（通信与信息系统专业论文）分布式空时中继系统的关键技术研究.pdf

摘要 摘要 协作通信技术是一种利用地理上分散的单天线无线节点实现空间分集的新 技术。它解决了由于尺寸、发射功率、以及系统造价的限制一个无线终端上无法 通过安装多个天线获取空间分集的问题。与常规通信相比，协作通信技术具有更 高可靠性、更高功率效率和更高频谱效率的优势。目前w i m a x ，l t e 等无线通 信标准已经将协作通信列入到标准草案中。由于无线网络存在较多节点，所以协 作通信常以分布式空时中继系统的形式实现。因此，理解和改进分布式空时中继 系统中的关键技术对于协作通信技术的发展有着非常重要的意义。 本文的研究思路是理解分布式空时中继系统存在的关键问题，并提出有效的 改进方案。论文通过比较解码转发( d f ) ，放大转发( a f ) 以及解调转发( d m f ) - 三 种中继方式之间的优劣，指出了各种中继方式的特点和需要解决的问题。然后根 据这些结果，总结了分布式空时中继系统需要解决的关键问题。本文围绕着如何 改进这些问题，进行了以下工作： 基于d f 的分布空时中继系统与多天线系统物理层功能近似，因此关键问题 是跨层设计和资源分配。在跨层设计方面，针对多用户空时协作分集系统中提出 了两个能充分利用协作过程的自动重传协议( a r q ) 协作前a r q 协议和协 作后a r q 协议。详细分析了系统的平均吞吐率，并比较了不同协议下的系统性 能。理论和实验均证明提出的a r q 协议可以极大提高系统的吞吐量。在资源分 配方面，因为协作通信会引起额外的功率消耗，所以在资源受限网络中协作通信 不一定是功率效率最大的通信方式。据此提出了一种功率效率的选择性协作通信 模式。实验证明该模式能有效地提高网络功率效率。 基于a f 方式的分布式空时中继系统的关键问题是：固定的中继集合大小限 制了系统对上层业务的广泛支持；噪声传递导致目的端接收噪声在未知信道信息 时不再服从高斯分布。针对第一个问题，提出了一种可取得满分集、满速率以及 速率分集折中率的分布式空时编码方案。该编码方案适用于任意大小的中继网 络和任意的调制方案。本文给出了编码准则、解码算法，错误概率上界，速率 分集折中以及最优的功率分配方案。实验证明提出的分布式空时编码优于其他已 有的编码方案，并且能够灵活地在速率和分集上进行互换。在噪声传递环境中， 提出了双训练序列信道估计模式。该模式通过两个训练序列将非高斯噪声环境下 的信道估计问题转化为两个高斯噪声环境下的信道估计问题。给出了最优的训练 序列设计准则和最优功率分配方案。实验证明基于此估计模式的接收机与理想接 收机的性能非常接近，且估计性能远优于己知的信道估计算法。 i 摘要 基于d m f 方式的分布式空时中继系统的关键问题是中继解调错误会导致系 统分集增益剧烈下降。针对错误传递问题，提出了两种基于信噪比门限的中继选 择模式集中式中继选择模式和分布式中继选择模式。在集中式中继选择模式 中，定义了一个能有效衡量系统性能的指示函数信号错误噪声功率比。集中 式中继选择模式的目标就是最大化信号错误噪声功率比。为了减少系统负担，又 提出了最小化等效中继信道错误概率的分布式中继选择模式。证明了通过中继选 择可以提高系统的分集增益。实验证明提出的中继选择模式可以有效的抑制错误 传递，并且集中式选择模式略优于分布式选择模式，但是前者需要较大计算量。 本文指出的分布式空时中继系统的关键问题对于协作通信技术的发展和研 究有一定的指导意义。文中提出的方案能有效改进分布式空时中继系统的性能。 关键词：协作通信 道估计噪声传递 分布式空时编码自动重传协议中继选择功率效率信 错误传递放大一转发解码一转发解调转发 a b s t r a c t a b s t r a c t c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n si s an o v e lt e c h n o l o g yw h i c hc a na c h i e v es p a t i a l d i v e r s i t yw i t hg e o g r a p h i c a ld i s p e r s e dw i r e l e s sn o d e se q u i p p e dw i t ho n l yo n ea n t e n n a i tp r o v i d e sas o l u t i o nt ot h ep r o b l e mt h a ti ti sd i f f i c u l tt os e tm u l t i a n t e n n ao no n e n o d eb e c a u s eo ft h el i m i t e ds i z e ，m a x i m u mp o w e ra n dc o s t c o n t r a s tt ot r a d i t i o n a l c o m m u n i c a t i o ns c h e