协同通信综述.ppt

协同通信技术 free09720819 上海大学通信与信息工程学院 主要内容 协同通信的提出 协同通信的原理和关键技术 协同通信的研究进展 3 协同通信的提出 基于多天线 MIMO 系统空时信号处理的空间分集技术得到了广泛的研究 移动通信系统实现大带宽传输 设计一个大带宽系统 新系统 通过不同系统间的协同来构造具有更大传输带宽的系统 现网演进 随着未来无线宽带通信系统可用频段的增高 视距传播环境会大大增加天线间的相关性 很多移动设备受到设备硬件的限制 只能配备一个天线 协同通信 CooperativeCommunication 4 协同通信的提出 协同通信技术的起源可以追溯到Cover和ElGamal在1979年关于中继信道的研究工作 中继信道模型 5 协同通信的提出 两人的研究表明离散无记忆 加性白高斯噪声 AWGN 中继信道的容量大于源节点与目的节点间信道的容量 可通过随机编码方案得到通信信道容量的下界协同通信源于中继信道 但有所不同 6 协同通信的提出 主要内容 协同通信的提出 协同通信的原理和关键技术 协同通信的研究进展 8 协同通信的原理 协同通信的基本思想 在多用户通信环境中 使用单副天线的各临近移动用户可按照一定方式共享彼此的天线协同发送 从而产生一种类似多天线发送的虚拟环境 获得空间分集增益 提高系统传输性能 融合了分集技术与中继传输的技术优势 形成了分布式的虚拟MIMO系统 克服了相干距离等的限制 在不增加天线数目的基础上 可在传统通信网络中获得与多天线及多跳传输情况下相近的传输增益 多个中继节点本身可自然形成虚拟的天线阵列 节点间通过相互配合和信息互通 模拟传统MIMO技术的应用环境 从而实现联合空时编码的传输方案 9 协同通信的原理 以蜂窝移动通信为例 移动无线信道受到衰落影响 一个用户的信号可以直接到达接收端 另一路则可通过另一移动用户作为中继 再到达接收端 在接收基站形成分集接收信号 移动端之间的协同通信 10 协同通信的原理 与蜂窝网络相比 协同通信更适用于AdHoc无线网络与无线传感网络 协同会将码率与传输功率进行折中 11 协同通信的原理 协同分集 借助于协同伙伴的天线 与其自身天线共同构造成发射天线 并通过模仿传统的多发射天线分集来获得空间分集增益 优点 如果在某个时段用户没有信息要传送 那么在没有协同时 其资源只能闲置 而协同时分集则可以实现用户资源的充分利用 12 协同通信的原理 缺点 在用户资源没有闲置时 用户既要传送自己的信息 又要传送其协同伙伴的信息 会牺牲一部分自己的资源 另一方面 用户也通过协同分集利用了其协同伙伴的空域资源 结论 只要合理地设计协作方案 完全可以做到协作分集带来的增益大于其所付出的代价 综合来讲 协作分集可以更有效地利用整个网络的资源 使网络性能更稳定 13 协同通信的分类 根据协作对象的不同 异构网络间的协同通信 同构网络间的协同通信根据中继节点对源节点信息处理方式的不同可分为放大转发 AF 解码转发 DF 编码协作 CC 空时编码协作 STCC 和网络编码协作 NCC 等多种方式 14 协同通信的分类 根据协作对象的不同 异构网络间的协同通信 为了同时满足不同用户的多种应用需求 未来的通信网络必须要具有将各种网络统一到一个信息平台上的能力 同构网络内的协同通信 所有节点都在同一种网络内工作 分为固定中继和用户终端间的协作两种方式 15 协同通信的分类 固定中继协作方式 类似于下图的中继信道 在源节点和目的节点之间预先放置一个位置固定的中继节点 中继节点与源 目的节点之间均采用无线连接 但它自己并无信息发送 而只对接收到的信息进行转发 中继信道模型 16 协同通信的分类 用户终端间的协作方式 更灵活一些 源节点同时也可作为中继节点 它们不仅可转发协作伙伴的信息 同时也可发送自己的信息 因此 这些终端需要同时具有信号转发和简单路由的功能 17 协同通信的协作方式 根据中继节点对源节点信息处理方式的不同 放大转发 AF 译码转发 DF 编码协作 CC 空时编码协作 STCC 网络编码协作 NCC 18 协同通信的协作方式 放大转发协作方式 AF AmplifyandForward AF也被称作非再生中继方式 其本质上是一种模拟信号的处理方式 放大转发方式的信号处理流程 19 协同通信的协作方式 放大转发协作方式 AF AmplifyandForward AF方式最简单 而且由于目的节点可接收到两路独立的衰落信号 AF可获得满分集增益 性能良好 由于中继节点在放大信号的同时也放大了源 中继信道引入的噪声 因此AF方式存在着噪声传播效应 20 协同通信的协作方式 译码转发协作方式 DF DecodeandForward 也称DF为再生中继方式 可见 