畢業(yè)論文-無(wú)線分集技術(shù)研究

PAGE1WirelessDiversityTechnologyResearchAbstractOwingtotheundulatingterrainofvariousbuildings,signalinthewirelesstransmissionwillbegeneratedtheFadingeffectandoccursdistortionanddeformation.Inordertoovercometheimpactinthesignalchannel,thispaperpresentsthediversityofwirelesstechnologywhichthroughtheutilizedofanti-fadingsignaldistortion.Thepaperfocusesonthediversitytechnologybackground,principles,sendandreceiveclassificationmethods,especiallyaboutthewirelesssub-setofwaysandtheadvantagesanddisadvantagesofvariousways(ChenXuewei),andbasedonwhich,descripttheinterleaving.Interleavingusethetimeasthepricetotime-implicitdiversity(LuWencheng);thenintroducedthespatialconcentrationofCooperativeDiversity-collaborativecommunications(NiLijia);afterthetraditionalsub-setanalysis,weintroducethemulti-userdiversityofopportunitiesforcommunicationofideasopportunitiesforcommunicationusingmulti-userenvironmentcanincreasethesystemcapacity(HuGuangyue);atlast,weintroducethediversityreceptionbasedoninfraredtechnology-thenewopticalaccessnetworktechnologies(ZhangLin).Keywords:Diversitytechnologydevelopment;fiber;intertwined;cooperativediversity;chancecommunications目錄摘要 IWirelessDiversityTechnologyResearch IIAbstract II引言 11分集技術(shù)的發(fā)展 21.1背景 21.2無(wú)線通信的影響因素 21.3分集技術(shù)的分類 31.4幾類分集的比較 31.5發(fā)射和接收分集 41.6分集技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 52交織技術(shù) 62.1交織技術(shù)概述 62.2交織器的基本概念及分類 72.3交織技術(shù)在Turbo碼中的應(yīng)用 102.4小結(jié) 113協(xié)同通信 123.1協(xié)同通信的提出 123.1.1空間分集 123.1.2中繼信道模型 123.1.3協(xié)同分集技術(shù) 133.1.4協(xié)同分集的特點(diǎn) 143.2協(xié)同通信的方法 143.2.1放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)同模式 153.2.2解碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)同模式 153.2.3編碼協(xié)同模式 163.2.4性能和優(yōu)缺點(diǎn)比較 193.3協(xié)同通信的前景和存在的問題 203.3.1協(xié)同通信的前景 203.3.2協(xié)同通信存在的問題 203.4協(xié)同通信的應(yīng)用 214機(jī)會(huì)通信 234.1多用戶分集 234.1.1多用戶分集與傳統(tǒng)分集方式的比較[24] 234.1.2多用戶分集性能分析 244.2機(jī)會(huì)波束成形 284.3本章小結(jié) 305.基于分集接收技術(shù)的紅外光通信光接入網(wǎng)技術(shù) 315.1紅外光通信技術(shù)系統(tǒng)介紹 315.1.1紅外光通信技術(shù)概述 315.1.2紅外光通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) 325.1.3紅外光研究現(xiàn)狀與待發(fā)展內(nèi)容 325.1.4紅外光技術(shù)與現(xiàn)有光接入網(wǎng)技術(shù)的分析 335.1.5紅外光技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn) 345.2基于分集接受技術(shù)的紅外光通信 355.2.1基于分集接受技術(shù)的紅外無(wú)線通信的IM/DD信道模型 355.2.2基于分集接受技術(shù)的紅外無(wú)線通信的編碼技術(shù) 365.2.3基于分集接受技術(shù)的紅外無(wú)線通信的角度分集接收機(jī) 375.3基于分集接受技術(shù)的紅外無(wú)線通信室內(nèi)紅外無(wú)線通信系統(tǒng) 395.3.1系統(tǒng)描述 395.3.2仿真模型與結(jié)果分析 395.3.3結(jié)論 415.4基于分集接受技術(shù)的紅外無(wú)線通信系統(tǒng)給我們的想法 41結(jié)論 XLIV致謝 XLV參考文獻(xiàn) XLVI專題報(bào)告版權(quán)使用授權(quán)書 49引言隨著無(wú)線話音用戶的快速增長(zhǎng)、以及Internet的發(fā)展和移動(dòng)計(jì)算設(shè)備的應(yīng)用，使得在以后的幾年里通信技術(shù)必須能夠提供高速的無(wú)線hitenet接入。同時(shí)數(shù)字處理和射頻技術(shù)的進(jìn)步使得小型化集成化終端的使用成為可能。人們對(duì)高速率和高質(zhì)量的無(wú)線通信提出越來(lái)越高的需求，然而無(wú)線信道系統(tǒng)所處物理環(huán)境的限制給可靠的無(wú)線通信提出了技術(shù)上的挑戰(zhàn)。無(wú)線通信中最主要的兩個(gè)問題是由于傳播環(huán)境所引起的多徑衰落和來(lái)自其它用戶的同頻干擾。采用分集技術(shù)能夠有效的對(duì)抗無(wú)線信道的衰落，為系統(tǒng)提供可靠的信息傳輸。在發(fā)送端配置多個(gè)天線的分集技術(shù)是一種有效，并且具有廣闊應(yīng)用前景的對(duì)抗無(wú)線信道衰落的分集技術(shù)。本文首先介紹了無(wú)線分集技術(shù)的發(fā)展（陳學(xué)偉）；其次，本文介紹了交織技術(shù)原理，交織器的分類及其在TURBO碼中的應(yīng)用。交織技術(shù)是一種標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)處理技術(shù)，交織器從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)就是一種實(shí)現(xiàn)最大限度的改變信息結(jié)構(gòu)而不改變信息內(nèi)容的器件。交織能夠大大提高糾突發(fā)錯(cuò)誤碼的能力，使得原本抗較短突發(fā)錯(cuò)誤的碼型具備抗較長(zhǎng)突發(fā)錯(cuò)誤的能力（陸文程）；接著，本文介紹了協(xié)作分集技術(shù)—協(xié)同通信，協(xié)同通信使得單天線移動(dòng)終端可以獲得MIMO系統(tǒng)才能帶來(lái)的好處，廣泛運(yùn)用于無(wú)線局域網(wǎng)、AdHoc網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)等系統(tǒng)中，被認(rèn)為是一種極具應(yīng)用前景的通信技術(shù)。并且在文中引入了一種新的顛覆傳統(tǒng)理論的觀點(diǎn)是將衰落看成一種可以利用的機(jī)會(huì)，利用機(jī)會(huì)通信可增加多用戶環(huán)境中的系統(tǒng)容量（胡廣躍）。其次，我們講解了無(wú)線分集技術(shù)和光纖的應(yīng)用（張林）。

1分集技術(shù)的發(fā)展1.1背景在現(xiàn)代無(wú)線通信中，如何克服無(wú)線信道的多徑衰落是改善通信性能的一個(gè)重要課題。分集技術(shù)——對(duì)同一個(gè)信號(hào)進(jìn)行不同的接收，是一種常用的方法。它能以較低的成本改善無(wú)線通信的性能，分集技術(shù)也是3G演進(jìn)的關(guān)鍵技術(shù)之一。根據(jù)針對(duì)的衰落的不同，分集分為宏分集與微分集[1]。宏分集針對(duì)在傳輸過(guò)程中由建筑物、地面植被和地形變化導(dǎo)致的陰影衰落，通過(guò)移動(dòng)終端對(duì)基站與基站之間的信號(hào)的分集，在軟切換過(guò)程中實(shí)現(xiàn)。微分集是為了抑制無(wú)線信道中在傳輸過(guò)程中可能出現(xiàn)的深度衰落而產(chǎn)生的，與宏分集不同的是，微分集技術(shù)是對(duì)同一個(gè)基站（移動(dòng)終端）的多根天線的信號(hào)進(jìn)行分集，而不是在基站之間完成。微分集技術(shù)（下稱分集技術(shù)）是本章要闡述的重點(diǎn)。1.2無(wú)線通信的影響因素與有線通信（光纜、雙絞線等）相比，無(wú)線通信由于其信道的復(fù)雜性和不可控干擾因素的影響，對(duì)信號(hào)的準(zhǔn)確接收要困難得多——在物理上表現(xiàn)為信號(hào)的衰落常常相當(dāng)嚴(yán)重。其中導(dǎo)致信號(hào)衰落的幾個(gè)重要的影響因素有多徑傳播、移動(dòng)終端的速度、周圍物體的速度、信號(hào)的發(fā)射帶寬等[1]。（1）多徑傳播：在無(wú)線信道中存在許多不同的反射物體和散射物體，使得發(fā)射信號(hào)在經(jīng)過(guò)這些物體時(shí)會(huì)產(chǎn)生不同的相位和時(shí)延，因而從不同路徑到達(dá)接收天線。這也就是常說(shuō)的多徑衰落。（2）移動(dòng)終端的速度：根據(jù)物理原理，基站和移動(dòng)終端之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)使發(fā)射信號(hào)的每一個(gè)多徑分量產(chǎn)生不同的多普勒頻移，從而引起接收到的信號(hào)產(chǎn)生隨機(jī)的頻率調(diào)制。（3）周圍物體的速度：如果信道中的物體處于運(yùn)動(dòng)中，它們也會(huì)對(duì)發(fā)射信號(hào)的多徑分量產(chǎn)生時(shí)間變化的多普勒頻移，但如果移動(dòng)終端的移動(dòng)速度比周圍物體的速度快，那周圍物體的移動(dòng)就可以忽略。（4）信號(hào)的發(fā)射帶寬：如果發(fā)射信號(hào)的帶寬大于多徑信道的“帶寬”（多徑擴(kuò)展延時(shí)的倒數(shù)），即信號(hào)的自相關(guān)時(shí)間小于多徑信號(hào)的延時(shí)差，接收信號(hào)就會(huì)發(fā)生畸變。在無(wú)線通信中，多徑傳播效應(yīng)、多普勒頻移和信號(hào)的相關(guān)帶寬是影響信號(hào)傳輸?shù)闹饕蛩?，它們與分集技術(shù)都有一定的聯(lián)系。1.3分集技術(shù)的分類分集技術(shù)是通過(guò)對(duì)同一個(gè)發(fā)射信號(hào)的不同副本進(jìn)行綜合接收，以此來(lái)減少信號(hào)在傳輸過(guò)程中可能產(chǎn)生的深度衰落的技術(shù)。從分集技術(shù)接收的副本所在的不同領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，可以分為4大類[2]，即時(shí)間分集、頻率分集、角度分集和空間分集。(1)時(shí)間分集：時(shí)間分集通過(guò)發(fā)射端在不同時(shí)間段發(fā)射相同信號(hào)的方式來(lái)達(dá)到分集的目的，發(fā)射的相同信號(hào)之間的時(shí)差要大于信道的相關(guān)時(shí)間。