無線通信網(wǎng)絡(luò)中多跳中繼技術(shù)及其應(yīng)用的研究 摘要 隨著移動通信系統(tǒng)和移動i n t e r n e t 的發(fā)展，未來的移動通信將是一個無 所不在的無線通信系統(tǒng)，提供無縫、不同q o s 、高速率的無線多媒體業(yè)務(wù)，但高 速傳輸與覆蓋的矛盾是未來通信中企待解決的問題。雖然被未來通信青睞的 o f d m 、m i m o 和智能天線等技術(shù)解決了高速傳輸和頻譜效率，但它們不能改善 高速傳輸與覆蓋的矛盾。最近幾年出現(xiàn)的多跳中繼技術(shù)可能是一個比較理想的解 決方案之一。鑒于此，本文依次從通信系統(tǒng)物理層的多個角度對多跳中繼技術(shù)進 行了研究和分析。 文中首先從無線信道衰落特性的角度研究了多跳無線信道及其分集系統(tǒng)的 性能。建立了多跳無線信道和多路由分集系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，提出了用接收均衡和 發(fā)送預(yù)均衡的方法設(shè)計非再生中繼時的放大因子。以兩跳信道為特例在不同衰落 環(huán)境下給出了相應(yīng)系統(tǒng)的性能分析，推導(dǎo)了有關(guān)數(shù)學(xué)閉式解。然后提出用“編碼 增益”和分集增益的概念討論了多跳技術(shù)所帶來的好處。在發(fā)送總功率一定的情 況下，跳數(shù)和多路由數(shù)的增加并非帶來更大的增益好處。再生中繼與非再生中繼 在高信噪比區(qū)具有相似的性能，在低信噪比區(qū)前者若優(yōu)于后者，但再生中繼系統(tǒng) 的性能取決于最弱的情況。晟后討論了節(jié)點移動性給系統(tǒng)性能帶來的影響和系統(tǒng) 功率的優(yōu)化問題。 其次從宏分集的角度分析了多跳中繼技術(shù)帶來的好處。文中首次把多跳技術(shù) 引入了傳統(tǒng)宏分集系統(tǒng)中，構(gòu)造了多跳合作宏分集系統(tǒng)。主要研究了兩跳宏分集 系統(tǒng)上行鏈路的性能，在純陰影和聯(lián)合衰落環(huán)境下分析了選擇合并( s c ) 和最 大比合并( m r c ) 的中斷率和誤碼奉。分析表明，新系統(tǒng)的性能要優(yōu)子傳統(tǒng)宏 分集系統(tǒng)，多跳技術(shù)加強了原宏分集系統(tǒng)中移動用戶因位置不同而引起性能變化 的魯棒性，可改善宏分集系統(tǒng)無線鏈路的傳輸可靠性。 然后從m i m o 的角度研究了多跳技術(shù)的容量問題。文中提出并建立了分布 式合作m i m o 系統(tǒng)中不同合作協(xié)議的數(shù)學(xué)模型，并推導(dǎo)了它們的容量閉式數(shù)學(xué) 描述，分別從容量和分集豹角度討論和比較了這些合作協(xié)議的性能差異。仿真分 析表明，分布式合作m i m o 系統(tǒng)在一定條件下可實現(xiàn)全分集，性能優(yōu)于傳統(tǒng)的 m i m o 系統(tǒng)。但由于合作m i m o 系統(tǒng)需要更多的系統(tǒng)資源，從而降低了因路耗 增益所帶來的好處。 最后從空時合作編碼的角度實現(xiàn)了分布m i m o 系統(tǒng)的合作發(fā)送協(xié)議。文中 以基站蜂窩網(wǎng)和無中心a dh o c 網(wǎng)的應(yīng)用為背景，針對空時分組編碼提出了幾種 合作編碼的方案，并與傳統(tǒng)空時分組編碼做了比較。仿真分析表明，合作編碼與 非合作a l a m o u t i 編碼實現(xiàn)相同了的分集效應(yīng)，在一定條件下前者的性能優(yōu)于后 者，這些條件包括網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、中繼處理方式和編碼的發(fā)送方式等；最后根據(jù)不同 的中繼需求可選擇不同的中繼模式，提出了雙天線自適應(yīng)合作編碼的思想。 關(guān)鍵詞：多跳中繼技術(shù)，合作分集，多跳宏分集，分布m i m o 系統(tǒng)，虛擬天 線陣，多跳合作編碼，合作空時編碼 s t u d yo nm u i j r i h o pr e l a y i n gt e c h n o l o g y a n di t sa p p l i c a t i o n sf o r 啦l e s s c o 刪u m c a t i o n sn e t w o r k s a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa n dm o b i l ei n t e m e t ， t h ef u t u r em o b i l ec o m m u n i c a t i o n sw i l lb ea l m o s t u b i q u i t o u sw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e m s ，w h i c ha r ee x p e c t e dt op r o v i d es e a m l e s s ，d i f f e r e n tq o sa n dh i g h e rd a t ar a t e m u l t i m e d i as e r v i c e s h o w e v e r , o n em a i nc h a l l e n g ef o rt h ef u t u r ec o m m u n i c a t i o n si s t h ep r o v i s i o no fh i g h e rd a t ar a t ea n dc o v e r a g e a l t h o u g ht h e ya r ec o n s i d e r e da ss o m e s o l u t i o n st op r o v i d eh i g h e rd a t ar a t et r a n s m i s s i o na n ds p e c t r a le f f i c i e n c yf o rt h ef u t u r e c o m m u n i c a t i o n ，o f d m ，m i m o ( m u l t i p l e - i n p u tm u l t i p l e - o u t r u t ) a n ds m a r ta n t e n n a s t i l lc o u l dn o ts o l