浅谈无线通信网络中的分集技术

浅谈无线通信网络中的分集技术

分集技术作为无线和移动通信中对抗衰落的一种有效手段,可有效提升数据传输速率,这越来越多地引起人们的关注,已经成为新一代无线传输系统的关键技术之一。因此,如何更好地将分集的强大优势和具体实现结合起来,以提高通信的效率与效果具有十分重要的现实意义。

标签：通信网络分集技术基本原理作用及增益

衰落效应是影响无线通信质量的主要因素之一。其中的快衰落深度可达30～40dB,此时,利用加大发射功率、增加天线尺寸和高度等方法来克服这种深衰落是不现实的。采用分集方法即在若干个支路上接收相互间相关性很小的载有同一消息的信号,然后通过合并技术再将各个支路信号合并输出,那么便可在接收终端上大大降低深衰落的概率。目前,这种技术已广泛应用于包括移动通信,短波通信等随参信道中。

1分集技术的基本原理

根据信号论原理,若有其他衰减程度的原发送信号副本提供给接收机,则有助于接收信号的正确判决。这种通过提供传送信号多个副本来提高接收信号正确判决率的方法被称为分集。分集技术是用来补偿衰落信道损耗的,它通常利用无线传播环境中同一信号的独立样本之间不相关的特点,使用一定的信号合并技术改善接收信号,来抵抗衰落引起的不良影响。空间分集手段可以克服空间选择性衰落,但是分集接收机之间的距离要满足大于三倍波长的基本条件。

分集的基本原理是通过多个信道(时间、频率或者空间)接收到承载相同信息的多个副本,由于多个信道的传输特性不同,信号多个副本的衰落就不会相同。接收机使用多个副本包含的信息能比较正确的恢复出原发送信号。如果不采用分集技术,在噪声受限的条件下,发射机必须要发送较高的功率,才能保证信道情况较差时链路正常连接。在移动无线环境中,由于手持终端的电池容量非常有限,所以反向链路中所能获得的功率也非常有限,而采用分集方法可以降低发射功率,这在移动通信中非常重要。

分集技术包括两个方面:一是分散传输,使接收机能够获得多个统计独立的、携带同一信息的衰落信号;二是集中处理,即把接收机收到的多个统计独立的衰落信号进行合并以降低衰落的影响。因此,要获得分集效果最重要的条件是各个信号之间应该是“不相关”的。

2 协作分集技术对通信起到的作用和增益

2.1 提高信息传输速率研究证明,当两个用户到基站的信道统计特性相似,即有相同的均值,并且两用户间的信道质量较好时,协作方案提高信息传输速率的幅度就越大,系统性能的提升就越显著。当两个用户到基站信道统计特性不同时,

协作依然能提高信息传输速率,且本身通信质量较差的用户受益较大,而相对通信质量较好的用户并没有受到不良的影响,可达速率区域仍然是有所增加的。

2.2 减少系统中断概率实际系统中,时延要求常使我们不能够有一定长度的码序列,由此传信率就成为随衰落程度变化而变化的随机变量。有些无线系统对信息传输速率有最低要求,如果低于这个值即认为系统不可靠,无法继续运行。这时,如果得到的随机变化的传信率低于一定的水平,即业务可靠速率,则发生“中断”。因而,中断概率也成为系统性能的一个评判标准。

研究表明,如果两用户传信率相等时,对所有业务的可靠速率,协作系统的中断概率都要小于非协作系统的中断概率。即便是传信率的提高并不多,但系统的健壮性却能提高很多。

2.3 扩大覆盖范围协作通信属于中继通信的一种,它也具有提高覆盖范围的特点。对于处于小区边缘外侧的用户,通过采用小区内的中继(移动或固定)使用协作通信方式提高上下行速度,从而达到小区的接入要求。从这个意义上说,在引入了协作通信之后,小区的覆盖范围可以较原有的通信蜂窝网络有所提高。同时,对于处于阴影效应下等通信盲区的用户,利用中继带来的分集效果,同样可以提高上下行速度。因而,协作通信还可以提高小区内的用户覆盖率。

