【正文】 功率相同（即 ）時(shí)， () 可見，在兩用戶相互協(xié)作是， AF 協(xié)議可以獲得滿分集增益，而且兩條鏈路對(duì) AF 的性能具有同等重要的影響?？傻玫降诙€(gè)時(shí)隙，目的端 D 的接收信號(hào)為： () 上式也可以表示為： () 其中， ,是均值為零，方差的循環(huán)對(duì)稱復(fù)高 斯隨機(jī)變量， 。 圖 31 AF 等價(jià)信道模型 第一個(gè)時(shí)隙，源端 S 廣播發(fā)送信號(hào) ，中繼端 R 和目的端 D 同時(shí)接受，即： () () 其中， 。 以源端和 S 和目的端 D 之間的直傳模式為例，其等價(jià)離散時(shí)間信道模型為： () 其中， 為源端 S 的發(fā)射信號(hào)， 為目的端 S 的接收信號(hào)。研究表明，在兩用戶協(xié)作的情況下，用戶間信道良好 (即用戶間瞬時(shí)信噪比較高 )時(shí)，放大中繼方案分集階數(shù)為 2，這里的分集階數(shù)可以看作是空間不相關(guān)信道的個(gè)數(shù)，不可以簡單的看作是協(xié)作用戶的個(gè)數(shù)。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(hào)，形成最終的判決。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 。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。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）。 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(gè)或者 多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)。西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)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(hào)率性能兩個(gè)方面，先對(duì)單中繼時(shí)的放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議（ AF）和譯碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議（ DF）兩個(gè)分集協(xié)議進(jìn)行詳細(xì)的分析和研究，進(jìn)而對(duì)其性能有了進(jìn)一步的了解。然后， 目的端 D 對(duì)接收到的兩路信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)合并和譯碼。這樣，源端 S 就可以繼續(xù)發(fā)送新的信號(hào)。增強(qiáng)型中繼的基本思想是，利用目的端 D 的反饋信號(hào)來判斷源端 S 發(fā)送到目的端 D 的信號(hào)是否被成功恢復(fù)。 因此，選擇性中繼又可以分為選擇 AF（ SAF）和選擇 DF(SDF)。 此時(shí)源端 S 向目的端 D 重復(fù)發(fā)送信號(hào)即可。 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(duì)中繼端 R 參與協(xié)作的時(shí)機(jī)進(jìn)行選擇。 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(hào)處理方式。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(duì)中繼節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理能力帶來了更大的要求。 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(jì)論文 15 圖 25 譯碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議（ DF）工作原理 對(duì)于 DF 協(xié)議來說，中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)接收到的信號(hào)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。盡管在 AF 協(xié)議中，中繼節(jié)點(diǎn)在放大信號(hào)的同時(shí)也放大了噪聲，但是由于接收節(jié)點(diǎn)可以收到兩個(gè)獨(dú)立的衰落信號(hào)，所以能夠得到比較好的判決結(jié)果。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(hào)，再將經(jīng)放大后的帶有噪聲的信號(hào)重新發(fā)送給目的節(jié)點(diǎn)。 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(hào)，如圖 24所示。 協(xié)作協(xié)議 圖 23 描述了一個(gè)簡單的中繼信道，由源，中繼和目的地構(gòu)成。 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(duì)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。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(huì)專門開展對(duì)此技術(shù)的研究，并發(fā)表了相關(guān)研究的白皮書。這就產(chǎn)生了這樣一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，它可以被認(rèn)為是一個(gè)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(hào)路徑。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?hào)處理算法，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(jì)論文 13 理從其他節(jié)點(diǎn)偵聽到的傳輸信號(hào)，并且通過彼此的中繼信息進(jìn)行協(xié)作。