協(xié)作分集技術(shù)基礎(chǔ)內(nèi)容

協(xié)作分集技術(shù)研究背景1網(wǎng)絡(luò)中空余資源的存在：就以蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)來說，某一時(shí)間段內(nèi)蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)中可能僅有部分移動(dòng)終端通信需求，因而網(wǎng)絡(luò)中會(huì)有較多的移動(dòng)終端處于空閑狀態(tài)，但是傳統(tǒng)的蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)將所有移動(dòng)終端看成是互不通信的個(gè)體，從而使這部分空閑硬件資源得不到利用而被浪費(fèi)掉；另一方面，蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)中的移動(dòng)終端具有差異性，如硬件技術(shù)的快速發(fā)展使得部分移動(dòng)終端具有較強(qiáng)的計(jì)算處理能力，而另一些移動(dòng)終端的計(jì)算處理能力則相對(duì)較差。距離基站較近的移動(dòng)終端具有較好的通信能力，而距離基站較遠(yuǎn)的移動(dòng)終端的通信能力則相對(duì)較差。如果將這些移動(dòng)終端看成是一個(gè)可以相互（或部分相互）通信的整體，則這些差異性的存在可使不同的移動(dòng)終端在網(wǎng)絡(luò)中承擔(dān)不同的角色，從而有利于整個(gè)通信系統(tǒng)性能的提高。然而，在傳統(tǒng)的蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中，某一時(shí)刻部分有通信需求的移動(dòng)終端可能由于受自身資源條件等因素所限制，不能進(jìn)行較為有效的通信；另一方面網(wǎng)絡(luò)中卻存在著大量的空閑資源，以及部分資源的潛力未能得到充分利用，兩者間存在著矛盾，如何利用這些空余資源來幫助有通信需求的移動(dòng)終端進(jìn)行有效通信便成為一個(gè)值得深入研究的課題。2協(xié)作通信所能提供的協(xié)作通信增益：無線信道具有的多徑衰落特性是阻礙信道容量增加和服務(wù)質(zhì)量改善的主要原因之一。分集技術(shù)可以通過在發(fā)射端發(fā)射多個(gè)信號(hào)樣本在接收端合并多個(gè)經(jīng)歷獨(dú)立衰落的信號(hào)樣本以對(duì)抗無線信道中的衰落。常見的分集方式主要有時(shí)間分集、頻率分集和空域分集。其中空域分集技術(shù)由于不額外占用時(shí)間和帶寬資源并且可與其他分集方式相結(jié)合因而更具吸引力?？沼蚍旨卜Q為天線分集，其基本思想是利用空間上分離的多個(gè)發(fā)射信號(hào)樣本或多個(gè)接收信號(hào)樣本多個(gè)不相關(guān)的信道來對(duì)抗多徑衰落。近年來提出的多輸入多輸出天線技術(shù)通過在接收端和發(fā)射端同時(shí)安置多個(gè)天線形成MIMO信道結(jié)構(gòu)，從而充分利用了空域資源大幅度提高了信道容量。盡管多天線技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢并已逐漸被新一代無線通信系統(tǒng)的主流協(xié)議所采納，但仍然存在問題，具體地講現(xiàn)有的多天線都設(shè)置在基站端而移動(dòng)終端則很難安置多天線。這主要有兩方面的原因1）移動(dòng)終端對(duì)體積質(zhì)量和功耗的要求遠(yuǎn)比基站苛刻得多2）理想的多天線系統(tǒng)要求相鄰天線之間的間距要遠(yuǎn)大于電波波長并且多個(gè)收發(fā)天線之間的傳輸信道是獨(dú)立的或至少是不相關(guān)的。而移動(dòng)終端由于體積限制根本無法做到這一點(diǎn)為此研究者一方面提出了等效天線陣和穿戴式天線的概念另一方面則致力于研究相關(guān)信道下的信號(hào)設(shè)計(jì)然而這些解決辦法收效甚微實(shí)際可獲得的信道容量比理想值大打折扣理想的多天線技術(shù)在實(shí)踐中步履維艱。而協(xié)作通信的基本思想是一一系統(tǒng)中的每個(gè)移動(dòng)終端都有一個(gè)或多個(gè)合作伙伴，合作伙伴之間有責(zé)任在傳輸自己信息的同時(shí)幫助其伙伴傳輸信息。這樣每個(gè)終端在傳輸信息的過程中既利用了自己又利用了合作伙伴的空間信道，從而獲取了一定的空間分集增益?，F(xiàn)有的研究結(jié)果表明，在平衰落環(huán)境下協(xié)作分集可以擴(kuò)大系統(tǒng)容量，提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量，改善系統(tǒng)性能。