（通信与信息系统专业论文）无线通信中的选择协同分集技术研究.pdf

f ， ， ， 无线通信中的选择协同分集技术研究 重庆大学博士学位论文 学生姓名：王恒 指导教师：杨士中院士 专业：通信与信息系统 学科门类：工学 重庆大学通信工程学院 二o o 年十一月 s t u d yo n s e l e c t i o nc o o p e r a t i o n d i v e r s i t yi n w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s at h e s i ss u b m i t t e dt oc h o n g q i n g u n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n tf o rt h e d e g r e eo fd o c t o ro fp h il o s o p h yi ne n g i n e e r i n g b y h e n gw a n g s u p e r v i s e db yp r o f s h i z h o n gy a n g m a j o r ：c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m c o l l e g eo fc o m m u n i c a t i o ne n g i n e e r i n go f c h o n g q i n gu n i v e r s i t y , c h o n g q i n g ，c h i n a n o v 2 0 1 0 中文摘要 摘要 协同通信技术能够有效的改善无线系统的传输性能，发挥多个天线联合通信 的优势，因此受到学术界的密切关注和持续研究，成为有着广阔应用前景的无线 技术之一。选择协同分集技术是协同通信中的一类简便而高效的方法。它采用单 中继策略，从多个中继节点中选出一个信道质量最好的最佳中继节点来完成信息 的协同转发工作。与需要多个节点都参与转发的中继策略相比，选择协同大大降 低了协同的复杂度，但仍能充分利用所有信道信息，达到全分集的传输性能。所 以，选择协同分集技术从提出后一直备受瞩目，成为协同通信中一个兼具灵活性 和实用性的重要技术发展方向。 本文围绕选择协同分集技术在无线通信系统中的应用而展开，对其在各种通 信场景下的方法、协议和性能进行了深入探讨和系统性研究。 首先，针对单源单目标的场景，本文提出了一种基于反馈的选择协同方法。 最佳中继节点通过全分布式的竞争来选出，除了用于反馈的确认帧和否决帧外， 源节点与目标节点之问没有其它任何因为协同而导致的信息交互开销。所提方法 利用了现有网络的运行机制，因此能够方便的集成到各种实际的无线网络中。论 文推导和分析了反馈式选择协同方法在n a k a g a m i m 衰落下的分集复用权衡 ( d m t ) 性能，证明了所提出的协同方法能够有效的提高系统的频谱效率，并同 时表明在有反馈的情况下，选择协同与另外一种单中继协同方法一机会中继，在 通用衰落信道中具有相同的性能。 接着，针对时延容忍性的无线网络，本文把自动请求重传( a r q ) 机制引入 到选择协同方法的研究中来。论文提出了结合了a r q 的通用选择协同方法，对无 记忆接收和合并接收这两种情况分别进行了讨论。通过推导和分析分集一复用一 时延( d m d ) 权衡，论文证明了与机会中继不同，直接将单轮反馈的选择协同 方法扩展到多轮反馈的a r q 场合，无法保证获得最优的d m d 权衡，只有在中 继节点具有合并接收能力的条件下才能达到最优性能。论文还提出了一种精简 a r q 选择协同方案，在几乎达到最优d m d 权衡性能的同时，将协同反馈开销降 低为通用方法的一半。理论分析和仿真结果表明，所提出的精简a r q 选择协同方 案，能够以合理的时延代价和较小的协同开销换取分集增益的增加，从而显著增 加系统的可靠性。 然后，本文对较大规模网络中选择协同的方法和性能进行了研究。在节点的 直接传输范围受到距离、拓扑等条件限制的无线网络中，论文提出了一种扩散式 选择协同方法。随着信息传输轮次的增加，越来越多的节点会参与协同过程。即 重庆大学博士学位论文 使与源节点无法直连的节点，也有机会成为最佳中继节点。通过对边界情况的 d m d 权衡进行分析，证明了扩散过程能为系统带来额外的分集增益。仿真结果 也表明扩散式选择协同方法能够提高数据传输的成功率，较好的改善系统的传输 效果。 最后，本文把基于反馈的选择协同方法扩展到多源多目标的协同网络中，并 研究了在该场景下所特有的最佳中继冲突问题及其解决方法。对于高信噪比的情 况，通过d m t 推导可发现当多个协同链路共享同一最佳中继节点时，各个链路的 d m t 性能不受最佳中继节点处功率分裂的影响，所以共享最佳中继方法是一种简 单而有效的解决方案。对于中低信噪比的情况，论文提出了两种适用于最佳中继 节点的功率分配算法。一种以协同链路互信息量的最大一最小函数为优化目标， 另外一种以最大化协同成功链路数为优化目标。仿真结果表明，后一种功率分配 算法在降低运算复杂度的同时，还能给网络带来更好的通信性能。 本文的研究，在通过理论分析来优化协同方法的同时，还密切结合实际的无 线网络机制来设计协同协议，因此所提出的选择协同方法具备简捷和实用的特点。 