因?yàn)橹欣^節(jié)點(diǎn)常常距源節(jié)點(diǎn)有幾個(gè)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(gè)滿秩 MIMO 信道。 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。只要合理地設(shè)計(jì)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(jià)。如果在某個(gè)時(shí)段用戶沒有信息要傳送，那么在沒有協(xié)作時(shí)其資源只能閑置，而協(xié)作分集則可以實(shí)現(xiàn)用戶資源的充分利用。 協(xié)作分集概念 如圖 22 所示，用戶 user1 和 user2 為某兩個(gè)單天線用戶， 它們通過協(xié)作，共享彼此天線，形成一個(gè)虛擬的兩天線發(fā)射系統(tǒng)。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?？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(dòng)終端實(shí)現(xiàn)分集的思想隨之產(chǎn)生 —— 協(xié)作分集。 協(xié)作分集基本思想及協(xié)作通信 MIMO 技術(shù)對(duì)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。每對(duì)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。 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(dòng)臺(tái)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。中繼信道中，中繼節(jié)點(diǎn)只中繼其信源節(jié)點(diǎn)的信號(hào)，并不發(fā)送自己的信號(hào)，但是在協(xié)作分集中每個(gè)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(hào)。 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(gè)信源，一個(gè)中繼，一個(gè)接收端的中繼情況的信道容量。其中空間分集技術(shù)由于其無需占用額外的時(shí)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(shí)。其中，無線環(huán)境的特殊性決定了分集方法的重要性。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(dòng)用戶數(shù)據(jù)都受到嚴(yán)重的信號(hào)衰落。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(hào)的不相關(guān)性，決定了雙極化天線總的分集效果。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)／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。對(duì)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(hào)上行鏈路分集增益的主要因素?？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(hào)，同 時(shí)也使兩面天線間滿足一定隔離度的要求。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(huì)造成的信號(hào)功率損失。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(hào)呈現(xiàn)出互不相關(guān)衰落特性。 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。接收端天線之間的距離 d≥ ／ 2( 為工作波長 )，以保證接收天線輸出信號(hào)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(hào)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(hào)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(hào)。空間分集接收是利用多副接收天線來實(shí)現(xiàn)的。 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(gè)系統(tǒng)。經(jīng)過 測(cè)試和統(tǒng)計(jì)， CCIR建議為了獲得滿意的分集效果，移動(dòng)單元兩天線間距大于 0． 6個(gè)波長，并且最好選在 1／ 4的奇數(shù)倍附近?？臻g分集是利用場(chǎng)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?qǐng)鰪?qiáng)的相關(guān)性就越小。我們知道在移動(dòng)通信中，空間略有變動(dòng)就可能出現(xiàn)較大的場(chǎng)強(qiáng)變化。同空間分集系統(tǒng)一樣，在頻率分集系統(tǒng)中要求兩個(gè)分集接收信號(hào)相關(guān)性較小即頻率相關(guān)性較小，只有這樣，才不會(huì)使兩個(gè)微波頻率在給定的路由上同時(shí)發(fā)生深衰落，并獲得較好的頻率分集改善效果。當(dāng)信道的相干帶寬較小時(shí)，頻率分集效果明顯。實(shí)現(xiàn)時(shí)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(dāng)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 （ ） 式中， 為載波頻率間隔， 為相關(guān)帶寬， 為最大多徑時(shí)延差。 頻率分集 頻率分集是采用兩個(gè)或兩個(gè)以上具有一定頻率間隔的微波頻率同時(shí)發(fā)送和接收同一信息，然后進(jìn)行合成或選擇，利用位于不同頻段的信號(hào)經(jīng)衰落信道后在統(tǒng)計(jì)上的不相關(guān)特性，即不同頻段衰落統(tǒng)計(jì)特性上的差異，來實(shí)現(xiàn)抗衰落頻率選擇性的功能。 