由于協(xié)作分集中的合作伙伴共享彼此的天線從而構(gòu)成了虛擬的MIMO多天線系統(tǒng)。從這個(gè)意義上講協(xié)作分集為MIMO多天線技術(shù)走向?qū)嵱锰峁┝艘粭l新的途徑。協(xié)作分集的思想具有非常廣闊的應(yīng)用前景，可應(yīng)用于蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)、無線Adhoc網(wǎng)絡(luò)、無線局域網(wǎng)以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等多種場合。時(shí)間分集：是通過在不連續(xù)的時(shí)間點(diǎn)發(fā)送同一信息的電磁波副本，需要指出的是，它一般只適合于不是很慢衰落的信道。因?yàn)橹挥羞@樣，源節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號(hào)副本的時(shí)間間隙不會(huì)太長。頻率分集：是通過在不同的電磁波上加入信號(hào)副本來實(shí)現(xiàn)的。用這種方式發(fā)送信號(hào)，必須要求各發(fā)送多個(gè)相同信號(hào)的發(fā)射頻率間的差大于相干帶寬，因?yàn)橹挥羞@樣，信號(hào)之間才會(huì)相互獨(dú)立。只有信號(hào)之間相互獨(dú)立了，才能減小基站檢測不到信號(hào)的概率。空間分集：是一種在一個(gè)開放的無線電收發(fā)域內(nèi)，安裝多根天線，這樣就可以實(shí)現(xiàn)源節(jié)點(diǎn)和基站之間同時(shí)收發(fā)多個(gè)相同的信號(hào)電磁波。這樣就可以大大加大基站檢測到信號(hào)的概率，同時(shí)還可以通過選擇接收到的信號(hào)的好壞，這樣就提高了信號(hào)傳遞的質(zhì)量。協(xié)作分集的觀念1系統(tǒng)模型圖1(a)有空閑節(jié)點(diǎn)時(shí)的協(xié)作通信系統(tǒng)模型R/、SD協(xié)作分集的過程可以分為兩步：第1步源節(jié)點(diǎn)以廣播方式發(fā)送信號(hào)，目的節(jié)點(diǎn)和所有的中繼節(jié)點(diǎn)接收信號(hào)，中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行處理；第2步中繼節(jié)點(diǎn)將處理后的信號(hào)發(fā)送給目的節(jié)點(diǎn)，此時(shí)源節(jié)點(diǎn)也可以向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送重復(fù)的信息或者新的信息，最后目的節(jié)點(diǎn)按照某種規(guī)則合并步接收到的信號(hào)。如果在某個(gè)時(shí)段用戶沒有信息要傳送，那么在沒有協(xié)作時(shí)其資源只能閑置，而協(xié)作分集則可以實(shí)現(xiàn)用戶資源的充分利用。圖1(b)無空閑節(jié)點(diǎn)時(shí)的協(xié)作通信系統(tǒng)模型在用戶資源沒有閑置時(shí)，用戶既要傳送自己的信息又要傳送其合作伙伴的信息會(huì)犧牲一部分自己的資源(包括帶寬、發(fā)射功率等)以用于節(jié)點(diǎn)間相互轉(zhuǎn)發(fā)信息，因而造成有效通信數(shù)據(jù)流量的下降；但另一方面用戶也通過協(xié)作分集利用了其合作伙伴的空域資源，只要合理地設(shè)計(jì)協(xié)作方案完全可以做到協(xié)作分集帶來的增益大于其所付出的代價(jià)。一個(gè)用戶可以同時(shí)擁有多個(gè)合作伙伴，協(xié)作分集以多個(gè)用戶共享天線和其他網(wǎng)絡(luò)資源的形式構(gòu)造虛擬陣列，利用分布式傳輸和信號(hào)處理獲得分集增益。綜合來講協(xié)作分集可以更有效地利用整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的資源使網(wǎng)絡(luò)性能更穩(wěn)定。2協(xié)作分集的分類按照網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分：雙跳協(xié)作，即從源發(fā)出的信號(hào)經(jīng)過一次協(xié)作即到達(dá)目的端多跳協(xié)作，是從源發(fā)出的信號(hào)經(jīng)過多個(gè)階段的協(xié)作后才能到達(dá)目的端按照多址方式或信道的正交方式分集分：在碼分多址CDMA模式下實(shí)現(xiàn)此外協(xié)作分集,時(shí)分多址TDMA模式頻分多址FDMA模式按信號(hào)處理方式分：放大中繼模式AF：轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)將從信源節(jié)點(diǎn)接收到的信息進(jìn)行功率放大后再將其轉(zhuǎn)發(fā)至接收端，目的端則以一定的準(zhǔn)則合并用戶和其伙伴所發(fā)送的信息形成最終的判決。