t i o n s i nt h ef u t u r e i na d d i t i o nt og o o dc o m m u n i c a t i o nq u a l i t y b 3g c o m m u n i c a t i o ns y s t e ms h o u l da l s o p r o v i d es a t i s f y i n g d a t ar a t e a m o n g m u l t i u s e r s s i m u l t a n e o u s l y c o o p e r a t i o n c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ym e a n st h a t s i n g l ea n t e n n am o b i l eu s e r sc a ns h a r et h e v i r t u a lm i m os y s t e mc o m p o s e db yt h e i ra n t e n n a sw i t he a c ho t h e rt h r o u g hac e r t a i n w a yi nm u l t i u s e rc o m m u n i c a t i o ne n v i r o n m e n t i nt h i sw a y w i r e l e s sl i n kt r a n s m i s s i o n r e l i a b i l i t y c a l lb ee n h a n c e da n dc h a n n e lc a p a c i t yc a nb ei m p r o v e dw i t h o u ta n y i n c r e a s e m e n ti nh a r d w a r ec o m p l e x i t y w h i c hc a na l s oe f f e c t i v e l ye x p a n dt h ec o v e r a g e o ft h ew i r e l e s st r a n s m i s s i o n t h u si m p r o v et h et r a n s m i s s i o ns y s t e m sp e r f o r m a n c e i i lt h ec 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 i n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o ni sc o m p l e t e d b ys i g n a ls o u r c ea n dr e l a yn o d e s t h u sr e s o u r c e sa l l o c a t i o ni sa ni m p o r t a n ti s s u ei n w i r e l e s sc o o p e r a t i v ed i v e r s i t yn e t w o r kr e s e a r c h i n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o na m o n gs i g n a l s o u r c e sa n dr e l a yn o d e sc o n s u m e sp o w e r d i v e r s i t yg a i ni so b t a i n e da tt h ec o s to f t h e s u mo ft h ep o w e rc o n s u m p t i o np r o d u c e db ys i g n a ls o u r c e sa n dr e l a yn o d e s t h e r e f o r e t h er e s e a r c ho fp o w e ra l l o c a t i o nb e t w e e ns i g n a l s o u r c e sa n dr e l a yn o d e si s m e a n i n g f u l i nt h ep a p e r b a s e do nt h ec o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n sr e s e a l c h d e e pr e s e a r c h o np o w e ra l l o c a t i o ns c h e m ei sd o n ea n da na l l o