摘要:分集技術(shù)作為無(wú)線和移動(dòng)通信中對(duì)抗衰落的一種有效手段，可有效提升數(shù)據(jù)傳輸速率，這越來(lái)越多地引起人們的關(guān)注，已經(jīng)成為新一代無(wú)線傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。因此，如何更好地將分集的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)和具體實(shí)現(xiàn)結(jié)合起來(lái)，以提高通信的效率與效果具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞:通信網(wǎng)絡(luò) 分集技術(shù) 基本原理 作用及增益

衰落效應(yīng)是影響無(wú)線通信質(zhì)量的主要因素之一。其中的快衰落深度可達(dá)30～40dB，此時(shí)，利用加大發(fā)射功率、增加天線尺寸和高度等方法來(lái)克服這種深衰落是不現(xiàn)實(shí)的。采用分集方法即在若干個(gè)支路上接收相互間相關(guān)性很小的載有同一消息的信號(hào)，然后通過(guò)合并技術(shù)再將各個(gè)支路信號(hào)合并輸出，那么便可在接收終端上大大降低深衰落的概率。目前，這種技術(shù)已廣泛應(yīng)用于包括移動(dòng)通信，短波通信等隨參信道中。

1分集技術(shù)的基本原理

根據(jù)信號(hào)論原理，若有其他衰減程度的原發(fā)送信號(hào)副本提供給接收機(jī)，則有助于接收信號(hào)的正確判決。這種通過(guò)提供傳送信號(hào)多個(gè)副本來(lái)提高接收信號(hào)正確判決率的方法被稱為分集。分集技術(shù)是用來(lái)補(bǔ)償衰落信道損耗的，它通常利用無(wú)線傳播環(huán)境中同一信號(hào)的獨(dú)立樣本之間不相關(guān)的特點(diǎn)，使用一定的信號(hào)合并技術(shù)改善接收信號(hào)，來(lái)抵抗衰落引起的不良影響。空間分集手段可以克服空間選擇性衰落，但是分集接收機(jī)之間的距離要滿足大于三倍波長(zhǎng)的基本條件。

分集的基本原理是通過(guò)多個(gè)信道(時(shí)間、頻率或者空間)接收到承載相同信息的多個(gè)副本，由于多個(gè)信道的傳輸特性不同，信號(hào)多個(gè)副本的衰落就不會(huì)相同。接收機(jī)使用多個(gè)副本包含的信息能比較正確的恢復(fù)出原發(fā)送信號(hào)。如果不采用分集技術(shù)，在噪聲受限的條件下，發(fā)射機(jī)必須要發(fā)送較高的功率，才能保證信道情況較差時(shí)鏈路正常連接。在移動(dòng)無(wú)線環(huán)境中，由于手持終端的電池容量非常有限，所以反向鏈路中所能獲得的功率也非常有限，而采用分集方法可以降低發(fā)射功率，這在移動(dòng)通信中非常重要。

分集技術(shù)包括兩個(gè)方面:一是分散傳輸，使接收機(jī)能夠獲得多個(gè)統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的、攜帶同一信息的衰落信號(hào);二是集中處理，即把接收機(jī)收到的多個(gè)統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的衰落信號(hào)進(jìn)行合并以降低衰落的影響。因此，要獲得分集效果最重要的條件是各個(gè)信號(hào)之間應(yīng)該是“不相關(guān)”的。

2 協(xié)作分集技術(shù)對(duì)通信起到的作用和增益

2.1 提高信息傳輸速率 研究證明，當(dāng)兩個(gè)用戶到基站的信道統(tǒng)計(jì)特性相似，即有相同的均值，并且兩用戶間的信道質(zhì)量較好時(shí)，協(xié)作方案提高信息傳輸速率的幅度就越大，系統(tǒng)性能的提升就越顯著。當(dāng)兩個(gè)用戶到基站信道統(tǒng)計(jì)特性不同時(shí)，協(xié)作依然能提高信息傳輸速率，且本身通信質(zhì)量較差的用戶受益較大，而相對(duì)通信質(zhì)量較好的用戶并沒有受到不良的影響，可達(dá)速率區(qū)域仍然是有所增加的。

