【正文】 er allocation for AF collaboration systems. KEY WORDS： cooperative ， relay selection ,amplify and forward , cooperative diversity 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 1 第一章 緒論 研究背景及意義 隨著高速無(wú)線(xiàn)通信應(yīng)用需求的增長(zhǎng)，未來(lái)無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)被要求能夠提供更高數(shù)據(jù)速率和更可靠的業(yè)務(wù)。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，人們已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，提出了多種能夠擴(kuò)大信道容量、改善通信質(zhì)量的新技術(shù)，包括編碼技術(shù)、調(diào)制技術(shù)、信號(hào)檢測(cè)技術(shù)、復(fù)用技術(shù)及各種分集技術(shù)，其中分集技術(shù)尤為重要，這是由無(wú)線(xiàn)信道的衰落特性決定的。 在無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中，無(wú)線(xiàn)信道的衰落 特性是制約無(wú)線(xiàn)通信提高信號(hào)質(zhì)量和傳輸速度的主要原因。分集技術(shù)通過(guò)發(fā)射或接收多個(gè)經(jīng)歷獨(dú)立衰落的信號(hào)樣本可以有效對(duì)抗無(wú)線(xiàn)信道中的衰落。無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中存在三類(lèi)不同層次的衰落，分別是路徑損耗、陰影衰落和多徑衰落。路徑損耗是指電磁波在空問(wèn)傳輸所產(chǎn)生的損耗和彌散，它屬于大尺度衰落。路徑損耗在有線(xiàn)通信中也存在，但比無(wú)線(xiàn)空間中的損耗要小一些。路徑損耗的大小依賴(lài)于傳輸距離，在能量受限的系統(tǒng)中，中繼傳輸是解決路徑損耗的一個(gè)很好方法，通過(guò)在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間放置一個(gè)或多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)來(lái)幫助傳輸，可以保證通信的可靠性并節(jié)約系統(tǒng)的功率消 耗。在多用戶(hù)網(wǎng)絡(luò)中，中繼傳輸也可以通過(guò)用戶(hù)之間的相互協(xié)作來(lái)實(shí)現(xiàn)。陰影衰落是指無(wú)線(xiàn)電波在傳播路徑上遇到起伏地形、建筑物、植被等障礙物的阻擋而引起的衰落，它反映中等范圍內(nèi)接收信號(hào)電平平均值起伏變化的趨勢(shì)，其變化速率比信息速率慢，故又稱(chēng)為慢衰落。在蜂窩系統(tǒng)中，陰影衰落可以通過(guò)采用宏分集技術(shù)和功率控制來(lái)改善。多徑衰落是電波在傳輸過(guò)程中受各種物體的反射和散射而產(chǎn)生的多個(gè)經(jīng)過(guò)不同路徑到達(dá)接收機(jī)的信號(hào)通過(guò)矢量疊加后合成的時(shí)變信號(hào)在時(shí)間、空間和頻率上的迅速波動(dòng)。由于多徑衰落變化速度快，因而對(duì)系統(tǒng)的影響最大且最難克服。根據(jù)多 徑衰落產(chǎn)生的不同條件，它分為頻率選擇性衰落、時(shí)間選擇性衰落和空間選擇性衰落，它們分別可以通過(guò)頻率分集、時(shí)間分集和空問(wèn)分集來(lái)克服。在實(shí)際無(wú)線(xiàn)信道中這三種選擇性衰落往往同時(shí)存在，因而需要采用多種分集技西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 2 術(shù)?？臻g分集技術(shù)由于不需要額外占用時(shí)間和帶寬資源，并且可以方便地與其它分集方式相結(jié)合，因而更具吸引力。 近年來(lái)提出的多輸入多輸出 (Multiple Input Multiple Output， MIMO)天線(xiàn)技術(shù)是一種空間分集技術(shù)，它通過(guò)在接收端和發(fā)射端安裝多個(gè)天線(xiàn)進(jìn)行發(fā)射和接收信號(hào)，充分利用了系統(tǒng)的空間資源，從而可 以大幅度提高系統(tǒng)的功率效率和頻譜效率。盡管 MIM0 多天線(xiàn)技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，并已逐漸被新一代無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的主流協(xié)議所采納，如 3G 蜂窩系統(tǒng)和 802． 