c a t i o ns c h e m e w i t hm i n i m i z e db e r a v e r a g ep o w e rb a s e do nt h er e l a yc h o i c ei se s t a b l i s h e d t h em a i n w o r ki s 船f o l l o w s 1 b a s e do nt h ea l a m o u t i t y p eo fc o o p e r a t i v ed i v e r s i t y b e rp e r f o r m a n c ei s a n a l y z e di nb p s km o d es c h e m e t h er e s u l t ss h o wt h a tt r a n s m i s s i o nw i t hd i v e r s i t y t e c h n i q u eh a sal o w e re n o rr a t et h a nt r a n s m i s s i o nw i t h o u td i v e r s i t yt e c h n i q u e 2 s o m er e s e a r c ho nt h ea fa n dd fc o o p e r a t i v ed i v e r s i t yi sd o n e i ts h o w s t h a t c o o p e r a t i v ed i v e r s i t yl i n kh a sa b e t t e rp e r f o r m a n c ew h e na l lt h el i n kc h a n n e l sa r ei n t h es a m es t a t e a n ds y s t e md o e sn o tn e e dr e l a yf o rt r a n s m i s s i o nw h e nt h ef o r w a r d p a s sp a t hc h a n n e li si nt h eb e s ts t a t e i i i a b s t r a c t 3 i no r d e rt or e d u c et h es y s t e mb e r a l la l l o c a t i o ns c h e m ew i t hm i n i m i z e d b e r a v e r a g ep o w e r b a s e do nt h er e l a yc h o i c ei se s t a b l i s h e d t h es c h e m ef i r s tc h o o s e r e l a yn o d e s f o rs e n d i n gi n f o r m a t i o na c c o r d i n gt ot h ec h a n n e lg a i nc o e f f i c i e n tb e t w e e n s o t i r e en o d et or e l a yn o d ea n dr e l a yn o d et od e s t i n a t i o nn o d e o nt h ec o n d i t i o nt h a t t h et o t a lp o w e ri sc o n s t a n t t h e o r e t i c a ld e r i v a t i o no ft h em i n i m i z e db e ra v e r a g e p o w e ro p t i m i z a t i o na l l o c a t i o nm e t h o di sg i v e n t h er e s u l to f t h es i m u l a t i o ns h o w s t h a t c o m p a r e dw i t ht h ep o w e rd i s t r i b u t i o nm e t h o d t h ep o w e ro p t i m i z ea l l o c a t i o n s t h e m ec a r lg e tab e t t e re r r o rp e r f o r m a n c e p o o rc h a n n e ls t a t eb e t w e e nt h en o d e sc a n l e a dt ot h ef a i l u r eo fc o o p e r a t i o nw h i c hw i l la f f e c tt h ep e r f o r m a