【文章內(nèi)容簡介】 電路從中選出信號幅度較大、信噪比最佳的一路，得到一個總的接收天線輸出信號。這樣就降低了信道衰落的影響，改善了傳輸?shù)目煽啃浴? 空間分集接收的優(yōu)點(diǎn)是分集增益高，缺點(diǎn)是還需另外單獨(dú)的接收天線。為了克服這個缺點(diǎn)，近來又生產(chǎn)出定向雙極化天線。兩個在同一地點(diǎn)、極化方向相互正交的天線發(fā)出的信號呈現(xiàn)出互不相關(guān)衰落特性。利用這一特點(diǎn)，在發(fā)射端同一地點(diǎn)裝上垂直極化和水平極化兩副發(fā)射天線，在接收端同一地點(diǎn)裝上垂直極化和西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計論文 10 水平極化兩副接收天線，就可以得到兩路衰落特性互不相關(guān)的極化分量 和 ，所謂定向雙極化天線就是把垂直極化和水平極化兩副接收天線集成到一個物理實體中，通過極化分集接收來達(dá)到空間分集接收的效果，所以極化分集實際上是空間分集的特殊情況。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是它只需一根天線，結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)省空間，缺點(diǎn)是它的分集接收效果低于空間分集接收天線，并且由于發(fā)射功率要分配到兩副天線上，將會造成的信號功率損失。分集增益依賴于天線間不相關(guān)特性的好壞，通過在水平或垂直方向上天線位置間的分離來實現(xiàn)空間分集?？臻g上的位置分離保證兩面接收天線分別接收不同路徑來的微波信號，同 時也使兩面天線間滿足一定隔離度的要求。若采用交叉極化天線，同樣需要滿足這種隔離度要求。對于極化分集的雙極化天線來 說，天線中兩個交叉極化輻射源的正交性是決定微波信號上行鏈路分集增益的主要因素。 該分集增益依賴于雙極化天線中兩個交叉極化輻射源是否在相同的覆蓋區(qū)域內(nèi)提供了相同的信號場強(qiáng)。兩個交叉極化輻射源要求具有很好的正交特性，并且在整個／扇區(qū)及切換重疊區(qū)內(nèi)保持很好的水平跟蹤特性，代替空間分集天線所取得的覆蓋效果。為了獲得好的覆蓋效果，要求天線在整個扇區(qū)范圍內(nèi)均具有高的交叉極化分辨率。雙極化天線在整個扇區(qū)范圍內(nèi) 的正交特性，即兩個分集接收天線端口信號的不相關(guān)性，決定了雙極化天線總的分集效果。 協(xié)作分集技術(shù) 與協(xié)作通信技術(shù) 協(xié)作分集的提出 3G及其以后的無線通信系統(tǒng)，為了滿足多速率多媒體通信的需求，不僅需要提高數(shù)據(jù)的傳輸速率，還要提高系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量。受到無線通信環(huán)境的多徑衰落的影響，任何通信的過程中移動用戶數(shù)據(jù)都受到嚴(yán)重的信號衰落。為了對抗無線信道的多徑衰落，人們不僅采用了改進(jìn)的信號處理元件如編碼、調(diào)制、檢測還運(yùn)用各種形式的分集方法。其中，無線環(huán)境的特殊性決定了分集方法的重要性。通過在相互獨(dú)立 的信道發(fā)送信號樣本，分集能有效地對抗衰落，某些特定的發(fā)送西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計論文 11 分集技術(shù)已經(jīng)被列入了無線標(biāo)準(zhǔn)。其中空間分集技術(shù)由于其無需占用額外的時間和頻率資源的特性，而受到廣泛關(guān)注，使用空間分集技術(shù)的 MIMO系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)被廣泛認(rèn)識。 但是，從實際工程角度考慮，對于蜂窩通信系統(tǒng)上行信道而言，由于受到移動終端物理條件 (如體積、功率開銷、天線位置設(shè)置等 )的限制，在一個無線移動終端上無法設(shè)置多根天線，因此無線通信的上行鏈路中不能實現(xiàn)發(fā)送分集，如何更好地將分集的強(qiáng)大優(yōu)勢和具體實現(xiàn)結(jié)合起來一直是一個值的研究的問題。 為了克服這一限制， Coverh和 Gamal曾 提出中繼信道模型 給出了由一個信源，一個中繼，一個接收端的中繼情況的信道容量。雖然協(xié)作分集的思想起源于中繼信道，但是還是與其有很大的區(qū)別。中繼信道中，中繼節(jié)點(diǎn)只中繼其信源節(jié)點(diǎn)的信號，并不發(fā)送自己的信號，但是在協(xié)作分集中每個用戶既作為中繼協(xié)作其伙伴用戶進(jìn)行通信，也發(fā)送自己的信號。而且傳統(tǒng)的中繼沒有分集功能，而通過協(xié)作可以使單天線用戶也獲得分集增益。 Sendonaris等人受到中繼信道的啟發(fā)，首先提出了協(xié)作分集的概念，使具有單根天線的移動臺獲得空間分集增益，這分集增益是通過用戶間的協(xié)作獲得 的。網(wǎng)內(nèi)的每個用戶都有一個“伙伴 ?’用戶。每對用戶協(xié)作通信，它們不僅發(fā)送自己的信息，還發(fā)送其“伙伴 用 戶的信息，通過共享天線來獲得空間分集增益。這種用戶間的協(xié)作不僅可以應(yīng)用在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中還可以應(yīng)用在無線對等網(wǎng)絡(luò)中。 協(xié)作分集基本思想及協(xié)作通信 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?，所以在移動終端很難安裝多天線，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，從而獲西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計論文 12 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。 