【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量。受到無(wú)線通信環(huán)境的多徑衰落的影響，任何通信的過(guò)程中移動(dòng)用戶數(shù)據(jù)都受到嚴(yán)重的信號(hào)衰落。為了對(duì)抗無(wú)線信道的多徑衰落，人們不僅采用了改進(jìn)的信號(hào)處理元件如編碼、調(diào)制、11 / 50檢測(cè)還運(yùn)用各種形式的分集方法。其中，無(wú)線環(huán)境的特殊性決定了分集方法的重要性。通過(guò)在相互獨(dú)立的信道發(fā)送信號(hào)樣本，分集能有效地對(duì)抗衰落，某些特定的發(fā)送分集技術(shù)已經(jīng)被列入了無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)。其中空間分集技術(shù)由于其無(wú)需占用額外的時(shí)間和頻率資源的特性，而受到廣泛關(guān)注，使用空間分集技術(shù)的MIMO系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)被廣泛認(rèn)識(shí)。但是，從實(shí)際工程角度考慮，對(duì)于蜂窩通信系統(tǒng)上行信道而言，由于受到移動(dòng)終端物理?xiàng)l件(如體積、功率開(kāi)銷、天線位置設(shè)置等)的限制，在一個(gè)無(wú)線移動(dòng)終端上無(wú)法設(shè)置多根天線，因此無(wú)線通信的上行鏈路中不能實(shí)現(xiàn)發(fā)送分集，如何更好地將分集的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)和具體實(shí)現(xiàn)結(jié)合起來(lái)一直是一個(gè)值的研究的問(wèn)題。為了克服這一限制，Coverh和Gamal 曾提出中繼信道模型給出了由一個(gè)信源，一個(gè)中繼，一個(gè)接收端的中繼情況的信道容量。雖然協(xié)作分集的思想起源于中繼信道，但是還是與其有很大的區(qū)別。中繼信道中，中繼節(jié)點(diǎn)只中繼其信源節(jié)點(diǎn)的信號(hào)，并不發(fā)送自己的信號(hào)，但是在協(xié)作分集中每個(gè)用戶既作為中繼協(xié)作其伙伴用戶進(jìn)行通信，也發(fā)送自己的信號(hào)。而且傳統(tǒng)的中繼沒(méi)有分集功能，而通過(guò)協(xié)作可以使單天線用戶也獲得分集增益。Sendonaris等人受到中繼信道的啟發(fā)，首先提出了協(xié)作分集的概念，使具有單根天線的移動(dòng)臺(tái)獲得空間分集增益，這分集增益是通過(guò)用戶間的協(xié)作獲得的。網(wǎng)內(nèi)的每個(gè)用戶都有一個(gè)“伙伴?’用戶。每對(duì)用戶協(xié)作通信，它們不僅發(fā)送自己的信息，還發(fā)送其“伙伴用戶的信息，通過(guò)共享天線來(lái)獲得空間分集增益。這種用戶間的協(xié)作不僅可以應(yīng)用在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中還可以應(yīng)用在無(wú)線對(duì)等網(wǎng)絡(luò)中。 協(xié)作分集基本思想及協(xié)作通信MIMO 技術(shù)對(duì)日益增長(zhǎng)的無(wú)線通信系統(tǒng)容量和系統(tǒng)可靠性提供了解決問(wèn)題的新途徑。但是現(xiàn)有的多天線技術(shù)多用于基站端，而對(duì)于移動(dòng)終端，由于發(fā)射分集要求相鄰天線之間的間距要大于電波波長(zhǎng)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，移動(dòng)終端對(duì)體積，質(zhì)量和功耗的要求又非?？?2 / 50刻，所以在移動(dòng)終端很難安裝多天線，因而，很難在移動(dòng)終端實(shí)現(xiàn)上行的發(fā)射分集。考慮到現(xiàn)有的無(wú)線通信系統(tǒng)中是由多用戶組成，因而一種新的在移動(dòng)終端實(shí)現(xiàn)分集的思想隨之產(chǎn)生——協(xié)作分集。其基本思想是：移動(dòng)終端之間共享各自的天線，利用自己和小區(qū)內(nèi)其他移動(dòng)終端所構(gòu)成的虛擬的多發(fā)射天線陣傳輸信息，從而獲得空間分集增益的分集方式，有效消除無(wú)線信道多徑和時(shí)變衰落的影響。協(xié)作分集還可以擴(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。在一定的意義上講，協(xié)作分集思想為 MIMO 技術(shù)走向?qū)嵱锰峁┝艘粭l新的途徑。協(xié)作分集概念如圖 22 所示，用戶 user1 和 user2 為某兩個(gè)單天線用戶，它們通過(guò)協(xié)作，共享彼此天線，形成一個(gè)虛擬的兩天線發(fā)射系統(tǒng)。圖 22 協(xié)作通信的簡(jiǎn)單模型從本質(zhì)上說(shuō)，協(xié)作分集就是借助于合作伙伴的天線，與其身天線共同構(gòu)造多發(fā)射天線，通過(guò)形成虛擬的MIMO系統(tǒng)來(lái)獲得空間分集增益。