协作分集技术的研究

《协作分集技术的研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《协作分集技术的研究（60页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、 协作分集技术的研究Research on Cooperative Diversity System作者姓名：专业名称：指导教师： 学位类别：在职攻读工程硕士答辩日期：2009年12月14日未经本论文作者的书面授权，依法收存和保管本论文书面版本、电子版本的任何单位和个人，均不得对本论文的全部或部分内容进行任何形式的复制、修改、发行、出租、改编等有碍作者著作权的商业性使用（但纯学术性使用不在此限）。否则，应承担侵权的法律责任。硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交学位论文，是本人在指导教师的指导下，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

2、发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做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：日期： 年 月 日内 容 提 要随着现代社会对无线通信的需求增加，人们对通信质量要求越来越高，在无线通信中信号传输的多径衰落效应是影响传输速率和服务质量的重要瓶颈；因此在无线信道中，为了克服多径衰落对无线通信速率和通信质量的限制影响，经过研究表明分集技术是行之有效的方法，是对抗衰落的有效措施；然而，在实际中，移动终端对体积、质量和功耗的要求非常苛刻，所以难于实现多天线技术。于是，一种新的分集技术协作分集技术应运而生；鉴于其不需要牺牲时间和带宽就能

3、获得性能增益，使得协作分集技术受到特别的关注。本文首先在深刻理解无线信道特性的基础上研究了各种分集合并技术，研究了协作分集原理和系统模型，其主要思想是：移动终端之间分享使用彼此的天线，构成的虚拟天线阵列来实现与传统多输入多输出技术相同的效果，并指出当前存在的相关问题。结合协作分集中的两个信号处理技术放大中继和解码中继，主要对解码中继方案和无协作状态方案进行了Matlab仿真；仿真结果表明在相同信噪比时解码中继方案比无协作状态方案的误码率低3个数量级左右，而误码率随着信噪比的增大也明显降低，使协作分集的优越性能得以充分体现。最后针对实例分析-协作分集在蜂窝网切换中的应用，在该方案中，可大大提高系

4、统因资源重新分配而产生的切换效率，节省切换所需的时频资源，克服了硬切换过程中系统资源利用率高但是掉话率高以及软切换过程中掉话率低但系统资源利用率低的缺点。在一定程度上解决了系统资源和性能指标之间的矛盾。因此，本论文基于协作分集技术，并且以协作分集技术作为研究对象，对基于协作分集的编码调制技术及其系统仿真作以重点研究。同时，在具体应用层面针对协作分集在蜂窝网切换中的应用展开系统、深入的探究。关键词：无线信道，协作分集，编码协作，蜂窝切换 目 录目 录第1章 绪 论11.1 无线通信的发展和研究背景11.2 多天线无线通信系统的提出与发展21.3 协作分集技术国内外发展现状和前景31.4 论文主要

5、工作51.5 论文结构51.6 小结5第2章 移动通信无线信道及特性参数62.1 多径衰落的产生72.2 描述多径信道的主要参数72.2.1 时延扩展72.2.2 相关带宽72.2.3 多普勒频移82.2.4 相关时间82.3 多径衰落的分类92.3.1 平坦衰落和频率选择性衰落92.3.2 快衰落和慢衰落102.4 小结10第3章 分集及协作分集技术113.1 分集技术的原理及分类113.1.1 空间分集113.1.2 频率分集123.1.3 时间分集133.1.4 极化分集和角度分集133.2 合并技术143.2.1 选择式合并143.2.2 等增益合并153.2.3 最大比值合并163.

6、3 协作分集技术163.3.1 协作分集的概念163.3.2 协作分集的系统模型183.4 协作分集存在的问题183.5 小结19第4章 基于协作分集的编码调制技术204.1 实现协作的信号处理方法204.1.1 放大-中继法（Amplify and forward）204.1.2 解码-中继法（Decode and forward）204.2 协作系统中关键编码调制技术224.2.1 卷积码概要224.2.2 维特比译码子模块264.2.3 循环冗余校验码（CRC）子模块294.2.4 调制子模块304.3 小结31第5章 协作分集仿真实现及性能分析325.1 协作分集仿真模型325.2 仿

7、真结果的性能分析335.3 小结36第6章 协作分集在蜂窝网切换中的应用376.1 传统越区切换技术概述376.1.1 硬切换386.1.2 软切换和更软切换386.1.3 接力切换386.2 基于协作分集的切换方案描述396.3 实例分析406.4 小结43第7章 总结和展望447.1 全文总结447.2 未来展望44参考文献45摘 要 49ABSTRACT50致 谢导师与作者简介47第1章 绪 论第1章 绪 论1.1 无线通信的发展和研究背景由于移动通信具有灵活和便捷的特点所以符合当代社会对通信技术的要求，自从20世纪80年代中期以来成为最迅速的通信方式。现代移动通信技术从模拟调制方式到数

8、字调制方式经历了三个时期：第一代移动通信系统(1G)以模拟式蜂窝网为代表，主要的模拟调制方式为频分多址，以实现对网内用户的动态寻址功能，并以蜂窝式网络结构和频率规划实现载频复用，满足扩大覆盖服务范围和满足用户数量增长的需求。在信道动态特性匹配上，适当采用了性能较好的模拟调频方式，并利用基站二重空间分集方式抵抗空间选择性衰落。第二代移动通信系统(2G)以数字化蜂窝网为主要特征，采用时分多址、码分多址数字调制方式实现对网内用户的动态寻址功能，以数字式蜂窝网络结构和频率规划实现载频复用，并采用独立信道传送信令，从而提高了系统容量，使系统性能大为改善。第二代移动通信技术采用了抗干扰性能优良的数字式调制

