【文章內(nèi)容簡介】 選擇性衰落信道；空間 分西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計論文 8 集，也稱為天線分集，是通過發(fā)射端或接收端在空間上分開排列多個天線或天線陣列來實現(xiàn)的，實際中只要各天線間的距離大于發(fā)送信號波長的一半，就可以認(rèn)為信號是經(jīng)歷互不相關(guān)的衰落信道傳輸。其中，時間分集和頻率分集必須使用額外的時間或頻譜資源來引入發(fā)射信號的冗余副本，這將導(dǎo)致頻譜效率的損失，而空間分集則可以避免這一問題。 接收分集技術(shù)也即合并技術(shù)，就是接收端按照某種方式，將分集方式得到的多個衰落特性相互獨(dú)立的信號合并輸出，從而獲得分集增益。常用的合并方式有三種：選擇合并、等增益合并以及最大比合并。選擇合并是最簡單的合并 方式，其選擇所有信號中信噪比最大的一路作為輸出；等增益合并，顧名思義，就是等權(quán)系數(shù)合并各路信號；在最大比合并中，每路信號的加權(quán)系數(shù)與信噪比成正比，信噪比越大，加權(quán)系數(shù)越大，對合并后信號的貢獻(xiàn)也越大。在三種合并方式中，最大比合并的性能最好，但是在實際應(yīng)用中需要對信道的衰落系數(shù)進(jìn)行估計。 時間分集 時間分集是利用一個隨機(jī)衰落信號，當(dāng)取樣點的時間間隔足夠大時，兩個樣點間的衰落是統(tǒng)計上相互獨(dú)立的，即利用在時間上衰落統(tǒng)計特性的差異來實現(xiàn)抗衰落 (時間選擇性 )的功能。因此，時間分集是在不連續(xù)的時隙上發(fā)送信號完 成分集，這就在很大程度上限制了我們對這種技術(shù)的應(yīng)用。對于不同的信道衰落特性，它對信號傳輸?shù)母纳瞥潭仁遣煌?。如果衰落是慢衰落，此時信道的相干時間非常大，那么用于時間分集的時隙間的間隔也就非常大，這樣造成了在接收端的巨大時延?？焖ヂ湫诺老啾雀m于時間分集。時間分集雖然對設(shè)備的數(shù)目要求較少，但是它占用時隙資源，增大了開銷，降低了傳輸效率。 頻率分集 頻率分集是利用不同的載波頻率獲得分集。它要求在多個不同的頻率上發(fā)送同樣的信息，頻率間隔必須大于信道的相干帶寬，這樣，幾路信號所遭受的衰落就可以認(rèn)為是不相 關(guān)的，從而實現(xiàn)頻率分集。頻率分集和空間分集相比，需要占用更多的頻帶資源，但是在接收端可以配置較少的接收天線和設(shè)備。 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計論文 9 MIMO 系統(tǒng) 鑒于頻譜資源的寶貴，空間分集技術(shù)由于不需要占用額外的時間和頻帶資源，從而成為未來通信發(fā)展的趨勢。作為空間分集方式的一種， MIMO 技術(shù)在通信鏈路的發(fā)射端與接收端使用多個天線 ， 能夠?qū)鹘y(tǒng)通信系統(tǒng)中的多徑因素變成對用戶通信性能有利的因素，在抗多徑衰落、提高通信鏈路的速率和質(zhì)量方面有著明顯的優(yōu)勢。然而在實際的蜂窩通信系統(tǒng)中，發(fā)射分集只能應(yīng)用于基站端，以提高下行鏈路的通信質(zhì)量 ； 而對 上行信道而言，移動終端由于受到體積、功耗、工藝等多方面的限制，在其上安裝多個天線有很大困難，極大地限制了 MIMO(多輸入多輸出 )通信 技術(shù)在上行鏈路中的應(yīng)用。為了解決這一問題，誕生了一種全新的分集方式 ——協(xié)作分集 (Cooperative Diversity)，它使得移動終端按照一定的方式共享彼此的天線，從而產(chǎn)生一個虛擬的 MIMO 系統(tǒng)以獲得發(fā)射分集增益，為多天線技術(shù)的實用化提供了一條新的途徑。 隨著無線互聯(lián)網(wǎng)多媒體通信的快速發(fā)展，無線通信系統(tǒng)的容量與可靠性亟待提升，常規(guī)單天線收發(fā)通信系統(tǒng)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。采用常規(guī)發(fā) 射分集、接收分集或智能天線技術(shù)已不足解決新一代無線通信系統(tǒng)的大容量與高可靠性需求問題。幸運(yùn)的是，結(jié)合空時處理的多天線技術(shù) —— MIMO 技術(shù)，提供了解決該問題的新途徑。它在無線鏈路兩端均采用多天線，分別同時接受與發(fā)射，能夠充分開發(fā)空間資源，在無需增加頻譜資源和發(fā)射功率的情況下，成倍地提升通信系統(tǒng)的容量與可靠性。 