协作通信系统中基于功率分配的研究毕业论文(编辑修改稿)

协作通信系统中基于功率分配的研究毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

选择性衰落信道；空间 分西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 8 集，也称为天线分集，是通过发射端或接收端在空间上分开排列多个天线或天线阵列来实现的，实际中只要各天线间的距离大于发送信号波长的一半，就可以认为信号是经历互不相关的衰落信道传输。 其中，时间分集和频率分集必须使用额外的时间或频谱资源来引入发射信号的冗余副本，这将导致频谱效率的损失，而空间分集则可以避免这一问题。 接收分集技术也即合并技术，就是接收端按照某种方式，将分集方式得到的多个衰落特性相互独立的信号合并输出，从而获得分集增益。 常用的合并方式有三种：选择合并、等增益合并以及最大比合并。 选择合并是最简单的合并 方式，其选择所有信号中信噪比最大的一路作为输出；等增益合并，顾名思义，就是等权系数合并各路信号；在最大比合并中，每路信号的加权系数与信噪比成正比，信噪比越大，加权系数越大，对合并后信号的贡献也越大。 在三种合并方式中，最大比合并的性能最好，但是在实际应用中需要对信道的衰落系数进行估计。 时间分集 时间分集是利用一个随机衰落信号，当取样点的时间间隔足够大时，两个样点间的衰落是统计上相互独立的，即利用在时间上衰落统计特性的差异来实现抗衰落 (时间选择性 )的功能。 因此，时间分集是在不连续的时隙上发送信号完 成分集，这就在很大程度上限制了我们对这种技术的应用。 对于不同的信道衰落特性，它对信号传输的改善程度是不同的。 如果衰落是慢衰落，此时信道的相干时间非常大，那么用于时间分集的时隙间的间隔也就非常大，这样造成了在接收端的巨大时延。 快衰落信道相比更适于时间分集。 时间分集虽然对设备的数目要求较少，但是它占用时隙资源，增大了开销，降低了传输效率。 频率分集 频率分集是利用不同的载波频率获得分集。 它要求在多个不同的频率上发送同样的信息，频率间隔必须大于信道的相干带宽，这样，几路信号所遭受的衰落就可以认为是不相 关的，从而实现频率分集。 频率分集和空间分集相比，需要占用更多的频带资源，但是在接收端可以配置较少的接收天线和设备。 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 9 MIMO 系统 鉴于频谱资源的宝贵，空间分集技术由于不需要占用额外的时间和频带资源，从而成为未来通信发展的趋势。 作为空间分集方式的一种， MIMO 技术在通信链路的发射端与接收端使用多个天线 ， 能够将传统通信系统中的多径因素变成对用户通信性能有利的因素，在抗多径衰落、提高通信链路的速率和质量方面有着明显的优势。 然而在实际的蜂窝通信系统中，发射分集只能应用于基站端，以提高下行链路的通信质量 ； 而对 上行信道而言，移动终端由于受到体积、功耗、工艺等多方面的限制，在其上安装多个天线有很大困难，极大地限制了 MIMO(多输入多输出 )通信 技术在上行链路中的应用。 为了解决这一问题，诞生了一种全新的分集方式 ——协作分集 (Cooperative Diversity)，它使得移动终端按照一定的方式共享彼此的天线，从而产生一个虚拟的 MIMO 系统以获得发射分集增益，为多天线技术的实用化提供了一条新的途径。 随着无线互联网多媒体通信的快速发展，无线通信系统的容量与可靠性亟待提升，常规单天线收发通信系统面临严峻挑战。 采用常规发 射分集、接收分集或智能天线技术已不足解决新一代无线通信系统的大容量与高可靠性需求问题。 幸运的是，结合空时处理的多天线技术 —— MIMO 技术，提供了解决该问题的新途径。 它在无线链路两端均采用多天线，分别同时接受与发射，能够充分开发空间资源，在无需增加频谱资源和发射功率的情况下，成倍地提升通信系统的容量与可靠性。 MIMO(MultipleInput MultipleOutput)系统，该技术最早是由 Marconi 于1908 年提出的，它利用多天线来抑制信道衰落。 根据收发两端天线数量，相对于普通的 SISO(SingleInput SingleOutput) 系统， MIMO 还可以包括SIMO(SingleInput MultipleOutput)系统和 MISO(MultipleInput SingleOutput)系统。 