協(xié)同通信系統(tǒng)中能量優(yōu)化的中繼選擇算法研究（可編輯）

1、協(xié)同通信系統(tǒng)中能量優(yōu)化的中繼選擇算法研究 學(xué)校代號:號:學(xué)密 級:公開蘭州理工大學(xué)碩士學(xué)位論文協(xié)同通信系統(tǒng)中能量優(yōu)化的中繼選擇算法研究刪四四四 . ?,蘭州理工大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明:所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外,本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體,均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。日期:如/多年 日月作者簽名:棚、學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定,即:學(xué)校有

2、權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版,允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)蘭州理工大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索,可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。同時(shí)授權(quán)中國科學(xué)技術(shù)信息研究所將本學(xué)位論文收錄到中國學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫,并通過網(wǎng)絡(luò)向社會(huì)公眾提供信息服務(wù)。作者簽名:鷹鴿、 砌導(dǎo)師簽名: 期期印年尹僻修/碩士學(xué)位論文目 錄摘 要.】插圖索引?.附表索引?一第一章 緒論.引言?.研究背景?.無線移動(dòng)通信的發(fā)展?一.未來移動(dòng)通信技術(shù)趨勢.協(xié)同理論發(fā)展概述?.協(xié)同通信技術(shù)特征.課題的主要任務(wù)和意義?.無線中繼信道?.協(xié)同中繼選擇技術(shù)?一.文章的

3、章節(jié)安排和創(chuàng)新點(diǎn).章節(jié)安排.主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)?.第二章分集技術(shù)及其基本原理.無線通信中的信道衰落特征.分集技術(shù)的定義與分類?.分集的基本原理.分集合并準(zhǔn)則?.分集接收技術(shù)?.空間發(fā)送分集技術(shù).技術(shù).協(xié)同分集技術(shù)?. .協(xié)同分集的概念.協(xié)同分集的優(yōu)點(diǎn).本章小結(jié)?.第三章多用戶協(xié)同通信.協(xié)同分集信道模型及性能分析.協(xié)同分集信道模型?協(xié)同通信系統(tǒng)中能量優(yōu)化的中繼選擇算法研究.多用戶協(xié)同可達(dá)速率域.多用戶協(xié)同鏈路中斷概率.協(xié)同中繼協(xié)議與信道容量分析.三節(jié)點(diǎn)中繼信道模型?.半雙工協(xié)同中繼方法?.半雙工解碼.轉(zhuǎn)發(fā)中繼?.本章小結(jié)?一第四章協(xié)同中繼選擇技術(shù).中繼選擇遵循的標(biāo)準(zhǔn).中繼選擇算法分類?.基于中斷概率的協(xié)

4、同中繼選擇.基于端到端比特錯(cuò)誤率的協(xié)同中繼選擇?.基于瞬時(shí)信道狀態(tài)的協(xié)同中繼選擇?.基于信噪比門限值的協(xié)同中繼選擇.基于能量分配的協(xié)同中繼選擇一.算法比較.本章小結(jié)第五章基于中斷概率與功率綜合評價(jià)的中繼選擇算法?.引言?一.系統(tǒng)模型?一.信道模型.中斷概率.中繼選擇算法?.算法原理分析?.算法步驟?.仿真結(jié)果分析?一.本章小結(jié)總結(jié)與展望?研究工作總結(jié)?.進(jìn)一步展望?.參考文獻(xiàn)?一致 謝?.附錄攻讀學(xué)位期間所發(fā)表的學(xué)術(shù)論文目錄?一碩士學(xué)位論文摘 要協(xié)同通信技術(shù)有效地解決了多天線. .技術(shù)無法在小型移動(dòng)終端設(shè)備上應(yīng)用從而獲得空間分集增益的問題。在協(xié)同通信中,選取適量而適當(dāng)?shù)膮f(xié)同中繼節(jié)點(diǎn)不僅可以保證

5、協(xié)同傳輸?shù)捻樌M(jìn)行,而且可以有效地提高系統(tǒng)性能,優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源應(yīng)用,因此協(xié)同中繼選擇成為未來無線通信研究領(lǐng)域中的重要課題。本文在對協(xié)同理論及協(xié)同中繼選擇算法深入研究的基礎(chǔ)上,展開針對協(xié)同通信系統(tǒng)中能量優(yōu)化問題的中繼選擇算法研究。本文首先介紹了移動(dòng)通信背景,發(fā)展歷程和未來的發(fā)展前景,并對協(xié)同通信技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)敘述。在此基礎(chǔ)上,本文后續(xù)章節(jié)對協(xié)同通信中的基礎(chǔ)理論進(jìn)行了分析討論,包括分集技術(shù)的基本原理與系統(tǒng)性能分析;協(xié)同分集的概念與優(yōu)點(diǎn);協(xié)同信道模型與性能分析;以及協(xié)同中繼采用的中繼轉(zhuǎn)發(fā)策略。其次,在所有這些理論基礎(chǔ)之上展開本文工作。通過歸納,總結(jié)出協(xié)同中繼選擇算法設(shè)計(jì)中的六項(xiàng)準(zhǔn)則,列舉當(dāng)前主要的五種協(xié)

6、同中繼選擇算法,發(fā)現(xiàn)其各自的優(yōu)勢與缺點(diǎn),發(fā)揮優(yōu)勢,改善缺點(diǎn),展開新的算法設(shè)計(jì)工作。本文從改善中繼選擇算法中功率消耗的目標(biāo)出發(fā),利用傳統(tǒng)的由功率決定系統(tǒng)中斷概率的函數(shù)關(guān)系,反推出由中斷概率決定系統(tǒng)功率的反函數(shù)關(guān)系,在這一推導(dǎo)過程中,利用協(xié)同信道特性對問題進(jìn)行簡化分析。根據(jù)這一機(jī)制,可以通過比較系統(tǒng)功率來比較各協(xié)同中繼的優(yōu)劣。利用綜合評價(jià)的方法將這一機(jī)制與基于中斷概率的協(xié)同中繼選擇算法有效結(jié)合,通過調(diào)整權(quán)重因子進(jìn)行有側(cè)重的,并且均衡考慮中斷概率性能與功率的協(xié)同中繼選擇算法一一基于中斷概率與功率綜合評價(jià)的中繼選擇算法。對于該算法在單小區(qū)多用戶場景中的應(yīng)用,本文設(shè)計(jì)出完善的中繼選擇步驟并加以描述。最后

7、,通過計(jì)算機(jī)仿真,利用圖示與比較的方法,可以得出以下結(jié)論,新算法在候選中繼設(shè)備較多,也即協(xié)同通信網(wǎng)絡(luò)中用戶分布密度較大時(shí)可以達(dá)到預(yù)期的效果,并且與以往的中繼選擇算法相比在功率消耗方面到顯著改善,而且該算法具有較低的復(fù)雜度,能夠滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。關(guān)鍵字:協(xié)同通信;中繼選擇;中斷概率;綜合評價(jià)協(xié)同通信系統(tǒng)中能量優(yōu)化的中繼選擇算法研究 ?. ,.,. ,. ,; ;. . , , , . ,. ,. ? , , ,. .碩士學(xué)位論文, , ,. , . ., : ; ;協(xié)同通信系統(tǒng)中能量優(yōu)化的中繼選擇算法研究插圖索引圖.三種合并方式的平均信噪比改善與的關(guān)系曲線.圖.多輸入多輸出系統(tǒng)模型.圖.移動(dòng)終

