【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)計論文 1 第一章 緒論 研究背景及意義 隨著高速無線通信應(yīng)用需求的增長，未來無線通信網(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)。為了實現(xiàn)這一目標，人們已經(jīng)進行了大量的研究，提出了多種能夠擴大信道容量、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)、信號檢測技術(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，這是由無線信道的衰落特性決定的。 在無線通信系統(tǒng)中，無線信道的衰落 特性是制約無線通信提高信號質(zhì)量和傳輸速度的主要原因。分集技術(shù)通過發(fā)射或接收多個經(jīng)歷獨立衰落的信號樣本可以有效對抗無線信道中的衰落。無線通信系統(tǒng)中存在三類不同層次的衰落，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。路徑損耗在有線通信中也存在，但比無線空間中的損耗要小一些。路徑損耗的大小依賴于傳輸距離，在能量受限的系統(tǒng)中，中繼傳輸是解決路徑損耗的一個很好方法，通過在發(fā)射機和接收機之間放置一個或多個中繼節(jié)點來幫助傳輸，可以保證通信的可靠性并節(jié)約系統(tǒng)的功率消 耗。在多用戶網(wǎng)絡(luò)中，中繼傳輸也可以通過用戶之間的相互協(xié)作來實現(xiàn)。陰影衰落是指無線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)接收信號電平平均值起伏變化的趨勢，其變化速率比信息速率慢，故又稱為慢衰落。在蜂窩系統(tǒng)中，陰影衰落可以通過采用宏分集技術(shù)和功率控制來改善。多徑衰落是電波在傳輸過程中受各種物體的反射和散射而產(chǎn)生的多個經(jīng)過不同路徑到達接收機的信號通過矢量疊加后合成的時變信號在時間、空間和頻率上的迅速波動。由于多徑衰落變化速度快，因而對系統(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、時間選擇性衰落和空間選擇性衰落，它們分別可以通過頻率分集、時間分集和空問分集來克服。在實際無線信道中這三種選擇性衰落往往同時存在，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)計論文 2 術(shù)。空間分集技術(shù)由于不需要額外占用時間和帶寬資源，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。 近年來提出的多輸入多輸出 (Multiple Input Multiple Output， MIMO)天線技術(shù)是一種空間分集技術(shù)，它通過在接收端和發(fā)射端安裝多個天線進行發(fā)射和接收信號，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 多天線技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢，并已逐漸被新一代無線通信系統(tǒng)的主流協(xié)議所采納，如 3G 蜂窩系統(tǒng)和 802． 1ln 等。然而，在一些場景中，例如蜂窩系統(tǒng)上行鏈路和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，由于無線終端自身體積、實現(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仍然很難被廣泛應(yīng)用。這是因為MIM0 技術(shù)需要天線陣列和豐富的散射環(huán)境這兩個前提條件，兩者缺一不可。目前，由于無線通信系統(tǒng)使用的頻率較低，電波波長較長，許多無線移動終端由于尺寸限制無法安裝多個天線形成理想的天線陣列。未來 ，無線通信系統(tǒng)將使用更高的頻率，移動終端可以安裝多個天線，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)的這兩個問題，一種被稱為協(xié)作通信的新方法被提出，它利用無線通信系統(tǒng)中無線媒質(zhì)的廣播特性和具有眾多用戶的特點，能使單天線用戶獲得多天線傳輸?shù)膬?yōu)勢。具體地講，協(xié)作通信在豐富的散射環(huán)境下，通過借助協(xié)作伙伴的天線形成虛擬天線陣列，而在散射不豐富的環(huán)境下，可以將協(xié)作伙伴作為主動散射物，從而形成多徑傳輸環(huán)境。從這個意義上講，協(xié)作通信為 MIMO多天線技術(shù)走向 實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)點的作用是形成主信道，它是單純作為中繼而存在的，本身沒有信息要傳送，而在協(xié)作通信中用戶既是信源又是中繼，因為每個用戶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)點的作用是協(xié)助和增強主信道。