本文针对选择协同分集方法和性能的研究，有助于协同技术在各种无线网络中的 发展和应用。 关键词：协同分集，选择协同，分集复用权衡，自动请求重传，无线通信 英文摘要 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 nh a sr e c e i v e ds i g n i f i c a n ti n t e r e s ta sa l le f f e c t i v ew a yo f i m p r o v i n gt r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c e i tt a k e sa d v a n t a g eo fm u l t i p l eu s e r s a n t e n n a sa n d c a nb ew i d e l yu s e di nw i r e l e s ss y s t e m s s e l e c t i o nc o o p e r a t i o ni sas i m p l ea n de f f i c i e n t m e a n si nc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n i tu s e ss i n g l er e l a ys e l e c t i o ns t r a t e g ya n do n l y o n e r e l a yw h i c hh a st h eb e s ti n s t a n t a n e o u sc h a n n e ls t a t ew i l lf o r w a r dt h es i g n a lt ot h e d e s t i n a t i o n c o m p a r e dt oo t h e rm u l t i p l er e l a y i n gs c h e m e s ，s e l e c t i o nc o o p e r a t i o nu t i l i z e s a l lt h en e c e s s a r yc h a n n e li n f o r m a t i o na n da c h i e v e sf u l ld i v e r s i t yo r d e rw h i l eg r e a t l y r e d u c e st h e c o m p l e x i t y s o i tb e c o m e sa na t t r a c t i v e c o o p e r a t i v em e t h o df o ri t s f l e x i b i l i t ya n de a s yi m p l e m e n t a t i o n i nt h i sd i s s e r t a t i o n , w ef o c u so nt h es e l e c t i o nc o o p e r a t i o nd i v e r s i t yi nw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s v a r i o u sc o o p e r a t i v es c h e m e sb a s e do ns e l e c t i o n c o o p e r a t i o na r e 空 p r o p o s e da n dt h e i rp e r f o r m a n c e sa r ed i s c u s s e df o rd i f f e r e n ts c e n a r i o s c o n s i d e r i n gt h eb a s i cs c e n a r i ow i t hs i n g l es o u r c ea n dd e s t i n a t i o n ，w ef i r s td e v e l o p ad i s t r i b u t e dc o o p e r a t i v ep r o t o c o l 、丽t l lf e e d b a c kb a s e do ns e l e c t i o nc o o p e r a t i o n t h e b e s tr e l a yi ss e l e c t e di naf u l l yd e c e n t r a l i z e dm a n n e ra n dt h ep r o t o c o lc a nb ee a s i l y i n t e g r a t e d 、析t l le x i s t i n gw i r e l e s sn e t w o r k s n oo t h e ri n f o r m a t i o ne x c h a n g e sb e t w e e n r e l a y sa n d d e s t i n a t i o na r en e e d e d e x c e p ta c k n o w l e d g m e n tf r a m eo rn e g a t i v e a c k n o w l e d