2.4 减少传输的误码率由于中继重传了源节点发送的信号,在接收端获得了空间分集增益,信道质量得到提升,接受信噪比上升,传输的可靠性可以得到明显提升。因而,在协作通信下,系统的误码率可以得到提升阎。

2.5 减少功率消耗对于一些功率受限的很明显的网络,例如传感器网络,在满足传输需求的前提下降低节点的功率消耗,延长系统的生存时间非常重要。第2点中提到由于中继重传了源节点发送的信号,在接收端获得了空间分集增益,信道质量得到提升,接收信噪比上升,误码率下降。因此,当网络中存在最高信噪比要求时,功率的消耗可以通过协作通信得到降低,获得能量效应。

另一方面,传统的直传通信,功率的消耗集中在源节点;而在协作通信中,功率消耗重新分配到了源节点和中继节点两个节点上。这使单个节点的传输压力减小,能量消耗分散,使传感器网络的生命时间得到延长。事实上,一个实际中的网络中,通常并不是所有节点都总是处在繁忙状态,总是存在空闲节点。因而,协作通信合理利用了这些空余节点,使网络性能得到更充分的发挥。

3 协作分集的基本模式

根据中继节点所进行的不同处理方式,协作分集可以分为以下几种模式:放大中继,检测中继和编码协作。

3.1 放大中继模式放大中继是最简单的协作方式,每个移动终端接收其伙伴传来的被噪声污染了的信号,并且直接将该信号进行放大后发送出去,基站接收来自发送端和中继节点的信号并对其进行合并。虽然放大信号将噪声一起放大,但

是由于基站接收到了两路经历独立衰落的信号,所以可以更好的对信号进行判决。

在中继节点,根据自动增益控制对接收到的信号进行功率调整,调整系数为:

其中,Ar,s为源端与中继端之间的衰落系数,Ps为信号功率,N0为两用户之间信道的噪声功率。Laneman证明了这一方法在两个用户的情况下,可以获得2阶的分集增益。

放大中继方法假定基站可以获得用户间信道信息从而可以对接收信号做出最佳判决。另一个值得关注的问题是信号的采样,放大以及模拟信号的再发送。然而放大中继方法实现简单且易于分析,对于我们深入理解协作分集也有很大的帮助。

3.2 检测中继模式检测中继是最接近传统中继方法的,其设计初衷是在中继处消除噪声干扰,避免放大中继模式中对噪声的放大。在这种模式下,移动终端总是试图对接收到的其合作伙伴的信号先进行解码,然后再进行编码转发给基站,这样就去除了中继端产生的噪声影响。这种中继模式的优点是比较简单,且对各种信道都有较好的适应性。但问题是当用户间的信道条件比较差时,作为中继的移动终端有可能无法正确解码,从而危害到基站的最终解码。

为了避免上述错误传播,Laneman等人提出了一种选择检测中继模式,当移动终端间的瞬时信噪比比较高时,中继节点检测并转发其合作伙伴的信息,反之,不进行协作。可以证明,在信噪比较高时,两个移动终端的系统采用检测中继模式不仅可和放大中继一样获得二阶的分集增益,而且可获得更低的误码率。

另一种对检测中继的改进方法是有校验的检测中继(DF with CRC)。在这种方式下,中继节点接收到源节点信号并进行解码后,先对其进行CRC校验,如果正确则重新发送,否则就抛弃该帧。这样就避免了错误信息的重传。

3.3 编码协作这是将协作技术和信道编码技术结合起来的一种技术。它通过两条不同的衰落路径发送每个用户码字的不同部分。首先对接收到的协作伙伴的信息进行正确解码,再按照原编码方式进行编码并发送冗余信息。这时系统性能的改善是通过在不同空间发送冗余获得的。各移动终端通过重新编码发送了不同的冗余信息,把分集和编码结合起来,从而达到提升系统性能的目的。

4 结语

协作分集技术可以对抗无线通信环境下的多径衰落,是改善移动终端上行信道性能的有效方法,在各种无线网络中有着广阔的应用前景,值得我们进行深入的研究与探讨。

参考文献: