摘要 珊f l jirflr l l f l r l 1 i i f ir l j i f l i j j y 2 0 6 6 7 0 4 協(xié)作通信通過(guò)共享無(wú)線通信系統(tǒng)的多個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)的天線，構(gòu)造虛擬的天線陣 列以獲得與多輸入多輸出( m i m o ) 系統(tǒng)相似的分集增益，為m i m o 技術(shù)走向?qū)嵱锰?供了一條有效的途徑。 本文首先給出了m i m o 、o f d m 技術(shù)的基本原理，詳細(xì)分析了空時(shí)分組編碼 的編解碼過(guò)程。然后在基本協(xié)作方案的基礎(chǔ)上結(jié)合o f d m 技術(shù)給出了基于o f d m 的協(xié)作傳輸方案，分析了在不同信道情況下，中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)信號(hào)的不同處理方式和 各協(xié)議的中斷理論界，并對(duì)各協(xié)議的中斷性能進(jìn)行比較與評(píng)估，通過(guò)m a t l a b 仿真 驗(yàn)證了理論推導(dǎo)的正確性。最后，針對(duì)協(xié)作通信中異步傳輸問(wèn)題，本文給出了一 種基于0 f d m 的a l a m o u t i 異步協(xié)作傳輸方案，詳細(xì)闡述了中繼節(jié)點(diǎn)的信號(hào)處理過(guò) 程，并基于此方案提出了一種0 f d m 預(yù)編碼協(xié)作傳輸方案，相比原有方案，改進(jìn) 的方案通過(guò)在源節(jié)點(diǎn)進(jìn)行預(yù)編碼處理，可以在不犧牲信道利用率的前提下獲得多 徑增益。理論分析和仿真結(jié)果驗(yàn)證了改進(jìn)方案在實(shí)現(xiàn)異步傳輸?shù)那疤嵯驴梢垣@得 更高的分集增益。 關(guān)鍵詞：空時(shí)分組編碼o f d m 協(xié)作協(xié)議異步傳輸 a b s t r a c t c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o np r o v i d e sa l le f f e c t i v ew a yt or e a l i z et h em u l t i p l ei n p u t m u l t i p l eo u t p u t ( m i m o ) t e c h n o l o g yb y s h a r i n gt h ea n t e n n a so nt h e m u l t i p l e n e i g h b o r i n gn o d e si nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mt oc o n s t r u c tv i r t u a la n t e n n aa r r a y t oa c h i e v et h es i m i l a rd i v e r s i t yg a i na st h em i m o t e c h n o l o g yd o f i r s t ，t h ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l e so fm i m oa n do f d ma r ei n t r o d u c e db r i e f l v f o l l o w e db yt h ec o d i n ga n dd e c o d i n go ft h es p a c et i m eb l o c k c o d i n g ( s t b c ) t h e n o n t h eb a s i so ft h eb a s i c c o o p e r a t i o ns t r a t e g i e s ，t h ep a p e ri n v e s t i g a t e st h e c o o p e r a t i v e s c h e m e sb a s e do f d ma n da n a l y z e st h ed i f f e r e n ts i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o d sa tt h er e l a y n o d e si n d i f f e r e n tc h a n n e lc o n d i t i o n s t h eo u t a g ep e r f o r m a n c eo ft h e c o o p e r a t i o n s t r a t e g i e sa r ec o m p a r e da n da s s e s s e d t h et h e o r e t i c a ld e r i v a t i o ni sc o r r e c tv e r i f i e db y t h em a t l a bs i m u l a t i o nr e s u l t s f i n a l l y , i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mo f a s y n c h r o n o u s t r a n s m i s s i o n , a na l a m o u t ia s y n c h r o n o u sc o o p e r a t i v et r a n s m i s s i o ns c h e m eb a s e do f d m 1 s g i v e n , t h es i g n a lp r o c e s s i n gi sd e s c r i b e dd e t a i l e d l y f u r t h e r , an e wp r e e o d i n g c o o p e r a t i v et r a n s m i s s i o ns c h e m eb a s e do f d mi s p r e s e n t e di nt h i sp a p e r , t h en e w s c h e m ec a ng e tt h ed i v e r s i t yg a i nw i t h o u ts a c r i f i c i n gt h ec h a n n e lu t i l i z a t i o nc o m p a r e d w i t ht h eo r i g i n a ls c h e m e t h en e ws c h e m e sc a na c h i e v eh i g h e rd i v e r s i t yg a i ni nt h e p r e m i s eo fa s y n c h r o n o u st r a n s m i s s i o nv e r i f i e db yt h et t l e o r e t i c a l a n a l y s i sa n dt h e s i m u l a t i o nr e s u l t s k e y w o r d s ：s p a c et i m eb l o c kc o d i n go f d m c o o p e r a t i v ep r o t o c o l a s y n c h r o n o u st r a n s m i s s i o n 第一章緒論 第一章緒論 1 1論文背景 移動(dòng)通信已經(jīng)成為人類生活必不可少的需求。