實(shí)現(xiàn)時(shí)間分集的優(yōu)勢(shì)在于發(fā)射端不需要增加額外的發(fā)射功率，劣勢(shì)在于重復(fù)發(fā)送相同的信號(hào)會(huì)降低數(shù)據(jù)的傳輸速率。時(shí)間分集的實(shí)現(xiàn)方式一般是通過(guò)信道編碼和比特交織。(2)頻率分集:頻率分集通過(guò)把信道帶寬分為幾個(gè)子載波，同時(shí)發(fā)送相同的信號(hào)來(lái)達(dá)到分集的目的，各個(gè)相鄰的子載波之間的間隔要大于信號(hào)的相關(guān)帶寬。與時(shí)間分集相比，頻率分集不需要降低數(shù)據(jù)的傳輸速率，但是需要犧牲額外的發(fā)射功率。擴(kuò)頻技術(shù)也可以應(yīng)用在頻率分集中。(3)最大比率合并：角度分集也稱為方向分集，角度分集使用的是定向天線，當(dāng)天線接收的角度限定在足夠小的范圍內(nèi)的時(shí)候，只可能有一個(gè)路徑的發(fā)射信號(hào)進(jìn)入天線的接收范圍，這樣就避免了多徑效應(yīng)。通過(guò)在接收端設(shè)置足夠多的天線，以捕獲發(fā)射信號(hào)多徑的可能角度，就可以實(shí)現(xiàn)分集。如果使用可以改變每個(gè)天線相位的智能天線陣，就可以捕捉到最強(qiáng)的多徑信號(hào)。(4)空間分集： 空間分集有2種方式：一種是通過(guò)多天線發(fā)射/接收，即天線陣列的方式，首先在發(fā)射端產(chǎn)生多個(gè)互相獨(dú)立的信號(hào)，通過(guò)信道成為多個(gè)獨(dú)立的多徑信號(hào)，在接收端達(dá)到分集的效果。一種是極化分集，通過(guò)發(fā)射不同極化方向的電磁波，在同一路徑上實(shí)現(xiàn)分集。與多天線分集相比，極化分集有一個(gè)固有的限制，因?yàn)殡姶挪ǖ臉O化方向最多只有2個(gè)（水平極化和垂直極化），而且極化分集最多能實(shí)現(xiàn)的分集度為2，這是一個(gè)很大的缺陷。由此在空間分集技術(shù)中多使用多天線方式，后者就很少使用了。1.4幾類分集的比較每一種分集技術(shù)在帶來(lái)一定的分集增益，使信號(hào)的傳輸更加可靠的同時(shí)，也一定要付出一些資源的代價(jià)。時(shí)間分集以降低傳輸速率為代價(jià)的，所以不適合高速通信情形和對(duì)延時(shí)敏感的業(yè)務(wù)。頻率分集的代價(jià)是頻譜利用率的降低和發(fā)射功率的增加，雖然可以使用擴(kuò)頻技術(shù)增加可用的帶寬，但是在頻譜日益緊張，可用頻率已經(jīng)成為一種稀缺資源的情況下，使用頻率分集作為一種主要的分集方法也是不明智的。而且時(shí)間分集和頻率分集有一些固有的限制[3]，在信道的相關(guān)時(shí)間很大（即慢衰落信道）的情況下，是不能使用時(shí)間分集的；相應(yīng)地，在信號(hào)的時(shí)延擴(kuò)展?。葱盘?hào)的相關(guān)帶寬很大）的情況下，是不能使用頻率分集的。角度分集也是多天線分集的一種方式，不過(guò)它使用的是特殊的定向天線，角度分集面對(duì)的問題是由于天線陣不可能覆蓋所有多徑方向，因此必然會(huì)帶來(lái)發(fā)射功率的損失，嚴(yán)重的情況甚至?xí)?lái)性能的下降。從總體上說(shuō)，空間分集（多天線分集）是這幾類分集技術(shù)中最佳的，它不產(chǎn)生功率的額外損失，或者以頻率或者傳輸速率的犧牲為代價(jià)，它所需要付出的代價(jià)是增加設(shè)備的成本和復(fù)雜性。隨著技術(shù)的發(fā)展，硬件和軟件的成本（特別是硬件）是可以不斷降低的，而其他的天然資源卻是不可再生的。因此，從整體性能和發(fā)展趨勢(shì)上看，空間分集具有其他幾種分集技術(shù)的優(yōu)勢(shì)而避免了它們的劣勢(shì)，在目前而言是最為可取的。1.5發(fā)射和接收分集分集技術(shù)按照分集是在接收端或者發(fā)射端實(shí)現(xiàn)的，可分成接收分集和發(fā)射分集。接收分集是直接對(duì)發(fā)射信號(hào)的多徑分支采取一定的準(zhǔn)則進(jìn)行合并，以得到分集的效果；發(fā)射分集通過(guò)把待發(fā)送的信號(hào)分成幾個(gè)相同的副本，把它們獨(dú)立發(fā)射出去，以得到想要的分集效果。換句話說(shuō)，接收分集是使用信號(hào)天然的多徑效應(yīng)來(lái)達(dá)到性能的改善，而發(fā)射分集是有意利用信道的多徑特性來(lái)達(dá)到分集的效果。上面所列舉的時(shí)間分集、頻率分集和極化分集都屬于發(fā)射分集，角度分集屬于接收分集。在多天線分集（空間分集）中，多發(fā)單收系統(tǒng)（MISO）只能使用發(fā)射分集，單發(fā)多收系統(tǒng)（SIMO）只能使用接收分集，多發(fā)多收系統(tǒng)（MIMO）可以使用以上2種分集和混合分集方式。在多天線系統(tǒng)中，多徑信號(hào)到達(dá)不同的接收天線，然后以一定的策略把到達(dá)各個(gè)天線的分量進(jìn)行合并，再送到解調(diào)器，以達(dá)到接收分集的效果。接收分集的合并方式大多數(shù)是采用線性的加權(quán)系數(shù)，即線性合并。根據(jù)合并策略的不同，多天線系統(tǒng)中的接收分集主要可分為以下幾類[1,2]。a）選擇合并：合并策略是逐個(gè)檢測(cè)各路分量的信噪比，選擇信噪比最大的一路輸出。b）門限合并：合并策略是把搜索到的第一個(gè)信噪比大于預(yù)設(shè)門限的分量輸出，直到該路分量低于門限值再重新搜索。與選擇合并相比，門限合并不需要搜索全部的分量，減少了計(jì)算量，如果門限定得合適，門限合并的效果與選擇合并相當(dāng)。c）最大比合并：合并策略是對(duì)各路信號(hào)乘以一個(gè)加權(quán)系數(shù)，調(diào)整加權(quán)系數(shù)的值使輸出信號(hào)的信噪比最大。最大比合并的性能要優(yōu)于選擇合并和門限合并。d）等增益合并：在很多情況下，要根據(jù)各個(gè)支路計(jì)算時(shí)變的系數(shù)并不是一件容易的事情，因此把加權(quán)系數(shù)置為相同的值，就得到等增益合并。等增益合并的性能略差于最大比合并，強(qiáng)于選擇合并和門限合并。根據(jù)發(fā)射端對(duì)信道信息的已知情況，多天線系統(tǒng)中的發(fā)射分集主要分為2類[2，3]。a）發(fā)射端已知信道信息的情況：此時(shí)發(fā)射端根據(jù)各個(gè)信道不同的信噪比進(jìn)行不同的功率分配，這個(gè)情況類似于接收分集中的最大比合并。b）發(fā)射端未知信道信息的情況：此時(shí)可以使用一些特殊的空時(shí)編碼技術(shù)（如Alamouti編碼，正交編碼），以達(dá)到分集的效果。空間分集的應(yīng)用限制[3]：一般來(lái)說(shuō)，只要是可以應(yīng)用多天線的地方，就可以使用空間分集，但是對(duì)于一些小型化的終端設(shè)備（如手機(jī)），由于受體積的限制，多天線之間會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的干擾，就不能夠在手機(jī)端實(shí)現(xiàn)多天線的分集接收，不過(guò)目前也有在智能手機(jī)上設(shè)置兩個(gè)或者多個(gè)天線的嘗試。1.6分集技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)從分集技術(shù)的發(fā)展看，隨著多天線技術(shù)在通信中的應(yīng)用，空間分集成為主要的分集技術(shù)，因?yàn)榕c時(shí)間和頻率分集相比，它無(wú)需犧牲帶寬和傳輸速率，而能夠得到分集增益，較好對(duì)抗多徑衰落[4]。多天線分集（空間分集）又分為發(fā)射分集和接收分集，對(duì)發(fā)射分集的研究晚于接收分集，相對(duì)來(lái)說(shuō)接收分集的實(shí)現(xiàn)也較為簡(jiǎn)單。在基站與移動(dòng)終端通信中，基站對(duì)移動(dòng)終端發(fā)射的多徑信號(hào)實(shí)現(xiàn)接收分集是比較容易的，但是在移動(dòng)終端一方，由于受體積、成本的限制，要對(duì)基站發(fā)射的信號(hào)實(shí)現(xiàn)接收分集是不太現(xiàn)實(shí)的。于是發(fā)射分集的技術(shù)就顯得更加重要[5]。在發(fā)射分集技術(shù)的研究中，也經(jīng)過(guò)了從時(shí)間分集[6]到空時(shí)編碼的空間分集技術(shù)[7]的演進(jìn)。采用空時(shí)編碼的空間分集技術(shù)無(wú)需信道信息的反饋而且計(jì)算量比較小。在目前使用的多天線系統(tǒng)（MIMO）中，混合的分集技術(shù)——空間/時(shí)間分集以及空間/頻率分集也是經(jīng)常被使用的技術(shù)。對(duì)于空間分集來(lái)說(shuō)，使用空時(shí)編碼時(shí)不光要考慮分集增益（分集度）的最大化，還要考慮到分集度與空分多路（自由度）的最大化?？傊?，分集技術(shù)的研究重點(diǎn)趨向于空間分集技術(shù)的細(xì)化以及空間分集與其他分集技術(shù)乃至多路復(fù)用技術(shù)的結(jié)合。2交織技術(shù)在數(shù)字通信中，尤其是在現(xiàn)代數(shù)字移動(dòng)通訊中，通常采用信道編碼來(lái)提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，其中一些信道編碼加入了交織模塊，以進(jìn)一步提高抗干擾性能。通常意義下，交織技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是可以大大降低數(shù)據(jù)突發(fā)錯(cuò)誤的影響。交織以時(shí)間為代價(jià)，屬于時(shí)間的隱分集。2.1交織技術(shù)概述在短波、超短波無(wú)線信道中突發(fā)錯(cuò)誤與隨機(jī)偶發(fā)錯(cuò)誤并存，但占主體的是連續(xù)突錯(cuò)誤[9]。最常用的線性分組碼只對(duì)隨機(jī)偶發(fā)錯(cuò)誤有效，對(duì)一定持續(xù)時(shí)間的突發(fā)錯(cuò)誤沒有效果。在陸地移動(dòng)通信這種變參信道上，持續(xù)較長(zhǎng)的深衰落谷點(diǎn)會(huì)影響到相繼一串的比特，使比特差錯(cuò)常常成串發(fā)生。然而，信道編碼僅能檢測(cè)和校正單個(gè)差錯(cuò)和不太長(zhǎng)的差錯(cuò)串。為了解決成串的比特差錯(cuò)問題，我們要找到一種技術(shù)，針對(duì)突然錯(cuò)誤，將信道錯(cuò)誤的相關(guān)性減小，即它能把一條消息中的相繼比特分散開，即一條信息中的相繼比特以非相繼方式發(fā)送，這樣即使在傳輸過(guò)程中發(fā)生了成串差錯(cuò)，恢復(fù)成一條相繼比特串的消息時(shí)，差錯(cuò)也就變成單個(gè)（或者長(zhǎng)度很短）的錯(cuò)誤比特，這時(shí)再用信道糾正隨機(jī)差錯(cuò)的編碼技術(shù)消除隨機(jī)差錯(cuò)，這種技術(shù)就是交織技術(shù)。交織的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是交織深度，當(dāng)交織深度足夠大時(shí)，就可把連續(xù)的突發(fā)錯(cuò)誤離散成獨(dú)立的隨機(jī)錯(cuò)誤[8,9]。交織深度越大，抗突發(fā)差錯(cuò)能力也就越強(qiáng)，但隨著交織深度越大，交織編碼處理時(shí)間越長(zhǎng)，從而造成數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延增大，也就是說(shuō)，交織編碼是以時(shí)間為代價(jià)的。圖2.1是交織原理的示意圖。圖2.1交織原理示意圖2.2交織器的基本概念及分類交織器從其本質(zhì)上來(lái)說(shuō)就是一種實(shí)現(xiàn)最大限度的改變信息結(jié)構(gòu)而不改變信息內(nèi)容的器件。從傳統(tǒng)上來(lái)講就是使信道傳輸過(guò)程中所突發(fā)產(chǎn)生集中的錯(cuò)誤最大限度的分散化。因此，有文獻(xiàn)提出了，“數(shù)據(jù)置亂器”這個(gè)稱呼更加符合交織器其本質(zhì)。