v et h ep r o b l e mo fh i g h e rd a t ar a t ec o v e r a g e r e c e n t l y , m u l t i h o p r e l a y i n gt e c h n o l o g y , w h i c hi ss t u d i e di nai n c r e a s i n g 臺芑n d c o u l db eap r o m i s i n g s o l u t i o nt oc o m b a tt h ep r o b l e m t h e r e f o r e ，t h i sd i s s e r t a t i o nm a i n l yi n v e s t i g a t e st h e m u l t i h o pr e l a y i n gt e c h n o l o g yi nt h ep h 3 ，s i c a ll a y e ro fc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sf r o m v a r i o u sp o i n t so f v i e w f i r s t l y , t h i sd i s s e r t a t i o ns t u d i e st h et h e o r e t i c a lc h a r a c t e r i z a t i o n so fm u l t i h o p w i r e l e s sc h a n n e l sa n dt h e i rd i v e r s i t ys y s t e m so v e rv a r i o u sf a d i n gc h a n n e l s t h e m u l t i h o pw i r e l e s sc h a n n e l sa n dm u l t i - r o u t ed i v e r s i t ys y s t e mm o d e l sa r ep r o p o s e d ，a n d t h ed e s i g na p p r o a c h e so ft h ea m p l i f i e df a c t o ra r ep r e s e n t e du s i n gr e c e i v e de q u a l i z e r s a n dt r a n s m i t t e dr e e q u a l i z e r s o v e rt h ev a r i o u s f a d i n gc h a n n e l s ，c l o s e d - f o r m e x p r e s s i o n so fo u t a g ep r o b a b i l i t ya n db i te r r o rr a t e ( b e r ) f o rt w oh o pf a d i n g c h a n n e lm o d e l sa r ed e r i v e di nd e t a i l s t h e n ，w ed i s c u s st h ea d v a n t a g e so fm u l t i h o p r e l a y i n gt e c h n o l o g i e sb yt h eh e l po fc o d i n gg a i n sa n dd i v e r s i t yg a i n s a tt h eg i v e n t o t a lt r a n s m i t t e dp o w e r , m u l t i p l eh o p sa n dm u l t i p l er o u t e sc o u l dn o tb r i n gm o r eg a i n s a st h en u m b e ro f h o p so rr o u t e si n c r e a s e s t h ep e r f o r m a n c e so f r e g e n e r a t i v er e l a y i n g o u t p e r f o r mt h o s eo f n o n r e g e n e r a t i v er e l a y i n ga tl o wa v e r a g es i g n a ln o i s er a t i o ( s n r ) a n dt h e ya r es i m i l a ra th i 曲a v e r a g es n k ，t h ep e r f o r m a n c e so ft h er e g e n e r a t i v e r e l a y i n gs y s t e m sa r ed o m i n a t e db yt h ew e a k e s th o p a tl a s t ，w ed i s c u s st h ei m p a c t so f n o d e sm o b i l i t yo nt h es y s t e mp e r f o r m a n c e sa n do p t i m a lp o w e rm l o c a f i o n s e c o n d l y , an o v e lm u l t i h o pc o o p e r a t i v em a c r o d i v e s t i ys y s t e mi sp r e s e n t e d c l o s e d f o r me x p r e s s i o n so f o u t a g ep r o b a b i l i t ya n dt h ea v e r a g eb e rf o rt h en p l i n ka r e d e r i v e du s i n gs e l e c t i v ec o m b i n i n g ( s c ) a n dm a x i m u mr a t i oc o m b i n g ( m r c ) i np u r e l o g n o r m a la n dr a y l e i 曲一l o g n o r m a lc o m p o s i t ef a d i n ge n v i r o n m e n t t h en u m e r i c a l r e s u l t ss h o wt h a tt h ep e r f o r m a n c e