如果在某個(gè)時(shí)段用戶沒(méi)有信息要傳送，那么在沒(méi)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。另外，在用戶資源沒(méi)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，但另一方面，用戶也通過(guò)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(lái)的增益大于其所付出的代價(jià)。綜合來(lái)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。協(xié)作通信是一種新的通信方式，通過(guò)引入中繼信道，它在用戶和基站之間13 / 50產(chǎn)生了獨(dú)立路徑。中繼信道可以認(rèn)為是源和目的端之間直接信道的一種輔助信道。因?yàn)橹欣^節(jié)點(diǎn)常常距源節(jié)點(diǎn)有幾個(gè)波長(zhǎng)的距離，所以中繼信道與直接信道見(jiàn)的衰落獨(dú)立，這就在源和目的端之間引入了一個(gè)滿秩 MIMO 信道。在協(xié)作通信方案中，對(duì)于接收到由其他發(fā)射節(jié)點(diǎn)輻射出的有用能量節(jié)點(diǎn)會(huì)有一些先驗(yàn)的限制。新的用戶協(xié)作范例是這樣的：通過(guò)在節(jié)點(diǎn)上執(zhí)行適當(dāng)?shù)男盘?hào)處理算法，多終端能處理從其他節(jié)點(diǎn)偵聽(tīng)到的傳輸信號(hào)，并且通過(guò)彼此的中繼信息進(jìn)行協(xié)作。中繼信息隨后在目的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行組合以產(chǎn)生空間分集。這就產(chǎn)生了這樣一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，它可以被認(rèn)為是一個(gè)執(zhí)行分布式多天線的系統(tǒng)，協(xié)作節(jié)點(diǎn)為彼此產(chǎn)生了不同信號(hào)路徑。目前，協(xié)作通信已經(jīng)受到了國(guó)內(nèi)外廣泛的關(guān)注，許多相關(guān)課題已經(jīng)或者正在展開(kāi)，各種新的技術(shù)不斷出現(xiàn)。在國(guó)際上，無(wú)線世界研究論壇（WWRF ）已經(jīng)成立了關(guān)于中繼的分組委員會(huì)專門開(kāi)展對(duì)此技術(shù)的研究，并發(fā)表了相關(guān)研究的白皮書(shū)。很多知名國(guó)際期刊、會(huì)議也單獨(dú)列出了子方向?qū)f(xié)作通信技術(shù)進(jìn)行報(bào)道，世界上已有多所大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展看這方面的研究。今后協(xié)作通信還可用于異構(gòu)融合的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，形成一種全新的只能化的網(wǎng)絡(luò)，這其中存在多用戶、多網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)作問(wèn)題，問(wèn)題的關(guān)鍵在于采用什么樣的策略盡可能公平地對(duì)待所有的用戶和網(wǎng)絡(luò)，如何盡量減少系統(tǒng)開(kāi)銷，以及如何更靈活地去適應(yīng)各類網(wǎng)絡(luò)的接入?yún)f(xié)議等。這些相關(guān)的研究目前任然處在初級(jí)階段，有很多的工作等待開(kāi)展和討論。 協(xié)作協(xié)議圖 23 描述了一個(gè)簡(jiǎn)單的中繼信道，由源，中繼和目的地構(gòu)成。14 / 50圖 23 簡(jiǎn)化協(xié)作模型根據(jù)中繼端的廣播信號(hào)的處理方式不同，協(xié)作分集又可分為固定性中繼（Fixed Relaying） 、選擇性中繼（ Selection Relaying） 、增強(qiáng)型中繼（Incremental Relaying） 、編碼協(xié)作（ Coded Cooperation , CC） 、空時(shí)編碼協(xié)作（SpaceTime Coded Cooperation, STCC）等。 固定協(xié)作策略首先介紹放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議（AF 協(xié)議）圖 24 放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議（AF）工作原理15 / 50在AF 協(xié)議中，中繼節(jié)點(diǎn)直接放大并轉(zhuǎn)發(fā)從源節(jié)點(diǎn)收到的信號(hào)，如圖24所示。中繼節(jié)點(diǎn)只是一個(gè)簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)發(fā)器，它對(duì)輸入的信號(hào)只進(jìn)行線性處理。