圖2.2是一個(gè)最基本的交織器框圖。對(duì)于一個(gè)信息序列A，i時(shí)刻從交織器輸出的第i個(gè)信息位對(duì)應(yīng)于輸入的第π(i)個(gè)信息位。對(duì)于一個(gè)實(shí)際應(yīng)用的交織器來(lái)說(shuō)它是有周期性的，可以用式π(i)-T=π(i-T)來(lái)表示，這里的T就是通常所說(shuō)的交織長(zhǎng)度。由此可以將交織器的基本原理用基本置換矩陣來(lái)表示，其中第一行代表的是原信息、序列中的各信息位，而第二行則代表的是經(jīng)過(guò)交織后信息序列中的各信息位，這是最基本的置換。事實(shí)上，無(wú)論采用什么樣的交織方法,最終都可以歸結(jié)為上述矩陣所示的形式[9]。圖2.2基本交織器框圖交織器有兩種類型:周期式交織器和偽隨機(jī)式交織器,其中周期式交織器包含分組交織器和卷積交織器。下面將分別進(jìn)行介紹。圖2.2基本交織器框圖（1）周期交織器a)分組交織器012345678圖2.3(a)3*3塊寫入順序：012345678LR/TB排列順序：036147258LR/BT排列順序：630741852RL/TB排列順序：258147036RL/BT排列順序：852741630圖2.3(b)四種經(jīng)典排列順序首先是分組交織器，它的一般原理是:將個(gè)待交織編碼的數(shù)據(jù)位放入m行n列矩陣中，一般來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)按行寫入存儲(chǔ)器單元矩陣,按列讀出。交織矩陣的行數(shù)一般又叫做交織器的深度，交織器的列數(shù)被稱作交織器的寬度。解交織是其逆過(guò)程，將接受信息按列存放到m行n列的矩陣中，然后按行讀出。經(jīng)典的分組交織器有四種變化形式,分別是：LR/TB、LR/BT、RL/TB、012345678圖2.3(a)3*3塊寫入順序：012345678LR/TB排列順序：036147258LR/BT排列順序：630741852RL/TB排列順序：258147036RL/BT排列順序：852741630圖2.3(b)四種經(jīng)典排列順序除了經(jīng)典的分組交織以外,還可以以其他的規(guī)則放入讀出。還經(jīng)常采用的是對(duì)角交織和螺旋交織器。簡(jiǎn)單地說(shuō),對(duì)一個(gè)矩陣,可以采用按行寫入,按對(duì)角線的方式讀出。對(duì)于對(duì)角交織，是行寫，然后從第一行的第一個(gè)元素開始以對(duì)角方式讀出，而螺旋交織器則是行寫，然后從最后一行的第一元素開始以對(duì)角的方式讀出，如圖2.4所示。圖2.4(a)對(duì)角交織 圖2.4(b)螺旋交織分組交織器的優(yōu)點(diǎn)是：它的交織與解交織比較容易實(shí)現(xiàn)；它的時(shí)延性也相對(duì)較好。但分組交織器也存在較為明顯的缺點(diǎn)：它很難使交織前后序列的相關(guān)性為0，即交織前后一般都會(huì)存在不動(dòng)點(diǎn)。并且由于它的周期性，很有可能將隨機(jī)獨(dú)立差錯(cuò)交織成連續(xù)突發(fā)差錯(cuò)。b)卷積交織器卷積交織器是數(shù)據(jù)多路讀入和讀出到一些固定的移位寄存器中,它也可稱做多路交織器。卷積交織器是一種實(shí)時(shí)性比較好的交織器，它的交織與解交織的輸入與輸出計(jì)算都是由B條寄存器組成的支路來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖2.5是卷積交織器的原理圖。由圖可見，交織器的輸入端的輸入符號(hào)數(shù)據(jù)按順序分別進(jìn)入B條支路延時(shí)器,每一路延時(shí)不同的符號(hào)周期。第一路無(wú)延時(shí),第二路延時(shí)M個(gè)符號(hào)周期,第三路延時(shí)2M個(gè)符號(hào)周期,…,第B路延時(shí)(B-1)M個(gè)符號(hào)周期。交織器的輸出端按輸入端的工作節(jié)拍分別同步輸出對(duì)應(yīng)支路經(jīng)延時(shí)的數(shù)據(jù)。卷積交織每條支路符號(hào)數(shù)據(jù)的延時(shí)節(jié)拍為di=(i-1)MB,i=1,2,…,B。解交織器的延時(shí)數(shù)與交織器相反。圖2.5卷積交織器原理圖（2）偽隨機(jī)交織器圖2.5卷積交織器原理圖顧名思義，隨機(jī)交織器應(yīng)該實(shí)現(xiàn)的思想便是隨機(jī)交織過(guò)程，但是我們現(xiàn)在所說(shuō)的隨機(jī)交織器大部分恰當(dāng)?shù)膩?lái)講應(yīng)該稱之為偽隨機(jī)交織器。偽隨機(jī)交織器的一般原理：交織器首先讀人長(zhǎng)度為N的輸入比特然后隨機(jī)將信息比特讀出交織器。其最基本的工作原理是：對(duì)于長(zhǎng)為n的信息序列,首先標(biāo)記每個(gè)比特的位置,然后生成相應(yīng)n個(gè)[0,1]之間的隨機(jī)數(shù)，按產(chǎn)生的順序排列成序列X，每個(gè)隨機(jī)數(shù)對(duì)應(yīng)于信息序列中相應(yīng)位置的信息比特，然后把X中元素按一定的規(guī)則重新排列得到新的序列Y，并按Y中元素的順序讀出相應(yīng)的信息比特，這樣就完成了交織。譬如,按順序生成的4個(gè)隨機(jī)數(shù)分別為0.7320，0.3120，0.5216，0.7153；若規(guī)則是按從大到小順序排列，則交織后的輸出(0.7320，0.7153，0.5216，0.3120)→(d1,d4,d3,d2)。此即信息序列的讀出順序。隨機(jī)交織器的隨機(jī)性能主要取決于隨機(jī)數(shù)的產(chǎn)生方式、交織器的主要參數(shù)和取值的選取等方面。現(xiàn)在主要有利用基于線性取余法的貝斯一德拉姆洗牌技術(shù)以及對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行隨機(jī)抽樣產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)的方法。貝斯一德拉姆技術(shù)主要是利用式[11]:產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)，并使數(shù)之間存在下述的串行相關(guān)性：，顯然m的取值越大，交織前后序列的相關(guān)性就越小，所以效果就會(huì)更好。采用這種交織方法產(chǎn)生的交織器順序是隨機(jī)的，這也決定了它未必是最好的,但是應(yīng)該看到性能最好的交織器也肯定能由它產(chǎn)生。當(dāng)碼長(zhǎng)很長(zhǎng)的時(shí)候，由它直接產(chǎn)生的交織器的性能較好，但當(dāng)碼長(zhǎng)較短的時(shí)候，往往不能直接找到性能理想的交織器。人們?cè)诖嘶A(chǔ)上提出了各種改進(jìn)方法。比較具有代表性的有以下三種：S隨機(jī)交織器S隨機(jī)交織器是一種半隨機(jī)的交織器，它的隨機(jī)數(shù)的產(chǎn)生原理于前面所述類似，但有一個(gè)約束條件，就是要生成一個(gè)長(zhǎng)度為n的隨機(jī)序列，使得每一個(gè)數(shù)與前面s個(gè)數(shù)的距離(差值)都大于s，將每一個(gè)新生成的隨機(jī)數(shù)與它之前產(chǎn)生的s位以內(nèi)的隨機(jī)數(shù)相比較。如果兩者之差的絕對(duì)值大于正整數(shù)s,那么我們認(rèn)為它是符合條件的,否則要再新產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù),繼續(xù)比較,直到符合條件。計(jì)算機(jī)模擬顯示,當(dāng)時(shí),總可以找到相應(yīng)的序列使它滿足s偽隨機(jī)交織器的要求[11]。T隨機(jī)交織器這種交織器其實(shí)是一種特殊的S-隨機(jī)交織器，它要求碼字中的任何一對(duì)相鄰的信息位在交織后的距離要大于整個(gè)碼的約束長(zhǎng)度，它只適合于那些由重量為2且兩個(gè)，“l(fā)”信息元相鄰K個(gè)單位的碼而產(chǎn)生的最小漢明重量的信息序列。一般來(lái)講，只有采用k=3的卷積碼才能產(chǎn)生出符合此種要求的隨機(jī)交織器。S-T隨機(jī)交織器此交織器其是對(duì)S隨機(jī)交織器和T隨機(jī)交織器兩種產(chǎn)生條件的綜合，實(shí)現(xiàn)起來(lái)就更加困難了，屬于較為特殊的隨機(jī)交織器。綜上所述，這些設(shè)計(jì)方法可以極大的避免了短循環(huán)事件的產(chǎn)生（短循環(huán)事件是指的在未加交織與加交織之后都沒有分開序列的兩個(gè)相鄰碼元的事件）。保證了序列分散性和不相關(guān)性。從總體上來(lái)講S-隨機(jī)交織器比較容易生成，而且生成速度較快，是較為理想的隨機(jī)交織器，而其它兩種只是在特殊場(chǎng)合下才得以應(yīng)用。2.3交織技術(shù)在Turbo碼中的應(yīng)用可以說(shuō)隨機(jī)交織器是隨著Turbo碼的產(chǎn)生而被日益廣泛的應(yīng)用起來(lái)的。Turbo碼中交織器的主要作用是對(duì)輸入信息序列的比特順序進(jìn)行重置,使交織前后的序列相關(guān)性減小，同時(shí)增加碼的自由距離,從而提高Turbo碼的譯碼性能。交織器設(shè)計(jì)的優(yōu)劣是決定Turbo碼性能的關(guān)鍵因素。交織器的設(shè)計(jì)直接影響Turbo碼的糾錯(cuò)能力,交織類型和交織深度的不同也會(huì)在譯碼時(shí)延、抗突發(fā)性錯(cuò)誤能力等性能指標(biāo)中反映出來(lái)。通過(guò)理論研究表明,碼重為2的信息，直接影響著Turbo碼的糾錯(cuò)性能[6,10]。所以，好的交織器首先應(yīng)能把低重量的輸入序列中連續(xù)“1”比特分散。Turbo碼交織器的特點(diǎn)和基本設(shè)計(jì)原則如下[6]：(1)通過(guò)增加交織器的長(zhǎng)度,可以使譯碼性能得到提高；(2)交織器應(yīng)該使輸入序列盡可能地隨機(jī)化,從而避免編碼生成低重碼字的信息序列在交織后仍舊生成低重碼字,導(dǎo)致Turbo碼的自由距離減小。在Turbo碼編碼器中引入交織器的目的是實(shí)現(xiàn)隨機(jī)性編碼,但在交織長(zhǎng)度有限的實(shí)際情況下,實(shí)現(xiàn)完全隨機(jī)編碼是不可能的。交織長(zhǎng)度越短,隨機(jī)性越差,按照一定的確定規(guī)則設(shè)計(jì)的交織器可以得到比隨機(jī)交織器更好的性能。而交織長(zhǎng)度較大時(shí),隨機(jī)交織器或滿足一定距離屬性要求的隨機(jī)交織器可以獲得比較好的性能。事實(shí)上，在Turbo碼中是可以利用任何一種交織器的，只是由于針對(duì)誤碼率，通信延時(shí)或幀長(zhǎng)等一系列性能要求，我們就必須選擇一個(gè)能使編碼整體性能有所保障的最佳交織器，下面就結(jié)合各種交織器的優(yōu)缺點(diǎn)將其在Turbo碼不同場(chǎng)合下應(yīng)用中的情況簡(jiǎn)要的分析一下：a)在傳輸信息幀較短的通信系統(tǒng)中應(yīng)用Turbo碼，采用分組交織更有利一些。這是由于隨機(jī)交織器在數(shù)據(jù)幀較短時(shí)計(jì)算產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)之間存在著較大的相關(guān)性。從現(xiàn)有的分析及計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果可以得知對(duì)于幀長(zhǎng)較短的信息序列，當(dāng)信噪比(SNR)較低時(shí)，分組交織器的性能要優(yōu)于隨機(jī)交織器性能。就是在信噪比較大時(shí)，前者還是稍優(yōu)于后者的。b)而當(dāng)傳輸信息幀較大時(shí)，采用分組交織器的Turbo碼要比采用隨機(jī)交織器在譯碼性能的體現(xiàn)上遜色不少。這是由于隨著交織長(zhǎng)度的增大，分組交織前后信息序列的比特位不動(dòng)點(diǎn)增多，相關(guān)性加大，而隨機(jī)交織器隨機(jī)數(shù)的產(chǎn)生卻越來(lái)越均勻，交織前后序列相關(guān)性將逐漸減小。但是相對(duì)于分組交織器它的生成時(shí)間卻會(huì)變得越來(lái)越長(zhǎng)，從而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)時(shí)延的增大。所以，在信息幀長(zhǎng)較長(zhǎng)且對(duì)譯碼精確度要求較高但卻不要求太高的實(shí)時(shí)性的通信系統(tǒng)中，最好是采用隨機(jī)交織器。這樣就可以使得Turbo碼的整體性能達(dá)到最佳狀態(tài)，例如，宇航器與地面之間的通信等。因此，在時(shí)延性要求不高的場(chǎng)所，選用隨機(jī)交織器性能更優(yōu)。2.4小結(jié)以上只是基于一些基本情況，分析了各種交織器優(yōu)劣及所應(yīng)用的場(chǎng)合，在實(shí)際中不同的通信系統(tǒng)會(huì)有不同的要求，這就需要我們?cè)谧袷鼗镜慕豢椩瓌t下綜合考慮其他諸如硬件實(shí)現(xiàn)、造價(jià)等因素而靈活的選擇交織器，從而達(dá)到使碼的整體性能最佳的目的。交織技術(shù)的研究還有許多問題需要解決[8]，主要表現(xiàn)在以下方面：（1）交織技術(shù)是一種十分有效的方法,它可以在基本不增加或增加很少的成本的條件下提高信道編碼的糾錯(cuò)能力。（2）至今仍沒再非常嚴(yán)格的理論推導(dǎo)證明來(lái)找到最佳的隨機(jī)交織器。所以許多設(shè)計(jì)方法最終只能通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果來(lái)說(shuō)明問題。（3）交織器在通信系統(tǒng)其他方面的應(yīng)用也有待研究和開發(fā)。