當(dāng)信噪比較高時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)完全分集。盡管在放大中繼過程中噪聲也被放大并轉(zhuǎn)發(fā)，但由于基站接收到兩個(gè)獨(dú)立衰落的信號(hào)，因此可以做出更好的判決和檢測。此外基站端要完成最優(yōu)檢測還需要知道用戶間信道的狀態(tài)信息，另外如何采樣存儲(chǔ)放大并重傳模擬信號(hào)的技術(shù)也是值得研究的問題。解碼中繼模式DF：，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)間將從信源節(jié)點(diǎn)接收到的信息進(jìn)行解碼，然后將解碼后的信息發(fā)送至接收端。這種協(xié)作方式比較簡單，但當(dāng)用戶間信道質(zhì)量較差時(shí)用戶有可能對(duì)其伙伴的信息做出錯(cuò)誤判決此時(shí)協(xié)作分集傳輸不能達(dá)到完全分集。于是出現(xiàn)——選擇解碼中繼模式SR：當(dāng)用戶間信道的瞬時(shí)信噪比較高時(shí)各用戶才檢測并轉(zhuǎn)發(fā)其伙伴的數(shù)據(jù)，而當(dāng)用戶間信道的瞬時(shí)信噪比較低時(shí)用戶則轉(zhuǎn)為非協(xié)作模式。研究表明當(dāng)信噪比較高時(shí)，兩用戶的選擇解碼中繼不僅可以和放大中繼一樣具有二階的分集增益，而且可以獲得更低的誤比特率和誤塊率。增強(qiáng)中繼IR:根據(jù)用戶基站間的信道質(zhì)量來決定是否進(jìn)行中繼，一般的實(shí)現(xiàn)方式是:基站以廣播的形式發(fā)送一個(gè)反饋信息,然后用戶和其伙伴根據(jù)反饋信息決定是否協(xié)作，若基站認(rèn)為信道質(zhì)量較好不需要進(jìn)行協(xié)作則用戶發(fā)送下一部分信息從而提高了頻譜效率。編碼中繼模式CC：編碼協(xié)作是將協(xié)作技術(shù)和信道編碼技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，其基本思想是對(duì)正確解出的合作伙伴的信號(hào)重新進(jìn)行編碼。在DF模式下用戶對(duì)于其合作伙伴的信號(hào)正確解碼后使用原來的編碼方式在下一時(shí)段向目的端傳送，此時(shí)系統(tǒng)性能的改善是通過在不同空間重復(fù)傳送冗余獲得的；而在編碼協(xié)作模式下用戶則通過重新編碼傳送了不同的冗余信息相當(dāng)于將空域分集與碼域分集相結(jié)合從而改善了目的端的解碼性能。關(guān)于編碼協(xié)作的研究結(jié)果表明：假設(shè)用戶的傳輸速率和發(fā)射功率不變，系統(tǒng)在用戶間信道非常差的情況下依然能顯著提高兩個(gè)用戶的誤碼率性能并且當(dāng)兩個(gè)用戶都能成功解碼時(shí)系統(tǒng)可以獲得完全分集增益。文獻(xiàn)VenturinoL'WangXiaodon，gLopsM．Muhiuserdetectionforcooperativenetworksandperformanceanalysi【sJ1．IEEETrans．SignalProces．s，2006，54(9)：3315—3329分別針對(duì)DAF和AAF兩種協(xié)作通信策略來研究MMSE多用戶檢測算法，研究結(jié)果表明，當(dāng)伙伴節(jié)點(diǎn)和基站端完全已知信道條件時(shí)，AAF協(xié)作通信策略可取得全部的二階分集增益效果；而當(dāng)信道條件部分已知時(shí)，DAF協(xié)作通信策略較AAF協(xié)作通信策略可取得更好的系統(tǒng)性能。并且給出了一種簡單的協(xié)作伙伴節(jié)點(diǎn)選擇方法，該方法主要基于以下兩點(diǎn)考慮：(1)雙向選擇協(xié)作伙伴，即一對(duì)節(jié)點(diǎn)互為協(xié)作伙伴節(jié)點(diǎn)。(2)距離基站較遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)具有優(yōu)先選擇協(xié)作伙伴節(jié)點(diǎn)的權(quán)利，從而優(yōu)先給鏈路較差的移動(dòng)終端提供幫助。文獻(xiàn)LanemanJN，TseDN，WomenGW．Cooperativediversityinwirelessnetworks：eficientprotocolsandout