so ft h en e ws y s t e mo u 印e r f o r mt h o s eo ft h e c o n v e n t i o n a ls i n g l e h o pm a c r o d i v e r s i t ys y s t e m t h em u l t i h o pr e l a y i n gc a ne n h a n c e t h er o b u s t n e s so f p e r f o r m a n c et ot h ev a r i o u sl o c a t i o n so f o n em o b i l es t a t i o n ，a n di ti s h e l p 蚰t oi m p r o v et h er e l i a b i l i t yo f t h er a d i ol i n k t h i r d l y , t h ec a p a c i t i e s o fm u l t i h o pc o o p e r a t i o ns y s t e m sa r e i n v e s t i g a t e d e m u l a t i n gt h ec o n v e n t i o n a lm i m os y s t e m s w ep r e s e n tt h es e v e r a lc o o p e r a t i v e p r o t o c o l sf o rd i s t r i b u t e dm i m os y s t e m s ，a n dd e r i v et h ec l o s e d f o r me x p r e s s i o n so f t h e i rc h a n n e lc a p a c i t y t h e n , t h ep e r f o r m a n c e so ft h e s ep r o t o c o l sa r ed i s c u s s e df r o m t h ec a p a c i t yp o i n t - o f - v i e wa n dd i v e r s i t yp o i n t - o f - v i e w , r e s p e c t i v e l y s i m u l a t e dr e s u l t s s h o wt h ed i s t r i b u t e dm i m os y s t e m sc a l lo f f e rt h ef u l ld i v e r s i t ya ts o m e 百v e n m a n n e r s a n dt h e i ro u t a g ep e r f o r m a n c e so u t p e r f o r mt h o s eo f t h ec o n v e n t i o n a lm i m o s y s t e m s h o w e v e r , t h ec o o p e r a t i v em 蹦os y s t e m sn e e dm o r er e s o u r c e st ot r a d eo f f t h ea d v a n t a g eo f t h ep a t hl o s sg a i n s f i n a l l y , t h ea p p l i c a t i o n so f t h ec o o p e r a t i v ep r o t o c o l sf o rd i s t r i b u t e dm i m os y s t e m s a r es t u d i e du s i n gs p a c e - t i m ec o d i n g ，w ep r e s e n ts e v e r a lc o o p e r a t i v es p a c e - t i m eb l o c k c o d i n gs c h e m e sf o rt h ei n f r a s t r u c t u r e b a s e dn e t w o r k s ( w i r e l e s sc e l l u l a rn e t w o r k s ) a n d n o n i n f r a s t r u c t u r e - b a s e dn e t w o r k s ( a dh o cn e t w o r k s ) s i m u l a t e dr e s u l t ss h o wt h e c o o p e r a t i v ec o d i n gs c h e m e sc a no b t a i nt h es a l r l ed i v e r s i t yg a i na st h en o n c o o p e r a t i v e a l a m o u t ic o d i n gs c h e m e s ，a n dt h ef o r m e ro u t p e r f o r mt h el a t t e ri ns o m ec e r t a i n m a n n e r s ，w h i c hi n c l u d et h en e t w o r ka r c h i t e c t u r e ，t h er e l a y i n gp r o c e s sa n dc o d i n g p r o t o c o l s a tl a s t ，a ni d e ao fd u a l a n t e n n aa d a p t i v ec o o p e r a t i v ec o d i n gi ss u g g e s t e d b a s e do nt h ev a r i o u sr e l a y i n gm o d e sf o rt h ev a r i o u sr e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：m u l t i h o pr e l a y i n gt e c h n o l o g y , c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y , m u l t i h o p m a c r o d i v e r s i t y , d i s t r i b u t e dm i m os y s t e m ，v i r t u a la n t e n n aa r r a y , m u l t i h o p c o o p e r a t i v ec o d i n g , c o o p e r a t i v es p a c et i m ec o d i n g 本人聲明所呈交的論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究工作及取得的研究 成果。