n c eo f t h es y s t e m i n o r d e rt oa v o i dt h i s at h r e s h o l dai sb r o u g h ti n t ot h ep r o c e d u r e o fr e l a yc h o i c e o n l yw h e n t l l e l i n i i n u mv a l u eo fc h a n n e lg a i nc o e f f i c i e n tb e t w e e nt h es o u r c en o d et ot h el i k e l y r e l a yn o d e sa n dl i k e l yr e l a yn o d et od e s t i n a t i o nn o d ei sg r e a t e rt h a na t h en o d e c a n b et a ni n t oc o n s i d e r a t i o na sar e l a yn o d e t a k i n gd fc o o p e r a t i o nm o d ea s a l l e x a m p l e t h es e l e c t i o no ft h ev a l u eo fas h o u l da tl e a s te n s u r et h a tt h ei n f o r m a t i o n b e t w e e ns o u r c ea n dr e l a yn o d e sc a l lb ed e c o d e dc o r r e c t l yt oa v o i dt h ed e c r e a s e m e n t o ft h es y s t e m sp e r f o r m a n c ec a u s e db yd e c o d i n ge r r o r s i ng e n e r a l r e l a ys e l e c t i o n m e t h o dc a nf u r t h e ri m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m k e yw o r d s p o w e ra l l o c a t i o n c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y a m p l i f y a n d f o r w a r d d e c o d e a n d f o r w a r d r e l a ys e l e c t i o n 绪论 第一章绪论 1 1 协作通信的发展 如今 无线通信发展迅速 为了满足人们对无线通信技术提出的更高要求 涌现出了许多新技术和新标准来提高数据传输速率 目前3 g 已投入商用 未来 的4 g 系统也在研发中 由于数据速率的高要求 多输入多输出技术得到了广泛 的研究 这种技术是以牺牲设备成本和复杂度来获取较高的系统性能 l e t 中的 虚拟m i m o 技术和无线传感器网络中的协作m i m o 技术的发展 使中继协作技术成 为了通信行业的研究热点 同时也带动了协作通信中资源分配的研究 在发送方和接收方间使用多天线性 以在空间域获得分集增益 称为空间分 集或天线分集 这种多天线配置形式如果在接收端配置单个天线则是m i s o 系统 如果在发送端配置单个天线则是s i m o 系统 一般说来 m i m o 系统使用多于一个 的发送接收天线 可以在一对发射接收天线间建立不同路径 在这种配置下发送 信息能通过不同路径到达接收端 只要有一条路径够坚固 接收端就有能力恢复 传输的信息 多散射体在多径情况下 天线间距应适当拉开以保证发射 接收信 号的相互独立性 以充分利用多散射体所造成的多径 假设不同路径是相互独立 或相关度较低的 所有路径的链路都失败的机会就会较低 天线对数越多 接收 到的信号的冗余度就越好 也就是说收发器的检测可靠度就会越高 要克服m i m o 在未来无线网络中的限制 必须想出新技术去超越传统的点到 点通信 传统的无线系统的观点是许多节点之间相互联系 由于无线信道的广播 特性 可将这些节点当做散落的天线 采用这种观点 网络中的节点可以相互合 作传播和处理信息 在协作通信中 用户和基站间独立的路径通过一个中继信道产生 中继信道 可以被认为是源端和目的端间的直接信道的一个辅助通道 协作通信过程的一个 关键的问题是接收来自由中继完成的源节点的信号的处理过程 这些不同的处理 方案导致了不同的协作通信协议 协作通信协议可被分类为固定的中继方案和自 适应的中继方案 在固定中继中 信道资源在源节点和中继节点之间以一个固定的方式被分 无线协作通信中功率分配的研究 配 