從上個(gè)世紀(jì)9 0 年代開始，蜂窩 系統(tǒng)的通信業(yè)務(wù)快速發(fā)展，手機(jī)成為生活、工作的重要工具。另外，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)中 的無(wú)線局域網(wǎng)已經(jīng)逐步可以在學(xué)校、公司、家庭范圍內(nèi)代替有線網(wǎng)絡(luò)。對(duì)更高通 信質(zhì)量、更快速度、更大容量的需求，推動(dòng)通信技術(shù)不斷向前發(fā)展。 目前移動(dòng)通信的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段： 第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)( 1 g ) 出現(xiàn)于2 0 世紀(jì)8 0 年代，模擬調(diào)頻( f m ) 加上頻分多 址接入f f i ) m h ) 是它的技術(shù)要點(diǎn)。第一代蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)存在頻帶利用率低、保 密性差、終端體積大等缺點(diǎn)。 第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)( 2 g ) ，是以數(shù)字信號(hào)處理( d s p ) 為基礎(chǔ)，被稱為模擬到數(shù) 字革新的技術(shù)。它在關(guān)鍵的空中接口環(huán)節(jié)上采用了一系列的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)， 其中包括信源壓縮編碼、數(shù)字加密、信道編碼、數(shù)字調(diào)制等；在多址方式上，采 用了靈活、高效的時(shí)分多址( t d m a ) 和碼分多址( c d m a ) 技術(shù)。為人類提供了優(yōu)質(zhì) 的語(yǔ)音服務(wù)。 第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)( 3 g ) 是由i t u 在2 0 世紀(jì)9 0 年代中后期提出的，i t u 將 第三代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為“i m t - 2 0 0 0 ”( 國(guó)際移動(dòng)電話2 0 0 0 ) 標(biāo)準(zhǔn)，目前共確定 了全球四大3 g 標(biāo)準(zhǔn)，它們分別是由歐洲主導(dǎo)的w c d m a 標(biāo)準(zhǔn)，由美國(guó)主導(dǎo)的 c d m a 2 0 0 0 標(biāo)準(zhǔn)、由中國(guó)主導(dǎo)的t d s c d m a 標(biāo)準(zhǔn)。3 g 系統(tǒng)將會(huì)以寬帶c d m a 系統(tǒng)為主，寬帶c d m a 不僅具有c d m a 所擁有的一切優(yōu)點(diǎn)，而且運(yùn)行帶寬要寬 的多，抗干擾能力也很強(qiáng)，傳遞信號(hào)功能更趨完善，能實(shí)現(xiàn)無(wú)線系統(tǒng)大容量和高 密度的覆蓋漫游，也更容易管理系統(tǒng)。 雖然3 g 網(wǎng)絡(luò)相對(duì)于2 g 有了很大提升，但仍不能滿足人們更高的需求。例如， 傳承于2 g 網(wǎng)絡(luò)的語(yǔ)音交換部分仍采用了電路交換的方式，不支持全網(wǎng)d ；缺乏統(tǒng) 一的標(biāo)準(zhǔn)，給網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫覆蓋和全球漫游都帶來(lái)很大障礙；更高速率需求的帶寬 限制等等。因此，致力于解決3 g 不足問(wèn)題的新一代通信系統(tǒng)( 4 g ) 已成為目前的研 究熱點(diǎn)。 新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)( 4 g ) 將實(shí)現(xiàn)移動(dòng)化、寬帶化、i p 化。移動(dòng)化將人們從地 理的限制上解脫出來(lái)，實(shí)現(xiàn)無(wú)時(shí)不在、無(wú)所不在的信息傳遞。寬帶化是滿足用戶 對(duì)視頻業(yè)務(wù)、流媒體等寬帶業(yè)務(wù)的需求。而下一代網(wǎng)絡(luò)( n g n ) 將是全i p 網(wǎng)，從核 心網(wǎng)到用戶設(shè)備均支持i p 協(xié)議。隨著向4 g 演進(jìn)，趨勢(shì)將是不同的無(wú)線技術(shù)在n g n 2基于o f d m 的協(xié)作無(wú)線傳輸技術(shù)研究 架構(gòu)下融合、共存、發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，形成多層次的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。 與本論文相關(guān)的4 g 物理層關(guān)鍵技術(shù)包括： 1 ) o f d m 技術(shù) o f d m 是一種無(wú)線環(huán)境下的高速傳輸技術(shù)，其基本原理是把高速數(shù)據(jù)流分成 若干低速數(shù)據(jù)流并行地在相互正交的子載波上傳輸，這樣，多徑衰落的時(shí)間彌散 相對(duì)減少，頻率選擇性衰落信道轉(zhuǎn)化為若干平坦衰落子信道，極大減少了符號(hào)間 干擾( i s i ) 。由于o f d m 使用正交的子載波劃分子信道，極大地提高了頻譜利用率， 同時(shí)又可以根據(jù)信道環(huán)境的優(yōu)劣采用更適合的調(diào)制方式，并通過(guò)使用加載算法， 將數(shù)據(jù)集中到條件好的信道上傳輸。 2 ) m i m o 技術(shù) 多輸入多輸出( m i m o ) o p 在接收端和發(fā)送端都采用多個(gè)天線，可以成倍地提高 衰落信道下的信道容量。它的基本原理是利用同一信號(hào)通過(guò)不同天線發(fā)射出去， 其接收信號(hào)不是完全相同的。因此，多個(gè)天線可以同時(shí)利用相同的頻率發(fā)射各自 不同的信號(hào)，然后在接收端通過(guò)接收信號(hào)恢復(fù)出發(fā)送信號(hào)。 m i m o 技術(shù)無(wú)疑給解決高速無(wú)線通信問(wèn)題開辟了一條新的思路，因此在此基 礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的空時(shí)編碼技術(shù)是一種很有前途的解決方案?？