MIMO(MultipleInput MultipleOutput)系統(tǒng)，該技術(shù)最早是由 Marconi 于1908 年提出的，它利用多天線來抑制信道衰落。根據(jù)收發(fā)兩端天線數(shù)量，相對于普通的 SISO(SingleInput SingleOutput) 系統(tǒng)， MIMO 還可以包括SIMO(SingleInput MultipleOutput)系統(tǒng)和 MISO(MultipleInput SingleOutput)系統(tǒng)。利用 MIMO 信道可以成倍地提高無線信道容量，在不增加帶寬和天線發(fā)送功率的情況下，頻譜利用率可以成倍地提高。同時也可以提高信道的可靠性，降低誤碼率。 在具有多于一根收 /發(fā)天線時，在每對發(fā)射和接收天線之間將建立不同的信道。在這類模型中，發(fā)射信息能夠通過不同的信道到達(dá)接收端。只要其中一個信道足 夠強(qiáng)，接收機(jī)就能夠恢復(fù)發(fā)射信息。如果我們假設(shè)不同的信道相互獨(dú)立或者西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計論文 10 具有非常小的相關(guān)度，那么所有信道鏈路衰落的概率就很小。天線對越多，接收信號的冗余度（分集）就越大，也就是說，收發(fā)器檢測的可靠性將越高。信道鏈路的低相關(guān)度或者獨(dú)立的假設(shè)可以通過適當(dāng)?shù)姆蛛x收發(fā)器兩端天線來獲得。 MIMO 技術(shù)已經(jīng)成為無線通信領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一，通過近幾年的持續(xù)發(fā)展， MIMO 技術(shù)將越來越多地應(yīng)用于各種無線通信系統(tǒng)。在無線寬帶移動通信系統(tǒng)方面，第 3 代移動通信合作計劃 (3GPP)已經(jīng)在標(biāo)準(zhǔn)中加入了 MIMO 技術(shù)相關(guān)的內(nèi)容， B3G 和 4G 的系 統(tǒng)中也將應(yīng)用 MIMO 技術(shù)。 MIMO 技術(shù)對日益增長的無線通信系統(tǒng)容量和系統(tǒng)可靠性提供了解決問題的新途徑。但是現(xiàn)有的多天線技術(shù)多用于基站端，而對于移動終端，由于發(fā)射分集要求相鄰天線之間的間距要大于電波波長并且多個收發(fā)天線之間的傳輸信道是獨(dú)立的或至少是不相關(guān)的，移動終端對體積，質(zhì)量和功耗的要求又非?？量蹋栽谝苿咏K端很難安裝多天線，因而，很難在移動終端實現(xiàn)上行的發(fā)射分集?？紤]到現(xiàn)有的無線通信系統(tǒng)中是由多用戶組成，因而一種新的在移動終端實現(xiàn)分集的思想隨之產(chǎn)生 —— 協(xié)作分集。其基本思想是：移動終端之間共享各自的天線 ，利用自己和小區(qū)內(nèi)其他移動終端所構(gòu)成的虛擬的多發(fā)射天線陣傳輸信息，從而獲得空間分集增益的分集方式，有效消除無線信道多徑和時變衰落的影響。協(xié)作分集還可以擴(kuò)大系統(tǒng)容量，提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量，改善系統(tǒng)性能。在一定的意義上講，協(xié)作分集思想為 MIMO 技術(shù)走向?qū)嵱锰峁┝艘粭l新的途徑。 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計論文 11 第三章 協(xié)作分集原理及分類 協(xié)作通信 協(xié)作通信可以有效的解決無線通信中低信噪比信號檢測、信號編碼和斷續(xù)的通信問題。協(xié)作通信的目的就是充分利用網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點資源來幫助有信息需求的節(jié)點進(jìn)行高速、可靠地?zé)o線通信。 協(xié)作通信是一種新的通信方式，通過引入中繼信道，它在用戶和基站之間產(chǎn)生了獨(dú)立路徑。中繼信道可以認(rèn)為是源和目的端之間直接信道的一種輔助信道。因為中繼節(jié)點常常距源節(jié)點有幾個波長的距離，所以中繼信道與直接信道見的衰落獨(dú)立，這就在源和目的端之間引入了一個滿秩 MIMO 信道。在協(xié)作通信方案中，對于接收到由其他發(fā)射節(jié)點輻射出的有用能量節(jié)點會有一些先驗的限制。新的用戶協(xié)作范例是這樣的：通過在節(jié)點上執(zhí)行適當(dāng)?shù)男盘柼幚硭惴ǎ嘟K端能處理從其他節(jié)點偵聽到的傳輸信號，并且通過彼此的中繼信息進(jìn)行協(xié)作。中繼信息隨后在目的節(jié)點進(jìn)行組合以產(chǎn) 生空間分集。這就產(chǎn)生了這樣一個網(wǎng)絡(luò)，它可以被認(rèn)為是一個執(zhí)行分布式多天線的系統(tǒng)，協(xié)作節(jié)點為彼此產(chǎn)生了不同信號路徑。 協(xié)作通信是中繼和分集技術(shù)的融合，為了在無線通信環(huán)境中獲得分集增益，可以選擇一個固定的或者移動的中繼基站對接收到的信源端數(shù)據(jù)處理并轉(zhuǎn)發(fā)給信宿，通過在終端的信號合并達(dá)到分集的目的。無線協(xié)作中繼技術(shù)主要包括放大轉(zhuǎn)發(fā) AF 協(xié)議、譯碼轉(zhuǎn)發(fā) DF 協(xié)議和編碼協(xié)作 CC 等。 協(xié)作通信 可以使具有單根天線的移動臺獲得類似于 MIMO 系統(tǒng)中的某些增益，其基本思想是在多用戶環(huán)境中，具有單根天線的移動臺可以按照一定的方式 來共享彼此的天線從而產(chǎn)生一個虛擬 MIMO 系統(tǒng)，從而獲得發(fā)分集增益。該方法使用帶有一根天線的移動臺，在多用戶環(huán)境中可以共享其他移動用戶的天線，這樣可產(chǎn)生多根虛擬發(fā)射天線，進(jìn)而得到相應(yīng)的分集增益，改善移動通信系統(tǒng)的性能。 協(xié)作通信在無信通信系統(tǒng)中有多種應(yīng)用，主要有固定中繼的協(xié)作通信西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計論文 12 （協(xié)作 MIMO)和用戶終端間的協(xié)作通信（多用戶協(xié)作）兩種方式?？紤]到移動終端只配置 1 到 2 跟天線，為了保證天線數(shù)受限的終端用戶也能獲得MIMO 增益，提出了協(xié)作 MIMO 的概念。另外，在多跳無線通信網(wǎng)絡(luò)中，為提高傳輸速率，提出了多用戶協(xié)作分 集即多個用戶相互協(xié)作從而實現(xiàn)類似 MIMO 的傳輸方案以獲得分集增益。而目前非常熱門的無線中繼技術(shù)的重要理論基礎(chǔ)也包含協(xié)作通信理論。 圖 31 協(xié)作通信的簡單模型 目前，協(xié)作通信已經(jīng)受到了國內(nèi)外廣泛的關(guān)注，許多相關(guān)課題已經(jīng)或者正在展開，各種新的技術(shù)不斷出現(xiàn)。在國際上，無線世界研究論壇 （ WWRF） 已經(jīng)成立了關(guān)于中繼的分組委員會專門開展對此技術(shù)的研究，并發(fā)表了相關(guān)研究的白皮書。很多知名國際期刊、會議也單獨(dú)列出了子方向?qū)f(xié)作通信技術(shù)進(jìn)行報道，世界上已有多所大學(xué)的實驗室開展看這方面的研究。 協(xié)作分集原理概述 協(xié)作分集技術(shù)起源于 Cover 和 E1 Gamal 對中繼信道的研究。中繼信道模型如圖 32 所示，發(fā)射端 A 發(fā)送信號 X 至中繼端 B 和目的端 C，之后中繼端 B 根據(jù)其接收信號發(fā)送一個相關(guān)信號 X’至目的端 C，因此，該模型可以分解為一個廣播信道 (A 發(fā)射， B 和 C 接收 )和一個多點接入信道 (A 和 B 發(fā)射， C 接收 )。通西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計論文 13 過對中繼信道的信道容量的計算發(fā)現(xiàn)，在一定程度上整個中繼信道 (信道 AB 和BC)的容量性能優(yōu)于直接傳輸信道 (信道 AC)的性能。 圖 32 中繼信道模型 從某種意義上說，協(xié)作通信與中繼信道模型類似， 所不同的是每個用戶作為源的同時也作為另一用戶的中繼，即協(xié)作模型中的用戶在協(xié)助其他用戶的同時也可以傳輸其自身數(shù)據(jù)，如圖 33 所示。在該模型中，兩個用戶的上行信道是相互獨(dú)立的衰落信道，系統(tǒng)采用半雙工工作模式，即用戶不能同時發(fā)送和接受信號。 