此外，傳統(tǒng)的中繼通信沒有分集的功能，而協(xié)作通信通過協(xié)作可以使單天線用戶也獲得分集增益。協(xié)作通信具有非常廣闊的應(yīng)用前景，可應(yīng)用于蜂窩移動通信系統(tǒng)、無線 Adhoc 網(wǎng)絡(luò)、無線 Sensor 網(wǎng)絡(luò)和無線局域網(wǎng)等多種場合。協(xié)作通信的基本思想是為系統(tǒng)中的每個用戶分配一個或多個協(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)計論文 3 這樣，每個用戶在傳輸信息的過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，本論文即對協(xié)作通信系統(tǒng)中的 AF 模式下的中繼協(xié)議 展開研究。 論文結(jié)構(gòu) 第一章 簡述論文的結(jié)構(gòu)和論文研究的背景及意義。 第二章 介紹無線信道的相關(guān)知識， MIMO 系統(tǒng)的產(chǎn)生和應(yīng)運以及協(xié)作分集的具體說明。 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。 通過研究得出自己的見解。然后對未來 AF 中繼協(xié)議的發(fā)展趨勢進行了展望。 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)計論文 4 第二章 無線通信 基本介紹 無線通信的定義 無線通信 (Wireless Communication)是利用電磁波信號可以在自由空間中傳播的特性進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)用最廣的就是無線通信技術(shù)。在移動中實現(xiàn)的無線通信又通稱為移動通信，人們把二者合稱為無線移動通信。 無線通信的發(fā)展前景和趨 勢 發(fā)展前景 由于無線通信具有可移動性及真正三維物理空間的無縫隙覆蓋能力；具有廣域復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)拓撲的構(gòu)成能力；具有良好的靈活性與普遍服務(wù)能力。而且，實踐已經(jīng)證明，無線通信對抗震救災(zāi)等突發(fā)重大事件，其高度安全可靠、靈活機動體現(xiàn)了其卓越的 應(yīng)變能力；另外，其前期投資較少，以及衛(wèi)星通信對區(qū)域及國際通信等長途通信距離均不敏感等等，這一系列優(yōu)點，對未來信息社會的全球個人通信的無縫隙覆蓋、多媒體運行而言，無線通信 ——尤其是地面移動通信和衛(wèi)星通信，將扮演一種獨具魅力的角色，而且會顯得愈來愈重要。 無線通信已經(jīng)經(jīng)歷了飛速的發(fā)展演進。盡管經(jīng)歷了幾代不同發(fā)展階段，每一代無線設(shè)備的更新都帶來了無限連路通信速度 、 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點對點通信轉(zhuǎn)而關(guān)注整個無線 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。典型的例子如 adhoc 網(wǎng)絡(luò)和無線傳感器網(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)點幫助其他節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)信息，因此建立了包含多天的無線通信路徑。這些研究方向最顯著的特點之一表現(xiàn)在點對點鏈路截然相反的廣播信道特性。這種特性導(dǎo)致了用戶終端發(fā)送的信息，可以通過其他節(jié)點獲得性能增益，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。 無線通信技術(shù)的發(fā)展離不開眾多基礎(chǔ)知識，如集成電路能量儲存以及天線技術(shù)的發(fā)展。數(shù)字信號處理技術(shù)作為這些基礎(chǔ)技術(shù)之一，對無線通信的發(fā)展起到了巨大的推動作用。 近幾年來，被認為對通信技術(shù)有巨大推動作用的是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，從而形成多條路徑，通過數(shù)字信號處理技術(shù)對多路徑傳送的信號進行形成和合并，提高了接受信號的質(zhì)量和數(shù)據(jù)傳輸速率。 隨著高速無線通信應(yīng)用需求的增長，未來無線通信網(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)。