（信号与信息处理专业论文）基于协作的无线网络mac层协议研究.pdf

- 镘 “溪 ? 0 1 产 声明 独创性( o - - 创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：应堡趣蝗 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以 公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇 编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文注释：本学位论文 不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：廖薇罐日期：砌莎纡 导师签名： 妙r 荔焖 日期： 如口多4 r- 严1 舢彬 声 。矗苍 ，- ， d o c t o r a ld i s s e r t a t i o no fb e i j i n gu n i v e r s i t y o f p o s t sa n dt e l e c o m m u n i c a t i o n s r e s e a r c ho n i a cl a y e rp r o t o c o l sf o r w i r e l e s sc o o p e r 棚v en e t w o r k s ( s u b m i t t e dt ob e i j i n gu n i v e r s i t yo f p o s t sa n dt e l e c o m m u n i c a t i o n s f o rt h ed e g r e eo fd o c t o ro fe n g i n e e r i n g ) b y z h e n f e n gs o n g d i s s e r t a t i o ns u p e r v i s o r ：p r o f x i a o x i a n gw a n g m a j o r ：s i g n a la n d i n f o r m a t i o np r o c e s s i n g m a y ，2 0 1 0 f “，lr，hhy-r、， ，。； 。o矗焉步j唯lp o，ll ， 雨 北京0 l l i 电大学博上学位论文 摘要 基于协作的无线网络m a c 层协议研究 摘要 协作通信技术是近几年成为研究热点的能够有效对抗衰落、提高频谱 效率和通信可靠性的无线链路增强技术，不仅可以改善信道状况、解决 高速传输与网络覆盖之间的矛盾，而且可以促进m i m 0 技术实用化，因 此受到来自学术界与产业界的广泛关注。 本文围绕基于协作的无线网络中多用户协作m a c 层关键技术展开讨 论，研究的侧重点选择在上行链路中协作m a c 协议的设计和下行链路中 可靠的协作广播m a c 层机制。 首先，针对时变的无线信道和动态的网络拓扑，研究了协作时机和协 作伙伴的选择问题，提出一种基于信道状态信息反馈的自适应协作m a c 协议a c o o p m a c 。该协议中，站点根据瞬时信道信息反馈，对传输方式 进行二次判定，选择协作时机，提高了协议的鲁棒性。针对典型网络分 配向量( n a v ) 存在的不足，改进了n a v 更新机制，通过缩短节点的信 道预约时间，提高系统资源的利用率。仿真结果证明：自适应协作m a c 协议在系统吞吐量、接入时延、平均能量消耗、支持节点移动性等方面 都优于现有的协作m a c 协议。 其次，针对现有协作m a c 协议为了支持多用户间的协作传输，改变 传统控制信令的帧结构而导致的协议不兼容性，深入挖掘传统控制帧的 潜力，充分利用帧头中预留的比特位信息，在控制信令握手交互过程中 “捎带”传输信道状态信息和帧头中设置协作标志位，减小了系统的控 制开销。 然后，针对相关研究中缺乏有效的协作m a c 协议理论分析模型的现 状和m a c 协议的传统二维马尔科夫链模型的复杂性，研究了协作m a c 协议的性能分析方法，以条件概率的简易模型为基础，结合几何概率的 相关理论，提出一种扩展的协作m a c 协议的理论分析模型，推导出系统 饱和吞吐量和平均接入时延的闭式解。在此基础上，开发了一套行之有 效的协作m a c 仿真平台，并通过计算机仿真验证了该理论分析模型的科 学性。 北京邮电人学博f j 学位论文摘要 最后，针对多跳无线网络中，终端与基站或中继站间“跳数 的不确 定性、网络拓扑的动态性以及无线信道条件的不理想所导致的分组传输 冲突和系统效率降低的情况，研究了下行链路的协作广播技术，提出一 种基于节点聚簇的m a c 层可靠协作广播机制；以条件概率和一维m a r k o v 链为基础，对提出的新型协作m a c 层广播机制进行了数学建模和理论分 析并通过仿真验证了算法的有效性。 