协同通信系统的中继容量分析与功率分配研究

《协同通信系统的中继容量分析与功率分配研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、协同通信系统的中继容量分析与功率分配研究第1章绪论1.1研究背景和意义人类需要宽带的无线通信技术来满足多样化、全球化和个性化的信息交流。移动通信这种采用开放的电磁波进行信息传递的通信方式，随着人们对无线传输数据速率和服务质量要求的不断提高，已经有了长足的发展。与主要传送语音业务的第一、第二代移动通信系统不同，第三代及第四代移动通信系统支持速率高达100Mb/s-1Gb/s的多媒体宽带数据业务，不断寻求扩大信道容量、改善通信质量的新技术成为国内外学术界、产业界普遍关注的问题。由于移动通信利用无线电波进行

2、信息传输，无线电波会随着传播距离的增加而发生弥散损耗，受到地形、地物的遮蔽发生阴影效应，而且信号经过多点反射，会从多条路径到达接收点，这种多径信号的幅度、相位和到达时间都不一样，它们相互叠加会产生电平衰落和时延扩展。无线信道的衰落特性是阻碍信号质量和服务质量改善的主要原因之一。分集技术可以通过在发射端发射多个信号样本，在接收端合并多个经历独立衰落的信号副本，以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等，其中空间分集技术由于不额外占用时间和带宽资源，可与其他分集方式相结合而更

3、具吸引力。空间分集利用空间上分离的多个发射信号样本或多个接收信号样本(多个不相关的信道)来对抗多径衰落。近年来提出的多输入多输出(MultipleInputMultipleOutput，MIMO)天线技术，通过在接收端和发射端同时安置多个天线形成MIMO信道结构，充分利用了空域资源，大幅度提高了信道容量。1.2研究内容和国内外研究现状信道衰落是制约无线通信性能的最重要瓶颈之一，各类衰落都会导致系统误码率显著上升，严重降低通信的可靠性。以二进制相移键控(BPSK)为例，在无信道编码情况下，加性高斯白噪声

4、信道大约需要6.8dB的信噪比(SNR)以保证10-3的误比特率(BER)，而平坦瑞利衰落信道大约需要24dB的信噪比才能保持相同的误比特率[1]。无线信道的主要特征是多径传播，在电波的传播路径上发生了反射、绕射和散射，当电磁波传输到接收端的天线时，信号是从许多路径来的多个信号的叠加。由于电磁波通过各个路径的距离不同，各个路径的电磁波到达接收机的时间不同，相位也就不同。不同相位的多个信号在接收端叠加，有时是同相叠加而加强，有时是反相叠加而减弱。这样接收信号的幅度将急剧变化，即产生了多径衰落。在实际的无

5、线通信中，除了多径衰落外还有阴影衰落，当信号受到高大建筑物(如移动台移动到背离基站的大楼前)或起伏地形等的阻挡，接收到的信号幅度将降低。在无线通信中广泛使用天线分集来减少衰落的影响，在不增加发射功率或牺牲通信带宽的情况下提高传输的可靠性。第2章协同分集原理2.1多入多输出（MIMO）技术MIMO技术结合了智能天线与分集技术两者的特点，相比于单天线系统，利用空间分集能够获得更大的信道容量，有效地对抗信道衰落，在不额外增加带宽和发射功率的前提下，大幅度地提高系统传输速率。图2-1给出了M个发送天线和N个接

6、收天线的MIMO系统模型，如果各对发、收天线单元间的无线传输信道相互独立，系统容量随收发天线最小一方数量线性递增，具有极大的容量潜力。..2.2无线衰落信道的特征在信号传输中，接收端会叠加各路信号，由于各路信号幅度、偏移量和到达接收端时间的差异，接收端接收到的信号会出现衰落现象。根据衰落与时间的关系，衰落有快衰落和慢衰落两种。慢衰落指接收信号强度的中值变化，其衰落起伏不明显，地理位置以及天气的改变会对接收信号强度的中值产生影响，天气的变化对接收信号强度的中值影响不大，但是障碍物、工作频率、设备和障碍物

7、的移动速度等会影响慢衰落信号的幅度[16]。多径快衰落是指接收端的信号强度有快速的大幅度改变，地形会对快衰落的信号幅度产生较大影响，多径效应和多普勒效应是产生快衰落的主要原因。..2.3协同分集的原理受设备的体积、成本等因素的限制，当今的蜂窝通信无法满足MIMO系统中各天线之间远距离的条件。协同分集可以较好地解决这个问题，通过协同分集产生虚拟多天线系统，接收端接收来自发射端的有独立衰落特性的信号副本来对抗信道的快衰落。图2-2为采用协同分集的简单的三节点系统模型，两个用户通过相互共享天线进行协同通信，

8、构成虚拟的双天线发射系统。终端合并接收到的信号而获得增益。在协同分集中，信号传输分为两个阶段，在第一阶段，源节点把信号发送给所有节点；在第二阶段，中继节点把处理过的信号发送给目的节点，在终端处把来自两阶段的信号进行合并和判决。.2.4系统模型如图2-3所示协同分集系统模型中，S(Source)代表发送消息的用户，Ri(i=1,2,...,K)表示第i个中继,Z1,i表示均值为零、方差为N1,i的复高斯白噪声,Z2,i代表均值为零、方差为N2,i的复高斯白