為了實現(xiàn)這一目標，人們已經(jīng)進行了大量的研究，提出了多種能夠擴大信道容量、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)、信號檢測技術(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，這是由無線信道的衰落特性決定的。 在無線通信系統(tǒng)中，無線信道的衰落特性是制約無線通信提高信號質(zhì)量和傳輸速度的主要原因。分集技術(shù)通過發(fā)射或接收多個經(jīng)歷獨立衰落的信號樣本可以有效對抗無線信道中的衰落。無線通信系統(tǒng)中存在三類不同層次的衰落，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。路徑損耗在有線通信中也存在，但比無線空間中的損耗要小一些。路徑損耗的大小依賴于傳輸距離，在能量受限的系統(tǒng)中，中繼傳輸是解決路徑損耗的一個很好方 法，通過在發(fā)射機和接收機之間放置一個或多個中繼節(jié)點來幫助傳輸，可以保證通信的可靠性并節(jié)約系統(tǒng)的功率消耗。在多用戶網(wǎng)絡(luò)中，中繼傳輸也可以通過用戶之間的相互協(xié)作來實現(xiàn)。陰影衰落是指無線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)接收信號電平平均值起伏變化的趨勢，其變化速率比信息速率慢，故又稱為慢衰落。 在蜂窩系統(tǒng)中，陰影衰落可以通過采用宏分集技術(shù)和功率控制來改善。多徑衰落是電波在傳輸過程中受各種物體的反射和散射而產(chǎn)生的多個經(jīng)過不同路徑到達接收機的信號通過矢量疊加后合成的 時變信號在時間、空間和頻率上的迅速波動。由于多徑衰落變化速度快，因而對系統(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)計論文 6 落，它們分別可以通過頻率分集、時間分集和空 間 分集來克服。在實際無線信道中這三種選擇性衰落往同時存在，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，全球通信技術(shù)的發(fā)展日新月異，尤其是近兩三年來 ， 無線通信技術(shù)的發(fā)展速度與應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)超過了固定通信技術(shù)， 呈現(xiàn)出如火如荼的發(fā)展態(tài)勢。 其中最具代表性的有蜂窩移動通信、寬帶無線接入，也包括集群通信、衛(wèi)星通信，以及手機視頻業(yè)務(wù)與技術(shù)。 蜂窩移動通信從上世紀 80 年代出現(xiàn)到現(xiàn)在，已經(jīng)發(fā)展到了第三代移動通信技術(shù)，目前業(yè)界正在研究面向未來第四代移動通信的技術(shù) 。寬帶無線接入也在全球不斷升溫，近幾年來我國的寬帶無線用戶數(shù)增長勢頭強勁。寬帶無線接入研究重點主要包括無線城域網(wǎng) （ WMAN） 、無線局域網(wǎng) (WLAN)和無線個域網(wǎng) (WPAN)技術(shù) 。模擬集群通信的應(yīng)用開始得比較早，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)成為無線通信技術(shù)中不可忽視的一個領(lǐng)域 。手機視頻廣播作為一種新的無線業(yè)務(wù)與技術(shù)，正在成為目前最熱門的無線應(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)都朝向移動的、寬帶的、高速的方向發(fā)展?？偨Y(jié)這些年來蜂窩移動通信技術(shù)的演進過程，可以得出這樣一些特點 : （ 1）無線接口頻譜效率更高，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。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 。3G 技術(shù)已經(jīng)成熟開始商用，今后 10年將與 2G 長期并存，最終逐步替代 2G。超 3G正處在初期研究階段，將在 10 年后進入實質(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 的方向演進以 3GPP標準為例， 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)計論文 7 （ 3） 在 IEEE802 涉及 的無線領(lǐng)域中，目前主要分為四類無線接入技術(shù)，分別是個域網(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)（ ）。 是一種固定無線接入技術(shù)， 技術(shù)目標是一種移動寬帶接入技術(shù)，支持車速移動 (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)。目前只對無線接口物理層和 MAC 層進行標準化，預(yù)計明年中完成 。核心網(wǎng)部分標準化尚