諘r(shí)編碼將編碼技術(shù) 和陣列技術(shù)有機(jī)地結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了空分多址，從而提高了系統(tǒng)的抗衰落性能， 同時(shí)它利用衰落信道的多徑傳播特點(diǎn)以及發(fā)射分集和接收分集來(lái)提供高速率高質(zhì) 量的數(shù)據(jù)傳輸；與不使用空時(shí)編碼的系統(tǒng)相比，空時(shí)編碼可以在不犧牲帶寬的情 況下獲得更高的編碼增益，提高抗干擾和噪聲的能力。 3 ) 協(xié)作技術(shù) m i m o 系統(tǒng)的運(yùn)行基本上是利用發(fā)送接收端的天線陣列結(jié)合空時(shí)編碼實(shí)現(xiàn) 的，然而，在蜂窩系統(tǒng)或傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由于設(shè)計(jì)成本和尺寸的限制，每個(gè)終端 都配備多天線是很不現(xiàn)實(shí)的：對(duì)于點(diǎn)到點(diǎn)的獨(dú)立用戶來(lái)說(shuō)，沒有多個(gè)天線就不可 能獲得空間分集增益。為了打破這種僵局，s e n d o n a r i s 等人提出了一種新的空域分 集技術(shù)協(xié)作分集【4 】，使得單天線的移動(dòng)終端也能實(shí)現(xiàn)空域分集。其基本思想是， 系統(tǒng)中的每個(gè)移動(dòng)終端都有一個(gè)或多個(gè)合作伙伴，合作伙伴之間有責(zé)任在傳輸自 己信息的同時(shí)，幫助其伙伴傳輸信息。每個(gè)移動(dòng)終端在傳輸信息的過(guò)程中既利用 了自己又利用了合作伙伴的空間信道，從而獲得了一定的空間分集增益。協(xié)作通 信是節(jié)點(diǎn)通信的策略，而要實(shí)現(xiàn)協(xié)作分集則要通過(guò)有效的編碼方案來(lái)實(shí)現(xiàn)，比如 空時(shí)編碼等。同時(shí)這種虛擬m i m o 技術(shù)也同樣可以和o f d m 級(jí)聯(lián)，在解決頻率選 擇性衰落的同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)多階分集，提高系統(tǒng)容量。因此，協(xié)作通信是下一代 通信系統(tǒng)研究的方向之一，對(duì)未來(lái)通信的發(fā)展有著重要的意義。 第一章緒論 3 1 2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 協(xié)作分集，又名協(xié)作通信，其基本思想就是單天線的移動(dòng)用戶終端通過(guò)彼此 共享天線，即用戶雙方通過(guò)某種協(xié)作借助對(duì)方的天線發(fā)送信息，這種互借的方式 在形式上構(gòu)成了虛擬的多天線陣列，通過(guò)這種虛擬多天線的方式來(lái)享受傳統(tǒng) m i m o 技術(shù)的各種優(yōu)勢(shì)。協(xié)作分集技術(shù)是促進(jìn)m i m o 技術(shù)實(shí)用化的一種新的思路， 它的發(fā)展將給無(wú)線通信領(lǐng)域帶來(lái)巨大的變革。協(xié)作分集為小型移動(dòng)終端享受 m i m o 技術(shù)找到了一種新的思路，是一種很有前途的空間分集技術(shù)。 協(xié)作分集技術(shù)的研究可追溯到1 9 7 9 年c o v e 和g a m a l 5 j 對(duì)中繼信道( r e l a y c h a n n e l ) 的研究。他們分析了a w g n 信道中具有三個(gè)節(jié)點(diǎn)( 發(fā)射節(jié)點(diǎn)、目的節(jié)點(diǎn)和 中繼節(jié)點(diǎn)) 的無(wú)線通信系統(tǒng)的容量，其中中繼節(jié)點(diǎn)采用半雙工模式，即中繼節(jié)點(diǎn)不 能同時(shí)接收和發(fā)送信號(hào)。在所有的節(jié)點(diǎn)的工作頻帶相同的情況下，系統(tǒng)可以分解 為一個(gè)廣播信道( 從發(fā)射節(jié)點(diǎn)看) 和一個(gè)多址信道( 從目的節(jié)點(diǎn)看) 。在協(xié)作分集領(lǐng)域 出現(xiàn)的很多思想都在文獻(xiàn)【5 】中首次提出。目前，協(xié)作分集技術(shù)的研究主要分為中繼 ( r e l a y ) 和用戶終端間的協(xié)作( c o o p e r a t i v e ) 兩種方式。在r e l a y 方式中，中繼節(jié)點(diǎn)位 于發(fā)射節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間，發(fā)射節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間均采用無(wú)線連接，它自己 并沒有信息發(fā)送，而只對(duì)接收到的發(fā)射節(jié)點(diǎn)信息進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。這樣，目的節(jié)點(diǎn)可以 從發(fā)射節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)接收到相同信號(hào)的兩個(gè)獨(dú)立副本，從而獲得分集增益，提 高系統(tǒng)性能。與r e l a y 方式不同，在c o o p e r a t i v e 方式中，每個(gè)發(fā)射節(jié)點(diǎn)均可作為 中繼節(jié)點(diǎn)，它們不僅要轉(zhuǎn)發(fā)信息，同時(shí)自己也有信息需要發(fā)送。從中繼節(jié)點(diǎn)工作 的方式來(lái)看，分為再生中繼( r e g e n e r a t i v er e l a y ) 與非再生中繼( n o n r e g e n e r a t i v e r e l a y ) 。非再生中繼僅對(duì)從發(fā)射節(jié)點(diǎn)接收到的信號(hào)進(jìn)行功率放大，然后轉(zhuǎn)發(fā)給目的 節(jié)點(diǎn)，也稱作放大轉(zhuǎn)發(fā)( a f ，a m p l i f ya n df o r w a r d ) ；而非再生中繼對(duì)從發(fā)射節(jié)點(diǎn)接 收到的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)與解碼，獲得原始的信息，然后將原始信息經(jīng)過(guò)重新編碼與 調(diào)制后轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點(diǎn)，也稱作譯碼轉(zhuǎn)發(fā)( d f ，d e c o d ea n df o r w a r d ) 。非再生中繼還 可以轉(zhuǎn)發(fā)對(duì)原始信息進(jìn)行編碼后的校驗(yàn)信息，此時(shí)稱作編碼協(xié)作( c c ，c o d e d c o o p e r a t i v e ) 。 現(xiàn)階段，在深入研究多用戶多址接入技術(shù)、中繼轉(zhuǎn)發(fā)模式、m i m o 自適應(yīng)傳 輸技術(shù)、m i m o 空時(shí)編解碼技術(shù)、聯(lián)合譯碼多用戶迭代檢測(cè)技術(shù)、高效聯(lián)合解調(diào) 迭代譯碼技術(shù)等內(nèi)容的基礎(chǔ)上，許多學(xué)者已對(duì)協(xié)作分集技術(shù)展開了廣泛的研究， 主要集中在以下幾個(gè)方面： 容量理論方向。