中繼節(jié)點(diǎn)接收并放大源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的帶有噪聲的信號(hào)，再將經(jīng)放大后的帶有噪聲的信號(hào)重新發(fā)送給目的節(jié)點(diǎn)。而目的節(jié)點(diǎn)對(duì)相繼從源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行合并判決。盡管在AF 協(xié)議中，中繼節(jié)點(diǎn)在放大信號(hào)的同時(shí)也放大了噪聲，但是由于接收節(jié)點(diǎn)可以收到兩個(gè)獨(dú)立的衰落信號(hào)，所以能夠得到比較好的判決結(jié)果。AF也被稱作非再生中繼協(xié)議，它本質(zhì)上式一種模擬的信號(hào)處理方式。其次介紹譯碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議（DF）圖 25 譯碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議（DF）工作原理對(duì)于DF 協(xié)議來(lái)說(shuō)，中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行完全解碼，并將正確解碼后的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)重新編碼發(fā)送給目的節(jié)點(diǎn)，而在目的節(jié)點(diǎn)處采用的判決方式和AF 協(xié)議相類似，如圖25所示。如果中繼節(jié)點(diǎn)不能夠正確解碼源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，那么該中繼節(jié)點(diǎn)將不會(huì)發(fā)送數(shù)據(jù)給目的節(jié)點(diǎn)。由于DF 協(xié)議要求中繼節(jié)點(diǎn)將接收到源節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行完全解碼，這對(duì)中繼節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理能力帶來(lái)了更大的要求。但是完全解碼的好處是濾除了噪聲信號(hào)，這樣在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的時(shí)候不會(huì)放大噪聲。DF 也被稱為再生中繼協(xié)議，其本質(zhì)上式一種數(shù)字的信號(hào)處理方式。16 / 50 自適應(yīng)協(xié)作策略首先介紹選擇性中繼：由于 DF 的性能在很大程度上受制于用戶間信道的傳輸特性，這樣中繼端 R通過(guò)譯碼恢復(fù)出來(lái)的信號(hào)將會(huì)出現(xiàn)很多的差錯(cuò)，把這些已經(jīng)出錯(cuò)的信號(hào)再轉(zhuǎn)發(fā)到目的端 D，就會(huì)對(duì)目的端 D 正確恢復(fù)原始信號(hào)產(chǎn)生副作用，為了改進(jìn)固定型中繼的缺點(diǎn)，人們提出來(lái)選擇性中繼的概念。由于中繼段 R 可以很容易獲得用戶間信道狀況 hSR,那么根據(jù) HSR 的具體取值情況，對(duì)中繼端 R 參與協(xié)作的時(shí)機(jī)進(jìn)行選擇。例如，如果|h SR|2 低于設(shè)定的門限值，中繼端 R 就不參與協(xié)作。此時(shí)源端 S 向目的端 D 重復(fù)發(fā)送信號(hào)即可。反之，中繼端 R 參與協(xié)作，對(duì)接收到的信號(hào)采用 AF 或 DF 的方式進(jìn)行處理并轉(zhuǎn)發(fā)到目的端 D。因此，選擇性中繼又可以分為選擇 AF（SAF）和選擇 DF(SDF)。其次介紹增強(qiáng)型中繼從以上可以看出，固定型中繼和選擇性中繼都不能充分利用信道的自由度，因?yàn)樵谶@些協(xié)議中，中繼端 R 或者源端 S 總是重復(fù)發(fā)送信號(hào)。增強(qiáng)型中繼的基本思想是，利用目的端 D 的反饋信號(hào)來(lái)判斷源端 S 發(fā)送到目的端 D 的信號(hào)是否被成功恢復(fù)。如果恢復(fù)成功，中繼端 R 將不再參與協(xié)作。這樣，源端 S 就可以繼續(xù)發(fā)送新的信號(hào)。反之，中繼端將參與協(xié)作，將接收到的信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的處理后在轉(zhuǎn)發(fā)到目的端 D。然后，目的端 D 對(duì)接收到的兩路信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)合并和譯碼。另外，根據(jù)中繼端參與協(xié)作的方式不同，增強(qiáng)型中繼又可以分為增強(qiáng)型AF(IAF)和增強(qiáng)型 DF(IDF)兩種。