協(xié)作分集概念 如圖 22 所示，用戶 user1 和 user2 為某兩個單天線用戶， 它們通過協(xié)作，共享彼此天線，形成一個虛擬的兩天線發(fā)射系統(tǒng)。 圖 22 協(xié)作通信的簡單模型 從本質(zhì)上說，協(xié)作分集就是借助于合作伙伴的天線，與其身天線共同構(gòu)造多發(fā)射天線，通過形成虛擬的 MIMO系統(tǒng)來獲得空間分集增益。如果在某個時段用戶沒有信息要傳送，那么在沒有協(xié)作時其資源只能閑置，而協(xié)作分集則可以實現(xiàn)用戶資源的充分利用。另外，在用戶資源沒有閑置時，用戶既要傳送自己的信息，又要傳送其合作伙伴的信息，會犧牲一部分自己的資源，但另一方面，用戶也通過協(xié) 作分集利用了其合作伙伴的空域資源。只要合理地設(shè)計協(xié)作方案，完全可以做到協(xié)作分集帶來的增益大于其所付出的代價。綜合來講，協(xié)作分集可以更有效地利用整個網(wǎng)絡(luò)的資源，使網(wǎng)絡(luò)性能更穩(wěn)定。 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(diǎn)常常距源節(jié)點(diǎn)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(diǎn)輻射出的有用能量節(jié)點(diǎn)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(diǎn)上執(zhí)行適當(dāng)?shù)男盘柼幚硭惴?，多終端能處西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計論文 13 理從其他節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)為彼此產(chǎn)生了不同信號路徑。 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。 今后協(xié)作通信還可用于異構(gòu)融合的無線網(wǎng)絡(luò)，形成一種全新的只能化的網(wǎng)絡(luò)，這其中存在多用戶、多網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)作問題， 問題的關(guān)鍵在于采用什么樣的策略盡可能公平地對待所有的用戶和網(wǎng)絡(luò)，如何盡量減少系統(tǒng)開銷，以及如何更靈活地去適應(yīng)各類網(wǎng)絡(luò)的接入?yún)f(xié)議等。這些相關(guān)的研究目前任然處在初級階段，有很多的工作等待開展和討論。 協(xié)作協(xié)議 圖 23 描述了一個簡單的中繼信道，由源，中繼和目的地構(gòu)成。 圖 23 簡化協(xié)作模型 根據(jù)中繼端的廣播信號的處理方式不同，協(xié)作分集又可分為固定性中繼（ Fixed Relaying）、選擇性中繼（ Selection Relaying）、增強(qiáng)型中繼（ Incremental Relaying）、編碼協(xié)作（ Coded Cooperation , CC）、空時編碼協(xié)作（ SpaceTime Coded 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計論文 14 Cooperation, STCC） 等。 固定協(xié)作策略 首先介紹 放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議（ AF 協(xié)議） 圖 24 放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議（ AF）工作原理 在 AF 協(xié)議中，中繼節(jié)點(diǎn)直接放大并轉(zhuǎn)發(fā)從源節(jié)點(diǎn)收 到的信號，如圖 24所示。中繼節(jié)點(diǎn)只是一個簡單的轉(zhuǎn)發(fā)器，它對輸入的信號只進(jìn)行線性處理。中繼節(jié)點(diǎn)接收并放大源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的帶有噪聲的信號，再將經(jīng)放大后的帶有噪聲的信號重新發(fā)送給目的節(jié)點(diǎn)。而目的節(jié)點(diǎn)對相繼從源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行合并判決。盡管在 AF 協(xié)議中，中繼節(jié)點(diǎn)在放大信號的同時也放大了噪聲，但是由于接收節(jié)點(diǎn)可以收到兩個獨(dú)立的衰落信號，所以能夠得到比較好的判決結(jié)果。 AF也被稱作非再生中繼協(xié)議，它本質(zhì)上式一種模擬的信號處理方式。 其次介紹 譯碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議 （ DF） 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計論文 15 圖 25 譯碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議（ DF）工作原理 對于 DF 協(xié)議來說，中繼節(jié)點(diǎn)對接收到的信號進(jìn)行完全解碼，并將正確解碼后的數(shù)據(jù)經(jīng)過重新編碼發(fā)送給目的節(jié)點(diǎn)，而在目的節(jié)點(diǎn)處采用的判決方式和 AF 協(xié)議相類似，如圖 25所示。