8、端之間的協(xié)同分集?.圖.兩用戶協(xié)同分集系統(tǒng)信道模型.圖.協(xié)同用戶與基站間信道的統(tǒng)計(jì)特性相同時(shí)的速率域比較?一圖.協(xié)同用戶與基站間信道的統(tǒng)計(jì)特性不相同時(shí)的速率域比較?圖.中斷概率?一圖.三節(jié)點(diǎn)中繼信道模型?圖.三節(jié)點(diǎn)高斯解碼.轉(zhuǎn)發(fā)中繼信道模型?圖.三節(jié)點(diǎn)高斯放大.轉(zhuǎn)發(fā)中繼信道模型?圖.多用戶協(xié)同網(wǎng)絡(luò)模型?一圖.中繼選擇流程圖.圖.中斷概率隨信噪比變化曲線?圖.中斷概率隨候選中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)目變化曲線?.圖.不同口值時(shí)中斷概率隨候選中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)目變化曲線?圖.總功率隨候選中繼數(shù)變化曲線.碩士學(xué)位論文附表索引表.協(xié)同中繼選擇方法比較.碩士學(xué)位論文論第一章緒.引言隨著移動(dòng)通信與無線互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展,移動(dòng)用

9、戶的業(yè)務(wù)需求由原來的語音通信向高質(zhì)量、高效率的數(shù)據(jù)傳輸迅速轉(zhuǎn)變,這就對未來無限通信系統(tǒng)的傳輸速率與可靠性提出了更高的要求。在當(dāng)前頻譜資源日益緊張的情況下,多天線 ,系統(tǒng)因其對系統(tǒng)傳輸性能和頻譜效率的顯著提高而成為當(dāng)前無線通信系統(tǒng)研究的熱點(diǎn)。然而受到個(gè)人用戶移動(dòng)終端設(shè)備對體積、功耗和復(fù)雜度等多種因素的嚴(yán)格限制,多天線技術(shù)難以實(shí)現(xiàn),因此協(xié)同通信的概念被提出,通過協(xié)同技術(shù),移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)也可以享有帶來的系統(tǒng)性能提升。隨著對協(xié)同通信研究的日益成熟,如何選擇合適的協(xié)同中繼端成為研究工作中的重點(diǎn)問題。.研究背景.無線移動(dòng)通信的發(fā)展年雙工無線 通信實(shí)現(xiàn),由于其昂貴的成本,在之后的很長一段時(shí)間里,雙工無線語音通

10、信僅能應(yīng)用于特殊領(lǐng)域,這一時(shí)期主要是其在廣播領(lǐng)域的應(yīng)用。自世界年代開始,計(jì)算機(jī)技術(shù)、集成芯片技術(shù)、蜂窩覆蓋技術(shù)以及無線移動(dòng)切換技術(shù)迅猛發(fā)展,使得社會(huì)大眾期望的個(gè)人移動(dòng) 通信逐漸成為現(xiàn)實(shí)。年幼貝爾實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的高級移動(dòng) 系統(tǒng) .在美國首次使用,日本與英國隨后也開始使用這一系統(tǒng),通常人們所說的第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)由此誕生。第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)基于模擬信號處理技術(shù),運(yùn)營成本很高,難以向社會(huì)大眾普及,于是在世紀(jì)年代初開始被具有更高容量與可靠性的數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信所取代。數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信使個(gè)人移動(dòng)通信設(shè)備迅速普及,逐步形成了第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)。.第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)主要采用數(shù)字時(shí)分多址 和碼分多址,技術(shù),它主要提

11、供數(shù)字化的語音服務(wù),同時(shí)也能夠提供低速的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)與第一代同樣沒有全球范圍的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),現(xiàn)在使用的系統(tǒng)包括. 、和協(xié)同通信系統(tǒng)中能量優(yōu)化的中繼選擇算法研究,由于只是不同,移動(dòng)用戶僅能在同制式覆蓋范圍內(nèi)漫游。第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)有限的帶寬也限制了高速率的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。與此同時(shí), 互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)在全世界范圍飛速發(fā)展,不斷推出類型的新應(yīng)用于新業(yè)務(wù),由此吸引了越來越多的研究人員和用戶的關(guān)注,結(jié)果電信網(wǎng)絡(luò)中的傳統(tǒng)語音業(yè)務(wù)受此沖擊,業(yè)務(wù)流量持續(xù)下降。為此,電信運(yùn)營商積極尋求拓展語音業(yè)務(wù)以外的其他非語音業(yè)務(wù),但是,受到帶寬限制,第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)無法提供不影響語音通信的各類新業(yè)務(wù)。于是,能在提供語音業(yè)務(wù)

12、的同時(shí)提供其他多媒體業(yè)務(wù)的第三代移動(dòng)通信技術(shù)恤,在世紀(jì)年代初被迅速提上研發(fā)議程,并在世紀(jì)年代中后期被逐步標(biāo)準(zhǔn)化,其全套標(biāo)準(zhǔn)于年前后推出。第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)具有更寬的帶寬,這使得它在提供高質(zhì)量語音業(yè)務(wù)的同時(shí),還能夠提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù),從而提供各種快捷、方便的無線應(yīng)用。此外,第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)能夠?qū)⒏咚僖苿?dòng)接入和基于互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的服務(wù)結(jié)合起來,提高無線頻譜利用效率,從而為用戶提供更經(jīng)濟(jì),具有更豐富內(nèi)容的無線通信服務(wù)。第三代合作伙伴計(jì)劃 ,自年月起,】,目標(biāo)是增大蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)展開長期演進(jìn)計(jì)劃的容量和覆蓋范圍。然而,第三代移動(dòng)通信技術(shù)也存在其特有的局限性,主要表現(xiàn)在:難以達(dá)到移動(dòng)用戶多媒體業(yè)務(wù)需求的高

13、通信速率;難以提供動(dòng)態(tài)多速率業(yè)務(wù);難以實(shí)現(xiàn)不同業(yè)務(wù)環(huán)境間在不同頻段下的無縫漫游;仍不具有全球統(tǒng)一的移動(dòng)通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。對于以上各種局限性,研究者們都希望能在未來第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)中得到解決。未來的第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)通信已在年構(gòu)思出來,研究者們對這一未來的新技術(shù)提出點(diǎn)期望:極高的傳輸速率與優(yōu)質(zhì)的傳輸質(zhì)量;靈活多樣的業(yè)務(wù)功能;智能化的高速無線網(wǎng)絡(luò);基于網(wǎng)絡(luò)的核心網(wǎng);開放的平臺(tái);高度可靠的安全保密機(jī)制。業(yè)界對也普遍給出一種定義:可稱為寬帶接入和分布式網(wǎng)絡(luò),具有非對稱的超多/的室外數(shù)據(jù)傳輸能力和/的室內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸能力,它應(yīng)當(dāng)碩士學(xué)位論文是包含寬帶無線固定接入、寬帶無限局域網(wǎng)、移動(dòng)寬帶系統(tǒng)和互操作的廣播網(wǎng)絡(luò)

