協(xié)同通信綜述

協(xié)同通信技術(shù)free09720819上海大學(xué)通信與信息工程學(xué)院主要內(nèi)容

協(xié)同通信的提出

協(xié)同通信的原理和關(guān)鍵技術(shù)

協(xié)同通信的研究進(jìn)展

3協(xié)同通信的提出基于多天線(xiàn)(MIMO)系統(tǒng)空時(shí)信號(hào)處理的空間分集技術(shù)得到了廣泛的研究；移動(dòng)通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)大帶寬傳輸：設(shè)計(jì)一個(gè)大帶寬系統(tǒng)（新系統(tǒng)）；通過(guò)不同系統(tǒng)間的協(xié)同來(lái)構(gòu)造具有更大傳輸帶寬的系統(tǒng)（現(xiàn)網(wǎng)演進(jìn)）；隨著未來(lái)無(wú)線(xiàn)寬帶通信系統(tǒng)可用頻段的增高，視距傳播環(huán)境會(huì)大大增加天線(xiàn)間的相關(guān)性。很多移動(dòng)設(shè)備受到設(shè)備硬件的限制，只能配備一個(gè)天線(xiàn)。

協(xié)同通信(CooperativeCommunication)4協(xié)同通信的提出協(xié)同通信技術(shù)的起源可以追溯到Cover和ElGamal在1979年關(guān)于中繼信道的研究工作。中繼節(jié)點(diǎn)源節(jié)點(diǎn)目的節(jié)點(diǎn)

中繼信道模型5協(xié)同通信的提出兩人的研究表明離散無(wú)記憶、加性白高斯噪聲(AWGN)中繼信道的容量大于源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)間信道的容量?？赏ㄟ^(guò)隨機(jī)編碼方案得到通信信道容量的下界協(xié)同通信源于中繼信道，但有所不同6協(xié)同通信的提出中繼信道技術(shù)協(xié)同通信技術(shù)分析AWGN信道的容量應(yīng)用于衰落信道中，主要目的為了對(duì)抗多徑衰落中繼節(jié)點(diǎn)的唯一目的就是幫助源節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息整個(gè)系統(tǒng)的資源固定，各用戶(hù)既可充當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)幫助源節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，又可作為源節(jié)點(diǎn)發(fā)送自己的信息主要內(nèi)容

協(xié)同通信的提出

協(xié)同通信的原理和關(guān)鍵技術(shù)

協(xié)同通信的研究進(jìn)展

8協(xié)同通信的原理協(xié)同通信的基本思想：在多用戶(hù)通信環(huán)境中，使用單副天線(xiàn)的各臨近移動(dòng)用戶(hù)可按照一定方式共享彼此的天線(xiàn)協(xié)同發(fā)送，從而產(chǎn)生一種類(lèi)似多天線(xiàn)發(fā)送的虛擬環(huán)境，獲得空間分集增益，提高系統(tǒng)傳輸性能。