m e ，c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o nc a na c h i e v el o t so fa d v a n t a g e s ， s u c ha sh i g h e rr e l i a b i l i t y , h i g h e rp o w e r - e f f i c i e n c y , a n dh i g h e rs p e c t r u m e f f i c i e n c y r e c e n t l yi ti sa l s oa d o p t e db yi n d u s t r ys t a n d a r d ss u c ha sw i m a x ，l t ee t c s i n c e t h e r ea r ea l w a y sm e s s e so fn o d ei nw i r e l e s sn e t w o r k s ，c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n u s u a l l ya p p e a r sa sd i s t r i b u t e ds p a c e t i m e ( d s t ) c o d e dr e l a ys y s t e m t h e r e f o r e ，i ti s i m p o r t a n tt ou n d e r s t a n da n do v e r c o m et h ed r a w b a c k so fd s t c o d e dr e l a yn e t w o r k s t h em a i ni d e ao ft h i sd i s s e r t a t i o ni st ou n d e r s t a n dt h ed r a w b a c k so fd s tc o d e d r e l a yn e t w o r k su n d e rd i f f e r e n tr e l a yf u n c t i o n s ，a n dt op r o v i d eu s e f u ls o l u t i o n s 。f i r s t l y , d r a w b a c k so f a m p l i f y a n d - f o r w a r d ( a f ) ，d e c o d e a n d f o r w a r d ( d f ) ，a n d d e m o d u l a t i o n a n d f o r w a r d ( d m f ) a r ea n a l y z e da n dl i s t e d t h e nw ea l s op r o v i d et h e k e yp r o b l e m sr e q u i r e dt ob es o l v e di nd s t c o d e dr e l a ys y s t e m d fb a s e dd s tc o d e dr e l a ys y s t e mh a sl i t t l ed i f f e r e n c e sf r o mm u l t i a n t e n n as y s t e m a tp h y - l a y e r t h u sc r o s s - l a y e rd e s i g na n dr e s o u r c ea l l o c a t i o na r em a i nt a s k s f o r c r o s s l a y e rd e s i g n ，a r qp r o t o c o l sf o rm u l t i u s e rc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ， w h i c ha r ep o s t c o o p e r a t i o na r qp r o t o c o la n dp r e c o o p e r a t i o na r qp r o t o c o l ，a r e d e s i g n e d b o t ht h e o r e t i ca n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tp r o p o s e da r qp r o t o c o l s c a ni m p r o v et h es y s t e mt h r o u g h p u tg r e a t l y c o n s i d e r i n gt h er u n n i n gp o w e ro fr e l a yi n r e s o u r c e l i m i t e dn e t w o r k s ，ap o w e r - e f f i c i e n t s e l e c t i v er e l a y i n gs c h e m ei sp r o p o s e d s i m u l a t i o ns h o w st h a tt h ep r o p o s e ds c h e m ec a ni m p r o v et h es y s t e mp o w e r - e f f i c i e n c y 。 