14、等的系統(tǒng)。年月 日,國際電信聯(lián)盟正是通過標(biāo)準(zhǔn)作為未來無線通信標(biāo)準(zhǔn)。.未來移動(dòng)通信技術(shù)趨勢縱觀移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展歷程,可以得出以下結(jié)論:要達(dá)到提高有效帶寬的目的,需從信息處理的角度出發(fā),實(shí)現(xiàn)更加優(yōu)化的高帶寬信道編碼調(diào)制與解調(diào)的方案,當(dāng)前的無限通信領(lǐng)域多數(shù)研究者正在從事的正是這一目標(biāo)的工作,如分布式天線技術(shù)、智能天線技術(shù)、,以及各類蜂窩結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)都屬于這一方面的研究。然而,無論提出的新算法如何,大氣空間始終屬于共享的時(shí)變信道,各用戶所能享受的帶寬,相較于有線信道,仍然具有很大差距。因此,當(dāng)前的研究者們從網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)混合的角度出發(fā),結(jié)合多核心計(jì)算機(jī)并行處理的思路,探索使用戶采用多模終端來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)多徑

15、并行傳輸?shù)募夹g(shù),達(dá)到有效地提高邏輯帶寬的目標(biāo)。由此又產(chǎn)生了為資源調(diào)度管理設(shè)計(jì)新一代的支持多徑傳輸?shù)慕橘|(zhì)接入控制與動(dòng)態(tài)頻譜自適應(yīng)的技術(shù)的要求,以使物理層的應(yīng)用更為優(yōu)化。當(dāng)前,通信網(wǎng)絡(luò),尤其是移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)正處于轉(zhuǎn)型期,各種新的技術(shù)不斷涌現(xiàn),各具所長且相輔相成,并不能簡單評判某一技術(shù)就一定占有絕對的優(yōu)勢。未來是的進(jìn)一步演化,在傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的基礎(chǔ)之上,不斷提高無線通信網(wǎng)絡(luò)的效率并增加服務(wù)功能。而且,不僅包含一項(xiàng)技術(shù),它是多種技術(shù)的融合,不僅包括傳統(tǒng)移動(dòng)通信技術(shù),同時(shí)包括了寬帶無線領(lǐng)域和廣播電視領(lǐng)域中的新技術(shù)。.協(xié)同理論發(fā)展概述協(xié)同通信的基本思想的起源可以追溯到和對于中繼信道信息論特性的研究。他們的

16、研究得出了在幾種特殊下情況下中繼信道的容量,以及在一般情況下信道的容量界,自此奠定了中繼通信理論的基礎(chǔ)。近些年,在系統(tǒng)中得到了進(jìn)一步發(fā)展。由于無線設(shè)備要受到體積尺寸和硬件的復(fù)雜度的限制,專家提出一種新的解決方案一一虛擬通信。此外,為了在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中達(dá)到節(jié)省能耗和提高傳輸速率的目的,研究者提出由多借點(diǎn)相互協(xié)同來組成協(xié)同的策略。系統(tǒng)中的虛擬和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)同技術(shù)促進(jìn)了近年來協(xié)同通信的迅速發(fā)展。.協(xié)同通信技術(shù)特征用戶協(xié)同與非協(xié)同方案相比,可以帶來兩個(gè)好處:增加數(shù)據(jù)速率以及減小對協(xié)同通信系統(tǒng)中能量優(yōu)化的中繼選擇算法研究信道變化的敏感程度。協(xié)同通信帶來的數(shù)據(jù)速率增加又可以帶來降低用戶發(fā)送速率的

17、效益。因此,協(xié)同系統(tǒng)用戶在相同傳輸速率下傳輸數(shù)據(jù)時(shí),比非協(xié)同用戶消耗更小的功率,由此使得設(shè)備電池壽命得以延長。研究表明,協(xié)同增益還可以在蜂窩系統(tǒng)中起到增加小區(qū)覆蓋半徑的作用。然而,要使協(xié)同通信技術(shù)得到更好的應(yīng)用,還需要優(yōu)化以下問題:復(fù)雜度問題;安全問題;層及其上層協(xié)議問題。除了以上物理層設(shè)計(jì)問題之外,在網(wǎng)絡(luò)層及更上層也由許多問題需要全面考慮。用戶協(xié)同增益將來源于具有較好信道資源的用戶幫助其他移動(dòng)臺(tái)獲得優(yōu)化的性能,但是卻要因此犧牲自己的部分?jǐn)?shù)據(jù)速率,所以在協(xié)同協(xié)議設(shè)計(jì)中還須做到各方利益統(tǒng)籌兼顧。.課題的主要任務(wù)和意義.無線中繼信道多天線技術(shù)的提出使研究者們找到了無線通信系統(tǒng)中抗多徑衰落的有效方法

18、,通過在無線通信系統(tǒng)的發(fā)端與收端配置多天線,以較低的成本代替了單純依靠提高發(fā)射功率,從而增大信噪比的方法克服信道中的干擾與衰落。然而,在當(dāng)前最為先進(jìn)的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中,受移動(dòng)臺(tái)體積等限制,多天線技術(shù)無法直接應(yīng)用,于是協(xié)同中繼傳輸技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。自信息論誕生以來,關(guān)于通信信道容量的研究一直是通信領(lǐng)域的核心問題,對于新興的協(xié)同通信技術(shù)的研究,自然要從對協(xié)同中繼信道的研究入手。協(xié)同通信通過利用臨近節(jié)點(diǎn)構(gòu)建虛擬多天線系統(tǒng),其本質(zhì)原理與傳統(tǒng)多天線技術(shù)相近。然而,與傳統(tǒng)多天線不同的是,信息源與各發(fā)射天線之間,以及各天線相互之間不再是有線信道的傳輸,而是無線信道。另外,協(xié)同無線傳輸也不再像傳統(tǒng)無線通信系統(tǒng)那樣在

19、發(fā)射端與接收端之間建立單一的無線信道。這些區(qū)別使得協(xié)同通信的信道模型及其相關(guān)原理不同于以往的任何信道模式。因此在研究工作中,有必要在傳統(tǒng)信息理論的基礎(chǔ)之上,對協(xié)同中繼信道進(jìn)行深入的討論分析。對協(xié)同中繼信道的主要研究工作包括:協(xié)同中繼傳輸單元的三節(jié)點(diǎn)信道模型。作為協(xié)同通信中最基本的通信單元模型,對其進(jìn)行深入研究具有十分重要的意義,只有在對該模型充分理解的基礎(chǔ)上才可能展開對更高級的系統(tǒng)模型的討論分析。協(xié)同中繼傳輸信道容量。信道的價(jià)值體現(xiàn)在其所能為無線通信提供何種質(zhì)量的服務(wù),因此,對信道容量的研究始終是無線通信系統(tǒng)研究的首要問題。碩士學(xué)位論文協(xié)同通信技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)就是能夠在同等條件下極大提高無線信道