1ln 等。然而，在一些場(chǎng)景中，例如蜂窩系統(tǒng)上行鏈路和無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)，由于無(wú)線(xiàn)終端自身體積、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度與功耗等岡素限制， MIM0 技術(shù)不管是目前還是未來(lái)仍然很難被廣泛應(yīng)用。這是因?yàn)镸IM0 技術(shù)需要天線(xiàn)陣列和豐富的散射環(huán)境這兩個(gè)前提條件，兩者缺一不可。目前，由于無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)使用的頻率較低，電波波長(zhǎng)較長(zhǎng)，許多無(wú)線(xiàn)移動(dòng)終端由于尺寸限制無(wú)法安裝多個(gè)天線(xiàn)形成理想的天線(xiàn)陣列。未來(lái) ，無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)將使用更高的頻率，移動(dòng)終端可以安裝多個(gè)天線(xiàn)，但由于高頻率電波傳輸以視距傳輸為主，散射不夠豐富，因而仍然不能很好的應(yīng)用 MIMO 技術(shù)。 為了解決 MIMO 技術(shù)的這兩個(gè)問(wèn)題，一種被稱(chēng)為協(xié)作通信的新方法被提出，它利用無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中無(wú)線(xiàn)媒質(zhì)的廣播特性和具有眾多用戶(hù)的特點(diǎn)，能使單天線(xiàn)用戶(hù)獲得多天線(xiàn)傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)。具體地講，協(xié)作通信在豐富的散射環(huán)境下，通過(guò)借助協(xié)作伙伴的天線(xiàn)形成虛擬天線(xiàn)陣列，而在散射不豐富的環(huán)境下，可以將協(xié)作伙伴作為主動(dòng)散射物，從而形成多徑傳輸環(huán)境。從這個(gè)意義上講，協(xié)作通信為 MIMO多天線(xiàn)技術(shù)走向 實(shí)用提供了一條新的途徑。 協(xié)作通信是一種新型的空間分集技術(shù)，它的思想雖然來(lái)源于中繼通信，但有別于中繼通信。首先，在傳統(tǒng)的中繼通信系統(tǒng)中，中繼節(jié)點(diǎn)的作用是形成主信道，它是單純作為中繼而存在的，本身沒(méi)有信息要傳送，而在協(xié)作通信中用戶(hù)既是信源又是中繼，因?yàn)槊總€(gè)用戶(hù)既要傳送自己的信息還要轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作伙伴的信息，中繼節(jié)點(diǎn)的作用是協(xié)助和增強(qiáng)主信道。此外，傳統(tǒng)的中繼通信沒(méi)有分集的功能，而協(xié)作通信通過(guò)協(xié)作可以使單天線(xiàn)用戶(hù)也獲得分集增益。協(xié)作通信具有非常廣闊的應(yīng)用前景，可應(yīng)用于蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)、無(wú)線(xiàn) Adhoc 網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線(xiàn) Sensor 網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)等多種場(chǎng)合。協(xié)作通信的基本思想是為系統(tǒng)中的每個(gè)用戶(hù)分配一個(gè)或多個(gè)協(xié)作伙伴，協(xié)作伙伴之間有責(zé)任在傳輸自己信息的同時(shí)幫助其伙伴傳輸信息，西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 3 這樣，每個(gè)用戶(hù)在傳輸信息的過(guò)程巾既利用了自己的空間信道又利用了協(xié)作伙伴的空間信道，因而能獲取一定的空間分集增益，從而可以抵抗陰影衰落和多徑衰落，擴(kuò)大系統(tǒng)容量，提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量，節(jié)約網(wǎng)絡(luò)功率消耗，并增大網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。 與傳統(tǒng)通信系統(tǒng)的資源分配相比，協(xié)作通信系統(tǒng)的前途更加廣闊，本論文即對(duì)協(xié)作通信系統(tǒng)中的 AF 模式下的中繼協(xié)議 展開(kāi)研究。 論文結(jié)構(gòu) 第一章 簡(jiǎn)述論文的結(jié)構(gòu)和論文研究的背景及意義。 第二章 介紹無(wú)線(xiàn)信道的相關(guān)知識(shí)， MIMO 系統(tǒng)的產(chǎn)生和應(yīng)運(yùn)以及協(xié)作分集的具體說(shuō)明。 