协作分集技术的研究.doc

协作分集技术的研究Research on Cooperative Diversity System作者姓名：专业名称：指导教师： 学位类别：在职攻读工程硕士答辩日期：2009年12月14日未经本论文作者的书面授权，依法收存和保管本论文书面版本、电子版本的任何单位和个人，均不得对本论文的全部或部分内容进行任何形式的复制、修改、发行、出租、改编等有碍作者著作权的商业性使用（但纯学术性使用不在此限）否则，应承担侵权的法律责任硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名：日期： 年 月 日内 容 提 要随着现代社会对无线通信的需求增加，人们对通信质量要求越来越高，在无线通信中信号传输的多径衰落效应是影响传输速率和服务质量的重要瓶颈；因此在无线信道中，为了克服多径衰落对无线通信速率和通信质量的限制影响，经过研究表明分集技术是行之有效的方法，是对抗衰落的有效措施；然而，在实际中，移动终端对体积、质量和功耗的要求非常苛刻，所以难于实现多天线技术。

于是，一种新的分集技术——协作分集技术应运而生；鉴于其不需要牺牲时间和带宽就能获得性能增益，使得协作分集技术受到特别的关注本文首先在深刻理解无线信道特性的基础上研究了各种分集合并技术，研究了协作分集原理和系统模型，其主要思想是：移动终端之间分享使用彼此的天线，构成的虚拟天线阵列来实现与传统多输入多输出技术相同的效果，并指出当前存在的相关问题结合协作分集中的两个信号处理技术——放大中继和解码中继，主要对解码中继方案和无协作状态方案进行了Matlab仿真；仿真结果表明在相同信噪比时解码中继方案比无协作状态方案的误码率低3个数量级左右，而误码率随着信噪比的增大也明显降低，使协作分集的优越性能得以充分体现最后针对实例分析--协作分集在蜂窝网切换中的应用，在该方案中，可大大提高系统因资源重新分配而产生的切换效率，节省切换所需的时频资源，克服了硬切换过程中系统资源利用率高但是掉话率高以及软切换过程中掉话率低但系统资源利用率低的缺点在一定程度上解决了系统资源和性能指标之间的矛盾因此，本论文基于协作分集技术，并且以协作分集技术作为研究对象，对基于协作分集的编码调制技术及其系统仿真作以重点研究同时，在具体应用层面针对协作分集在蜂窝网切换中的应用展开系统、深入的探究。

关键词：无线信道，协作分集，编码协作，蜂窝切换 目 录目 录第1章 绪 论 11.1 无线通信的发展和研究背景 11.2 多天线无线通信系统的提出与发展 21.3 协作分集技术国内外发展现状和前景 31.4 论文主要工作 51.5 论文结构 51.6 小结 5第2章 移动通信无线信道及特性参数 62.1 多径衰落的产生 72.2 描述多径信道的主要参数 72.2.1 时延扩展 72.2.2 相关带宽 72.2.3 多普勒频移 82.2.4 相关时间 82.3 多径衰落的分类 92.3.1 平坦衰落和频率选择性衰落 92.3.2 快衰落和慢衰落 102.4 小结 10第3章 分集及协作分集技术 113.1 分集技术的原理及分类 113.1.1 空间分集 113.1.2 频率分集 123.1.3 时间分集 133.1.4 极化分集和角度分集 133.2 合并技术 143.2.1 选择式合并 143.2.2 等增益合并 153.2.3 最大比值合并 163.3 协作分集技术 163.3.1 协作分集的概念 163.3.2 协作分集的系统模型 183.4 协作分集存在的问题 183.5 小结 19第4章 基于协作分集的编码调制技术 204.1 实现协作的信号处理方法 204.1.1 放大-中继法（Amplify and forward） 204.1.2 解码-中继法（Decode and forward） 204.2 协作系统中关键编码调制技术 224.2.1 卷积码概要 224.2.2 维特比译码子模块 264.2.3 循环冗余校验码（CRC）子模块 294.2.4 调制子模块 304.3 小结 31第5章 协作分集仿真实现及性能分析 325.1 协作分集仿真模型 325.2 仿真结果的性能分析 335.3 小结 36第6章 协作分集在蜂窝网切换中的应用 376.1 传统越区切换技术概述 376.1.1 硬切换 386.1.2 软切换和更软切换 386.1.3 接力切换 386.2 基于协作分集的切换方案描述 396.3 实例分析 406.4 小结 43第7章 总结和展望 447.1 全文总结 447.2 未来展望 44参考文献 45摘 要 49ABSTRACT 50致 谢导师与作者简介I 第1章 绪 论第1章 绪 论1.1 无线通信的发展和研究背景由于移动通信具有灵活和便捷的特点所以符合当代社会对通信技术的要求，自从20世纪80年代中期以来成为最迅速的通信方式。