3協(xié)同通信3.1協(xié)同通信的提出3.1.1空間分集分集技術(shù)是一種常用的抵抗衰落的方法，基本可以分為時(shí)間分集、頻率分集、空間分集。就時(shí)間分集、頻率分集和空間分集三者而言，空間分集在保證數(shù)據(jù)傳輸速率的同時(shí)，還能獲得極大的分集增益，是減小多徑衰落的有效途徑，因而成為第四代移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)之一?？臻g分集根據(jù)發(fā)射或接收是否使用多根天線，可以分成兩類：接收分集和發(fā)送分集。接收分集也稱為單輸入多輸出(SIMO)系統(tǒng)，發(fā)送分集也稱為多輸入單輸出(MISO)系統(tǒng)。SIMO和MISO技術(shù)的發(fā)展自然演變成多輸入多輸出(MIMO)系統(tǒng)，即在無(wú)線鏈路的兩端都使用多根天線。ETelatar[12]和J.Foshini[13]分別證明了MIMO系統(tǒng)與SIMO和MISO系統(tǒng)相比，可以顯著提高信道容量，且獲得的信道容量突破了傳統(tǒng)的SISO系統(tǒng)信道容量的瓶頸，是Shannon信道容量的推廣。圖3.1給出了MIMO系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。空時(shí)空時(shí)編碼空時(shí)解碼h11h12x1x2xMy2y1yN圖3.1MIMO系統(tǒng)結(jié)構(gòu)MIMO技術(shù)可以達(dá)到空間分集的效果，在實(shí)際的無(wú)線系統(tǒng)中，基站端安裝多天線并不困難，但是在移動(dòng)終端，考慮到設(shè)備成本，工藝技術(shù)的限制，裝備多根天線是十分困難的。協(xié)作分集[14,15]就是在這樣的背景下，基于中繼傳輸?shù)脑戆l(fā)展起來(lái)的。3.1.2中繼信道模型含有三個(gè)節(jié)點(diǎn)的基本(古典)中繼信道[16]是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中最早的節(jié)點(diǎn)間協(xié)作的例子。該網(wǎng)絡(luò)中的中繼節(jié)點(diǎn)可以輔助源節(jié)點(diǎn)向目的節(jié)點(diǎn)傳輸信息，如圖3.2所示。AACBXYY1X1廣播接入源節(jié)點(diǎn)目的節(jié)點(diǎn)中繼節(jié)點(diǎn)圖3.2基本中繼信道在該信道中源節(jié)點(diǎn)A發(fā)射信號(hào)X，經(jīng)過(guò)衰落和噪聲污染后被中繼節(jié)點(diǎn)B和目的節(jié)點(diǎn)C接收。B基于接收到的信號(hào)X傳輸另一個(gè)信號(hào)X1到C。這個(gè)模型可以分解為一個(gè)廣播信道(A傳輸，B和C接收)和一個(gè)多用戶接入信道(A和B傳輸，C接收)。該基本中繼信道有助于在加性高斯噪聲環(huán)境下提高源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的端到端容量。單中繼節(jié)點(diǎn)的中繼模型在結(jié)構(gòu)上與基本中繼信道類似，但是中繼僅輔助源節(jié)點(diǎn)的傳輸。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)資源允許多個(gè)空間分布的中繼協(xié)同工作時(shí)，中繼信道的模型與結(jié)構(gòu)將呈現(xiàn)多跳、多分支的特點(diǎn)[17]。這里多中繼意味著更多的資源分配，系統(tǒng)要把整個(gè)可用頻帶、時(shí)隙劃分為多個(gè)正交的獨(dú)立子信道。中繼節(jié)點(diǎn)1中繼節(jié)點(diǎn)1源節(jié)點(diǎn)中繼節(jié)點(diǎn)2目的節(jié)點(diǎn)目的節(jié)點(diǎn)源節(jié)點(diǎn)中繼節(jié)點(diǎn)1中繼節(jié)點(diǎn)2圖3.3：并行中繼信道圖3.4：多跳中繼信道圖3.3為并行中繼信道，目的節(jié)點(diǎn)通過(guò)并行分支的合并獲得分集增益。圖3.4為多跳中繼信道，來(lái)自源節(jié)點(diǎn)的信號(hào)經(jīng)過(guò)多個(gè)級(jí)聯(lián)的鏈路(多跳)后到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)之間的距離很大時(shí)，多跳傳輸具有節(jié)省路徑損耗的優(yōu)點(diǎn)，它可以帶來(lái)多跳分集(MultihopDiversity)增益。3.1.3協(xié)同分集技術(shù)協(xié)作分集技術(shù)使得單天線移動(dòng)終端可以獲得MIMO系統(tǒng)才能帶來(lái)的好處。協(xié)作分集的基本思想就是單天線的移動(dòng)終端在多用戶情況下通過(guò)分享其他用戶的天線，從而創(chuàng)建了一個(gè)虛擬的MIMO系統(tǒng)。圖3.5：兩用戶協(xié)同通信示意圖以圖3.5所示的蜂窩小區(qū)兩用戶協(xié)同場(chǎng)景為例，兩用戶向基站上行傳輸數(shù)據(jù)。首先用戶間通過(guò)某種方式獲得對(duì)方需要傳輸?shù)男畔ⅲ俳?jīng)過(guò)自己至基站的信道傳輸該信息，這樣，同一信息經(jīng)過(guò)相互獨(dú)立的信道到達(dá)基站，從而獲得分集。從本質(zhì)上說(shuō)，協(xié)作分集就是希望借助于合作伙伴的天線，與其自身天線共同構(gòu)造多發(fā)射天線，并通過(guò)模仿傳統(tǒng)的多發(fā)射天線分集來(lái)獲得空間分集增益。3.1.4協(xié)同分集的特點(diǎn)(1)提高鏈接性能。在塊衰落信道中，協(xié)同分集很顯然比沒有協(xié)同要提高性能，即便是協(xié)同的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的信道很差，使用恰當(dāng)?shù)姆旨呗砸膊粫?huì)比沒有協(xié)同糟糕。(2)延長(zhǎng)電池壽命。尤其是在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，低能耗是首要考慮的問題。而協(xié)同分集由于能夠提高性能。在保證同樣性能的情況下，利用合適的協(xié)同技術(shù)無(wú)疑會(huì)減小單個(gè)節(jié)點(diǎn)的能耗。這無(wú)疑也延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的壽命。(3)提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋率。在某些情況下，源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)之間的鏈路無(wú)法建立時(shí)，中繼節(jié)點(diǎn)的中轉(zhuǎn)作用將在源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)間建立一個(gè)可能的鏈路。(4)發(fā)送端和接收端節(jié)約能量。終端能耗問題是4G的一個(gè)瓶頸。而協(xié)同分集技術(shù)無(wú)疑可以通過(guò)共享來(lái)增加各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的使用壽命，當(dāng)然輻射也大大降低。(5)高頻率效率。有幾種提高頻普效率的手段：發(fā)送分集增益，陣列增益，空間復(fù)用增益，同信道干擾抑制，而協(xié)同分集無(wú)論狹義協(xié)同，或者廣義協(xié)同，都無(wú)疑增加了頻譜效率。(6)提高網(wǎng)絡(luò)容量。通過(guò)合適的協(xié)同空時(shí)碼，或者合適的協(xié)同方式，可以增加網(wǎng)絡(luò)容量。3.2協(xié)同通信的方法協(xié)作分集可以有多種分類方式，按照接入方式可以分為正交協(xié)同分集和非正交協(xié)同分集，按中繼實(shí)現(xiàn)方式可以分為：放大轉(zhuǎn)發(fā)（AF）協(xié)同模式，解碼轉(zhuǎn)發(fā)（DF）協(xié)同模式和編碼協(xié)同（CC）模式。3.2.1放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)同模式放大轉(zhuǎn)發(fā)[18](Amplify-and-Forwardmethod,AF)，顧名思義是指中繼節(jié)點(diǎn)不對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和解碼，而是直接將收到的信號(hào)進(jìn)行模擬處理后轉(zhuǎn)發(fā)。這是采用最早的一種協(xié)作模式。AF的原理如圖3.6所示，參與協(xié)作的中繼節(jié)點(diǎn)也稱為伙伴，對(duì)于收到的來(lái)自源節(jié)點(diǎn)的信號(hào)，直接進(jìn)行發(fā)射幅度（功率）調(diào)整，然后轉(zhuǎn)發(fā)給基站。圖3.6：AF模式示意圖AF方式可以看成是具有兩個(gè)發(fā)射端的重復(fù)碼，唯一不同的是伙伴節(jié)點(diǎn)將自身接收到的噪聲信號(hào)也放大并發(fā)送到目的節(jié)點(diǎn)了。目的節(jié)點(diǎn)通過(guò)合并不同時(shí)刻接收到的信號(hào)，對(duì)源節(jié)點(diǎn)的發(fā)送信號(hào)進(jìn)行估計(jì)。3.2.2解碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)同模式解碼轉(zhuǎn)發(fā)[14,15](Decode-and-Forwardmethod,DF)，顧名思義是指伙伴要先對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，解碼(視是否編碼而定)和估計(jì)，然后將數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼調(diào)制后傳輸給目的節(jié)點(diǎn)。作為中繼要對(duì)接收到的來(lái)自用戶的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)或解碼，在編碼和調(diào)制恢復(fù)信號(hào)后發(fā)射信號(hào)。DF的原理如圖3.7所示。圖3.7：DF模式示意圖該模式的設(shè)計(jì)初衷是在伙伴節(jié)點(diǎn)處消去高斯白噪聲，從而避免AF模式中伙伴對(duì)噪聲功率的放大。