20、容量,所以對協(xié)同中繼傳輸信道特有的信道特性的研究是協(xié)同理論研究的不可忽視的基礎(chǔ)。中斷概率。無線通信的根本任務(wù)是為了滿足人類對于信息服務(wù)的需求,因此對無線信道的根本要求是其所能提供的傳輸速率能夠保證無線用戶業(yè)務(wù)的正常開展。在無線業(yè)務(wù)傳輸速率得不到滿足的時(shí)候,就稱其發(fā)生了中斷事件,中斷概率是對這一情況發(fā)生可能性的描述,其本事是信道容量的另一種體現(xiàn),盡管如此,當(dāng)前對信道中斷概率的研究日趨廣泛,尤其是在協(xié)同中繼技術(shù)的研究工作中,本文主要研究內(nèi)容一一協(xié)同中繼選擇技術(shù)也是以中斷概率為基礎(chǔ)。協(xié)同通信已經(jīng)成為未來移動(dòng)通信采用的重要技術(shù)之一,并且具有十分廣闊的應(yīng)用前景。對協(xié)同通信中基本的協(xié)同中繼技術(shù)進(jìn)行深入研究

21、,發(fā)掘潛在的創(chuàng)新并使之應(yīng)用于實(shí)際是我們對研究工作的期望。.協(xié)同中繼選擇技術(shù)在傳統(tǒng)的多天線系統(tǒng)中存在這樣的問題,即在有些時(shí)候,全部天線的使用對系統(tǒng)性能的提高并不能達(dá)到應(yīng)有的效果,反而造成無線資源的浪費(fèi)。協(xié)同系統(tǒng)中,系統(tǒng)性能的提升并非隨中繼數(shù)目的增加而無限制的增長,過多的中繼反而會(huì)給系統(tǒng)帶來不必要的負(fù)擔(dān),同樣造成資源的浪費(fèi),因此,選擇合適的協(xié)同中繼伙伴是協(xié)同中繼傳輸能夠獲得理想增益的前提條件。協(xié)同中繼選擇的思想直接來源于系統(tǒng)中的天線選擇技術(shù)【】,因此在算法設(shè)計(jì)當(dāng)中有很多共同點(diǎn),但是,由于協(xié)同中繼信道中存在信源與虛擬的天線一一中繼之間的額外無線信道,使得協(xié)同中繼信道變得更為復(fù)雜,因此對其“天線的選擇

22、問題也比系統(tǒng)更加復(fù)雜。當(dāng)前的協(xié)同中繼選擇研究工作已經(jīng)設(shè)計(jì)出許多系統(tǒng)的選擇算法,但是由于仍然存在許多尚未克服的問題,未能付諸實(shí)踐。因此,我們期望在前人的工作至上對目前研究中存在的一些問題進(jìn)行合理的解決。針對于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備能量資源的匱乏,我們期望通過中繼選擇這一協(xié)同傳輸?shù)那捌诠ぷ鱽韺W(wǎng)絡(luò)中的功率消耗進(jìn)行優(yōu)化。通過選擇最佳中繼與源節(jié)點(diǎn)進(jìn)行協(xié)同傳輸,不僅保證無線業(yè)務(wù)的進(jìn)行,同時(shí)盡可能小的降低發(fā)射功率,減小能量消耗。.文章的章節(jié)安排和創(chuàng)新點(diǎn).章節(jié)安排本文圍繞協(xié)同通信系統(tǒng)中以能量優(yōu)化為目標(biāo)的協(xié)同中繼算法設(shè)計(jì)進(jìn)行研究,同時(shí)對協(xié)同中繼鏈路中斷概率進(jìn)行了分析。在研究過程中運(yùn)用理論分析與計(jì)算機(jī)仿真結(jié)合的研究方法

23、,在理論與實(shí)踐雙方面對研究的正確性與可行性進(jìn)行了證明。協(xié)同通信系統(tǒng)中能量優(yōu)化的中繼選擇算法研究本文結(jié)構(gòu)共分五個(gè)章節(jié),安排如下:第二章本章重點(diǎn)內(nèi)容為協(xié)同通信理論基礎(chǔ)的分集技術(shù),對分集技術(shù)的基本原理進(jìn)行介紹,討論了分集接收合并技術(shù)的幾種準(zhǔn)則及其相應(yīng)的性能與技術(shù)特點(diǎn)比較。之后對空間分集發(fā)送技術(shù)進(jìn)行介紹,并由此引出多天線技術(shù)的討論。最后對本文中重點(diǎn)討論的協(xié)同分集技術(shù)的概念和優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)說明。第三章在前一章內(nèi)容基礎(chǔ)之上,本章對協(xié)同分集信道模型進(jìn)行了分析討論,從理論分析的角度對協(xié)同分集技術(shù)給通信系統(tǒng)帶來的各項(xiàng)增益進(jìn)行了說明。最后對協(xié)同中繼的兩種重要的中繼轉(zhuǎn)發(fā)方式進(jìn)行了詳細(xì)的分析比較,作為后文的基礎(chǔ)。第四

24、章本章討論的重點(diǎn)是本文的核心研究內(nèi)容,協(xié)同中繼選擇算法。首先對協(xié)同中繼選擇技術(shù)的基本理論進(jìn)行闡述,列舉了協(xié)同中繼選擇中的幾個(gè)主要標(biāo)準(zhǔn),然后對當(dāng)前一些已經(jīng)提供出的選擇算法進(jìn)行介紹。最后對這些現(xiàn)有的選擇算法進(jìn)行了比較。第五章本章在前文介紹的基礎(chǔ)上提出一種基于中斷概率與功率綜合評價(jià)的協(xié)同中繼選擇算法。對該算法的構(gòu)建思路與理論推導(dǎo)進(jìn)行了詳細(xì)說明,描述了算法實(shí)現(xiàn)的步驟,并且利用對算法性能進(jìn)行仿真分析,通過圖例與比較的方法,驗(yàn)證的算法的正確性與可能性。本文最后對全文工作進(jìn)行總結(jié),并對未來進(jìn)一步的深入研究工作加以展望。.主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)本文研究的主要內(nèi)容為:協(xié)同通信系統(tǒng)中能量優(yōu)化的協(xié)同中繼選擇算法研究,以及在此基

25、礎(chǔ)上對系統(tǒng)容量進(jìn)行了分析。論文的創(chuàng)新主要有以下幾點(diǎn):利用三節(jié)點(diǎn)基本協(xié)同通信單元分析中斷概率由功率決定的線性關(guān)系式反推導(dǎo)功率由中斷概率決定的關(guān)系,借此提出基于總功率因素的中斷概率選擇算法。構(gòu)造合理的綜合評價(jià)系數(shù)歸一化方法,使得在進(jìn)行綜合評判是取值介于的中斷概率與取值達(dá)到數(shù)量級的功率在綜合評價(jià)過程中具有相當(dāng)?shù)谋戎?。提出新的基于中斷概率與功率綜合評價(jià)的協(xié)同中繼選擇算法步驟,并加以詳細(xì)描述。碩士學(xué)位論文第二章分集技術(shù)及其基本原理協(xié)同通信技術(shù)的提出主要是為了解決小體積移動(dòng)設(shè)備獲得空間分集的問題。為此,本章首先從無線通信系統(tǒng)中的分集技術(shù)展開研究,對分集技術(shù)的基本原理進(jìn)行討論,并由此拓展到協(xié)同分集技術(shù)的研究

