協(xié)作通信技術(shù)及其發(fā)展與應(yīng)用備課講稿

1、協(xié)作通信技術(shù)及其發(fā)展與應(yīng)用摘 要：在無線傳輸中，由于存在多徑衰落，嚴(yán)重影 響了傳輸?shù)馁|(zhì)量，并極大限制了系統(tǒng)的容量。協(xié)作通信通過 不同用戶共享天線，使單天線終端也可以獲得分集增益，因 而得到了日益廣泛的關(guān)注。文章對(duì)協(xié)作通信的發(fā)展歷史、應(yīng) 用前景、基本原理以及性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等進(jìn)行了介紹。關(guān)鍵詞：無線通信；多徑衰落；空間分集；協(xié)作通信引言 移動(dòng)信道中存在的多徑衰落現(xiàn)象嚴(yán)重影響著傳輸質(zhì)量， 并極大限制了系統(tǒng)的容量。為了減小多徑衰落所造成的不良 影響，通常采用多天線分集的方法。多天線分集也稱為 MIMO （ Multiple Input Multiple Output ，多輸入多輸出） ，可 以在獲得空間

2、分集增益的同時(shí)而不需要占用額外的帶寬和 時(shí)間，因而在實(shí)際中應(yīng)用較多。然而，多天線分集技術(shù)要求 在發(fā)送端或接收端配置多個(gè)天線來增加空間維，這對(duì)于在體 積、功耗、重量和成本等方面具有較多限制的移動(dòng)終端來說 是很難實(shí)現(xiàn)的。協(xié)作通信技術(shù)就是在這一背景下被提出的。1 協(xié)作通信技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用前景協(xié)作通信的概念最初由Sendonaris等人在1998年提出，也稱為協(xié)作分集或協(xié)作式MIM01。Sendonaris等人還給出了兩個(gè)用戶進(jìn)行協(xié)作通信的信道模型，并以此為基礎(chǔ)，對(duì)其 吞吐量、中斷概率、可達(dá)速率等進(jìn)行了推導(dǎo)和分析2 ， 3。Laneman 和 Wornell 等人首先明確提出了放大轉(zhuǎn)發(fā)和解碼轉(zhuǎn) 發(fā)這兩

3、種最基本的中繼轉(zhuǎn)發(fā)方式 4 。之后，他們又提出了固 定中繼、選擇中繼以及增強(qiáng)中繼這三種不同的協(xié)作協(xié)議5 。Hunter 和 Nosratinia 將信道編碼與解碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作結(jié)合，提出 了編碼協(xié)作， 實(shí)現(xiàn)了空域分集與碼域分集的結(jié)合 6 。近幾年， 不少移動(dòng)通信領(lǐng)域的學(xué)者都投入到協(xié)作通信技術(shù)的研究當(dāng) 中，對(duì)協(xié)作通信的協(xié)議、協(xié)作系統(tǒng)中的資源分配策略、協(xié)作 伙伴的選擇方法等問題進(jìn)行了研究和探索。另外， Melda Yuksel 和 Elza Erkip 等人還將單天線終端間的協(xié)作推廣到多 天線終端間的協(xié)作 7 ，一些學(xué)者將網(wǎng)絡(luò)編碼與協(xié)作通信結(jié) 合，研究協(xié)作下的網(wǎng)絡(luò)編碼方法 8 。協(xié)作通信技術(shù)可以應(yīng)用在無

4、線通信的許多領(lǐng)域。比如在 蜂窩系統(tǒng)中，通過用戶間的協(xié)作可以改善盲點(diǎn)地區(qū)和小區(qū)邊 緣用戶的通信質(zhì)量；在保證一定誤比特率或中斷概率要求的 前提下，通過協(xié)作可以降低發(fā)射功率，減少能量消耗。在無 線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，可以采取適當(dāng)?shù)膮f(xié)作策略和功率分配方法 來降低和平衡節(jié)點(diǎn)的能量消耗，從而延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí) 間。2 基本原理 協(xié)作通信是一種通過不同用戶共享彼此天線而獲得分集效果的新的空域分集方式。用戶間的協(xié)作可以是互惠的， 也可以是非互惠的，這里考慮非互惠的情況。如圖1 所示，協(xié)作通信系統(tǒng)中至少包括三個(gè)節(jié)點(diǎn)：源節(jié)點(diǎn)、目的節(jié)點(diǎn)和中 繼節(jié)點(diǎn)。協(xié)作通信的過程可以劃分為兩個(gè)階段：第一階段，源節(jié) 點(diǎn)發(fā)送信息，中繼節(jié)點(diǎn)