如果中繼節(jié)點(diǎn)不能夠正確解碼源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，那么該中繼節(jié)點(diǎn)將不會發(fā)送數(shù)據(jù)給目的節(jié)點(diǎn)。由于 DF 協(xié)議要求中繼節(jié)點(diǎn)將接收到源節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行完全解碼，這對中繼節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理能力帶來了更大的要求。但是完全解碼的好處是濾除了噪聲信號，這樣在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的時候不會放大噪聲。 DF也被稱為再生中繼協(xié)議，其本質(zhì)上式一種數(shù)字的信號處理方式。 自適應(yīng)協(xié)作 策略 首先介紹 選擇性中繼 ： 由于 DF 的性能在很大程度上受制于用戶間信道的傳輸特性，這樣中繼端 R通過譯碼恢復(fù)出來的信號將會出現(xiàn)很多的差錯，把這些已經(jīng)出錯的信號再轉(zhuǎn)發(fā)到目的端 D，就會對目的端 D 正確恢復(fù)原始信號產(chǎn)生副作用，為了改進(jìn)固定型中繼的缺點(diǎn)，人們提出來選擇性中繼的概念。 由于中繼段 R 可以很容易獲得用戶間信道狀況 hSR,那么根據(jù) HSR的具體取值情況，對中繼端 R 參與協(xié)作的時機(jī)進(jìn)行選擇。例如，如果 |hSR|2 低于設(shè)定的門限值，中繼端 R 就不參與協(xié)作。 此時源端 S 向目的端 D 重復(fù)發(fā)送信號即可。反之，西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計論文 16 中繼端 R 參與協(xié)作，對接 收到的信號采用 AF 或 DF 的方式進(jìn)行處理并轉(zhuǎn)發(fā)到目的端 D。 因此，選擇性中繼又可以分為選擇 AF（ SAF）和選擇 DF(SDF)。 其次介紹 增強(qiáng)型中繼 從以上可以看出，固定型中繼和選擇性中繼都不能充分利用信道的自由度，因為在這些協(xié)議中，中繼端 R 或者源端 S 總是重復(fù)發(fā)送信號。增強(qiáng)型中繼的基本思想是，利用目的端 D 的反饋信號來判斷源端 S 發(fā)送到目的端 D 的信號是否被成功恢復(fù)。如果恢復(fù)成功，中繼端 R 將不再參與協(xié)作。這樣，源端 S 就可以繼續(xù)發(fā)送新的信號。反之，中繼端將參與協(xié)作，將接收到的信號進(jìn)行相應(yīng)的處理后在轉(zhuǎn)發(fā)到目的端 D。然后， 目的端 D 對接收到的兩路信號進(jìn)行適當(dāng)合并和譯碼。另外，根據(jù)中繼端參與協(xié)作的方式不同，增強(qiáng)型中繼又可以分為增強(qiáng)型 AF(IAF)和增強(qiáng)型 DF(IDF)兩種 。西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計論文 17 第三章 多跳 協(xié)作 的協(xié)議研究 本章從中斷概率性能和誤符號率性能兩個方面，先對單中繼時的放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議（ AF）和譯碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議（ DF）兩個分集協(xié)議進(jìn)行詳細(xì)的分析和研究，進(jìn)而對其性能有了進(jìn)一步的了解。進(jìn)而對多跳放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議和多跳譯碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議進(jìn)行詳細(xì)的分析和研究。 基礎(chǔ)概念介紹 A． 多跳信道：指在信源和目的之間沒有直接鏈路，即源和目的之間的信道路徑包含了一個或者 多個中繼節(jié)點(diǎn)。 B． 信道容量（ Channel Capacity） :信道容量的最早由香農(nóng) 建立。他將信道 容量 定義為：信道輸入和信道輸出指甲你的互信息量在不同的信道輸入分布下的最大值，即最大平均互信息量（ Maximum Average Mutual Information）。編碼定理證明，一定存在這樣的一種編碼方案，其數(shù)據(jù)傳輸速率接近信道容量而誤碼率可忽略；同時編碼定理的逆定理證明，對于任何編碼方案，若傳輸速率大于信道容量，則誤碼率必不可能接近于零。信道帶寬為 B，接受信噪比為 的 AWGN 信 道的容量，可以由香農(nóng)公式給出： C=B () 而衰落信道的信道容量可表示為： () 其中， h 表示收發(fā)端之間的信道衰落情況。 C． 中斷概率（ Outage Probability） :在無線通信中，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸速率 R 大于信道容量 C 時，將會出現(xiàn)中斷事件（ Outage Event）。而中斷概率就定義為中斷事件發(fā)生的概率，而中斷概率就定義為中斷事件發(fā)生的概率，記為 Pr 。 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計論文 18 中斷概率 性能分析 AF 協(xié)議 的 中斷概率 性能研究 在放大中繼模式下，每個用戶第一步都接收到其伙伴所發(fā)射的被噪聲污染的信號，并在第二步放大并轉(zhuǎn)發(fā)這些被噪聲污染的信號。目的端以一定的準(zhǔn)則合并用戶和其伙伴所發(fā)送的信號，形成最終的判決。在這種方案中，盡管協(xié)作者在放大信號的同時也放大了噪聲，但基站能接收到經(jīng)兩個獨(dú)立衰落信道衰落的信號，仍