2.2 減少系統(tǒng)中斷概率 實(shí)際系統(tǒng)中，時(shí)延要求常使我們不能夠有一定長(zhǎng)度的碼序列，由此傳信率就成為隨衰落程度變化而變化的隨機(jī)變量。有些無(wú)線系統(tǒng)對(duì)信息傳輸速率有最低要求，如果低于這個(gè)值即認(rèn)為系統(tǒng)不可靠，無(wú)法繼續(xù)運(yùn)行。這時(shí)，如果得到的隨機(jī)變化的傳信率低于一定的水平，即業(yè)務(wù)可靠速率，則發(fā)生“中斷”。因而，中斷概率也成為系統(tǒng)性能的一個(gè)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

研究表明，如果兩用戶傳信率相等時(shí)，對(duì)所有業(yè)務(wù)的可靠速率，協(xié)作系統(tǒng)的中斷概率都要小于非協(xié)作系統(tǒng)的中斷概率。即便是傳信率的提高并不多，但系統(tǒng)的健壯性卻能提高很多。

2.3 擴(kuò)大覆蓋范圍 協(xié)作通信屬于中繼通信的一種，它也具有提高覆蓋范圍的特點(diǎn)。對(duì)于處于小區(qū)邊緣外側(cè)的用戶，通過(guò)采用小區(qū)內(nèi)的中繼(移動(dòng)或固定)使用協(xié)作通信方式提高上下行速度，從而達(dá)到小區(qū)的接入要求。從這個(gè)意義上說(shuō)，在引入了協(xié)作通信之后，小區(qū)的覆蓋范圍可以較原有的通信蜂窩網(wǎng)絡(luò)有所提高。同時(shí)，對(duì)于處于陰影效應(yīng)下等通信盲區(qū)的用戶，利用中繼帶來(lái)的分集效果，同樣可以提高上下行速度。因而，協(xié)作通信還可以提高小區(qū)內(nèi)的用戶覆蓋率。

2.4 減少傳輸?shù)恼`碼率 由于中繼重傳了源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信號(hào)，在接收端獲得了空間分集增益，信道質(zhì)量得到提升，接受信噪比上升，傳輸?shù)目煽啃钥梢缘玫矫黠@提升。因而，在協(xié)作通信下，系統(tǒng)的誤碼率可以得到提升閻。

2.5 減少功率消耗 對(duì)于一些功率受限的很明顯的網(wǎng)絡(luò)，例如傳感器網(wǎng)絡(luò)，在滿足傳輸需求的前提下降低節(jié)點(diǎn)的功率消耗，延長(zhǎng)系統(tǒng)的生存時(shí)間非常重要。第2點(diǎn)中提到由于中繼重傳了源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信號(hào)，在接收端獲得了空間分集增益，信道質(zhì)量得到提升，接收信噪比上升，誤碼率下降。因此，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中存在最高信噪比要求時(shí)，功率的消耗可以通過(guò)協(xié)作通信得到降低，獲得能量效應(yīng)。

另一方面，傳統(tǒng)的直傳通信，功率的消耗集中在源節(jié)點(diǎn);而在協(xié)作通信中，功率消耗重新分配到了源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)上。這使單個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳輸壓力減小，能量消耗分散，使傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命時(shí)間得到延長(zhǎng)。事實(shí)上，一個(gè)實(shí)際中的網(wǎng)絡(luò)中，通常并不是所有節(jié)點(diǎn)都總是處在繁忙狀態(tài)，總是存在空閑節(jié)點(diǎn)。因而，協(xié)作通信合理利用了這些空余節(jié)點(diǎn)，使網(wǎng)絡(luò)性能得到更充分的發(fā)揮。

3 協(xié)作分集的基本模式

根據(jù)中繼節(jié)點(diǎn)所進(jìn)行的不同處理方式，協(xié)作分集可以分為以下幾種模式:放大中繼，檢測(cè)中繼和編碼協(xié)作。

3.1 放大中繼模式 放大中繼是最簡(jiǎn)單的協(xié)作方式，每個(gè)移動(dòng)終端接收其伙伴傳來(lái)的被噪聲污染了的信號(hào)，并且直接將該信號(hào)進(jìn)行放大后發(fā)送出去，基站接收來(lái)自發(fā)送端和中繼節(jié)點(diǎn)的信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行合并。雖然放大信號(hào)將噪聲一起放大，但是由于基站接收到了兩路經(jīng)歷獨(dú)立衰落的信號(hào)，所以可以更好的對(duì)信號(hào)進(jìn)行判決。

