协作通信技术及其发展与应用备课讲稿

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

5、接收信息，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

6、送的信号后， 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

7、SNR 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

8、信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. ，

9、2003， 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 DistributedSpatial Diversity in Wireless NetworksC. Allerton C

10、onference 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 T.E.Hunter ， A.Nosratinia. Coded Cooperation unde

11、r Slow Fading ，Fast Fading，and Power ControlC. 36th Asilomar Conference 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 Jing.