协作分集技术 (2)

摘要随着现代社会对无线通信需求的增加，人们不断追求更高质量的无线传输服务。为了对抗无线衰落信道的多径效应和时变性，首先应采用更合适于其传输特性的技术，以降低传输差错率。其次，在不断发送功率或系统带宽的情况下，克服多径衰落的有效方法是采用各种分集技术。多输入多输出（MIMO）技术，能够将传统通信系统中存在的多径因素变成对用户通信性能有利因素，但在实际应用中由于移动终端物理条件制约，限制其技术应用,由此人们从中继信道得到启发。多用户协作技术的基本思想是在多用户的环境下，每个单天线的移动终端既可作为源节点发送自己的信息，又可作为中继点，为其他的终端转发信息，每个终端共享彼此的天线，利用自己的空间信道和其他用户的空间信道传输信息，从而形成一个虚拟的MIMO系统，如此便可以解决移动终端因体积和能量的限制而无法安置多天线的MIMO问题。利用单天线移动终端达到多天线分集增益目的，多用户协作技术充分利用无线媒质的广播特性，在不增加系统复杂度的情况下不仅降低了终端的功耗、带宽,还可以明显提高系统的频谱效率、吞吐率,以及容量、链路传输速率，系统功率效率，降低系统的误码率，实现对无线通信系统的频率、时间、空间等多维资源的有效复用，进而实现和支撑更高速率、更高带宽的无线传输，改善网络覆盖性能。关键字；多用户协作,协作分集，同步协作,异步协作AbstractAsthemodernsociety,theincreasingdemandforwirelesscommunication,peopleareconstantlyseekingbetterqualityofwirelesstransmissionservices.Tocounterthewirelessfadingchannelsandtime-varyingmulti-patheffects,firstofallshouldbemoresuitableforthecharacteristicsofitstransmissiontoreducethetransmissionerrorrate.Secondly,thecontinueddistributionofpowerorsystembandwidthcases,toovercomethemultipathfadingistouseavarietyofeffectivediversitytechnology.Multiple-inputmultiple-output(MIMO)technologytothetraditionalcommunicationsystemsthatexistinmulti-pathcommunicationperformancefactorsintoafavorablefactorforusers,butinpracticethephysicalconditionsofmobileterminalsbecauseofconstraintstolimittheirtechnology.Thuspeoplegetinspiredfromtherelaychannel.Multi-usercollaborationtechnology,thebasicideaisamulti-userenvironment,eachsingle-antennamobileterminalasthesourcenodecansenditsowninformation,butalsoasarelaypoint,forwardinginformationtootherterminals,eachterminalsharingtheirantennas,usetheirspacechannelsandchannelspaceforotheruserstotransmitinformationtoformavirtualMIMOsystem,sowecansolvethemobileterminalsbecauseoftheirsizeandenergyconstraintsthatcannotaccommodatemultipleantennasofMIMOproblem.Mobileterminalsusingasingleantennatoachievemulti-antennadiversitygainpurpose,multi-usercollaborationtechnologytakefulladvantageofthebroadcastnatureofwirelessmedia,withoutincreasingthesystemcomplexityinthecaseofaterminalnotonlyloweringthepowerconsumptionofbandwidth,butalsocansignificantlyimprovethesystem'sspectrumefficiency,throughput,andcapacity,linktransmissionspeed,systempowerefficiency,lowersystembiterrorrate,wirelesscommunicationsystemstorealizethefrequency,timeandspaceefficientmulti-dimensionalresourcereuse,andthenimplementandsupportahigherratehigherbandwidthwirelesstransmission,toimprovetheperformanceofnetworkcoverage.Keywords;multi-usercollaboration.Cooperativediversity,Synchronouscollaboration.Asynchronouscollaboration目录摘要目录第一章绪论1.1协作分集技术在国内外研究现状1.2协作通信技术的研究缘由1.3论文研究内容和结论第二章协作分集技术2.1mimo介绍2.2协作分集技术分类2.3性能分析2.4常用协作分集技术2.52.6第三张3.13.23.33.4第四章其他方面第五章总结展望致谢参考文献第一章绪论1.1协作分集技术在国内外研究现状移动通信信道中的多径衰落、频率选择性衰落、多径时散等，会严重影响接收信号质量，是通信系统性能大大降低。