但是，伙伴采用的解碼往往是接收信號(hào)的非線性變換，雖然可以減少接收噪聲的影響，但是卻也會(huì)因?yàn)橐胨ヂ涠剐阅苁艿较拗啤Ａ硗?，伙伴?jié)點(diǎn)如果對(duì)數(shù)據(jù)作出了錯(cuò)誤的判決，那么這個(gè)錯(cuò)誤將被進(jìn)一步傳播。為了避免這種情況的出現(xiàn)，伙伴節(jié)點(diǎn)處可以采用循環(huán)冗余校驗(yàn)技術(shù)(CRC)，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行檢查，如果正確就轉(zhuǎn)發(fā)給目的端，錯(cuò)誤就將數(shù)據(jù)幀丟棄。伙伴節(jié)點(diǎn)采用CRC校驗(yàn)的示意圖如圖3.8所示。圖3.8：中繼采用CRC示意圖中繼接收到信號(hào)后，將對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和解碼(如果沒有編碼則不需要解碼)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗(yàn)，如果數(shù)據(jù)正確，就按照信源的編碼調(diào)制方式將信號(hào)進(jìn)行編碼(如果有編碼)和調(diào)制，再將數(shù)據(jù)以每符號(hào)能量E1發(fā)射出去；如果數(shù)據(jù)不正確即將幀丟棄。在中繼界接收數(shù)據(jù)幀正確時(shí)在目的節(jié)點(diǎn)可采用某一方式進(jìn)行最大比合并，再進(jìn)行判決。3.2.3編碼協(xié)同模式編碼協(xié)同[19](CodedCooperation,CC)的基本思想是：每個(gè)用戶都試圖為它的伙伴傳送冗余信息。當(dāng)這一操作無(wú)法實(shí)現(xiàn)時(shí)，用戶就自動(dòng)返回到非編碼協(xié)作模式，傳輸自己后續(xù)的信息。編碼協(xié)作有效性的關(guān)鍵是：所有這些操作都在編碼設(shè)計(jì)下自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，用戶間無(wú)需傳送反饋信息，即無(wú)需知道用戶間信道狀態(tài)信息。普通編碼協(xié)同的基本原理是中繼用戶傳輸?shù)膶⒉辉偈桥c信源相同的數(shù)據(jù)信號(hào)，而是增加的冗余。其實(shí)現(xiàn)方式是通過(guò)將一個(gè)信道編碼碼字分割為兩個(gè)部分，分別由信源和中繼傳輸，以期在信宿處獲得編碼增益。具體的編碼協(xié)作方案如圖3.9所示。圖3.9編碼協(xié)作方案在協(xié)作通信時(shí)將要發(fā)送的信息編成碼字后分成兩段，分別含有N1和N2bit，那么原始的碼長(zhǎng)就是N1+N2bit，其中N1bit是想要的信息位，N2bit是校驗(yàn)碼。發(fā)送需要兩個(gè)時(shí)隙來(lái)分別發(fā)送N1和N2兩部分信息，發(fā)送這些信息的時(shí)隙稱為幀。以用戶1為例，在第一個(gè)時(shí)隙，用戶1傳輸碼字的第一部分，用戶2和基站接收。如果用戶2成功接收用戶1的第一幀(與有校驗(yàn)DF相同，可由CRC校驗(yàn)判斷)，第二個(gè)時(shí)隙，用戶2將傳輸用戶1的第二幀(碼字的第二部分)；如果用戶2沒有成功接收用戶1的第一幀(與有校驗(yàn)DF相同，可由CRC校驗(yàn)判斷)，那么在第二個(gè)時(shí)隙，用戶2將傳輸自己的碼字第二部分。這樣一來(lái)，就有四種可能的協(xié)作情況，如圖3.10所示。情況1：在第一幀時(shí)，兩用戶都成功地對(duì)伙伴信息進(jìn)行正確譯碼，所以在第二幀它們都傳輸其伙伴的比特信息。情況2：在第一幀時(shí)，兩用戶都不能成功地對(duì)伙伴數(shù)據(jù)進(jìn)行正確譯碼，系統(tǒng)此時(shí)返回到非協(xié)作模式。情況3：在第一幀時(shí)用戶2可以成功地對(duì)用戶1信息進(jìn)行正確譯碼，但用戶1不能成功地對(duì)用戶2信息進(jìn)行正確譯碼。從而在第二幀時(shí)，用戶2的N1比特則不被傳輸。情況4：和第三種情況相反。圖3.10：四種普通編碼協(xié)作方式這樣的話，在第3種情況用戶2的第二部分碼字在兩個(gè)幀都不會(huì)被發(fā)送，在第四種情況下用戶1的第二部分碼字在兩個(gè)幀都不會(huì)被發(fā)送。如果用戶間信道是不對(duì)稱或者時(shí)分的，情況3和4都可能發(fā)生，可能造成相當(dāng)大的性能損失。為了解決這個(gè)問題，引入了空時(shí)編碼技術(shù)[20]，提出空時(shí)編碼協(xié)同分集(STCC)方案。如圖3.11所示。圖3.11：情況1下無(wú)協(xié)作、普通編碼協(xié)作和空時(shí)編碼協(xié)作之比較STCC模式在第二幀，各用戶始終保留部分能量傳輸自己的第二部分碼字，而只用部分能量參與協(xié)作。于是在第二幀，同一接入信道兩個(gè)不同天線上可能傳輸相同數(shù)據(jù)，兩個(gè)用戶在第二幀內(nèi)可以采用空時(shí)編碼發(fā)射數(shù)據(jù)來(lái)獲得分集。研究表明[20]，引入STCC之后，在快衰落環(huán)境中，上行信道條件較差的用戶性能明顯改善，而上行信道條件較好的用戶性能不僅沒有損失，而且還有所改善。可見，由于將空域分集和時(shí)域分集的優(yōu)勢(shì)同時(shí)發(fā)揮，STCC使系統(tǒng)性能得到很大的提升。3.2.4性能和優(yōu)缺點(diǎn)比較差錯(cuò)概率性能分析：圖3.12：各種不同協(xié)同模式的性能對(duì)比上圖給出了單伙伴各類不同協(xié)作模式的性能對(duì)比。兩個(gè)用戶與基站之間(上行鏈路)有相同的平均信噪比(SNR)，而兩個(gè)用戶之間信道的平均SNR比上行鏈路低10dB。由圖可見，隨著SNR的增加，即使信源(Ts)-中繼(Tr)之間的信道條件劣于信源(Ts)-信宿(Td)，分集增益依然是比較明顯的，其中差錯(cuò)性能從高到低依次是CC、DF和AF。優(yōu)缺點(diǎn)比較：=1\*GB3①放大轉(zhuǎn)發(fā)(AF)模式是最簡(jiǎn)單的一種方法，伙伴節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜度最低，且在高信噪比時(shí)，可以達(dá)到滿分集增益。然而在用戶間信道條件較差時(shí)，伙伴節(jié)點(diǎn)放大的主要是自己收到的噪聲，此時(shí)分集增益不明顯。=2\*GB3②解碼轉(zhuǎn)發(fā)(DF)模式可以在轉(zhuǎn)發(fā)前消去高斯白噪聲，使用CRC校驗(yàn)可以防止差錯(cuò)傳播，但這是以犧牲頻譜效率為代價(jià)的。在低信噪比時(shí)，CRC校驗(yàn)反而會(huì)使系統(tǒng)性能下降，不如不校驗(yàn)。這是因?yàn)閬G棄幀會(huì)損失一定的能量，從而降低信號(hào)接收端的信噪比。=3\*GB3③AF和DF模式都存在重復(fù)傳輸，這導(dǎo)致信道利用率不高。編碼協(xié)作(CC)的設(shè)計(jì)初衷是在協(xié)作中提供比重復(fù)碼更高效的編碼方式，從而帶來(lái)更多的編碼增益。AF和DF模式都假設(shè)協(xié)作雙方均知道用戶間的信道狀態(tài)信息(CSI)，這意味著需要使用特定的信道估計(jì)方案。CC模式無(wú)需估計(jì)用戶間的信道狀況，通過(guò)編碼來(lái)控制第二步協(xié)作，在性能上有很大優(yōu)勢(shì)，尤其是引入空時(shí)編碼之后。雖然CC模式相對(duì)于AF和DF在性能上有優(yōu)勢(shì)，但伙伴節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜度最高，因?yàn)橐冉獯a后編碼。另外，伙伴節(jié)點(diǎn)處的信號(hào)處理也導(dǎo)致時(shí)延增大。3.3協(xié)同通信的前景和存在的問題3.3.1協(xié)同通信的前景協(xié)同通信技術(shù)固有的優(yōu)勢(shì)決定了其在未來(lái)無(wú)線通信中占有一席之地，在第四代移動(dòng)通信(the4thGeneration，4G)方面，其發(fā)展及演進(jìn)問題是當(dāng)前無(wú)線通信的研究熱點(diǎn)。4G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，對(duì)協(xié)同通信技術(shù)是一種機(jī)遇，也是一種挑戰(zhàn)。4G被視為一個(gè)匯聚平臺(tái)，存在著各種不同類型的網(wǎng)絡(luò)；也可以將其視為一個(gè)協(xié)同平臺(tái)，資源通過(guò)協(xié)同在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)共享與交換，故在4G網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)同的概念和原理可以得到充分的體現(xiàn)。在實(shí)現(xiàn)方面4G存在著很多挑戰(zhàn)，其中一些關(guān)鍵技術(shù)可以考慮通過(guò)協(xié)同來(lái)解決。功率效率方面：通過(guò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的協(xié)同對(duì)信源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信號(hào)進(jìn)行中繼，縮短兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的直接傳輸距離，從而減小了信源節(jié)點(diǎn)的功耗負(fù)擔(dān)，同時(shí)同一信息由于通過(guò)了多條獨(dú)立衰落的路徑而獲得了分集增益，提高了服務(wù)質(zhì)量(QualityofService，QoS)。復(fù)雜度方面：4G網(wǎng)絡(luò)要在大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高速率傳輸，則網(wǎng)絡(luò)內(nèi)要配置較為密集的基站與中繼節(jié)點(diǎn)，這就要求終端設(shè)備復(fù)雜度和成本較低。通過(guò)多個(gè)終端的協(xié)同可以共享彼此的計(jì)算能力與資源信息，降低終端的復(fù)雜度。在IEEE802標(biāo)準(zhǔn)方面，目前IEEE已經(jīng)開始考慮將協(xié)同分集技術(shù)運(yùn)用到IEEE802標(biāo)準(zhǔn)中，以克服標(biāo)準(zhǔn)中存在的局限性[21]。IEEE802.15規(guī)定了使用超寬帶的短距離傳輸無(wú)線個(gè)域網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，改變了IEEE802.11中只有接入點(diǎn)可以作為Mesh網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的策略，每個(gè)用戶終端都可以作為Mesh節(jié)點(diǎn)，這就需要在網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的協(xié)同。IEEE802.16j標(biāo)準(zhǔn)(草案)采用協(xié)同中繼技術(shù)提高全球互操作微波接入(WorldwideInteroperabilityforMicrowaveAccess，WiMAX)系統(tǒng)性能，同時(shí)協(xié)同分集技術(shù)已成為IEEE802.16m提案。IEEE802.22是基于認(rèn)知無(wú)線電的無(wú)線區(qū)域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，協(xié)同技術(shù)可以用來(lái)更好的偵聽和探測(cè)信道，并且可以通過(guò)協(xié)同功率控制來(lái)達(dá)到干擾門限的技術(shù)要求?？梢钥吹剑瑓f(xié)同通信有著廣泛的應(yīng)用環(huán)境與前景，將協(xié)同分集用到無(wú)線通信中可以顯著提高無(wú)線通信系統(tǒng)的性能。目前，協(xié)同通信作為一項(xiàng)新興的技術(shù)已經(jīng)引起了無(wú)線通信界的廣泛關(guān)注。