圖 33 協(xié)作分集模型 通常情況下，用戶 1 和用戶 2 可以統(tǒng)一分配系統(tǒng)功率和帶寬資源，相互幫助以實現(xiàn)對基站的傳輸；在極限情況下，用戶 2 用分配給它的所有資源幫助用戶 1傳輸信息，此時用戶 l 成為信源，而用戶 2 成為中繼，即使用戶 1 到基站的上行西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計論文 14 信道衰落很嚴(yán)重，用戶 l 的信息也可以通過用戶 2 的上行信道成功傳輸，從而實現(xiàn)了協(xié)作通信。 ? 階段 1，源發(fā)送信息到目的，同時，中繼也接到到源發(fā)送的信息。 ? 階段 2，中繼 2 通過轉(zhuǎn)發(fā)或者重新發(fā)送源的信息來幫助源。 目的和中繼接收到的信號 ,sd sryy分別為 ： , s d s dsdy p h x n?? () , s r s rsry p h x n?? () 階段 2 中，中繼將處理后的源信號向目的 轉(zhuǎn)發(fā)，目的接收到的信號為 , , , ,()r d r d s r r dy h q y n?? () 協(xié)作協(xié)議 根據(jù)中繼實現(xiàn)方式，協(xié)作分集技術(shù)主要分為三類：放大轉(zhuǎn)發(fā) (Amplify and Forward， AF) 、譯碼轉(zhuǎn)發(fā) (Decode and Forward ， DF)以及編碼協(xié)作 (Coded Cooperation， CC)等多種協(xié)議 。 放大轉(zhuǎn)發(fā) 放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議是最簡單的協(xié)作分集協(xié)議，如圖 34(a)所示。每個用戶接收協(xié)作伙伴經(jīng)由衰落信道發(fā)送來的信號 ，繼而對該附加了噪聲的信號進(jìn)行放大，并重新轉(zhuǎn)發(fā)至目的端。目的端接收并按照一定方式合并來自源用戶和協(xié)作用戶的信號，最終對發(fā)送的各比特信息進(jìn)行判決。盡管該方法在放大信號的同時也放大了噪聲，但目的端接收到關(guān)于信號的多個獨(dú)立衰落樣本，因此能夠獲得分集增益。放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議最早由 J ． N． Laneman 提出，其計算了未編碼放大轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)的誤碼率，并且證明了即使放大了來自協(xié)作伙伴的噪聲，放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議的性能也顯著優(yōu)于非協(xié)作的直接傳輸方式；繼而 Lanemen， Womell 等推導(dǎo)了準(zhǔn)靜態(tài)瑞利衰落信道下放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議的中斷概率，證明了 兩用戶協(xié)作系統(tǒng)可以實現(xiàn)二階完全分集，比非協(xié)作傳輸模式獲得更大的增益。在放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議中，為實現(xiàn)最佳譯碼，假定目的端己知各用戶間的信道狀態(tài)信息 (CSI)，而在實際實現(xiàn)時，必須考慮信西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計論文 15 道估計的最優(yōu)機(jī)制。總體來說， AF 協(xié)議的理論分析相對簡單，對于進(jìn)一步理解協(xié)作通信系統(tǒng)非常有用。 譯碼轉(zhuǎn)發(fā) 譯碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議與傳統(tǒng)中繼協(xié)議方式最為接近，如圖 34(b)所示。源用戶同時向協(xié)作用戶和目的端廣播發(fā)送自身信號，協(xié)作用戶試圖對接收到的源用戶信號進(jìn)行譯碼，然后將重新編碼的信號發(fā)送至目的端。目的端接收到兩個獨(dú)立衰落的信號樣本， 按照一定方式對其進(jìn)行合并，并對合并信號進(jìn)行最終的譯碼判決。 譯碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議由于在協(xié)作用戶處發(fā)送重新編碼的信號，可以避免放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)