完整版协作通信系统中基于功率分配的研究毕业论文.docx

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完整版协作通信系统中基于功率分配的研究毕业论文

本科毕业设计论文

题目协作通信系统中基于功率分配的研究

毕业任务书

一、题目

协作通信系统中基于功率分配的研究

二、指导思想和目的要求

协作通信是由多个相邻的单天线用户通过彼此共享天线进行协作，从而形成虚拟MIMO系统。

协作通信中信息的传输是由源节点和中继节点共同完成的，信源传输信息需要消耗功率，中继节点传输信息也需要消耗功率，分集增益的获得是以信源和中继节点消耗的功率之和为代价的。

目前的资源分配主要集中在对功率的分配方面。

希望通过研究来证明最佳中继位置稍靠近目的节点,当第一跳链路信道状态较好时，AF和DF利用这种功率分配方法都可以获得较高的频谱利用率；当第一跳链路信道状态较差时，直接传输的频谱效率最高。

三、主要技术指标

●对MIMO系统进行了解

●对协作协议进行分析

●详细分析了功率分配协议

四、进度和要求

03周～04周熟悉环境，查阅资料

05周～06周进行总体规划，拟定工作计划和设计方案。

07周～08周进行系统分析和总体结构设计实现，进入该系统详细设计。

09周～11周撰写论文初稿。

12周～12周修改论文，整理文档资料，修改论文并打印论文。

13周～14周准备答辩提纲和毕业论文答辩。

五、主要参考书及参考资料

[1]张忠培，魏宁，史治平.协同无线通信导论.电子工业，2010

（1）

[2]彭木根，王文博，协同无线通信原理与应用.机械工业，2009

（1）

[3]赵绍刚，李岳梦　移动通信网络中的协作通信　电信快报　2005

[4]纪红，马书惠　无线Adhoc网络协作重转机制的改进　北京邮电大学学报　2007

[5]{美}K.J.RayLiu{埃及}AhmedK.Sadek{中}WeifengSu{阿根廷}AndresKwasinski著任品毅廖学文高贞贞徐静译，协作通信及网络.电子工业，2010

（1）

[6]AndreaGoldsmith著．无线通信．杨鸿文，李卫东，郭文彬等译．北京：

人民邮电出版社．2007．6

[7]ToddE．Hunter．CooperativeCommunicationinWirelessNetworks．IEEECommunicationsMagazine．2004．10

[8]BrankaVucetic，JinhongYuan著．空时编码技术．王晓海等译．北京：

机械工业出版社．2004．8

[9]丁盛，严凯等．基于矩生成函数的协同中继传输误符号率性能分析．电子与信息学报2009年3月．第31卷第3期．

学生___________指导教师___________系主任___________

目录

摘要1

ABSTRACT2

第一章绪论4

1.1研究背景及意义4

1.2文章内容安排5

第二章无线通信及分集技术7

2.1无线信道7

2.2分集技术7

2.2.1时间分集8

2.2.2频率分集8

2.3MIMO系统9

第三章协作分集原理及分类11

3.1协作通信11

3.2协作分集原理概述12

3.3协作协议14

3.3.1放大转发14

3.3.2译码转发15

3.3.3编码协作15

3.3.4特殊协议16

3.4固定协作策略17

3.4.1固定放大转发协议17

3.4.2固定译码转发中继协议20

3.5自适应协作策略21

3.5.1选择性DF中继21

3.5.2增量中继22

第四章功率分配方案分析24

4.1系统模型24

4.2中继信道系统模型26

4.3AF中继模型的功率配方方案27

4.3.1基于最大化系统容量的最优功率分配方案27

4.3.2中继节点位置对系统性能影响29

4.4DF中继模型的功率分配方案30

4.4.1基于最大化系统容量的最优功率分配方案30

4.5优化频谱效率的中继功率分配方法31

4.6本章小结32

第五章总结与展望33

5.1本文工作总结33

5.2未来工作展望34

致谢35

参考文献36

毕业设计小结37

摘要

无线通信技术在近二十年来获得了迅猛的进步，从3G网络的投入使用到未来4G网络的建设。

它们都面临着在保证良好通信质量的条件下提供高数据传输速率和大量用户同时通信的挑战。

同时，在无线通信系统中，多径衰落严重影响了无线通信质量。

多输入多输出（MultipleInputMultipleOutput，MIMO）技术通过在通信链路的发送端和接收端使用多根天线获得分集增益，从而有效地对抗多径衰落的影响。