協(xié)作通信的研究最早開始于無(wú)線中繼信道容量的研究。2 0 世 紀(jì)8 0 年代左右，t c o v e r 最早給出了高斯信道下的單中繼容量上剛副，從此拉開了 中繼、協(xié)作等特殊信道容量研究的序幕。但隨后，該方向停滯了近二十年，在這 4基于o f d m 的協(xié)作無(wú)線傳輸技術(shù)研究 二十年中移動(dòng)通信技術(shù)得到了迅速發(fā)展，此時(shí)重新研究中繼協(xié)作系統(tǒng)就有了新的 角度和方法。文獻(xiàn)【6 】給出了中繼節(jié)點(diǎn)在某一時(shí)隙或頻段接收源端信息，在另一時(shí)隙 或頻段發(fā)送源端信息情況下，對(duì)應(yīng)的各態(tài)歷經(jīng)容量界。此外考慮到實(shí)際應(yīng)用中的 限制，v a l e n t i 等人給出了源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)在正交信道( t d m a 、f d m a 、c d m a ) 傳輸條件下，不同協(xié)議的容量和中斷概率結(jié)果【7 1 【引。 性能分析方向。協(xié)作通信理論建立起來(lái)之后，關(guān)于各種協(xié)作方式和結(jié)構(gòu)的系 統(tǒng)性能分析也成為研究的熱點(diǎn)。文獻(xiàn)【9 】分析了協(xié)作通信接收機(jī)的設(shè)計(jì)及誤碼性能。 文獻(xiàn)【1 0 】分析了放大轉(zhuǎn)發(fā)和譯碼轉(zhuǎn)發(fā)方式下協(xié)作系統(tǒng)的中斷概率和分集性能。文獻(xiàn) 1 1 1 1 2 1 分別給出了放大轉(zhuǎn)發(fā)和譯碼轉(zhuǎn)發(fā)方式下協(xié)作通信系統(tǒng)的漸進(jìn)平均誤碼率，但 其文中的結(jié)論適用于己知衰落分布密度函數(shù)的某些特定系統(tǒng)。 分布式空時(shí)編碼設(shè)計(jì)方向。由于協(xié)作系統(tǒng)可以看成虛擬的m i m o 系統(tǒng)，因此 空時(shí)碼也可以應(yīng)用在協(xié)作系統(tǒng)中，用以獲得分集增益。h u n t e r 1 4 j 等，s t e f a n o v 【l 副 等和n a b a r 【1 6 】等都討論了空時(shí)編碼在協(xié)作通信系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性。因?yàn)榭諘r(shí)碼字 是由多個(gè)地理上分散的無(wú)線節(jié)點(diǎn)發(fā)射形成，所以成為分布式空時(shí)編碼( d i s t r i b u t e d s p a c e t i m ec o d i n g ) 。此后，多種在m i m o 系統(tǒng)中應(yīng)用的空時(shí)編碼被用于協(xié)作通信 系統(tǒng)中【1 7 】【1 8 】【1 9 1 。9 1 2 2 1 2 3 1 。 基于o f d m 的協(xié)作通信方向。o f d m 常用于消除符號(hào)間干擾和提高頻譜效率， 因此被廣泛應(yīng)用于寬帶通信系統(tǒng)中。將o f d m 引入到協(xié)作系統(tǒng)中，不僅可以獲得 協(xié)作分集，同時(shí)可以利用o f d m 的優(yōu)點(diǎn)。文獻(xiàn)【2 4 】【2 6 】對(duì)此進(jìn)行了研究。 異步協(xié)作通信系統(tǒng)方向。與m i m o 多天線系統(tǒng)相比，協(xié)作節(jié)點(diǎn)要考慮到分布 式條件，因此協(xié)作節(jié)點(diǎn)的同步是一個(gè)重要問(wèn)題。到目前為止，大多數(shù)協(xié)作通信的 研究都是假設(shè)協(xié)作用戶之間的傳輸是完美同步的，然而在實(shí)際協(xié)作中，節(jié)點(diǎn)間的 不同步是不可避免的，這種不同步現(xiàn)象會(huì)引起符號(hào)間的串?dāng)_( i s i ) ，導(dǎo)致接收端的譯 碼錯(cuò)誤。因此異步情況下的協(xié)作通信更符合實(shí)際的要求。 本文對(duì)基于o f d m 的協(xié)作通信協(xié)議和異步協(xié)作通信系統(tǒng)進(jìn)行了研究。通過(guò)對(duì) 基本協(xié)作協(xié)議的研究，分析了基于o f d m 的協(xié)作協(xié)議的理論上下界，并通過(guò)計(jì)算 機(jī)仿真驗(yàn)證了結(jié)論的合理性。異步協(xié)作通信方案也是本文研究的一個(gè)重點(diǎn)，通過(guò) 對(duì)文獻(xiàn)f 5 0 】的分析和仿真，提出了一種新的基于o f d m 異步協(xié)作傳輸方案，改進(jìn)的 方案不僅具有優(yōu)良的抗異步性能，相對(duì)文獻(xiàn)【5 0 】中的方案，可以在不犧牲信道利用 率的前提下獲得多徑增益。 第一章緒論 5 1 3 本文研究的主要內(nèi)容 本文主要研究基于o f d m 的協(xié)作無(wú)線傳輸技術(shù)。論文共分為五章，結(jié)構(gòu)安排 如下：第二章介紹了無(wú)線信道的傳播特性，給出了o f d m 和m i m o 技術(shù)的基本原 理，詳細(xì)分析了a l a m o u t i 空時(shí)分組碼和正交空時(shí)分組碼的編解碼過(guò)程和性能。第 三章介紹了基本協(xié)作協(xié)議和基于o f d m 的協(xié)作協(xié)議，并給出了不同協(xié)作協(xié)議的中 斷性能界和仿真結(jié)果對(duì)比，通過(guò)仿真驗(yàn)證了理論推導(dǎo)的正確性和各協(xié)作協(xié)議的特 點(diǎn)。第四章介紹了異步o f d m 協(xié)作傳輸技術(shù)，首先給出了可以抗異步的t r - s t c 和s t c o f d m 技術(shù)，然后分析仿真了文獻(xiàn)【5 0 】中給出的基于o f d m 的a l a m o u t i 異 步協(xié)作傳輸方案，對(duì)文獻(xiàn)【5 0 】中提出的方案進(jìn)行了改進(jìn)，通過(guò)對(duì)源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息 進(jìn)行預(yù)編碼以獲得多徑增益，通過(guò)理論分析和仿真結(jié)果驗(yàn)證了改進(jìn)的方案可以獲 得更高的分集增益和良好的抗異步性能。最后一章總結(jié)全文內(nèi)容，并提出了進(jìn)一 步的研究方向。 6基于o f d m 的協(xié)作無(wú)線傳輸技術(shù)研究 第二章基本原理 7 第二章基本原理 無(wú)線傳輸信道，尤其是移動(dòng)環(huán)境中的無(wú)線傳輸信道是一個(gè)非常復(fù)雜的物理現(xiàn) 象，未來(lái)移動(dòng)通信要在有限的頻譜資源上支持高速率數(shù)據(jù)和多媒體業(yè)務(wù)的傳輸， 就必須采取頻譜利用率高的抗衰落技術(shù)來(lái)提高系統(tǒng)的性能，m i m o 和o f d m 就是 其中的兩種有效措施，這兩種技術(shù)相互補(bǔ)充、相得益彰，更成為實(shí)現(xiàn)無(wú)線信道高 速數(shù)據(jù)傳輸最希望的解決方案之一。