为了提高无线信道中信号传输质量，必须采用对抗衰落的有效措施。协作分集技术是一种有效的抗衰落技术，已在短波通信、移动通信系统中得到广泛应用。为了在接收端得到多个互相独立的接收信号，一般利用不同路径、不同频率、不同角度、不同极化、不同时间等接收手段来获取。因此，分集方式也有空间分集、频率分集、角度分集、极化分集、时间分集等多种方式。其中空间分集技术不会额外占用时间和带宽资源，并且可与其它分集方式结合，因此应用十分广泛。最近几年提出了多输入多输出（MIMO）天线技术。现有的多输入多输出（MIMO）天线技术通过在接收端和发射端同时安置多个天线MIMO信道结构从而充分利用空域资源，大幅度提高信道容量。然而，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。首先，移动终端对体积、质量和功耗的要求远比基站苛刻得多；其次，理想的MIMO多天线系统要求相邻天线之间的间距要远大于电磁波长，并且多个收发天线之间的传输信道是独立的，而移动终端由于体积限制，根本无法做到这一点。协作分集目标是让单天线的移动终端也可以实现空域分集。它的基本思想是在多用户的环境下，每个单天线的移动终端既可作为源节点发送自己的信息，又可作为中继点，为其他的终端转发信息，每个终端共享彼此的天线，利用自己的空间信道和其他用户的空间信道传输信息，从而形成一个虚拟的MIMO系统。如此便可以解决移动终端因体积和能量的限制而无法安置天线的MIMO问题。由此人们从中继信道的启发，由Sendonaris首先提出了协作分集概念。简单来说，协作分集的过程可以分为两步：第1步，源节点以广播方式发送信号，目的节点和所有的中继节点接收信号，中继节点对接收到的信号进行处理，为2步做准备；第2步，中继节点将处理后的信号发送给目的节点，此时源节点也可以向目的节点发送重复的信息或者新的信息，最后目的节点按照某种规则合并两步接收到的信号。下面，以蜂窝系统环境下两用户之间的协作为例，简单介绍一下协作分集。如图1所示，假设MS1与MS2为两个协作伙伴，右面的是基站(BS)，MS1不仅要同时向基站(BS)和MS2传送自己的信息，还要把从M2接收到的信息发送给基站。同时，MS2也做与MS1相同的工作。于是，我们就会发现，信息从MS1传送到基站的路径变成了两条。一条是从MS1直接到基站，另一条是MS1经MS2再到达基站，这两条独立衰落路径会让这两个协作伙伴获得空间分集增益。协作分集的过程可以分为两步：第一步，源节点以广播方式发送信号，目的节点和所有的中继节点接收信号，中继节点对接收到的信号进行处理，为第二步做准备；第二部，中继节点将处理后的信号发送给目的节点，此时源节点也可以向目的节点发送重复的信息或者新的信息，最后目的节点按照某种规则合并两步接收到的信号:上述过程可以用图1第一步第二步三角形表示源节点；正方形表示目的节点；白色圆圈表示其他节点；灰色圆圈表示参与中继的节点图1协作分集过程示意图2003年Laneman提出中继通信模式下基于正交信道分配方案——无线网络中的不同节点通过共享天线和其他资源部来创造一个虚拟的链路；中继节点采用解码转发的消息转发机制，首先对来自信源终端的信号进行解码恢复，然后在下一个时隙内转发这些信息到目的节点，他们分析了协作分集方案的分集和复用增益的折衷关系。2005年提出了基于正交信号协作分集方案。协作两用户均采用QPSK调制，并用同向分量传输自己的信息，用正交分量传输协作用户信息。该方案实际利用协作用户充当传输的中继节点。Hunter和Nosratinia提出编码协作技术，编码协作是一种将信道编码结合到协作分集中的方法。编码协作通过在两个独立的衰落信道中发送每个用户码字的不同部分来实现。其基本思想是每个用户都要为协作伙伴传输增加的冗余信息，而当协作通信无法实现时，用户能够自动地转换到非协作模式。编码协作的关键是其所有的过程都是通过码字设计来自动完成，不需要用户间的反馈。目前关于协作分集的研究大多建立在系统同步基础上的，原点与中继点，中继点之间，中继点与目标之间。但实际生活中协作分集统一信息是通过很多个协作者的天线发往目的端，每个协作者与信源和目的端之间距离都是不一样的，使传输时延不一样这样就使协作者之间同步问题复杂化。在蜂窝移动通信系统下可以通过基站的控制与协调，实现用户间准同步。但对于AdHoc网络和无线传感器网络而言，由于没有网络基础结构且中心控制困难的特点，要实现用户间同步是很难，协作者之间不同的时延会严重破坏传统空时编码结构。异步通信环境下的协作方案成为现在研究重点。目前的异步协作主要有两类：空时编码和信道均衡。2005年由YaboLi和Xiang—GenXia提出了异步空时格码方案，它可以使随意的中继点在不同步情况下实现满分集，误码率性能比同步协作稍差。异步空时隔码方案要知道信号的延迟信息。2006年异步无线网络中分布式空时编码的信号结构和分集复用增益最优化的空时编码策略，对无线网络中异步协作分集的一些概括描述和理论上分析。2007年Xiang—GenXia和zhengli提出新的控式传输策略，信源采用OFDM调制，两中继点传输该方案在协作时隙，信源节点将停止发送信息，仅有中继转发其收到信息。中继点转发采用Alamouti编码方案，讲两个中继点当做两个天线，接收端采用最大似然译码。1.2协作通信技术的研究缘由它主要有两方面的因素：网路中空余资源的存在和协作通信所能提供的协作通信增益。网络中空域资源的存在：在这里将以蜂窝移动通信系统来说明无线网络