g m e n tf r a m e t h ed i v e r s i t y m u l t i p l e x i n gt r a d e o f f ( d m t ) o ft h ep r o p o s e d p r o t o c o la sw e l la sc o m m o ns e l e c t i o nc o o p e r a t i o n 、析t hf e e d b a c ki sd e r i v e do v e r n a k a g a m i mf a d i n gc h a n n e l s t h er e s u l ts h o w st h ep r o t o c o lh a ss i g n i f i c a n ti n c r e a s eo f t h es p e c t r a le f f i c i e n c yc o m p a r e dw i t l lt h eo n ew i t h o u tf e e d b a c k w ea l s os h o wt h a tt h e s e l e c t i o nc o o p e r a t i o nh a st h es a m ed m ta so p p o r t u n i s t i cr e l a y i n gi ng e n e r a lf a d i n g c h a n n e l sw i t ho rw i t h o u tf e e d b a c k n e x tw ec o m b i n et h ed i s t r i b u t e ds e l e c t i o nc o o p e r a t i o np r o t o c o l s 、析t l la u t o m a t i c r e p e a tr e q u e s t ( a r q ) m e c h a n i s mt od e v e l o pm o r ep o w e r f u lc o o p e r a t i v es c h e m e sf o r d e l a y - t o l e r a n tw i r e l e s sn e t w o r k sa n da n a l y z et h e i rp e r f o r m a n c ef r o mt h ep e r s p e c t i v eo f d i v e r s i t y - m u l t i p l e x i n g d e l a y ( d m - d ) t r a d e o f f w ei n v e s t i g a t et h eg e n e r a la r qs c h e m e w h i c hd i r e c t l ye x t e n d st h es e l e c t i o nc o o p e r a t i o np r o t o c o l 、析t l ls i n g l er o u n do ff e e d b a c k t o m u l t i p l er o u n d sa n dd i s c u s st w oc a s e s ：m e m o r y l e s sr e c e p t i o na n dc o m b i n i n g r e c e p t i o ni nt h er e l a y s u n l i k et h eo p p o r t u n i s t i cr e l a y i n g ，w es h o wt h a tu s i n gs e l e c t i o n c o o p e r a t i o np r o t o c o l 、析t l lf e e d b a c ki na r qs c e n a r i os t r a i g h t f o r w a r d l yc a nn o ta c h i e v e i i i 重庆大学博士学位论文 t h eo p t i m a ld m - dt r a d e o f fu n l e s st h er e l a y sc a nc o m b i n et h es i g n a l sr e c e i v e df r o m p r e v i o u sr o u n d s t h e nw ep r o p o s eas i m p l i f i e ds c h e m ew h i c hr e d u c e st h en u m b e ro f f e e d b a c k st oah a l fa n da l m o s ta c h i e v e st h eo p t i m a lp e r f o r m a n c e t h ea n a l y s i sa n d s i m u l m i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h es i m p l i f i e ds c h e m ec a ni m p r o v et h er e l i a b i l i t yo f t h