3.3.2協(xié)同通信存在的問題(1)同步問題目前大多數(shù)協(xié)同通信的文獻(xiàn)都假定系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)精確同步，即中繼、中繼之間和目的節(jié)點(diǎn)之間都是同步的，但這在實(shí)際系統(tǒng)中，尤其是多個(gè)終端進(jìn)行協(xié)同的系統(tǒng)中，有一定的難度。與有線同步網(wǎng)絡(luò)不同，協(xié)同通信系統(tǒng)中同一信息是由信源和(多個(gè))中繼發(fā)往目的節(jié)點(diǎn)的，受各種衰落的影響，信源發(fā)送的信息到達(dá)各個(gè)中繼和各個(gè)中繼發(fā)送的信息到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的都不同，這給中繼和目的節(jié)點(diǎn)檢測(cè)和處理接收到的信號(hào)帶來(lái)一定的困難。(2)基站檢測(cè)問題目前大多數(shù)協(xié)同通信的文獻(xiàn)都集中于協(xié)同方案設(shè)計(jì)、性能分析等方面，極少數(shù)學(xué)者關(guān)注基站(目的節(jié)點(diǎn))檢測(cè)問題。基站檢測(cè)在協(xié)同通信中也是很重要的一個(gè)部分，檢測(cè)算法的優(yōu)劣直接影響著系統(tǒng)的性能。從基站檢測(cè)角度如低復(fù)雜度檢測(cè)算法出來(lái)反向設(shè)計(jì)協(xié)同方案是個(gè)有趣且有實(shí)際意義的研究方向。(3)上層問題協(xié)同方案不僅涉及物理層的設(shè)計(jì)，而且網(wǎng)絡(luò)層以上也存在很多需要解決的問題，尤其對(duì)多用戶/中繼之間的協(xié)同，如誰(shuí)將和誰(shuí)結(jié)為伙伴？在什么情況下將結(jié)為伙伴？是移動(dòng)臺(tái)自己還是基站來(lái)決定協(xié)同伙伴？參與協(xié)同的各用戶的公平性等。(3)移動(dòng)臺(tái)復(fù)雜度問題在多用戶協(xié)同通信系統(tǒng)中，移動(dòng)臺(tái)必須有能力檢測(cè)上行信號(hào)，增加了移動(dòng)臺(tái)接收機(jī)的復(fù)雜度。當(dāng)然在特定的方案中需要在復(fù)雜度和性能增益間取折衷。與帶來(lái)的復(fù)雜度相比，當(dāng)用戶協(xié)同帶來(lái)的增益較大時(shí)，協(xié)同分集方案還是值得的。事實(shí)上，減小數(shù)據(jù)速率對(duì)信道變化的敏感性是協(xié)同分集的一個(gè)最大的優(yōu)點(diǎn)。這是因?yàn)橐恍?shí)時(shí)業(yè)務(wù)，如話音和視頻，為了保證其實(shí)時(shí)性，對(duì)最小數(shù)據(jù)速率有一定的要求，通過(guò)協(xié)同分集就可以降低中斷概率，從而獲得更好的服務(wù)質(zhì)量。(4)安全問題為了保證協(xié)同伙伴間信息的保密性，在協(xié)同通信系統(tǒng)中，用戶的信息在傳輸之前必須進(jìn)行加密，使移動(dòng)臺(tái)可以檢測(cè)到同伴的信息，但不能解出同伴傳輸?shù)男畔?。這會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜度，且即使未來(lái)系統(tǒng)將采用一定形式的加密(特別對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸)，然而沒有任何調(diào)制技術(shù)能夠保證傳輸?shù)男畔⒌陌踩?，包括CDMA。(5)功率分配問題信源節(jié)點(diǎn)與協(xié)同伙伴之間的功率分配直接會(huì)影響到整個(gè)系統(tǒng)的性能。如果功率分配不當(dāng)，會(huì)造成協(xié)同伙伴之間有的受益匪淺，有的則會(huì)導(dǎo)致電能很快耗盡。因此最優(yōu)功率分配方案是由系統(tǒng)所處場(chǎng)合決定的。當(dāng)僅僅需要保證信源節(jié)點(diǎn)通信的可靠性，以信源節(jié)點(diǎn)的誤碼率性能作為參考標(biāo)準(zhǔn)，整個(gè)系統(tǒng)的功率又受限時(shí)，可以得到一套功率分配的方案；同樣當(dāng)以信源節(jié)點(diǎn)和協(xié)同伙伴兩者的誤碼率性能為參考標(biāo)準(zhǔn)，將得到另一套功率分配方案。3.4協(xié)同通信的應(yīng)用協(xié)同通信被認(rèn)為是一種極具應(yīng)用前景的通信技術(shù)，可期望用在蜂窩移動(dòng)通信中、無(wú)線局域網(wǎng)、AdHoc網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)等系統(tǒng)中,也可用在野戰(zhàn)網(wǎng)、艦隊(duì)編制通信、航空無(wú)線電等軍用通信網(wǎng)絡(luò)中。將協(xié)同通信技術(shù)應(yīng)用在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中，能改善傳輸質(zhì)量提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的壽命。只有當(dāng)信源和中繼間具有很好的信道質(zhì)量時(shí)，協(xié)同才可以達(dá)到最大的可獲取速率。協(xié)同性能很大程度上取決于目的終端能否有效分離源信號(hào)和中繼信號(hào)，為此，必須保證兩者的正交性（有時(shí)分正交，正交擴(kuò)頻碼，頻分正交）。另一個(gè)影響系統(tǒng)性能的是目的終端的所需的信息量，采用方法有幀間插入指示信息和定義似然函數(shù)進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)。4機(jī)會(huì)通信不同用戶在同一時(shí)刻所經(jīng)歷的衰落不同，因此某個(gè)用戶經(jīng)歷深衰落的同時(shí)，另外的用戶可能有很好的信道質(zhì)量，對(duì)于信道質(zhì)量良好的用戶，以高速率進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，而對(duì)那些信道質(zhì)量較差的用戶則以低速率傳輸甚至不傳輸，這就是機(jī)會(huì)通信的概念。機(jī)會(huì)通信就是人為地制造出隨機(jī)波動(dòng)范圍大的信道，采用多用戶分集的方式來(lái)提高系統(tǒng)總的吞吐量[22]。4.1多用戶分集無(wú)線信道的一個(gè)本質(zhì)特性就是信道的衰落特性。分集作為對(duì)抗衰落的一種主要手段得到了廣泛而且深刻的研究。分集可以分為時(shí)間、頻率、空間的分集，其核心思想就是通過(guò)在收發(fā)機(jī)之間產(chǎn)生多個(gè)獨(dú)立的信號(hào)通道來(lái)改善性能，這些分集都屬于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路的范疇。近年的研究提出一種新的分集形式，這種分集是多用戶無(wú)線通信系統(tǒng)所具有的。這種分集就叫做多用戶分集。多用戶分集的概念最早是由Knopp和Humblet提出的，他們關(guān)注的是單小區(qū)上行鏈路，多個(gè)用戶與基站進(jìn)行通信，且這些用戶經(jīng)歷時(shí)變的衰落信道，假設(shè)接收端能夠跟蹤信道信息并將這些信息反饋給發(fā)送端。他們的理論分析顯示，在任意時(shí)刻，將所有信道資源都分配給擁有最強(qiáng)信道的用戶時(shí)，信道容量能被最大化。通常情況下，信道衰落被視為一種不可靠的因素，是需要避免的。而從多用戶分集的角度來(lái)看，衰落卻被視為一種有利的隨機(jī)化因素，是可以被利用的，并通過(guò)調(diào)度信道質(zhì)量最好的用戶來(lái)實(shí)現(xiàn)。信道波動(dòng)的動(dòng)態(tài)范圍越大，峰值越高，多用戶分集增益也就越大[23]。4.1.1多用戶分集與傳統(tǒng)分集方式的比較[24]傳統(tǒng)分集技術(shù)主要指為克服無(wú)線信道的隨機(jī)及衰落特性而提出的相關(guān)技術(shù)(時(shí)間分集、空間分集、角度分集、極化分集等)。是一種宏觀做法，實(shí)現(xiàn)由隨機(jī)信道向AWGN信道的轉(zhuǎn)變。基本思想是基于一定方案將不同徑信號(hào)合并起來(lái)，而不具體考慮各條徑信道特性每一次變化及變化快慢?？梢垣@得分集增益與能量累積的好處。但是傳統(tǒng)分集技術(shù)存在以下問題：1.當(dāng)分集度達(dá)到一定程度時(shí)，分集度的進(jìn)一步增加對(duì)系統(tǒng)性能的改善不大。2.通常需要有多個(gè)節(jié)點(diǎn)參與協(xié)作，帶來(lái)的負(fù)荷較高3.特別地，對(duì)于基于分布式空時(shí)碼的協(xié)作方案來(lái)說(shuō)，對(duì)同步等系統(tǒng)性能要求較高，實(shí)際系統(tǒng)中難以實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)的分集技術(shù)的主要目的是改善慢衰落信道中通信的可靠性，多用戶分集的作用則是增加快衰落信道中的總的吞吐量；傳統(tǒng)分集技術(shù)是為了抵消衰落的負(fù)面影響，但多用戶分集則是利用信道衰落來(lái)改善系統(tǒng)性能；傳統(tǒng)分集技術(shù)適用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路，但多用戶增益的好處是系統(tǒng)級(jí)的，惠及網(wǎng)絡(luò)中的所有用戶。機(jī)會(huì)通信就是利用多用戶分集增益，人為地制造出隨機(jī)波動(dòng)范圍大的信道，來(lái)提高系統(tǒng)總的吞吐量。所以研究機(jī)會(huì)通信是非常有理論探索意義和實(shí)用價(jià)值的。4.1.2多用戶分集性能分析下面對(duì)多用戶分集性能做一個(gè)簡(jiǎn)單分析。首先給出一個(gè)簡(jiǎn)單的無(wú)線通信系統(tǒng)的下行鏈路模型，即只有一個(gè)基站（發(fā)送端）與K個(gè)用戶（接收端）進(jìn)行通信。如圖4.1，圖4.1簡(jiǎn)單的無(wú)線通信系統(tǒng)的下行鏈路模型那么基帶塊衰落信道模型由下式給出：QUOTE其中x(t)是時(shí)隙t的發(fā)送符號(hào)，是用戶k在時(shí)隙t內(nèi)的接收符號(hào)，是時(shí)隙t內(nèi)發(fā)送端到接收端k的衰落信道增益，是獨(dú)立同分布的零均值圓周對(duì)稱高斯隨機(jī)變量。假設(shè)信道衰落是符合塊衰落的，那么信道響應(yīng)在長(zhǎng)度為T的時(shí)隙內(nèi)是恒定不變的。這樣定義就能保證該模型的帶寬足夠窄，信道響應(yīng)是服從平坦衰落的。如果假設(shè)發(fā)送端和接收端都能夠完全跟蹤信道的衰落過(guò)程{}，那么這些下行鏈路可以被視為一系列并行的高斯信道，每個(gè)信道都有其獨(dú)立的衰落狀態(tài)?？偟男诺廊萘?，可以用所有用戶長(zhǎng)時(shí)間平均傳輸速率的和來(lái)定義，若采用TDMA方式，也就是在每個(gè)衰落狀態(tài)下，始終發(fā)給擁有最強(qiáng)信道的用戶。在下圖中，我們給出總的下行信道容量（每s每Hz總的比特?cái)?shù)，bits/s/Hz）與用戶數(shù)的關(guān)系圖，且用戶分別歷經(jīng)獨(dú)立的瑞利衰落信道和AWGN信道。圖4.2Rayleigh衰落信道和AWGN信道的系統(tǒng)總?cè)萘浚ㄆ骄鵖NR＝0dB）從圖4.2中可看出，瑞利衰落信道的容量隨著用戶數(shù)的增加而增加，而AWGN信道的容量與用戶數(shù)量沒有關(guān)系，于是可得出如下的結(jié)論：當(dāng)系統(tǒng)中存在一定數(shù)量的用戶時(shí)，衰落信道的容量要比非衰落信道容量大。這就是多用戶分集效應(yīng)：在一個(gè)多用戶系統(tǒng)中，各用戶之間的信道是獨(dú)立變化的，在任何時(shí)刻總有一個(gè)用戶，它的信道質(zhì)量大于系統(tǒng)的平均SNR，在所有時(shí)刻都讓擁有最強(qiáng)信道的用戶發(fā)送信息，那么系統(tǒng)總的頻譜利用率增加，顯然要比具有相同平均SNR的非衰落信道的頻譜利用率高。