26、。協(xié)同分集技術(shù)由于無線信道特性,具有許多不同于傳統(tǒng)分集技術(shù)的特點(diǎn),因此,本章中對協(xié)同分集技術(shù)也進(jìn)行了詳細(xì)討論。.無線通信中的信道衰落特征在一般的無線傳輸過程中,電磁波在其傳播路徑上需經(jīng)過反射、衍射和散射后到達(dá)接收機(jī),在接收端得到的信號是經(jīng)過不同路徑傳輸后到達(dá)接收端的信號疊加,接收端接收到每一路電波不僅幅度和相位偏移不同,而且到達(dá)的時(shí)間也各不相同,因此由接收機(jī)接收到的信號會(huì)呈現(xiàn)出無線通信特有的衰落特性。慢衰落若接收信號強(qiáng)度的中值表現(xiàn)出緩慢變化,則將這一衰落現(xiàn)象稱為慢衰落。造成這一變化的主要原因有兩個(gè)方面:一是地區(qū)位置的變化;二是氣象條件的改變。后者的影響通常比較小,因此可以忽略。電磁波如果在其傳

27、播路徑上遇到障礙物,就會(huì)產(chǎn)生電磁場的陰影區(qū),移動(dòng)臺(tái)移動(dòng)過程中通過不同陰影區(qū)時(shí)會(huì)引起中值的變化,因此這種衰落也被稱為陰影衰落。慢衰落信號變化的幅度由其工作頻率、變化頻率、障礙物狀況及其與移動(dòng)臺(tái)之間的相對移動(dòng)速度決定。慢衰落的信號強(qiáng)度近似地服從對數(shù)正態(tài)分布:.去礦叫彪礦其中,口是幅度的均值。若移動(dòng)臺(tái)與基站之間的距離為,傳播路徑和慢衰落可以聯(lián)合表示為:魚.,”式中的表示路徑損耗因子,表示由于慢衰落而產(chǎn)生的對數(shù)損耗,服從均值為零,標(biāo)準(zhǔn)差一般為拘對數(shù)正態(tài)分布。式.用表示為:.協(xié)同通信系統(tǒng)中能量優(yōu)化的中繼選擇算法研究快衰落接收端接收到的信號強(qiáng)度表現(xiàn)出快速、大幅度周期性變化的現(xiàn)象稱為多徑快衰落,也成為小區(qū)間

28、瞬時(shí)值變動(dòng)。統(tǒng)計(jì)表明,在障礙物均勻分布的城市街道或者森林當(dāng)中,信號包絡(luò)的起伏近似服從瑞利分布,因此多徑快衰落也被稱為瑞利衰落?？焖ヂ涞乃ヂ浞鹊淖兓c地形地物有很大關(guān)系,可以達(dá)到 ,衰落的速度與移動(dòng)臺(tái)的移動(dòng)速度有關(guān)。例如:在移動(dòng)臺(tái)移動(dòng)速度為/,電磁頻率為的條件下,衰落速度可以達(dá)到.次每秒。在沒有直達(dá)路徑的時(shí)候傳播路徑數(shù)目較多時(shí),各路徑信號幅度差異很小,快衰落服從瑞利分布:一.箬護(hù),式中,信號幅度的均值為三盯,為其方差。當(dāng)仃時(shí)取得最大值。若存在直達(dá)路徑,則快衰落服從萊斯分布:億,等胚咖等坤警式中厶石表示第一類修正貝塞爾函數(shù)。由上式可得,當(dāng),即沒有直達(dá)路徑時(shí),此式就表示瑞利分布。產(chǎn)生快衰落的原因主

29、要由兩個(gè):多普勒效應(yīng)和多徑效應(yīng)。多普勒效應(yīng)在存在多條傳輸路徑的條件下,由移動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)速度和方向引起信號頻譜展寬的現(xiàn)象,就稱為多普勒效應(yīng)。多普勒效應(yīng)引起的附加頻移被稱作多普勒頻移,可以表示為:厶÷ .式中口表示入射電波同移動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向間的夾角,代表移動(dòng)臺(tái)移動(dòng)速度,五為波長。上式中的與入射角大小無關(guān),是以的最大值,厶稱為最大多普勒頻移。多徑效應(yīng)由移動(dòng)臺(tái)周圍的局部散射體引起的多徑傳播效應(yīng)被稱為多徑效應(yīng),表現(xiàn)為快衰落。發(fā)射端發(fā)射的信號經(jīng)過多條路徑傳輸?shù)竭_(dá)接收端,由此經(jīng)歷不同的傳播損耗號衰落,經(jīng)過各路徑的信號均不相同。從時(shí)域的角度看,信號通過的各條路徑的長度不同,所以各路徑信號達(dá)到接收端的時(shí)

30、刻就各不相同,也就是說,如果從基站發(fā)出一個(gè)脈沖信號,接收端接收到的信號中除該脈沖以外,還要包含它的多個(gè)時(shí)延信號,這使得接收信號中的脈沖寬度擴(kuò)展,由多徑效應(yīng)引起的這一現(xiàn)象被稱為時(shí)延擴(kuò)展。擴(kuò)展的時(shí)間可以用第一個(gè)碼元信號至最后一個(gè)碼元信號之間的時(shí)碩士學(xué)位論文間來測量。時(shí)延擴(kuò)展會(huì)引起碼間串?dāng)_,從而嚴(yán)重地影響到數(shù)字信號的傳輸質(zhì)量。從空間角度看,接收信號的幅度沿著移動(dòng)臺(tái)的移動(dòng)方向會(huì)隨著距離的變多而衰減,這一幅度變化反映出了地形起伏引起的衰落以及空間擴(kuò)散帶來的損耗。.分集技術(shù)的定義與分類影響通信質(zhì)量的主要因素之一就是衰落,無限衰落信道因?yàn)橐馐芏鄰剿ヂ浜蜁r(shí)變性等影響,傳輸性能會(huì)變得非常差。在加性高斯白噪聲,

31、信道中,要使得誤碼率從 。級降低到級,信噪比只需要增加.,然而在無線衰落信道中,快衰落的深度可以達(dá)到.,很難通過加大發(fā)射功率.倍來減小這種深衰落的影響,并且這樣的做法還會(huì)對其他的無線電臺(tái)造成干擾。同時(shí)簡單增加信號帶寬也不可能提高信噪比,因此無線先衰落信道需要尋找其他的方法來提高傳輸性能。能夠有效克服各種衰落,帶來無線傳輸性能提高的方法之一就是分集接收【,它的基本思路是:接收機(jī)接收同一信號經(jīng)過多個(gè)衰落特性獨(dú)立的信道傳輸?shù)母北?在給定的任意的瞬時(shí)時(shí)刻,各信號副本同時(shí)處于深衰落狀況的可能性很小,這樣就可以保證接收機(jī)收到強(qiáng)度足夠大的信號副本進(jìn)行接收處理,以此達(dá)到提高接收信噪比的效果。.分集的基本原理分

32、集技術(shù)的基本原理可以總結(jié)為:接收機(jī)接收經(jīng)多個(gè)信道傳播的同一信號的多個(gè)副本,這些信道在時(shí)域、頻域或空間具有相互獨(dú)立的信號衰落特性,并且接收到的信號副本強(qiáng)度具有可比性,將這些信號副本按照一定的規(guī)則加以合并,使合并后得到的有用信號強(qiáng)度最大化,對模擬系統(tǒng)而言是最大化接收端信噪比,而對數(shù)字信號而言就是最小化接收端誤碼率。在噪聲受限的條件下,當(dāng)信道條件較差時(shí),為保證無線信號正常傳輸,若不采取分集的辦法,就必須要提高發(fā)送端的發(fā)射功率。但是,對于移動(dòng)無線環(huán)境中的手持終端設(shè)備,其承載的電池能量十分有限,為了保持較長的工作時(shí)間,上行發(fā)射功率必然受到嚴(yán)格限制,因此在這一系統(tǒng)中無法通過提高發(fā)射功率的方法增加上行鏈路的

