无线通信中天线的协作分集方法研究

摘要

目前，由于多媒体、宽带Internet等高速率数据传输业务的迅猛增加，对高数据率无线接入的需求也以相同的速率在增长。在无线通信环境中，高速通信存在着两个严峻的挑战。其一，由于无线频谱资源是有限的，如何充分提高有限频谱资源的使用效率问题摆在面前。其二，在高速通信的环境中，信道的衰落干扰问题更加严重，如频率选择性衰落和时间选择性衰落。怎样克服衰落的影响，提高信号的传输质量，同样是一个难题。利用传统的办法解决这些问题非常困难，因此需要寻找新的途径来提高无线通信系统的容量和质量。近年来，在无线通信研究中的一个最新进展就是多输入多输出方法(MIMO )，即在无线通信系统的发射端和接收端都安装了多个天线的信号传输方法。大量的研究表明一个 MIMO 系统可以提供多条独立的传输信道，在一定条件下，系统的信道容量随天线的数目线性增加，并且系统的差错率也将随天线数目指数下降，因此，MIMO技术也越来越受到国内外学者的关注。 MIMO系统在发送天线数或者接收天线数取为1的特殊情况时就形成了接收分集或发送分集。无线通信中多径衰落是影响信道容量和系统可靠性的主要原因之一，分集技术可以通过在接收端合并多个经历独立衰落的信号样本,以对抗无线信道中的衰落。因此分集是无线通信中一种对抗多径衰落和码间串扰的有效方法。常见的分集方式主要有时间分集、频率分集和空间分集。空间分集的基本思想是利用空间上分离的多个发射信号样本或接收信号样本(多个不相关的信道)来对抗多径衰落，并且可以和其他的分集方法相结合。自然会想到在无线通信中运用分集的方法，但是由于无线终端尺寸上面的限制，不可能实现一个终端上安装多个天线的空间分集方法。因此人们提出了协作分集这样一种全新的实现空间分集的方法。协作分集中，网络中的多个终端通过形成一个虚拟的天线阵以获得空间分集增益。研究表明协作分集不仅可以获得所预期的分集增益以提高信道容量和系统的性能，同时还可以和空时编码相结合以获得编码增益，或者是和OFDM技术相结合，以更好的对抗频率选择性衰落。 本文首先说明了MIMO系统对于信道容量和系统差错性能的改进，然后介绍了天线的协作分集这一全新的实现空间分集的方法，并对各种不同的协作分集方法进行了比较，然后对两种协作分集方法进行了改进。首先通过将一段相干时间分为两个时隙，第一个时隙信号源向中继和接收机发送信号，第二个时隙选择一个最优的中继将第一个时隙接收到的加了噪声的信号向接收机发送，信号源则继续向接收机发送信号，对伺机分集方法进行了改进。通过理论分析和仿真结果可以看到虽然在第二个时隙信号源和中继同时发射信号增加了接收机的复杂度，但是系统在高频谱效率情况下的性能得到改善。其次通过改变每次协作分集的终端选择规则，还对多节分步法进行了一定的改进，仿真结果显示虽然改进的多节分步法系统结构更复杂，但是却可以得到更好的SER性能。最后还对协作分集与OFDM的结合进行了关注，OFDM作为对抗频率选择性衰落的新的研究热点，对于其与协作分集相结合的研究只是刚起步通过一定的分析验证可以看到OFDM系统的协作分集方法必将大有可为，这一领域也需要进行更多更深入的研究。