9、；采用性能优良的抗干扰纠错编码：卷积码、级联码；采用功率控制技术抵抗慢衰落和远近效应；采用自适应均衡和RAKE接收抗频率选择性衰落与多径干扰；采用信道交织编码，如采用帧间交织方式和块交织方式抵抗时间选择性衰落；采用空间或极化分集方式抵抗空间选择性衰落。虽然第二代移动通信系统相对于第一代移动通信系统已经有了很大的改进，但是第二代移动通信系统通常只提供低速语音业务。但社会信息化进程越来越快，仅仅通话已不能满足人们对信息交流的需要，除话音外，数据、图形、图像等各种信息都希望能随时获取和彼此相通，多媒体服务就变得越来越有必要。由此第三代移动通信系统(3G)应运而生。第三代无线通信系统以多媒体业务为主要

10、特征，支持速率l00Mb/s的多媒体宽带数据业务，在系统适配信道与用户二重动态特性的基础上又引入了业务的动态性。它继续采用第二代中所采用的行之有效的措施，对CDMA扩频方式中由于扩频码性能的不理想带来的多址干扰、远近效应等采用了多用户检测、智能天线、发端分集、空时编码等；针对数据业务要求误码率低且实时性要求不高的特点，对数据业务采用了性能更优良的Turbo码。第三代移动通信系统及其下一代移动通信(B3G)系统由于数据传输速率高，对分集技术等抗干扰手段提出了更高的要求。1.2 多天线无线通信系统的提出与发展在移动通信系统的环境下，无线信道中电波的传播不是单一路径，在接收端除了直射波外，还有各种反

11、射波，绕射波和二次反射波等，由于电波通过各个路径的距离不同，因而各个路径来的反射波到达时间不同，也就是各信号的时延不同。它们在接收端合成后，就会引起信号的剧烈变化，从而严重影响信号的传输质量，即多径衰落。鉴于无线信道中可靠的通信取决于链路上的信号强度，由于多径衰落特性的小尺度效应，以及诸如由于距离衰减引起的路径损耗和障碍物引起的阴影等大尺度效应使得信道处于深度衰落时通信中可能出现差错或是中断。因此，如何有效处理衰落的影响对无线通信系统的设计是至关重要的。多径衰落是影响无线通信质量的一个主要因素，因此人们提出许多方法来抵抗多径衰落对无线通信的影响，如分集、自适应均衡、扩频通信、交织以及纠错编码技

12、术等，其中分集技术是对抗多径衰落的一项行之有效的技术。目前，解决这一问题有效的方法之一就是利用分集技术。分集技术可以通过在发射端发射多个信号，在接收端合并多个经历独立衰落的信号的方法来对抗无线信道的衰落。常见的分集方式主要有时间分集、频率分集和空间分集。时间分集通过采用时间交织和信道编码，在时间域内提供信号的副本；频率分集通过在不同的载波频率上发送符号，在频率域内提供信号副本；空间分集则是通过利用多个天线来实现的。时间分集要求发送冗余信号的若干时隙之间相互独立，频率分集要求几个载波频率之间相互独立，空间分集要求多个天线之间的距离足够大(大于若干个波长)。空间分集是在不牺牲信号频率带宽和保证数据

13、传输速率的同时获得分集增益，而且可以结合其他各种分集方法，因而得到了广泛的应用。在一定程度上，正是空间分集展现出的良好特性促使了协作分集思想的提出。实质上协作分集技术是一种全新的分布式空间分集技术。而空间分集技术由于无需占用额外的时间和带宽资源就能获得很好的抗衰落性能而受到广泛关注。多输入多输出(MIMO)系统是一种典型的利用空间分集技术的多天线无线通信系统，它可以提高系统的信道容量。1994年Pauiraj和Kallath提出在发送端和接收端同时使用多天线可增加无线信道的容量。1996年，Roy和Ottersten提出在基站使用多根天线可在同一信道上支持多个用户使用。1995年Telater

14、和1998年Foschinil对高斯信道下多输入天线、多输出天线信道容量的研究表明，多天线MIMO技术可大大提高容量。1.3 协作分集技术国内外发展现状和前景MIMO技术是无线通信领域的重大突破，它能够极大地提高通信系统的容量和频谱利用率。但在实际的蜂窝通信系统中，由于移动终端体积、功耗以及硬件复杂度等的限制，不能在移动终端上安装多天线，这就极大的限制了MIMO技术在无线移动终端中的应用。为了解决这一问题，诞生了一种全新的分集技术协作分集（Cooperative Diversity），使单天线的移动终端也可以实现空域分集。它的基本思想是系统中的每个终端可以拥有自己的一个或多个合作伙伴，合作伙伴

15、有责任帮助其伙伴传输信息。这样，每个源节点在传输信息的过程中既利用了自己的又利用了合作伙伴的空间信道，从而获得了一定的空间分集增益。由于协作分集中的合作伙伴共享彼此的天线，从而构成了虚拟的MIMO系统。从这个意义上讲，协作分集为MIMO多天线技术的实用化提供了一条新的途径。协作分集的概念最初源于van der Muelen对中继信道模型(包括源、中继和目的端三个节点)的理论研究，Cover与Gamal对非衰落条件下的中继信道进行了分析，给出了这类信道容量的上界和下界；为了适合实际的应用，源节点和中继节点在正交信道(TDMA、FDMA、CDMA)传输条件下，不同协作方案的容量和中断概率性能相继被

16、研究。此外，还出现了多址接入信道中协作度可变的协作方案、多址接入信道中移动端和基站共享一个中继方案等。基于以上中继性能的研究，Sendonaris等人最先提出了协作分集的概念，首先从信息论的角度出发，分析并给出了这个系统的容量限，然后讨论了协作对中断概率的影响，最后针对CDMA接入方式提出了检测转发（Detect and Forward, DF）的协作策略。几乎同一时间，J.N.Laneman针对两个用户进行协作的情况，提出放大转发（Amply and Forward, AF）协议来实现中继；文献中提出了三种不同的协作分集协议：固定中继，选择中继和增量中继；随后将协作方案扩展到准静态瑞利信道下

