【文章內(nèi)容簡介】 平均場強(qiáng)并估計(jì)無線覆蓋范圍,如用于電信運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)、預(yù)測覆蓋。建立準(zhǔn)確的無線信道大尺度傳播模型對于蜂窩設(shè)計(jì)至關(guān)重要,它可以確定小區(qū)的覆蓋大小、最佳位置,從而達(dá)到減少相鄰小區(qū)之間的干擾、優(yōu)化通信網(wǎng)絡(luò)的目的。準(zhǔn)確確定小區(qū)的覆蓋范圍是衡量整個(gè)系統(tǒng)性能的關(guān)鍵,也是其它各項(xiàng)技術(shù)如功率控制、小區(qū)軟切換、快速實(shí)現(xiàn)小區(qū)“軟容量”等的基礎(chǔ)。路徑損耗導(dǎo)致了信號功率的降低，其產(chǎn)生于信號從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)的衰減。小尺度傳播效應(yīng)，無線信道的主要特征是多徑，多徑性指的是由于同一傳輸信號沿兩個(gè)或多個(gè)路徑傳播，以微小的時(shí)間差到達(dá)接收機(jī)的信號相互干涉所引起的。接收機(jī)天線將它們合成一個(gè)幅度相位都極具變化的信號，其變化程度取決于多徑波的強(qiáng)度。 無線信道的分集正如我們所解釋的，無線衰落信道所呈現(xiàn)的挑戰(zhàn)隨著時(shí)間的推移不斷發(fā)生變化。在通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，源和目的之間的單一信號路徑可能出現(xiàn)嚴(yán)重衰落，因此需要通過增加信道編碼部分的糾錯(cuò)能力、降低傳輸速率、使用更精密的探測器等技術(shù)進(jìn)行解決。然而這些解決辦法對于許多實(shí)際路徑的實(shí)現(xiàn)來講還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。從不同的角度看待衰落信道的通信問題，整體鏈路的可靠性通過在源和目的端提出多個(gè)信號路徑可以得到明顯改善，每一個(gè)衰落過程盡可能獨(dú)立其他過程。用這種方法，至少有一個(gè)足夠強(qiáng)的路徑的有機(jī)會提高。這些旨在提供多個(gè)理想獨(dú)立的信號路徑的技術(shù)統(tǒng)稱為分集技術(shù)。時(shí)間分集：是被CDMA系統(tǒng)使用用來克服多路徑衰減的技術(shù)。通過一個(gè)犁耙式接收機(jī)，單個(gè)元素或手指，能夠偏移及時(shí)地說明多程信號的不同到達(dá)時(shí)間。時(shí)間分集主要用于在衰落信道中傳輸數(shù)字信道，它是將同一信號相隔一定的時(shí)隙進(jìn)行多次重發(fā)，只要各次發(fā)送的時(shí)間間隔大于信道的相干時(shí)間（相干時(shí)間定義：多普勒頻展的倒數(shù)），則在接收端就可以獲得衰落特性相互獨(dú)立的幾個(gè)信號。信道相干時(shí)間等于或者超過幾個(gè)符號傳輸時(shí)間的通信環(huán)境相當(dāng)普遍。這意味著在遠(yuǎn)大于相干時(shí)間的獨(dú)立時(shí)間內(nèi)，兩個(gè)符號將經(jīng)歷高度相關(guān)的信道實(shí)現(xiàn)，因此可以用來獲得分集。獲得這種分集的最簡單的方法是使用重復(fù)編碼機(jī)制來形成兩個(gè)符號。同樣，為了保證重復(fù)符號在不相關(guān)的信道中實(shí)現(xiàn)，符號流的傳輸過程中要用到適當(dāng)?shù)慕豢?。頻率分集：將調(diào)制在不同載波頻率上的同一路信號進(jìn)行合并，從而帶來信號增益的一種接收技術(shù)。在發(fā)信端將一個(gè)信號利用兩個(gè)間隔較大的發(fā)信頻率同時(shí)發(fā)射，在收信端同時(shí)接收這兩個(gè)射頻信號后合成，由于工作頻率不同，電磁波之間的相關(guān)性極小，各電磁波的衰落概率也不同。頻率分集抗頻率選擇性衰落特別有效，但付出的代價(jià)是成倍地增加了收發(fā)信機(jī)，且需成倍地多占用頻帶，降低了頻譜利用率?？臻g分集：也稱天線分集，利用在不同地點(diǎn)的接收天線進(jìn)行分集接收的方式。是通信中使用較多的分集形式，簡單的說，就是采用多付接收天線來接收信號，然后進(jìn)行合并。為保證接收信號的不相關(guān)性，這就要求天線之間的距離足夠大，在理想情況下，接收天線之間的距離只要波長λ的一半就可以了。多徑衰落和陰影衰落產(chǎn)生原因是不相同的。隨著移動臺的移動，瑞利衰落隨信號瞬時(shí)值快速變動，而對數(shù)正態(tài)衰落隨信號平均值（中值）變動。