本章簡(jiǎn)要介紹o f d m 和m i m o 技術(shù)基本原理， 對(duì)空時(shí)分組編碼的編解碼過(guò)程和性能進(jìn)行了詳細(xì)的推導(dǎo)和分析。 2 1 無(wú)線信道的傳播特性 在移動(dòng)通信中，發(fā)射信號(hào)在傳播過(guò)程中往往會(huì)受到環(huán)境中的各種物體所引起 的遮擋、吸收、反射和衍射的影響，形成多條多徑信號(hào)到達(dá)接收機(jī)。不同路徑的 信號(hào)分量具有不同的傳播時(shí)延、相位和振幅，并附加有信道噪聲，它們的疊加會(huì) 使復(fù)合信號(hào)相互抵消或增強(qiáng)，導(dǎo)致嚴(yán)重的衰落。此外，如果發(fā)射機(jī)或接收機(jī)處于 移動(dòng)狀態(tài)，或者信道環(huán)境發(fā)生變化，會(huì)引起信道特性隨時(shí)間隨機(jī)變化，接收到的 信號(hào)由于多普勒( d o p p l e r ) 效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生更為嚴(yán)重的失真。無(wú)線信道對(duì)傳輸信號(hào)的影 響主要表現(xiàn)為多徑效應(yīng)和多普勒效應(yīng)。 1 ) 多徑時(shí)延 在多徑傳播環(huán)境下，由于傳播路徑的差異導(dǎo)致多徑信號(hào)以不同的時(shí)間到達(dá)接 收端，如果基站發(fā)射的是一個(gè)時(shí)間寬度極窄的脈沖信號(hào)，移動(dòng)用戶接收到的將是 多個(gè)具有不同時(shí)延的脈沖信號(hào)的疊加，顯然，接收信號(hào)的波形比原脈沖展寬了。 由于信號(hào)波形的展寬是由信道的時(shí)延引起的，所以稱之為時(shí)延擴(kuò)展。其中記f 。為 最大時(shí)延擴(kuò)展。 在傳輸過(guò)程中，由于時(shí)延擴(kuò)展，接收信號(hào)中的一個(gè)符號(hào)的波形會(huì)擴(kuò)展到其他 符號(hào)當(dāng)中，造成符號(hào)間干擾( i s i ) 。為了避免產(chǎn)生i s i ，應(yīng)該使得符號(hào)寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 最大時(shí)延擴(kuò)展，或者符號(hào)速率要小于最大時(shí)延擴(kuò)展的倒數(shù)。 在頻域內(nèi)，與時(shí)延擴(kuò)展相關(guān)的另一個(gè)重要概念是相干帶寬，通常用最大時(shí)延 擴(kuò)展的倒數(shù)來(lái)定義相關(guān)帶寬： 衄驢 t 蚴l ( 2 - 1 ) 從頻域角度來(lái)看，多徑信號(hào)的時(shí)延擴(kuò)展可以導(dǎo)致頻率選擇性衰落，即對(duì)信號(hào) 中不同的頻率成分，無(wú)線傳輸信道會(huì)呈現(xiàn)不同的隨機(jī)響應(yīng)。由于信號(hào)中的不同頻 率分量的衰落是不一致的，所以經(jīng)過(guò)衰落以后，信號(hào)波形就會(huì)發(fā)生畸變。由此可 8 基于o f d m 的協(xié)作無(wú)線傳輸技術(shù)研究 以看到，當(dāng)信號(hào)的速率較高，信號(hào)帶寬超過(guò)無(wú)線信道的相干帶寬時(shí)，信號(hào)通過(guò)無(wú) 線信道后各項(xiàng)頻率分量的變化是不一樣的，引起信號(hào)波形的失真，造成i s i ，此時(shí)， 就認(rèn)為發(fā)生了頻率選擇性衰落；反之，當(dāng)信號(hào)的傳輸速率較低，信號(hào)帶寬小于相 干帶寬時(shí)，信號(hào)通過(guò)無(wú)線信道后各頻率分量都受到相同的衰落，則認(rèn)為信號(hào)只是 經(jīng)歷了平坦衰落，即頻率非選擇性衰落。相干帶寬是無(wú)線信道的一個(gè)重要特性， 至于信號(hào)通過(guò)無(wú)線信道時(shí)，是出現(xiàn)頻率選擇性衰落還是平坦衰落，這要取決于信 號(hào)本身的帶寬。 2 ) 多普勒效應(yīng) 信道的時(shí)變性是指信道的傳輸函數(shù)是隨時(shí)間變化的，即在不同的時(shí)刻發(fā)送相 同的信號(hào)，在接收端收到的信號(hào)是不相同的。時(shí)變性在移動(dòng)通信系統(tǒng)中的具體體 現(xiàn)就是多普勒頻移，即單一的頻率信號(hào)經(jīng)過(guò)時(shí)變衰落信道之后會(huì)呈現(xiàn)為具有一定 帶寬和頻率包絡(luò)的信號(hào)，這也可以稱為信道的頻率彌散性。多普勒效應(yīng)所引起的 附加頻率偏移可以稱為多普勒頻移，可以表示為： 。 一 一 厶= ；c o s p = 墮c o s 0 = f m c o s 0 ( 2 - 2 ) c 式中，z 表示載波，c 表示光速，厶表示多普勒頻移，v 表示移動(dòng)臺(tái)的移動(dòng) 速度?？梢钥吹剑嗥绽疹l移與載波頻率和移動(dòng)臺(tái)的移動(dòng)速度成正比。由于存在 多普勒頻移，所以當(dāng)單一信號(hào)厶到達(dá)接收端的時(shí)候，其頻譜不再是位于頻率軸+ f o 處的單純占函數(shù)，而是分布在( 五一無(wú)，五+ 厶) 內(nèi)的、存在一定寬度的頻譜。 從時(shí)域角度來(lái)看，與多普勒頻移相關(guān)的另外一個(gè)概念就是相干時(shí)間，即： 1 ( a t ) ( 2 - 3 ) j 。 相干時(shí)間是信道沖激響應(yīng)維持不變的時(shí)間間隔的統(tǒng)計(jì)平均值。也就是說(shuō)，在 一段時(shí)間間隔內(nèi)，兩個(gè)到達(dá)信號(hào)有很強(qiáng)的幅度相關(guān)性。如果符號(hào)寬度大于無(wú)線信 道的相干時(shí)間，那么信號(hào)的波形可能會(huì)發(fā)生畸變，產(chǎn)生時(shí)間選擇性衰落，也稱為 快衰落；如果符號(hào)寬度小于相干時(shí)間，則認(rèn)為是非時(shí)間選擇性衰落，即慢衰落。 2 2o f d m 基本原理 2 2 1o f d m 調(diào)制解調(diào)基本原理 o f d m 技術(shù)是一種無(wú)線環(huán)境下的高速傳輸技術(shù)，它將高速串行數(shù)據(jù)變換成低 速的并行數(shù)據(jù)并對(duì)不同的載波進(jìn)行調(diào)制。這種并行傳輸體制擴(kuò)展了符號(hào)的脈沖寬 第二章基本原理 9 度，提高了抗多徑衰落的能力。與傳統(tǒng)的頻分復(fù)用方法相比，o f d m 系統(tǒng)頻譜在 整個(gè)符號(hào)周期內(nèi)滿足正交性，各子載波上的頻譜相互重疊，提高了頻譜利用率。 若用n 表示子載波的個(gè)數(shù)，t 表示o f d m 符號(hào)的持續(xù)時(shí)間，4 ( i = o ，1 ，2 ，一1 ) 表 示分配給每個(gè)子信道的數(shù)據(jù)符號(hào)，f 表示第i 個(gè)子載波的載波頻率，則從f = 開 始的o f d m 符號(hào)可以表示為： 1 0 t f 。