17、，对协作系统的中断概率进行分析，结果表明两用户协作时获得的分集度为2。更进一步地，为了在协作分集的情况下提高系统吞吐率，Hunters提出了基于编码协作的新概念。它是用户协作与信道编码的结合，不同于以前的重发（AF、DF），协作端对源端发送信息译码后按照一定的协议转发额外的校验信息，而且为了避免错误转发，还引入了CRC校验。之后，学者们对协作分集技术展开了全方位、多层次的研究，并涌现出大量的研究成果。根据协作用户数目的多少可以将这些协作方案分为：两用户协作方案和多用户协作方案，其中两用户协作是协作通信技术的基础；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(Amplify-and-Fo

18、rward, AF)、译码转发(Decode-and-Forward, DF)和编码协作(Coded Cooperation, CC)三类，其中AF中继按照功率限制对接收信号放大后直接转发出去，而DF则是先进行解调和译码，然后进行编码和调制，重构源信号后再进行中继发送，与AF、DF方案的重复转发不同，CC方案转发的是源信息的冗余而不是重复，从编码的角度看效率更高，这令CC方案能够获得额外的编码增益；根据中继是否具有信道自适应性可以将这些协作方案分为：固定型中继、选择型中继和增强型中继三种中继协议，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条件（如中继译码正确、用户间信道信噪

19、比达到某一门限）时才进行中继，而增强型中继只在直传出错时才考虑中继。另外还有采用空时编码的协作方案，其本质上属于CC方案，因为其同样是信道编码技术与协作技术结合的产物。本论文主要研究基于译码转发(DF)的固定型和选择型中继两用户协作系统。协作通信作为一种新兴技术，近几年在国内外学术界受到广泛关注，并已取得诸多研究成果。但任何一种新技术的出现，必然会带来一些新的问题，协作通信技术仍存在不少问题需要进一步的探讨和改进。目前，协作通信的研究主要集中如下几个方面：第一，协作的构架问题：在蜂窝通信系统中由于基站的存在，有可能对该小区内的移动终端进行统一管理，有利于用户协作；但对于自组网或传感器网，并没有

20、一个中心节点进行管理，需要一个分布式协作协议，使终端能够自己决定怎样协作或跟谁协作；第二，协作系统在频率选择性衰落信道下以及平坦快衰落信道下的应用问题：目前现有的研究工作大多都是假设信道是平衰落的，但是在实际的移动通信系统中，信道往往是频率选择性衰落的，那么如何在恶劣信道环境下利用现有的研究成果，也是一个亟待解决的问题，即协作分集与高效信道编码调制/解调传输技术的结合；第三，协作的接入问题：主要存在于多个用户间协作的模式，关键在于采用一种什么样的接入策略，以尽可能公平地对待所有移动终端，并尽量减少通信系统由于协作所带来的成本开销，以及如何更灵活地适应网络的多址接入协议；第四，协作过程的自适应问

21、题：在一个多用户环境中应该怎样划分各个终端的协作伙伴，并且既然是移动终端，当其相对位置改变时该如何处理，应该隔多久时间需重新划分一次合作伙伴，这方面问题同信道检测与识别以及MAC层管理等紧密联系；此外，现有研究均认为各个移动终端有着相等的发射功率，但如果在协作过程中，使终端根据上行信道或协作伙伴的信道状态自适应地调整发送功率，可进一步提升协作效率。目前，在国外越来越多的通信研究者已经意识到协作分集的巨大潜力，纷纷开始针对协作分集各项技术的研究。1.4 论文主要工作本文首先对移动通信中广泛使用的分集技术进行了介绍，同时对协作分集所用到的空间分集技术作了详细的介绍。进而将采用分集技术与不采用分集技

22、术系统的性能作了对比。其次本文讨论了协作分集所取得的进展和性能改善，并具体研究了放大中继，解码中继这两种协作方案的协作方式和性能。其中重点研究了解码中继的协作方式和性能。通过仿真对其与没有协作分集的方案进行性能比较。1.5 论文结构本论文的结构安排如下:第一章：简要介绍目前移动通信和协作分集的发展和研究现状，并概括论文的主要工作。第二章：介绍移动通信无线信道的特性和参数，具体介绍多径衰落对无线通信的影响，并对多径衰落进行分类。第三章：介绍能够抵抗多径衰落的分集技术，并重点介绍了空间分集技术和分集合并技术。第四章：研究现有的协作分集技术：放大中继和解码中继；并介绍协作分集中用到的编码调制技术，包

23、括CRC编解码，卷积码编解码和8PSK调制解调技术。并阐述协作分集的优点及现存在的问题。第五章：对采用解码中继协作分集和无协作分集两种通信状态，进行Matlab仿真，并对结果进行比较。第六章：针对于结合网络编码的协作分集在蜂窝网络中扇形区域中切换技术中的应用，并且将其性能和传统的切换技术进行了比较。最后对全文所得出的结论进行归纳，总结全文，并提出了未来的研究方向。1.6 小结本章主要介绍了无线通信、多输入多输出系统和协作分集技术的国内外发展状况，并且结合课题研究背景和意义，最后总结出本论文的主要工作并列举出全文的组织结构。第2章 移动通信无线信道及特性参数第2章 移动通信无线信道及特性参数无线

