再生中继信道的简介

图2.12 再生中继的通信场景

通信拓扑是千差万别的，图2.12给出了一种典型的再生中继的通信场景。图中，位于高处的基站与处于较低位置的、位于建筑物之间的中继进行通信，中继将接收到的信号以再生的方式重传到同样处于建筑物群之间的终端。在基站和中继之间的通信信道是传统的通信链路，但中继和终端之间的通信信道是协同中继链路。前者具有与蜂窝系统中同样的特性，而后者则是不一样的，因为无论在发射端还是接收端，周围都存在障碍物。

2.2.4.1 系统的假设

一个关键因素是，中继通过对信号的再生，将前后的衰落信道进行了隔离，使信道不再相关。这与在2.2.5节中讨论的透明中继是不同的。再生中继系统中每段信道因此可以分别建模为

其中，x_i、y_i、n_i分别是第i个中继段的发送信号、接收信号和功率为σ²_i的加性高斯白噪声（AWGN）；G_i=L_iS_i是由路径损失、阴影造成的大尺度衰落；h_i是信道衰落复系数。因此每段无线再生中继信道特性可分别由L_i、S_i、h_i描述，这些因素的影响将在下面分别讨论。

2.2.4.2 关键信道参数

基于上述场景，参照2.2节讨论的关键量化参数可以对每段无线再生中继信道的特性进行分析，并且我们采用了文献[135，141-163]中的观点。

●路损：传统链路的路损系数的取值范围为：n＜2（如电磁波传播沿线街道），n=2（LOS），n=2～4（NLOS）；协同链路的路损系数取值范围为：n=2（LOS），n=4，…，6（NLOS）。在中继和终端周围的障碍物导致了平均路损的增加。

已有的路损模型可以用来模拟传统链路和协同链路。例如，传统的链路可以使用蜂窝Okumura-Hata、Walfish-Ikegami和双斜率模型，以及室内COST231和COST259-多层模型来模拟。协同链路可使用室内COST231和COST259-多层模型IEEE802.15.3a的CH1和CH4，以及IEEE802.15.4a路损模型。

●阴影：传统链路和协同链路都受到典型对数正态分布（以dB表示的高斯分布）的阴影效应的影响。虽然路损中通常已经包含了阴影衰落的平均值，但是这两种情况下的标准偏差还是有所不同的。通常情况下，传统链路的标准偏差σ（dB）为2～6dB（LOS）和6～18dB（NLOS），而协同链路情况下为0～2dB（LOS）和2～10dB（NLOS）。传统链路的自相关阴影距离d_corr在LOS情况下大于100m，在NLOS情况下约为几十米；对于协同链路，LOS条件下为40～80m左右，NLOS条件下为20～40m。显然，协同链路的阴影衰落影响较小，这是因为传输距离短且经过的障碍物少。然而在文献[157]中量化给出的阴影标准差会随距离而产生变化。需要说明的是，上述提到的多个路损模型已经在标准偏差中将阴影衰落作为一个额外的常数分量考虑在内了。

●衰落：虽然协同链路中衰落分布类型并没有改变，但是衰落的一阶和二阶矩和联合矩都可能发生了变化。衰落分布类型不改变的原因是中继链路之间是非关联的，并且每个中继段遵循相同的传播原则。而衰落矩变化的原因是传输环境中散射体数量的不同改变了衰落的分布。

衰落通常可以使用已有的信道模型来进行模拟，包括传统链路和协同链路。传统链路的衰落可以采用COST207、3GPPA&B、斯坦福大学的InterimSUI1-6信道模型、室内ETSI-BRAN，以及IEEE的多种模型。协同链路可以采用例如室内ETSI-BRAN、IEEE的多种模型（如IEEE802.15.3a的CH1-CH4和IEEE802.15.4a模型），以及其他衰落模型。

后面的章节将讨论专门为再生中继移动-移动场景设计的理论及经验路损、阴影和衰落模型。

2.2.4.3 衰落特性的影响

由于衰落特性会受再生中继结构的影响，因此下面我们将讨论相关的问题：(www.xing528.com)

（1）包络分布

正如前面所说，由于中继链路中各段并不相关，因此衰落分布类型保持不变。因此典型的包络分布，如瑞利分布、莱斯分布、Nakagami分布等都可以使用。一般来说，传统链路的多径第一分量在LOS条件下服从莱斯衰落分布，并且K=2，…，10；在NLOS条件下服从瑞利衰落分布。其他的多径分量通常是服从瑞利分布。功率分布可根据包络分布相应地得到。

（2）功率延迟分布

协同和直传链路的PDP都服从负指数分布。时延扩展τ_RMS很大程度上与环境相关，传统链路中时延扩展的一般范围为τ_RMS=50ns～4μs，协同链路范围为τ_RMS=10～40ns。在协同链路中由于终端之间的距离缩短，以及与蜂窝通信场景相比传播中障碍物的减少，使得时延大大缩短。

（3）频域特性

正如2.2节中讨论到的，频域特性受PDP与时延扩展的影响。由于在协同链路中时延明显降低，在中继路径中以相同的速率进行重传时，传统的频率选择性信道会转化为平坦的非频率选择性信道。因此降低了频率分集增益，从而对于端到端的性能影响非常大。如果使用均衡器，那么中继链路的性能将会明显好于主要链路。相反，如果使用类似扩频的技术，则中继链接将无法提供与主要链路相等的（相对）功率增益。此外，如果采用正交频分复用技术，通常由信道编码器来获取信道频率分集，这对于协同链路来说有效性很低。

需要强调的是，如果性能是最主要的考虑因素，那么特定链路的收发机需要根据具体情况来配置适当的参数。例如，一个中继节点汇集下行业务后采用更大的带宽进行转发，就可获得与传统链路相同的频率分集增益。

（4）时域特性

与传统系统相比协同中继系统最大的改进之处在于时域。原因是，传统系统中只有收发机的一端处于移动状态，而另一端保持稳定。但在协同中继系统中，一般来说收发机的两端都可以自由移动。因而在大多数最新研究中都分析了协同系统的时间特性，主要是相关时间。在后续章节中我们会对其进行分析。

（5）空间特征

空间特征变化也很明显，这一点对分布式MIMO系统的性能评估非常重要。事实上，收发机的两端都处在强散射环境之中会使得相关距离降低，从而为通信带来有效的增益。后续章节我们会继续分析空间特性。

2.2.4.4 端到端性能的影响

在详细分析建模之前，首先简要地总结再生中继对系统端到端性能的影响，如图2.12所示。在再生中继的情况下，端到端的性能完全是由系统中最差的中继链路所决定的。为此，图2.13所示为基站和移动台距离一定，将中继放在两者之间的情况下，信道的变化趋势分析。

如图2.13左所示，以窄带非协同情况作为参考，给出了路损斜率、阴影变化和衰减特性。当引入一个协同中继后，如图2.13右所示，路损斜率减小了。由1.2节与2.3节的讨论可知，这是由累积功率损耗的降低而带来的益处。此外，阴影变化也受到影响，在这个特殊的例子里，阴影衰落的减小是因为各段通信链路距离的缩短引起的。更重要的是，衰落变化更加剧烈，这是由协同通信的每段链路中移动性的提高造成的。在两种情况下，采用宽带和更适合的接收机会带来轻微的功率增益，同样由于不同多径分量经历了不同的阴影衰落，阴影变化也有小幅度的降低。

图2.13 再生协同通信对于阴影与衰落的影响