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝中所羅列的內(nèi)容以外，論文中不 包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得北京郵電大學(xué)或其他 教育機構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任 何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。 申請學(xué)位論文與資料若有不實之處，本人承擔(dān)一切相關(guān)責(zé)任。 本人簽名：日期： 關(guān)于論文使用授權(quán)的說明 學(xué)位論文作者完全了解北京郵電大學(xué)有關(guān)保留和使用學(xué)位論文的規(guī)定，即： 研究生在校攻讀學(xué)位期間論文工作的知識產(chǎn)權(quán)單位屬北京郵電大學(xué)。學(xué)校有權(quán)保 留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤，允許學(xué)位論文被查閱和借 閱；學(xué)?？梢怨紝W(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容，可以允許采用影印、縮印或其它 復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。( 保密的學(xué)位論文在解密后遵守此規(guī)定) 保密論文注釋：本學(xué)位論文屬于保密在年解密后適用本授權(quán)書。非保密論 文注釋：本學(xué)位論文不屬于保密范圍，適用本授權(quán)書。 本人簽名 導(dǎo)師簽名 日期： 日期： 北京郵電大學(xué)博士學(xué)位論文 第一章緒論 第一章緒論 1 ，1 未來移動通信的發(fā)展趨勢 隨著移動通信系統(tǒng)和移動i n t e r n e t 的發(fā)展，未來的移動通信將是一個無 所不在的無線通信系統(tǒng)，提供無縫、不同q o s 、高速率的無線多媒體業(yè)務(wù)。從數(shù) 據(jù)傳輸速率而言，未來通信系統(tǒng)提供室內(nèi)用戶速率可達1 0 0 m b i t s ，在高速移動 情況下達2 m b i t s ；從覆蓋上說，將是無縫覆蓋，實現(xiàn)任何時間任何地點任何業(yè) 務(wù)的任意接入。然而，隨羞數(shù)據(jù)傳輸速率的提高，在給定發(fā)送功率時接收信號的 能量隨速率的增長而線性下降，此外未來通信系統(tǒng)的工作頻譜將位于3 g 系統(tǒng)的 2 g h z 以上，在如此高的頻段下的無線傳播將增加自由空間的損耗，從而在一定 發(fā)送功率時基站的實際覆蓋區(qū)域?qū)⒋蠓葴p少 1 。據(jù)統(tǒng)計，如果發(fā)送數(shù)據(jù)速率 從幾百k b i t s 提高到幾十m b i t s ，假設(shè)路耗指數(shù)為3 5 ，高速率下實際的覆蓋區(qū) 域?qū)⒖s減到原來的7 2 】。若提高發(fā)送功率以延伸系統(tǒng)的覆蓋，這不僅增加發(fā)送 戲本，而且也增加對其它用戶的干擾，更使以電池為驅(qū)動的移動終端過快地消耗 能量。這樣，僅有在基站附近的用戶能得到高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆?wù)，而在小區(qū)邊緣 的用戶只能得到低速率的傳輸業(yè)務(wù)。因此，未來移動通信必須解決高速數(shù)據(jù)傳輸 與覆蓋范圍的矛盾。一個簡單的解決方法就是減少小區(qū)的覆蓋和增加基站的數(shù) 量，然而這將增加基礎(chǔ)設(shè)施的投入，對通信運營商來說如果用戶的數(shù)量及業(yè)務(wù)的 需求不能隨之成比例增長，在建設(shè)成本上可能是不經(jīng)濟的。 在目前的蜂窩通信中，衡量系統(tǒng)的容量是以一定頻段內(nèi)所能提供的最大信道 或用戶數(shù)目為參考的，由于無線頻譜是一種有限且珍貴的通信資源，使得用戶數(shù) 量的增長與有限的容量構(gòu)成矛盾。然而用戶的數(shù)量是以地區(qū)人口為上限的，在發(fā) 達國家移動電話的使用己達到很高的比例，在將來容量問題可能不構(gòu)成主流矛 盾。不過相同數(shù)量的用戶可能在發(fā)送速率上有更高的需求。在將來，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)將 由從屬地位上升到主導(dǎo)地位，其比例將從目前總流量的1 0 2 0 上升到8 0 以 上，話音業(yè)務(wù)的比例將逐漸降低。因此，未來無線系統(tǒng)的瓶頸可能是吞吐速率的 需求而不是額外的容量，而傳統(tǒng)的蜂窩移動通信系統(tǒng)是以滿足語音業(yè)務(wù)需求而設(shè) 計的，這意味著需要尋求更有效的無線傳輸機制才能最大程度地滿足未來移動通 信業(yè)務(wù)需求的變化r 3 1 。 由于未來移動通信系統(tǒng)的峰值傳輸速率與目前相比將提高1 2 個量級，在傳 統(tǒng)的蜂窩移動通信頻段上無法滿足這一要求，因而需要開發(fā)頻率更高的無線資 源。但由此帶來的問題是電波的傳輸特性將更加惡劣，易受環(huán)境的影響。因此加 強無線傳輸?shù)目煽啃愿裢庵匾?。另外，通信網(wǎng)和通信系統(tǒng)的多樣性使得未來通信 北京郵電大學(xué)博士學(xué)位論文第一章緒論 系統(tǒng)的兼容性問題也不容忽視。未來通信系統(tǒng)將不再是如今的g s m 、c 瑚d a 和 無線局域網(wǎng)( w l a n ) 等相互獨立的網(wǎng)絡(luò)體系，而是多個不同網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一，如蜂 窩網(wǎng)、無線局域網(wǎng)、個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)( n ) 等，實現(xiàn)任意時間、任意地點和任何 業(yè)務(wù)的無縫接入、漫游和切換。