為了獲取多用戶分集增益，蜂窩系統(tǒng)需要滿足如下兩個(gè)要求：（1）基站能夠進(jìn)行信道質(zhì)量的測(cè)量：在下行鏈路中，要求接收機(jī)利用下行鏈路公共導(dǎo)頻信號(hào)跟蹤其各自信道的信噪比，并將瞬時(shí)信道質(zhì)量反饋給基站；在上行鏈路中，需要來(lái)自用戶的發(fā)射信號(hào)，從而能夠?qū)λ麄兊男诺蕾|(zhì)量進(jìn)行跟蹤。（2）基站不僅能夠根據(jù)瞬時(shí)信道質(zhì)量調(diào)整數(shù)據(jù)速率，而且能夠安排不同用戶的發(fā)射順序。除了以上兩個(gè)問題之外，在實(shí)現(xiàn)多用戶分集增益之前，還要考慮以下方面的問題：公平性與時(shí)延[25]。在用戶衰落統(tǒng)計(jì)量相同的理想情況下，與最佳信道用戶通信的策略不僅使得系統(tǒng)的總吞吐量最大，而且也使各個(gè)用戶的吞吐量最大。而實(shí)際的數(shù)據(jù)量是不對(duì)稱的，存在距離基站較近平均信噪比較高的用戶，既有靜止的用戶又有運(yùn)動(dòng)的用戶，既有周圍散射環(huán)境復(fù)雜的用戶又有周圍無(wú)散射體的用戶。而且，該策略關(guān)注的僅是最大化長(zhǎng)期平均吞吐量，實(shí)際上還存在對(duì)時(shí)延的要求，滿足時(shí)延尺度上的平均吞吐量最大化是該策略的另一個(gè)性能測(cè)度。為了應(yīng)對(duì)控制多用戶分集時(shí)所面臨的時(shí)延與公平性約束的挑戰(zhàn)，我們考慮一種比例公平調(diào)度算法。調(diào)度器根據(jù)基站之前接收到的來(lái)自移動(dòng)臺(tái)的請(qǐng)求速率決定在各個(gè)時(shí)隙由哪個(gè)用戶發(fā)送信息，最簡(jiǎn)單的調(diào)度器無(wú)論用戶的信道狀態(tài)如何，按照循環(huán)的方式給各個(gè)用戶發(fā)送數(shù)據(jù)。第三代無(wú)線數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IS-856中所使用的調(diào)度算法以一種依賴于信道的方式進(jìn)行調(diào)度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)多用戶分集的利用，其工作過(guò)程如下：在長(zhǎng)度為tc的指數(shù)加權(quán)窗口中跟蹤各個(gè)用戶的平均吞吐量，基站在時(shí)隙m接收到來(lái)自所有用戶的“請(qǐng)求速率”，，調(diào)度算法簡(jiǎn)單地給系統(tǒng)所有激活用戶中/最大的用戶k*發(fā)射信號(hào)，平均吞吐量利用如下指數(shù)加權(quán)低通濾波器進(jìn)行更新：觀察圖4.3和圖4.4就可以對(duì)該算法的工作過(guò)程有一個(gè)更直觀的認(rèn)識(shí)，圖中畫出了兩個(gè)用戶請(qǐng)求速率的樣本路徑與時(shí)隙的函數(shù)關(guān)系。在圖5.2中，兩個(gè)用戶具有相同的衰落統(tǒng)計(jì)量，如果調(diào)度時(shí)間尺度tc遠(yuǎn)大于信道的相干時(shí)間，那么由對(duì)稱性可知，各個(gè)用戶的吞吐量收斂于同一數(shù)值，該調(diào)度算法簡(jiǎn)化為始終選取請(qǐng)求速率最高的用戶。因此，在信道質(zhì)量良好時(shí)安排各用戶發(fā)射信號(hào)，同時(shí)從長(zhǎng)期看，該調(diào)度算法是完全公平的。圖4.3用戶信道統(tǒng)計(jì)量對(duì)稱時(shí)，調(diào)度算法簡(jiǎn)化為請(qǐng)求速率最大的各個(gè)用戶服務(wù)在圖4.3中，由于用戶與基站之間的距離可能不同，所以即使兩個(gè)信道都會(huì)因多徑衰落引起波動(dòng)，但從平均意義上講，一個(gè)用戶的信道可能比另一個(gè)用戶的信道強(qiáng)得多。始終選取請(qǐng)求速率最高的用戶意味著將全部系統(tǒng)資源都分配給統(tǒng)計(jì)意義上更強(qiáng)的用戶，這是極為不公平的。相反，利用上述調(diào)度算法，用戶不是根據(jù)其請(qǐng)求速率競(jìng)爭(zhēng)資源，而是根據(jù)其關(guān)于平均吞吐量的歸一化速率進(jìn)行資源競(jìng)爭(zhēng)，在統(tǒng)計(jì)意義上具有較強(qiáng)信道的用戶將具有更高的平均吞吐量[26]。圖4.4用戶信道統(tǒng)計(jì)量不對(duì)稱時(shí)，調(diào)度算法為延遲時(shí)間內(nèi)接近其峰值的各個(gè)用戶服務(wù)因此，該算法在用戶的瞬時(shí)信道質(zhì)量相對(duì)于其時(shí)間尺度內(nèi)的平均信道條件更好時(shí)對(duì)用戶進(jìn)行調(diào)度。簡(jiǎn)言之，就是在用戶信道接近其自身的峰值時(shí)給其發(fā)送數(shù)據(jù)。由于不同用戶的信道波動(dòng)是相互獨(dú)立的，所以仍能夠獲得多用戶分集增益，于是，如果系統(tǒng)中存在足夠多數(shù)量的用戶，那么在任意時(shí)刻都極有可能存在接近其峰值的用戶。利用比例公平算法可以對(duì)實(shí)際當(dāng)中實(shí)現(xiàn)多用戶分集所涉及的問題有更為深入的認(rèn)識(shí)。圖4.5給出了在如下三種環(huán)境下采用比例公平算法調(diào)度時(shí)1.25MHzIS-856下行鏈路的仿真總吞吐量。（1）固定環(huán)境：用戶是固定的，但其周圍的物體可以運(yùn)動(dòng)（2）低速運(yùn)動(dòng)環(huán)境：用戶以步行速度（3km/h，瑞利分布）運(yùn)動(dòng)（3）高速運(yùn)動(dòng)環(huán)境：用戶以30km/h的速度運(yùn)動(dòng)，瑞利分布為比較公平起見，平均信道增益在上述三種情況下保持相同。在固定環(huán)境和低速運(yùn)動(dòng)環(huán)境下，總的吞吐量隨著用戶數(shù)量而增加，但在低速運(yùn)動(dòng)環(huán)境下增加得更為明顯，雖然在這兩種情況下都存在信道波動(dòng)，但運(yùn)動(dòng)環(huán)境下的動(dòng)態(tài)范圍和波動(dòng)速率較在固定環(huán)境下大，這就意味著在延遲時(shí)間尺度內(nèi)，運(yùn)動(dòng)環(huán)境下的信道波動(dòng)峰值可能更高，并且這些峰值決定了調(diào)度算法的性能。因此，在固定環(huán)境下多用戶分集更為有限。 圖4.5固定環(huán)境下和運(yùn)動(dòng)環(huán)境下的多用戶分集增益那么，由此能夠認(rèn)為高速運(yùn)動(dòng)環(huán)境下的吞吐量增益更高嗎？實(shí)際上，事實(shí)完全相反，此時(shí)的吞吐量幾乎不隨用戶數(shù)量而增加。結(jié)果表明以該速率運(yùn)動(dòng)的接收機(jī)很難跟蹤并預(yù)測(cè)信道波動(dòng)，所以預(yù)測(cè)信道是實(shí)際衰落過(guò)程經(jīng)低通平滑后的結(jié)果。因此，即使實(shí)際信道存在波動(dòng)，如果不知道信道在什么時(shí)候狀態(tài)良好也不可能實(shí)現(xiàn)機(jī)會(huì)通信。下一節(jié)將討論如何在高速運(yùn)動(dòng)環(huán)境下改善信道的跟蹤。多用戶分集技術(shù)的特點(diǎn)可以歸納如下：用戶數(shù)目越大，系統(tǒng)性能越好，用戶數(shù)目增大到一定程度后，系統(tǒng)性能改善量漸小?；拘枰軌颢@得與多個(gè)用戶間的信道信息。實(shí)際系統(tǒng)中，考慮用戶公平性等要求，需要對(duì)多用戶分集技術(shù)進(jìn)行修正。4.2機(jī)會(huì)波束成形多用戶分集的增益取決于信道波動(dòng)的速率和動(dòng)態(tài)范圍，在信道波動(dòng)較小的環(huán)境中，一個(gè)很自然的想法是：為什么不引發(fā)速度更快、幅度更大的信道波動(dòng)來(lái)提高多用戶分集增益呢？于是機(jī)會(huì)波束成形方法被提出，即在下行鏈路中利用基站的多幅發(fā)射天線實(shí)現(xiàn)增加信道波動(dòng)，如圖4.6所示。4.6相同信號(hào)通過(guò)兩副天線以時(shí)變的相位和功率發(fā)射考慮基站包括N副發(fā)射天線的系統(tǒng)，設(shè)為時(shí)刻t從天線n到用戶k的復(fù)信道，在時(shí)刻t，所有天線發(fā)射相同的碼元，只是在各天線n都乘以一個(gè)復(fù)數(shù)，使得，保持發(fā)射總功率不變。用戶k的接收信號(hào)為：用戶k經(jīng)歷的總的信道增益為：其中表示分配給各個(gè)發(fā)射天線的功率比例，表示各天線對(duì)信號(hào)施加的相移，隨時(shí)間改變這些量，天線就可以在時(shí)變方向上發(fā)射信號(hào)，并且即使物理信道增益波動(dòng)非常小，也會(huì)在整個(gè)信道中引起波動(dòng)（如圖4.7所示）。圖4.7采用機(jī)會(huì)波束成形之前與之后兩個(gè)用戶的慢衰落信道的圖形表示與單副發(fā)射天線的系統(tǒng)相同，各用戶k向基站反饋其各自信道總的接收信噪比，基站相應(yīng)地為用戶安排發(fā)送時(shí)刻。無(wú)需測(cè)量各信道增益（相位和幅度），實(shí)際上，多幅發(fā)射天線的存在對(duì)于用戶是完全透明的。因此，只需要一路導(dǎo)頻信號(hào)進(jìn)行信道測(cè)量，該導(dǎo)頻碼元與數(shù)據(jù)碼元一樣都在發(fā)射天線重復(fù)發(fā)射。與隨時(shí)間的波動(dòng)速率是系統(tǒng)的一個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)，希望該參數(shù)在相應(yīng)的延遲時(shí)間尺度內(nèi)盡可能快地提供全部信道波動(dòng)。另一方面，能夠達(dá)到多快的速度還存在實(shí)際的限制，波動(dòng)應(yīng)該足夠慢，并且應(yīng)該在允許用戶可靠地估計(jì)信道并反饋信噪比的時(shí)間尺度上出現(xiàn)。同時(shí)，波動(dòng)應(yīng)該足夠慢以確保用戶經(jīng)過(guò)的信道不會(huì)發(fā)生突然變化，從而保持信道跟蹤環(huán)路的穩(wěn)定性[27]。4.3本章小結(jié)傳統(tǒng)的無(wú)線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)注于提高空中接口的可靠性，在這個(gè)前提下，衰落和干擾都被看成是必須抑制的有害因素。本章講的一種新的顛覆傳統(tǒng)理論的觀點(diǎn)是將衰落看成一種可以利用的機(jī)會(huì)，不同用戶在同一時(shí)刻所經(jīng)歷的衰落不同，因此某個(gè)用戶經(jīng)歷深衰落的同時(shí)，另外的用戶可能有很好的信道質(zhì)量，對(duì)于信道質(zhì)量良好的用戶，以高速率傳輸，而對(duì)那些信道質(zhì)量較差的用戶則以低速率發(fā)射甚至不發(fā)射，這就是機(jī)會(huì)通信的思想。利用機(jī)會(huì)通信可增加多用戶環(huán)境中的系統(tǒng)容量。5.基于分集接收技術(shù)的紅外光通信光接入網(wǎng)技術(shù)5.1紅外光通信技術(shù)系統(tǒng)介紹5.1.1紅外光通信技術(shù)概述紅外無(wú)線光通信是指利用紅外波段的光作為信息載體[28-36]，不使用光纖等有線信道的傳輸介質(zhì)，而在空氣中直接傳輸光信號(hào)的通信方式。也就是利用光束作為信道在空間(近地面或外太空)直接進(jìn)行語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、圖像等信息傳輸?shù)囊环N技術(shù)，又稱為“自由空間光通信”(FreeSpaceOpticalCommunication，簡(jiǎn)稱FSO)或無(wú)纖光通信。而近地面無(wú)線光通信又可以分為大氣無(wú)線光通信和室內(nèi)無(wú)線光通信兩種。在無(wú)線光通信成為寬帶接入中“最后一公里”問題的有效解決方法的同時(shí)，由于辦公室自動(dòng)化、家庭電器化、寬頻帶通信的迫切需要，室內(nèi)無(wú)線光通信也引起各國(guó)的普遍重視和發(fā)展。