+ t ，t + t ，t o ，它為信道增益1 1 2 ，i 啊1 2 的p d f 。最終式( 2 2 5 ) 可以化簡(jiǎn)為閉式形式 巾卅斗壓( + 南 其中口= 三，所以p e p 取決于c 1 專c 2 的歐氏距離以及信噪比。那么在b p s k 調(diào)制下，a l a m o u t i 編碼僅有一個(gè)相應(yīng)的符號(hào)出現(xiàn)不同時(shí)，其露= 2 時(shí)的p e p 為 p ( c i 哼c 2 ) * 后( + 剖 q 引， 根據(jù)胞r ( 冊(cè)限) ，其中d 為分集增益，e h 式( 2 - 3 1 ) ) 可知，a l a m o u t i 空時(shí)分 鲴：舀的分售階粒為2 該分組碼宴現(xiàn)了滿分集。 第二章基本原理 2 4 2 正交空時(shí)分組碼 a l a m o u t i 編碼方式其實(shí)就是一種正交空時(shí)分組碼( o r t h o g o n a ls p a c e - t i m eb l o c k c o d e s ，o s t b c ) ，它的接收端僅需要簡(jiǎn)單的m l 譯碼就可以獲得全分集，但它的系 統(tǒng)只有兩個(gè)發(fā)送天線。t a r o k h 在a l a m o u t i 的基礎(chǔ)上將以正交設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)的空時(shí)分 組碼應(yīng)用到多天線的系統(tǒng)中，形成了完整的正交空時(shí)分組碼理論【2 9 】。o s t b c 的優(yōu) 勢(shì)在于性能與復(fù)雜度的完美平衡，由于正交設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，在接收端已知c s i 的情況 下，可以通過(guò)最大比接收方式加權(quán)系數(shù)作為信道矩陣的正交矩陣，這樣就可以對(duì) 每個(gè)發(fā)送符號(hào)單獨(dú)進(jìn)行m l 估計(jì)，大大降低了譯碼復(fù)雜度，同時(shí)又可以獲得全分 集增益。 2 4 2 1 編碼和發(fā)送 o s t b c 的設(shè)計(jì)一般由t x n 的傳輸矩陣甲來(lái)表示，其中丁為發(fā)送所需時(shí)隙數(shù)， 為發(fā)送天線數(shù)。o s t b c 碼的傳輸速率r = k r ，其中k 代表一個(gè)甲中的傳輸符 號(hào)數(shù)，r l 。假設(shè)一個(gè)m i m o 系統(tǒng)有個(gè)發(fā)送天線和m 個(gè)接收天線，信道為準(zhǔn) 靜態(tài)的瑞利平衰落信道，。為第n 個(gè)發(fā)送天線到第m 個(gè)接收天線的信道衰落系 數(shù)，在每一幀r 個(gè)時(shí)隙內(nèi)吃肘保持不變。設(shè)第m 個(gè)天線在時(shí)刻，接收信號(hào)為礦，那 么 n - i r 7 = 吃，歷簟+ 礦 ( 2 3 2 ) n = o 其中，”，為噪聲，為均值為零，方差為l 的復(fù)高斯隨機(jī)變量。霹為第n 個(gè)發(fā) 送天線的發(fā)送信號(hào)，其平均能量e 。歸一化。 傳輸矩陣甲是由而，s ：，s k 等調(diào)制符號(hào)和它們的共軛線性組合成的，為了實(shí)現(xiàn) 正交設(shè)計(jì)，傳輸矩陣甲需滿足的關(guān)系為 甲h 甲= 2 + + i x , 1 2 i ( 2 - 3 3 ) 其中，( ) h 為h e r m i t i a n 變換，i 為n x n 的單位矩陣。每一個(gè)傳輸矩陣為一個(gè) 發(fā)送幀，甲的每一行符號(hào)在同一時(shí)間從發(fā)送端的個(gè)天線分別發(fā)送，甲的行數(shù)r 代 表發(fā)送一個(gè)傳輸矩陣所用時(shí)隙數(shù)。甲，碼利用兩個(gè)發(fā)送天線，可以實(shí)現(xiàn)全速率和全 分集，甲。碼利用四個(gè)發(fā)送天線，碼速率為1 2 時(shí)獲得全分集增益，它們的碼型如 下【2 9 】 甲，= 卜是 z l 一i j ( 2 3 4 ) l8 基于o f d m 的協(xié)作無(wú)線傳輸技術(shù)研究 甲4 = s l - - $ 2 一邑 - - s 4 s l 一是 一毛 一s 4 ( 2 - 3 5 ) 由式( 2 3 4 ) 可以看出，甲，的碼型其實(shí)就是a l a m o u t i 碼型。但是接收天線為m 卻與a l a m o u t i 系統(tǒng)的一個(gè)接收天線不同。 2 4 2 2 接收和譯碼 對(duì)于所有的碼字 s l l s l 2 s l n s 2 1 連s 乏s t ls t 2 s t n 接收端的判決量為 rmin 一1 1 2 i ，；珥一，歷墨e l f ( 2 3 6 ) t = lm = l in = 0 i 接收端進(jìn)行簡(jiǎn)單的線性處理就可以采用m l 算法進(jìn)行解碼，以、l ，碼為例說(shuō)明 o s t b c 的譯碼過(guò)程，設(shè)q 為發(fā)送信號(hào)向量s = 【西，屯】1 所有可能的集合，此時(shí)式( 2 3 6 ) 的判決量可以化為f 1 2 1 ， a r g m 船o 。耋z ( 卜盔勰噸所屯1 2 + j 帆m 噸_ 1 2 ) ( 2 - 3 7 ) 由于信道增益在傳輸矩陣時(shí)間內(nèi)恒定不變，將上式展開得 a r g m l n j e q 一m 【r k 肘i + ( 1 歷) j i j l , , , , s i + r i g h t , 腳+ ( 吒肘) 。紅，辨屯 一哆k 肘屯一( 哆) 。 ，歷西+ 哆k m 西+ ( 哆) 吃，塒西】 + ( i s l l 2 制2 ) 孫刊吃，歷1 2 ) ( 2 - 3 8 ) 若將獨(dú)立部分分開，那么式( 2 - 3 8 ) 可以分為兩部分，它們分別與墨，如有關(guān) 2 2 邑吖墨。邑吖一。q邑噸西屯。邑噸。&。屯 t ， 9 龜墨噸。龜。墨。&吖 第二章基本原理1 9 |：0jsl+吒，廳乏塒+(吒!，1)而呸塒s：1c239， 帆1 2 )i 卜卵7 l 一k m 硅肌+ ( r ) 吃，冊(cè)+ 一哆k 肼屯一( ) 啊，歷】i 嘲涵- - i ：抓“蚶) s 2q 枷 6 s q i + i 屯1 2 羔( i 魄，肌1 2 + i 忽，歷1 2 )i 。z q u 將上面兩式整理，式( 2 3 7 ) 最終可化簡(jiǎn)為 + ( 叫2 + ( 2 - 4 1 ) ( 2 - 4 2 ) 同理，對(duì)于其它的o s t b c 碼型，譯碼方案與上面的過(guò)程類似，此處不作詳細(xì) 推導(dǎo)。 2 4 2 3o s t b c 的性能 p r o a k i s 3 2 1 同樣給出了o s t b c 的條件p e p ，同樣式( 2 2 5 ) 仍然適用，此時(shí)信道 矩陣發(fā)生變化，在發(fā)送天線為，接收天線為m 的系統(tǒng)下，某一o s t b c 碼型的 p e p 表示為 即1 卅| h ) = q ( 其中，為符號(hào)之間的歐氏距離，可由式露= 糞i 一1 2 表示。 