但是在实际的通信系统中，移动终端由于尺寸、功耗、成本等诸多方面的限制，往往不能配置多根天线，这样就限制了MIMO技术的应用。

在这种情况下，协作通信技术应运而生，它是由多个相邻的单天线用户通过彼此共享天线进行协作，形成虚拟系统。

协作通信中信息的传输是由源节点和中继节点共同完成的，信源传输信息需要消耗功率，中继节点传输信息也需要消耗功率，分集增益的获得是以信源和中继节点消耗的功率之和为代价的。

因此，对信源和中继节点之间的功率优化分配有着极其重要的现实意义。

协作通信技术的发展促使人们对协作通信中的资源分配问题进行了广泛的研究。

目前的资源分配主要集中在对功率的分配方面。

随着研究的深入，功率分配方案的着手点也从一开始的系统容量、中断率和生命周期扩展到现在的系统开销、信道传输质量指标和计算复杂度等。

关键字：

协作分集，功率分配，放大转发，译码转发

ABSTRACT

Fromthewidespreaduseof3Gnetworktotheattemptsforbuildingthe4Gnetwork,theradiocommunicationtechnologyachievedarapiddevelopmentinthepasttwodecades.Butnomatter3Gnetworkor4Gnetwork,theybothneedtofacethechallengetoprovidethehighspeedofdatatransmissionandlargenumberofuserssimultaneouscommunicate,atthesametimeguaranteethehighqualityofcommunication.Inaddition,multipathfadinghasasignificantimpactonthequalityofcommunication.MultipleInputMultipleOut（MIMO）technologybyusingmultipleantennastoobtaindiversitygaininthetransmitterandthereceiverofthecommunicationlink,accordinglyagainsttheeffectofthemultipathfading.However,inactualcommunicationprocess,duetothelimitationofthesize,powerconsumption,costandotheraspectsforthemobileterminal,itisnotpossibletoconfiguremultipleantennas.Therefore,theuseofMIMOtechnologyhasbeenrestricted.Inthiscondition,collaborativecommunicationtechnologywhichisanumberofadjacentsingle-antennausersshareaantennawitheachothertoformavirtualMIMOsystemhasemerged.

Incollaborativecommunication,thetransmissionofinformationiscompletedbysourcenodeandrelaynodes.Thesourcewouldconsumethepowerwhentheytransmitinformation,sodoestherelaynodes.Thecostpowerfromsourceandrelaynodescontributetotheaccesstothediversitygain.Therefore,itisessentialtomakeaoptimalallocationforthecostpowerofthesourceandrelaynodes.Thedevelopmentofthecollaborativecommunicationtechnologypromotetheextensiveresearchesfortheresourceallocationproblembypeople.Thecurrentproblemfortheallocationofresourcesismainlyconcentratedinthedistributionofpower.Withthefurtherresearch,thestartpointofschemeforpowerallocationisfromthebeginningofthesystemcapacity,theinterruptrateandlifecycleextendedtothesystemoverhead,qualityindicatorsofthechanneltransmissionandcomputationalcomplexity.

KEYWORDS:

cooperativediversity,powerdistribution,amplifyandforward,decodeandforward

第一章绪论

1.1研究背景及意义

在通信系统发展的长河中，从商周时代的烽火台到今天的3G通讯，从原来的线话式通信到现在的移动通信，现代通讯技术随着人类文明的进步而迅速发展。

同时，人们的生活中对通信技术的依赖也是日益增加，足不出户便已知道天下事。

然而移动通信中由于传播的开放性，使信道的传输条件比较恶劣，发送出的已调信号经过恶劣的移动信道后在接收端接收到的信号会产生严重的衰落，极大地降低了接收信号的质量，为了提高无线信道中信号的传输质量，必须采用对抗衰落的有效措施。

分集技术是一种典型的抗衰落技术，在无线通信中得到广泛的应用。

1977年，VanderMeulen最早提出了无线中继信道的概念，并证明了中继技术可以提高频谱利用率，增强无线通信系统的可靠性。

1979年，T．M．Cover和A．A．EGamal提出了协作通信的基本思想，他们的研究提出了几种特殊情况下的中继信道容量和一般情况下的信道容量限，奠定了中继通信的基础理论，促进了协作通信的发展，从而拉开了对中继等信道容量研究的序幕。