中继端的处理过程根据所采用的协议的不同而有所不同 在一个固定的前向 放大中继协议中 中继器简单的接收译文并传输一个它的放大版本到目的端 而 在中继节点让中继器去译码接收信号 重新编码 然后重新将它传送给接收器 这种中继方式被称为一个固定的前向解码中继协议 采用固定中继方式具有实现简单的优点 但是绝大数信道资源都被分配给中 继器用来传输 所以带宽效率很低 尤其当源一目的信道不是很坏的时候 由源 端发送到目的端的分组可以被目的端正确的接收 中继信道资源将被浪费 自适应中继技术可用来改善中继信道资源浪费这一问题 它包括选择性中继 和增加性中继 在选择性中继中 如果在中继端接收的信号的信噪比超过一定临 界值 中继器将会在信息上执行前向解码操作 另一方面 如果源端和中继端的 信道有严重的衰落 以至于信噪比低于这个临界值 中继器将会被闲置 此外 如果源端知道目的端不能正确的解码 那么源端会重复的发送这个信息给目的 端 或者中继器将会促进信息传输 这被称作增加性中继 在这种情况下 一个 从目的端到源端和中继端的回馈信道是有必要的 研究发现 在协作通信网络中虽然能获得一定的分集增益 但是却普遍存在 传输速率过低的明显缺憾 这是因为源节点和中继节点的信息数据传输过程不是 在相同的时隙和载波上同时完成的 从而浪费了宝贵的无线资源 与普通的单天 线无线通信网络相比较 在相同的传输速率下 采用分布式空时频编码转发源信 息的无线协作通信网络必须采用更高阶的调制方式 限制了整个网络误码性能的 改善 所以如何在获得分集增益的同时最大化网络的传输速度 成了需要解决的 首要难题 协作通信是通过引入转播信道在用户和基站之间生成了独立的信道 对不同 节点接收有用的信息有优先限制 用户协作中的一个范例就是通过执行合适的信 息处理算法 多样的终端可以处理无意中从其他节点处得来的信息 并与转发节 点合作 因此 协作通信技术在第四代通信系统中是一种新方法 他保证了高速 率的数据传输 我们期望协作通信技术在第五代通信网中也会成为一个关键的技 术 绪论 1 2 协作分集技术 上世纪7 0 年代c o v e r 和g a m a l 提出的中继信道容量理论 2 是协作分集的基 础 如下例所示 用户1 和用户2 互为协作伙伴 它们不仅仅传输自己的信息数 据 还要接收来自彼此的信息数据然后转发出去 如图卜1 用户s 1 和用户 s 2 是一对协作伙伴 s l 除向基站 b s 传送自己的信息数据之外 还要把接收到 的来自用户s 2 的信息数据转发给b s 相应的 用户s 2 也会把接收到的用户s 1 的信息数据转发给基站 这样用户s 1 和用户s 2 与基站之间就产生了两条独立 衰落分支路径 以用户s 1 为例 一条是s 1 与基站之间的直接发送的路径 另 条是用户s 1 发送给用户s 2 s 2 接收到来自s 1 的信号然后转发给基站的间 接发送路径 协作分集技术就是希望借助协作作伙伴的天线与它自身的天线共同 构造成一个多发射天线阵 从而模拟传统的多发射天线的分集来获得空间分集增 益 图卜1蜂窝网络环境下的协作通信场景 基于源节点到中继然后转发给目的节点 源节点直接发送给目的节点的单中 继模型是上述协作通信结构的简化 如图1 2 所示 r 叁慧 一 j 一 卜 强抄回 无线协作通信中功率分配的研究 中继节点 源节点目的节点 图1 2 单中继协作模型 在协作通信中 用户不仅要将自己的信息数据传送出去 还要接收其协作伙 伴的信息数据 然后转发出去 中继节点的作用是用来协助源节点并增强主信道 从而使单天线的用户通过这种方法获得空间上的分集增益 达到改善系统性能的 目的 协作分集技术不仅仅局限在两用户之间的协作上 同样可以是多用户的协 作 也就是一个用户可以同时得到多个用户的协作帮助 称为多中继协作方式 多用户协作场景可见图卜3 图1 3 多中继协作通信系统模型 协作分集技术是在协作传输数据过程中 当移动台接收到来自其他移动台发 送来的信息数据时 将所接收的信息数据进行处理并转发出去 那么在接收端就 可以通过接收到的两个或多个来自不同独立统计的衰落信道来的数据进行处理 因此在接收终端获得空间分集增益 其通信过程可以分为两步 首先 源节点发 送信号给目的节点和所有的中继节点 然后中继节点对来自源节点的信息数据进 4 绪论 行处理转发给目的节点 在目的节点处通过合并方法将来自于源节点和中继节点 的信息数据进行合并 同传统的非协作方式的通信系统比较 协作通信由于获得了较好的空间分集 增益 因此当传输速率相同时 协作通信系统发射所要消耗的总功率肯定要比非 协作通信系统少 这样可以大大延长系统的待机时间以及节约系统资源 由于采 用分集技术的移动台不仅仅要传输自己的信息数据 还要为协作伙伴转发信息数 据 这就会加大无线资源的消耗 所以在协作通信系统中就要对用户的功率进行 更为理想的分配 以保证获得较高的资源利用率 随着移动通信的发展 协作通 信技术成为了通信领域的研究热点 