es y s t e mb yo b t a i n i n gd i v e r s i t yg a i nf r o mt h ea r q d e l a ya n dc o o p e r a t i v em e c h a n i s m f o rl a r g en e t w o r k sw h e r ed i r e c tl i n k sa r el i m i t e di nt h en e i g h b o r so fe a c hn o d eb y r a d i oc o v e r a g ea n dt o p o l o g y , w ep r e s e n tad i f f u s i o na r q p r o t o c o lb a s e do ns e l e c t i o n c o o p e r a t i o n t h en u m b e ro fp o t e n t i a lr e l a y sf o rs e l e c t i o ni n c r e a s e sa st h ea r qp r o c e s s c o n t i n u e sa n de v e nt h en o d e st h a th a v en od i r e c tl i n kw i t ht h es o u r c ec o u l dc o o p e r a t e t h ed m dt r a d e o f fa n a l y s i si nt h eb e s t w o r s tc a s ed e m o n s t r a t e st h a tt h ed i f f u s i o n r e s u l t si na d d i t i o n a ld i v e r s i t yb e n e f i t t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ed i f f u s i o n p r o t o c o lo u t p e r f o r m st h eg e n e r a la r qp r o t o c o la n da c h i e v e sb e a e ro u t a g ep r o b a b i l i t y p e r f o r m a n c e f i n a l l y , w ee x t e n dt h ed i s t r i b u t e ds e l e c t i o nc o o p e r a t i o np r o t o c o l 、j ，i t l lf e e d b a c kt o m u l t i s o u r c em u l t i - d e s t i n a t i o nc o o p e r a t i v en e t w o r k sa n di n v e s t i g a t et h eb e s tr e l a y c o n f l i c t i o np r o b l e me x i s t i n gi nt h i ss c e n a r i o i nt h eh i g hs i g n a l t o n o i s er a t i o ( s n r ) r e g i m e ，d u et ot h ef a c tt h a ts h a r i n gt h es a m eb e s tr e l a yb ym u l t i p l es o u r c en o d e sh a sn o i n f l u e n c eo nt h ed m tp e r f o r m a n c ef o re a c hc o m m u n i c a t i o np a i r , t h es i n g l e r e l a y s h a r i n gm e t h o d i sas i m p l ea n de f f e c t i v es o l u t i o n f o rs o m ep r a c t i c a ls y s t e m sw i t hl o w o rm e d i u ms n r ，w ep r o p o s et w op o w e ra l l o c a t i o na l g o r i t h m sf o rt h es h a r e db e s tr e l a y o n ei st h em a x - m i nm e t h o da n dt h eo t h e ri sb a s e do nm a x i m i z i n gt h es u c c e s s f u lf l o w c o u n t t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h el a t t e ra l g o r i t h mr e d u c e st h ec o m p l e x i t y g r e a t l ya n do f f e r sb e t t e rp e r f o r m a n c e t h ed