协作分集技术基础内容

1、协作分集技术研究背景1网络中空余资源的存在：就以蜂窝移动通信系统来说，某一时间段内蜂窝移动通信系 统中可能仅有部分移动终端通信需求，因而网络中会有较多的移动终端处于空闲状态，但 是传统的蜂窝移动通信系统将所有移动终端看成是互不通信的个体，从而使这部分空闲硬 件资源得不到利用而被浪费掉；另一方面，蜂窝移动通信系统中的移动终端具有差异性， 如硬件技术的快速发展使得部分移动终端具有较强的计算处理能力，而另一些移动终端的计 算处理能力则相对较差。距离基站较近的移动终端具有较好的通信能力，而距离基站较远 的移动终端的通信能力则相对较差。如果将这些移动终端看成是一个可以相互（或部分相 互）通信的整体，则这

2、些差异性的存在可使不同的移动终端在网络中承担不同的角色，从而 有利于整个通信系统性能的提高。然而，在传统的蜂窝移动通信网络中，某一时刻部分有 通信需求的移动终端可能由于受自身资源条件等因素所限制，不能进行较为有效的通信； 另一方面网络中却存在着大量的空闲资源，以及部分资源的潜力未能得到充分利用，两者 间存在着矛盾，如何利用这些空余资源来帮助有通信需求的移动终端进行有效通信便成为一 个值得深入研究的课题。2协作通信所能提供的协作通信增益：无线信道具有的多径衰落特性是阻碍信道 容量增加和服务质量改善的主要原因之一。分集技术可以通过在发射端发射多个 信号样本在接收端合并多个经历独立衰落的信号样本以对

3、抗无线信道中的衰落。 常见的分集方式主要有时间分集、频率分集和空域分集。其中空域分集技术由于 不额外占用时间和带宽资源并且可与其他分集方式相结合因而更具吸引力。空域 分集也称为天线分集，其基本思想是利用空间上分离的多个发射信号样本或多个 接收信号样本多个不相关的信道来对抗多径衰落。近年来提出的多输入多输出天 线技术通过在接收端和发射端同时安置多个天线形成MIMO信道结构，从而充分 利用了空域资源大幅度提高了信道容量。尽管多天线技术具有明显的优势并已逐 渐被新一代无线通信系统的主流协议所采纳，但仍然存在问题，具体地讲现有的 多天线都设置在基站端而移动终端则很难安置多天线。这主要有两方面的原因1）

4、 移动终端对体积质量和功耗的要求远比基站苛刻得多2）理想的多天线系统要求 相邻天线之间的间距要远大于电波波长并且多个收发天线之间的传输信道是独 立的或至少是不相关的。而移动终端由于体积限制根本无法做到这一点为此研 究者一方面提出了等效天线阵和穿戴式天线的概念另一方面则致力于研究相关 信道下的信号设计然而这些解决办法收效甚微实际可获得的信道容量比理想值 大打折扣理想的多天线技术在实践中步履维艰。而协作通信的基本思想是一一系统中的每个移动终端都有一个或多个合作伙伴， 合作伙伴之间有责任在传输自己信息的同时帮助其伙伴传输信息。这样每个终端 在传输信息的过程中既利用了自己又利用了合作伙伴的空间信道，从

5、而获取了一 定的空间分集增益。现有的研究结果表明，在平衰落环境下协作分集可以扩大系 统容量，提高网络服务质量，改善系统性能。由于协作分集中的合作伙伴共享彼 此的天线从而构成了虚拟的MIMO多天线系统。从这个意义上讲协作分集为 MIMO多天线技术走向实用提供了一条新的途径。协作分集的思想具有非常广阔的应用前景，可应用于蜂窝移动通信系统、无线 Adhoc网络、无线局域网以及无线传感器网络等多种场合。时间分集：是通过在不连续的时间点发送同一信息的电磁波副本，需要指出的是，它一般只 适合于不是很慢衰落的信道。因为只有这样，源节点发送信号副本的时间间隙不会太长。频率分集：是通过在不同的电磁波上加入信号副

6、本来实现的。用这种方式发送信号，必须要 求各发送多个相同信号的发射频率间的差大于相干带宽，因为只有这样，信号之间才会相互 独立。只有信号之间相互独立了，才能减小基站检测不到信号的概率。空间分集：是一种在一个开放的无线电收发域内，安装多根天线，这样就可以实现源节点和 基站之间同时收发多个相同的信号电磁波。这样就可以大大加大基站检测到信号的概率，同 时还可以通过选择接收到的信号的好坏，这样就提高了信号传递的质量。协作分集的观念1系统模型图1(a )有空闲节点时的协作通信系统模型R/、SD协作分集的过程可以分为两步：第1步源节点以广播方式发送信号，目的节点和所有的中继节点接收信号，中继节点对接收到的