融合了分集技術(shù)與中繼傳輸?shù)募夹g(shù)優(yōu)勢(shì)；形成了分布式的虛擬MIMO系統(tǒng)；克服了相干距離等的限制；在不增加天線(xiàn)數(shù)目的基礎(chǔ)上，可在傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)中獲得與多天線(xiàn)及多跳傳輸情況下相近的傳輸增益。多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)本身可自然形成虛擬的天線(xiàn)陣列，節(jié)點(diǎn)間通過(guò)相互配合和信息互通，模擬傳統(tǒng)MIMO技術(shù)的應(yīng)用環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)聯(lián)合空時(shí)編碼的傳輸方案。9協(xié)同通信的原理以蜂窩移動(dòng)通信為例，移動(dòng)無(wú)線(xiàn)信道受到衰落影響，一個(gè)用戶(hù)的信號(hào)可以直接到達(dá)接收端，另一路則可通過(guò)另一移動(dòng)用戶(hù)作為中繼，再到達(dá)接收端，在接收基站形成分集接收信號(hào)。移動(dòng)端之間的協(xié)同通信10協(xié)同通信的原理與蜂窩網(wǎng)絡(luò)相比，協(xié)同通信更適用于AdHoc無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)。協(xié)同會(huì)將碼率與傳輸功率進(jìn)行折中：傳輸碼率：每個(gè)用戶(hù)將傳輸自身的比特和中繼的比特，似乎會(huì)要求更高的帶寬，但每個(gè)用戶(hù)的頻率會(huì)提高，因此協(xié)同分集信道編碼的碼率可以增加功率需求：協(xié)同分集通信似乎會(huì)要求每一個(gè)用戶(hù)使用更高的功率，然而由協(xié)同方式產(chǎn)生的分集增益則可降低用戶(hù)的傳輸功率并保持同樣的性能；11協(xié)同通通信的的原理理協(xié)同分分集：借助于于協(xié)同同伙伴伴的天天線(xiàn)，，與其其自身身天線(xiàn)線(xiàn)共同同構(gòu)造造成發(fā)發(fā)射天天線(xiàn)，，并通通過(guò)模模仿傳傳統(tǒng)的的多發(fā)發(fā)射天天線(xiàn)分分集來(lái)來(lái)獲得得空間間分集集增益益。優(yōu)點(diǎn)：：如果在在某個(gè)個(gè)時(shí)段段用戶(hù)戶(hù)沒(méi)有有信息息要傳傳送，，那么么在沒(méi)沒(méi)有協(xié)協(xié)同時(shí)時(shí)，其其資源源只能能閑置置，而而協(xié)同同時(shí)分分集則則可以以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)用戶(hù)戶(hù)資源源的充充分利利用。12協(xié)同通通信的的原理理缺點(diǎn)：在用戶(hù)戶(hù)資源源沒(méi)有有閑置置時(shí)，，用戶(hù)戶(hù)既要要傳送送自己己的信信息，，又要要傳送送其協(xié)協(xié)同伙伙伴的的信息息，會(huì)會(huì)犧牲牲一部部分自自己的的資源源；另另一方方面，，用戶(hù)戶(hù)也通通過(guò)協(xié)協(xié)同分分集利利用了了其協(xié)協(xié)同伙伙伴的的空域域資源源。結(jié)論：只要合合理地地設(shè)計(jì)計(jì)協(xié)作作方案案，完完全可可以做做到協(xié)協(xié)作分分集帶帶來(lái)的的增益益大于于其所所付出出的代代價(jià)。。綜合合來(lái)講講，協(xié)協(xié)作分分集可可以更更有效效地利利用整整個(gè)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的的資源源,使網(wǎng)絡(luò)絡(luò)性能能更穩(wěn)穩(wěn)定。。