论文重点研究了基于协作的无线网络的m a c 层协议，为上行链路多 用户协作传输设计了一种自适应协作m a c 协议，为下行链路的广播业务 提出了一种可靠的m a c 层协作广播机制。论文对协作通信从理论走向应 用进行了探索性的研究，具有一定的理论前瞻性和实用性的价值。 关键词：协作通信，协作m a c ，协作广播，节点聚簇，i e e e8 0 2 1 l b l l - i 1 0 北京邮电大学博士学位论文 r e s e a r c ho nm 队cl a y e rp r o t o c o l sf o r w i r e l e s sc o o p e r a t i v en e t w o r k s i nr e c e n ty e a r s ，c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n si sa ne n h a n c e dm e t h o d ， w h i c hc a no v e r c o m en e g a t i v e m u l t i - p a t he f f e c t s ，e f f e c t i v e l yi n c r e a s et h e s p e c t r u me f f i c i e n c y a n dr o b u s t n e s s o f w i r e l e s s s y s t e m s m e a n w h i l e ， c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yc a ni m p r o v et h ec h a n n e ls i t u a t i o n ， p r o m o t et h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no fm i m ot e c h n o l o g ya n ds o l v et h e c o n t r a d i c t i o nb e t w e e nh i g h s p e e dt r a n s m i s s i o na n dn e t w o r kc o v e r a g e ，w h i c h c a u s e d w i d e s p r e a d c o n c e r nf r o ma c a d e m ea n d e n t e r p r i s e s ，h a s b e e n r e c o g n i z e da sac a n d i d a c yo ft h ef u t u r em o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h i sd i s s e r t a t i o ns t u d i e so nm a c l a y e rk e yt e c h n o l o g i e so fm u l t i u s e r c o o p e r a t i v et r a n s m i s s i o ni nf u t u r ew i r e l e s sn e t w o r k s m yr e s e a r c hf o c u s e so n c o o p e r a t i v ep r o t o c o ld e s i g nf o ru p l i n kt r a n s m i s s i o na n dr e l i a b l em a cl a y e r c o o p e r a t i v eb r o a d c a s tm e c h a n i s m f o rd o w n l i n kt r a n s m i s s i o n f i r s t l y , t oa d a p tt o v a r i a b l ew i r e l e s sc h a n n e la n dd y n a m i cn e t w o r k t o p o l o g y , ii n v e s t i g a t ec o o p e r a t i v ec h o i c ea n dp a r t n e rs e l e c t i o nm e c h a n i s m ， a n dp r o p o s ea na d a p t i v ec o o p e r a t i v em a cp t o t o c o l ，c a l l e da c o o p m a c ， b a s e do