33、接收信噪比,因此采用分集技術(shù)尤為重要。另外對于蜂窩網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),其系統(tǒng)容量受到干擾的限制,采用分集技術(shù)可以減小載波干擾比,增大復(fù)用系數(shù)并提高系統(tǒng)容量【¨。經(jīng)過理論分析與研究實(shí)踐證明,在時(shí)域、頻域或空間等方面分離的多路無線信號,都能夠呈現(xiàn)出相互獨(dú)立的衰落特性,因此分集技術(shù)可以分類為時(shí)間分集、頻率分集和空間分集等。時(shí)間分集通過在不同的時(shí)隙重發(fā)同一信號,在時(shí)域內(nèi)提供信號副本;頻率分集通過在不同頻率載波上發(fā)送相同信號,在頻率域內(nèi)提供信協(xié)同通信系統(tǒng)中能量優(yōu)化的中繼選擇算法研究號副本;空間分集要通過在在發(fā)送設(shè)備配備多個(gè)天線來實(shí)現(xiàn)。要獲得好的分集效果,時(shí)間分集必須要保證相同信號副本之間有足夠的時(shí)間間隔

34、,空間分集要保證載波頻率之間相互獨(dú)立,而空間分集的多天線排布要保證相互之間大于相關(guān)距離。通過以上比較可見,空間分集的技術(shù)能夠在保證數(shù)據(jù)傳輸速率且不需要犧牲信號頻譜帶寬的條件下獲得分集增益,由此受到了研究者們的重視。傳統(tǒng)的空間域分集方案主要是接收分集,研究表明,在誤碼率約為。條件下,若接收端采用兩幅天線實(shí)現(xiàn)接收分集,信噪比能夠獲得近的改善【引。但是由于移動(dòng)通信中個(gè)人用戶的需求,移動(dòng)臺(tái)的體積、功率消耗等受到嚴(yán)格限制,接收分集技術(shù)無法在移動(dòng)臺(tái)上實(shí)現(xiàn),只能在基站或車載電臺(tái)等較大終端采用。為了使個(gè)人移動(dòng)設(shè)備的接收信號質(zhì)量得到改善,人們越來越多地關(guān)注發(fā)送分集技術(shù)。發(fā)送分集是在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的基站端配置多個(gè)發(fā)

35、射天線,并且進(jìn)行相應(yīng)的信號處理,而在移動(dòng)臺(tái)僅需配置單天線就能夠獲得較好的分集效果。發(fā)送分集改善了移動(dòng)設(shè)備的接收信號質(zhì)量,并且易于實(shí)現(xiàn),由此帶來的基站成本增加可以由眾多移動(dòng)用戶分擔(dān),因此具有良好的應(yīng)用前景。在此需要額外的幾點(diǎn)說明:首先,空間分集本質(zhì)上是利用多條路徑中較強(qiáng)的信號補(bǔ)償處于深度衰落路徑的信號,而分集技術(shù)的主要用途是對抗衰落,對于沒有明顯衰落的信道,采用分集技術(shù)無法獲得顯著的分集增益【。其次,分集技術(shù)中各接收信號副本之間經(jīng)歷的信道衰落特性必須相互獨(dú)立,并且越低的相關(guān)程度,分集的效果就越好,這時(shí)由于當(dāng)各路徑衰落特性的相關(guān)性很強(qiáng)的時(shí)候,它們同時(shí)處于深度衰落的概率就會(huì)非常大,因此無法提供分集增

36、益。最后,為了能夠獲得好的分集效果,各接收信號副本的信號強(qiáng)度要具有明顯的可比性。.分集合并準(zhǔn)則接收端收到個(gè)分集信號以后,怎樣對這些信號副本進(jìn)行處理來減小衰落影響,就是信號合并的問題。一般普遍采用的方式是線性合并,即將肋個(gè)衰落特性獨(dú)立的信號副本相加,然后合并輸出。設(shè)這個(gè)輸入信號的電壓值為,?,則合并表達(dá)式為:吖.吼圪,尼,?,其中,。是第個(gè)信號的加權(quán)系數(shù)。不同的加權(quán)系數(shù)可以得到不同的合并方式,常用的方式有以下三種:等增益合并。對各路信號副本以相等的支路增益進(jìn)行直接地相加處理,無須對各路信號分別加權(quán),相加合并后的信號作為接收信號。這種合并方式比較容易實(shí)現(xiàn),性能同最大比合并接近。等增益合并器輸出的信

37、號包絡(luò)為:碩士學(xué)位論文.吃平局信噪比改善為:.也署一最大比合并。最大比合并是一種最佳的合并方式。需要在信號合并之前對個(gè)信號副本進(jìn)行加權(quán),加權(quán)系數(shù)與各路信號的接收信噪比成正比,即瓦.由此得到最大比合并器輸出的信號包絡(luò)應(yīng)為:億吃靜善爰平均信噪比改善量【】:.最佳選擇合并。在各路信號副本當(dāng)中選取出接收信噪比最大的一路信項(xiàng)的加權(quán)系數(shù)為,其他的都是。在實(shí)際系統(tǒng)中估算各支路信號的接收信噪比其實(shí)十分困難,因此常常是通過選取信號與噪聲功率的和最大的支路信號來替代最大分支選擇。后來又出現(xiàn)了轉(zhuǎn)換合并的方式【¨】, 即在各信號副本中將信噪比超過某個(gè)給定閾值的一個(gè)副本作為接收信號輸出,之后就一直使用再這一支

38、路接收的信號進(jìn)行輸出,直到這一支路的接收信噪比不再能夠達(dá)到給定閾值時(shí),接收機(jī)重新進(jìn)行選擇。條支路的選擇合并得到的平均信噪比改善為】:.圭三種合并方式性能的比較如圖.所示。協(xié)同通信系統(tǒng)中能量優(yōu)化的中繼選擇算法研究佰虧副本數(shù).分集接收技術(shù)傳統(tǒng)的空間分集以接收分集技術(shù)為主,接收分集即是在信號接收端采用多天線接收,以適當(dāng)?shù)姆绞綄Ω魈炀€接收到的多個(gè)信號副本進(jìn)行合并,達(dá)到提高接收集通信系統(tǒng)。孓,【融丫取發(fā)送分集示意圖接收分集示意圖當(dāng)信號為符號時(shí),在接收端的兩根天線接收到的信號分別應(yīng)為:,玎.、玎.、惕表示兩條傳播路徑上互不相關(guān)的噪聲。設(shè)接收端知道知道兩條傳播路徑的信道衰落系數(shù)和紅,通過合并后恢復(fù)原始信號,

