【文章內(nèi)容簡介】 生高數(shù)據(jù)速率的第四代無線系統(tǒng)而言，協(xié)作通信是一種新的手段，它將會成為第五代無線網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)。 現(xiàn)狀 協(xié)作通信是一種新的 通信方式，它把 MIMO 通信技術(shù)推廣到更多的應(yīng)用場西北工業(yè)大學明德學院 本科畢業(yè)設(shè)計論文 7 景中。在這種新的通信方式中，分散在無線網(wǎng)絡(luò)中的終端可以看做分布式天線。通過這些節(jié)點的協(xié)作，增加了 系統(tǒng)的分級增益從而獲得了類似 MIMO 系統(tǒng)中的增益。 在文獻 [1]和 [2]中， Laneman 等提出了不同的協(xié)作分集協(xié)議并分析了他們的中斷性能。 譯碼轉(zhuǎn)發(fā)和放大轉(zhuǎn)發(fā)的概念就出自這兩篇文章。當采用譯碼轉(zhuǎn)發(fā)，每個中繼接收源發(fā)送的信號并進行譯碼，然后將譯碼后的信號轉(zhuǎn)發(fā)給目的，目的將接受到的所有副本進行合理的合并。放大轉(zhuǎn)發(fā)是個更加簡單的技術(shù)，中繼放大接收到的信號并向目的轉(zhuǎn)發(fā)。這種技術(shù)下，盡管噪聲隨著信號一起被放大，但仍然能夠從來自空間獨立的兩個信道的信號中獲得空間分集。 Sendonaris 等在文獻 [3]提出了用戶 協(xié)作分集的概念。另一種獲得分集的技術(shù)是 Hunter 等在文獻 [4]中介紹的將糾錯碼引入?yún)f(xié)作的編碼協(xié)作。 近年來一些研究者研究了無線網(wǎng)絡(luò)的容量度量問題。 Gupta 和 Kumar 的原創(chuàng)工作激發(fā)了很多人對這個問題的思考。他們所建模型的局限在與不允許網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)作，因此，如果節(jié)點接收到的信號不是自己需要的信號，則將其作為干擾。而協(xié)作則受益于信道的廣播特性，利用這個優(yōu)勢，它將不再把監(jiān)聽到的信號當做干擾。在另外一篇論文所總結(jié)的最近的工作中， Aeron 和 Saligrama 提出了分布式合作方案，該方案帶來了比傳統(tǒng)多跳方 案更高的吞吐量。 任何一種新技術(shù)的出現(xiàn)，必然會帶來一些新的問題，協(xié)作通信業(yè)不例外。雖然協(xié)作通信的研究已取得很多的突破，但仍有不少問題需要進一步探討和改進，以達到更好的性能。 第一，同步問題。目前大多數(shù)協(xié)作通信的文獻都假定系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)精確同步，即協(xié)作者之間、協(xié)作者和目的端之間都是同步的，但這在實際中是難以做到的。與有線同步網(wǎng)絡(luò)不通，協(xié)作通信中同一信息是由多個協(xié)作者發(fā)往目的端的。如果多個協(xié)作者到目的端的時延不同，則協(xié)作者之間的同步問題與協(xié)作者和目的端的同步問題是相互矛盾的。以現(xiàn)有額同步機制，如果 做到了多個協(xié)作者間的同步，就很難做到目的端與協(xié)作者間的同步，反之亦然。 第二，功率分配問題?，F(xiàn)在的研究大多數(shù)采用等功率分配法，認為各個移動終端有著相同的發(fā)射功率。如果使移動終端根據(jù)上行信道或者協(xié)作伙伴的信道狀態(tài)自適應(yīng)地調(diào)整發(fā)送功率，從而更好地提升性能呢？更進一步，如何在已有基礎(chǔ)西北工業(yè)大學明德學院 本科畢業(yè)設(shè)計論文 8 的協(xié)作網(wǎng)絡(luò)中進行功率控制，使干擾最小化這些問題仍未有令人滿意的解決方案。 第三，頻率選擇性衰落信道下的協(xié)作通信問題。到目前為止，絕大多數(shù)的協(xié)作通信研究工作都假設(shè)信道是平坦衰落的。然而，在實際的通信系統(tǒng)中，特別是對于搞數(shù) 據(jù)率和高移動性的通信系統(tǒng)，信道是頻率選擇性衰落的。