无线通信系统的性能主要受到无线信道的影响。

无线通信环境中存在着各种衰落和干扰，并且随气候和地形等因素的变化相差甚远，严重制约了信号传输的质量。

无线通信环境下的衰落主要分为大尺度衰落和小尺度衰落。

其中，大尺度衰落是指电波在空间传播所产生的路径损耗；小尺度衰落是指接收信号在时间、频率和空间上的快速波动，通常由障碍物的反射和散射引起，由于反射波和散射波到达接收端的时间、幅度和相位的不同，导致叠加后信号的幅度急剧变化，从而产生多径衰落。

多径效应是影响无线通信传输速率与质量的重要因素。

分集技术是抵抗多径衰落的有效方式，其本质是为接收机提供多个经历独立衰落的信号样本，以大大降低信号分量同时陷入深衰落的概率。

常见的分集类型有时间分集、频率分集和空间分集。

协作分集传输是指在实际通信网络中，某个移动台接收到其他移动台的信息，并将监听到的数据信息以一定形式和自身数据一起发送出去，如果两个移动台的信号受到的衰落是统计独立的，那么就可以通过这种方式产生空间分集。

简单地说，协作分集过程可以分为两步：

第一步，源节点以广播的方式发送信号，目的节点和所有的中继节点接收信号，其中中继节点对接收的信号进行处理；第二步，中继节点向目的节点发送信号，源节点可以不发送或者重复发送信息到目的节点，最后目的节点通过某种合并方式合并两步接收到的信号。

在用户协作通信过程中，由于每个用户既要传输自身信息又要转发伙伴信息，因此需要更高的发射功率；但是由于产生了空间分集增益，所以每个用户的基本发射功率又可以适当地减小。

同样经历分集后，每个用户的频谱利用率提高，信道码速率也随之提高。

随着协作通信技术的发展，人们也开始展开了对应用该技术系统中的资源分配问题的研究。

根据可实现性和可控制性的限制，目前的资源分配问题主要集中在对系统功率分配的问题上。

如果系统资源受到限制，如何合理地分配功率，更好地改善系统性能增益是人们关注的热点。

如果在中继系统中采用发射端和中继节点平均分配功率的方法，实现起来是比较简单，但是由于系统信道时变性和不同的信道质量的影响，这种方法的应用不能有效地利用系统资源、降低系统开销。

因此需要研究最佳的功率分配方法，可以根据不同信道状态信息和信道时变性以及结合不同的调制方式使系统获得更好的性能。

目前有关协作通信系统功率分配方法的研究有很多，研究出发点包括：

系统的容量、中断率、系统误码率、生命期、系统开销和计算复杂度等。

本文主要是从系统的容量来研究功率的分配。

1.2文章内容安排

本文主要针对AF和DF协作分集系统，对其系统性能进行了详细地分析，并展开了对协作分集系统的功率分配问题和中继节点位置选择方法的研究，通过不同功率分配方法的对比分析，给出了确定最佳中继节点位置的方法，最后通过仿真结果验证结论。

论文全文共分为五章，其中第二章的第三节，第三章的第三、四节和第四章的全部为本文的重点。

第一章绪论，主要介绍了本文的研究背景，即协作通信的发展、功率分配方案的国内外现状分析，以及本文的主要研究内容和论文结构安排。

第二章无线信道及分集技术，介绍了常用的无线通信中的信道特性和分集技术的分类，并详细介绍MIMO技术的发展过程。

第三章协作通信，介绍了协作通信的基本思想和系统模型，对现有的协作分集协议按照不同的方式进行分类，并对各自的工作原理和特点进行简单的描述。

第四章功率分配协议分析，主要讨论了AF和DF两种协作分集中基于最大化系统容量的条件下，假设系统总发射功率一定时，如何在源节点和中继节点之间分配功率可以最优化系统性能；本章还针对AF中继协作中最优分配功率时如何选择中继节点位置进行了分析；最后分析了优化频谱效率的中继功率分配方法，对不同信道状态下的系统频谱效率进行了仿真分析，这种方法主要依据了系统容量和最大传输速率的关系，得出了协作各链路支路信道质量对系统性能有着一定的影响。