t h e r ea r et w om a i np r o b l e m si na fb a s e dd s tc o d e dr e l a ys y s t e m s ：t h ef i x e d n u m b e ro fr e l a ys e tl i m i t st h ea b i l i t yo fs u p p l y i n gd i f f e r e n tl i n k q u a l i t yf o r a p p l i c a t i o n l a y e rs e r v i c e ；i ft h er e c e i v e rh a sn oi d e aa b o u tc h a n n e li n f o r m a t i o n ，t h e r e c e i v e dn o i s ei sn o tg a u s s i a na n ym o r e f o rt h ef i r s tp r o b l e m ，an o v e ld i s t r i b u t e d s p a c e t i m ec o d i n g ( d s t c ) s c h e m eb a s e do nc o n s t e l l a t i o np r e c o d i n g ( c p d s t c ) i s p r o p o s e d ，t h a tc a na c h i e v ef u l l d i v e r s i t yo rf u l l r a t e ，a n da l s oo f f e r saf l e x i b i l i t yf o ra d e s i r e d r a t e - d i v e r s i t y t r a d e o f f t h i sc o d ew o r k sw e l lw i t h a r b i t r a r ys i g n a l c o n s t e l l a t i o na n da n yn u m b e ro fr e l a y sa n da c h i e v e sm i n i m a l d e l a y c o d i n gc r i t e r i a ， l t i a b s t r a c t 一 c h e m o f fb o u n d ，d e c o d i n gs t r a t e g i e sa n do p t i m a lp o w e ra l l o c a t i o na r ea l s op r o v i d e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tp r o p o s e dc o d eo u t p e r f o r m se x i s t i n gc o d e sa th i g hp o w e r r e g i m e i nt h en o i s e p r o p a g a t e dn e t w o r k s ，t w o p i l o tb a s e dc h a n n e le s t i m a t i o ns c h e m e i sp r o p o s e d t h r o u g ht w op i l o t s ，t h ep r o p o s e ds c h e m ec o n v e a sac h a n n e le s t i m a t l o n p r o b l e mi nn o n g a u s s i a nn o i s ei n t ot w oc h a n n e le s t i m a t i o np r o b l e m si n g a u s s i a n n o i s e o p t i m a lp i l o td e s i g n a n do p t i m a lp o w e ra l l o c a t i o n a r eb o t h p r o v i d e d s i m u l a t i o ns h o w st h a tt h ep r o p o s e dc h a n n e le s