第三章 介紹研究發(fā)展協(xié)作通信的意義和前景，比較說(shuō)明幾種不同的中繼轉(zhuǎn)發(fā)操作，并引出 AF 放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議。 第四章 協(xié)作通信系統(tǒng)中的選擇 AF 中繼協(xié)議的具體研究和討論。 通過(guò)研究得出自己的見(jiàn)解。然后對(duì)未來(lái) AF 中繼協(xié)議的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。 第五章 結(jié)論 與展望，重要分析一下本文所得出的結(jié)果，以及協(xié)作通信在未來(lái)發(fā)展中的重要性。 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 4 第二章 無(wú)線(xiàn)通信 基本介紹 無(wú)線(xiàn)通信的定義 無(wú)線(xiàn)通信 (Wireless Communication)是利用電磁波信號(hào)可以在自由空間中傳播的特性進(jìn)行信息交換的一種通信方式，近些年信息通信領(lǐng)域中， 發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的就是無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。在移動(dòng)中實(shí)現(xiàn)的無(wú)線(xiàn)通信又通稱(chēng)為移動(dòng)通信，人們把二者合稱(chēng)為無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信。 無(wú)線(xiàn)通信的發(fā)展前景和趨 勢(shì) 發(fā)展前景 由于無(wú)線(xiàn)通信具有可移動(dòng)性及真正三維物理空間的無(wú)縫隙覆蓋能力；具有廣域復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞臉?gòu)成能力；具有良好的靈活性與普遍服務(wù)能力。而且，實(shí)踐已經(jīng)證明，無(wú)線(xiàn)通信對(duì)抗震救災(zāi)等突發(fā)重大事件，其高度安全可靠、靈活機(jī)動(dòng)體現(xiàn)了其卓越的 應(yīng)變能力；另外，其前期投資較少，以及衛(wèi)星通信對(duì)區(qū)域及國(guó)際通信等長(zhǎng)途通信距離均不敏感等等，這一系列優(yōu)點(diǎn)，對(duì)未來(lái)信息社會(huì)的全球個(gè)人通信的無(wú)縫隙覆蓋、多媒體運(yùn)行而言，無(wú)線(xiàn)通信 ——尤其是地面移動(dòng)通信和衛(wèi)星通信，將扮演一種獨(dú)具魅力的角色，而且會(huì)顯得愈來(lái)愈重要。 無(wú)線(xiàn)通信已經(jīng)經(jīng)歷了飛速的發(fā)展演進(jìn)。盡管經(jīng)歷了幾代不同發(fā)展階段，每一代無(wú)線(xiàn)設(shè)備的更新都帶來(lái)了無(wú)限連路通信速度 、 設(shè)備尺寸 、 電池壽命，以及應(yīng)用等方面的顯著改變。近幾年，通信技術(shù)的演進(jìn)出現(xiàn)了這樣一種轉(zhuǎn)變，即研究者們 從傳統(tǒng)的由中心控制器的單獨(dú)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信轉(zhuǎn)而關(guān)注整個(gè)無(wú)線(xiàn) 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。典型的例子如 adhoc 網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)，由于摒棄了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分層的概念而允許任何節(jié)點(diǎn)幫助其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)信息，因此建立了包含多天的無(wú)線(xiàn)通信路徑。這些研究方向最顯著的特點(diǎn)之一表現(xiàn)在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路截然相反的廣播信道特性。這種特性導(dǎo)致了用戶(hù)終端發(fā)送的信息，可以通過(guò)其他節(jié)點(diǎn)獲得性能增益，而不是被當(dāng)做干擾。西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 5 這種發(fā)展法導(dǎo)致了分布式通信和協(xié)作網(wǎng)絡(luò)這一新名詞的誕生。 