這兩者是構(gòu)成移動通信接收信號不穩(wěn)定的主要因素，使接收信號被大大地惡化，雖然通過增加發(fā)信功率、天線尺寸和高度等方法能取得改善，但采用這些方法在移動通信中比較昂貴，有時(shí)也顯得不切實(shí)際。而采用分集方法即在若干個(gè)支路上接收相互問相關(guān)性很小的載有同一消息的信號，然后通過合并技術(shù)再將各個(gè)支路信號合并輸出，那么便可在接收終端上大大降低深衰落的概率。在移動通信中，空間略有變動就可能出現(xiàn)較大的場強(qiáng)變化。當(dāng)使用兩個(gè)接收信道時(shí)，它們受到的衰落影響是不相關(guān)的，且二者在同一時(shí)刻經(jīng)受深衰落谷點(diǎn)影響的可能性也很小，因此這一設(shè)想引出了利用兩副接收天線的方案，獨(dú)立地接收同一信號，再合并輸出，衰落的程度能被大大地減小，這就是空間分集，空間分集是利用場強(qiáng)隨空間的隨機(jī)變化實(shí)現(xiàn)的，空間距離越大，多徑傳播的差異就越大，所接收場強(qiáng)的相關(guān)性就越小。這里所提相關(guān)性是個(gè)統(tǒng)計(jì)術(shù)語，表明信號間相似的程度，因此必須確定必要的空間距離。經(jīng)過測試和統(tǒng)計(jì)，CCIR建議為了獲得滿意的分集效果，即d＞，并且最好選在l/4的奇數(shù)倍附近。若減小天線間距，即使小到l/4，也能起到相當(dāng)好的分集效果?？臻g分集分為空間分集發(fā)送和空間分集接收兩個(gè)系統(tǒng)。其中空間分集接收是在空間不同的垂直高度上設(shè)置幾副天線，同時(shí)接收一個(gè)發(fā)射天線的微波信號，然后合成或選擇其中一個(gè)強(qiáng)信號，這種方式稱為空間分集接收。接收端天線之間的距離應(yīng)大于波長的一半，以保證接收天線輸出信號的衰落特性是相互獨(dú)立的，也就是說，當(dāng)某一副接收天線的輸出信號很低時(shí)，其他接收天線的輸出則不一定在這同一時(shí)刻也出現(xiàn)幅度低的現(xiàn)象，經(jīng)相應(yīng)的合并電路從中選出信號幅度較大、信噪比最佳的一路，得到一個(gè)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??？臻g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。隨著現(xiàn)代社會對無線通信需求的擴(kuò)大，人們不斷追求更高質(zhì)量的無線傳輸速率和服務(wù)質(zhì)量但無線通信中信號傳輸?shù)亩嘟?jīng)衰落效應(yīng)始終是困擾無線傳輸速率和服務(wù)質(zhì)量提高的最大問題，因此，人們采用了多種抗多經(jīng)衰落的技術(shù)這些技術(shù)包括分集、自適應(yīng)均衡、擴(kuò)頻通信、交織以及糾錯(cuò)編碼技術(shù)等，其中分集是抵抗多經(jīng)衰落最主要且行之有效的技術(shù)之一，它的發(fā)展經(jīng)歷了從最初的時(shí)間分集，頻率分集，編碼分集，到最近的空間分集的過程尤其是空間分集，由于不需要占用額外的時(shí)間和頻帶資源，并且可以和其他信號處理方式相結(jié)合，因此得到了廣泛的關(guān)注其中最典型的就是多入多出Multiple InputMultiple Output，MIMO技術(shù)，它能夠?qū)鹘y(tǒng)通信系統(tǒng)中存在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，提高通信鏈路的通信速率和質(zhì)量方面有著明顯的優(yōu)勢，它的空域發(fā)射分集技術(shù)已經(jīng)成為3GPP的WCDMA標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議但在實(shí)際應(yīng)用中，由于移動終端物理?xiàng)l件的制約，如終端的體積，功耗，多天線的位置設(shè)置等，限制了空間分集技術(shù)的應(yīng)用由此人們從中繼信道得到啟發(fā)，由Sendonaris提出了協(xié)作分集的概念 本文首先對移動通信系統(tǒng)中應(yīng)用比較廣泛的分集技術(shù)作了詳細(xì)的介紹并重點(diǎn)介紹了本課題主要相關(guān)的分集技術(shù)并對分集與非分集方式所得到的效果改善和衡量指標(biāo)進(jìn)行了介紹 