入式( 2 _ 4 3 ) 得 ( 2 4 3 ) 將式( 2 - 2 7 ) 代 尸( c 1 彩i - ) = 當(dāng)f f l 赫( 蔫蚶 d o ( 2 - 4 4 ) j l , m = ln = l 尸( c 1 專c 2 = 當(dāng)f 兀兀e x p i 蔫叫2 r d u v7 其中，i 吃，。1 2 服從自由度為2 的z 2 分布，式( 2 4 5 ) ) 中對(duì)所有的信道增益的聯(lián)合 + f 。 刀 s ，氣 h 瓦篡 m m 硝 h = j 2 稍 一 + 洫鮑5 瑪 a 、，j 叫、廠 一 曉 1 j i j 細(xì) 協(xié) 怍 肘 ，r 一d 塒廣l k rm 稍十 ，r、【 血m n 5 g鶘 叫、廠 一 曉 1 一 朋 露 2 舳 怍 + 哆 ，j_t ，弋 啊 一、=、 肌 ，r l d 一m 州1廠l 肼稍巾 。 一 、 洳m n j 唱 a 2 0基于o f d m 的協(xié)作無(wú)線傳輸技術(shù)研究 分步積分為 尸c - c 2 ) = 州j c o 唧( 蒜燦出r 加 c 2 4 5 ， 其中，正( x ) = e x p ( 一x ) ，x 0 ，它為信道增益陬。所1 2 p d f 。最終式( 2 4 5 ) n - 以 化簡(jiǎn)為閉式形式 p ( c 1 - - c 2 ) 斗 笠i = l1 f ，孑1 f ， 其中，a = 吾露，當(dāng)= 2 ，m = l 時(shí)，o s t b c 采用v 2 碼，該方式就為舢a(chǎn) m 。u t i 編碼策略，式( 2 - 4 6 ) 就變?yōu)槭? 2 3 0 ) 。 第三章基于o f d m 的協(xié)作協(xié)議 2 1 第三章基于o f d m 的協(xié)作協(xié)議 o f d m 技術(shù)和m i m o 技術(shù)是提升下一代無(wú)線通信性能的兩種高效傳輸技術(shù)。 協(xié)作技術(shù)是對(duì)m i m o 技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景的拓展，為m i m o 技術(shù)走向?qū)嵱没峁┝诵碌?途徑。本章通過(guò)對(duì)基本協(xié)作方案和基于o f d m 的協(xié)作方案的理論分析和性能仿真， 比較了各種協(xié)作傳輸方案的特點(diǎn)。 3 1系統(tǒng)模型 為闡明協(xié)作分集的概念，以圖3 1 的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為例說(shuō)明。其中，終端石傳輸數(shù) 據(jù)至正，乃傳輸數(shù)據(jù)至乃。分配給兩個(gè)用戶的資源已經(jīng)由上層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議確定。在 蜂窩無(wú)線網(wǎng)絡(luò)情況下，石和正代表手機(jī)或移動(dòng)終端，而五= 瓦代表基站。而在無(wú)線 局域網(wǎng)中，五互時(shí)可能代表終端之間的一個(gè)a d h o e 設(shè)置，正= 正時(shí)則代表以正為 接入點(diǎn)的接入網(wǎng)設(shè)置。無(wú)線介質(zhì)的廣播特性是實(shí)現(xiàn)協(xié)作分集的關(guān)鍵因素。從理論 上講，一個(gè)用戶的發(fā)射數(shù)據(jù)可以被網(wǎng)絡(luò)中任意多個(gè)用戶接收。因此，除了將數(shù)據(jù) 傳輸給目的節(jié)點(diǎn)外，石和五還可以相互接收對(duì)方的信號(hào)，從而聯(lián)合傳播數(shù)據(jù)。這種 用戶間相互接收信號(hào)的操作，除了增加接收硬件的消耗外，并不增加發(fā)射信號(hào)的 能量。 圖3 1 兩用戶協(xié)作示意圖 通常情況下，石和正可以聯(lián)合它們的資源，例如功率和帶寬，相互協(xié)作來(lái)實(shí)現(xiàn) 對(duì)各自節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸。極端情況下，可以將互的全部資源用于石信號(hào)的傳輸，這 相當(dāng)于一個(gè)石為信源、瓦為中繼的中繼信道。這樣就可以實(shí)現(xiàn)分集，因?yàn)榧词故?正之間的衰落很嚴(yán)重，石的信息也可能通過(guò)正成功傳送。類似的，也可將全部資源 用于正信號(hào)的傳輸，對(duì)應(yīng)于另一中繼信道。 2 2基于o f d m 的協(xié)作無(wú)線傳輸技術(shù)研究 圖3 2 墨= 互時(shí)單載波兩用戶協(xié)作 本文考慮五= 瓦的情況，它可以是蜂窩網(wǎng)中的基站，也可以代表a d - h o e 網(wǎng)絡(luò) 中的一個(gè)接入點(diǎn)，如圖3 2 所示。所有節(jié)點(diǎn)均安置單根天線。假設(shè)系統(tǒng)是窄帶傳輸， 則各傳輸路徑經(jīng)歷平坦衰落，假設(shè)衰落服從瑞利分布。此外，考慮終端慢速移動(dòng)， 則可以假設(shè)信道為慢衰落。雖然我們將信道模型假設(shè)為平坦慢衰落，但本文的工 作均可推廣至寬帶、高速移動(dòng)環(huán)境( 分別對(duì)應(yīng)于頻率選擇性和時(shí)間選擇性衰落) 。對(duì) 于協(xié)作用戶，除了發(fā)送自己的信息外，還需要處理來(lái)自伙伴的信號(hào)。而實(shí)際終端 的信號(hào)處理很難保證全雙工操作，即用戶終端在同一頻率上同時(shí)發(fā)送和接收信號(hào)。 因此，本文用戶終端采用半雙工操作，即用戶終端在同一頻率上同時(shí)發(fā)送和接收 信號(hào)，本章采用時(shí)分方式。 一n ，：2 + 一n ，：2 - ( a ) 直傳 ( b ) 正交協(xié)作 圖3 3 時(shí)分方式 圖3 3 ( b ) 給出了一種正交的時(shí)分分配方式，用戶間沒有符號(hào)干擾( i s i ) ，每個(gè)用 戶分配n 2 時(shí)間單位，其中4 用戶自己傳輸，另外n 4 用于中繼傳輸。需要 指出的是，圖3 3 ( b ) 并不是保證半雙工操作的唯一方式，其他信道分配方式也可以 保證用戶半雙工操作，雖然可能會(huì)帶來(lái)i s i 。圖3 3 ( a ) 為作為參考的直傳模式，互和 五在所分配的n 2 時(shí)隙內(nèi)直接將各自的信號(hào)發(fā)送給目的端。 對(duì)于單載波系統(tǒng)，直傳模式離散基帶等效信道模型為： 兒m = h , a x , n + z a n 】 ( 3 1 ) 其中，刀= l ，n 2 。t 【刀】為互的發(fā)送信號(hào)，兒【刀】為對(duì)應(yīng)接收端的接收信號(hào)。 第三章基于o f d m 的協(xié)作協(xié)議 石在r l = n 2 + l ，n 時(shí)的情況類似。 對(duì)于協(xié)作分集模式，僅考慮前2 時(shí)間塊，后半塊類似。在第一個(gè)，4 時(shí)間 塊內(nèi)，五向伙伴疋和目的端發(fā)送消息，兩者的接收信號(hào)為： 只【刀】= k 瓦 刀】+ 乙【”】( 3 2 ) y a n 】- 墨【刀】+ 引珂】 ( 3 - 3 ) 第二個(gè)n 4 時(shí)間塊內(nèi)，中繼瓦將先前接收到的信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后發(fā)送至目的端： 耽 刀】_ h , , d x r n + z a n 】 ( 3 - 4 ) 其中，n = n 4 + l ，n 2 ，甩】為中繼互的發(fā)送信號(hào)。 