無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的發(fā)展離不開(kāi)眾多基礎(chǔ)知識(shí)，如集成電路能量?jī)?chǔ)存以及天線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展。數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)作為這些基礎(chǔ)技術(shù)之一，對(duì)無(wú)線(xiàn)通信的發(fā)展起到了巨大的推動(dòng)作用。 近幾年來(lái)，被認(rèn)為對(duì)通信技術(shù)有巨大推動(dòng)作用的是MIMO(MultipleInput MultipleOutput)技術(shù)。 MIMO 技術(shù)在接收端和發(fā)射端使用使用多根天線(xiàn)，從而形成多條路徑，通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對(duì)多路徑傳送的信號(hào)進(jìn)行形成和合并，提高了接受信號(hào)的質(zhì)量和數(shù)據(jù)傳輸速率。 隨著高速無(wú)線(xiàn)通信應(yīng)用需求的增長(zhǎng)，未來(lái)無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)被要求能夠提供更高數(shù)據(jù)速率和更可靠的業(yè)務(wù)。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，人們已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，提出了多種能夠擴(kuò)大信道容量、改善通信質(zhì)量的新技術(shù)，包括編碼技術(shù)、調(diào)制技術(shù)、信號(hào)檢測(cè)技術(shù)、復(fù)用技術(shù)及各 種分集技術(shù)，其中分集技術(shù)尤為重要，這是由無(wú)線(xiàn)信道的衰落特性決定的。 在無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中，無(wú)線(xiàn)信道的衰落特性是制約無(wú)線(xiàn)通信提高信號(hào)質(zhì)量和傳輸速度的主要原因。分集技術(shù)通過(guò)發(fā)射或接收多個(gè)經(jīng)歷獨(dú)立衰落的信號(hào)樣本可以有效對(duì)抗無(wú)線(xiàn)信道中的衰落。無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中存在三類(lèi)不同層次的衰落，分別是路徑損耗、陰影衰落和多徑衰落。路徑損耗是指電磁波在空問(wèn)傳輸所產(chǎn)生的損耗和彌散，它屬于大尺度衰落。路徑損耗在有線(xiàn)通信中也存在，但比無(wú)線(xiàn)空間中的損耗要小一些。路徑損耗的大小依賴(lài)于傳輸距離，在能量受限的系統(tǒng)中，中繼傳輸是解決路徑損耗的一個(gè)很好方 法，通過(guò)在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間放置一個(gè)或多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)來(lái)幫助傳輸，可以保證通信的可靠性并節(jié)約系統(tǒng)的功率消耗。在多用戶(hù)網(wǎng)絡(luò)中，中繼傳輸也可以通過(guò)用戶(hù)之間的相互協(xié)作來(lái)實(shí)現(xiàn)。陰影衰落是指無(wú)線(xiàn)電波在傳播路徑上遇到起伏地形、建筑物、植被等障礙物的阻擋而引起的衰落，它反映中等范圍內(nèi)接收信號(hào)電平平均值起伏變化的趨勢(shì)，其變化速率比信息速率慢，故又稱(chēng)為慢衰落。 在蜂窩系統(tǒng)中，陰影衰落可以通過(guò)采用宏分集技術(shù)和功率控制來(lái)改善。多徑衰落是電波在傳輸過(guò)程中受各種物體的反射和散射而產(chǎn)生的多個(gè)經(jīng)過(guò)不同路徑到達(dá)接收機(jī)的信號(hào)通過(guò)矢量疊加后合成的 時(shí)變信號(hào)在時(shí)間、空間和頻率上的迅速波動(dòng)。由于多徑衰落變化速度快，因而對(duì)系統(tǒng)的影響最大且最難克服。根據(jù)多徑衰落產(chǎn)生的不同條件，它分為頻率選擇性衰落、時(shí)間選擇性衰落和空間選擇性衰西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 6 落，它們分別可以通過(guò)頻率分集、時(shí)間分集和空 間 分集來(lái)克服。在實(shí)際無(wú)線(xiàn)信道中這三種選擇性衰落往同時(shí)存在，因而需要采用多種分集技術(shù)?？臻g分集技術(shù)由于不需要額外占用時(shí)間和帶寬資源，并且可以方便地與其它分集方式相結(jié)合，因而更具吸引力。 