其次，本文提出了協(xié)作分集的概念協(xié)作分集這種新的空域分集技術(shù)是為了解決蜂窩移動通信系統(tǒng)中傳統(tǒng)空域分集技術(shù)在移動終端的多天線設(shè)置制約而生的與傳統(tǒng)的空域多輸入多輸出MIMO系統(tǒng)相比，協(xié)作分集使得在多用戶環(huán)境下，具有單天線的多個(gè)終端可以共享彼此的天線，以形成一個(gè)虛擬的多天線結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)空域分集 本文討論了協(xié)作分集已取得的進(jìn)展和性能改善，同時(shí)介紹了協(xié)作分集的三種常用方法放大－中繼法、解碼－中繼法、編碼協(xié)作法，然后對放大－中繼和編碼協(xié)作方案進(jìn)行了簡要說明最后，本文討論了基于上述三種方法的協(xié)作分集模型分析同時(shí)設(shè)計(jì)了它的各個(gè)部分子模塊，包括卷積編碼和Vitcrbi軟譯碼、分集接收、幾種信道模型、最大比合并等并通過大量的計(jì)算機(jī)仿真分別實(shí)現(xiàn)了在加性高斯信噪聲信道AWGN、慢衰落信道、快衰落信道這幾種不同信道傳輸環(huán)境下，協(xié)作系統(tǒng)與非協(xié)作分集方式下的性能比較，充分驗(yàn)證了協(xié)作系統(tǒng)性能的優(yōu)異性?？臻g分集接受是利用多副接收天線來實(shí)現(xiàn)的。在發(fā)射端采用一副天線發(fā)射，而在接收端采用多副天線接收。接收端天線之間的距離d≥λ/2（λ為工作波長），以保證接收天線輸出信號的衰落特性是相互獨(dú)立的，也就是說，當(dāng)某一副接收天線的輸出信號很低時(shí)，其他接收天線的輸出則不一定在這同一時(shí)刻也出現(xiàn)幅度低的現(xiàn)象，經(jīng)相應(yīng)的合并電路從中選出信號幅度較大、信噪比最佳的一路，得到一個(gè)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？臻g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(gè)缺點(diǎn)，近來又生產(chǎn)出定向雙極化天線。兩個(gè)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Ex和Ey。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(gè)物理實(shí)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(shí)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3dB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(shí)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(shí)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(gè)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(gè)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(gè)交叉極化輻射源要求具有很好的正交特性，并且在整個(gè)120176。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(gè)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(gè)扇區(qū)范圍內(nèi)的正交特性，即兩個(gè)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。為了在雙極化天線的兩個(gè)分集接收端口獲得較好的信號不相關(guān)特性，兩個(gè)端口之間的隔離度通常要求達(dá)到30dB以上。 分集天線把多徑信號分離出來，使其互不相干，然后通過合并技術(shù)將分離出來的信號合并起來，獲得最大的信噪比收益。常用的合并方法有選擇性合并、切換合并、最大比合并、等增益合并等。 MIMO系統(tǒng)的產(chǎn)生及其應(yīng)運(yùn) MIMO的產(chǎn)生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(shí)也可以提高信道的可靠性，降低誤碼率。MIMO(MultipleInput MultipleOutput)。\a\g后全新的無線局域網(wǎng)技術(shù)，速度可達(dá)600Mbps。同時(shí)。