功率分配技术的研究也成为了人们研究的重 要方向 1 3 国内外对功率分配的研究现状 随着协作通信技术的发展 如何分配资源一直是大家研究的重点之一 由于 各个方面的限制 对于系统功率分配的问题就成了资源分配的主要问题 协作通 信系统中的功率分配方案是指在系统总的发送功率一定的前提条件下 如何在参 与协作通信的源和终端之间合理地分配功率 从而改善功率资源的利用率 提高 中继系统的容量 从而得到最佳的网络性能 目前有很多关于协作通信系统中功率分配方案的研究 出发点一般都基于以 下不同的原则来分类 根据目标函数 有无中心控制节点 信道状态信息以及中 继的数目 3 其中根据目标函数可分为基于可靠性为目标 中断概率 误码率 等 和基于提高有效性为目标 最大互信息量 遍历容量等 根据有无中心控 制节点可分为集中式 仅用于有中心控制节点的网络 和分布式 不管网络是否 有中心控制节点 根据信道状态信息可分为瞬时信道状态信息 采用最大互信 息量 瞬时接收信噪比等 和统计信道状态信息 采用遍历容量 平均接收信噪 比 中断概率等 而根据中继数目就是由于中继节点数目的不用来分类的方案 根据不同的方案进行功率分配获得的系统性能是不同的 文献 6 1 给出了一种基于中继节点的选择和功率分配联合优化的方案 根 据系统中继节点的信噪比的性能从各个中继中选择适合用来进行信息数据传输 的中继节点 从而实现可靠的通信传输 文献 9 分析了基于中断概率的协作 无线协作通信中功率分配的研究 瑞利网络获得最大传输速率的功率分配方案 文献 1 0 1 分析了在译码转发协作 通信方式中 基于接收端最佳误码率的分析 文献 1 2 1 基于2 跳的可再生的瑞 利衰落信道中 在总的传输功率一定时获得最大的平均信噪比的一种功率分配方 案 文献 1 3 1 分析了采用正交频分多路复用技术 o f d m 调制的2 跳放大转发 a f 网络 并且传输信息数据是在选择性频率衰落信道中 考虑当源节点或中 继节点有最大的瞬时速率时 对中继节点或源节点采用功率优化分配方案 比对 在采用正交频分复用技术调制中单独对源节点或中继节点的功率分配方案 可以 获得较好的性能 文献 1 6 研究了总发射功率一定的前提下 基于瑞利衰落信 道的最小化中断率的译码转发中继系统最优功率分配的方案 提出了一种近似的 最优功率分配算法 它假设系统给源节点端分配一定比例的功率 剩下功率平均 分配给我们所选中的中继节点 并在第二跳信道的质量很差的情况下 那么所分 配的功率就分配给源节点 这种近似最优方法与最优的功率分配方案的中断概率 相比较 其系统的性能是很接近的 1 4 本文的研究重点及内容安排 本文主要就中继协作通信系统中基于中继选择的最小化平均b e r 的最优功 率分配方案进行了研究分析 内容分为五章 其安排如下 第一章是绪论部分 阐述了本文的研究背景 即协作通信与协作通信分集技 术的发展 功率分配的国内外研究现状 然后介绍了本文的研究内容和论文安排 第二章是无线通信信道和分集技术 介绍了无线通信信道的特征和常见的分 集技术 时间分集 空间分集以及频率分集 并以a l a m o u t i 发射分集方案为例 验证了分集技术可以有效的提高通信系统传输的可靠性 最后介绍了几种常见的 分集合并方式 第三章是协作系统的性能分析 详细研究了对协作分集的两种协议 放大转 发 a f 和译码转发 d f 基于传统的中继基础上 分析了只有一个中继节点转发 信息数据 通过仿真结果表明中继协作方式可以降低系统的误码率 第四章是协作通信系统中基于中继选择的最小化平均b e r 的功率分配方案 主要讨论了a f 和d f 两种协作分集中 如何选择合适的中继节点参与转发信息 并假设在总的发送功率一定时 在信源和中继节点之间如何最优的分配功率 以 6 及中继选择对系统性能的影响 仿真结果表明 采用优化分配方案可以降低系统 的误码率 中继选择方案的加入能有效的避免协作失败的情况 进一步了改善系 统的性能 第五章是结论与展望 对本文进行了总结 并对未来的工作进行了展望 7 无线协作通信中功率分配的研究 第二章无线通信信道和分集技术 相对其他的通信信道而言 无线通信信道是最复杂的一种 在无线通信中 由于无线通信信道具有接收环境的复杂性 传播开放性和用户的随机移动性等特 点 所以信号在传输过程中会遭受各种各样的损耗以及衰落的影响 大大减弱了 接收信号的质量 因此无线信道中的衰落特性就成为了无线通信所面临的巨大挑 战 分集技术的提出就是为了对抗这种衰落 分集技术中有时间分集 空间分集 以及频率分集等 其中空间分集可以根据发射端和接收端是否使用了多根天线 分为两类 接收分集和发射分集 这一章将介绍论文研究中所应用到的一些基础知识 首先将对无线信道特性 和信道模型做简单的介绍 然后重点分析分集技术 对分集技术分类以及接收端 对接收到的信号合并方法做概要介绍 并以a l a m o u t i 发射分集作为例子来分析 分集技术对比无分集传输 