24、通信工程师的任务就是克服恶劣的无线信道环境，设计出满足一定性能要求的通信系统，因此对无线信道的理解尤为重要。无线信道对信号传输的影响主要有传输衰减、多径传播引起的频率选择性衰落、时变性引起的选择性衰落以及角度扩展引起的频率选择性衰落。大尺度衰落：无线信道对信号传输的衰减使接收信号的功率减小，它由传输路径的长度、直达信号路径中的障碍情况决定。无线通信中的传输衰减主要表现在以下两个方面：(1)路径损耗：它反应出在宏观范围（千米量级）的空间距离上传播的接收信号电平均值的变化趋势。接收信号电平平均值与信号传播距离的n次方成反比，称为路径损耗指数，其大小由具体的传输环境决定。(2)阴影衰落：电磁波在空间

25、传播时受到地形起伏、高大建筑物的阻挡，在这些障碍物后面会产生电磁波的阴影，造成场强中值的变化，从而引起信号的衰减，称为阴影衰落。阴影衰落是以较大的空间尺度来衡量的，其统计特性通常符合对数正态分布。路径衰落和阴影衰落合并在一起反映了无线信道在大尺度上对传输信号的影响，称为大尺度衰落。小尺度衰落：当发射机和接收机之间的距离在较小的尺度上（数个波长）变化时，接收信号的功率会发生急剧的变化，称之为小尺度衰落。常见的选择性衰落有频率选择性衰落、时间选择性衰落和空间选择性衰落。(1)频率选择性衰落主要由多径传播引起。信号的多径传播导致时延扩展，其结果会发生符号间干扰（ISI），体现在频域中就是频率选择性衰

26、落，即信号在不同的频率上遭受的衰落是不同的。相干带宽描述了无线信道的时间色散特性。(2)时间选择性衰落是由于发射机和接收机的相对运动或信道中其他物体的运动所引起的。信道的时变性导致的时间选择性衰落表现为信号的频谱被展宽。相干时间在时域上，描述信道的频率色散的时变特性。如果在一段时间T内，信道包络近似不变，T为相干时间。如果载波包络以快于传输符号率的速度波动，信道被称为快衰落信道；如载波包络以慢于传输符号率的速度波动，信道被称为慢衰落信道。(3)空间选择性衰落是由于信号本身散射体影响下呈现角度上的扩展所引起的。如果在一段距离Dc内，信道包络近似不变，Dc称为相干距离。如果接收机移动的距离大于相干

27、距离，信道经历小尺度衰落。与小尺度衰落相应的是大尺度衰落，大尺度衰落反映了路径损耗和载波频率对信号衰落的影响。2.1 多径衰落的产生移动无线信道的主要特征是多径传播。多径传播是由于受无线传播环境的影响，在电波的传播路径上产生了反射、绕射和散射，这样当电波传输到接收端的天线时，信号不是单一路径来的，而是许多路径来的多个信号的叠加。因为电波通过各个路径的距离不同，所以各个路径电波到达接收机的时间不同，相位也就不同。不同相位的多个信号在接收端叠加，有时是同相叠加而加强，有时是反相叠加而减弱。这样接收信号的幅度将急剧变化，即产生了多径衰落。2.2 描述多径信道的主要参数2.2.1 时延扩展在多径传播条

28、件下，接收信号会产生时延扩展。当发送端发送一个脉冲信号时，由于信号的传播路径不同，所以到达接收端的时间也就不同，因此接收信号不仅包含该脉冲，还将包括此脉冲的各个延时信号，这种由于多径效应引起的接收信号中脉冲的宽度扩展现象称为时延扩展。扩展的时间可以通过第一个到最后一个多径信号之间的时间来衡量，一般用d来表示。2.2.2 相关带宽时延扩展是由多径传播所引起的现象，而相关带宽是从时延扩展得出的一个确定关系值。两个频率相隔很近的衰落信号，当时延扩展达到某一数值时，就有可能变得相关。对于某一时延扩展达到某一数值时，两衰落信号是否相关取决于两者的频率间隔。两衰落信号相关时的频率间隔称为相关频率，它是对信

29、道传输信号带宽能力的度量。如输入信号的带宽远远小于信道相关带宽，则输出信号频谱中，谱分量幅度与相位关系是确定的;反之，如输入信号的带宽大于信道相关带宽，则会引起输出信号的失真，对于数字通信将会引起误码。相关带宽可以用公式定义如下： (2-1)其中为相关带宽，为多径时延扩展。式2-1表明，时延扩展越大，相关带宽越窄，信道容许传输的不失真频带就越窄。反之，时延扩展越小，相关带宽越宽，信道容许传输的不失真频带就越宽。2.2.3 多普勒频移当移动台在运动中通信时，接收信号频率会发生变化，称为多普勒效应，波动过程都具有的特性。多普勒效应引起的附加多普勒频移称为多普勒频移，如图2-1所示。v运动方向入射电

30、波图2-1 多普勒效应此时多普勒频移可以表示为： （2-2） （2-3）其中，表示移动速度，表示波长，表示入射波与移动台移动方向之间的夹角，为最大多普勒频移。由式2-2可以看出，多普勒频移与移动台运动的方向、速度以及无线电波入射方向有关。若移动台朝向入射波方向运动，则多普勒频移为正(接收信号频率上升)；反之，若移动台背向入射波方向运动，则多普勒频移为负(接收信号频率下降)。信号经过不同方向传播，其多径分量造成接收机信号的多普勒扩散，因而增加了信号带宽。2.2.4 相关时间相关时间是指一段时间间隔，在此间隔内，两个到达信号具有很强的相关性，换句话说在相关时间内信道特性没有明显的变化。因此相关时间

31、表征了时变信道对信号的衰落节拍，这种衰落是由多普勒效应引起的，并且发生在传输波形的特定时间段上，即信道在时域具有选择性。一般称这种由于多普勒效应引起的在时域产生的选择性衰落为时间选择性衰落。时间选择性衰落对数字信号误码有明显影响，为了减少这种影响，要求基带信号的码元速率远大于信道相关时间的倒数。多普勒频移的倒数就是信道相关时间的度量，即： （2-4）其中，为相关时间，为多普勒扩展，当入射波与移动台移动方向之间的夹角时上式成立。2.3 多径衰落的分类2.3.1 平坦衰落和频率选择性衰落根据衰落与频率的关系，将衰落分为两种：平坦衰落和频率选择性衰落。是否发生频率选择性衰落或非频率选择性衰落要由信道