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技術(shù)可以提高信道的容量，同時(shí)也可以提高信道的可靠性，降低誤碼率。前者是利用MIMO信道提供的空間復(fù)用增益，后者是利用MIMO信道提供的空間分集增益。實(shí)現(xiàn)空間復(fù)用增益的算法主要有貝爾實(shí)驗(yàn)室的BLAST算法、ZF（zeroforcing，迫零）算法、MMSE（minimum mean square error），最小均方差）算法、ML（maximum likelihood，最大似然）算法。ML算法具有很好的譯碼性能，但是復(fù)雜度比較大，對于實(shí)時(shí)性要求較高的無線通信不能滿足要求。ZF算法簡單容易實(shí)現(xiàn)，但是對信道的信噪比要求較高。性能和復(fù)雜度最優(yōu)的就是BLAST算法。該算法實(shí)際上是使用ZF算法加上干擾刪除技術(shù)得出的。目前MIMO技術(shù)領(lǐng)域另一個(gè)研究熱點(diǎn)就是空時(shí)編碼。常見的空時(shí)碼有空時(shí)塊碼、空時(shí)格碼?？諘r(shí)碼的主要思想是利用空間和時(shí)間上的編碼實(shí)現(xiàn)一定的空間分集和時(shí)間分集，從而降低信道誤碼率。MIMO將多徑無線信道與發(fā)射、接收視為一個(gè)整體進(jìn)行優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)高的通信容量和頻譜利用率。這是一種近于最優(yōu)的空域時(shí)域聯(lián)合的分集和干擾對消處理。 MIMO的應(yīng)用為了提高系統(tǒng)容量，下一代的無線寬帶移動通信系統(tǒng)將會采用MIMO技術(shù)，即在基站端放置多個(gè)天線，在移動臺也放置多個(gè)天線，基站和移動臺之間形成MIMO通信鏈路。應(yīng)用MIMO技術(shù)的無線寬帶移動通信系統(tǒng)從基站端的多天線放置方法上可以分為兩大類：一類是多個(gè)基站天線集中排列形成天線陣列，放置于覆蓋小區(qū)，這一類可以稱為集中式MIMO；另一類是基站的多個(gè)天線分散放置在覆蓋小區(qū)，可以稱為分布式MIMO。MIMO技術(shù)可以比較簡單地直接應(yīng)用于傳統(tǒng)蜂窩移動通信系統(tǒng)，將基站的單天線換為多個(gè)天線構(gòu)成的天線陣列?；就ㄟ^天線陣列與小區(qū)內(nèi)的具有多個(gè)天線的移動臺進(jìn)行MIMO通信。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的角度看，這樣的MIMO系統(tǒng)與傳統(tǒng)的單入單出(SISO)蜂窩通信系統(tǒng)相比并沒有根本的區(qū)別。 傳統(tǒng)的分布式天線系統(tǒng)可以克服大尺度衰落和陰影衰落造成的信道路徑損耗，能夠在小區(qū)內(nèi)形成良好的系統(tǒng)覆蓋，解決小區(qū)內(nèi)的通信死角，提高通信服務(wù)質(zhì)量。最近在MIMO技術(shù)的研究中發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的分布式天線系統(tǒng)與MIMO技術(shù)相結(jié)合可以提高系統(tǒng)容量，這種新的分布式MIMO系統(tǒng)結(jié)構(gòu)——分布式無線通信系統(tǒng)(DWCS)[8]成為MIMO技術(shù)的重要研究熱點(diǎn)。 在采用分布式MIMO的DWCS系統(tǒng)中，分散在小區(qū)內(nèi)的多個(gè)天線通過光纖和基站處理器相連接。具有多天線的移動臺和分散在附近的基站天線進(jìn)行通信，與基站建立了MIMO通信鏈路。這樣的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不僅具備了傳統(tǒng)的分布式天線系統(tǒng)的優(yōu)勢，減少了路徑損耗，克服了陰影效應(yīng)，同時(shí)還通過MIMO技術(shù)顯著提高了信道容量。與集中式MIMO相比，DWCS的基站天線之間距離較遠(yuǎn)，不同天線與移動臺之間形成的信道衰落可以看作完全不相關(guān)，信道容量更大?？傮w上說，分布式MIMO系統(tǒng)的信道容量更大，系統(tǒng)功耗更小，系統(tǒng)覆蓋性能更好，系統(tǒng)具有更好的擴(kuò)展性和靈活性。分布式MIMO的DWCS系統(tǒng)也帶來了一些新問題。移動臺和小區(qū)內(nèi)鄰近的天線建立的MIMO鏈路，由于基站不同天線的位置不同，它們距離移動臺的距離不同，使得基站端的多個(gè)天線的信號到達(dá)移動臺的延時(shí)也不同，因此帶來新的研究問題。目前在這方面研究