第五章结论与展望，对整个论文进行了总结，剖析了其研究内容中存在的问题，并对未来的工作进行了展望。

第二章无线通信及分集技术

2.1无线信道

任何一个通信系统中，信道是必不可少的组成部分之一。

相比其他的通信信道，无线移动通信信道又是最复杂的一种。

信道是对无线通信中发送端和接收端之间的通路的一种形象比喻，对于无线电波而言，它从发送端传送到接收端，其间并没有一个有形的连接，它的传播路径也有可能不只一条，但是我们为了形象地描述发送端与接收端之间的工作，我们想象两者之间有一个看不见的道路衔接，把这条衔接通路称为信道。

在无线通信中，由于其传播的开放性、接收环境的复杂性和用户的随机移动性等特点，信号在传输过程中受到各种损耗和衰落的影响，严重降低了接收信号的质量。

因此无线通信面临的最大挑战就是无线信道的衰落特性。

为了对抗这种衰落，人们提出了分集技术。

分集技术是通过两条或两条以上途径传输同一信息，以减弱衰落影响的一种技术措施。

分集技术包括时间分集、频率分集和空间分集等，空间分集又可以根据发射和接收是否使用多根天线，分为两类：

接收分集和发射分集。

2.2分集技术

衰落效应是影响无线通信质量的主要因素之一，应用分集技术能够有效地克服多径引起的衰落，提高系统的传输可靠性。

分集技术是利用两个或更多的不相关信号进行处理，可以通过空域、时域和频域采集不相关信号来实现分集。

目前在移动通信中常见的分集方式有时间分集、频率分集、空间分集、极化分集和角度分集时间分集是将同一信号在不同的时间区间多次重发，为保证信号衰落彼此独立，同时要求发送时间间隔必须大于信道的相关时间；所谓频率分集，就是将信息分别调制到不同的载波频率上发送，要求载波频率间隔必须大于信道的相关带宽以保证信号衰落的独立性，特别适用于频率选择性衰落信道；空间分集，也称为天线分集，是通过发射端或接收端在空间上分开排列多个天线或天线阵列来实现的，实际中只要各天线间的距离大于发送信号波长的一半，就可以认为信号是经历互不相关的衰落信道传输。

其中，时间分集和频率分集必须使用额外的时间或频谱资源来引入发射信号的冗余副本，这将导致频谱效率的损失，而空间分集则可以避免这一问题。

接收分集技术也即合并技术，就是接收端按照某种方式，将分集方式得到的多个衰落特性相互独立的信号合并输出，从而获得分集增益。

常用的合并方式有三种：

选择合并、等增益合并以及最大比合并。

选择合并是最简单的合并方式，其选择所有信号中信噪比最大的一路作为输出；等增益合并，顾名思义，就是等权系数合并各路信号；在最大比合并中，每路信号的加权系数与信噪比成正比，信噪比越大，加权系数越大，对合并后信号的贡献也越大。

在三种合并方式中，最大比合并的性能最好，但是在实际应用中需要对信道的衰落系数进行估计。

2.2.1时间分集

时间分集是利用一个随机衰落信号，当取样点的时间间隔足够大时，两个样点间的衰落是统计上相互独立的，即利用在时间上衰落统计特性的差异来实现抗衰落（时间选择性）的功能。

因此，时间分集是在不连续的时隙上发送信号完成分集，这就在很大程度上限制了我们对这种技术的应用。

对于不同的信道衰落特性，它对信号传输的改善程度是不同的。

如果衰落是慢衰落，此时信道的相干时间非常大，那么用于时间分集的时隙间的间隔也就非常大，这样造成了在接收端的巨大时延。

快衰落信道相比更适于时间分集。

时间分集虽然对设备的数目要求较少，但是它占用时隙资源，增大了开销，降低了传输效率。

2.2.2频率分集

频率分集是利用不同的载波频率获得分集。

它要求在多个不同的频率上发送同样的信息，频率间隔必须大于信道的相干带宽，这样，几路信号所遭受的衰落就可以认为是不相关的，从而实现频率分集。

频率分集和空间分集相比，需要占用更多的频带资源，但是在接收端可以配置较少的接收天线和设备。

2.3MIMO系统

鉴于频谱资源的宝贵，空间分集技术由于不需要占用额外的时间和频带资源，从而成为未来通信发展的趋势。

作为空间分集方式的一种，MIMO技术在通信链路的发射端与接收端使用多个天线，能够将传统通信系统中的多径因素变成对用户通信性能有利的因素，在抗多径衰落、提高通信链路的速率和质量方面有着明显的优势。