32、和信号两方面来决定，对于移动信道来说，存在一个固有的相关带宽，对于信号来说也有其信号带宽。如果信道带宽大于发送信号的带宽，且在带宽范围内有恒定增益，且线性相关，则接收信号就会经历平坦衰落过程。在平坦衰落情况下，信道的多径结构使发送信号的频谱特性在接收机内仍能保持不变，所以平坦衰落也称为频率非选择性衰落。产生平坦衰落的条件为： (2-5) (2-6)其中，为信号周期(信号带宽的倒数)，是信道的时延扩展，为信道相关带宽。如果信道具有恒定增益，且相关带宽范围小于发送信号带宽，则此信道特性会导致接收信号产生频率选择性衰落。在这种情况下，接收信号中包含经历了衰减和时延的发送信号波形的多径波，因而产生接收

33、信号失真。产生频率选择性衰落的条件是： (2-7) (2-8)对于数字移动通信来说，当码元速率较低信号带宽小于信道相关带宽时，信号通过信道传输后各频率分量的变化具有一致性，衰落为平坦衰落，信号的波形不失真；反之，当码元速率较高信号带宽大于信道相关带宽时，信号通过信道传输后各频率分量的变化是不一致的，衰落为频率选择性衰落，引起波形失真，造成码间干扰。2.3.2 快衰落和慢衰落根据衰落与时间的关系，将衰落分为两种：快衰落和慢衰落。对于是否发生时间选择性衰落，即快衰落和慢衰落，由信道和信号两方面来决定，对于移动信道来说，存在一个固有的相关时间，对于信号来说也有其信号周期。当信道的相关时间小于发送信号

34、的周期，且基带信号的带宽小于多普勒扩展时，信道冲激响应在符号周期内变化很快，从而导致信号失真，产生衰落，此衰落为快衰落。所以信号经历快衰落的条件是： (2-9) (2-10)其中，为信号周期(信号带宽风的倒数)，是信道相关时间，为多普勒频移。当信道的相关时间远远大于发送信号的周期，且基带信号的带宽远远大于多普勒扩展时，信道冲激响应变化比要传送的信号码元的周期低很多，可以认为该信道是慢衰落信道。所以信号经历慢衰落的条件是： (2-11) (2-12)2.4 小结本章主要阐述了多径衰落和多普勒频移对信号传输的影响，并对多径衰落进行了具体分类。了解无线移动通信信道特性是克服多径衰落的基础，必须充分考

35、虑这些特性，针对这些特性的影响找出合适的解决方案。第3章 分集技术第3章 分集及协作分集技术3.1 分集技术的原理及分类分集技术是无线通信系统中对抗多经衰落、提高传输性能的一项基本技术。由于存在多径效应与时变性，在无线衰落信道中传输的信号可能会受到严重的衰减。这种衰减使得接收端不能正确地判断发送信号，除非有其他的衰减程度比较小的信号副本提供给接收机，这种方法就被称为分集。其基本原理是：将接收到的多个不相关的信号能量按一定规则合并起来，使得组合后得到的有用信号能量最大化。对数字系统而言，使接收端的误码率最小。从分集的类型看，分集的方法有空间分集、频率分集、时间分集、极化分集和角度分集等多种。3.

36、1.1 空间分集两个接收信道时，它们受到的衰落影响是不相关的，且二者在同一时刻经受深衰落谷点影响的可能性也很小，因此这一设想引出了利用两副接收天线的方案，独立地接收同一信号，再合并输出，衰落的程度能被大大地减小，这就是空间分集。空间分集是利用场强随空间的随机变化实现的，空间距离越大，多径传播的差异就越大，所接收场强的相关性就越小。这里所提相关性是个统计术语，表明我们知道在移动通信中，空间略有变动就可能出现较大的场强变化。当使用信号间相似的程度，因此必须确定必要的空间距离。经过测试和统计，建议为了获得满意的分集效果，移动单元两天线间距大于0.6个波长，并且最好选在的1/4奇数倍附近。若减小天线间

37、距，即使小到1/4，也能起到相当好的分集效果。空间分集分为空间分集发送和空间分集接收两个系统。其中空间分集接收是在空间不同的垂直高度上设置几副天线，同时接收一个发射天线的微波信号，然后合成或选择其中一个强信号，这种方式称为空间分集接收；如下图所示。分集合并图3-1 分集原理示意图空间分集接收是利用多副接收天线来实现的。在发射端采用一副天线发射，而在接收端采用多副天线接收。接收端天线之间的距离人为工作波长，以保证接收天线输出信号的衰落特性是相互独立的，也就是说，当某一副接收天线的输出信号很低时，其他接收天线的输出则不一定在这同一时刻也出现幅度低的现象，经相应的合并电路从中选出信号幅度较大、信噪比

38、最佳的一路，得到一个总的接收天线输出信号。这样就降低了信道衰落的影响，改善了传输的可靠性。空间分集接收的优点是分集增益高，缺点是还需另外单独的接收天线。3.1.2 频率分集频率分集是采用两个或两个以上具有一定频率间隔的微波频率同时发送和接收同一信息，然后进行合成或选择，利用位于不同频段的信号经衰落信道后在统计上的不相关特性，即不同频段衰落统计特性上的差异，来实现抗衰落频率选择性的功能。实现时可以将待发送的信息分别调制在频率不相关的载波上发射，所谓频率不相关的载波是指当不同的载波之间的间隔大于频率相干区间，即载波频率的间隔应满足 （3-1）式中，为载波频率间隔，典为相关带宽，为最大多径时延差。在