5、接收信息，在此階段目的節(jié)點(diǎn)可以接 收信息，也可以不接收信息；第二階段，中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)在第一 階段收到的信息進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，在此階段源節(jié)點(diǎn)可以不發(fā)送信 息，也可以重復(fù)發(fā)送與第一階段相同的信息或者發(fā)送新的信 息，目的節(jié)點(diǎn)對(duì)通過不同衰落信道到達(dá)的信號(hào)進(jìn)行合并處 理，從而提高信噪比，獲得分集增益。中繼節(jié)點(diǎn)可以采取不同的中繼方式，其中放大轉(zhuǎn)發(fā)和解 碼轉(zhuǎn)發(fā)是最基本的兩種方式。放大轉(zhuǎn)發(fā)方式中，中繼節(jié)點(diǎn)將 在第一階段接收到的受到噪聲污染的信號(hào)進(jìn)行線性放大后 再轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點(diǎn)。放大轉(zhuǎn)發(fā)方式可以獲得滿分集階數(shù)，其 主要缺點(diǎn)在于中繼節(jié)點(diǎn)放大信號(hào)的同時(shí)也將噪聲一同放大， 造成噪聲累積現(xiàn)象。解碼轉(zhuǎn)發(fā)方式中，中繼節(jié)點(diǎn)收到源節(jié)點(diǎn) 發(fā)

6、送的信號(hào)后， 先譯碼再轉(zhuǎn)發(fā)， 因此可以避免噪聲累積現(xiàn)象。 解碼轉(zhuǎn)發(fā)方式不能獲得滿分集階數(shù)，當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)譯碼錯(cuò)誤時(shí) 會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤傳播 5 。3 性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) 比較重要的協(xié)作通信系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)包括：信道容 量、頻譜利用率、分集階數(shù)、復(fù)用增益、能量增益、中斷概 率、錯(cuò)誤概率以及協(xié)作通信的代價(jià)等 9 。3.1 信道容量：當(dāng)用戶間的信道質(zhì)量較好時(shí)，通過協(xié)作 可以顯著提高系統(tǒng)的信道容量，但如果用戶間的信道質(zhì)量變 差，則協(xié)作的系統(tǒng)容量將逐漸趨近于非協(xié)作的情況。3.2 頻譜利用率： 頻譜利用率指單位頻帶內(nèi)的信息速率。 通過協(xié)作，可以提高系統(tǒng)的頻譜利用率。3.3 分集階數(shù)：系統(tǒng)的分集階數(shù) d 的定義如下：這里

7、SNR 為接收端的平均信噪比， Pe 為系統(tǒng)的平均誤 比特率。3.4 復(fù)用增益：復(fù)用增益 r 的定義如下：這里 R 為系統(tǒng)的頻譜利用率。3.5 能量增益：協(xié)作通信系統(tǒng)中用戶的能量增益定義為其中， PD 和 PCO 分別為達(dá)到特定通信質(zhì)量要求，采取 直接傳輸方式和協(xié)作方式所需的發(fā)射功率。3.6 中斷概率和錯(cuò)誤概率：研究表明，協(xié)作通信可以大 大降低系統(tǒng)的中斷概率和錯(cuò)誤概率。3.7 協(xié)作通信的代價(jià)：協(xié)作通信系統(tǒng)的性能提高是需要 付出一定代價(jià)的，比如系統(tǒng)復(fù)雜度的增加、協(xié)作建立過程中 額外占用的資源、協(xié)作造成的時(shí)延等。上述幾個(gè)性能指標(biāo)相互關(guān)聯(lián)，是協(xié)作通信系統(tǒng)性能在不 同方面的具體體現(xiàn)。4 結(jié)束語 協(xié)作通

8、信技術(shù)被提出之后受到了廣泛的關(guān)注，它為未來 移動(dòng)通信實(shí)現(xiàn)更高傳輸速率和更好服務(wù)質(zhì)量提供了一種有 價(jià)值的參考方案，具有廣泛的應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn)1A. Sendonaris ，E. Erkip ，B. Aazhang. Increasing Uplink Capacity via User Cooperation DiversityC. ISIT 1998 ： 156.2A. Sendonaris ，E. Erkip ，B. Aazhang. User Cooperation Diversity-Part I ： System DescriptionJ. IEEE Trans.Commun. ，

9、2003， 51（ 11）： 1927-1938.3A.Sendonaris， E. Erkip ，B. Aazhang. User Cooperation Diversity-Part II ： Implementation Aspects and Performance AnalysisJ. IEEE Trans. Commun. ，2003，51（ 11）： 1939-1948.4 J. N. Laneman ， G. W. Wornell. Exploiting DistributedSpatial Diversity in Wireless NetworksC. Allerton C

10、onference on Communications ， Control and Computing 2000 ： 1-12.5 J. N. Laneman ， D. N. C. Tse， G. W. Wornell. Cooperative Diversity in Wireless Networks ： Efficient Protocols and Outage BehaviorJ. IEEE Trans. Inf. Theory. ， 2004，50（ 12）： 3062-3080.6 T.E.Hunter ， A.Nosratinia. Coded Cooperation unde

11、r Slow Fading ，F(xiàn)ast Fading，and Power ControlC. 36th Asilomar Conference on Signals Systems and Computers， 2002： 118-122.7 Melda Yuksel ， Elza Erkip. Multiple-Antenna Cooperative Wireless Systems： A Diversity-Multiplexing Tradeoff PerspectiveJ. IEEE Trans. Inf. Theory.2007 ，53（ 10）： 3371-3393.8 BAO Xing kai ， LI Jing.