能否將現(xiàn)有研究成果移植到頻率選擇性衰落信道中，頻率選擇性信道中的協(xié)作通信有什么特殊的研究內(nèi)容，這些問題都急待解決。 第四，基站的改進。協(xié)作通信技術(shù)的引入會導致基站的接收復雜度提升，因此開展關(guān)于協(xié)作方案中的信道估計和先好檢測等方面的研究很有必要。 第五，伙伴選擇問題。在一個多用戶的環(huán)境中怎樣劃分各個終端的協(xié)作伙伴，既然是移動終端，當它們的相對位置改變時又 該如何或者說應(yīng)該隔多久的時間重新劃分一次協(xié)作伙伴這方面雖然已經(jīng)有 了一些相關(guān)的解決方案，但選用 的網(wǎng)絡(luò)模型相對比較簡單，有待補充和擴展。 第六，協(xié)作的時機問題。現(xiàn)在的文獻往往只關(guān)注協(xié)作帶來的增益，極少有考慮協(xié)作通信的必要性，似乎協(xié)作在任何場景下都能帶來好處。事實上，無論什么技術(shù)都有它難以克服的缺陷，只有使用得當才能充分發(fā)揮其積極作用。 第七，協(xié)作通信的推廣和應(yīng)用。 今后協(xié)作通信還可用于異構(gòu)融合的無線網(wǎng)絡(luò)，形成一種全新的智能化的網(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)的研究目前仍然處在初級階段，有很多的工作等待開展和討論。 本論文所做的工作 本文主要研究協(xié)作通信系統(tǒng)中選擇 DF 中繼協(xié)議。分析在不同的協(xié)作協(xié)議下，通信系統(tǒng)的性能狀況。 本文所做的工作分為以下幾個方面： 、背景、現(xiàn)狀。 西北工業(yè)大學明德學院 本科畢業(yè)設(shè)計論文 9 MIMO 的基礎(chǔ)知識。 ,主要研究選擇 DF 中繼協(xié)議 。 西北工業(yè)大學明德學院 本科畢業(yè)設(shè)計論文 10 第二章 MIMO 技術(shù)以及協(xié)作分集 分集技術(shù)提供多個理想獨立的信號路徑，通過在源和目的端提供多個信號路徑可減輕衰 落影響的一種技術(shù)。分集技術(shù)已廣泛應(yīng)用無線通信網(wǎng)絡(luò)中。本章主要對空間分集、頻率分集、 時間分集這三種典型的分集技術(shù)進行分析。 MIMO 技術(shù)的提出與發(fā)展 無線通信 已經(jīng)經(jīng)歷了飛速的發(fā)展演進，其發(fā)展離不開眾多基礎(chǔ)技術(shù)。近幾年，被公認為對通信技術(shù)有巨大推動作用的是 MIMO 技術(shù)。 MIMO 技術(shù)在接收端和發(fā)射端使用多根天線，從而形成多條路徑，通過數(shù)字信號處理技術(shù)對多條路徑傳送的信號進行形成和合并，提高了接收信號的質(zhì)量和數(shù)據(jù)傳輸速率。 由于傳播媒介帶來的有害因素，無線通信成為一種極具挑戰(zhàn)性的工作。無線衰落信 道所呈現(xiàn)的挑戰(zhàn)隨著時間的推移不斷發(fā)生變化。在通信系統(tǒng)的設(shè)計中，源和目的端之間的單一信號路徑可能出現(xiàn)嚴重衰落，因此需要通過增加信道編碼部分的糾錯能力、降低傳輸速率、使用更精密的探測器等技術(shù)進行解決。然而，這些解決辦法對于許多實際路徑的實現(xiàn)來講遠遠不夠。 協(xié)作分集技術(shù) 無線通信發(fā)展至今 ,隨著人們對高速率數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和服務(wù)質(zhì)量的需求不斷提高要求下一代 的無線通信系統(tǒng)能夠提供更高的傳輸效率和質(zhì)量更高的無線覆蓋。然而 無線信道固有的衰落特性會導致信號 傳輸質(zhì)量嚴重下降。為了對抗無線信道的衰落 ,提高系統(tǒng)的傳輸可靠性 ,在無線 通信系統(tǒng)中廣泛使用分集技術(shù)。分集的基本原理是發(fā)送端通過多個信道 ,如時間、頻 率或者空間 發(fā)送 信息和接收端接收到承載相同信息且在統(tǒng)計上相互獨立或近似獨立的多個副本 ,對多個副本加以有效且可靠的利用從而對抗信道衰落。