13協(xié)同通通信的的分類(lèi)類(lèi)根據(jù)協(xié)協(xié)作對(duì)對(duì)象的的不同同：異異構(gòu)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)間間的協(xié)協(xié)同通通信；；同構(gòu)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)間的的協(xié)同同通信信根據(jù)中中繼節(jié)節(jié)點(diǎn)對(duì)對(duì)源節(jié)節(jié)點(diǎn)信信息處處理方方式的的不同同可分分為放放大轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)發(fā)(AF)、解碼碼轉(zhuǎn)發(fā)發(fā)(DF)、編碼碼協(xié)作作(CC)、空時(shí)時(shí)編碼碼協(xié)作作(STCC)和網(wǎng)絡(luò)絡(luò)編碼碼協(xié)作作(NCC)等多種種方式式14協(xié)同通通信的的分類(lèi)類(lèi)根據(jù)協(xié)協(xié)作對(duì)對(duì)象的的不同同異構(gòu)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)間間的協(xié)協(xié)同通通信為了同同時(shí)滿(mǎn)滿(mǎn)足不不同用用戶(hù)的的多種種應(yīng)用用需求求，未未來(lái)的的通信信網(wǎng)絡(luò)絡(luò)必須須要具具有將將各種種網(wǎng)絡(luò)絡(luò)統(tǒng)一一到一一個(gè)信信息平平臺(tái)上上的能能力。同構(gòu)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)內(nèi)的協(xié)協(xié)同通通信所有節(jié)節(jié)點(diǎn)都都在同同一種種網(wǎng)絡(luò)絡(luò)內(nèi)工工作，，分為為固定中中繼和用戶(hù)終終端間的協(xié)協(xié)作兩兩種方方式。。15協(xié)同通通信的的分類(lèi)類(lèi)固定中中繼協(xié)協(xié)作方方式：：類(lèi)似似于下下圖的的中繼繼信道道，在在源節(jié)節(jié)點(diǎn)和和目的的節(jié)點(diǎn)點(diǎn)之間間預(yù)先先放置置一個(gè)個(gè)位置置固定定的中中繼節(jié)節(jié)點(diǎn)。。中繼繼節(jié)點(diǎn)點(diǎn)與源源、目目的節(jié)節(jié)點(diǎn)之之間均均采用用無(wú)線(xiàn)線(xiàn)連接接，但但它自自己并并無(wú)信信息發(fā)發(fā)送，，而只只對(duì)接接收到到的信信息進(jìn)進(jìn)行轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)發(fā)。。中繼節(jié)點(diǎn)源節(jié)點(diǎn)目的節(jié)點(diǎn)中繼信信道模模型16協(xié)同通通信的的分類(lèi)類(lèi)用戶(hù)終終端間間的協(xié)協(xié)作方方式：：更靈靈活一一些，，源節(jié)節(jié)點(diǎn)同同時(shí)也也可作作為中中繼節(jié)節(jié)點(diǎn)，，它們們不僅僅可轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)協(xié)作伙伙伴的的信息息，同同時(shí)也也可發(fā)發(fā)送自自己的的信息息。因因此，，這些些終端端需要要同時(shí)時(shí)具有有信號(hào)號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)發(fā)和簡(jiǎn)簡(jiǎn)單路路由的的功能能。17協(xié)同通通信的的協(xié)作作方式式根據(jù)中中繼節(jié)節(jié)點(diǎn)對(duì)對(duì)源節(jié)節(jié)點(diǎn)信信息處處理方方式的的不同同:放大轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)發(fā)(AF)譯碼轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)發(fā)(DF)編碼協(xié)協(xié)作(CC)空時(shí)編編碼協(xié)協(xié)作(STCC)網(wǎng)絡(luò)編編碼協(xié)協(xié)作(NCC)18協(xié)同通通信的的協(xié)作作方式式放大轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)協(xié)作方方式(AF－AmplifyandForward)☆A(yù)F也被被稱(chēng)作非非再生中中繼方式式，其本質(zhì)上是是一種模模擬信號(hào)號(hào)的處理理方式。