【正文】 域性通信系統(tǒng)，無法滿足多媒體通信的要求。 4G 技術(shù)介紹 4G 技術(shù)簡介 從 20 世紀(jì)末 3G 技術(shù)完成標(biāo)準(zhǔn)化之時(shí)， 4G 技術(shù)的研究工作就已經(jīng)開始了。IMTAdvanced 是國際電信聯(lián)盟 (ITU， International Telemunication Union)為滿足未來 10～ 15 年全球移動(dòng)通信需求而啟動(dòng)的 。 ITU 于 20xx 年定義了性能遠(yuǎn)優(yōu)于 3G的新一代寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng) IMTAdvanced 為：具有超過 IMT20xx 能力的新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠提供廣泛的電信業(yè)務(wù)，特別是由移動(dòng)和固定網(wǎng)絡(luò)支持2 協(xié)作通信的中繼選擇算法研究 的日益增加的基于包傳輸?shù)南冗M(jìn)的移動(dòng)業(yè)務(wù)。 IMTAdvanced 系統(tǒng)支持從低到高的移動(dòng)性的應(yīng)用和很寬范圍的數(shù)據(jù)速率，滿足多種用戶環(huán)境下用戶和業(yè)務(wù)的需求。IMTAdvanced系統(tǒng)還具有在廣泛服務(wù)和平臺(tái)下提供顯著提升 QoS的高質(zhì)量多媒體應(yīng)用的能力。 IMTAdvanced 對(duì)頻譜有效性和功率有效性提出了更高的要求， 為了滿足新的移動(dòng)通信應(yīng)用需求，無線通信系統(tǒng)需要向高頻段、高速率、高效率以及與因特網(wǎng)等其它網(wǎng)絡(luò)融合的方向發(fā)展，同時(shí)需要充分挖掘利用空間無線資源和采用新型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對(duì)現(xiàn)有的蜂窩系統(tǒng)構(gòu)架以及無線傳輸技術(shù)需要進(jìn)行較大的變革。 此外，改善小區(qū)（或扇區(qū)）邊緣終端設(shè)備的傳輸質(zhì)量也是下一代無線移動(dòng)通信系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的重要目標(biāo) [1]。 IMTAdvanced 的關(guān)鍵特性包括：在保持成本效率的條件下，在支持靈活廣泛的服務(wù)和應(yīng)用的基礎(chǔ)上，達(dá)到世界范圍內(nèi)的高度通用性；支持 IMT 業(yè)務(wù)和固定網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的能力；高質(zhì)量的移動(dòng)服務(wù)；用戶終端適合全球使用；友好的應(yīng)用、服務(wù)和設(shè)備；世界范圍內(nèi)的漫游能力；增強(qiáng)的峰值速率以支持新的業(yè)務(wù)和應(yīng)用。 4G 中的通信技術(shù) 為了實(shí)現(xiàn) 4G 中通信的基本要求，需要引入新的先進(jìn)的通信技術(shù)，同時(shí)調(diào)整傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，以進(jìn)一步提高無線通信系統(tǒng)的傳輸性能，適應(yīng)未來移動(dòng)通信的需求。為此， 3GPP 和 IEEE 基于分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分別提出了多天線增強(qiáng)、協(xié)作多點(diǎn)傳輸(CoMP， Coordinated MultiPoint)、中繼等技術(shù)。具體可以歸結(jié)為以下幾點(diǎn)： (1) 多用戶多 MIMO 模式技術(shù) 對(duì)于多用戶 MIMO 傳輸，不同用戶可使用不同的調(diào)制編碼方式。