e s i g n so ft h ec o o p e r a t i v em e t h o d si nt h i sd i s s e r t a t i o nt a k ei n t oa c c o u n tb o t h t h ea n a l y t i cp e r f o r m a n c e sa n dt h ep r a c t i c a li s s u e s s ot h ep r o t o c o l sa r ee a s yt oc a r r yo u t i np r a c t i c e 、析t ht h e c h a r a c t e r i s t i c so fs i m p l i c i t y t h ep r o p o s e ds c h e m e sa n dt h e i r p e r f o r m a n c ed e r i v a t i o n sc o n t r i b u t et ot h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o n so fc o o p e r a t i v e d i v e r s i t yi nw i r e l e s sn e t w o r k s k e y w o r d s ：c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y , s e l e c t i o nc o o p e r a t i o n ，d i v e r s i t y m u l t i p l e x i n g t r a d e o f f , a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n i v 目录 目录 中文摘要i 英文摘要i i i 1 绪论i 1 1 研究背景和研究意义l 1 2 协同分集技术的基本原理4 1 2 1 协同通信的基本方式4 1 2 2 单中继协同与选择协同9 1 2 3 协同性能评价指标1 4 1 3 协同分集技术的研究现状1 6 1 3 1 协同分集基本理论的研究1 6 1 3 2 单中继及选择协同的发展l 乃 1 3 3a r q 在协同分集中的应用。1 8 1 3 4 多源多目标协同网的研究1 9 1 4 本文的主要工作和贡献2 0 1 5 论文的结构和内容安捧2 1 2 基于反馈的分布式选择协同方法研究2 3 2 1 引言2 3 2 2 系统模壅2 4 2 3 协同方法2 5 2 4d m t 性能分析2 8 2 5 对比，仿真与讨论3 2 2 5 1d m t 性能对比3 2 2 5 2 仿真结果3 3 2 5 3 讨论3 4 2 6 本章小结3 5 3 基于a r q 的选择协同方法研究3 7 3 1 引言3 7 3 2 系统模型3 8 3 3 通用a r q 选择协同方法3 9 3 3 1 复用增益、中断概率与最优d m d 权衡。3 9 3 3 2 方法描述。4 0 v 重庆大学博士学位论文 3 3 2d m d 权衡性能及其推导4 2 3 4 精简a r q 选择协同方法4 8 3 4 1 方法描述4 8 3 4 2d m d 权衡性能及推导5l 3 5 对比、仿真与讨论5 4 3 5 1d m d 权衡对比。5 4 3 5 2 仿真结果5 7 3 5 3 讨论。6 0 3 6 本章小结6 1 4 扩散式选择协同方法及其性能分析6 3 4 1 引言6 3 4 2 系统模型。6 3 4 3 扩散协议6 4 4 4m m d 权衡分析6 7 4 5 仿真与对比。7 3 4 5 1 胁m d 权衡性能对比7 3 4 5 2 性能仿真7 4 4 6 本章小结7 6 5 多源多目标网络中的选择协同策略与功率分配算法7 7 5 1 引言。7 7 5 2 系统模型与协同协议。7 8 5 3 高s n r 下的单中继协同策略8 0 5 4 中低s n r 下的功率分配算法8 2 5 5 仿真结果8 5 5 6 本章小结8 8 6 结论与展望9 l 6 1 主要结论9 l 6 2 后续研究工作的展望9 2 致谢9 3 参考文献9 5 附录1 0 3 a 作者在攻读学位期间发表的论文目录1 0 3 b 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录1 0 4 1 绪论 1绪论 1 1 研究背景和研究意义 无线通信由于受到传输环境的影响，信号在空中传送时会出现衰落现象。为 了对抗通信中的衰落问题，增强系统的传输能力，分集技术被广泛应用在各种无 线通信系统中。分集技术的基本思想是：把同一信号在多个独立的衰落路径上进 行传输。通过对多个独立的接收信号进行联合处理，从而提高接收的成功率。分 集技术在减弱深衰落对传输的影响方面效果尤为突出。当处于深衰落状态时，无 线信道经受极大的衰落，致使传输性能严重降低，基本无法进行正常的数据传输。 深衰落出现的概率较低，但一旦出现，则会对通信系统造成较大的损害。采用分 集技术之后，由于各路信号的传输信道相互独立，每一个信道都发生深衰落的概 率是单个信道发生深衰落的概率之积，所以同时发生深衰落的概率非常低。这样， 当某一路或几路信号的传输信道出现深衰落时，其它路的信号仍有可能被正常的 接收，这就降低了深衰落的影响，使其很难中断整个系统的数据传输。