t i m a t i o nb a s e dr e c e i v e rc a na c h i e v e n e a r l yt h es a m ep e r f o r m a n c ew i t hp e r f e c tc h a n n e lb a s e do n ea n df a ro u t p e r f o r m s e x i s t i n gc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h m s e r r o rp r o p a g a t i o ni st h em a j o rp r o b l e mo fd m fb a s e dd s t c o d e dr e l a ys y s t e m s t w os n rt h r e s h o l d sb a s e dr e l a ys e l e c t i n gs c h e m e s ，c e n t r a l i z e d s e l e c t i n ga n d d i s t r i b u t e ds e l e c t i n g ，a r ep r o v i d e dt om i t i g a t ee r r o rp r o p a g a t i o n an o v e li n d i c a t o ro f t h es y s t e mp e r f o r m a n c e ，c a l l e ds i g n a l e r r o r n o i s er a t i o ( s e n r ) ，i sd e f i n e d h e r e i n t h e c e n t r a l i z e dr e l a ys e l e c t i n gs c h e m ei sd e s i g n e dt om a x i m i z et h es e n r f o rr e d u c i n g t h ec o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y , t h ed i s t r i b u t e ds e l e c t i n gs c h e m ei s a l s op r o p o s e dt o m i n i m i z et h ep r o b a b i l i t yo fo n ee q u i v a l e n tr e l a yc h a n n e l w ea l s op r o v e t h a ts y s t e m b a s e do nr e l a ys e l e c t i n gc a na c h i e v eh i g h e rd i v e r s i t yo r d e rt h a nt h a tw i t h n os e l e c t i n g s i m u l a t i o ns h o wt h a tp r o p o s e dr e l a ys c h e m e sc a ne f f i c i e n t l ym i t i g a t e t h ee r r o r p r o p a g a t i o na n dt h ec e n t r a l i z e ds e l e c t i n gw i t hh i g h e rc o m p l e x i t yc a na c h i e v e al i t t l e i m p r o v e m e n tt h a nt h ed i s t r i b u t e do n e k e yw 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 ，d i s t r i b u t e ds p a c e 。t i m ec o d i n g ，a r q ，r e l a y s e l e c t i o n ，p o w e r - e f f i c i e n c y , c h a n n e le s t i m a t i o n ，n o i s ep r o p a g a t i o n ，e r r o rp r o p a g a t i o n ， a m p l i f y a n d f o r w a r d ，d e c o d e a n d f o r w a r d ，d e m o d u l a t i o n a n d - f o r w a r d i v 图目录 图目录 图1 1 协作通信技术提出背景示意图3 图2 1 三节点协作通信系统模型k 1 0 图2 2m i m o 系统空时编码示意图1 6 图2 3 多天线系统与分布中继系统模型比较2 1 图2 