nc h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ( c s i ) f e e d b a c k i na c o o p m a c p r o t o c l ， t h es t a t i o ns e l e c t st r a n s m i s s i o nm o d eb a s e do nt h ei n s t a n t a n e o u sc h a n n e l m e a s u r e m e n t sa n dw i l ld e t e r m i n ea g a i nw h e t h e ri t d i r e c t l yt r a n s m i t st ot h e r e c e i v e ro rf o r w a r d st h r o u g hah e l p e rs t a t i o n ，w h i c hc a ne n h a n c et h er o b u s to f c o o p e r a t i v ep r o t o c 0 1 m e a n w h i l e ，an e wn e t w o r ka l l o c a t i o nv e c t o r ( n a v ) m e c h a n i s mi si n t r o d u c e dt or e d u c ea c c e s s d e l a yo f s t a t i o n sc a u s e db y c o l l i s i o n ，w h i c hi sb e n e f i c i a lt ot h r o u g h p u ti m p r o v e m e n t s i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a ta c o o p m a ci ss u p e r i o rt ot h ee x i s t i n gc o o p e r a t i v em a c p r o t o c o l s w h e ni tc o m e st os a t u r a t e d t h r o u g h p u t ，a c c e s sd e l a y , m e a ne n e r g y i i ! c o n s u m p t i o n ，a n dn o d em o b i l i t y s e n c o n d l y , t h ee x i s t i n gc o o p e r a t i v em a cp r o t o c o l sc h a n g em o r eo rl e s s t h ef r a m ef o r m a t so fl e g a c yr t s c t si no r d e rt o s u p p o r tt h ec o o p r a t i v e c o m m u n i c a t i o n sa m o n gm u l t i u s e r s ，w h i c hc a u s e st h ec o n t r o ls i g n a l i n g so f c o o p e r a t i v et r a n s m i s s i o ni sn o tc o m p t a b i l ew i t ht h o s eo fd i r e c t l yt r a n s m i s s i o n b yf u l l yu t i l i z i n gt h er e s e r v e db i t si nt h eh e a d o fc o n t r o lf r a m e ，t h e i n f o r m a t i o no fc s ii sp i g g y b a c k e di nc o n t r o ls i g n a l i n g sa n da c o o p e r a t i o n f l a gi s i n t r o d u c e dt oi n d i c a t ew h e t h e rc o o p e r t i v et r a n s m i s s i o ni s a d o p t e d t h u s ，t h ea d a p t i v ec o o p e r a t i v em a cp r o t o c o li sc o m p l e t e l yc o m p a t i b l ew i t h t h el e g a c y8 0 2 1 1d c f - t h i r d