根據(jù)天線配置、系統(tǒng)負(fù)載、信道信息、 UE 移動(dòng)速度、平均信噪比等信息， BS 和 UE 可在各種MIMO 模式之間轉(zhuǎn)換。 MIMO 模式間的選擇一般取決于如何最大化吞吐量或覆蓋范圍。 IEEE 提出的智能 MIMO 技術(shù)支持各種 MIMO 模式之間的自適應(yīng)轉(zhuǎn)換。根據(jù)信道條件，通過選擇合適的 MIMO 模式，能夠在不降低覆蓋范圍的情況下提高頻譜利用率。采用智能 MIMO 方式，可以克服不同場景帶來的不確定性，使 MIMO技術(shù)具有更廣泛的應(yīng)用場景。例如，對(duì)于同網(wǎng)絡(luò)下的不同終端，其 天線數(shù)目可能是不同的，因而若在同一小區(qū)采用相同的 MIMO 傳輸方法，難以達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)目 第一章緒論 3 標(biāo)。此外，不同用戶經(jīng)歷的衰落也是不一樣的，自適應(yīng)選擇不同 MIMO 模式以適應(yīng)信道變化，可以優(yōu)化系統(tǒng)性能。 多用戶多 MIMO 模式技術(shù)面臨的主要問題是： 1)如何利用感知信息，優(yōu)化MIMO 模式選擇。 2)如何實(shí)現(xiàn)低復(fù)雜度的多用戶 MIMO 檢測和干擾抵消算法。目前，國際上大部分研究主要集中于串行干擾抵消、并行干擾抵消、球形檢測、樹搜索檢測等方法，然而這些方法還不能提供復(fù)雜性和性能的之間的良好統(tǒng)一。 (2) 協(xié)作 MIMO 和波束成形 /預(yù)編碼技術(shù) 協(xié)作 MIMO 是一種將空間上不在同一位置的天線通過某種方式 “協(xié)作 ”在一起，形成協(xié)作多天線形式的技術(shù)。協(xié)作 MIMO 可用在上行或下行系統(tǒng)中，在協(xié)作MIMO 發(fā)送方式下，多個(gè)空間信道具有較好正交性的用戶可以共享相同的時(shí)域和頻域資源，提高上 /下行系統(tǒng)的容量。 協(xié)作 MIMO 有以下幾種形式： 1)基于非預(yù)編碼的協(xié)作中繼傳輸，僅需交換業(yè)務(wù)信息。 2)基于 MIMO 預(yù)編碼的協(xié)作波束成形傳輸，簡稱協(xié)作 MIMOBF，不僅需要交換業(yè)務(wù)信息，還需要交換信道信息。協(xié)作 MIMOBF 技術(shù)，一方面，可以利用信道狀態(tài)信息，通過基帶的 MIMO 預(yù)編碼算法 ，實(shí)現(xiàn)波束成形；另一方面，也可以利用接收端反饋的信息，進(jìn)行射頻的波束調(diào)整；同時(shí)獲得空間分集增益、空間復(fù)用增益、天線陣列增益，大幅度提升系統(tǒng)性能。 協(xié)作 MIMO 和波束成形 /預(yù)編碼技術(shù)目前面臨的主要問題是： 1)優(yōu)化的協(xié)作資源分配和管理，包括協(xié)作集合 (伙伴 )的優(yōu)選問題； 2)虛擬 MIMO 的協(xié)作檢測與多用戶干擾抑制； 3)非理想信道信息條件下，如何穩(wěn)健實(shí)施協(xié)作波束成形。 (3) 3GPP 提出的 CoMP 技術(shù) 協(xié)作多點(diǎn)傳輸 (CoMP， Coordinated MultiPoint)，指多個(gè)地理位置相互獨(dú)立分散的傳輸點(diǎn)通過不同的協(xié)作 方式 (如聯(lián)合傳輸、聯(lián)合處理、協(xié)作調(diào)度等 )為多個(gè)用 戶服務(wù)。其中，多個(gè)傳輸點(diǎn)可以是具有完整資源管理模塊、基帶處理模塊和射頻單元的基站，或者是地理位置互異的多個(gè)射頻單元 RRU 及天線 (如分布式天線 )，或者是中繼節(jié)點(diǎn)。 CoMP 技術(shù)可以分為上行多點(diǎn)接收和下行多點(diǎn)傳輸。下行 CoMP 又分為兩類：1)協(xié)作調(diào)度 /波束賦形 (CS/CB)：利用不同小區(qū)之間的信息交互，通過對(duì)資源 (時(shí)間、頻率、空間等 )的調(diào)度，包括波束賦形向量的調(diào)度來減少小區(qū)間干擾 (ICI)，從而改4 協(xié)作通信的中繼選擇算法研究 善小區(qū)邊緣性能，提高系統(tǒng)吞吐量。 