4 多中继协作通信系统2 2 图2 5 多中继协作系统时隙分配图2 2 图2 - 6 多用户协作系统示意图2 3 图2 7 多用户协作系统时隙分配图2 4 图2 8a f 、d m f 和d f 关系图2 5 图2 - 9 三节点模型下不同中继方式性能图2 6 图2 1 0a l a m o u t i 编码在a f ，d f 和d m f 方式下的误码率2 8 图2 1 1 重复编码在a f ，d f 和d m f 方式下的误码率2 8 图2 1 2 本文研究思路示意图3 0 图3 1 双用户分布式空时协作系统示意图3 3 图3 2 基于a l a m o u t i 编码的双用户协作时隙结构图3 3 图3 3 协作后a r q 协议3 5 图3 。4 协作前a r q 协议3 6 图3 5 当彳1 2 = 2 0 d b 时用户l 归一化吞吐量随彳1 d 变化曲线图4 1 图3 6 当彳1 2 = o d b 时用户l 归一化吞吐量随彳1 d 变化曲线图4 2 图3 。7 中心控制的协作无线网络示意图4 4 图3 8 最与忍的约束关系，4 7 图3 - 9 情况1 的图解4 8 图3 1 0 情况2 的图解4 8 图3 1 1 情况3 图解4 9 图3 1 2 平均功率效率增益的比较5 2 图3 1 3 不同网络半径下的性能比较5 2 图4 1a f 中继网络中各种分布式编码的性能比较6 6 图4 2c h e m o f f 界与b l e r 的比较( q p s k ，m = 4 ，n = 4 ) 6 6 图4 3c p d s t c 在不同符号速率下的系统性能6 7 图4 4c r d s t c 在不同功率分配下的性能6 8 图4 5 固定速率下不同分布式空时编码的系统性能6 8 图4 6 双训练序列估计模式示意图7 2 图4 7 不同信道估计方法的性能曲线7 6 图目录 图5 1t = 2 ，n = 2 时不同中继选择模式下的系统误码率9 3 图5 2t = 2 ，n = 4 时不同中继选择模式下的系统误码率9 3 图5 3t = 2 ，n = 6 时不同中继选择模式下的系统误码率9 4 图5 4t = 4 ，n = 2 时不同中继选择模式下的系统误码率9 4 图5 5t = 4 ，n = 4 时不同中继选择模式下的系统误码率9 5 图5 - 6t = 4 ，n = 6 时不同中继选择模式下的系统误码率9 5 图6 1 双协作用户干扰信道模型1 0 0 图6 2t w o w a y 中继模型一1 0 0 表目录 表目录 表2 1 中继方式优缺点比较表2 7 表3 一l 仿真参数表5 l 表4 1 双训练序列最优功率分配方案7 6 表5 1 集中式中继选择模式门限t = 2 9 1 表5 2 集中式中继选择模式高信噪比情况下门限t = 2 t = 4 9 1 表5 3 分布式中继选择模式门限t = 2 9 1 表5 - 4 集中式中继选择模式门限t = 4 9 1 表5 5 分布式中继选择模式门限t = 4 9 2 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 果。除已特别加以标注和致谓j 的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写 过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 作者签名：舀b 蛰签字日期：丝! ! ：! 墨l 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥 有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入中国学 位论文全文数据库等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 必开口保密( 年) 作者签名：弛跏躲皿 - 签- 7 - - f g q ：迎壮 签字日期力必 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 协作通信技术提出的背景 在过去的二十年里，无线通信技术取得了巨大的成就和发展。移动电话，笔 记本电脑，个人数码辅助设备( p d a ) 等都通过无线通信技术为了人们的工作和 生活提供了各种服务和便利。随着互联网的普及和多媒体的发展，这两种技术与 无线通信技术的融合成为了无线通信市场新的增长点。设备制造商，运营商和著 名学者在刚刚闭幕的“2 0 1 0 年移动通信世界大会( m o b i l ew o r l dc o n g r e s s ) 上 得出了一个共识“宽带化、智能化、个性化、媒体化、多功能化、环保化是 世界移动通信发展的新趋势”。这些趋势给现有的无线通信技术的各个协议层都 提出了新要求。然而对物理层则有一个共同的需求高可靠性，高频谱效率以 及低功耗。 众所周知，信号经过无线信道会被散射，反射和衍射，从而产生了衰落、干 扰【l 】【2 】等信号失真。