比较优劣 2 1 无线通信信道的特性 无线电播的传播环境决定了无线信道的衰落特性 利用无线信道进行通信是 很有挑战性的任务 因为媒介对其中的信号引入了多种减损 在这个过程中 无 线传输的信号会受到诸如噪声 衰减 失真 干扰等影响 下面简要介绍一下影 响信号的各种情形 在发射台和接收机之间 单一的传输信号由于传输过程中的反射 比如大型 的建筑物或山脉引起的 散射 衰减等原因出现了二个或更多个的副本 并且 通过不同传播途径 最终在不同时刻 延迟引起的 到达接收机时 这样的信道 称为多径信道 各个路径来的信号各有不同的振幅 相位 延时 它们在接收端 迭加 有时迭加而加强 有时迭加而减弱 这样 接收信号的幅度将急剧变化 由于这种衰落是由于多路径引起 因此也叫多径衰落 在无线通信中 从统计特 性上看对接收信号造成影响的有大 小尺度效应 大尺度效应影响是在相对较长 距离情况下而小尺度效应影响大约在一个信号波长时 大尺度效应可以描述接收 到的本地信号功率的平均值随接 发机距离的变化的情况 从而了解无线通信的 无线通信信道和分集技术 覆盖范围 无线信道在小尺度范围的特性主要有以下几种 1 在多径信道传 输中由于各路路径的时延不同从而导致的接收机信号产生的时延扩展 2 由于 接 发机及通信媒质的移动所产生的多普勒频移 3 多径特性受媒介的影响 如果媒介的结构随时间改变 导致的结果就是多径特性也随时间改变 使得短距 离的信号传输在接收端信号强度发生极大变化 多径信号随着到达时间的推迟功率是下降的 这个功率下降是关于延迟时间 的负指数函数 功率下降和延迟时间的关系就是功率延迟谱 用一些源自于功率 延迟谱 或者频谱响应 的参数来描绘多径信道的特征并且进一步对多径信道细 化 下面我们来看一下这些参数 定义了多径信号最早到达 通过一条路径 与 最晚到达 通过另一条路径 之间的时差 如果通过这条信道发送的符号持续时 间超过了信道时延扩展 就会出现码间干扰的现象 如果用于传输信号的带宽比 信道相干带宽小 这样的信道称为平坦衰落信道 即窄带信道 与之对应的是频 率选择性衰落信道 即宽带信道 接收天线收到直射波 还收到来自各物体或地 面的反射波 散射波 此外 还由于移动台的快速移动 车 带来多普勒效应 这些使得移动台接收到的信号的振幅和相位随时间发生急剧变化 如果比发送数 据的符号周期快 则称此现象为快衰落 反之 则称为慢衰落 慢衰落和快衰落 是根据信道时变的速度来决定的 当发射源与接收端之间存在相对运动时 接收 端接收到的发射源发射信息频率与发射源发射信息频率不相同 这种现象称为多 普勒效应 接收频率与发射频率之差称为多普勒频移 因此 在无线通信中 产生极差的信道特性是避免不了的 如果要在这样的 条件下维持较好的传输质量 就要应用各种技术来抵消这些衰落带来的不利影 响 所以 各种抗衰落技术的研究在无线通信系统中是非常有必要的 2 2 无线通信网络信道模型 无线通信网络中 各个路径来的信号各有不同的振幅 相位 延时 它们在 接收端迭加 有时迭加而加强 方向相同 有时迭加而减弱 方向相反 这样 接收信号的幅度将急剧变化 即产生了多径衰落 从而造成使信号发生失真情 况 这里只考虑加性高斯白噪声 a w g n 瑞利衰落以及路径损耗对信号产生的影 响 其中路径衰落和损耗是以乘性叠加到信号上 信道模型如图2 1 9 无线协作通信中功率分配的研究 路径损耗衰落高斯白噪声 图2 一l无线通信网络信道模型 在图2 1 的信道模型中 我们假设经过调制的输入信号为x f 多径衰弱系 数为as d 路径损耗为d 叫 加性高斯白噪声为z 州 经过信道后的信号输出也就 是解调前的接收信号是y 由此得到关系表达式为 y 2x 口 d d 一 z d 2 1 并且由路径损耗d 引起的衰落同在传输信号的过程中的路径长度s 的r 1 次方是 反比的关系 也就是 d 芘1 s 2 2 在关系式中 r i 定义为路径损耗指数 根据环境的不同可以对1 1 在2 5 之间 进行取值 而当信号的传输路径s 变化很小的时候 可以认定在这个信号传输的 过程中路径损耗值n 是一个常数值 因为多径衰落能引起的信号相位的变化以及幅度的衰弱 所以会大大影响传 输的信号质量 因此这里假设多径衰落系数的幅度是服从瑞利分布的 也就是说 它是满足服从 o 5 0 上的复高斯的随机变量 相位 服从是 o 2 万 上的 均匀分布 也就是幅度包络概率密度函数p 的表达式为 p 口 2 南p 瓦拓专e 域 倍3 其中概率密度函数p 和a 的关系如图2 2 所示 无线通信信道和分集技术 i i l2 2 瑞利分布一f 的概率密度函数 相位的概率密度函数p 表达式为 p o 两1 f a e2 8 2 d a 2 1 石 o p 鳓 2 4 而加性的噪声服从均值为0 且方差为6 的高斯分布 并满足单边噪声功率 为n 2 拜 2 3 分集技术 影响无线通信质量的一个主要原因是衰弱效应 而分集技术可以提高系统的 传输的可靠性 