现代移动通信技术从模拟调制方式到数字调制方式经历了三个时期：第一代移动通信系统(1G)以模拟式蜂窝网为代表，主要的模拟调制方式为频分多址，以实现对网内用户的动态寻址功能，并以蜂窝式网络结构和频率规划实现载频复用，满足扩大覆盖服务范围和满足用户数量增长的需求在信道动态特性匹配上，适当采用了性能较好的模拟调频方式，并利用基站二重空间分集方式抵抗空间选择性衰落第二代移动通信系统(2G)以数字化蜂窝网为主要特征，采用时分多址、码分多址数字调制方式实现对网内用户的动态寻址功能，以数字式蜂窝网络结构和频率规划实现载频复用，并采用独立信道传送信令，从而提高了系统容量，使系统性能大为改善第二代移动通信技术采用了抗干扰性能优良的数字式调制；采用性能优良的抗干扰纠错编码：卷积码、级联码；采用功率控制技术抵抗慢衰落和远近效应；采用自适应均衡和RAKE接收抗频率选择性衰落与多径干扰；采用信道交织编码，如采用帧间交织方式和块交织方式抵抗时间选择性衰落；采用空间或极化分集方式抵抗空间选择性衰落虽然第二代移动通信系统相对于第一代移动通信系统已经有了很大的改进，但是第二代移动通信系统通常只提供低速语音业务但社会信息化进程越来越快，仅仅通话已不能满足人们对信息交流的需要，除话音外，数据、图形、图像等各种信息都希望能随时获取和彼此相通，多媒体服务就变得越来越有必要。

由此第三代移动通信系统(3G)应运而生第三代无线通信系统以多媒体业务为主要特征，支持速率l00Mb/s的多媒体宽带数据业务，在系统适配信道与用户二重动态特性的基础上又引入了业务的动态性它继续采用第二代中所采用的行之有效的措施，对CDMA扩频方式中由于扩频码性能的不理想带来的多址干扰、远近效应等采用了多用户检测、智能天线、发端分集、空时编码等；针对数据业务要求误码率低且实时性要求不高的特点，对数据业务采用了性能更优良的Turbo码第三代移动通信系统及其下一代移动通信(B3G)系统由于数据传输速率高，对分集技术等抗干扰手段提出了更高的要求1.2 多天线无线通信系统的提出与发展在移动通信系统的环境下，无线信道中电波的传播不是单一路径，在接收端除了直射波外，还有各种反射波，绕射波和二次反射波等，由于电波通过各个路径的距离不同，因而各个路径来的反射波到达时间不同，也就是各信号的时延不同它们在接收端合成后，就会引起信号的剧烈变化，从而严重影响信号的传输质量，即多径衰落鉴于无线信道中可靠的通信取决于链路上的信号强度，由于多径衰落特性的小尺度效应，以及诸如由于距离衰减引起的路径损耗和障碍物引起的阴影等大尺度效应使得信道处于深度衰落时通信中可能出现差错或是中断。

因此，如何有效处理衰落的影响对无线通信系统的设计是至关重要的多径衰落是影响无线通信质量的一个主要因素，因此人们提出许多方法来抵抗多径衰落对无线通信的影响，如分集、自适应均衡、扩频通信、交织以及纠错编码技术等，其中分集技术是对抗多径衰落的一项行之有效的技术目前，解决这一问题有效的方法之一就是利用分集技术分集技术可以通过在发射端发射多个信号，在接收端合并多个经历独立衰落的信号的方法来对抗无线信道的衰落常见的分集方式主要有时间分集、频率分集和空间分集时间分集通过采用时间交织和信道编码，在时间域内提供信号的副本；频率分集通过在不同的载波频率上发送符号，在频率域内提供信号副本；空间分集则是通过利用多个天线来实现的时间分集要求发送冗余信号的若干时隙之间相互独立，频率分集要求几个载波频率之间相互独立，空间分集要求多个天线之间的距离足够大(大于若干个波长)空间分集是在不牺牲信号频率带宽和保证数据传输速率的同时获得分集增益，而且可以结合其他各种分集方法，因而得到了广泛的应用在一定程度上，正是空间分集展现出的良好特性促使了协作分集思想的提出实质上协作分集技术是一种全新的分布式空间分集技术而空间分集技术由于无需占用额外的时间和带宽资源就能获得很好的抗衰落性能而受到广泛关注。

多输入多输出(MIMO)系统是一种典型的利用空间分集技术的多天线无线通信系统，它可以提高系统的信道容量1994年Pauiraj和Kallath提出在发送端和接收端同时使用多天线可增加无线信道的容量1996年，Roy和Ottersten提出在基站使用多根天线可在同一信道上支持多个用户使用1995年Telater和1998年Foschinil对高斯信道下多输入天线、多输出天线信道容量的研究表明，多天线MIMO技术可大大提高容量1.3 协作分集技术国内外发展现状和前景MIMO技术是无线通信领域的重大突破，它能够极大地提高通信系统的容量和频谱利用率但在实际的蜂窝通信系统中，由于移动终端体积、功耗以及硬件复杂度等的限制，不能在移动终端上安装多天线，这就极大的限制了MIMO技术在无线移动终端中的应用为了解决这一问题，诞生了一种全新的分集技术——协作分集（Cooperative Diversity），使单天线的移动终端也可以实现空域分集它的基本思想是系统中的每个终端可以拥有自己的一个或多个合作伙伴，合作伙伴有责任帮助其伙伴传输信息这样，每个源节点在传输信息的过程中既利用了自己的又利用了合作伙伴的空间信道，从而获得了一定的空间分集增益。

由于协作分集中的合作伙伴共享彼此的天线，从而构成了虚拟的MIMO系统从这个意义上讲，协作分集为MIMO多天线技术的实用化提供了一条新的途径协作分集的概念最初源于van der Muelen对中继信道模型(包括源、中继和目的端三个节点)的理论研究，Cover与Gamal对非衰落条件下的中继信道进行了分析，给出了这类信道容量的上界和下界；为了适合实际的应用，源节点和中继节点在正交信道(TDM。