因此，在未來移動通信系統(tǒng)中尋找新的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 勢在必行 3 。 所以，未來的通信系統(tǒng)將是高速傳輸與覆蓋、用戶需求與傳輸機制和可靠性， 以及多種通信系統(tǒng)兼容性的矛盾統(tǒng)一。為適應(yīng)未來通信發(fā)展的需求，在通信系統(tǒng) 物理層的實現(xiàn)上已提出多種先進的傳輸技術(shù)和天線技術(shù)。 目前，編碼調(diào)制技術(shù)已獲得突破性的發(fā)展，如調(diào)制技術(shù)已從過去的二進制移 相鍵控( b p s k ) 發(fā)展到如今的多進制多相位正交調(diào)幅( q a m ) ，自適應(yīng)編碼調(diào) 制技術(shù)被認為是實現(xiàn)高速無線通信的關(guān)鍵技術(shù)之一。編碼調(diào)鍘與分集技術(shù)相結(jié)合 構(gòu)成的空時編碼不僅實現(xiàn)了編碼增益和分集增益，而且也使頻譜效率得到了較大 提高。為克服無線信道傳輸中信號因頻率選擇性衰落而引起的碼間干擾( i s i ) ， 多載波傳輸已受到青睞。其中，正交頻分復(fù)用( o f 工) m ) 是其典型應(yīng)用，允許各 個子載波相互正交，頻譜相互重疊，從而減小了子載波間的相互干擾，同時具有 很高的頻譜利用率。另外，多載波與c d m a 相結(jié)合，構(gòu)成了多種技術(shù)，如 o f d m c d m a 技術(shù)既繼承了o f d m 的優(yōu)點，又具有多址能力，被廣泛認為是未 來無線多媒體通信的有效技術(shù)之一。 近年來多輸入多輸出( m i m o ) 技術(shù)作為提高數(shù)據(jù)傳輸速率的重要手段得到 了人們越來越多的關(guān)注。m i m o 系統(tǒng)是指在發(fā)射端和接收端同時采用多個天線陣 子的通信系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的單入單出( s i s o ) 通信系統(tǒng)相比，發(fā)送端和接收端的 多天線陣列可形成多天線分集發(fā)送和多天線分集接收。當(dāng)前，m i m o 與o f d m 的結(jié)合、m d 證o 與空時編碼的結(jié)合是研究的熱點。此外，智能天線也是一種強有 力的天線技術(shù)，在空間域內(nèi)抑制交互干擾，增強了特殊范圍內(nèi)的有用信號，既改 善了信號質(zhì)量，又增加了傳輸容量。智能天線技術(shù)可分為多波束智能天線和自適 應(yīng)智能天線，其中多波束智能天線以其結(jié)構(gòu)簡單、無需判斷用戶信號到達方向等 優(yōu)點被認為是未來智能天線技術(shù)的發(fā)展方向。 依此看來，未來的移動通信系統(tǒng)將不再是一種技術(shù)的應(yīng)用，而是多種技術(shù)的 結(jié)合，甚至是某種技術(shù)多元化的延伸。從簡單的二進制調(diào)制到如今的多進制多維 編碼調(diào)制，從單載波傳輸?shù)蕉噍d波傳輸，從單天線單入單出系統(tǒng)到多天線多入多 出系統(tǒng)，從傳統(tǒng)的全向天線系統(tǒng)到多波束智能天線，突出的一個特點將是“多” 字開頭，多種技術(shù)多元化的融合將是未來通信系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展一個必然趨勢。然而， 這些技術(shù)僅僅解決了高速數(shù)據(jù)的可靠性傳輸、容量和頻譜利用率等闖題，但沒有 涉及到覆蓋和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方面。此外，對m 垤o 技術(shù)來說，在無線終端上安裝復(fù) 北京郵電大學(xué)博士學(xué)位論文第一章緒論 雜的多天線系統(tǒng)似乎是不可行的；在嚴重的陰影區(qū)，即使相當(dāng)智能的天線也可能 無能為力。 值得一提的是，一種基于無線中繼的多跳技術(shù)最近得到了廣泛的研究和關(guān) 注，也被認為是未來移動通信系統(tǒng)的一個發(fā)展方向 4 6 】。這種技術(shù)的傳輸方式不 是傳統(tǒng)意義下的基站和移動用戶間的直接通信，雨是信源借助一個或多個固定奇勺 或移動的中繼節(jié)點來傳輸它的信息到目的節(jié)點，它的主要特點是把傳統(tǒng)意義下的 直接傳輸路徑分成多個短小的路徑來傳遞信源信息的。有關(guān)文獻研究表明，這種 多跳傳輸與傳統(tǒng)的單跳傳輸相比具有降低系統(tǒng)的發(fā)送功率、延伸覆蓋和提高系統(tǒng) 的容量及吞吐量等特點【1 】。由于在無線傳播中路徑損耗正比于傳播距離的2 4 次方，多跳鏈路比單跳鏈路減少了發(fā)送功率，相應(yīng)地降低了干擾，也潛在地增加 了系統(tǒng)容量。它也可為處于死區(qū)或深衰落的用戶建立可靠的多跳通信鏈路，從而 延伸覆蓋。多跳合作分集就是通過合作節(jié)點間的分集發(fā)送，在接收端實現(xiàn)分集增 益以克服多徑衰落 7 】。多個用戶間相互合作可構(gòu)成一個虛擬的分布式天線陣列， 具有分布式m i m o 的特性 8 】。多跳合作編碼是多跳技術(shù)和編碼的結(jié)合，也可實 現(xiàn)分集增益以提高通信的可靠性【9 1 0 j ，目前，基于這種技術(shù)的多跳無線網(wǎng)絡(luò)還 沒有更確切的定義，從未來意義上講，這種網(wǎng)絡(luò)將是多個網(wǎng)絡(luò)的融合，如蜂窩網(wǎng)、 無線局域網(wǎng)( 啪a n ) 及p a n ( 個人區(qū)域網(wǎng)) ，旨在提供無處不在的高速數(shù)據(jù)覆 蓋。它起源于最早的分組無線網(wǎng)絡(luò)，目前來說多指移動a dh o c 網(wǎng)絡(luò)或端到端網(wǎng) 絡(luò)( p e e r - t o p e e r ) 等自組織網(wǎng)絡(luò)。 總而言之，從傳統(tǒng)的單跳傳輸?shù)蕉嗵鴤鬏?，從點對點通信到多點合作通信， 多跳中繼技術(shù)也符合未來通信技術(shù)發(fā)展的趨勢，它不僅能實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)覆蓋而且 也為下一代網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)想提供了新的思路。