l y , i no r d e rt oo v e r c o m ea b s e n c eo fe f f i c e n ta n a l y s i sm o d e lo f c o o p e r a t i o na tm a cl a y e ra n dc o m p l e x i t yo ft y p i c a l2 一d i m e n s i o n a lm a r k o v c h a i n sa n a l y s i sm o d e lf o rm a c p r o t o c o l s ，ii n v e s t i g a t ep e r f o r m a n c ea n a l y s i s o fc o o p e r a t i v em a c p r o t o c l as i m p l ea n a l y t i c a lm o d e lb a s e do ne l e m e n t a r y c o n d i t i o n a lp r o b a b i l i t ya n dg e o m e t r i c a lp r o b a b i l i t yi s p r o p o s e dt oe v a l u a t e p e r f o r m a n c eo fc o o p e r a t i v em a cp r o t o c o la n dc l o s e d f o r ms o l u t i o n so f t h r o u g h p u ta n da v e r a g ed e l a ya r eg i v e n o nt h eb a s i so ft h i s ，w ed e v e l o pa n e f f i c e n ts y s t e ml e v e ls i m u l a t i o np l a t f o r mf o rc o o p e r a t i v em a c p r o t o c o l sa n d v e r i f yi t ss c i e n t i f i c a l n e s sb ys i m u l a t i o n l a s t l y , i no r d e rt og r e a t l yd e c r e a s et h ep r o b a b i l i t yo fc o l l i s i o n sa n d i m p r o v es y s t e me f f i c i e n c yc a u s e db yu n c e r t a i nh o p s ，d y n a m i cn e t w o r k t o p o l o g ya n dv a r i a b l ew i r e l e s sc h a n n e l ，ip r o p o s ear a t e a d a p t i v ec o o p e r a t i v e b r o a d c a s tm e c h a n i s mb a s e do nn o d ec l u s t e r i n g f u r t h e r m o r e ，ii n v e s t i g a t ea n a n a l y s i s m o d e lb a s e do n e l e m e n t a r y c o n d i t i o n a l p r o b a b i l i t y a n d 1 - d i m e n s i o n a lm a r k o vc h a i n st om o d e lc o o p e r a t i v eb r o a d c a s tm a cs c h e m e a n de v a l u a t ei t sp e r f o r m a n c e t h em a i nw o r k so ft h i sd i s s e r t a t i o na r ei n v e s t i g a t i n gm a c l a y e rp r o t o c o l s f o rc o o p e r a t i v ew i r e l e s sn e t w o r k s ，a na d a p t i v ec o o p e r a t i v em a c p r o t o c o l s f o ru p l i n kt r a n s m i s s i o na n dar e l i a b l ec o o p e r a t i v eb r o a d c a s tm a c s c h e m