39、移动通信中，当工作频率在频段，典型的最大多径时延差为5，此时有当采用两个微波频率时，称为二重频率分集。同空间分集系统一样，在频率分集系统中要求两个分集接收信号相关性较小即频率相关性较小，只有这样才不会使两个微波频率在给定的路由上同时发生深衰落，并获得较好的频率分集改善效果。在一定的范围内两个微波频率相差，即频率间隔越大，两个不同频率信号之间衰落的相关性越小。频率分集与空间分集相比较，其优点是在接收端可以减少接受天线及相应设备的数量，缺点是要占用更多的频带资源，所以一般又称它为带内频带内分集，并且在发送端可能需要采用多个发射机。3.1.3 时间分集时间分集是将同一信号在不同的时间区间多次重发，只

40、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。时间分集正是利用这些衰落在统计上互不相关的特点，即时间上衰落统计特性上的差异来实现抗时间选择性衰落的功能。为了保证重复发送的数字信号具有独立的衰落特性，重复发送的时间间隔应满足 （3-2）式中，为衰落频率，V为移动台运动速度，为工作波长。若移动台是静止的，则移动速度V=0，此时要求重复发送的时间间隔为无穷大。这表明时间分集对于静止状态的移动台是无效果的。时间分集与空间分集相比较，优点是减少了接收天线及相应设备的数目，缺点是占用时隙资源增大了开销，降低了传输效率。无论何种分集方式，都是利用在不同的传播条件下，几个微波信号同时发

41、生深衰落的概率小于单一微波信号发生深衰落概率来取得分集改善效果的。3.1.4 极化分集和角度分集(1)极化分集在移动环境下，空中的水平路径和垂直路径是不相关的，因而信号也呈现不相关的衰落特性。这就可在发送和接收端各装两个天线，一个水平极化天线，一个垂直极化天线，这就可以得到两个不相关的信号。实际上极化分集是空间分集的特殊情况，但其优点是费用较低，结构紧凑，节省空间，缺点就是发送功率要分配到两个天线，造成了3dB的损耗。这一技术在蜂窝移动用户激增时，在改链路的传输效率和提高容量方面有很明显的效果。(2)角度分集由于地形、地貌及建筑物等通信环境的不同，到达接收端的信号来自不同的方向。在接收端可以安

42、装方向性天线，分别指向不同的方向，则每个方向性天线接收到的信号是弱相关的，而且方向(角度)相差越大，来自不同方向信号的相关性越小。3.2 合并技术分集技术的充分条件是如何将可获得含有同一信息内容但是统计上独立的不同样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个衰落特性相互独立的信号，所谓合并就是根据某种方式把得到的N个独立衰落信号相加后合并输出，从而获得分集增益。假设N个独立衰落信号分别为,份，则合并器输出为 （3-3）式中，为第i个信号的加权系数。选择不同的加权系数，就可构成不同的合并方式。表征合并性能的参数有平均输出信噪比、合并增益等。最常用的分集中合并的方式有选择式合并、等增

43、量合并和最大比值合并等。发射机K1K2KN检测器选择电路图3-2 选择式合并原理3.2.1 选择式合并选择式合并原理图如图3-4所示。选择式合并是所有合并方式中最简单的一种，其原理是利用选择逻辑电路检测所有接收机输出信号的信噪比，选择其中信噪比最大的那一路信号作为合并器的输出。选择式合并的平均输出信噪比为 （3-4）合并增益为 （3-5）为合并器平均输出信噪比，为支路信号最大平均信噪比。3.2.2 等增益合并等增益合并原理图如图3-5所示。当各加权系数，即为等增益合并。假设每条支路的平均噪声功率是相等的，则等增益合并的平均输出信噪比为 （3-6）等增益合并的增益为 （3-7）式中为合并前每条支

44、路的平均信噪比。移动台（发端）K1输入输出KNK2发射机可变增益加 权增益可变增益加 权可变增益加 权检测器选择电路基站（收端）图3-3 等增益合并和最大比值合并原理3.2.3 最大比值合并最大比值合并的原理图如图3-5所示。最大比值合并原理是各条支路加权系数与该支路信噪比成正比。信噪比越大，加权系数越大，对合并后信号贡献也越大。若每条支路的平均噪声功率是相等的，可以证明当各支路加权系数 （3-8）分集合并后的平均输出信噪比最大。式中为第k条支路信号幅度，为每条支路噪声平均功率。最大比值合并后的平均输出信噪比为 （3-9）合并增益为 （3-10）可见合并增益与分集支路数成正比。在这三种合并方式

45、中，最大比值合并的性能最好，选择式合并的性能最差。比较式（3-7）和式（3-10）可以看出当N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。3.3 协作分集技术尽管分集技术具有明显的优势，并已逐渐被新一代无线通信系统的主流协议所采纳，但仍然有其缺陷。目前多天线都设置在基站，要在移动终端安置多天线还是比较难以实现的。主要是因为移动终端由于受体积、功耗、工艺等多方面的限制，不适合安置多天线，同时由于不能保证技术要求的天线间的独立性，使该技术的使用受到限制。Sendonaris等人在1998年提出的协作分集技术打破了这种僵局，使单天线的移动终端通过形成虚拟天线阵列，抵抗信道的多径效应，提

46、高传输速率，增加系统容量，为分集技术在小型移动终端网络中的广泛应用提供了一条新的途径。3.3.1 协作分集的概念协作分集允许一组无线终端互相中继信号，以模仿天线阵列，并在无线衰落信道下实现空间分集。下图中，用户1和用户2为某两个单天线用户，他们通过协作，共享彼此天线，形成一个虚拟的两天线发射系统。接收基站通过合并接收，可获得一定的分集增益。协作分集技术最早源于中继信道(Relay Channel)的研究，但协作又不同于中继：中继用户只是为源用户转发数据，而协作用户既是转发者，又是数据源。协作分集概念如图2-1所示。图3-4 协作分集简单模型如下图所示，将基站视为源节点，有高速率需求的终端视为目