利用 MIMO 信道可以成倍地提高无线信道容量，在不增加带宽和天线发送功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高。 同时也可以提高信道的可靠性，降低误码率。 在具有多于一根收 /发天线时，在每对发射和接收天线之间将建立不同的信道。 在这类模型中，发射信息能够通过不同的信道到达接收端。 只要其中一个信道足 够强，接收机就能够恢复发射信息。 如果我们假设不同的信道相互独立或者西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 10 具有非常小的相关度，那么所有信道链路衰落的概率就很小。 天线对越多，接收信号的冗余度（分集）就越大，也就是说，收发器检测的可靠性将越高。 信道链路的低相关度或者独立的假设可以通过适当的分离收发器两端天线来获得。 MIMO 技术已经成为无线通信领域的关键技术之一，通过近几年的持续发展， MIMO 技术将越来越多地应用于各种无线通信系统。 在无线宽带移动通信系统方面，第 3 代移动通信合作计划 (3GPP)已经在标准中加入了 MIMO 技术相关的内容， B3G 和 4G 的系 统中也将应用 MIMO 技术。 MIMO 技术对日益增长的无线通信系统容量和系统可靠性提供了解决问题的新途径。 但是现有的多天线技术多用于基站端，而对于移动终端，由于发射分集要求相邻天线之间的间距要大于电波波长并且多个收发天线之间的传输信道是独立的或至少是不相关的，移动终端对体积，质量和功耗的要求又非常苛刻，所以在移动终端很难安装多天线，因而，很难在移动终端实现上行的发射分集。 考虑到现有的无线通信系统中是由多用户组成，因而一种新的在移动终端实现分集的思想随之产生 —— 协作分集。 其基本思想是：移动终端之间共享各自的天线 ，利用自己和小区内其他移动终端所构成的虚拟的多发射天线阵传输信息，从而获得空间分集增益的分集方式，有效消除无线信道多径和时变衰落的影响。 协作分集还可以扩大系统容量，提高网络服务质量，改善系统性能。 在一定的意义上讲，协作分集思想为 MIMO 技术走向实用提供了一条新的途径。 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 11 第三章 协作分集原理及分类 协作通信 协作通信可以有效的解决无线通信中低信噪比信号检测、信号编码和断续的通信问题。 协作通信的目的就是充分利用网络中的节点资源来帮助有信息需求的节点进行高速、可靠地无线通信。 协作通信是一种新的通信方式，通过引入中继信道，它在用户和基站之间产生了独立路径。 中继信道可以认为是源和目的端之间直接信道的一种辅助信道。 因为中继节点常常距源节点有几个波长的距离，所以中继信道与直接信道见的衰落独立，这就在源和目的端之间引入了一个满秩 MIMO 信道。 在协作通信方案中，对于接收到由其他发射节点辐射出的有用能量节点会有一些先验的限制。 新的用户协作范例是这样的：通过在节点上执行适当的信号处理算法，多终端能处理从其他节点侦听到的传输信号，并且通过彼此的中继信息进行协作。 中继信息随后在目的节点进行组合以产 生空间分集。 这就产生了这样一个网络，它可以被认为是一个执行分布式多天线的系统，协作节点为彼此产生了不同信号路径。 协作通信是中继和分集技术的融合，为了在无线通信环境中获得分集增益，可以选择一个固定的或者移动的中继基站对接收到的信源端数据处理并转发给信宿，通过在终端的信号合并达到分集的目的。 无线协作中继技术主要包括放大转发 AF 协议、译码转发 DF 协议和编码协作 CC 等。 协作通信 可以使具有单根天线的移动台获得类似于 MIMO 系统中的某些增益，其基本思想是在多用户环境中，具有单根天线的移动台可以按照一定的方式 来共享彼此的天线从而产生一个虚拟 MIMO 系统，从而获得发分集增益。 该方法使用带有一根天线的移动台，在多用户环境中可以共享其他移动用户的天线，这样可产生多根虚拟发射天线，进而得到相应的分集增益，改善移动通信系统的性能。 协作通信在无信通信系统中有多种应用，主要有固定中继的协作通信西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 12 （协作 MIMO)和用户终端间的协作通信（多用户协作）两种方式。 考虑到移动终端只配置 1 到 2 跟天线，为了保证天线数受限的终端用户也能获得MIMO 增益，提出了协作 MIMO 的概念。 另外，在多跳无线通信网络中，为提高传输速率，提出了多用户协作分 集即多个用户相互协作从而实现类似 MIMO 的传输方案以获得分集增益。 