放大轉(zhuǎn)發(fā)發(fā)方式的的信號(hào)處處理流程程19協(xié)同通信信的協(xié)作作方式放大轉(zhuǎn)發(fā)發(fā)協(xié)作方方式(AF－AmplifyandForward)AF方式最簡(jiǎn)簡(jiǎn)單，而而且由于于目的節(jié)節(jié)點(diǎn)可接接收到兩兩路獨(dú)立立的衰落落信號(hào)，，AF可獲得滿(mǎn)滿(mǎn)分集增增益，性性能良好好。由于中繼繼節(jié)點(diǎn)在在放大信信號(hào)的同同時(shí)也放放大了源源-中繼信道道引入的的噪聲，，因此AF方式存在在著噪聲聲傳播效效應(yīng)。20協(xié)同通信信的協(xié)作作方式譯碼轉(zhuǎn)發(fā)發(fā)協(xié)作方方式(DF－DecodeandForward)☆也稱(chēng)DF為再生生中繼方方式；可見(jiàn)，，DF方式式在本質(zhì)質(zhì)上是一一種數(shù)字字信號(hào)處處理方式式。圖4譯碼轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)發(fā)方方式的的信號(hào)號(hào)處理理流程程21協(xié)同通通信的的分類(lèi)類(lèi)譯碼轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)協(xié)作方方式(DF－DecodeandForward)DF方式不會(huì)會(huì)帶來(lái)噪噪聲傳播播問(wèn)題，，但受源源-中繼端信信道傳輸輸性能影影響較大大，若編編碼方式式不采用用CRC（CyclicalRedundancyCheck)碼，得不不到滿(mǎn)分分集階數(shù)數(shù)。中繼節(jié)點(diǎn)點(diǎn)對(duì)源節(jié)節(jié)點(diǎn)信息息解碼錯(cuò)錯(cuò)誤所帶帶來(lái)的誤誤差會(huì)隨隨著跳數(shù)數(shù)的增加加而不斷斷累積，，從而影影響到分分集效果果和中繼繼性能。。這表明明源-中繼節(jié)節(jié)點(diǎn)信信道傳傳輸特特性的的好壞壞對(duì)DF方式協(xié)協(xié)同通通信系系統(tǒng)的的性能能有很很大影影響。。22協(xié)同通通信的的協(xié)作作方式式常稱(chēng)AF與DF方式為固定定協(xié)作模式式：無(wú)論信信道傳輸特特性如何，，中繼節(jié)點(diǎn)點(diǎn)總是參與與協(xié)同通信信過(guò)程。但但協(xié)同帶來(lái)來(lái)的未必全全是好處，，比如在半半雙工模式式下會(huì)降低低數(shù)據(jù)傳輸輸速率以及及系統(tǒng)自由由度的利用用率。何時(shí)協(xié)同？？23協(xié)同通信的的協(xié)作方式式結(jié)合AF和DF兩種方式，，人們提出出了選擇模模式（源-中繼）與增增強(qiáng)模式（（源-目的）24協(xié)同通信的的協(xié)作方式式編碼協(xié)作方方式(CC－CodedCooperation)編碼協(xié)作方方式的信號(hào)號(hào)處理流程程圖基本思想：：對(duì)正確解解出的合作作伙伴的信信號(hào)重新進(jìn)進(jìn)行編碼；；即，中繼繼節(jié)點(diǎn)接收收來(lái)自于基基站端已被被噪聲干擾擾的信號(hào)，，同時(shí)，它它將對(duì)信號(hào)號(hào)進(jìn)行解碼碼處理，以以獲得原始始信息。然然后再將其其獲得的信信息重新編編碼，以一一定功率發(fā)發(fā)送給用戶(hù)戶(hù)端。