在式( 3 - 1 ) 至( 3 - 4 ) 中，代表信道平衰落，z j n 】為高斯白噪聲，f s ， ， ， r 9 d 。假設(shè)相應(yīng)接收端( r 或d ) 已知信道狀態(tài)信息，發(fā)射端( s 或r ) 不知道或不采 用信道信息。統(tǒng)計(jì)上，相互獨(dú)立，服從均值為0 ，方差為6 ：的復(fù)高斯分布。信 道噪聲z ，【刀】相互獨(dú)立，服從均值為0 ，方差為o 的復(fù)高斯分布。 由于，兩個(gè)用戶發(fā)送消息，中繼端和接收端的處理是類似的，因此，在多載 波系統(tǒng)時(shí)，我們考慮一個(gè)用戶，多個(gè)中繼的情況，系統(tǒng)模型如下圖 圖3 4 基于o f d m 的協(xié)作傳輸 如圖3 4 所示，源端到目的端既可以通過(guò)直傳路徑傳輸數(shù)據(jù)也可以通過(guò)中繼路 徑傳輸。假設(shè)有，個(gè)中繼端，則在第一個(gè)時(shí)隙，源端向每個(gè)中繼和目的端發(fā)送信號(hào)， 在接下來(lái)的，個(gè)時(shí)隙，各中繼端依次向目的端發(fā)送信號(hào)。目的端合并源端和中繼端 的信號(hào)后，解調(diào)得源端發(fā)送數(shù)據(jù)。 2 4基于o f d m 的協(xié)作無(wú)線傳輸技術(shù)研究 對(duì)于直傳模式，離散基帶等效信道模型為： 只，如= 只，一忽z 玎矗+ 嵋，t 一 ( 3 5 ) 其中，n - - 1 ，n 為子載波數(shù)。矗為第n 個(gè)子載波上源端的發(fā)送信號(hào)，只， 為源端第1 1 個(gè)子載波上發(fā)送信號(hào)的功率，只卻為對(duì)應(yīng)接收端的接收信號(hào)。 對(duì)于協(xié)作分集模式，在第一個(gè)時(shí)隙，源端向中繼端和目的端發(fā)送消息，兩者 的接收信號(hào)為： 只 一= e 。一忽加吒+ w j 加 ( 3 - 6 ) 咒，如= 只，一h $ , d , n x n + 叱，如 ( 3 - 7 ) i = l ，i ，i 為中繼個(gè)數(shù)。在接下來(lái)的時(shí)隙內(nèi)，中繼依次將先前接收到的信號(hào)經(jīng) 過(guò)處理后發(fā)送至目的端： y 一戶廄h d y s ，i ，睫 + w 鯽d ( 3 8 ) 在式( 3 5 ) 至( 3 - 7 ) 中，吃辦，吃，紅以。分別為源到目的端，源到中繼端以及 中繼端到目的端第1 1 個(gè)子載波的信道衰落系數(shù)，為均值為0 ，方差為1 的循環(huán)對(duì)稱 復(fù)高斯變量。嵋d ，m 。，和w 。d 為均值為0 ，方差為札，d ，以j ，m 一的高斯白噪聲。 3 2 協(xié)作協(xié)議 將o f d m 技術(shù)引入?yún)f(xié)作系統(tǒng)，可以提高無(wú)線通信系統(tǒng)的信道容量和傳輸速率。 本節(jié)首先介紹基本協(xié)作傳輸協(xié)議，在此基礎(chǔ)上介紹基于o f d m 的協(xié)作協(xié)議。 3 2 1 基本協(xié)作協(xié)議 l a i l e m a n 將基本協(xié)作協(xié)議分為固定型中繼、選擇型中繼和增強(qiáng)型中繼三種。 3 2 1 1 固定型中繼 固定型中繼中，中繼可以根據(jù)自身的功率限制，直接放大并轉(zhuǎn)發(fā)接收到的伙 伴信息，稱為放大轉(zhuǎn)發(fā)( a m p l i f y - a n d - f o r w a r d ，a f ) ；或者中繼先將接收信號(hào)譯碼， 然后再重新編碼并轉(zhuǎn)發(fā)，稱為譯碼轉(zhuǎn)發(fā)( d e c o d e a n d - f o r w a r d ，d f ) 。 a ) a f 第三章基于o f d m 的協(xié)作協(xié)議 在a f 協(xié)議中，信道模型如式( 3 2 ) 至( 3 4 ) 所示。式( 3 _ 4 ) 中的中繼發(fā)送信號(hào)的具 體為： x r n 】- 盧y , n - n 4 】 ( 3 9 ) 其中，療= n 4 + 1 ，n 2 ，盧為中繼的放大系數(shù)。為了保證中繼功率p 的限 制，盧需滿足 一 ps( 3 1 0 ) 可見放大系數(shù)依賴于用戶間信道系數(shù)矗。，這就需要中繼對(duì)信道具有較高的估 計(jì)精度。a f 協(xié)議本質(zhì)上是一種重復(fù)編碼機(jī)制，只不過(guò)中繼節(jié)點(diǎn)將接收到的噪聲也 連同信號(hào)一起放大轉(zhuǎn)發(fā)至目的端了。目的端通過(guò)合并兩個(gè)時(shí)刻接收到的信號(hào)，對(duì) 源端發(fā)送信號(hào)x 。研】進(jìn)行估計(jì)。分集合并規(guī)則有多種，例如最大比合并、等增益合 并、選擇合并等，本文采用最大比合并。 b ) d f 在d f 協(xié)議中，信道模型同前。刀= 1 ，n 4 時(shí)，中繼對(duì)從源端接收到的信號(hào) y r n 】譯碼，可以采用逐符號(hào)譯碼或完全譯碼，然后再進(jìn)行編碼后發(fā)送給目的端， 以減小錯(cuò)誤擴(kuò)散。d f 協(xié)議的中斷性能將在下節(jié)進(jìn)行分析。 3 2 1 2 選擇性中繼 由于源到中繼的信道衰落系數(shù)j l l 。，可以被中繼精確估計(jì)。因此，可以考慮根據(jù) 辦。，的實(shí)現(xiàn)情況來(lái)進(jìn)行自適應(yīng)傳輸。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)k 1 2 低于某- i - j 限值時(shí)，表明用 戶間信道條件并不理想，此時(shí)a f 中轉(zhuǎn)發(fā)的更多的是噪聲，d f 中轉(zhuǎn)發(fā)的是錯(cuò)誤譯 碼符號(hào)，為避免噪聲傳播或錯(cuò)誤傳播，可以由源端繼續(xù)發(fā)送原信號(hào)。當(dāng)阪，1 2 高于 門限時(shí)，則可由中繼以a f 或d f 方式轉(zhuǎn)發(fā)信息。 從統(tǒng)計(jì)上講，這種形式的選擇型中繼可以獲得分集增益。因?yàn)椴徽撃欠N情況， 必須要使兩個(gè)衰落系數(shù)同時(shí)足夠小，才會(huì)使源到目的端的通信中斷。具體來(lái)說(shuō)， 當(dāng)i 如1 2 小于門限值時(shí)，必須同時(shí)使i k l 2 足夠小，才會(huì)造成信息的丟失。當(dāng)i k l 2 高 - 于l - j 限時(shí)，要使通信失敗，l b l 2 和i 1 2 必須同時(shí)經(jīng)歷深衰落。可見，兩種情況下， 都必須要求兩個(gè)衰落系數(shù)同時(shí)足夠小才會(huì)導(dǎo)致傳輸失敗，所以選擇型中繼能夠完 成二階的分集增益。 3 2 1 3 增強(qiáng)型中繼 雖然固定型中繼a f 和選擇性中繼均可獲得全分集增益，但它們始終將源端信