此外，即 使信道没有出现深衰落，在一般衰落的环境中，通过对多路接收信号进行联合处 理，也能够较好的提高接收信噪比，进而提升整体接收性能。因此，分集技术能 够有效抑制无线传输的不确定性，已成为无线通信中提高系统可靠性的一项重要 技术。 分集技术分为发送分集和接收分集两类。接收分集的主要方法有时间分集、 频率分集、空间分集等【l 】。时间分集是将同一信号在不同的时间发送，若各信号之 间的时间差大于信道的相干时间，则会经历不同的衰落路径。频率分集是在不同 的载波频率上传输同一信号，各载波之间通过满足信道相关带宽的要求来保持独 立性。空间分集则采用多根天线接收同一信号，若发送方与各个天线之间的信道 是相互独立的，则可对这些天线接收的信号进行联合处理。在分集技术中，保证 各个衰落信道的独立性是进行分集接收的重要前提条件。当信道之间存在一定的 相关性时，会明显降低分集的效果。以空间分集为例，为了降低各天线之间的信 道相关性，需要对各天线进行信道分离。一般采取的方法是根据无线电波的传播 特点，各天线在放置时确保必要的距离间隔。这就对接收机的体积提出了一定的 要求。与接收分集不同，发送分集把对空间、功率、处理能力等通信资源的要求 从接收方更多的转移到发送方。例如在空间发送分集中，发送方具有多根天线， 每根天线以指定功率发送同一信号，接收方即使只有单根天线，同样可获得分集 增益。发送分集的发展与多天线( m i m o ) 技术的发展密切相关。 m i m o 技术是大幅度提高无线通信性能的突破性技术。它的提出和应用，极 重庆大学博士学位论文 大的促进了无线通信技术的发展。在m i m o 系统中，发送方和接收方均配置多根 天线。其中，发送方配置多天线，接收方配置单天线( m i s o ) ，发送方配置单天 线，接收方配置多天线( s i m o ) ，以及发送方和接收方都配置单天线( s i s o ) 这 三种情况都可视为m i m o 的特例。各个发送天线和接收天线之间构成了复合的 m l m o 信道，通过对这些天线进行资源分配和编码，能够获取较大的通信性能改 善。一方面，可以将m i m o 信道分解为多个并行信道，在每个信道上传输不同的 数据流，这样便可得到更高的数据传输速率，这一容量上的提升称为复用增益。 另一方面，可以在多个发送天线和接收天线上进行冗余信号传输，由此可增加通 信的可靠性，获取分集增益。在系统实施时，可根据设计目标的需要，在复用增 益和分集增益之间进行权衡。由于在系统的容量和可靠性这两方面的优良性能， 1绪论 子层通过判断数据包中所含的目的地址，发现目的地址不包括自己后才会丢弃该 数据包。在这种通信机制f ，该数据包的接收耗费了邻近节点的物理层处理资源， 但对其而言却相当于一种干扰信号。而在协同通信中，反而将这种干扰的劣势加 以利用，转变成能够增强传输可靠性的优势。既然活跃的邻近节点总是要接收源 节点在空中所传输的信号，那么利用它们所接收的信号，通过适当的协同协议来 辅助源节点的传输，会有力的增强传输可靠性。这也是协同通信最初产生的主要 依据。 k 蚵? 篡妨2 jl 口二口 u s e r1 j i i jd e s t i n 口t o n 口 u s e r l k 4 幽 r e l a y - - - - _ j 一 c 尺ce r r o r 卜篇翟矽叫 - - - p r o c e s s i n g 叫 卜m o u t p p u 矽t 叫 图1 3 放大一转发与解码转发在中继节点上工作方式对比图 f i g 1 3c o m p a r i s o nb e t w e e na & f a n dd & fi nt h e r e l a yn o d e 解码一转发方式。中继节点收到源节点信号后，对信号进行解码，将物理 信号转换成比特流。然后对获得的数据信息进行检验，如果接收正确的话，则将 比特流重新编码，生成物理信号后转发给目标节点。若接收错误，则不进行转发。 此时源节点可在第二阶段自己重新发送一次，这样可形成重复码，获得时间分集 增益。当进行转发时，中继节点发出的信号为： x r = x s( 1 1 1 ) x ，为x 。的再生信号。 从信息论的角度来看，当中继节点无法正确解码源节点的数据时，表明源节点 到中继节点之间的信道质量受到严重的衰落，无法支持相应速率的数据传输，即： 丢l 。g1 4 - p m 2 ) r ( 1 1 2 ) 在此情况下，当源节点重新发送数据后，源节点与目标节点之间的最大互信息量 为： k z = 三l o g1 4 - 2 p k l 2 ) ( 1 1 3 ) 当中继节点能够成功解码源节点的数据时，源节点与目标节点之间的信道质量需 满足： 三l o g1 4 - p m 2 ) 尺 ( 1 1 4 ) 若中继节点在转发时采用与源节点相同的码本，则经过协同后的最大互信息量为： 7 重庆大学博士学位论文 l 2 = 专l o g il + p c r , , d i + p i q ，d l ) ( 1 1 5 ) 若中继节点采用与源节点不同的独立的码本进行转发，则最大互信息量变为两个 并行信道的叠加，为： t ：= 吾卜( 1 + p k | 2 ) + l 。g ( 1 + p k | 2 ) ( 1 - 1 6 ) 解码一转发属于再生型转发方式。信号在中继节点被解码成比特后，消除了 源节点到中继节点链路噪声的影响。