2)聯(lián)合處理 (JP)：利用不同小區(qū)基站天線到用戶的空間分集來提高小區(qū)邊緣用戶性能。 CoMP 技術(shù)目前面臨的主要問題是： 1)CoMP 技術(shù)需要多種物理層傳輸技術(shù)的支持，如適應(yīng)多小區(qū)聯(lián)合傳輸?shù)?MIMO 技術(shù)、預(yù)編碼技術(shù)、高效的信道估計(jì)和聯(lián)合檢測技術(shù)等。 2)先進(jìn)有效的無線資源管理方案也是影響 CoMP 技術(shù)性能的重要因素，如小區(qū)資源分配策略、負(fù)載均衡、聯(lián)合傳輸中協(xié)作點(diǎn)的優(yōu)選機(jī)制。 3)在引入CoMP 技術(shù)后，系統(tǒng)中的切換場景將發(fā)生變換，現(xiàn)有系統(tǒng)中的切換策略將無法滿足新場景中的切換需要，因此設(shè)計(jì)有效的切換策略成為 CoMP 技術(shù)中亟待解決的問題。 4)協(xié)作傳輸中的同步協(xié)調(diào)和多普勒頻偏補(bǔ)償問題，被認(rèn)為是公開的難題，尚待突破。 (4) IEEE 提出的網(wǎng)絡(luò) MIMO 技術(shù) 網(wǎng)絡(luò) MIMO 技術(shù)通過多基站間的協(xié)作聯(lián)合處理來降低小區(qū)間干擾，提升扇區(qū)頻譜效率和小區(qū)邊緣頻譜效率，主要技術(shù)有：多基站協(xié)同的多基站預(yù)編碼技術(shù)和多基站協(xié)同的單基站預(yù)編碼技術(shù)。 此時(shí)，多個(gè)基站聯(lián)合處理，為多個(gè)基站的用戶提供數(shù)據(jù)，這需要扇區(qū)間協(xié)調(diào)和通信的配合。通過聯(lián)合的信號(hào)處理，以降低扇區(qū)間干擾，提高小區(qū)邊緣吞吐量。 網(wǎng)絡(luò) MIMO 技術(shù)目前面臨的主要問題與 CoMP 技術(shù)相同。 協(xié)作通信的背景 關(guān)于協(xié)作通信的 基本思想可以追溯到 Cover 和 El Gamal 關(guān)于中繼信道的信息論特性 [2]。他們分析了一個(gè)三節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)（一個(gè)源節(jié)點(diǎn)，一個(gè)目的節(jié)點(diǎn)，一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)）的容量，他們假設(shè)所有節(jié)點(diǎn)的工作頻帶相同，這樣系統(tǒng)便可以分解為一個(gè)廣播信道（從源節(jié)點(diǎn)來看）和一個(gè)多址信道（從目的節(jié)點(diǎn)來看）。 然而，在協(xié)作通信的很多方面我們考慮的與中繼信道都是不同的。首先，目前的研究集中在如何產(chǎn)生克服衰落的分集，而 Cover 和 El Gamal 主要分析在加性白高斯噪聲信道（ AWGN， Additive White Gaussian Noise）下的信道容量 [3]。其次，在中繼信道中，中繼的目的是為了幫助主信道，然而在協(xié)作通信中，整個(gè)系統(tǒng)的資源是固定的，用戶既是信息源又是中繼者。 第一章緒論 5 最近幾年，隨著分集技術(shù)的發(fā)展，協(xié) 作通信成為了當(dāng)前無線通信中的研究熱點(diǎn)。研究協(xié)作 通信一個(gè)主要目的 就 是對(duì)抗無線信道的多徑衰落。因?yàn)闊o線信道的衰落是隨機(jī)的（考 慮小尺度衰落，在微小的時(shí)間和空間差別下信號(hào)的強(qiáng)度發(fā)生大的變化）， 如果 SD 信道正好處于深度衰落，不利于通信；而距離源節(jié)點(diǎn)旁邊的伙伴節(jié)點(diǎn)其 RD 信道卻可能處于很好的信道狀態(tài) 。 