25協(xié)同通信的的協(xié)作方式式編碼協(xié)作方方式(CC－CodedCooperation)編碼協(xié)作實(shí)實(shí)例1分塊編碼2加上循環(huán)冗冗余校驗(yàn)碼碼3信息->兩段26協(xié)同通信的的協(xié)作方式式與SDF方式不同，，編碼協(xié)作作方式通過(guò)過(guò)編碼設(shè)計(jì)計(jì)實(shí)現(xiàn)協(xié)作作與非協(xié)作作方式之間間的自動(dòng)切切換，無(wú)需需直接考慮慮源節(jié)點(diǎn)與與中繼節(jié)點(diǎn)點(diǎn)之間信道道的傳輸特特性目前，已有有多種信道道編碼方式式與協(xié)同通通信相結(jié)合合，例如卷卷積碼、Turbo碼、低密度度奇偶校驗(yàn)驗(yàn)碼(LDPC)等。27協(xié)同通信的的協(xié)作方式式編碼協(xié)作方方式(CC－CodedCooperation)在慢衰落條條件下，即即使移動(dòng)終終端間的信信道傳輸特特性非常差差，編碼協(xié)協(xié)作依然能能夠顯著提提高這兩個(gè)個(gè)移動(dòng)終端端的誤碼率率性能；若若協(xié)作雙方方都能夠正正確解碼的的話(huà)，系統(tǒng)統(tǒng)可以獲得得滿(mǎn)分集增增益；在快衰落落條件下下，編碼碼協(xié)作會(huì)會(huì)犧牲上上行信道道傳輸特特性相對(duì)對(duì)較好的的終端的的性能。。28協(xié)同通信信的協(xié)作作方式空時(shí)編碼碼協(xié)作方方式(STCC－SpatialandTimeCC)將空時(shí)編編碼思想想應(yīng)用到到編碼協(xié)協(xié)作方式式中；與一般編編碼協(xié)作作方式最最大的不不同：每每個(gè)移動(dòng)動(dòng)終端可可在自己己和其協(xié)協(xié)作伙伴伴的多址址信道上上同時(shí)發(fā)發(fā)送信息息；而在在一般編編碼協(xié)作作方式中中，移動(dòng)動(dòng)終端只只能在自自己的多多址信道道發(fā)送協(xié)協(xié)作信息息。29協(xié)同通信信的協(xié)作作方式空時(shí)編碼碼協(xié)作方方式(STCC－SpatialandTimeCC)空時(shí)編碼碼協(xié)作、、編碼協(xié)協(xié)作與無(wú)無(wú)協(xié)作方方式信號(hào)號(hào)處理比比較階段1階段1階段2階段230協(xié)同通信信的協(xié)作作方式空時(shí)編碼碼協(xié)作方方式(STCC－SpatialandTimeCC)在階段2，若對(duì)協(xié)協(xié)作伙伴伴的信息息解碼成成功的話(huà)話(huà)，編碼碼協(xié)作方方式下，，各用戶(hù)戶(hù)均只在在自己的的信道上上發(fā)送同同伴的信信息；而而空時(shí)編編碼協(xié)作作方式下下，各用用戶(hù)則是是同時(shí)發(fā)發(fā)送雙方方的信息息。研究究表表明明，，空空時(shí)時(shí)編編碼碼協(xié)協(xié)作作方方式式在在快快衰衰落落環(huán)環(huán)境境下下也也可可以以獲獲得得滿(mǎn)滿(mǎn)分分集集增增益益，，并并且且不不會(huì)會(huì)犧犧牲牲信信道道質(zhì)質(zhì)量量相相對(duì)對(duì)較較好好的的移移動(dòng)動(dòng)終終端端的的性性能能。。31協(xié)同通信的的協(xié)作方式式網(wǎng)絡(luò)編碼協(xié)協(xié)作方式(NCC－NetworkCodingCooperation)網(wǎng)絡(luò)編碼：：網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)點(diǎn)將接收到到的信息進(jìn)進(jìn)行編碼后后再轉(zhuǎn)發(fā)出出去的多點(diǎn)點(diǎn)傳送技術(shù)術(shù)。網(wǎng)絡(luò)編碼的的核心思想想：中間節(jié)節(jié)點(diǎn)不再是是簡(jiǎn)單的存存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，，而是將接接收信息進(jìn)進(jìn)行編碼后后再發(fā)送，，從而可提提高整個(gè)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的容量量和健壯性性。