近幾年來(lái)，全球通信技術(shù)的發(fā)展日新月異，尤其是近兩三年來(lái) ， 無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的發(fā)展速度與應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)超過(guò)了固定通信技術(shù)， 呈現(xiàn)出如火如荼的發(fā)展態(tài)勢(shì)。 其中最具代表性的有蜂窩移動(dòng)通信、寬帶無(wú)線(xiàn)接入，也包括集群通信、衛(wèi)星通信，以及手機(jī)視頻業(yè)務(wù)與技術(shù)。 蜂窩移動(dòng)通信從上世紀(jì) 80 年代出現(xiàn)到現(xiàn)在，已經(jīng)發(fā)展到了第三代移動(dòng)通信技術(shù)，目前業(yè)界正在研究面向未來(lái)第四代移動(dòng)通信的技術(shù) 。寬帶無(wú)線(xiàn)接入也在全球不斷升溫，近幾年來(lái)我國(guó)的寬帶無(wú)線(xiàn)用戶(hù)數(shù)增長(zhǎng)勢(shì)頭強(qiáng)勁。寬帶無(wú)線(xiàn)接入研究重點(diǎn)主要包括無(wú)線(xiàn)城域網(wǎng) （ WMAN） 、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng) (WLAN)和無(wú)線(xiàn)個(gè)域網(wǎng) (WPAN)技術(shù) 。模擬集群通信的應(yīng)用開(kāi)始得比較早，但隨著技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字集群通信技術(shù)越來(lái)越贏得大家的關(guān)注 。衛(wèi)星 通信以其特殊的技術(shù)特性，已經(jīng)成為無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)中不可忽視的一個(gè)領(lǐng)域 。手機(jī)視頻廣播作為一種新的無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)與技術(shù)，正在成為目前最熱門(mén)的無(wú)線(xiàn)應(yīng)用之一 。 蜂窩通信的發(fā)展方向 ,蜂窩通信技術(shù)從 1G、 2G 向 3G、 4G 發(fā)展 。涵蓋 WLAN、WPAN、 Bluetooth、 WiMAX、 RFID 等技術(shù)的發(fā)展。這些技術(shù)都朝向移動(dòng)的、寬帶的、高速的方向發(fā)展。總結(jié)這些年來(lái)蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)的演進(jìn)過(guò)程，可以得出這樣一些特點(diǎn) : （ 1）無(wú)線(xiàn)接口頻譜效率更高，速率更快。首先，每 10 年出現(xiàn)一代新技術(shù)，每15～ 20 年退出一代 。速率從幾十 kbit/s、幾百 kbit/s 到幾 Mbit/s 再到幾百 Mbit/s。其次，技術(shù)在平穩(wěn)中演進(jìn)。第一代模擬系統(tǒng)已經(jīng)基本退出 。第二代 GSM/CDMA數(shù)字系統(tǒng)處于主導(dǎo)地位，占據(jù)約 95%的市場(chǎng) 。3G 技術(shù)已經(jīng)成熟開(kāi)始商用，今后 10年將與 2G 長(zhǎng)期并存，最終逐步替代 2G。超 3G正處在初期研究階段，將在 10 年后進(jìn)入實(shí)質(zhì)商用階段。 （ 2）核心網(wǎng)既考慮與現(xiàn)有網(wǎng)的后向兼容，又積極向基于 IP 的方向演進(jìn)以 3GPP標(biāo)準(zhǔn)為例， R99 完全與 GSM/GPRS 兼容， R4 在電路域引入軟交換， R5 保留電路域、分組域，增加 IP 多媒體子系統(tǒng)（ IMS)。 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 7 （ 3） 在 IEEE802 涉及 的無(wú)線(xiàn)領(lǐng)域中，目前主要分為四類(lèi)無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)，分別是個(gè)域網(wǎng)（ PAN:）、局域網(wǎng) WiFi（ LAN:）、城域網(wǎng) WiMAX（ MAN:)、廣域網(wǎng)（ WAN:）。這里著重介紹 WiMAX 技術(shù)（ ）。 是一種固定無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)， 技術(shù)目標(biāo)是一種移動(dòng)寬帶接入技術(shù)，支持車(chē)速移動(dòng) (120km/h)，可以提供寬帶接入（幾十 Mbit/s），覆蓋范圍一般在幾公里之內(nèi)。 具備后向兼容 的能力，物理層主要采用 OFDM、OFDMA 技術(shù)。目前只對(duì)無(wú)線(xiàn)接口物理層和 MAC 層進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，預(yù)計(jì)明年中完成 。核心網(wǎng)部分標(biāo)準(zhǔn)化尚