为了实现高效和可靠的传输，目前主要利用信道编码和分集 技术来抵抗信道衰落。信道编码是通过对数据比特增加冗余信息来保护有用信息 的，因此并不是针对衰落信道而设计的。分集技术是一项利用多个独立衰落的发 射信号进行接收的技术。最常见的分集包括：时间分集，频率分集和空间分集【1 1 1 j 。 时间分集需要额外的信道时间，频率分集需要额外的信道带宽，而空间分集不用 牺牲时间和带宽就能提供分集增益。使用多个发射天线以及( 或者) 多个接收天 线的空间分集技术己经被证明是一种有效抵抗信道衰落的分集技术【l l 。最简单 的空间分集技术就是使用多个接收天线的接收分集。上世纪末大量的研究者 1 1 1 2 1 1 1 1 4 】【1 1 6 h 1 2 4 】【1 2 6 】讨论了利用空时编码在多个发射天线上实现空间分集的技术， 称为发射分集。空时编码根据编码的结构一般分为空时格码( s t t c ) 和空时分 组码( s t b c ) 。空时格码的复杂度随着发射天线的增加而呈指数级增加，空时分 组码实现起来相对容易，因此关于后者的研究更加活跃。在发射机和接收机上同 时安装多个天线的多输入多输出( m i m o ) 系统上，使用空时编码可同时获得发 射分集和接收分集。一般情况下，m i m o 技术可以极大地提高接收信号质量和增 加通信数据速率，并且分集增益可以随着天线的增加而增加1 2 】。目前m i m o 技 术已经被写入了新一代的无线通信的标准中，例如l t e ，w i m a x 等。因此m i m o 技术被认为是过去2 0 年中无线通信领域最重要的发明之一。当然，m i m o 技术 在带来巨大优势的同时也需要付出一些代价。例如终端尺寸较小时天线之间会产 第1 章绪论 生严重的耦合，这样会导致多天线信道不再独立，从而严重地降低了系统的容量 和性能【2 1 。因此，为了获得独立的信道无线终端的尺寸不能太小。另一方面，安 装多个天线需要多个射频链路和多套收发硬件系统，这样无线终端的能量消耗和 成本也几乎是单天线系统的很多倍。所以为了获得高的分集增益，m i m o 技术需 要增大移动终端的尺寸、功率和成本代价。 随着用户终端的增多以及电子设备的无线化和智能化，人们希望随时随地的 与任何人或者设备进行信息沟通。因此，无线通信网络得到了迅速的发展。无线 网络根据网络结构可分为两种。一种是需要基础设施的网络，例如蜂窝移动通信 系统网络，无线接入网络。这种网络中存在有大量的用户，用户间的通信都必须 借助基础设施完成( 例如基站) 来完成，因此不同的用户都要和相同的基础设施 进行通信。同时，工作的用户数量远小于总用户数量，因此大量的闲置用户存在 于网络中。另外，为了方便人们使用，无线终端在尺寸、功率和造价上也是受到 了严格的限制，例如在用户终端上往往很难安装多个天线。另一种网络就是无基 础设施的网络。这种网络以a dh o c 网络为代表【2 j 。a dh o c 网络中不存在中心控 制设备，节点可以自组织地进行组网并实现数据通信。特别的，为了在复杂地形 或者无人值守的情况下对环境进行监测、信息感知，一种特殊的a dh o c 网络一 一无线传感器网络近年来得到极大的关注【1 3 刚。a dh o c 网络中的节点由于能量和 功率有限所以往往无法直接与较远的节点直接通信，因此需要其他处于两者之间 的节点进行中继转发。另外，a dh o c 网络中，尤其是无线传感器网络，存在大 量的低功率、低成本的无线节点。为了节约成本每个节点往往只有一个天线。 从以上介绍可以看出主要的无线网络有以下三个特点： 1 ) 网络中存在未被充分利用的节点和硬件资源： 2 ) 网络节点要么有着相同的通信目的端要么需要其他节点帮助转发信号； 3 ) 网络节点( 不包括基础设施) 的尺寸、能量和成本都需要有着严格的限 制。 m i m o 技术在无线信道环境下可以提供高效且可靠的数据传输，但是m i m o 技术应用到无线网络中时却存在一定的困难。例如在蜂窝网络中，基站可以安装 多个天线实现发射分集或者接收分集，但是用户终端往往很难安装多个天线。又 例如在a dh o c 网络中，每个节点根本无法支持多个天线运行。制约m i m o 技术 应用的主要原因是m i m o 技术需要在无线节点上集中很多系统资源，例如天线， 射频链路，信号处理模块等。而反观现实的无线网络，每个节点的资源虽然很少 但是节点数量并不少，也就说节点资源少但是网络资源丰富。因此要满足提出的 移动通信新趋势，则需要一种既能取得m i m o 技术的优势又能充分利用无线网 络资源的新技术。协作通信技术就是在这样的背景下被提出来的。这里通过图 2 第1 章绪论 图1 1 协作通信技术提出背景示意图 1 1 总结了以上协作通信技术提出的背景。 1 2 协作通信技术的研究与发展 利用无线信道的广播特性，协作通信技术可通过多个地理上分离的无线节点 实现空间分集、网络覆盖扩张。在协作通信技术中，源节点发射的信号可以被一 些中继节点接收和转发，因此目的节点可以接收到多个与源节点信号相关的副 本，这样目的节点就可以进行分集接收。