32協(xié)同通信的的協(xié)作方式式網(wǎng)絡(luò)編碼概概念的提出出以及現(xiàn)在在大部分相相關(guān)的工作作都是基于于有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)的，但無(wú)無(wú)線(xiàn)信道的的廣播特性性為網(wǎng)絡(luò)編編碼的應(yīng)用用提供了有有利條件，，且無(wú)線(xiàn)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間間的信息交交互也完全全可以運(yùn)用用網(wǎng)絡(luò)編碼碼理論來(lái)實(shí)實(shí)現(xiàn)。因此此，網(wǎng)絡(luò)編編碼和協(xié)同同通信技術(shù)術(shù)相結(jié)合可可有效提高高無(wú)線(xiàn)通信信系統(tǒng)的性性能。無(wú)線(xiàn)版Ｐ２２Ｐ33協(xié)同通信的的協(xié)作方式式網(wǎng)絡(luò)編碼協(xié)協(xié)作方式(根據(jù)中繼節(jié)節(jié)點(diǎn)所采用用的基本通通信方式分分)網(wǎng)絡(luò)編碼協(xié)協(xié)作的幾種種通信方式式34不同協(xié)同方方式的比較較CC、NCC與STCC的性能要優(yōu)優(yōu)于AF與DF方式；但它們的算算法復(fù)雜度度高，涉及及到了各種種編碼技術(shù)術(shù)，使得中中繼節(jié)點(diǎn)信信號(hào)處理的的時(shí)間增長(zhǎng)長(zhǎng)、時(shí)延較較大，不利利于現(xiàn)代無(wú)無(wú)線(xiàn)通信系系統(tǒng)。綜合合考慮多種種因素，AF與DF兩種方式更更實(shí)用一些些。不同協(xié)作方方式的比較較35協(xié)同通信的的關(guān)鍵技術(shù)術(shù)１無(wú)線(xiàn)資資源的管理理；２中繼節(jié)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)動(dòng)性；５與其它它通信技術(shù)術(shù)的結(jié)合。。３協(xié)作實(shí)實(shí)際的選擇擇４同步與與信道估計(jì)計(jì)算法；功率分配：源節(jié)點(diǎn)與中繼節(jié)點(diǎn)之間等功率分配雖然簡(jiǎn)單，但顯然不是最優(yōu)的。伙伴選擇：在多用戶(hù)的環(huán)境中，如何給各終端選擇最佳的協(xié)作伙伴將直接影響系統(tǒng)的性能。另外，由于是移動(dòng)終端，當(dāng)他們相對(duì)位置發(fā)生變化時(shí)又該如何及時(shí)調(diào)整協(xié)作伙伴。協(xié)同通信系統(tǒng)中，中繼節(jié)點(diǎn)往往是具有一定移動(dòng)性的終端。這種移動(dòng)性會(huì)影響伙伴選擇等許多關(guān)鍵問(wèn)題。因此，假設(shè)中繼節(jié)點(diǎn)固定不動(dòng)不符合實(shí)際情況，選擇合適的運(yùn)動(dòng)模型并考慮移動(dòng)性對(duì)系統(tǒng)性能的影響是極為重要的一個(gè)研究課題?，F(xiàn)有文獻(xiàn)只關(guān)注協(xié)同通信帶來(lái)的增益，極少考慮協(xié)同通信的必要性，似乎協(xié)同通信在任何場(chǎng)景下都能帶來(lái)好處。事實(shí)上，綜合考慮各節(jié)點(diǎn)間信道的傳輸特性，選擇合適的“協(xié)同時(shí)機(jī)”，可在保證系統(tǒng)傳輸性能的前提下進(jìn)一步提高資源的使用效率。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)精確的同步，并可獲得準(zhǔn)確的信道狀態(tài)信息，這在際中很難實(shí)現(xiàn)。對(duì)于分布式協(xié)同通信系統(tǒng)而言，多個(gè)用戶(hù)間的準(zhǔn)確同步與信道估計(jì)更困難。研究同步與信道估計(jì)算法，更接近實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景下的協(xié)同通信系統(tǒng)。目前研究的熱點(diǎn)是與OFDM技術(shù)的結(jié)合，可以同時(shí)發(fā)揮協(xié)同通信與OFDM的優(yōu)勢(shì)，既可以得到分集增益，又能夠?qū)诡l率選擇性衰落。此外，協(xié)同通