该方式还有一个好处是在重新编码时，可根 据系统需要灵活采用各种编码方式，不一定局限于采用与源节点数据相同的编码 方式。对于中继节点自身如何判定解码是否成功的问题，可采用c r c 校验等方式 来解决。在已经解出比特流的情况下，通过对比c r c 就可简单的实现对解码结果 的判断。解码一转发与放大一转发在中继节点上工作方式的对比如图1 3 所示。带 检测机制的解码一转发方式已被证明其最大的分集增益为2 ，即同样可达到该场景 下的最大分集增益。 编码协同方式。该方式在协同时考虑了编码方式的影响，与前两种工作方 式的系统模型有所不同，编码协同要求源节点和中继节点之间进行合作。两个节 点是网络中处于对等地位的用户，在发送数据时，它们进行相互协同。系统仍然 采用时分方式分成两个阶段，但在每个阶段，两个用户可同时发送数据并接收对 方的数据。在系统工作时，每个阶段两个用户各发送一个经过编码后的帧。编码 时可采用分布式前向纠错( f e c ) 码。设每个用户待传输的原始信息经过编码后有 疗个编码符号，在第一阶段，以用户1 为例，它从刀个符号中采用一定的方法截取 个符号，构成一个数据帧发送出去，要求该数据帧中能够恢复原始信息，只是 编码能力相对较弱。同时，数据帧也带有c r c 校验功能。用户2 接收到该帧后进 行解码，尝试恢复原始信息。如果c r c 校验正确，则对原始信息重新编码，再次 生成刀个编码符号。然后剥离前隅个符号，只留下剩余的个符号，将其在第二阶 段转发给目标节点。显然有以= 惕+ r h 。目标节点总共收到了关于用户1 的咒个符 号，但是这 个符号被分成了两部分并从两根天线上发送而来，每部分都经历了独 立的衰落信道，从而实现了空间分集。若用户2 在第一阶段解码失败，则用户2 不再对用户1 的数据进行协同转发，而是在第二阶段发送自己剩余的惕个符号。 以上关于用户1 的协同过程也一样适用于用户2 ，即用户1 也同时对用户2 进行协 同传输。一个典型的协同传输过程如图1 4 所示。 8 l绪论 卜p h a s e ，叫卜p h a s eh 叫 图1 4 编码协同示意图 f i g 1 4i l l u s t r a t i o no ft h ec o d ec o o p e r a t i o n 、苫 疑， 编码协同中可以使用各种有效的信道编码方法，例如分组码或卷积码。根据 用户在第一阶段是否解码成功，编码协同可分为四种子情形：( 1 ) 用户1 和用户2 相互成功协同；( 2 ) 用户1 协同用户2 ，但用户2 未能成功协同用户1 ：( 3 ) 用户 2 协同用户1 ，但用户1 未能成功协同用户2 ；( 4 ) 两个用户都解码对方的帧失败， 相互协同不成功。四种情况下的分析各不相同。此外，在编码协同中，定义系统 的协同系数为： r = -( 1 1 7 ) 绝 刀 调节刁的取值能够影响系统的协同水平，可在系统的冗余度与传输速率之间进行权 衡。在图1 4 中，7 的取值为l 2 。编码协同己被证明在高s n r 下，能够实现全分 集增益。 除了以上三种主要方式外，还有压缩一转发( c & f ) 等其它几种基本方式。 在各种基本的协同方式中，从实现的角度来看，放大一转发方式的实施最简单， 解码一转发方式次之，压缩一转发需要一定的信号处理，而编码协同则需要进行 较为复杂的编码和解码工作。从性能上来看，合理利用各种方式，在高s n r 的理 论假设下都可以达到全分集的效果。但在实际使用中，其具体性能与工作方式密 切相关，各方式在协同时的智能程度依次增强。值得注意的是，在协同通信中， 越复杂的系统实现，并不一定意味着更好的协同性能。例如在某些场景中，采用 最简单的放大一转发方式，反而比解码一转发方式能够得到更好的通信性能。因 此，在进行系统设计时需综合考虑系统通信环境和具体需求，合理选择各种协同 方法，才能以较小的代价取得符合要求的协同通信效果。 1 2 2 单中继协同与选择协同 上一节中对协同基本方式的讨论，主要是针对三节点的简单模型来展开的。 在这个模型中，中继节点只有一个。而在实际的系统中，为了满足一定的通信性 9 苫栅苫 重庆人学l 尊士学位论文 能需求往往要布置多个中继节点。在这种多中继节点的场景中，基本协同方法需 要进行扩展和改进，并由此产生了多种更为复杂的协同协议。一些协议可以同时 应用多种基本的协同方式。但无论采用何种协作机制，一个不可避免的问题是， 如何在多个中继节点之间进行选择? 如何充分利用已有的中继节点? 各种协同协 议在中继节点选择和使用方面各异，但从实际转发行为这个角度来划分，总体上 可大致分为两类：全中继协同和单中继协同。 全中继协同在转发时，所有有效的中继节点都参与数据的发送。一个典型的 例子是分布式空时码。分布式空时码是在m i m o 系统中空时码研究的基础上发展 而来的【7 8 】。在l a n e m a n 等人提出的分布式空时协同方法中【9 】在第一阶段，所有 的中继都接收源节点的信号并尝试解码；在第二阶段，解码成功的多个中继节点， 采用分布式空时码，同时向目标节点发送数据。该方法在高s n r 下可达到全分集 效果，其过程如图1 5 ( a ) 所示。 多导 0 蕙歹9 ，07 b e s tr e l 秽 夕可宁 0 一9 ( a ) ( b ) 图1 5 全中继协同与单中继协同的对比图。( a ) 全中继；( b ) 单中继。 f i g 1 5c o m p a r i s o nb e t w e e nf u l