协作通信系统中的AF中继协议研究Word下载.docx

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参考文献48

摘要

近年来，随着无线通信技术的高速开展，MIMO技术被认为是对通信技术有着巨大推动作用的。

然而MIMO系统对天线间距离的苛刻要求使得其无法在移动终端使用，但由无线信道的广播特性使得节点间可以互相帮助进展分布式通信，并且可以获得和固定MIMO系统一样的性能增益，所以出现了协作通信的思想。

协作通信是一种新的通信方式，它把MIMO通信技术推广到更多的应用场景，在这种新的通信方式中，分散在无线网络中的终端可以看做分布式天线。

通过节点的协作，增加了系统的分集增益从而获得了类似MIMO系统中的增益。

然而在协作通信过程中，源节点通常有很多中继节点，如何选择节点变得尤为重要。

本文首先对无线通信系统中广泛使用的分集技术进展了论述，引出了协作通信的概念，研究了协作通信的根本原理以与协作通信的各种协议，并分析了各自的优缺点。

然后研究了单中继节点存在的协作通信系统模型，利用矩生成函数给出了单中继协作通信的平均误符号率表达式，得到了系统的信噪比以与最优功率分配。

最后根据AF协议的性能增益和DF协议作了比拟，得出一系列结论。

关键词MIMO、协作通信、误符号率、信噪比、功率分配

ABSTRACT

Inrecentyears,withtherapiddevelopmentofwirelessmunicationtechnology,MIMOtechnologyhasbeenconsideredtobeahugeboosttheroleofmunicationstechnology.However,MIMOsystemsmakesthedemandingrequirementsofthedistancebetweentheantennascannotbeusedinthemobileterminal,butmakesbroadcastbytheradiochannelcharacteristicscanhelpeachotherdistributedmunicationbetweennodes,andcanbefixedwiththesameMIMOsystemperformancegain,sotherearetheideaofcollaborativemunication.

Collaborativemunicationisanewmeansofmunication,itextendedtotheMIMOmunicationtechnologyscenarios,inthisnewmeansofmunication,decentralizedwirelessnetworkterminalcanbeseenasadistributedantenna.NodecollaborationtoincreasethediversitygainofthesysteminordertogainsimilarMIMOsystem.However,intheprocessofcollaborativemunication,thesourcenodeusuallyhavealotofrelaynodes,howtochoosethenodebeesparticularlyimportant.

Thepaperfirstdiscussesthediversitytechniquewidelyusedinwirelessmunicationsystems,leadstotheconceptofcollaborativemunication,thebasicprinciplesofcooperativemunicationandcollaborativemunicationofvariousprotocols,andanalyzestheiradvantagesanddisadvantages.Thenasinglerelaynodecollaborationmunicationsystemmodel,themomentgeneratingfunctiongivestheaveragesymbolerrorrateexpressionforthesingle-relaycooperativemunication,theSNRofthesystemandtheoptimalpowerallocation.Finally,theperformancegainoftheAFprotocolandDFprotocolswereparedtodrawaseriesofconclusions.

KEYWORDSMIMO,cooperativemunications,symbolerrorrate,signaltonoiseratio,powerdistribution

第一章引言

1.1研究背景

目前，无线通信技术已经经历了快速开展演进，各种新技术层出不穷。

回顾移动通信的开展过程，第一代移动通信技术〔1G〕是指最初的模拟、仅限语音的蜂窝标准，其主要采用的是模拟技术和频分多址（FDMA）技术。

由于受到传输带宽的限制，不能进展移动通信的长途漫游，只能是一种区域性的移动通信系统。

第一代移动通信有多种制式，我国主要采用的是TACS。

第一代移动通信有很多不足之处，如容量有限、制式太多、互不兼容、##性差、通话质量不高、不能提供数据业务和不能提供自动漫游等；

第二代移动通信技术〔2G〕引入数字无线电技术组成的数字蜂窝移动通信系统，提供更高的网络容量，改善了话音质量和##性，并为用户提供无缝的国际漫游。

当今世界市场的第二代数字无线标准，包括GSM、D-AMPS。

PDC〔日本数字蜂窝系统〕和IS-95CDMA等，均仍然是窄带系统。

现有的移动通信网络主要以第二代的GSM和CDMA为主，采用GSMGPRS、CDMA的IS-95B技术，数据提供能力可达115.2kbit／s，全球移动通信系统〔GSM〕采用增强型数据速率〔EDGE〕技术，速率可达384kbit／s；

第三代移动通信〔3G〕在第二代移动通信技术根底上进一步演进的以宽带CDMA技术为主,并能同时提供话音和数据业务的移动通信系统，其主要是在传输声音和数据的速度上的提升，它能够要能在全球X围内更好地实现无缝漫游，并处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式，提供包括网页浏览、会议、电子商务等多种信息服务，为了提供这种服务，无线网络必须能够支持不同的数据传输速度，也就是说在室内、室外和行车的环境中能够分别支持至少2Mbps〔兆比特／每秒〕、384kbps〔千比特／每秒〕以与144kbps的传输速度。

