浅谈无线通信中的协作分集技术

浅谈无线通信中的协作分集技术2019/12/251无线通信中的分集技术引言分集技术是指通过查找和利用自然界无线传播环境中独立的(至少是高度不相关的)多径信号来实现,简单的说,如果一条无线传播路径中经历了深度衰落,而另一条相对独立的路径中可能仍包含着较强的信号,因此可以在多个信号中选择两个或更多的信号进行合并,这样可以同时提高接收端的瞬时信噪比和平均信噪比,一般可提高是一种用相对较低廉的投资就可以大幅度改进无线链路性能的强有力的接收技术。分集技术就是利用两个或更多的不相关信号进行处理,不相关信号的采集可以通过空域、时域和频域3种方式实现,具体的实现方法有以下几种:空间分集、极化分集、角度分集、频率分集、时间分集。一、集中分集技术介绍1.空间分集也称天线分集，是移动通信中使用较多的分集形式，简单的说，就是采用多付接收天线来接收信号，然后进行合并。为保证接收信号的不相关性，这就要求天线之间的距离足够大，在理想情况下，接收天线之间的距离只要波长λ的一半就可以了。浅谈无线通信中的协作分集技术2019/12/2522.极化分集在移动环境下，空中的水平路径和垂直路径是不相关的，因而信号也呈现不相关的衰落特性。这就可在发射和接收端各装两付天线，一个水平极化天线，一个垂直极化天线，这就可以得到两个不相关的信号。这一技术在蜂窝移动用户激增时，在改进链路的传输效率和提高容量方面有很明显的效果。3.角度分集信号在传输过程中受环境的影响，使得到达接收的信号不可能是同方向的，这样在接收端安装方向性天线就可得到不相关的信号进行合并。4.频率分集浅谈无线通信中的协作分集技术2019/12/253理论上，不相关信道产生同样衰落的概率是各自产生的衰落概率的乘积。频率分集是指在多于一个载频上传送信号，其原理是基于在信道相干带宽之外的频率上不会出现同样的衰落。这一技术比空间分集节省天线数目，缺点是不仅需要占用更多的频谱资源，而且需要有和频率分集中采用的频道数相等的若干个接收机，但对于特殊业务，这个费用也许是值得的。这一技术经常用在频分双工（FDM）方式的视距微波链路中，在实际应用中，有一种工作方式被称作1:N保护交换方式。5.时间分集对于一个随机衰落的信号，若对其振幅进行顺序取样，对时间间隔大于相干时间的两个样点是互不相关的。这一技术是指以超过信道相干时间的时间间隔重复发送信号，以便让再次收到的信号有独立的衰落环境，从而产生分集效果。时间分集的性能基本由移动台的运动速度决定，也就是说决定于重复发送信号之间的衰落特性，若移动台是静止的，时间分集就失效了，因为相干时间是和移动台的运动速度成反比的。实践证明，当移动台的运动速度大于40Km/h，时间分集能获得很好的效果。这一技术已经被大量应用于扩频CDMA的RAKE接收机中，以处理多径信号。二、无线通信中的分集技术——协作分集技术浅谈无线通信中的协作分集技术2019/12/254随着移动通信、数据通信和Internet的飞速发展和日益结合,移动用户对于多种业务的需求不断增加,对通信速率的要求也不断提高。协作分集是一种全新的分集技术，它可以解决难以在移动终端安装多根天线的问题，推进了MIMO技术的实用化。已有的研究表明：协作分集即使不能提升数据传输速率，也可以提高数据传输的稳定性。协作分集技术还可用于无线自组织网、无线局域网及无线传感器网等多种场合，今后还有可能将这些网络结合起来，形成一种全新的智能网络，引起移动通信领域的重大变革。协作分集(CooperativeDiversity)能通过多用户之间共享天线和其他网络资源的形式构成虚拟多天线阵列,并通过分布式处理产生协作来获得一定的空间分集增益。在无线网络中，由多径传播引起的信号衰落是一种严重的信道损失，这种损失可以通过应用分集技术来减轻。尽管现有的MIMO多天线技术具有明显的优势,但仍然存在问题。具体地讲，由于移动终端对体积、质量和功耗的要求远比基站苛刻得多。现有的多天线都设置在基站端，而移动终端则很难安置多天线。浅谈无线通信中的协作分集技术2019/12/255为了解决MIMO系统的限制，提出了协作分集技术。它的基本思想是系统中的每个移动终端都有一个或多个合作伙伴，合作伙伴之间有责任在传输自己信息的同时，帮助其伙伴传输信息。这样，每个终端在传输信息的过程中既利用了自己又利用了合作伙伴的空间信道，从而获取了一定的空间分集增益。