這將對未來無線移動網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展有 著很重要的理論和現(xiàn)實意義。目前，從純物理層的角度研究多跳中繼技術(shù)已成發(fā) 展趨勢 1 1 】。因此，本文將以該技術(shù)為主線，在無線通信網(wǎng)絡(luò)物理層中的應(yīng)用為 目的展開研究和討論。 特別說明的是，多跳技術(shù)在傳統(tǒng)意義上講僅僅是中繼轉(zhuǎn)發(fā)，即參與中繼的各 終端沒有協(xié)議上的控制，如微波中繼和衛(wèi)星中繼；而從未來意義上說它是一種合 作中繼技術(shù)，即參與中繼活動的終端有一種協(xié)議上的支配，如a dh o c 網(wǎng)絡(luò)中的 中繼節(jié)點，它必須遵循一定的路由協(xié)議才能進行接收和轉(zhuǎn)發(fā)信息。合作 ( c o o p e r a t i o n ) 的概念是文獻 7 】在1 9 9 8 年第一次提出的，此后相關(guān)文獻的研究 多以此概念震開討論和分析。本文的研究也以合作中繼為重點，從不同的角度闡 述它的基本特性和應(yīng)用。 北京郵電大學(xué)博士學(xué)位論文 第一章緒論 1 2 為何選擇多跳中繼技術(shù) 考慮如圖( 1 - 1 ) 所示簡單的中繼模型，假設(shè)a 為源節(jié)點，b 為中繼節(jié)點， c 為目的節(jié)點。a 和c 之間的通信有兩條路徑，一為單跳路徑，距離為出c ，一 為經(jīng)節(jié)點b 中繼轉(zhuǎn)發(fā)的兩跳路徑，距離分別為函口和如c 。若假設(shè)b 和c 的接收 功率為p ，路耗指數(shù)為2 ，則單跳發(fā)送功率如。和兩跳發(fā)送功率，可分別寫 為： = p ( + 喀c 一2 c o s 0 ) ( 1 - 1 ) 兄h = p ( d 乞+ 珞) ( 1 2 ) 圖( 1 - 1 ) 一個簡單的中繼模型圖( 1 - 2 ) 路徑損耗與多跳跳數(shù)的關(guān)系 從上可看出，若曰為鈍角，則只幻，、于。當(dāng)中繼節(jié)點b 位子a - c 的連 線中點時，只咖將達到最小?？梢娨粋€單跳路徑分為兩個短徑，在一定條件下 降低了系統(tǒng)的總發(fā)送功率。當(dāng)然單跳路徑也可分為多個短徑，路耗指數(shù)取其它參 數(shù)。圖( 1 - 2 ) 給出了多跳傳輸信道中累計路徑損耗與跳數(shù)的關(guān)系，其中路耗模 型取自宏小區(qū)結(jié)構(gòu)【1 2 】，可看出隨跳數(shù)的增加系統(tǒng)的總路徑損耗是減少的。因此， 若系統(tǒng)發(fā)送總功率不變的話，多跳傳輸可使接收端得到較好的信噪比或低的誤碼 性能；反之，若保持性能一定的情況下，系統(tǒng)的發(fā)送功率可得以減少，將會導(dǎo)致 整個干擾的下降，進而實現(xiàn)容量的增加。 圖( 1 - 3 ) 是個利用多跳中繼傳輸?shù)慕值牢⑿^(qū)結(jié)構(gòu)，矩形方框為建筑物 設(shè)施，其中a 和d 分別為源節(jié)點和目的節(jié)點，b 和c 為中繼節(jié)點。從圖中可看 出，如果接收機進入一個拐角陰影區(qū)時，它的信號強度將會劇烈下降。如果采用 多個單跳傳輸，即經(jīng)過b 和c 兩節(jié)點進行中繼傳輸，如圖中的虛線所示，這種 拐角效應(yīng)將會得到改善。在圖( 1 - 4 ) 中，我們給出了在蜂窩網(wǎng)中多跳中繼與數(shù) 據(jù)覆蓋的關(guān)系分析 1 3 】。其中，h b r c o v e r a g e 為高比特率餌i 曲b i t r a t e ) 覆蓋區(qū)域， l b rc o v e r a g e 為低比特率( l o w b i t r a t e ) 覆蓋區(qū)域，n oc o v e r a g e 為基站不能覆 一4 一 v器m#暮* 北京郵電大學(xué)博士學(xué)位論文第一章緒論 盞的區(qū)域。從圖中可看出利用移動臺的中繼可得到如下好處：低速率覆蓋區(qū)的 用戶可得到高速傳輸業(yè)務(wù)，基站覆蓋區(qū)域外的用戶也可得到業(yè)務(wù)覆蓋，高速 覆蓋區(qū)的用戶利用多跳可降低發(fā)送功率減少干擾，增加網(wǎng)絡(luò)容量。 圖( 1 - 3 ) 一個街道的微小區(qū)結(jié)構(gòu)圖( 1 4 ) 蜂窩網(wǎng)中多跳中繼與數(shù)據(jù)覆蓋 在圖( 1 - 1 ) 一圖( 1 - 4 ) ，我們分別定性討論了多跳傳輸與發(fā)送功率、路徑 損耗、克服陰影及數(shù)據(jù)覆蓋的關(guān)系，可見多跳技術(shù)在一定條件下能解決高速數(shù)據(jù) 覆蓋和容量增加、克服陰影或死區(qū)等眾多問題，這也是許多學(xué)者在未來移動通信 中引入多跳技術(shù)打造新網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的強有力證據(jù)。圖( 1 5 ) 所示為a - g s m ( a d h o c a n dg s m ) 蜂窩網(wǎng)應(yīng)用中繼技術(shù)的情景 1 4 。在基站的覆蓋下，利用信道條件好 的用戶解決了地鐵隧道死區(qū)、室內(nèi)的覆蓋和室外陰影區(qū)的問題。 圖( 1 - 5 ) 增強型a g s m 網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用情景 1 3 多跳中繼技術(shù)發(fā)展的演變歷程 事實上，中繼技術(shù)在上世紀7 0 年代和8 0 年代初就已經(jīng)作為理論問題，從網(wǎng) 絡(luò)信息論方面得以研究。m e u l e n 1 5 首先引入并探討了由三個終端構(gòu)成的簡單中 繼信道模型，隨后又有學(xué)者從理論方面進行了分析和研究 1 6 。隨著無線通信技 北京郵電大學(xué)博士學(xué)位論文 第一章緒論 術(shù)的發(fā)展和無線業(yè)務(wù)對高數(shù)據(jù)速率的要求，直到最近，多跳中繼技術(shù)在工業(yè)和學(xué) 術(shù)界才出現(xiàn)新的研究熱潮。 多跳中繼技術(shù)不是一種新技術(shù)，而已廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星中繼和微波中繼的通信 系統(tǒng)中。