若移動(dòng)臺(tái)是靜止的，則移動(dòng)速度 =0，此時(shí)要求重復(fù)發(fā)送的時(shí)間間隔 為無窮大。為了保證重復(fù)發(fā)送的數(shù)字信號(hào)具有獨(dú)立的衰落特性，重復(fù)發(fā)送的時(shí)間間隔所需的最小時(shí)間間隔要大于或者等于該信道的相干時(shí)間，相干時(shí)間是信道衰落過程中相干的時(shí)間周期的統(tǒng)計(jì)測(cè)量值。 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 8 時(shí)間分集 時(shí)間分集是將同一信號(hào)在不同的時(shí)間區(qū)間多次重發(fā)，只要各 次發(fā)送的時(shí)間間隔足夠大，則各次發(fā)送信號(hào)所出現(xiàn)的衰落將是相互獨(dú)立的，接收機(jī)端可以收到不相干的衰落信號(hào)。在顯分集技術(shù)中，需要利用不同頻率、不同時(shí)間或者不同極化方式來傳輸同一信號(hào)的多個(gè)副本。另一類是隱分集技術(shù)，信號(hào)只被發(fā)送一次，但可通過其它途徑獲得多個(gè)副本，如交織編碼、 CDMA 中的 RAKE接收技術(shù)。相比無分集的情況，可以大大提高多徑衰落信道下傳輸?shù)目煽啃浴７旨幕驹硎牵航邮軄碜远鄠€(gè)信道（時(shí)間、頻率或空間）的承載同一信息的多個(gè)獨(dú)立信號(hào)副本，利用接受信號(hào)在結(jié)構(gòu)和統(tǒng)計(jì)特性上的不同特點(diǎn)加以區(qū)分，并按一定的規(guī)律進(jìn)行信號(hào)處理。信號(hào)在這種復(fù)雜的空間中會(huì)經(jīng)歷若干次的反射、折射、散射和衍射，進(jìn)而帶來了各種不同的信號(hào)衰落和擴(kuò)展，再加上一些未知的干擾，都將影響信號(hào)的正確 接收。而無線信道不想有線信道那樣固定和可預(yù)見，它有很大的隨機(jī)性，非常復(fù)雜，甚至移動(dòng)臺(tái)的移動(dòng)的速度都會(huì)對(duì)信號(hào)的衰減產(chǎn)生影響。 無線信道及無線信道的分集 無線信道及其分集分類 信道 是任何一個(gè)通信系統(tǒng)所必不可少的組成部分。 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)。天線對(duì)越多，接收信號(hào)的冗余度（分集）就越大，也就是說，收發(fā)器檢測(cè)的可靠性將越高。只要其中一個(gè)信道足夠強(qiáng)，接收機(jī)就能夠恢復(fù)發(fā)射信息。 圖 21 MIMO 系統(tǒng)簡單示意圖 在具有多于一根收 /發(fā)天線時(shí)，在每對(duì)發(fā)射和接收天線之間將建立不同的信道。幸運(yùn)的是，結(jié)合空時(shí)處理的多天線技術(shù) —— MIMO(多輸入多輸出 )通信技術(shù)，提供了解決該問題的新途徑。 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 6 第二章 MIMO 技術(shù)以及協(xié)作分集 MIMO 技術(shù)的提出與發(fā)展 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)。通過對(duì)單中繼協(xié)作協(xié)議的分析，進(jìn)而推廣到多中繼協(xié)作，從而對(duì)多跳協(xié)作的多跳放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議和多跳譯碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議進(jìn)行研究。 第二章：介紹 MIMO 技術(shù)的發(fā)展過程，介紹無線信道的傳播特性，以及常見 的分集合并 技 術(shù)然后，對(duì)現(xiàn)有的協(xié)議分集協(xié) 議按照不同的方式進(jìn)行分類，并 對(duì)各自的工作原理和特點(diǎn)進(jìn)行簡單的描述。 研究內(nèi)容及本文組織結(jié)構(gòu) 本文主要研究在協(xié)作通信系統(tǒng)中，多跳協(xié)作的協(xié)議，并對(duì)其 中斷概率性能和誤符號(hào)率性能進(jìn)行分析和仿真，從而說明多跳協(xié)作時(shí)協(xié)議的性能特點(diǎn)。它可以被應(yīng)用于蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)、無線 Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)、無線局域網(wǎng)以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等多種場(chǎng)合。 協(xié)作通信 系統(tǒng)作為一種多天線技術(shù)的擴(kuò)展，已經(jīng)成為近年來通信領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，它將成為未來移動(dòng)通信系統(tǒng)提高頻譜利用率的關(guān)鍵技術(shù)之一。 在協(xié)作通信中，通過引入一個(gè)或者多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，使得信源發(fā)出的信息還能由各中繼點(diǎn)經(jīng)過一定方式處理后再轉(zhuǎn)發(fā)至信宿端。以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴? 目前，由于受到移動(dòng)終端本身的體積大小、功率、實(shí)現(xiàn) 等方面的限制，不適合在一部移動(dòng)終端上安裝多根天線，這在一定程度上 限制了 MIMO 技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。 MIMO 技術(shù)的提出大大解決了下一代通信系統(tǒng)的難題。 為了滿足多速率多媒體通信的要求，下一代無線系統(tǒng)必須采用更先進(jìn)的算法和技術(shù)， 不僅要提高數(shù)據(jù)速率，還要使系統(tǒng)能確保不同媒體所要求的服務(wù)質(zhì)