39、得到估計(jì)值:. ;嵋以%嵋,。;和是合并方案的權(quán)值,因此信號估計(jì)§的平均信噪比。為:碩士學(xué)位論文一墮芻:墮叢.比盯盯是噪聲功率。若選擇口扛、口吃,即采用最大比合并,其中的為復(fù)常數(shù),此時(shí)可獲得的最大接收平均信噪比為:.:學(xué)由此可知,肌%與%吃同分布。也能看出,即使啊和紅當(dāng)中有一個(gè)衰落為零,接收端仍然能夠恢復(fù)原始信號,進(jìn)而完成檢測。當(dāng)信道衰落系數(shù)服從瑞利分布的時(shí)候,采用雙天線接收的分集系統(tǒng)可獲得階數(shù)為的全分集。.空間發(fā)送分集技術(shù)由于空間分集能夠通過充分利用無線通信系統(tǒng)的空間域在不犧牲信號頻譜和時(shí)間資源并保證數(shù)據(jù)傳輸速率的條件下獲得較大分集增益,因而作為減小多徑衰落的有效途徑而備受關(guān)注。空

40、間分集的方式可以簡單分為空間發(fā)送分集與空間接收分集。今以雙天線系統(tǒng)為例,介紹空間發(fā)送與接收分集技術(shù)。在此假定信道是平穩(wěn)衰落的,兩條路徑的信道衰落系數(shù)分別為扛和如。接收分集可以獲得較大分集結(jié)束,但是在移動(dòng)通信系統(tǒng)中體積與功耗極度有限的用戶端配置多天線是難以實(shí)現(xiàn)的,因而無法再移動(dòng)終端通過配置多天線來實(shí)現(xiàn)接收分集。圖示出由條發(fā)射天線與條接收天線組成的發(fā)送分集通信系統(tǒng)。的研究【表明在發(fā)送端未知信道衰落特性的條件下,在發(fā)送端采用雙天線進(jìn)行發(fā)送可以和在接收端使用雙天線接收取得同樣的性能。仍設(shè)發(fā)送的信號為符號,在發(fā)送之前對兩根天線上的信號進(jìn)行加權(quán)處理,和為各自的權(quán)值,則接收端接收到的信號應(yīng)為:.接收信噪比為

41、:.帆掣葉若發(fā)送端未知信道狀態(tài)信息,與的值固定不變,由上式可知,平均信噪比與啊或吃具有相同分布。如果和不依賴于信道衰落系數(shù) 和%系統(tǒng)就無法獲得最大分集階數(shù)。而如果發(fā)送端能夠知道啊和%的恰當(dāng)函數(shù),協(xié)同通信系統(tǒng)中能量優(yōu)化的中繼選擇算法研究系統(tǒng)就可能獲得階數(shù)為的滿分集度。系統(tǒng)在無法獲知信道信息的情況下無法獲得較大的分集增益,若此時(shí)系統(tǒng)采用時(shí)空切空時(shí)編碼,即兩根天線交替發(fā)送相同信息,則在相鄰的時(shí)刻與時(shí)刻接收端天線接收到的信號分別為:.款吃上式與.相同,此時(shí)的發(fā)送分集能夠獲得與接收分集同樣的分集效果,但是雙發(fā)送天線交替工作卻犧牲了信息傳輸速率,這種同時(shí)在時(shí)間域和空間域上的編碼方式稱為空時(shí)編碼。發(fā)送分集相

42、比于接收分集比較難以實(shí)現(xiàn),因此接收分集技術(shù)發(fā)展相對落后。其中一個(gè)難點(diǎn)是由多天線發(fā)送的信號道道接收端時(shí)不可避免的在空間上產(chǎn)生混疊,這就要在接收端進(jìn)行有效地分離才能夠獲得理想的分集效果,如此一來發(fā)送端與接收端都需要相應(yīng)的信號處理過程;另外一個(gè)難點(diǎn)在于接收端能夠通過信道估計(jì)來獲知信道狀態(tài)信息,而發(fā)送端難以獲得。. 技術(shù)三信道散射環(huán)境.介發(fā)射天線 個(gè)接收天線多輸入多輸出是一種在無線通信系統(tǒng)發(fā)送端與接收端同時(shí)采用多天線以達(dá)到成倍提高信道容量目的的技術(shù)。根據(jù)信息論最新成果【】,當(dāng)發(fā)送天線與接收天線數(shù)目分別為與時(shí),若各天線發(fā)送信號可以被有效分離,則信道容量為:億?,訓(xùn)。嚆叫舭,其中是各天線接收信噪比。根據(jù)上

43、式,采用發(fā)送和接收的無線通碩士學(xué)位論文信系統(tǒng)容量在理想情況下將隨天線數(shù)量增加而線性增加,即可以利用信道來成倍提高無線信道容量,從而開發(fā)當(dāng)前其他技術(shù)無法利用的容量潛力。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖.所示。.協(xié)同分集技術(shù)早在年等人提出一種能夠使配置單天線的移動(dòng)終端實(shí)現(xiàn)空間分集的技術(shù)一一協(xié)同分集【:移動(dòng)通信系統(tǒng)中的每一個(gè)移動(dòng)終端都能有一個(gè)或者多個(gè)的協(xié)作伙伴,協(xié)作伙伴之間負(fù)責(zé)在傳輸各自信息的同時(shí)幫助其他伙伴傳輸他們的信息。由此每個(gè)終端在信息傳輸過程中能夠同時(shí)利用到自己與其協(xié)作伙伴的空間信道而獲得一定的空問分集增益。由于協(xié)同分集中的協(xié)作伙伴相互之間共享了彼此的天線,因而構(gòu)成了虛擬的多天線系統(tǒng),可以說,協(xié)同分集技術(shù)為多天

44、線技術(shù)提供了一種新的實(shí)現(xiàn)途徑,并且更進(jìn)一步的具有提高傳輸速率及降低移動(dòng)終端對無線信道變化靈敏度的作用。協(xié)同分集作為一個(gè)嶄新的研究領(lǐng)域已經(jīng)在國內(nèi)外引起研究者們的廣泛關(guān)注,其廣闊的應(yīng)用前景為未來蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)、無線 網(wǎng)絡(luò)、及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提供了技術(shù)支持。.協(xié)同分集的概念多天線設(shè)備要求各天線之間具有足夠大的不相關(guān)距離,實(shí)際蜂窩通信系統(tǒng)中的個(gè)人用戶移動(dòng)臺(tái)因?yàn)槭艿襟w積和功耗的嚴(yán)格限制,無法在其上安裝多天線來直接應(yīng)用技術(shù)。然而,另移動(dòng)臺(tái)互相組成協(xié)同伙伴,就可以將協(xié)同技術(shù)運(yùn)用其中,使蜂窩通信蜂窩系統(tǒng)獲得協(xié)同分集增益,改善系統(tǒng)性能。用戶用戶作為虛擬多天線技術(shù)的協(xié)同分集基本模型如圖.所示。圖

45、中用戶和用戶為兩個(gè)配置單天線的用戶移動(dòng)終端,通過協(xié)同通信共享彼此的天線來形成一個(gè)虛擬的雙天線發(fā)射系統(tǒng)?；就ㄟ^接收合并獲得一定的分集增益【】。協(xié)同通信系統(tǒng)中能量優(yōu)化的中繼選擇算法研究該模型的協(xié)同分集工作過程可簡述如下:用戶通過廣播的方式將信號發(fā)送出去圖中實(shí)線所示,基站與用戶的協(xié)同伙伴用戶都可接收到該信號,基站接收信號后,等待另一路徑信號到達(dá)準(zhǔn)備合并,用戶對接收到的信號進(jìn)行處理,為做準(zhǔn)備。用戶對接收大的信號進(jìn)行相應(yīng)處理后進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā),將其發(fā)送給基站圖中虛線所示,此時(shí)的用戶可以同時(shí)向基站再次發(fā)送重復(fù)信號或者包含新的信息的信號,基站接收后對于經(jīng)過相互獨(dú)立衰落的不同路徑的相同信號按照一定的合并規(guī)則進(jìn)行合并