47、的节点，其他终端作为中继节点，这样整个系统从有高速率需求的终端来看就是一个多址信道，参加通信的中继节点就可以视作高速率终端的收发天线。从整体上看，整个网络就等效于一个MIMO系统。这种使用移动中继来增加特定用户容量的技术，被称为协作通信，由于类似于MIMO，也被称为虚拟多天线和虚拟MIMO。但由于并没有解决如何对有限的系统资源进行调配和对不断变化的网络拓扑进行规划的问题，使该技术一直局限在无线局域网中，无法在移动蜂窝网中得到大规模应用。RelaySourceDestination图3-5 中继信道模型以上图为例，简单说明协作分集的基本过程。第1步，终端（Source）以广播的方式发送信号（实线

48、所示），目的终端（Destination）和协作终端（Relay）收，协作终端对信号进行相应的处理，为下一步做准备。第2步，终端Relay将处理后的信号发往目的终端Destination，此时终端Source也可以向Destination发送重复的或新的信号，最后目的终端按照某种规则合并接收到的两路信号。协作分集的实质就是希望借助协作伙伴的天线，与自身天线一起，传输两条或多条在空间上独立衰落的信号副本，实现空间分集，获得分集增益。现有的研究成果表明，在平坦衰落环境下，协作分集可以扩大系统容量，提高数据传输速率，有效对抗衰落以及降低系统的服务中断概率，提高网络服务质量，改善系统性能。3.3.2

49、协作分集的系统模型为了减少无线信道中由于慢时变、频率非选择性多径衰落、大尺度阴影和路径损耗引起的效应，才提出了协作分集的概念。在实际系统中使用中继的一个问题是目前的无线设备无法在同一频段同时收发信号，也就是说，它们必须工作在半双工模式。除了对功率的限制外，半双工约束必须是模型不可分割的一部分。更具体些，考虑有个无线终端的网络，每个设备都有一个基带等效且时间离散的发射信号，其平均功率限制为，接收信号为,。结合半双工的限制条件，无线终端在时刻接收信号为：式中，为无线设备和之间频率非选择性、准静态多径衰落、阴影和路径损耗的共同效应；为描述了终端接收的热噪声和其他干扰。受准静态条件的启发，这里考虑系数

50、对接收端是已知的，也就是说接收机可以精确估计该系数，但对发射机来说是不可获知的或不能为其所用。也就是，无线终端可以但不能确知，此时，。从统计意义来说，可把建模为独立复随机变量，这个假设对通过几个载波波长分离无线终端的情况是比较合理的。另外，这里把建模为零均值、相互独立的、白色循环对称的复高斯随机序列，其方差为。3.4 协作分集存在的问题尽管协作通信的某些形式看起来将在未来无线网络中出现，但最终的网络结构形式和多种应用的性能影响还不是很清晰。(1)链路提取的再思考目前有关合作的研究工作多集中在合作终端数目相对较少的并行或单级中继上，对于多跳网络，多级合作表现为网络层，且具有数量较大且更为复杂的链

51、路，而更多的工作应该集中在这些复杂链路如何影响网络架构的问题上。(2)硬件演示平台由于协作通信设计了不只一个发射端和接收端，精确地建模和性能预测就具有挑战性了，为了核实这些假设的合理性或开发更好的模型，协作通信需要硬件演示平台的设计。(3)实际网络影响因素改变源节点和中继节点所获知它们与目的节点的信道状态信息可导致不同的传输策略。但为了简单，在具体的分析过程中忽略了很多相互作用，而这些作用主要存在于用于信道估计、波束形成和同步的信号处理，用于错误控制的信道编码以及用于数据传输的网络协议中。开销经常不被考虑，尤其是为了CSI传输和网络协作开销，看来没有一个易处理的模型可足以评价所有的相互作用和折

52、中。然而，为了完成这些事情，在无线测试平台上进行广泛的方针和实现可能是追求的目标。3.5 小结本章针对之前的无线信道特性和参数分析的基础上，详细阐述了分集技术和协作分集的基本概念和原理，给出了传统分集和合并技术的具体分类，协作分集系统的基本模型以及协作分集当前实现的系统模型，最后针对协作分集技术存在的问题做了简要分析。第4章 协作分集及其关键编码调制技术第4章 基于协作分集的编码调制技术目前,对协作分集技术的研究已在诸多方面取得了相当的进展,主要集中在如下几个方面：（1）从信道容量、中断概率或覆盖率等方面对采用协作分集的系统的优异性能给出证明；（2）给出用户端如何具体实现“协作”的信号处理方案

53、；（3）研究实现信道编码、调制、协作分集一体化的方法；（4）实现控制用户间如何相互协作的协议。下面,就分别就从信号处理方案入手予以介绍和总结。4.1 实现协作的信号处理方法针对在用户端如何相互处理自己和“伙伴”的有用信号的问题，目前主要提出了2种方案：放大-中继法（Amplify and forward）、解码-中继法（Decode and forward）。下面在考虑只有两个用户相互协作的情况下，总结两种方案及其性能的相互比较。4.1.1 放大-中继法（Amplify and forward）这是一种简单的协作处理方法，即每个用户接收到加有噪声的伙伴的信号后进行放大，然后重新将这加有噪声的信