而目前非常热门的无线中继技术的重要理论基础也包含协作通信理论。 图 31 协作通信的简单模型 目前，协作通信已经受到了国内外广泛的关注，许多相关课题已经或者正在展开，各种新的技术不断出现。 在国际上，无线世界研究论坛 （ WWRF） 已经成立了关于中继的分组委员会专门开展对此技术的研究，并发表了相关研究的白皮书。 很多知名国际期刊、会议也单独列出了子方向对协作通信技术进行报道，世界上已有多所大学的实验室开展看这方面的研究。 协作分集原理概述 协作分集技术起源于 Cover 和 E1 Gamal 对中继信道的研究。 中继信道模型如图 32 所示，发射端 A 发送信号 X 至中继端 B 和目的端 C，之后中继端 B 根据其接收信号发送一个相关信号 X’至目的端 C，因此，该模型可以分解为一个广播信道 (A 发射， B 和 C 接收 )和一个多点接入信道 (A 和 B 发射， C 接收 )。 通西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 13 过对中继信道的信道容量的计算发现，在一定程度上整个中继信道 (信道 AB 和BC)的容量性能优于直接传输信道 (信道 AC)的性能。 图 32 中继信道模型 从某种意义上说，协作通信与中继信道模型类似， 所不同的是每个用户作为源的同时也作为另一用户的中继，即协作模型中的用户在协助其他用户的同时也可以传输其自身数据，如图 33 所示。 在该模型中，两个用户的上行信道是相互独立的衰落信道，系统采用半双工工作模式，即用户不能同时发送和接受信号。 图 33 协作分集模型 通常情况下，用户 1 和用户 2 可以统一分配系统功率和带宽资源，相互帮助以实现对基站的传输；在极限情况下，用户 2 用分配给它的所有资源帮助用户 1传输信息，此时用户 l 成为信源，而用户 2 成为中继，即使用户 1 到基站的上行西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 14 信道衰落很严重，用户 l 的信息也可以通过用户 2 的上行信道成功传输，从而实现了协作通信。  阶段 1，源发送信息到目的，同时，中继也接到到源发送的信息。  阶段 2，中继 2 通过转发或者重新发送源的信息来帮助源。 目的和中继接收到的信号 ,sd sryy分别为 ： , s d s dsdy p h x n () , s r s rsry p h x n () 阶段 2 中，中继将处理后的源信号向目的 转发，目的接收到的信号为 , , , ,()r d r d s r r dy h q y n () 协作协议 根据中继实现方式，协作分集技术主要分为三类：放大转发 (Amplify and Forward， AF) 、译码转发 (Decode and Forward ， DF)以及编码协作 (Coded Cooperation， CC)等多种协议。 放大转发 放大转发协议是最简单的协作分集协议，如图 34(a)所示。 每个用户接收协作伙伴经由衰落信道发送来的信号 ，继而对该附加了噪声的信号进行放大，并重新转发至目的端。 目的端接收并按照一定方式合并来自源用户和协作用户的信号，最终对发送的各比特信息进行判决。 尽管该方法在放大信号的同时也放大了噪声，但目的端接收到关于信号的多个独立衰落样本，因此能够获得分集增益。 放大转发协议最早由 J ． N． Laneman 提出，其计算了未编码放大转发系统的误码率，并且证明了即使放大了来自协作伙伴的噪声，放大转发协议的性能也显著优于非协作的直接传输方式；继而 Lanemen， Womell 等推导了准静态瑞利衰落信道下放大转发协议的中断概率，证明了 两用户协作系统可以实现二阶完全分集，比非协作传输模式获得更大的增益。 在放大转发协议中，为实现最佳译码，假定目的端己知各用户间的信道状态信息 (CSI)，而在实际实现时，必须考虑信西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 15 道估计的最优机制。 总体来说， AF 协议的理论分析相对简单，对于进一步理解协作通信系统非常有用。 译码转发 译码转发协议与传统中继协议方式最为接近，如图 34(b)所示。 源用户同时向协作用户和目的端广播发送自身信号，协作用户试图对接收到的源用户信号进行译码，然后将重新编码的信号发送至目的端。 目的端接收到两个独立衰落的信号样本， 按照一定方式对其进行合并，并对合并信号进行最终的译码判决。 译码转发协议由于在协作用户处发送重新编码的信号，可以避免放大转发协。