协作通信技术既充分利用了网络资源又 取得了m i m o 系统的技术优势，所以为解决未来无线通信的需求提供了一个强 有力的工具。 关于信号中继转发的研究始于上世纪7 0 年代，v a nd e rm u l e n 7 j 和c o v e r 等1 8 】 首次在假设中继节点可以同时接收和发送数据的条件下讨论了中继系统的容量 问题。此时的中继系统仅仅由一个发射节点，一个中继转发节点和一个目的节点 组成。然而我们知道发射信号近场的信号功率远远大于接收信号功率，因此全双 工的天线在实际设备中很难实现。目前中继系统都以半双工模型作为研究对象。 之后，多个中继的中继系统容量问题也引起了一些研究者的关注【9 】【1 0 】。 本世纪初随着m i m o 技术的兴起和无线网络概念的成熟，将中继信道看作 一种分集的协作通信技术被明确地提了出来【5 】【6 】【1 0 4 1 。在文献中 5 ，l a n e m a n 等 在半双工条件下首次提出了一种两阶段协作传输的概念，同时给出了目前最常用 3 第1 章绪论 的两种中继方式一一放大转发( a m p l i f y a n d f o r w a r d ，a f ) 和解码一转发 ( d e c o d e a n d f o r w a r d ，d f ) 。此外，l a n e m a n 在文献 5 】中还考虑了自适应的中 继协议和增强型的中继协议，例如选择性中继、增强性中继。为了获取更大的分 集增益，l a n e m a n 又在多中继网络中引入了分布式空时编码的概念【6 j 。这些开创 性的工作极大地激发了人们对协作通信技术的兴趣。从此，协作通信系统带来了 的分集增益被专门称为协作分集增益。在同一时间，h u n t e r 等也在 1 1 和 1 0 4 】 中提出了一种类似的协作分集协议，但是不同的是该模型的中继不仅能转发源节 点信息还可以发送自己的信息。从空分多路的角度出发，s e n d o n a r i s 等 1 2 7 1 在蜂 窝移动网络上行场景中提出了两个用户终端互相转发对方数据而实现协作用户 分集的协议。以上的工作均证明了协作通信技术既能实现m i m o 系统的技术优 势又能克服m i m o 技术实际应用的限制，同时还能充分利用无线网络的资源。 自2 0 0 3 年正式提出协作分集的概念以来，协作通信( 分集) 技术得到了学 术界的极大关注。全球著名的通信学术会议都设立了专门的讨论会( w o r k s h o p ) ， 例如i e e ei c c ，g l o b e c o m ，v t c 等。从2 0 0 4 年起，i e e ec o m m u n i c a t i o n sm a g a z i n e 和s i g n a lp r o c e s s i n gm a g a z i n e 等杂志上多次刊登了有关协作通信的综述文章 【1 2 】【1 3 】f 1 4 】。甚至i e e ec o m m u n i c a t i o n sm a g a z i n e 杂志在2 0 0 9 年第2 期专门作了一 期关于协作通信的专辑。截至目前，国际上已经出现了5 本关于协作通信的专著 1 1 1 ”】- 【埔】。出于协作通信技术涉及到的内容和细节较多，自2 0 0 3 年以来大约有上 千篇( 据作者收集到的资料) 学术论文对协作通信技术进行了探讨。以下对目前 关于协作通信的研究内容进行分类，同时介绍一些具有代表性的论文。而协作通 信基本知识和原理将在第2 章详细介绍。 系统性能分析方面：文献 1 9 】- 2 1 1 讨论了协作系统的系统容量，并给出了一 些可用的容量界。但是协作通信系统确切的系统容量仍未得到。文献 2 2 1 和 2 3 】从分集。多路的角度也证明了协作通信系统带来的设计灵活性。从网络的 角度来看协作通信是针对无线网络的一项新技术，因此文献 2 4 1 【2 6 证明了 协作通信技术对提高无线网络容量的作用。文献 5 】、【6 】和 3 3 对基本的协作 通信系统的中断概率进行了分析，并且都证明了协作分集增益的存在。之后， 文献 3 4 1 , n 9 1 】分析了协作通信系统在各种中继方式下的系统误码性能。以上 的分析均是假设信道服从瑞利( r a y l e i g h ) 衰落，文献【3 5 则分析了n a k a g a m i 模型下的系统性能。 中继信号同步方面：协作通信的分布式特性，例如不同的本地时钟存在频率 和相位上的差异，协作中继传播延时存在差异等问题，均给系统同步和信道 估计等提出了新的挑战。文献【2 7 】讨论了协作中继的频率同步问题，文献 2 8 讨论了载波同步问题。文献【2 9 】- 【3 1 】对符号同步问题进行了详细的分析并提 4 第1 章绪论 出了有效的解决方案。在信道估计方面，文献【16 3 对基于d f 方式的协作通 信系统信道估计问题进行了讨论，并给出了最优的设计方案。