克服多径引起的衰落 分集技术是利用多个不相关信号进行处理 并通过在空域 频域和时域来采集这些不相关的信号从而实现分集 2 3 1 分集技术的类别 当前在无线通信中我们常见的分集方式有时间分集 频率分集 空间分集等 1 时间分集1 1 9 1 是利用一个随机衰落信号 当取样点的时隙够大时 两个取 样点之间的衰落在统计上可以看成是相互独立的 也就是利用在时间上的衰落统 计特性的不同来实现抗衰落 时间选择性 的功能 时间分集采用的是在不连续时 间间隙上发送信号完成分集 对这种技术的应用造成了极大的限制 并且对传输 无线协作通信中功率分配的研究 信号的改善程度由于不一样的信道衰落性能也是不同的 如果是慢衰落信道 它 的相干时间很大 有很大的时隙间的间隔来用于时间分集 从而造成了接收端的 巨大时延 时间分集的优点是对设备装置数目要求较少 可是它占用了大量的时 隙资源 增加了开销 降低了传输效率 2 频率分集 2 0 l 是利用不一样的载波频率获得分集 这就需要它在多个不同 的频率上发送相同的信息 频率间的间距必须大于信道的相干带宽 因此 几路 信号所受到的衰落可以认定是不相关的 从而实现频率分集 和空间分集相比 频率分集需要占用的频带资源会更多 但是在接收端的天线数目和装置相对时间 分集较少 3 空间分集是利用多天线技术从而获得分集增益的 依据的是快衰落的空间 的独立性 即是在两个不同的地理位置上 两个接收天线它们之间的距离够大时 可以认为在这两根接收天线处接收到的信号之间的衰落是不相关的 以此来实现 抗衰落 所以在空间分集技术的应用中 我们需要接收机至少要配备相距为d 的两副天线 其中d 与地理位置 天线扩展角9 以及它的工作波长允等有关 表 达式可以表示为i l g j d 尘 9 2 3 2a 1 a m o u ri 发送分集方式 2 5 a l a m o u t i 编码1 1 2 1 是a l a m o u t i 提出的 是最早提出的一种空时编码 它的发 射端有两根天线组成 在其接收端可以是单根也可以是多根天线 本节中 我们 讨论的是接收端为单一天线的情况 1 2 无线通信信道和分集技术 图2 3a l a m o u t i 空时编码器发射原理框图 图2 3 所示 两个连续的符号周期 编码器的输出两个发射天线发送出去 其中在第一个符号周期和下一个符号周期内符号x 和x 以及符号一x 和x 分别 由天线1 和天线2 发射出去 它的编码的矩阵形式是 广 1 x lx 1 0i 2 6 l x 2 x lj 可以看出 a l m o u t i 编码不仅仅是在空域进行编码 也在时域进行了编码 其中天线l 和天线2 发射的序列分别是 x l b 一x 以及x2 x x j 它们的 内积为零 也就是说这两根发射天线它们的发射序列是正交的 图2 4 a l a m o u ti 发射分集方案 假设在t 时间天线l 发送的信号经过的衰落信道的信道衰落系数是h t 无线协作通信中功率分配的研究 同时天线2 发送的信号经过的衰落信道的信道衰落系数是h t 其接收机原理 如图2 4 所示 假设信道在连续的两个符号周期时刻是不变的 这样衰落信道的 信道衰落系数就可以表示为h o 和h 所以接收端接收的两个连续周期时刻的信 号表达式为 j 吒2h o x i h l x 2 2 7 k h o x 啊x 咒2 7 上述表达式中r 和r 为在t 和t t 两个连续时间周期接收端所接收到的信 号 n 和i 1 2 表示在这两个连续时间周期接收端的加性高斯白噪声 它是均值为 零 功率谱密度是哆彳的独立复变量 2 3 3a 1 a m o u ti 最大似然译码 如果信道衰落系数可以在接收机端无误的恢复出来 就能采用其作为信道状 态信息 根据信号调制星座图中对于最大似然检测器对全部的x 和x 2 的值选择 一对信号 鞠 工 使距离量度最小 d 2 啊安 红安z d 2 吃 一 安 红x a s t l i 一曩安 一吃安 1 2 l 乞 j j l 安 一吃安 1 2 2 8 将式 2 6 代入公式 2 7 中 我们就可以得到最大似然译码表达公式 a a 一 脚x x a n c c q 州吃1 2 1 科埘川2 毛 札以恐 乏 2 9 在 2 9 式中 c 是调制符号对 x 2 的所有可能存在的集合 在图2 4 的合并器中 x t 和x 通过合并接收信号以及信道的状态信息构成 出了两个判决统计 其结果表示 三 耳 红弓 2 1 0 如 噬 i 一啊再 将公式 2 7 和 2 1 0 合并得到结果表示为 1 4 由于分集子信道是不同的 所以望 三淼 毒噪比是采用分集技术 蠹篡篇搿鬣茹茹晰瓣择 无线协作通信中功率分配的研究 了合适的合并算法 在接收端我们接收到m m 2 个分级信号后 考虑的是如何将这些信号合 并来减少衰落的影响 通常使用线性合并器把接收到的m 个独立的衰落信号进行 加权后合并输出 设m 个我们接收到的信号为r