多輸入多輸出 MIMO 系統(tǒng)通過發(fā)送端和 /或接收西北工業(yè)大學明德學院 本科畢業(yè)設(shè)計論文 11 端配置的多根天線，可以實現(xiàn)空間分集， 并且可以有效地提高系統(tǒng) 的頻譜效率和數(shù)據(jù) 傳輸速率 ,已經(jīng)被認為是新一代無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。然而令人遺憾的是 ,在實際 無線通信系統(tǒng)中 ,通常只在基站端配置多根天線 ,而對于移動終端 ,由于體積、重量以及功耗等方面的限制 ,在其上配置多 根天線難以實現(xiàn)。 為了解決這個問題 實現(xiàn) 移動終端的發(fā)送分集 ,產(chǎn)生了一種新的空間分集形式— 協(xié)作 分集。分集增益通過網(wǎng)內(nèi)移動終端的相互協(xié)作獲得網(wǎng)內(nèi)多個移動終端組成協(xié)作伙伴 ,協(xié)作 伙伴之間對數(shù)據(jù)進行中繼轉(zhuǎn)發(fā) ,即每個移動終端都不僅發(fā)送自己的信息 ,還要發(fā)送協(xié)作“伙 伴”的信息。通過使用“伙伴”的天線來發(fā)送經(jīng)歷獨立衰落的副本 ,從而使單天線的移動終端也可以實現(xiàn)空間分集。 對于協(xié)作“伙伴”之間如何相互處理自己和“伙伴”的信息問題 ,需要設(shè)計具體的協(xié)作 協(xié)議 ,以盡可能地利用有用信息 ,消除干擾 ,在處理復雜度較低的情況下有效提高 系統(tǒng)的可靠性。然而 ,由于不同的協(xié)作協(xié)議具有不同的差錯性能 ,且側(cè)重點以及適合的場景不同 ,有必要對各種協(xié)作協(xié)議進行具體的分析研究。 無線信道的分集 空間分集 我們知道在移動通信中，空間略有變動就可能出現(xiàn)較大的 場強變化 .當使用兩個接收信道是 ,它們受到的衰落影響是不相關(guān)的 ,因此這一設(shè)想引出了利用兩幅接收天線的方案 ,獨立接收同一信號 ,再合并輸出 ,衰落的程度能被大大地減少 ,這就是空間分集 . 空間分集分為空間分集發(fā)送和空間分集接收兩個系統(tǒng) .其中空間分集接收時在空間不同的垂直高度上設(shè)置幾幅天線 ,同 時接收一個發(fā)射天線的微波信號 ,然后合成或選擇其中一個強信號 ,這種方式稱為空間分集接收 . 空間分集接收時利用多幅接收天線來實現(xiàn)的。在發(fā)射端采用一副天線發(fā)射，而在接收端采用多幅天線接收。接收端天線之間的距離 d ， 以保證接收天線輸出信號的衰落特性是相互獨立的，也就是說，當某一幅接收天線的輸出信號很低西北工業(yè)大學明德學院 本科畢業(yè)設(shè)計論文 12 時，其它接收天線的輸出則不一定在這同一時刻也出現(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)點是 分集增益高，缺點是還需要另外單獨的接收天線。為了克服這個缺點，近年來又生產(chǎn)出定向雙極化天線。 時間分集 信道想干時間等于或者超過幾個符號傳輸時間的通信環(huán)境相當普遍。這意味著在遠大于相干時間的獨立時間內(nèi)，兩個符號將經(jīng)歷高度相關(guān)的信道實現(xiàn)，因此可以用來獲得分集。時間分集就是將同一信號在不同的時間區(qū)間多次重發(fā)，只要歌詞發(fā)送的時間間隔足夠大，則各次發(fā)送信號所出現(xiàn)的衰落將是相互獨立的，接收端可以收到不相干的衰落信號。時間分集正是利用這些衰落在統(tǒng)計上互不相關(guān)的特點。 頻率分集 類似于時間分集，在那些 可用帶寬超過相干帶寬的寬帶系統(tǒng)中個，通過使用被分割為可用帶寬，而且在信道帶寬一致性基礎(chǔ)上相互分開的信道可以實現(xiàn)頻率分集。 在頻率分集中，使用許多不同的頻率發(fā)射相同的信息。實現(xiàn)可以將待發(fā)送的信息分別調(diào)制在頻率不相關(guān)的載波上發(fā)射， 所謂頻率不相關(guān)的載波是指當不同的載波之間的間隔大于頻率相干區(qū)間，即載波頻率的間隔應(yīng)滿足 1cfB ?? ? ? ? () 式中 ， f? 為載波頻率間隔， cB 為相關(guān)帶寬 ， ?? 為最大多徑時延差。 如果發(fā)射頻率的間隔是信道相干寬帶的幾倍以上，這樣就能保證不同頻率的衰落統(tǒng)計特性是互不相關(guān)的，不同傳播環(huán)境的相干帶寬不同。