对于a f 方式， 由于噪声传递使得系统噪声和信道不再是高斯变量，因此大量的工作1 删。【1 6 9 】 对该模型下的信道估计进行了讨论。同时，文献【3 2 】对信道估计和均衡问题 均进行了讨论。 分布式空时编码、波束成形以及多用户技术：提出协作通信技术的一个主要 目的就是希望既能克服m i m o 系统的缺点又能获取m i m o 的技术优势。在 协作通信提出的早期，l a n e m a n 【6 1 等，h u n t e r 3 6 】等，s t e f a n o v l 3 7 1 等和n a b a r 等【8 8 】 都讨论了空时编码在协作通信系统中应用的可行性。因为空时码字是由多个 地理上分散的无线节点发射形成，所以称为分布式空时编码( d i s t r i b u t e d s p a c e t i m ec o d i n g ) 。此后，多种在m i m o 系统中应用的空时编码被用于协 作通信系统d t 口1 3 9 1 1 4 0 】【1 4 8 】。【1 5 l 】【1 55 1 。为了减轻接收端对信道信息的要求，文献【4 2 】 并t j 1 5 0 又提出了非相干的分布式空时编码方案。然而，由于中继在地理上处 于分离状态，当中继集合变化时需要为每个中继节点分配编码方案。为了减 少信令交互，文献 4 1 1 5 4 3 1 均提出了一些不需要对中继进行码字分配的编码 方案。因为多个中继可以看作是一组虚拟的天线阵列，所以分布式波束成型 技术也在协作通信系统中被提了出来【“】- 【4 们。多天线系统不仅可以提供分集 还可以提供多路增益，因此文献【4 7 1 _ 【4 9 】也讨论了多用户情况下协作通信系 统的信号检测、资源分配等问题。目前多用户的协作系统已经开始得到较多 研究者的关注。 其他通信技术在协作系统的应用：从系统的角度来看，协作通信技术是一种 基于无线网络的信息传输协议，对信号传输的形式并没有要求。因此 o f d m 5 4 】【5 5 】、超宽带( u w b ) t 5 6 】【5 7 1 等物理层技术都可以被装载在协作通信系统 中。又因为协作通信系统在传输可靠性和覆盖广阔性上具有较大优势，所以 文献 5 0 _ 5 3 在对地理环境和频谱环境都非常敏感的认知无线电技术中也引 入了基于用户协作的频谱感知方法，并证明可以有效提高频谱检测可靠性。 目前协作频谱感知技术已经成了认知无线电研究领域最为活跃的话题之一。 其他中继方式和系统模型：除了l a n e m a n 等在【5 】中提出的a f 、d f 协议之 外，一些针对不同应用环境的中继方式也被提了出来。例如，文献 9 5 矛t i 9 6 】 讨论了解调转发方式；l i 等基于分布式信源编码理论提出了压缩转发方式 1 9 9 1 0 0 l ；文献【5 8 】和 5 9 讨论了量化转发方式。g o m a d a m 等【1 0 9 1 分析了无记忆 中继方式的等效信噪比表达式，证明不考虑中继信道带宽时基于估计转发的 中继方式是最优的。除了早期提出的三节点模型1 5 】、多中继模型【5 】以及多用 户协作模型外【1 2 7 1 ，目前还有关于t w o w a y 模型 6 0 1 【9 6 】、干扰信道模型【6 2 】f 6 3 】， 5 第l 章绪论 多源协作模型 6 5 】的讨论。例如将目前研究非常活跃的网络编码( n e t w o r k c o d i n g ) 与t w o w a y 模型【6 4 】或者多源中继模型【9 7 1 结合起来进行讨论。 异步协作系统：以上的讨论均假设中继之间是完全同步的，但是由于中继节 点各自的时钟存在差异以及信号传输距离可能不同，中继发射的信号完全同 步是非常困难的，也就是说协作通信系统与生俱来就具有一定程度的异步特 性。w b i 等【1 7 0 】首次分析了异步协作系统的分集性能。文献 7 1 】则对异步协作 系统的误码率进行了分析。在分布式空时中继系统中，l i 等【72 j 考察了中继的 异步特性对分布式空时编码性能的影响。在任意符号周期倍异步的中继系统 中，x i a 等f 7 3 】f 7 4 】给出可取得满分集增益的异步分布式空时编码方案。然而， 对于任意异步环境下的协作系统目前仍没有较好的解决办法。 m a c 层和路由协议设计：由于协作通信系统需要对多个无线节点进行协调， 所以为了取得高的资源利用率，m a c 层和网络层协议需要进行适应性修改。 文献 7 5 】- 7 7 】对这些问题进行了讨论。由于中继可以获取源节点的数据，因 此涉及到m a c 安全性的协议也在文献 7 8 1 中进行了讨论。目前工业的通信 标准也在探讨如何在移动通信网络中实现安全的用户数据中继。 协作通信系统原型设计：随着协作通信技术在理论上的进一步丰富，为了加 速协作通信技术的产业化，目前已经有学者和设备制造商开始设计协作通信 系统的实验系统，并希望发现和解决协作通信系统里尚未重视的问题【7 圳。 1 3 协作通信技术的应用 一切的研究都是源于现实并最终作用于现实。协作通信技术在激发起