因此，源節(jié)點(diǎn)可以尋求伙伴節(jié)點(diǎn)的幫助，先把數(shù)據(jù)發(fā)給 伙伴節(jié)點(diǎn)，再由伙伴節(jié)點(diǎn)把數(shù)據(jù)發(fā)給目的節(jié)點(diǎn)。 支撐協(xié)作 通信發(fā)展的另外一個(gè)技術(shù)是 MIMO（多輸入多輸出）技術(shù)。 MIMO技術(shù)利用了無線衰落信道中不同傳播路徑的獨(dú)立性，通過在收發(fā)兩端裝備多副天線，能夠有效的提高傳輸容量或者增強(qiáng)傳輸?shù)目煽啃?。然而，?duì)于很多價(jià)格低廉，體積小巧的設(shè)備（例如無線傳感器節(jié)點(diǎn) 、手機(jī)等 ），裝備多個(gè)天線是 非常 困難的，如果能夠?qū)⑻幱谝粋€(gè)區(qū)域內(nèi)部彼此鄰近的多個(gè)節(jié)點(diǎn)聯(lián)合起來，形成一個(gè)虛擬的MIMO 陣列，就有能夠獲得傳統(tǒng) MIMO 的傳輸效果 [4]。 論文的主要工作 本文主要對(duì)協(xié)作通信中繼節(jié)點(diǎn)選擇進(jìn)行 研究，綜述當(dāng)前協(xié)作通信中的 相關(guān)知識(shí)、關(guān)鍵技術(shù)和一些 中繼選擇算法，并對(duì)其進(jìn)行分析比較。內(nèi)容結(jié)構(gòu)安排如下： 第一章：主要介紹了無線通信結(jié)束的發(fā)展和協(xié)作通信的研究背景及論文的主要結(jié)構(gòu)安排。 第二章：主要介紹了協(xié)作通信相關(guān)概念以及協(xié)作通信中的關(guān)鍵技術(shù)，重點(diǎn)介紹了協(xié)作分集技術(shù)和 中繼轉(zhuǎn)發(fā)策略 。 第三章： 主要研究了 協(xié)作通信 的好處、系統(tǒng)模型和中繼選擇算法的分類，并且代表性的介紹了機(jī)會(huì)中繼選擇算法、貪婪算法和基于延時(shí)的伙伴選擇算法。 第四章：主要對(duì) 中繼轉(zhuǎn)發(fā)策略 AF、 DF 和機(jī)會(huì)中繼選擇算法 作了一些簡單的仿真和性能分析 。 第五章：總結(jié)與展望，對(duì)論文中待研究的問題綜述性地進(jìn)行介紹。 第二章協(xié)作通信與中繼選擇概述 7 第二章 協(xié)作通信與中繼選擇概述 協(xié)作通信的概念及其研究意義 協(xié)作 （ Cooperative）顧名思義就是相互幫助使得幫助的雙方同時(shí)獲益。事實(shí)上，協(xié)作的思想在通信領(lǐng)域中并不是首次出現(xiàn)，它最早是隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展而出現(xiàn)的，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中早就開發(fā)了各種協(xié)作技術(shù)和平臺(tái) ?！?協(xié)作 ” 英文可譯為cooperative， coordinative， relative 等等，表達(dá)的 觀念 就是在一個(gè)多點(diǎn)的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，多個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)參與協(xié)同工作，以達(dá)到共同的或者是獨(dú)立的目的的一種策略。其 基本思想是在多用戶環(huán)境中，具有單根天線的移動(dòng)臺(tái)可以按照一定的方式來共享彼此的天線從而產(chǎn)生一個(gè)虛擬 MIMO 系統(tǒng)，從而獲得分集增益。將協(xié)作的概念引入到通信中來，預(yù)期可以提高網(wǎng)絡(luò)的整體性能。 圖 兩個(gè)用戶的協(xié)作通信 近幾年來，在無線通信領(lǐng)域中協(xié)作思想也有廣泛的研究，涉及到 “ 協(xié)作 ” 、“ 協(xié)同 ” 、 “ 聯(lián)合 ” 等詞匯的技術(shù)均可以看做屬于協(xié)作通信的范疇，在 與 協(xié)作思想相關(guān)的眾多文獻(xiàn)中，對(duì)于上行鏈路，出現(xiàn)最頻繁的相關(guān)概念是 “ 協(xié)作分集 ” ，而對(duì)于下行鏈路，則多帶有 “ 基站聯(lián)合 ” 、 “ 基站協(xié)作 ” 等關(guān)鍵詞。