當信道的相干帶寬較小時，頻率分集效果明顯。 西北工業(yè)大學明德學院 本科畢業(yè)設(shè)計論文 13 協(xié)作分集技術(shù)之間的比較 時間分集與空間分集相比較，優(yōu)點是減少接收天線及相應(yīng)設(shè)備的數(shù)目，缺點是占用時隙資源增大了開銷，降低了傳輸效率。 頻率分集與空間分集相比較，其優(yōu)點是在接收端可以減少接收天線及相應(yīng)設(shè)備 的數(shù)量，缺點是要占用更多的頻帶資源。 頻率分集和時間分集技術(shù)雖然可以對抗無線信道的衰落，提高系統(tǒng)的性能，但并不是在任何情況下，這兩種分集方式都是有效的。如對于時延敏感的慢衰落系統(tǒng)，時間交織會引入較大的信號處理時延，所以對時延敏感的業(yè)務(wù)不適合采用時間分集。當信道的相干帶寬大于傳輸信號的帶寬或信道的多徑時延擴展遠小于信號周期時，頻率分集又顯得無能為力。雖然空間分集具有優(yōu)良的性能，但也有它的缺點，需要在分集端假設(shè)多跟天線，并且對天線之間的距離有一定的限制，這對體積較小的移動終端來講是一個難題。 協(xié)作通信 近 幾年無線通信業(yè)務(wù)的激增是前所未有的 ,為了滿足高速率多媒體通信的需求 ,不僅要提高數(shù)據(jù)的傳輸速率 ,還有調(diào)高系統(tǒng)的穩(wěn)定性 ,避免衰落 .其中 ,無線通信中的環(huán)境的特殊性決定了協(xié)作分集的重要性 .其中空間分集技術(shù)由于無需占用額外的時間和頻率資源的特性 ,而受到廣泛的關(guān)注 ,使用空間分集技術(shù)的 MIMO系統(tǒng)的優(yōu)點已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用 。 協(xié)作通信的產(chǎn)生 ,它把 MIMO通信技術(shù)推廣到更多的應(yīng)用場景中 .在這種新的通信方式中 ,分散在無線網(wǎng)絡(luò)中的終端可以看做分布式天線 .通過這些節(jié)點的協(xié)作 ,增加了系統(tǒng)的分集增益從而獲得了類似 MIMO 系統(tǒng)中的增益 。 西北工業(yè)大學明德學院 本科畢業(yè)設(shè)計論文 14 第三章 協(xié)作通信中各協(xié)作協(xié)議 協(xié)作分集技術(shù)不僅可以克服移動終端配置單天線無法實現(xiàn)空間分集的限制 ,還可以有效地增大系統(tǒng)容量、擴大無線通信的覆蓋范圍。對于無線通信系統(tǒng)中的通信終端，存在兩種基本的工作模式，即半雙工模式和全雙工模式。在半雙工模式下，節(jié)點通過不同的時隙或頻率接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，但節(jié)點不能同時接收和發(fā)送數(shù)據(jù)；而在全雙工模式下，節(jié)點可以同時接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。在實際的協(xié)作通信系統(tǒng)中，工作在半雙工模式下 節(jié)點相對于公仔全雙工模式下的節(jié)點實現(xiàn)更簡單，相應(yīng)的協(xié)作協(xié)議實現(xiàn)更容易，復雜度也比較低，但全雙工通信 系統(tǒng)比半雙工通信系統(tǒng)有更大的系統(tǒng)容量。 協(xié)作通信過程中一個很關(guān)鍵的方面就是對來自中繼的源節(jié)點的信息處理 .不同的處理方案導致了不同的協(xié)作通信協(xié)議 。 協(xié)作協(xié)議 在本章，我們僅考慮網(wǎng)絡(luò)中只存在一個中繼協(xié)助源節(jié)點的發(fā)送。多中繼情形將在后面的章節(jié)中進行討論。通常一個中繼策略可以被建模成啷個正交的階段，或者通過 TDMA，或者通過 FDMA，以避免兩階段之間產(chǎn)生干擾。 階段 1，源發(fā)送信息到目的，同時，中繼也接收到源發(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。 西北工業(yè)大學明德學院 本科畢業(yè)設(shè)計論文 15 源