46、處理。當(dāng)用戶需要向基站發(fā)送信息的時(shí)候,同樣可以借助于用戶與其協(xié)同發(fā)送。這一協(xié)同模式可以擴(kuò)展到更多用戶以及不存在網(wǎng)絡(luò)中心設(shè)備的情況。協(xié)同分集本質(zhì)上即是單天線發(fā)送設(shè)備借助協(xié)同伙伴的天線,與自身天線一起構(gòu)成虛擬多天線陣列,像實(shí)際的系統(tǒng)一樣通過在空間上具有相互獨(dú)立衰落特性的不同路徑傳輸信號的多個(gè)副本,以實(shí)現(xiàn)空間分集并獲得空間分集增益。出移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)以外,協(xié)同分集技術(shù)也廣泛應(yīng)用于 網(wǎng)絡(luò)、無限局域網(wǎng)絡(luò)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等系統(tǒng)當(dāng)中。.協(xié)同分集的優(yōu)點(diǎn)本質(zhì)上講,協(xié)同分集技術(shù)就是單天線無線通信終端借用與其協(xié)同的伙伴的天線,將其自己與協(xié)同伙伴的天線作為虛擬天線陣列,構(gòu)成多天線發(fā)射環(huán)境,即形成虛擬的系統(tǒng)來獲得相應(yīng)的空間

47、分集增益。這一技術(shù)為技術(shù)在小型移動(dòng)終端上的實(shí)現(xiàn)提供了一種有效地解決方案,是一種發(fā)展前景十分廣闊的新的空間分集技術(shù)。在用戶終端沒有信息發(fā)送的時(shí)候,將其天線貢獻(xiàn)出來為伙伴提供協(xié)同服務(wù),改善系統(tǒng)性能,因此而實(shí)現(xiàn)用戶資源的更充分利用。當(dāng)前的研究結(jié)果指出:協(xié)同分集在平穩(wěn)衰落環(huán)境中能夠有效對抗多徑衰落,起到增大系統(tǒng)容量和數(shù)據(jù)傳輸速率,降低系統(tǒng)服務(wù)中斷概率,改善網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量及提高系統(tǒng)性能的作用。.本章小結(jié)移動(dòng)通信的發(fā)展趨勢表明,未來移動(dòng)通信服務(wù)的重點(diǎn)內(nèi)容已經(jīng)開始從提供可靠的話音服務(wù)向提供可靠的并且具有高速數(shù)據(jù)傳輸速率的多媒體業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)方向轉(zhuǎn)變,由此未來無線通信系統(tǒng)必須要尋求更加先進(jìn)的技術(shù)來滿足用戶對于數(shù)

48、據(jù)業(yè)務(wù)高效性與可靠性的需求。無線信道所具有的多徑衰落特性是影響無線通信傳輸速率與傳輸質(zhì)量的重要因素,如何克服多徑衰落帶來的負(fù)面影響就成為無線通信研究中要解決的首要問題之一。碩士學(xué)位論文有效對抗多徑衰落的手段之一就是分集技術(shù),而分集技術(shù)可以分為時(shí)間分集,頻率分集和空間分集等多種方式。實(shí)現(xiàn)空間分集的技術(shù)通過在通信系統(tǒng)給發(fā)送端與接收端配置多條天線來將傳統(tǒng)無線通信中的多徑效應(yīng)轉(zhuǎn)變成對系統(tǒng)性能有益的因素,在對抗多徑衰落及提高通信鏈路速率和質(zhì)量方面具有明顯優(yōu)勢。協(xié)同分集作為一種全新的空間分集技術(shù),在多用戶環(huán)境中令用戶終端之間結(jié)成協(xié)同伙伴,在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候共享彼此的天線,伙伴之間相互幫助傳輸信息,形成一種虛擬的

49、多天線系統(tǒng)來獲得與系統(tǒng)相當(dāng)?shù)南到y(tǒng)增益,為技術(shù)提供一種可選擇的解決方案。研究表明,協(xié)同通信的方式能夠同一樣帶來提高系統(tǒng)容量與數(shù)據(jù)傳輸速率、降低系統(tǒng)服務(wù)中斷概率,最終提高系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量與可靠性的效果。協(xié)同通信系統(tǒng)中能量優(yōu)化的中繼選擇算法研究第三章多用戶協(xié)同通信本章對基本的兩用戶協(xié)同信道模型進(jìn)行詳細(xì)描述與分析,通過這些工作了解協(xié)同通信系統(tǒng)的基本工作機(jī)理,其后,通過對多用戶協(xié)同時(shí)系統(tǒng)可達(dá)速率域和中斷概率的分析,比較協(xié)同與非協(xié)同,以及在不同協(xié)同程度下的這兩種系統(tǒng)性能指標(biāo),可以直觀的看出多用戶采用協(xié)同傳輸機(jī)制可以明顯的改善系統(tǒng)傳輸速率與可靠性。而后本章對協(xié)同傳輸過程中中繼采用的兩種主要轉(zhuǎn)發(fā)方式進(jìn)行研究,這兩

50、種轉(zhuǎn)發(fā)方式極大影響到協(xié)同傳輸性能,通過比較可知這兩種轉(zhuǎn)發(fā)方式分別適合于不同環(huán)境的協(xié)同傳輸,在后文所提算法中也將采用這些轉(zhuǎn)發(fā)方式,并進(jìn)一步討論。.協(xié)同分集信道模型及性能分析.協(xié)同分集信道模型協(xié)同分集技術(shù)的基本思想為:移動(dòng)通信系統(tǒng)中的任意移動(dòng)終端都具有至少一個(gè)或多個(gè)協(xié)同伙伴,協(xié)同伙伴相互之間負(fù)責(zé)在傳輸自己信息的同時(shí)為其伙伴提供信息傳輸幫助的服務(wù)。于是,每一個(gè)移動(dòng)終端在信息傳輸?shù)倪^程中,同時(shí)充分地利用了自己與其協(xié)同伙伴的空間信道資源,從而獲得一定的空間分集增益。為了對協(xié)同分集對于數(shù)據(jù)速率提高方面的作用進(jìn)行分析,文獻(xiàn)】建立了兩用戶協(xié)同分集系統(tǒng)的信道模型,如圖.所示,圖中與分別表示互為協(xié)同伙伴的兩個(gè)用戶,該模型中假設(shè)兩個(gè)用戶都有各自需要傳輸?shù)男畔?,并且兩個(gè)用戶進(jìn)行協(xié)同傳輸來將信息以可能達(dá)到的最高速率發(fā)送至接收端。為了區(qū)分接收端與移動(dòng)終端接收單元并便于說明,盡管協(xié)同分集可以應(yīng)用于蜂窩系統(tǒng)之外的對等無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),仍將接收端假設(shè)為蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的基站。