ef o r d o w n l i n kb r o a d c a s ts e r v i c e sa r ep r o p o s e d t h er e s e a r c hi s h e l p f u lf o rs t u d y o n c o o p e r a t i v e c o m m u n i c a t i o nf r o m t h e r o y t o p r a c t i c e a n dh a s f o r w a r d - l o o k i n gi nt h e r o ya n dp r a c t i c a b i l i t yi nr e a l i t y i v i 7 ， 冀、 ， 气 北京邮电大学博主兰壁笙塞垒里羔! ：垦竺! ：i _ _ _ - - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ - - _ - _ _ _ _ _ _ - - - - _ _ _ 。_ _ _ - _ _ - 。一一 k e y w o r d s ：c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n ，c o o p e r a t i v em a c ，c o o p e r a t i v e b r o a d c a s t ，n o d ec l u s t e r i n g ，i e e e8 0 2 1 1 b v 二! 堕邮电大学博士学位论文 a b s t r a c t v l 巴 一 t； 北京邮电大学博十学位论文 目录 目录 第一章绪论1 1 1选题依据和意义1 1 2协作通信系统概述2 1 2 1 协作通信的分类3 1 2 2 协作通信的好处5 1 2 3 协作通信面临的问题6 1 3协作通信的研究现状7 1 3 1 国内外学术机构的项目开展情况7 1 3 2 协作m a c 研究9 1 3 3 协作广播组播研究1 0 1 4论文的主要贡献1 1 1 5论文的组织结构1 2 1 6参考文献1 3 第二章基于协作的m a c 层协议1 7 2 1引言1 7 2 2i e e e8 0 2 1 1m a c 协议简述1 8 2 2 1 无线局域网运行模式1 8 2 2 2 分布式协调控制方式( d c f ) 1 9 2 2 3 退避机制2 l 2 2 4i e e e8 0 2 1 l bm a c 帧结构2 2 2 3基于协作的m a c 层协议2 3 2 3 1 协作m a c 面临的问题和挑战2 3 2 3 2 典型协作m a c 协议2 5 2 4国内研究现状3 3 2 5 本章小结3 3 2 6参考文献3 3 第三章 自适应协作m a c 协议a c o o p m a c 3 7 3 1引言3 7 v i 北京邮电大学博上学位论文 目录 3 2 3 3 3 4 3 5 3 6 3 7 3 8 第四章 4 1 4 2 4 3 4 4 4 5 4 6 4 7 第五章 5 1 协作通信中的伙伴选择算法3 8 3 2 1基于位置信息的伙伴选择策略3 8 3 2 2 基于平均s n r 的伙伴选择策略3 9 3 2 3 基于瞬时信道状态的伙伴选择策略4 0 3 2 4 伙伴选择方案的分析和比较4 1 系统模型4 2 a c o o p m a c 协议详述4 4 3 4 1 协作伙伴节点检测4 4 3 4 2 站点传输方式的确定4 5 3 4 3 a c o o p m a c 协议4 6 n a v 更新机制5 2 a c o o p m a c 协议的性能仿真5 3 本章小结5 6 参考文献5 7 a c o o p m a c 协议的性能分析6 1 引言6 l c s m 撇经典分析模型6 2 a c o o p m a c 协议分析模型6 5 4 3 1 非协作时的饱和吞吐量6 6 4 3 2 协作区内发现协作伙伴的概率6 8 4 3 3 a c o o p m a c 协议饱和吞吐量7 0 4 3 4 a c o o p m a c 协议接入时延7 1 协作m a c 仿真平台7 2 4 4 1 仿真平台架构和功能描述7 3 4 4 2 仿真平台的函数设计7 3 4 4 3 仿真平台的创新性7 4 4 4 4 仿真平台界面演示7 5 仿真结果分析7 5 本章小结8 0 参考文献8 0 基于节点聚簇的m a c 层协作广播机制8 3 引言8 3 l t；。