7、信号 进行处理；第2步中继节点将处理后的信号发送给目的节点，此时源节点也可 以向目的节点发送重复的信息或者新的信息，最后目的节点按照某种规则合并步 接收到的信号。如果在某个时段用户没有信息要传送，那么在没有协作时其资源 只能闲置，而协作分集则可以实现用户资源的充分利用。图1 ( b )无空闲节点时的协作通信系统模型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合作伙伴的信 息会牺牲一部分自己的资源(包括带宽、发射功率等)以用于节点间相互转发 信息，因而造成有效通信数据流量的下降；但另一方面用户也通过协作分集利 用了其合作伙伴的空域资源，只要合理地设计协作方案完全可以做到协作分集带 来的

8、增益大于其所付出的代价。一个用户可以同时拥有多个合作伙伴，协作分集以多个用户共享天线和其他网络 资源的形式构造虚拟阵列，利用分布式传输和信号处理获得分集增益。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。2协作分集的分类按照网络结构分：双跳协作，即从源发出的信号经过一次协作即到达目的端多跳协作，是从源发出的信号经过多个阶段的协作后才能到达目的端按照多址方式或信道的正交方式分集分：在码分多址CDMA模式下实现此外协作分集，时分多址TDMA模式频分多址FDMA模式按信号处理方式分：（1）放大中继模式AF：转发节点将从信源节点接收到的信息进行功率放大 后再将其转发至接收端，目的端

9、则以一定的准则合并用户和其伙伴所发送的 信息形成最终的判决。当信噪比较高时，可以实现完全分集。尽管在放大中继过程中噪声也被放大并转发，但由于基站接收到两个独立衰 落的信号，因此可以做出更好的判决和检测。此外基站端要完成最优检测还 需要知道用户间信道的状态信息，另外如何采样存储放大并重传模拟信号的 技术也是值得研究的问题。（2）解码中继模式DF：，转发节点间将从信源节点接收到的信息进行解码， 然后将解码后的信息发送至接收端。这种协作方式比较简单，但当用户间信道质量较差时用户有可能对其伙伴的 信息做出错误判决此时协作分集传输不能达到完全分集。于是出现选择解码中继模式SR：当用户间信道的瞬时信噪比较

10、高时各用户才检测并转 发其伙伴的数据，而当用户间信道的瞬时信噪比较低时用户则转为非协作模 式。研究表明当信噪比较高时，两用户的选择解码中继不仅可以和放大中继 一样具有二阶的分集增益，而且可以获得更低的误比特率和误块率。增强中继IR:根据用户基站间的信道质量来决定是否进行中继，一般的实现 方式是:基站以广播的形式发送一个反馈信息，然后用户和其伙伴根据反馈 信息决定是否协作,若基站认为信道质量较好不需要进行协作则用户发送下 一部分信息从而提高了频谱效率。（3）编码中继模式CC：编码协作是将协作技术和信道编码技术相结合的产 物，其基本思想是对正确解出的合作伙伴的信号重新进行编码。在DF模式下用户对于

11、其合作伙伴的信号正确解码后使用原来的编码方式在 下一时段向目的端传送，此时系统性能的改善是通过在不同空间重复传送冗 余获得的；而在编码协作模式下用户则通过重新编码传送了不同的冗余信息 相当于将空域分集与码域分集相结合从而改善了目的端的解码性能。关于编码协作的研究结果表明：假设用户的传输速率和发射功率不变，系统 在用户间信道非常差的情况下依然能显著提高两个用户的误码率性能并且 当两个用户都能成功解码时系统可以获得完全分集增益。 TOC o 1-5 h z 文献 V e ntur in oLWa ngX i a o don, g L o psMMu h i u s erd et e ctio n

12、fo r c o ope r a t iven et wo r k sandp e rfor m a nc e a n a ly s i sJ1. IE E E T r ansSi g nalP r o ce s s , 200 6 , 5 4(9):3 3 1 5 3 3 2 9分别针对D A F和A A F两种协作通信策略来研究M M SE多用户检测算法，研究结果表明，当伙伴节点和基站端完全已知信道条 件时，AAF协作通信策略可取得全部的二阶分集增益效果；而当信道条件 部分已知时，DA F协作通信策略较A A F协作通信策略可取得更好的系统 性能。并且给出了一种简单的协作伙伴节点选择方法，该方法主要基于以下 两点考虑：(1)双向选择协作伙伴，即一对节点互为协作伙伴节点。(2) 距离基站较远的节点具有优先选择协作伙伴节点的权利，从而优先给链路较 差的移动终端提供帮助。文献 L a n e m a n J N， Tse D N， Women G W. Coo perative diversity i n wireless networks： ef icient prot ocols and outage behavior【