然而在实际的蜂窝通信系统中，发射分集只能应用于基站端，以提高下行链路的通信质量；而对上行信道而言，移动终端由于受到体积、功耗、工艺等多方面的限制，在其上安装多个天线有很大困难，极大地限制了MIMO（多输入多输出）通信技术在上行链路中的应用。

为了解决这一问题，诞生了一种全新的分集方式——协作分集（CooperativeDiversity），它使得移动终端按照一定的方式共享彼此的天线，从而产生一个虚拟的MIMO系统以获得发射分集增益，为多天线技术的实用化提供了一条新的途径。

随着无线互联网多媒体通信的快速发展，无线通信系统的容量与可靠性亟待提升，常规单天线收发通信系统面临严峻挑战。

采用常规发射分集、接收分集或智能天线技术已不足解决新一代无线通信系统的大容量与高可靠性需求问题。

幸运的是，结合空时处理的多天线技术——MIMO技术，提供了解决该问题的新途径。

它在无线链路两端均采用多天线，分别同时接受与发射，能够充分开发空间资源，在无需增加频谱资源和发射功率的情况下，成倍地提升通信系统的容量与可靠性。

MIMO（Multiple-InputMultiple-Out-put）系统，该技术最早是由Marconi于1908年提出的，它利用多天线来抑制信道衰落。

根据收发两端天线数量，相对于普通的SISO（Single-InputSingle-Output）系统，MIMO还可以包括SIMO（Single-InputMultiple-Output）系统和MISO（Multiple-InputSingle-Output）系统。

利用MIMO信道可以成倍地提高无线信道容量，在不增加带宽和天线发送功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高。

同时也可以提高信道的可靠性，降低误码率。

在具有多于一根收/发天线时，在每对发射和接收天线之间将建立不同的信道。

在这类模型中，发射信息能够通过不同的信道到达接收端。

只要其中一个信道足够强，接收机就能够恢复发射信息。

如果我们假设不同的信道相互独立或者具有非常小的相关度，那么所有信道链路衰落的概率就很小。

天线对越多，接收信号的冗余度（分集）就越大，也就是说，收发器检测的可靠性将越高。

信道链路的低相关度或者独立的假设可以通过适当的分离收发器两端天线来获得。

MIMO技术已经成为无线通信领域的关键技术之一，通过近几年的持续发展，MIMO技术将越来越多地应用于各种无线通信系统。

在无线宽带移动通信系统方面，第3代移动通信合作计划（3GPP）已经在标准中加入了MIMO技术相关的内容，B3G和4G的系统中也将应用MIMO技术。

MIMO技术对日益增长的无线通信系统容量和系统可靠性提供了解决问题的新途径。

但是现有的多天线技术多用于基站端，而对于移动终端，由于发射分集要求相邻天线之间的间距要大于电波波长并且多个收发天线之间的传输信道是独立的或至少是不相关的，移动终端对体积，质量和功耗的要求又非常苛刻，所以在移动终端很难安装多天线，因而，很难在移动终端实现上行的发射分集。

考虑到现有的无线通信系统中是由多用户组成，因而一种新的在移动终端实现分集的思想随之产生——协作分集。

其基本思想是：

移动终端之间共享各自的天线，利用自己和小区内其他移动终端所构成的虚拟的多发射天线阵传输信息，从而获得空间分集增益的分集方式，有效消除无线信道多径和时变衰落的影响。

协作分集还可以扩大系统容量，提高网络服务质量，改善系统性能。

在一定的意义上讲，协作分集思想为MIMO技术走向实用提供了一条新的途径。

第三章协作分集原理及分类

3.1协作通信

协作通信可以有效的解决无线通信中低信噪比信号检测、信号编码和断续的通信问题。

协作通信的目的就是充分利用网络中的节点资源来帮助有信息需求的节点进行高速、可靠地无线通信。

协作通信是一种新的通信方式，通过引入中继信道，它在用户和基站之间产生了独立路径。

中继信道可以认