t r t r m t 那么在 合并器输出端的电压r t 可表示为 m o q o 呸吒 f h f a k r k t 2 1 3 k l 上式中 吼表示的是第k 个分集信号的加权系数 加权系数选择不一样就 可以构成不同的合并方法 一般采用的有以下几种方法 选择合并方法 s c 最大比合并方法 m r c 等增益合并方法 e g c 1 选择合并方法是一种比较简单的合并形式 其原理是在接收天线端检测 所有分集信号在每个符号的间隔处选择其中具有最大信噪比的一个支路的信号 作为输出 因此输出信号的信噪比也就是最好输入信号的信噪比 从式 2 1 2 中可知 此时选择合并器的加权系数中仅有一项是1 其余全部为零 其方框图 2 6 如下所示 图2 6 选择合并方框图 2 最大比合并方法是一种线性的合并方法 原理是将接受到的分集支路的 i l l 路输入信号按照权重相加 为了保证迭加的是同相的信号 因此接收端需要采 用调相电路 如图2 7 所示 输出信号表达式为式 2 1 3 设接收信号的幅度 为4 相位为九 此时加权因此为 1 6 采用最大 但是它需要知 个支搿鬈 等增益厶并方法是一种兰鬟 磊衰落麟棚敝时 鬻嚣鬟嚣茹赫雠舻当 但是在 图2 8 是 好牲 副限 性有刖上 圆捅 之以 比所 噪 触息 路信 刘位 盏一 k 了藁 旷 删锄篡 厶口各 0 酋 无线协作通信中功率分配的研究 采用b p s k 调制方式对两种分集合并方法的误码性能比较 由图中可以看出 最 大比合并的性能要好于等增益合并的性能 并且最大比合并的性能虽着支路的增 加而增加 但是却是用设备的复杂度为代价得到的 2 4 本章小结 本章介绍了在无线通信中的一些基础知识 首先简述了无线通信中通信信道 的特性 然后对信道模型进行了简单的描述 第二节介绍了几种常见的分集技术 空间分集 时间分集和频率分集 采用a l a m o u t i 发射分集的方法举例 验证了 在传输信号的过程采用分集技术的性能比没有采用分集技术要好 最后介绍在接 收端的几种合并方式选择性合并 等增益合并以及最大比合并 分析比较了几种 方式的优劣 协作通信系统中协作分集性能分析 第三章协作通信系统中协作分集性能分析 协作通信融合了中继和分集技术 采用一个或多个中继对接收到的信源信号 进行处理并转发给信宿 通过在终端将接收到的信号合并获得分集增益 达到分 集的目的 协作通信中常见的协作技术一般有放大转发 a f 方式 译码转发 d f 方式以及编码协作 c c 方式 本章主要讨论放大转发方式和译码转发 方式下的协作通信系统的性能 3 1a f 协作分集方式下系统性能分析 本章讨论在两跳的中继信道系统中 a f 协作分集方式性能的分析 a f 协作 分集技术采用的是中继节点在接收到信源发送来的信息数据 将信息数据放大后 转发给信宿 在放大转发方式中中继在转发过程中不仅仅是放大了信息数据 同 时也放大了噪声部分 但是由于在信宿接收到的是独立统计的衰落信号 因此可 以解决这个问题 3 1 1 信道模型 图3 1 两跳中继网络的信道模型 本章采用的是两跳的中继信道模型 如图3 1 其中s 为信源 d 为信宿 1 9 无线协作通信中功率分配的研究 r l r 2 r 是n 个中继节点 可以将中继过程分为两个阶段 在第一个阶段 信源s 分别向中继节点r r r 和信宿d 发送信息数据 中继节点此时会处 理接收到的信息数据 并准备转发给信宿 在第二个阶段 中继节点r r 2 r 将处理过的信息数据转发给信宿d 并在信宿d 通过分集合并的方法将第一阶 段从信宿收到的信息数据和在第二阶段从中继节点处接收到的信息数据进行合 并 然后完成对信息的解码 设信源发送的信息数据为x o 信宿接收到的信息数据为儿o 中继节点 接收到的信息数据为聊 f 处理后的信息数据为r f 各个支路的路径损耗以 及瑞利衰落对信息数据产生的衰落的衰落参数为图中所示的办 和h z n 为高 斯白噪声 r l 为中继节点数 我们有如下公式 y o t x h 0 z 0 3 1 m x f 曩一 知 i 1 2 n 3 2 3 1 2a f 协作分集支路性能分析 这里定义放大系数为g 那么在信宿端接收到到的由中继处理转发后的信 息数据为 只 f 厨 r z j 2 扛l 2 n 3 3 最后在信宿端将接收到的由信源直接发送得到的信息数据和中继处理转发 来的信息数据进行最大比合并 则合并后的信息数据可以表示为 儿 成 色以 小1 3 4 式中卢 j l 2 n 为最大比金并系数 只需将公式 3 2 3 3 代到公式 3 4 就可以得到儿 f 详尽表达式 本章只考虑三节点的情况 就是只有一个中继节点 其中信源到信宿的直传 支路的信噪比为 信源到中继节点的信噪比为k 中继节点到信宿的信噪比 协作通信系统中协作分集性能分析 为 耐 定义各个支路的加性噪声相同 并且n o 为归一化为1 的加性高斯白噪声 磕碡 y 盟盟 盔 丝 等 矗碡吾 仔5 门2