在微波中繼通信中，由于電磁波的傳播為視距傳播，需要中繼站對前一 站的信號進行放大轉(zhuǎn)發(fā)或再生轉(zhuǎn)發(fā)到下一個中繼站。衛(wèi)星中繼是利用地球衛(wèi)星作 為中繼站轉(zhuǎn)發(fā)微波信號，實現(xiàn)兩個或多個地面站的通信，而多跳中繼不同于傳統(tǒng) 蜂窩網(wǎng)絡(luò)中直放站的中繼傳輸。直放站只能擴大服務(wù)范圍，消除覆蓋盲區(qū)，但不 能增加系統(tǒng)容量。 1 3 1 在無中心網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用 多跳中繼在無線移動通信中的應(yīng)用最初出現(xiàn)在無線分組網(wǎng)絡(luò)( p a c k e tr a d i o n e t w o r k s ) 中，這種網(wǎng)絡(luò)是由美國國防部遠景研究規(guī)劃局( d e f e n s ea d v a n c e d r e s e a r c he r o j e c t sa g e n c y , d a r p a ) 上世紀七十年代后期啟動的一個研究項目。 它沒有固定基礎(chǔ)架構(gòu)，移動節(jié)點通過中繼節(jié)點彼此通信，是一種自組織網(wǎng)絡(luò)。這 種網(wǎng)絡(luò)的特點是可以快速組建、便于遷移、抗毀性強、易于擴展。它主要應(yīng)用于 軍事領(lǐng)域，在戰(zhàn)場上提供通信。但是這種網(wǎng)絡(luò)存在節(jié)點隱藏和路由循環(huán)等闖題， 隨后的應(yīng)用是a dh o e 網(wǎng)絡(luò)，而這種網(wǎng)絡(luò)的基本思想也是起源于無線分組網(wǎng) 絡(luò)。a d h o e 網(wǎng)絡(luò)在性能上已得到很大的改善和提高，如節(jié)點隱藏和路由循環(huán)等 問題在路由算法中幾乎可以避免。根據(jù)節(jié)點是否移動，a d - h o c 網(wǎng)絡(luò)可分為移動 a d - h o c 網(wǎng)絡(luò)和傳感器網(wǎng)絡(luò)。在移動a d - h o c 網(wǎng)絡(luò)中，各個無線節(jié)點都可以自由移 動。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，無線節(jié)點靜態(tài)地隨機分布于規(guī)定區(qū)域，傳感器負責(zé)收集區(qū) 域內(nèi)的聲音、電磁信號或地震信號等多種信息，將它們發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點。通常所 指的無線a d - h o c 網(wǎng)絡(luò)大多是移動a d - h o c 網(wǎng)絡(luò)。a d h o c 網(wǎng)絡(luò)也是無基礎(chǔ)架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)， 其應(yīng)用和研究領(lǐng)域已經(jīng)面向商業(yè)應(yīng)用，如緊急救護、救災(zāi)、會議中心、旅游地點 等許多特殊環(huán)境。通信網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點有對稱的功率和處理能力，網(wǎng)絡(luò)建立是 自組織的，移動節(jié)點無基站系統(tǒng)的干預(yù)，直接與其距離在通信范圍內(nèi)的節(jié)點通信。 若源節(jié)點與目的節(jié)點相距較遠。而不能直接通信時，需要經(jīng)過中間節(jié)點的多跳中 繼，此時的中間節(jié)點即為中繼節(jié)點。目前w l a n 和h i p e r l a n 中的無中心自組 織模式就是a d - h o e 網(wǎng)的典型應(yīng)用。 此外，多跳中繼技術(shù)在近來發(fā)展的網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)( m e s h n e t w o r k s ) 中也有很多新 的應(yīng)用。這也是一種自組織和自管理的無線網(wǎng)絡(luò)，可解決沒有l(wèi) o s 時多兆位寬 帶連接。網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點都具各路由的功能，分組數(shù)據(jù)從一個路由到另一個路 由進行多跳中繼直至其目的地。 北京郵電大學(xué)博士學(xué)位論文第一顰緒論 1 3 2 在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用 盡管多跳中繼技術(shù)在無中心控制的無線網(wǎng)絡(luò)中得以廣泛研究和應(yīng)用，最近幾 年，在蜂窩網(wǎng)中研究多跳中繼技術(shù)也己成為一個熱點，目前出現(xiàn)的有機會驅(qū)動多 址接入網(wǎng)絡(luò)、多跳蜂窩網(wǎng)、混合無線網(wǎng)等多種研究和應(yīng)用。 ( 1 ) 機會驅(qū)動多址接入網(wǎng)絡(luò)( o p p o r t u n i t yd r i v e nm u l t i p l ea c c e s s ，o d m a ) o d m a 是由s a l b up t y 公司首先提出，然后經(jīng)第三代伙伴項目3 g p p 修改而 成的。它不是真正的多址接入技術(shù)，而是一種旨在減少發(fā)送功率、克服死區(qū)及降 低干擾分布的多跳中繼協(xié)議。它的基本思想是利用小區(qū)內(nèi)的其他移動臺把原來的 單跳路徑分成多個短跳路徑來傳輸信號，利用基站和移動臺的智能計算實現(xiàn)最佳 路由，使發(fā)送總功耗最小，而其目的是在小區(qū)中增加高數(shù)據(jù)速率覆蓋，增加t d d 系統(tǒng)容量，為業(yè)務(wù)熱點提供分布式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這個協(xié)議由于w c d m a 最終標 準的修改已被3 g p p 擱置，但o d m a 仍被認為是未來u m t s 系統(tǒng)中具有潛力的 候選方案之一 17 】。 ( 2 ) 多跳蜂窩網(wǎng)( m u l t i - h o pc e l l u l a rn e t w o r k , m c n ) 多跳蜂窩網(wǎng)是由 1 8 j 首次提出的種無線通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。他們結(jié)合了單跳蜂 窩網(wǎng)有基站固定設(shè)旌的優(yōu)點和a d - h o c 網(wǎng)絡(luò)的靈活性。這種網(wǎng)絡(luò)減少了基站的數(shù) 目及移動臺和基站的發(fā)送范圍，也意味著小區(qū)內(nèi)多個分組可同時發(fā)送；在沒有基 站時仍能建立和保持連接；由于基站的幫助可使跳數(shù)減少，路由比a d h o e 網(wǎng)中 的更具魯棒性。但是在m c n 中由于數(shù)據(jù)分組會造成多重發(fā)送，可能浪費更多的 帶寬，后來f 1 9 進一步延伸了l m 的工作，給出了適合予m c n 網(wǎng)的路由協(xié)議。 ( 3 ) 混合無線岡( h y b r i dw i r e l e s sn e t w o r k , h w n ) h w n 不同子上述的多跳蜂窩網(wǎng)，它是蜂窩網(wǎng)和a d h o c 網(wǎng)的一種融合，但保 持了各自的獨立性，使移動用戶在不同的場合下工作在不同的網(wǎng)絡(luò)模式，即蜂窩 模式和a d - h o e 模式。這種混合網(wǎng)一般也要求中繼終端具有雙模式功能或兩種空 中接口，中繼終端可以是移動的也可以是固定的。目前，已提出多種相關(guān)的網(wǎng)絡(luò) 結(jié)構(gòu)平臺。 14 】以改進g s m 網(wǎng)絡(luò)覆蓋和提高鏈路魯棒性為目的提出a g s m ( a d h o eg s m ) 網(wǎng)絡(luò)平臺； 2 0 - 2 1 針對小區(qū)間負荷平衡提出i c a r 系統(tǒng)( i n t e g r a t e d c e l l u l a r a n da d - h o c r e l a y ) ，該系統(tǒng)的基本思想是在蜂窩網(wǎng)中放置大量固定的a d h o e 中繼站( a r s s ) ，用它們在基站和移動臺間中繼信息，把擁擠小區(qū)的業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)移到 非擁擠的相鄰小區(qū)中以提高系統(tǒng)的容量，2 2 進一步延伸t 2 0 的工作。提出了 p a r c e l s 系統(tǒng)( p e r v a s i v ea d - h o cr e l a y i n gf o rc e l l u l a rs y s t e m s ) ，該系統(tǒng)沒有使用 a r s s 作中繼路由器而利用了移動節(jié)點本身，在小區(qū)間中繼業(yè)務(wù)時也給出了一種 負荷平衡算法以解決擁擠問題。 2 3 對蜂窩網(wǎng)和多跳a d h o e 網(wǎng)的性能進行了比 較，提出混合網(wǎng)絡(luò)的概念，可以最大化空間復(fù)用和降低網(wǎng)絡(luò)分裂。但這種混合網(wǎng) 北京郵電大學(xué)博士學(xué)位論文第一章緒論 僅假設(shè)工作在一個小區(qū)的情況， 2 4 把這種混合網(wǎng)延伸到了多個小區(qū)的場合。 2 5 提出的分層蜂窩多跳網(wǎng)絡(luò)( h i e r a r c h i c a lc e l l u l a rm u l t i h o pn e t w o r k ，h c m n ) 也是 蜂窩網(wǎng)和w l a n 網(wǎng)的一種融合結(jié)構(gòu)，但它引入了一種稱為m h n ( m u l t i h o p c a p a b l en o d e s ) 的節(jié)點，可以固定也可以移動，與基站( b s ) 、接入點( a p ) 和 移動節(jié)點構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)中的四要素。一個a p 的覆蓋或幾個m h n 的覆蓋為一個子小 區(qū)，也稱多跳小區(qū)，此小區(qū)內(nèi)為自組織結(jié)構(gòu)。整個網(wǎng)絡(luò)中的業(yè)務(wù)負荷在這些要素 間動態(tài)分布，具有延伸a p 覆蓋、降低發(fā)送功率和優(yōu)化資源的控制等特點。 除了上述所給出的研究外， 2 6 提出了適用于未來個人通信系統(tǒng)的智能中繼 ( i n t e l l i g e n tr e l a y i n g ) 的新概念， 2 7 的虛擬天線陣也是一個很引人的研究課題。 同時，多跳虛擬蜂窩系統(tǒng) 2 8 的提出也讓人耳目一新。 因此，以多跳中繼技術(shù)為基礎(chǔ)的多跳無線網(wǎng)絡(luò)必將在未來通信系統(tǒng)中扮演重 要的角色。 1 4 有關(guān)多跳中繼技術(shù)的項目研究 多跳中繼技術(shù)的研究在國內(nèi)外已引起廣泛的關(guān)注，許多相關(guān)課題都正在研究 或即將展開，無線世界研究論壇( w i r e l e s sw o r l dr e s e a r c hf o r u m ，w w r f ) 已對此 技術(shù)的研究專門成立了分組委員會w g 4 r e l a y i n gs u b g r o u p ，并發(fā)表了相關(guān)研究 的白皮書，如文獻 1 ，該文即將發(fā)表于i e e e c o m m u n i c a t i o n s m a g a z i n e 。在2 0 0 4 年1 月1 日，歐盟在第六個框架程序中啟動了一個w 撇r ( 吼e l e s sw b r l d i n i t i a t i v en e wr a d i o ) 的項目，該項目的目的是研究一個無處不在的無線系統(tǒng)， 在性能、效率和覆蓋靈活性上更加優(yōu)子目前的系統(tǒng)。該項目也包含了基于中繼的 概念，因此，在未來的4 g 網(wǎng)絡(luò)中涉及到中繼技術(shù)將是可能的【6 】。 目前，國內(nèi)對此技術(shù)的研究才剛剛起步，而國外已有多所大學(xué)的實驗室開展 了這方面的研究。如加拿大c a r l t o n 大學(xué)的h y a n i k o m e r o g l u 教授的研究項目 “f i x e da n dm o b i l er e l a y i n gt e c h n o l o