在中繼節(jié)點(diǎn)，根據(jù)自動(dòng)增益控制對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行功率調(diào)整，調(diào)整系數(shù)為:

其中，Ar，s為源端與中繼端之間的衰落系數(shù)，Ps為信號(hào)功率，N0為兩用戶之間信道的噪聲功率。Laneman證明了這一方法在兩個(gè)用戶的情況下，可以獲得2階的分集增益。

放大中繼方法假定基站可以獲得用戶間信道信息從而可以對(duì)接收信號(hào)做出最佳判決。另一個(gè)值得關(guān)注的問(wèn)題是信號(hào)的采樣，放大以及模擬信號(hào)的再發(fā)送。然而放大中繼方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單且易于分析，對(duì)于我們深入理解協(xié)作分集也有很大的幫助。

3.2 檢測(cè)中繼模式 檢測(cè)中繼是最接近傳統(tǒng)中繼方法的，其設(shè)計(jì)初衷是在中繼處消除噪聲干擾，避免放大中繼模式中對(duì)噪聲的放大。在這種模式下，移動(dòng)終端總是試圖對(duì)接收到的其合作伙伴的信號(hào)先進(jìn)行解碼，然后再進(jìn)行編碼轉(zhuǎn)發(fā)給基站，這樣就去除了中繼端產(chǎn)生的噪聲影響。這種中繼模式的優(yōu)點(diǎn)是比較簡(jiǎn)單，且對(duì)各種信道都有較好的適應(yīng)性。但問(wèn)題是當(dāng)用戶間的信道條件比較差時(shí)，作為中繼的移動(dòng)終端有可能無(wú)法正確解碼，從而危害到基站的最終解碼。

為了避免上述錯(cuò)誤傳播，Laneman等人提出了一種選擇檢測(cè)中繼模式，當(dāng)移動(dòng)終端間的瞬時(shí)信噪比比較高時(shí)，中繼節(jié)點(diǎn)檢測(cè)并轉(zhuǎn)發(fā)其合作伙伴的信息，反之，不進(jìn)行協(xié)作。可以證明，在信噪比較高時(shí)，兩個(gè)移動(dòng)終端的系統(tǒng)采用檢測(cè)中繼模式不僅可和放大中繼一樣獲得二階的分集增益，而且可獲得更低的誤碼率。

另一種對(duì)檢測(cè)中繼的改進(jìn)方法是有校驗(yàn)的檢測(cè)中繼(DF with CRC)。在這種方式下，中繼節(jié)點(diǎn)接收到源節(jié)點(diǎn)信號(hào)并進(jìn)行解碼后，先對(duì)其進(jìn)行CRC校驗(yàn)，如果正確則重新發(fā)送，否則就拋棄該幀。這樣就避免了錯(cuò)誤信息的重傳。

3.3 編碼協(xié)作 這是將協(xié)作技術(shù)和信道編碼技術(shù)結(jié)合起來(lái)的一種技術(shù)。它通過(guò)兩條不同的衰落路徑發(fā)送每個(gè)用戶碼字的不同部分。首先對(duì)接收到的協(xié)作伙伴的信息進(jìn)行正確解碼，再按照原編碼方式進(jìn)行編碼并發(fā)送冗余信息。這時(shí)系統(tǒng)性能的改善是通過(guò)在不同空間發(fā)送冗余獲得的。各移動(dòng)終端通過(guò)重新編碼發(fā)送了不同的冗余信息，把分集和編碼結(jié)合起來(lái)，從而達(dá)到提升系統(tǒng)性能的目的。

4 結(jié)語(yǔ)

協(xié)作分集技術(shù)可以對(duì)抗無(wú)線通信環(huán)境下的多徑衰落，是改善移動(dòng)終端上行信道性能的有效方法，在各種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中有著廣闊的應(yīng)用前景，值得我們進(jìn)行深入的研究與探討。

參考文獻(xiàn):

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