尽管经历了几代不同的开展阶段，每一代无线设备都带来了无线链路通信速度、设备尺寸、电池寿命，以与应用等方面的显著改变。

近几年，通信技术的演进出现了这样一种转变，即研究者们从传统的有中心控制器的单独点对点通信转换而关注整个无线网络架构。

由于摒弃传统网络分层的概念而允许任何节点帮助其他节点转发信息，因此建立了包含多跳的无线通信路径。

这种特性导致了用户终端发送的信息，可以通过其他节点获得性能增益，而不是被当做干扰，这种开展导致了分布式通信和协作网络这一新名词的诞生。

近年来，被认为对通信技术有巨大推动作用的是MIMO〔Multiple-InputMultiple-Output〕技术。

协作通信在无信通信系统中有多种应用，主要有固定中继的协作通信〔协作MIMO）和用户终端间的协作通信〔多用户协作〕两种方式。

考虑到移动终端只配置1到2跟天线，为了保证天线数受限的终端用户也能获得MIMO增益，提出了协作MIMO的概念。

另外，在多跳无线通信网络中，为提高传输速率，提出了多用户协作分集即多个用户相互协作从而实现类似MIMO的传输方案以获得分集增益。

一种建立协作通信的方法包括接收来自发起客户机的与指定用户进展协作通信的请求的步骤。

可使能中间客户机，该中间客户机可以被设置在一个通过互联网协议网络与发起客户机通信连接的服务器中。

可以确定一个与指定用户相关的移动设备。

在中间客户机和移动设备之间的通信会话可以通过无线网络来实现。

通过使用中间客户机作为通信中介，可以在发起客户机与移动设备之间传送至少一个协作消息。

MIMO技术在接收端和发射端使用多根天线，从而形成多条路径，通过数字信号处理技术对多条路径传送的信号进展形成和合并，提高了接收信号的质量和数据传输速率。

由于无线信道的广播特性使得节点间可以互相帮助，进展分布式通信，并且可以获得和固定MIMO系统一样的性能增益，所以出现了协作通信的思想。

其目的是通过采用一种新技术达到提高通信容量、传输速率和系统性能；

减少电池能耗和延长网络寿命；

提高吞吐量和多址接入方案的稳定区；

增大传输X围；

为媒体通信的信源-信道编码提供一种折中方案。

协作通信是一个崭新的研究领域，其思想在通信领域具有非常广阔的应用前景！

1.2研究意义

随着无线通信的高速开展，人们对无线传输的数据速率和服务质量的要求不断提高。

由于信号经过多条路径到达接收端的时间、幅度和相位不同，导致叠加后信号的急剧变化，从而产生多径衰落。

其严重制约了无线通信##号传输的质量，也是影响无线通信传输速率的重要因素。

针对多径效应，人们曾提出了一系列抗衰落性能好的调制解调技术、扩频技术、功率控制技术以与分集接收技术等。

其中分集接收技术的根本思想是发送端采取某种方式通过相互独立的衰落信道产生同一信号的多个副本，降低信号分量同时陷入深度衰落的概率；

在接收端再对接收到的多个衰落独立的信号进展处理，合理地利用这些信号的能量来改善接收信号的质量。

常见的分集技术有：

频率分集、时间分集、空间分集和极化分集等。

空间分集是从不同的天线发送信号，在承受端得到经历独立衰落的多个信号副本，经过恰当的合并可以有效地消除多径衰落的影响。

MIMO〔MultipleInput-MultipleOutput〕技术作为空间分集的典型应用，通过在通信链路的发端与接收端用多个天线，能够将传统通信系统中的多径因素变为有利因素，在抗多径衰落、提高通信连路的速率和质量方面有着明显的优势。

MIMO技术在不需要占用额外的宽带和频谱资源的情况下，极大的提高系统的容量和可靠性。

但在实际的蜂窝通信系统中，由于移动终端体积、功耗以与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，使单天线的移动终端也可以实现空间分集。

它的根本思想是在一个给定的终端周围，存在着其它单天线终端，利用这些终端形成一个虚拟的多天线系统，来增强给定终端的分集效应。

协作分集即使不能提升数据传输速率，也可以提高数据传输的稳定性。

1.3论文结构

第一章介绍论文的研究背景与意义并简述论文的结构。

第二章介绍无线信道的相关特性，MIMO系统的根本知识以与协作分集的产生和开展概括。

第三章介绍协作通信的三种不同的中继转发操作，引出前向放大转发的特点与优势。

第四章协作通信系统中的AF中继协议的具体研究和