從協(xié)作的對(duì)象來看，主要包括基站、移動(dòng)臺(tái)或中繼等。在本論文中，主要關(guān)注的是上行鏈路8 協(xié)作通信的中繼選擇算法研究 中的用戶協(xié)作，即協(xié)作分集技術(shù)。研究協(xié)作通信技術(shù)的原因大致可以分為以下兩種： 第一 種 ，網(wǎng)絡(luò) 中有空余的資源。在某一傳輸?shù)臅r(shí)間段內(nèi)通信系統(tǒng)可能僅僅有一部分有通信需求，因此網(wǎng)絡(luò)中會(huì)存在較多的終端處于空閑狀態(tài)，而由于傳統(tǒng)的蜂窩系統(tǒng)都把終端看成獨(dú)立的通信個(gè)體，這樣就使得很多終端資源得不到利用而被浪費(fèi)掉，另外，移動(dòng)終端的差異性也會(huì)造成資源的浪費(fèi)，比如一些計(jì)算機(jī)處理信號(hào)的能力強(qiáng)，而另一些則較差。再者，距離基站較近的移動(dòng)終端有較好的通信能力，較遠(yuǎn)的則相對(duì)差些。如果把這些移動(dòng)終端都看成是相互的一個(gè)整體，則他們可以相互協(xié)助傳遞對(duì)方的信息和自己的信息，這樣就節(jié)約了大量的網(wǎng)絡(luò)資源，有利于通信系統(tǒng)整體性能的提高。 第二 種 ，協(xié)作通信有助于系統(tǒng)獲得增益。研究 [5]表明協(xié)作通信可以提供全部的空間分集增益，即 n 個(gè)參與協(xié)作通信的節(jié)點(diǎn)提供的空間分集增益等同于信源節(jié)點(diǎn)具有 n 個(gè)獨(dú)立天線發(fā)射提供的增益。此外，協(xié)作通信還具有能克服由于多徑而引起的信道衰落、增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性、擴(kuò)大覆蓋能力、改善小區(qū)邊緣用戶的服務(wù)質(zhì)量以及提高頻譜利用率等優(yōu)勢。 協(xié)作分集技術(shù) 1998 年 Sendonaris 等人提出了使用單天線的移動(dòng)終端也可實(shí)現(xiàn)分集的新技術(shù)——協(xié)作分集：系統(tǒng)中的每個(gè)移動(dòng)終端都有一個(gè)或多個(gè)伙伴（ partner），協(xié)作伙伴在發(fā)送自己信息的同時(shí)也有責(zé)任發(fā)送對(duì)方的信息。每個(gè)終端既利用了自己又利用了其合作伙伴的空間，獲得一定的空域分集增益。由于彼此分享天線，又構(gòu)成了一個(gè)虛擬的 MIMO 多天線系統(tǒng)。 如圖 所示，是一個(gè)移動(dòng)終端間的協(xié)作分集，用戶 2 以廣播形式向基站發(fā)送信息，它的信息同時(shí)被基站和用戶 1 所接收，這時(shí)用戶 1 處理信息。然后將處理的信號(hào)再發(fā)向基站，而此時(shí)的用戶 2 也同時(shí)發(fā)送信息，最終形成兩條獨(dú)立的信道傳輸信號(hào)。 第二章協(xié)作通信與中繼選擇概述 9 用 戶 2基 站用 戶 1獨(dú) 立 衰 落信 道 圖 移動(dòng)終端間的協(xié)作分集 協(xié)作分集的優(yōu)點(diǎn) 促進(jìn) MIMO 技術(shù)的實(shí)用化是協(xié)作分集最大的好處，它有可能帶來無線通信領(lǐng)域的巨大變革。傳統(tǒng)的 MIMO 技術(shù)通過在發(fā)射 /接收端配置多個(gè)天線構(gòu)成多發(fā)射 /接收天線分集，但這對(duì)于小型移動(dòng)終端來說是很不現(xiàn)實(shí)的，于是就導(dǎo)致了 MIMO技術(shù)在蜂窩網(wǎng)以及 Ad Hoc 等網(wǎng)絡(luò)中難以實(shí)用化。協(xié)作分集為 MIMO 技術(shù)在小型移動(dòng)終端的應(yīng)用找到了新的