54、号重新发送给基站。基站接收到用户和伙伴的信号后再进行判决。在这种方案中，尽管协作者在放大信号的同时也放大了噪声,但基站能接收到两个独立的衰落信号，仍然能起到分集的作用，最后检测结果的性能还是得到了改善。放大-中继法（Amplify and forward）又被称为放大中继模式（Amplify-and-forward，AF），该机制由Laneman提出并进行了详细的分析。其研究表明,在高信噪比时，在两个用户的情况下，该机制可以获得的分集阶数为2。这里，分集阶数可以看作空间不相关信道的个数。需要注意的是分集阶数并不简单地等于天线个数或参与协作的用户数。在放大转发机制中，该机制假设已知用户间信道系数

55、，从而可以进行最优译码。所以，基站端要完成最优检测，还需要知道用户间信道的状态信息。另外，如何采样、存储、放大并重传模拟信号的技术也是值得研究的问题。4.1.2 解码-中继法（Decode and forward）该方法与传统中继方法很接近，每个用户首先去尝试检测出伙伴的数据比特，然后将检测出的比特重新发送；伙伴可以通过基站或其他技术进行指定，这样在实际中，每个用户都有一个伙伴为它提供第二条路径从而形成分集。解码一中继法（Decode and forward）又被称为解码中继模式。在该机制中，两个用户成对地进行相互协作。每个用户都具有各自的扩频码C1(t)和C2(t)。两个用户的数据比特分别是

56、bi(n)，其中i=1、2，为用户索引号，n为信息的时间标记。因子aij表示信号幅度，体现了对各部分的功率分配，每个信号周期包括3bit间隔。这里X1(t)表示用户1的信号，X2(t)表示用户2的信号。于是可以表示为：（4-1）在第一和第二时间间隔内，每个用户都发送自己的比特信息和检测其他用户的第二比特（表示为）；在第三时间间隔内，两个用户均发送自己第二比特和伙伴第二比特的线性组合。对于第一、二、三时间间隔，其发送功率可变，根据上行和用户信道之间的条件，可以对相关发射功率进行优化，该方法对信道状态具有自适应能力。通过因子aij进行功率分配,可以使平均发射功率保持不变。简言之，当用户之间信道状态

57、较好时，将分配更多协作功率反之，当用户之间信道状态不好时，将减小用户协作功率。这种信号处理机制非常简单，但还存在以下问题：a）用户对伙伴信号的检测可能失败，这时协作对在基站进行的最后检测是有害的；b）为了获得最优译码，基站需要知道用户之间信道的差错特性。为了避免上述差错传播问题，Laneman等人提出了一种选择解码中继（selection DF）方案，即当用户间信道的瞬时信噪比较高时，各用户才检测并转发其伙伴的数据，而当用户间信道的瞬时信噪比较低时，用户则转为非协作模式。研究表明，当信噪比较高时，两用户的选择解码中继不仅可以和放大中继一样，具有二阶的分集增益，而且可以获得更低的误比特率（BER

58、）和误块率（BLER）。选择中继（selection relay）可以看作是解码中继的延伸，这种方式是根据用户间信道的状态决定是否进行协作。还有另外一类延伸，即增强中继（incremental relaying）。增强中继是根据用户一基站间的信道质量来决定是否进行中继，一般的实现方式是：基站以广播的形式发送一个反馈信息，然后用户和其伙伴根据反馈信息决定是否协作。若基站认为信道质量较好，不需要进行协作，则用户发送下一部分信息从而提高了频谱效率。4.2 协作系统中关键编码调制技术本课题的主要工作就是设计协作分集的具体方案，并使用Matlab实现仿真。由于其中涉及到的大部分工作主要还是基于基本的编码

59、和调制技术，因此本章的主要内容就是针对协作仿真模型中所需的信道卷积编码、维特比(Viterbi)译码、循环冗余校验码(CRC)、8PSK调制等子模块进行详细的介绍和分析。信道编码是为了保证通信系统的传输可靠性，克服信道中的噪声和干扰，专门设计的一类抗干扰技术和方法。它根据一定的监督规律在待发送的信息码元中人为的加入一些必要的监督码元，在接收端利用这些监督码元与信息码元之间的监督规律，发现和纠正差错以提高信息码元传输的可靠性。其中待发送的码元为信息码元，人为加入多余码元为监督或校验码元。信道编码的目的，就是试图以最少的监督码元为代价，来换取最大程度的可靠性提高11。4.2.1 卷积码概要记为（n

60、，k，m）码，其中k表示每次输入编码器的位数，n则为每次输出编码器位数，m而则表示编码器中寄存器的节数，它的约束长度为m+1位。正是因为每时刻编码器输出n位码元它不仅与该时刻输入的k位码元有关，而且还与编码器中m级寄存器记忆的以前若干时刻输入的信息码元有关，所以称它为非分组的有记忆编码。卷积码的译码既可以采用与分组码类似的代数译码方法，也可以采用概率译码方法，两类方法中概率方法更常用。而且在概率译码方法中最常用是具有最大似然译码特性的Viterbi译码算法。4.2.1.1 卷积编码器卷积码的典型结构可看作由一个有k个输入端，n个输出端，且具有m节寄存器构成的一个有限状态，有记忆系统也可看作是一

61、个有记忆的时序网络。卷积码的典型编码器结构如图4-3所示：码组（字）序列C码字CnC2C1UkU2U1输入数据U串/并 变换有限状态的 有记忆系数（m级寄存器）并/串 变换图4-3 卷积码编码器结构卷积码的描述我们以比较常用的状态图、树图和本文译码时需要用的的格图为例介绍下面以一个最简单的（2、1、2）卷积码为例，如图4-4所示。数据U输入输出码组C图4-4 （2，1，2）卷积码编码器其中k=1,n=2,m=2所以总的可能状态位数为2km=22=4种，分别表示为a=00,b=10,c=01,d=11，每个时刻可能的输入有两个即2k=21=2种。若输入数据序列为：U=（U0,U1,Ui,）=（10111000）。由图4-4按输入数据序列分别完成下面9步：（1）首先，对图4-4中寄存器进行清