， 北京邮电大学博士学位论文 目录 5 2传统m a c 层广播机制8 4 5 2 1传统m a c 层广播机制面临的问题8 4 5 2 2 传统m a c 层广播机制研究现状8 5 5 2 3 协作广播m a c 层机制8 7 5 3系统模型8 8 5 4基于节点聚簇的m a c 层协作广播机制8 9 5 4 1 节点聚簇机制9 0 5 4 2 基于信道状态的两跳速率选择机制9 1 5 4 3 协作广播m a c 层机制9 2 5 5性能分析与仿真结果9 6 5 5 1 协作广播m a c 层机制性能分析9 6 5 5 2 协作广播m a c 层机制仿真结果9 8 5 6本章小结1 0 1 5 7参考文献1 0 1 第六章总结与展望1 0 5 6 1总结1 0 5 6 2展望1 0 6 致 射1 0 7 攻读学位期间发表的学术论文目录1 0 8 v l i i j ! 室坚皇奎兰堕兰堂堡垒塞 一一一 目录 i x 乞0；曩 北京邮电大学博| 上学位论文 第一章绪论 第一章绪论 无线通信发展至今，人们对无线传输的数据速率和服务质量的要求不断提高。与 主要传送语音业务的前几代无线通信系统不同，下一代无线通信系统将支持速率高达 l o o m b s - - 1 g b s 的多媒体宽带数据业务，因此寻求进一步扩大信道容量、改善通信 质量的新技术是国内外学术界和产业界普遍关注的问题。 近年来出现的协作式传输技术n 捌颠覆了以往主要针对点到点通信链路的研究， 从网络的角度重新审视无线通信系统的传输问题，将无线信道、物理层传输技术、数 据链路层技术和网络层技术等综合在一起进行设计和优化，可以大幅度地提高无线资 源的利用率，同时也为m i m o 技术走向实用化提供了新思路和新方法，成为下一代 无线通信技术的重要研究领域。 1 1 选题依据和意义 回顾移动通信的发展史，第一代模拟系统仅提供话音服务，不能传输数据；第二 代数字通信系统的数据传输速率也只有9 6 k b p s ，最高可达到3 2 k b p s ；第三代移动通 信系统的数据传输速率可达到2 m b p s ；而目前所致力研究的b 3 g 4 g 移动通信系统要 求可以达到l o o m b p s 1 g b p s 的数据传输速率。 目前移动通信系统中，由于工作频段较低，系统的工作波长较长，信号传输大多 为非视距( n l o s ) 传输，但是终端设备尺寸的受限却不能满足终端上的天线间隔大 于z 2 。因此，尽管m i m o 系统中的分集技术在无线通信系统中具有明显优势，但 目前在具体的移动通信应用场合中，由于用户终端设备受到尺寸、硬件等各方面的制 约，不适合采用m i m o 系统。但是多个用户可以通过合作来构成虚拟的天线阵列， 实现虚拟m i m o 系统。s e n d o n a r i s 等【1 。2 l 提出了一种称为协作处理分集的新技术，该 技术允许多个单天线用户通过多个用户之间的合作来获得m i m o 系统的分集增益。 其基本思想是利用网络中的多个用户共享其天线，并向目的节点发送相同信号的副 本，由于这些信号是相关的并经历了独立的信道衰落，接收端即可获得多个独立衰落 信号。现有研究结果表明：在平衰落环境下，协作处理分集可以扩大系统容量，提高 网络服务质量，改善系统性能。因此，协作处理技术通过一种虚拟m i m o 方式达到 了分集的目的，可以推进m i m o 技术的实用化。 北京邮电大学博士学位论文 第一章绪论 在未来移动通信系统中，系统工作频点会向更高频段移动，工作波长a 减小，这 样在终端设备上将有可能安装多天线，并且满足天线间隔大于a 2 。但是，由于工作 波长减小，信号传输大多变成视距( l o s ) 传输，此时将不存在丰富的散射环境，因 此也不适宜采用m i m o 系统。但系统中每个用户主动散射其他用户的信号，这样多 用户可以通过合作形成丰富散射环境，满足m i m o 系统的实用要求。因此，无论是 在目前还是未来的移动通信系统中，m i m o 的实用化都面临着一些困难，而协作通信 技术是解决这些问题的关键技术。 尽管协作通信技术已从信息论的角度展开了广泛的研究，但在无线网络m a c 层 中的应用近年来才逐渐引起人们的关注。但是协作思想对上层协议的影响，尤其是媒 体访问控制( m a c ) 层协议并没有得到充分深入的研究。然而，m a c 层协议本身是 决定资源使用权的技术，因此如何设计协作通信系统中的m a c 层协议是充分发掘协 作增益、提高整个网络性能的重要保障，同时也是体现和发挥协作技术优势的重中之 重。因此，设计一个简单易行的协作m a c 层传输机制是一个有价值的课题方向。 未来无线网络中，灵活的多媒体组播业务，如移动拍卖和广告业务，是其支持的 一项重要业务，因此，需要一个可靠而有效的m a c 层广播机制给予支持。无线多跳 网络中有关广播路由的研究已经得到广泛开展，而且已形成一些成熟实用的路由算 法。但广播路由算法只是解决广播业务如何找到接收该业务的目的端，而保障该广播 业务可靠地传输到目的地，则是由m a c 层来完成的。因此设计一个可靠的m a c 层 广播协议对无线多跳网络而言是十分必要的。 