目前在一些已經(jīng)商業(yè)化的移動(dòng)終端如掌上型電腦(PalmtopPC)、個(gè)人數(shù)字助理(PersonalDigitalAssistant，簡(jiǎn)稱PDA)、移動(dòng)電話(MobileTelephone)等都可以安裝或已經(jīng)安裝了紅外光通信器件[37]。由于紅外無(wú)線數(shù)字通信可用于室內(nèi)外以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)及無(wú)線紅外LAN(LocalAreaNetwork)通信，包括IBM、HP在內(nèi)的大公司都投入了該技術(shù)的開發(fā)。該技術(shù)已用于語(yǔ)音、數(shù)據(jù)通信等領(lǐng)域，正在發(fā)展的應(yīng)用有ISDN(IntegratedServicesDigitalNetwork)的紅外無(wú)線接入設(shè)備、分布式視頻紅外無(wú)線接入、無(wú)線紅外LAN、ATM(AsynchronousTransferMode)網(wǎng)的紅外無(wú)線接入等，目前該技術(shù)正向高帶寬、高速率方向發(fā)展。目前國(guó)際上基本以歐洲為主，中國(guó)暫時(shí)沒有這方面的研究。主要學(xué)者奧地利格拉茨技術(shù)大學(xué)寬帶通信研究所的Leitgeb,E.教授。從國(guó)際大趨勢(shì)來(lái)看，紅外光通信技術(shù)正處于一個(gè)研究上升趨勢(shì)，圖5-1為IEEE關(guān)于紅外光通信技術(shù)論文數(shù)目圖5-1IEEE中紅外光通信技術(shù)論文數(shù)目可見，紅外光通信技術(shù)正成為無(wú)線通信與光通信融合的又一個(gè)切入點(diǎn)，彼此的優(yōu)點(diǎn)成為了下一代研究的新興技術(shù)。5.1.2紅外光通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)目前紅外無(wú)線通信已有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)得到承認(rèn)，這就是電子和電氣工程師協(xié)會(huì)(InstituteofElectricalandElectronicsEngineers，簡(jiǎn)稱IEEE)802.11和紅外數(shù)據(jù)協(xié)會(huì)(InfraredDataAssociation，簡(jiǎn)稱IrDA)。隨著無(wú)線局域網(wǎng)的興起，IEEE在90年代初成立了P802.11工作組研究、制定包括射頻和光頻在內(nèi)的各類無(wú)線通信的標(biāo)準(zhǔn)。1993年11月，無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)的第1部分“基礎(chǔ)協(xié)議”獲得通過(guò)，該建議中的物理層包括3種技術(shù)規(guī)范：紅外局域網(wǎng)、跳頻擴(kuò)頻局域網(wǎng)、直接序列擴(kuò)頻局域網(wǎng)。1995年11月，IEEEP802.11委員會(huì)推薦PPM調(diào)制方式用于基帶頻譜為0～10MHz的紅外無(wú)線通信系統(tǒng)FSO中；推薦的紅外接口基本接入速率為1Mbps，增強(qiáng)接入速率2Mbps，調(diào)制方式采用4-PPM或是16-PPM。IrDA是1993年6月成立的一個(gè)國(guó)際性組織，專門制訂和推進(jìn)共同使用的低成本紅外數(shù)據(jù)互連標(biāo)準(zhǔn)，以推動(dòng)紅外通信技術(shù)的發(fā)展，支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的工作模式。表5-1為IrDA規(guī)范中規(guī)定的IrPHY(IrDAPhysicalLayer)不同傳輸模式下推薦帶寬和誤碼率公式[37]。IrDA1.0支持的最高通信速率為115.2kbps，IrDA1.1可以支持的通信速率達(dá)到4Mbps。而最近在IrDA1.1標(biāo)準(zhǔn)中，除原有的慢速紅外傳輸模式(SlowInfraredTransmitFrame，包括2.4，9.6，19.2，38.4，57.6，115.2kbps)和快速紅外傳輸模式(FastInfraredTransmitFrame，4Mbps)外，還增加了一種超高速紅外傳輸模式(VastFastInfraredTransmitFrame)，采用HHH(1，13)編碼方式，可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)16Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率.表5-1紅外數(shù)據(jù)協(xié)會(huì)中不同模式下的帶寬和誤碼率公式、5.1.3紅外光研究現(xiàn)狀與待發(fā)展內(nèi)容隨著標(biāo)準(zhǔn)化工作的進(jìn)行，紅外無(wú)線通信技術(shù)已成為一種具有廣泛前景的室內(nèi)無(wú)線通信技術(shù)。更多的公司開始開發(fā)和生產(chǎn)符合IrDA協(xié)議的模塊，符合IrDA標(biāo)準(zhǔn)的紅外收發(fā)器目前被集成到很多便攜式終端設(shè)備中。該技術(shù)已用于語(yǔ)音、數(shù)據(jù)通信等領(lǐng)域。紅外無(wú)線通信領(lǐng)域的研究很多，主要有如下幾個(gè)方面：(1)紅外無(wú)線通信的數(shù)學(xué)模型的建立近年來(lái)人們陸續(xù)提出了視距范圍內(nèi)LOS的信道模型、多徑信道脈沖響應(yīng)模型、天花板反射模型、迭代的以點(diǎn)為基礎(chǔ)信道模型[38-41]，其中后兩者可以有效的仿真帶有朗伯反射體的室內(nèi)自由光信道的脈沖響應(yīng)，這其中包括了可以計(jì)算經(jīng)過(guò)任意次反射后的信道脈沖響應(yīng)，以及可以正確分析高速室內(nèi)光通信信道的多徑色散效應(yīng)。但是信道模型局限性特別大，基本就沒有經(jīng)典系統(tǒng)模型的產(chǎn)生。(2)強(qiáng)背景光干擾下的紅外無(wú)線通信鏈路特性的實(shí)驗(yàn)研究對(duì)背景光干擾的分析包括三種：白熾燈，傳統(tǒng)鎮(zhèn)流器驅(qū)動(dòng)的熒光燈和電子鎮(zhèn)流器驅(qū)動(dòng)的熒光燈。這也是干擾最厲害的噪聲。文獻(xiàn)[42-46]對(duì)存在背景光干擾的紅外傳輸系統(tǒng)性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明對(duì)背景光干擾影響的分析必須與系統(tǒng)設(shè)計(jì)和性能估計(jì)相結(jié)合起來(lái)進(jìn)行。此次之外，由于陽(yáng)光帶來(lái)的對(duì)接收端的飽和效應(yīng)還未得到解決，目前實(shí)驗(yàn)都只是在陽(yáng)關(guān)很暗，甚至是拉下窗簾的房間內(nèi)研究，強(qiáng)背景光干擾還需繼續(xù)研究。(3)紅外無(wú)線通信調(diào)制方式的分析Joseph等人在文獻(xiàn)[9]中詳細(xì)介紹了用于紅外通信的OOK、PPM等幾種調(diào)制/解調(diào)技術(shù)，而后人們又對(duì)4PPM的字同步技術(shù)和電路設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究[48-49]。為了補(bǔ)償PPM所需的附加帶寬，2001年U.Kruger等人在文獻(xiàn)[22]中提出將PPM和波長(zhǎng)鍵控(WavelengthShiftKeying，簡(jiǎn)稱WSK)相結(jié)合起來(lái)的調(diào)制方式，同時(shí)提高了功率利用率和帶寬效率，最近又提出用LDPC和OFDM結(jié)合的編碼。(4)紅外無(wú)線通信的均衡技術(shù)均衡技術(shù)的研究多數(shù)是與PPM調(diào)制方式相結(jié)合起來(lái)進(jìn)行的。與最大似然序列檢測(cè)相比，結(jié)合組判決反饋均衡(BlockDecision-FeedbackEqualization，簡(jiǎn)稱BDFE)和平行判決反饋解碼(ParallelDecision-FeedbackDecoding，簡(jiǎn)稱PDFD)的格狀編碼PPM技術(shù)可以獲得更大的編碼增益[50]。(5)紅外無(wú)線光接收機(jī)對(duì)光接收機(jī)的研究，尤其是角度分集接收機(jī)和成像角度分集接收機(jī)是目前人們比較關(guān)注的，角度分集可以有效的抵制多徑色散和背景光噪聲的干擾。在接收端采用多個(gè)接收元件必然會(huì)涉及到信號(hào)合成問題，合成技術(shù)包括選擇最佳(SelectBest，簡(jiǎn)稱SB)、最大比率合并(MaximalRatioCombining，簡(jiǎn)稱MRC)和等增益合并(EqualGainCombining，簡(jiǎn)稱EGC)等等。而本文將講述紅外光通信技術(shù)與分集接收技術(shù)二者融合的新技術(shù)之現(xiàn)狀與待研究問題。5.1.4紅外光技術(shù)與現(xiàn)有光接入網(wǎng)技術(shù)的分析紅外光技術(shù)，甚至是具有分集接收技術(shù)的紅外光技術(shù)具有簡(jiǎn)單實(shí)施、超高速等特點(diǎn)。眾所周知目前的光接入網(wǎng)方案的“最后一百米”的解決都是靠有線傳輸介質(zhì)，更深入講就是電纜或者同軸電纜來(lái)完成。電纜的損耗特性以及抗干擾特性特別差，以至于傳輸射頻RF信號(hào)都很“吃力”；而同軸電纜雖然是傳輸RF射頻信號(hào)很好的介質(zhì)，但是其組成材料——銅，成本居高不下，不具有更低的下降空間，也讓光接入網(wǎng)的實(shí)施者很頭疼。目前所有的最后一百米方案，眾多接入網(wǎng)方案中HFC、CMTS/CM和EPON的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)都較完備，都是采用有線技術(shù)，而其中實(shí)施問題又有很多：EoC標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品五花八門。多種技術(shù)都不完備，每種產(chǎn)品的國(guó)內(nèi)應(yīng)用都只有很小的規(guī)模，讓營(yíng)運(yùn)商選擇十分頭疼。這涉及一個(gè)多媒體網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，在國(guó)外主要是指家庭網(wǎng)絡(luò)（HomeNetwork，用于連接電視機(jī)、機(jī)頂盒、電腦、影音設(shè)備、DVD播放機(jī)），又聯(lián)帶智能電網(wǎng)（SmartGrid，用于電表、水表、空調(diào)，甚至家用照明等家庭自動(dòng)化裝置與安保系統(tǒng)），在中國(guó)又強(qiáng)調(diào)樓宇接入網(wǎng)（ResidentialAccessNetwork，用于Internet接入、HDTV廣播、IPTV和互動(dòng)電視）。怎樣通過(guò)電話線或同軸電纜或電力線，還有5類線和無(wú)線來(lái)完成所有的或一部分的功能呢？確實(shí)令人犯愁。世界上至少有三項(xiàng)電力線通信技術(shù)（HD-PLC,HPA,UPA）、兩項(xiàng)電話線技術(shù)、兩項(xiàng)同軸電纜技術(shù)分割了家庭網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)。因?yàn)樗鼈冎g不能互通，這對(duì)于消費(fèi)者、制造商和服務(wù)提供商都是不合適的。所以采用紅外光技術(shù)的光接入網(wǎng)方案必將主導(dǎo)下一代光接入網(wǎng)方案。而且紅外光技術(shù)可以直接光連接到電腦，超高速的誘惑甚至連塑料光纖的10Gb/s都能輕松駕馭。5.1.5紅外光技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)作為一種短距離室內(nèi)通信媒介，紅外線具有勝過(guò)無(wú)線電的幾項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)：(1)實(shí)施成本低廉可用于高速光通信的光發(fā)送器和光檢測(cè)器價(jià)格便宜，其中發(fā)射器包括由半導(dǎo)體制成的發(fā)光