协作通信技术及其发展与应用

1、协作通信技术及其发展与应用摘 要：在无线传输中，由于存在多径衰落，严重影 响了传输的质量，并极大限制了系统的容量。协作通信通过 不同用户共享天线，使单天线终端也可以获得分集增益，因 而得到了日益广泛的关注。文章对协作通信的发展历史、应 用前景、基本原理以及性能评价标准等进行了介绍。关键词：无线通信；多径衰落；空间分集；协作通信引言 移动信道中存在的多径衰落现象严重影响着传输质量， 并极大限制了系统的容量。为了减小多径衰落所造成的不良 影响，通常采用多天线分集的方法。多天线分集也称为 MIMO （ Multiple Input Multiple Output ，多输入多输出） ，可 以在获得空间

2、分集增益的同时而不需要占用额外的带宽和 时间，因而在实际中应用较多。然而，多天线分集技术要求 在发送端或接收端配置多个天线来增加空间维，这对于在体 积、功耗、重量和成本等方面具有较多限制的移动终端来说 是很难实现的。协作通信技术就是在这一背景下被提出的。1 协作通信技术的发展及应用前景协作通信的概念最初由Sendonaris等人在1998年提出，也称为协作分集或协作式MIM01。Sendonaris等人还给出了两个用户进行协作通信的信道模型，并以此为基础，对其 吞吐量、中断概率、可达速率等进行了推导和分析2 ， 3。Laneman 和 Wornell 等人首先明确提出了放大转发和解码转 发这两

3、种最基本的中继转发方式 4 。之后，他们又提出了固 定中继、选择中继以及增强中继这三种不同的协作协议5 。Hunter 和 Nosratinia 将信道编码与解码转发协作结合，提出 了编码协作， 实现了空域分集与码域分集的结合 6 。近几年， 不少移动通信领域的学者都投入到协作通信技术的研究当 中，对协作通信的协议、协作系统中的资源分配策略、协作 伙伴的选择方法等问题进行了研究和探索。另外， Melda Yuksel 和 Elza Erkip 等人还将单天线终端间的协作推广到多 天线终端间的协作 7 ，一些学者将网络编码与协作通信结 合，研究协作下的网络编码方法 8 。协作通信技术可以应用在无

4、线通信的许多领域。比如在 蜂窝系统中，通过用户间的协作可以改善盲点地区和小区边 缘用户的通信质量；在保证一定误比特率或中断概率要求的 前提下，通过协作可以降低发射功率，减少能量消耗。在无 线传感器网络中，可以采取适当的协作策略和功率分配方法 来降低和平衡节点的能量消耗，从而延长整个网络的生存时 间。2 基本原理协作通信是一种通过不同用户共享彼此天线而获得分 集效果的新的空域分集方式。用户间的协作可以是互惠的，也可以是非互惠的，这里考虑非互惠的情况。如图1 所示，协作通信系统中至少包括三个节点：源节点、目的节点和中 继节点。协作通信的过程可以划分为两个阶段：第一阶段，源节 点发送信息，中继节点接

5、收信息，在此阶段目的节点可以接 收信息，也可以不接收信息；第二阶段，中继节点对在第一 阶段收到的信息进行转发，在此阶段源节点可以不发送信 息，也可以重复发送与第一阶段相同的信息或者发送新的信 息，目的节点对通过不同衰落信道到达的信号进行合并处 理，从而提高信噪比，获得分集增益。中继节点可以采取不同的中继方式，其中放大转发和解 码转发是最基本的两种方式。放大转发方式中，中继节点将 在第一阶段接收到的受到噪声污染的信号进行线性放大后 再转发给目的节点。放大转发方式可以获得满分集阶数，其 主要缺点在于中继节点放大信号的同时也将噪声一同放大， 造成噪声累积现象。解码转发方式中，中继节点收到源节点 发送

6、的信号后， 先译码再转发， 因此可以避免噪声累积现象。 解码转发方式不能获得满分集阶数，当中继节点译码错误时 会产生错误传播 5 。3 性能评价标准 比较重要的协作通信系统的性能评价标准包括：信道容 量、频谱利用率、分集阶数、复用增益、能量增益、中断概 率、错误概率以及协作通信的代价等 9 。3.1 信道容量：当用户间的信道质量较好时，通过协作 可以显著提高系统的信道容量，但如果用户间的信道质量变 差，则协作的系统容量将逐渐趋近于非协作的情况。3.2 频谱利用率： 频谱利用率指单位频带内的信息速率。 通过协作，可以提高系统的频谱利用率。3.3 分集阶数：系统的分集阶数 d 的定义如下：这里 S

7、NR 为接收端的平均信噪比， Pe 为系统的平均误 比特率。3.4 复用增益：复用增益 r 的定义如下：这里 R 为系统的频谱利用率。3.5 能量增益：协作通信系统中用户的能量增益定义为 其中， PD 和 PCO 分别为达到特定通信质量要求，采取 直接传输方式和协作方式所需的发射功率。3.6 中断概率和错误概率：研究表明，协作通信可以大 大降低系统的中断概率和错误概率。3.7 协作通信的代价：协作通信系统的性能提高是需要 付出一定代价的，比如系统复杂度的增加、协作建立过程中 额外占用的资源、协作造成的时延等。上述几个性能指标相互关联，是协作通信系统性能在不 同方面的具体体现。4 结束语协作通信

8、技术被提出之后受到了广泛的关注，它为未来移动通信实现更高传输速率和更好服务质量提供了一种有 价值的参考方案，具有广泛的应用前景。参考文献1A. Sendonaris ，E. Erkip ，B. Aazhang. Increasing Uplink Capacity via User Cooperation DiversityC. ISIT 1998 ： 156.2A. Sendonaris ，E. Erkip ，B. Aazhang. User Cooperation Diversity-Part I ： System DescriptionJ. IEEE Trans.Commun. ， 20

9、03， 51（ 11）： 1927-1938.3A.Sendonaris， E. Erkip ，B. Aazhang. User Cooperation Diversity-Part II ： Implementation Aspects and Performance AnalysisJ. IEEE Trans. Commun. ，2003，51（ 11）： 1939-1948.4 J. N. Laneman ， G. W. Wornell. Exploiting Distributed Spatial Diversity in Wireless NetworksC. Allerton Co

10、nference on Communications ， Control and Computing 2000 ： 1-12.5 J. N. Laneman ， D. N. C. Tse， G. W. Wornell. Cooperative Diversity in Wireless Networks ： Efficient Protocols and Outage BehaviorJ. IEEE Trans. Inf. Theory. ， 2004，50（ 12）： 3062-3080.6 ， A.Nosratinia. Coded Cooperation under Slow Fadin

11、g ，Fast Fading，and Power ControlC. 36th AsilomarConference on Signals Systems and Computers， 2002： 118-122.7 Melda Yuksel ， Elza Erkip. Multiple-Antenna Cooperative Wireless Systems： A Diversity-Multiplexing Tradeoff PerspectiveJ. IEEE Trans. Inf. Theory.2007 ，53（ 10）： 3371-3393.8 BAO Xing kai ， LI Ji