DF方式在本质上是一种数字信号处理方式 图4译码转发方式的信号处理流程 21 协同通信的分类 译码转发协作方式 DF DecodeandForward DF方式不会带来噪声传播问题 但受源 中继端信道传输性能影响较大 若编码方式不采用CRC CyclicalRedundancyCheck 码 得不到满分集阶数 中继节点对源节点信息解码错误所带来的误差会随着跳数的增加而不断累积 从而影响到分集效果和中继性能 这表明源 中继节点信道传输特性的好坏对DF方式协同通信系统的性能有很大影响 22 协同通信的协作方式 常称AF与DF方式为固定协作模式 无论信道传输特性如何 中继节点总是参与协同通信过程 但协同带来的未必全是好处 比如在半双工模式下会降低数据传输速率以及系统自由度的利用率 何时协同 23 协同通信的协作方式 结合AF和DF两种方式 人们提出了选择模式 源 中继 与增强模式 源 目的 24 协同通信的协作方式 编码协作方式 CC CodedCooperation 编码协作方式的信号处理流程图 基本思想 对正确解出的合作伙伴的信号重新进行编码 即 中继节点接收来自于基站端已被噪声干扰的信号 同时 它将对信号进行解码处理 以获得原始信息 然后再将其获得的信息重新编码 以一定功率发送给用户端 25 协同通信的协作方式 编码协作方式 CC CodedCooperation 编码协作实例 1分块编码2加上循环冗余校验码3信息 两段 26 协同通信的协作方式 与SDF方式不同 编码协作方式通过编码设计实现协作与非协作方式之间的自动切换 无需直接考虑源节点与中继节点之间信道的传输特性目前 已有多种信道编码方式与协同通信相结合 例如卷积码 Turbo码 低密度奇偶校验码 LDPC 等 27 协同通信的协作方式 编码协作方式 CC CodedCooperation 在慢衰落条件下 即使移动终端间的信道传输特性非常差 编码协作依然能够显著提高这两个移动终端的误码率性能 若协作双方都能够正确解码的话 系统可以获得满分集增益 在快衰落条件下 编码协作会牺牲上行信道传输特性相对较好的终端的性能 28 协同通信的协作方式 空时编码协作方式 STCC SpatialandTimeCC 将空时编码思想应用到编码协作方式中 与一般编码协作方式最大的不同 每个移动终端可在自己和其协作伙伴的多址信道上同时发送信息 而在一般编码协作方式中 移动终端只能在自己的多址信道发送协作信息 29 协同通信的协作方式 空时编码协作方式 STCC SpatialandTimeCC 空时编码协作 编码协作与无协作方式信号处理比较 阶段1 阶段1 阶段2 阶段2 30 协同通信的协作方式 空时编码协作方式 STCC SpatialandTimeCC 在阶段2 若对协作伙伴的信息解码成功的话 编码协作方式下 各用户均只在自己的信道上发送同伴的信息 而空时编码协作方式下 各用户则是同时发送双方的信息 研究表明 空时编码协作方式在快衰落环境下也可以获得满分集增益 并且不会牺牲信道质量相对较好的移动终端的性能 31 协同通信的协作方式 网络编码协作方式 NCC NetworkCodingCooperation 网络编码 网络节点将接收到的信息进行编码后再转发出去的多点传送技术 网络编码的核心思想 中间节点不再是简单的存储转发 而是将接收信息进行编码后再发送 从而可提高整个网络的容量和健壮性 32 协同通信的协作方式 网络编码概念的提出以及现在大部分相关的工作都是基于有线网络的 但无线信道的广播特性为网络编码的应用提供了有利条件 且无线网络节点间的信息交互也完全可以运用网络编码理论来实现 因此 网络编码和协同通信技术相结合可有效提高无线通信系统的性能 无线版 33 协同通信的协作方式 网络编码协作方式 根据中继节点所采用的基本通信方式分 网络编码协作的几种通信方式 34 不同协同方式的比较 CC NCC与STCC的性能要优于AF与DF方式 但它们的算法复杂度高 涉及到了各种编码技术 使得中继节点信号处理的时间增长 时延较大 不利于现代无线通信系统 综合考虑多种因素 AF与DF两种方式更实用一些 不同协作方式的比较 35 协同通信的关键技术 无线资源的管理 中继节点的移动性 与其它通信技术的结合 协作实际的选择 同步与信道估计算法 主要内容 协同通信的提出 协同通信的原理和关键技术 协同通信研究进展 37 协同通信的研究进展 无线世界研究论坛 WWRF 已经成立了关于中继的分组委员会专门开展对此技术的研究 并发表了相关研究的白皮书瑞士皇家科学院通信技术实验室无线通信课题组的研究项目 CooperativeMIMOWirelessNetwork 2006年 Springer也出版了由众多学者合作的关于协同通信技术的