1 2 协作通信系统概述 在协作通信( 又称合作通信，译自c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n ) 系统中，无线节 点利用无线通信所固有的广播特性，“免费的 接收到别人的信息，每个移动终端都 有一个或多个合作伙伴( p a r t n e r ) ，合作伙伴之间在传输自己信息的同时，协助其伙伴 传输信息。因此，每个终端在传输信息的过程中既利用了自己的信道又利用了合作伙j 伴的空间信道，从而获取一定的空间分集增益，克服阴影衰落和小尺度衰落。现有的 研究结果表明u 州：在平衰落环境下，协作分集可以扩大系统容量，提高网络服务质量， 改善系统性能。这种通过协作使单天线的移动终端获得分集增益，是一种全新的空间 分集技术，称为协作分集( c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y ) 。由于协作的合作伙伴共享彼此的 天线，从而构成了虚拟的多天线系统，称为虚拟m i m o ( v i r t u a lm i m o ) 。协作通信 解决了难以在移动终端安装多根天线的问题，不必受限于终端尺寸，可推进m i m o 2 _ i 北京邮电大学博士学位论文 第一章绪论 技术的实用化进程。可以说，协作通信可以使m i m o 技术的各种优势得以发挥，能 够切实地利用空间资源来提高通信系统的性能，包括提升系统容量、增大数据传输速 率、有效对抗衰落以及降低系统的服务中断概率、提高系统的服务质量和可靠性等。 协作分集的思想虽然来源于中继通信b 1 ，但是在许多方面却不同于中继通信。首 先，在中继通信中，中继结点的作用是形成主信道，单纯作为中继而存在，本身没有 信息要传送；而协作分集的通信机制更为复杂，远不止是一个简单的中继问题，因为 每个用户既要转发其合作伙伴的信息，还要传送自己的信息，此时，中继节点的作用 是协助、增强主信道。其次，在中继通信中，中继节点在信号的传输过程中起到放大 转发的作用，而在协作分集中，用户间的信道是有噪声的，也就是说不能保证每个用 户都可以成功接收并正确检测到其合作伙伴发送的信息。最后，传统的中继通信系统 中没有分集的功能，而通过协作传输可以使单天线用户获得分集增益。 1 2 1 协作通信的分类 协作通信可以有多种分类方式：从网络结构的角度，协作通信可以分为双跳协作 和多跳协作。双跳协作是指信源发出的信号经过一次协作即到达目的端；而多跳协作 则是信源发出的信号经过多个阶段的协作后才能到达目的端。按照多址方式或信道的 正交方式，协作通信可以分别在码分多址( c d m 神、时分多址( t d m a ) 和频分多址 ( f i ) 凇) 等模式下实现。根据是否要求精确的同步，协作通信分为同步协作系统和异 步协作系统。按照信号处理方式，协作通信可以分为放大转发模式( a f ： a m p l i f y a n d f o r w a r d ) 、解码转发模式( d f ：d e c o d e a n d f o r w a r d ) 和编码协作模式( c c ： c o d e d c o o p e r a t i o n ) 。 ( 一) 放大转发模式( a f ) 在该机制中，每个用户接收其伙伴发送过来的带有噪声的信号，对该信号进行放 大，然后将放大后的带有噪声信号重新发送。接收端将对用户和其伙伴传送来的数据 进行合并判决。尽管伙伴节点放大信号的同时也放大了噪声，但是接收端由于接收到 两个独立的衰落信号，因此可以作出更好的判决和检测。该机制由l a n e m a n b 刮提出 并进行了详细的分析。其研究表明：两用户相互协作的情况下，在高信噪比时该机制 可以获得的分集阶数为2 。在放大转发机制中，接收端如果能够进行最优译码，必须 已知用户间信道系数，因此该机制必须进行必要的信道估计和信息交换。对该机制而 言另一个挑战就是对模拟信号的抽样、放大和重传。但是总的来说该机制还是一个比 较简单的协作机制，对于进一步理解其它的协作通信系统是非常有帮助的。 3 北京邮电大学博士学位论文第一章绪论 ( 二) 解码转发模式( d f ) 在解码转发模式中，伙伴节点接收并解码用户的比特信息，并在重新编码后转发 用户的信息，避免了放大转发模式中的噪声放大问题。这种协作方式比较简单，但当 用户间信道质量较差时，伙伴节点有可能对用户的信息作出错误译码，此时协作分集 传输不能达到完全分集( 如ud i v e r s i t y ) 。为了避免这种错误传播的问题，l a n e m a n 等人 h 1 提出了一种选择解码中继( s e l e c t i o nd f ) 方案，即当用户间信道的瞬时信噪比较高 时，伙伴节点才译码并转发用户的数据，而当用户间信道的瞬时信噪比较低时，用户 则返回非协作模式。研究表明：当信噪比较高时，两个用户相互协作的选择解码中继 不仅可以和放大中继一样具有二阶的分集增益，而且可以获得更低的误比特率( b e r ) 和误块率( b l e r ) 。 ( 三) 编码协作模式( c c ) 编码协作模式是信道编码思想和协作分集相结合得产物。编码协作机制通过两条 独立的衰落信道来发送每个用户码字的不同部分。其基本思想是每个用户都将增加的 冗余信息发送给其伙伴，协作通过信道编码设计来实现，无需用户之间的反馈。当用 户间的信道非常恶劣时，该机制自动恢复到非协作模式。在d f 模式下，用户对于其 协作伙伴的信号正确解码后，使用原来的编码方式在下一时隙向目的端传送，此时系 统性能的改善是通过在不同空间重复传送冗余获得的；而在编码协作模式下，用户则 通过重新编码传送了不同的冗余信息，相当于将空域分集和码域分集相结合，从而改 善了目的端的解码性能。关于编码协作的研究，s t e f j 孤o v 【6 , 7 1 i i e 明了编码协作在慢衰落 环境中性能卓越，仿真结果表明：假设用户的传输速率和发射功率不变，在用户间信 道非常差的情况下，系统依然能显著提高两个用户的误码率性能，并且当两个用户都 能成功解码时，系统可以获得完全分集增益。h u n t e r l 8 】的进一步研究表明：编码协作 在快衰落信道情况下会牺牲上行信道质量相对较好的用户的性能。为了解决这个问 题，在编码协作的基础上引入空时编码的思想，从而提出了空时编码协作方案四1 ，它 和编码协作的最大不同在于：编码协作中每个用户只在自己的多址信道发射协作信 息；而在空时编码协作中，每个用户需要同时在自己和伙伴的多址信道发射协作信息。 研究结果表明：空时编码协作在快衰落信道情况下也可以获得完全分集增益，并且不 会牺牲上行信道质量相对较好的用户的性能。由于具有性能出色、接收端不需要用户 间信道信息等优点，而且可以利用现有信道编码研究的大量成果，编码协作分集已经 成为当前研究中最活跃的领域之一。 4 咤 - 疋 一 北京邮电大学博十学位论文 第一章绪论 1 2 2 协作通信的好处 在协作通信系统中，每一个用户即要发送自己的数据，同时也要作为其它用户的 协作伙伴。很明显，协作机制将导致码速率和发射功率的折衷。就功率而言，一方面， 在进行协作通信时，由于每个用户既要发射自身数据，又要中继其它用户的数据，所 以需要更高的功率；而另一方面，由于产生了分集增益，在同样的目标速率下，每个 用户的基本发射功率可以适当的减小。对于速率也存在同样的问题，在协作通信时， 每个用户既要发送自己的数据，同时也要中继其它伙伴的数据，自身速率可能会有损 失。然而，由于产生了协作分集，每个用户的谱效率都得到了改善，因此信道码速率 可以得到提高，这也形成了一个折衷。 促进m i m o 技术的实用化是协作分集最大的好处，它有可能带来无线通信领域的 巨大变革。传统的m i m o 技术通过在发射接收端配置多个天线构成多发射接收天 线分集，但对于小型移动终端来说是很不现实的，这就导致m i m o 技术在蜂窝网以 及a dh o e 等网络中难以实用化。协作分集为m i m o 技术在小型移动终端的应用找到 了新的出路，是一种很有前途的空间分集技术。可以说，协作分集可以使m i m o 技 术的各种优势得以发挥，能够切实地利用空间资源来提高通信系统的性能，包括提升 系统容量、增大数据传输速率、有效对抗衰落以及降低系统的服务中断概率、提高系 统的服务质量和可靠性等。 协作分集的思想还可以应用于抗干扰通信中。抗干扰的基本方法有直接序列扩 频、跳频、跳时以及它们的混合应用，但是这些方法都没有利用空间资源，而协作分 集在某种意义上可以看作是一种空跳。跳频的工作原理是信号的载波频率受伪随机码 或某种特定跳频图案的控制而跳变，跳频增益的大小取决于跳频幅度的大小和跳频的 快慢，而跳时技术在时间上也有类似的结论。协作分集技术从另一个角度可以看作是 根据一定的准则( 某种特定空跳图案) ，用户信息在空间方位上的跳变，其空跳增益可 以根据跳频、跳时的结论推出，随着参与用户数、空跳幅度以及跳速的提高，空跳增 益将会越大。 此外，协作分集技术还有可能带来新的商机。例如，协作通信涉及一个网络资源 分配的问题，即协作分集可使信道质量较好的用户在较小地牺牲甚至不牺牲自身数据 率的前提下，助信道质量较差的用户共同达到某个可以接受的性能指标，那么这种协 作可能引起资费调整的问题。在多数情况下，由于信道质量以及业务种类不同，互为 协作的用户提供或者得到的帮助并不是对等的。如果提供帮助较多的用户应该获得某 些利益，而获得帮助较多的用户则应该支付一定的报酬，这样就有可能会出现专门提 5 北京邮电大学博上学位论文第一章绪论 供协作服务以获取经济利益的用户，相应地也必须配有流量计费系统等。因此，协作 服务也有可能成为一种新的产业。 1 2 3 协作通信面临的问题 任何一种新技术的出现，必然会带来一些新的问题，协作通信也不例外。虽然针 对协作通信的基础性研究早已引起国内外学术机构的广泛关注，已经取得很多突破， 而且单源、