协作分集按照信号处理方式分为放大中继模式、解码中继模式和编码协作模式。2、协作分集技术对通信起到的作用和增益1.提高信息传输速率研究证明，当两个用户到基站的信道统计特性相似，即有相同的均值，并且两用户间的信道质量较好时，协作方案提高信息传输速率的幅度就越大，系统性能的提升就越显著。当两个用户到基站信道统计特性不同时，协作依然能提高信息传输速率，且本身通信质量较差的用户受益较大，而相对通信质量较好的用户并没有受到不良的影响，可达速率区域仍然是有所增加的。2.减少系统中断概率实际系统中，时延要求常使我们不能够有一定长度的码序列，由此传信率就成为随衰落程度变化而变化的随机变量。有些无线系统对信息传输速率有最低要求，如果低于这个值即认为系统不可靠，无法继续运行。这时，如果得到的随机变化的传信率低于一定的水平，即业务可靠速率，则发生“中断”。因而，中断概率也成为系统性能的一个评判标准。研究表明，如果两用户传浅谈无线通信中的协作分集技术2019/12/256信率相等时，对所有业务的可靠速率，协作系统的中断概率都要小于非协作系统的中断概率。即便是传信率的提高并不多，但系统的健壮性却能提高很多。3.扩大覆盖范围协作通信属于中继通信的一种，它也具有提高覆盖范围的特点。对于处于小区边缘外侧的用户，通过采用小区内的中继(移动或固定)使用协作通信方式提高上下行速度，从而达到小区的接入要求。从这个意义上说，在引入了协作通信之后，小区的覆盖范围可以较原有的通信蜂窝网络有所提高。同时，对于处于阴影效应下等通信盲区的用户，利用中继带来的分集效果，同样可以提高上下行速度。因而，协作通信还可以提高小区内的用户覆盖率。4．减少传输的误码率由于中继重传了源节点发送的信号，在接收端获得了空间分集增益，信道质量得到提升，接受信噪比上升，传输的可靠性可以得到明显提升。因而，在协作通信下，系统的误码率可以得到提升阎。5．减少功率消耗对于一些功率受限的很明显的网络，例如传感器网络，在满足传输需求的前提下降低节点的功率消耗，延长系统的生存时间非常重要。第2点中提到由于中继重传了源节点发送的信号，在接收端获得了空间分集增益，信道质量得到提升，接收信噪比上升，误码率下降。因此，当网络中存在最高信噪比要求时，功率的消耗可以通过协作通信得到降低，获得能量效应。另一方面，传统的直传通信，功率浅谈无线通信中的协作分集技术2019/12/257的消耗集中在源节点；而在协作通信中，功率消耗重新分配到了源节点和中继节点两个节点上。这使单个节点的传输压力减小，能量消耗分散，使传感器网络的生命时间得到延长。事实上，一个实际中的网络中，通常并不是所有节点都总是处在繁忙状态，总是存在空闲节点。因而，协作通信合理利用了这些空余节点，使网络性能得到更充分的发挥。3、协作分集技术从在的问题相比于非协同方案,协同是有益的,不过协同分集也存在着一些问题。首先,系统复杂度问题。在协同分集中,移动台必须有能力检测上行信号,增加了移动台接收机的复杂度。当然,在特定的方案中,需要在复杂度和性能增益之间折中考虑。与复杂度增加相比,如果用户协同带来的增益较大,采用协同方案还是值得的。其次,信息安全问题。为了保证伙伴之间数据信息的保密性,在协同通信系统中,用户的数据在传输之前必须进行加密,使移动台可以检测到伙伴的数据,而无法理解伙伴传输的信息,这同样会增加系统的复杂度。即使未来无线系统将采用一定形式的对于数据传输,但现在还没有任何调制技术能完全保证传输信息的安全。另一个重要的问题是:在多用户网络中,合作伙伴如何分配和管理。对于蜂窝系统,用户都与一个中心基站进行通信,这样可以提供一种集中控制机制。假设基站已知用户间的所有信道信息,那么就可以根据一个性能优化标准(比如平均误码率)来分配合作伙伴。而对于像浅谈无线通信中的协作分集技术2019/12/258Adhoc这样的非集中控制网络,需要一个分布式协同协议,用户可以在任意时间独立决定与哪一个用户进行协同。该分布式协议的难点是:在不增加额外系统资源的前提下,如何保证所有用户的公平性。参考文献[1]PROAKISJG.数字通信[M].张力军,张宗橙,郑宝玉,等译.北京:电子工业出版社,2003.[2]薛世华《空时协同分集通信及其最新进展》[J].电讯技术.2004(6)；[3]《无线通信中的协同分集技术》叶永川,钱学荣；[4]《电磁波空间传播》张瑜。