17 / 50第三章 多跳協(xié)作的協(xié)議研究本章從中斷概率性能和誤符號(hào)率性能兩個(gè)方面，先對(duì)單中繼時(shí)的放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議（AF）和譯碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議（DF）兩個(gè)分集協(xié)議進(jìn)行詳細(xì)的分析和研究，進(jìn)而對(duì)其性能有了進(jìn)一步的了解。進(jìn)而對(duì)多跳放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議和多跳譯碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議進(jìn)行詳細(xì)的分析和研究。 基礎(chǔ)概念介紹A．多跳信道：指在信源和目的之間沒(méi)有直接鏈路，即源和目的之間的信道路徑包含了一個(gè)或者多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)。B．信道容量（Channel Capacity）:信道容量的最早由香農(nóng)建立。他將信道容量定義為：信道輸入和信道輸出指甲你的互信息量在不同的信道輸入分布下的最大值，即最大平均互信息量（Maximum Average Mutual Information） 。編碼定理證明，一定存在這樣的一種編碼方案，其數(shù)據(jù)傳輸速率接近信道容量而誤碼率可忽略；同時(shí)編碼定理的逆定理證明，對(duì)于任何編碼方案，若傳輸速率大于信道容量，則誤碼率必不可能接近于零。信道帶寬為 B，接受信噪比為 的ρAWGN 信道的容量，可以由香農(nóng)公式給出：C=B ()log2(1+ρ)而衰落信道的信道容量可表示為： () ??=?? log2(1+|?|2ρ)?其中，h 表示收發(fā)端之間的信道衰落情況。C．中斷概率（Outage Probability）:在無(wú)線通信中，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸速率 R 大于信道容量 C 時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)中斷事件（Outage Event） 。而中斷概率就定義為中斷事件發(fā)生的概率，而中斷概率就定義為中斷事件發(fā)生的概率，記為Pr 。[????]18 / 50 中斷概率性能分析 AF 協(xié)議的中斷概率性能研究在放大中繼模式下，每個(gè)用戶第一步都接收到其伙伴所發(fā)射的被噪聲污染的信號(hào)，并在第二步放大并轉(zhuǎn)發(fā)這些被噪聲污染的信號(hào)。目的端以一定的準(zhǔn)則合并用戶和其伙伴所發(fā)送的信號(hào)，形成最終的判決。在這種方案中，盡管協(xié)作者在放大信號(hào)的同時(shí)也放大了噪聲，但基站能接收到經(jīng)兩個(gè)獨(dú)立衰落信道衰落的信號(hào)，仍然具有分集的作用，檢測(cè)性能得到了改善。研究表明，在兩用戶協(xié)作的情況下，用戶間信道良好(即用戶間瞬時(shí)信噪比較高)時(shí)，放大中繼方案分集階數(shù)為 2，這里的分集階數(shù)可以看作是空間不相關(guān)信道的個(gè)數(shù)，不可以簡(jiǎn)單的看作是協(xié)作用戶的個(gè)數(shù)。為了給 AF 和 DF 的中斷概率性能的分析和比較提供一個(gè)比較基準(zhǔn)，首先介紹一下直傳模式的中斷概率性能。以源端和 S 和目的端 D 之間的直傳模式為例，其等價(jià)離散時(shí)間信道模型為： ()????[??]=?????????????[??]+????[??]其中， 為源端 S 的發(fā)射信號(hào)， 為目的端 S 的接收信號(hào)。????[??] ????[??]容易得到，直傳模式的信道輸入與輸出間的最大平均互信息量 為：??????= () ??????log2(1+|?????|2??)那么，直傳模式的中斷概率為： ????????????(??,??)=????[????????]= ????[log2(1+|?????|2??)??]= ????[|?????|22???1?? ]= 1???????(?2???1??2??????)()～1??2????2???1??19 / 50 AF 等價(jià)信道模型如圖 31 所示。圖 31 AF 等價(jià)信道模型第一個(gè)時(shí)隙，源端 S 廣播發(fā)送信號(hào) ，中繼端 R 和目的端 D 同時(shí)接受，????[??]即： ()????[??]=?????????????[??]+????[??] () ????1[??]=?????????????[??]+????1[??]其中， 。??=[1,…,??4]第二個(gè)時(shí)隙，中繼端 R 首先對(duì)接收到的信號(hào) 進(jìn)行功率放大，得到待轉(zhuǎn)????[??]發(fā)信號(hào) :????[??] () ????[??]=??????[?????4]其中， ??=[??4+1,…,??/2]。為了保證中繼端 R 的發(fā)射功率為 的限制， 應(yīng)滿足：???? ?? ()??≤ ????|?????|2????+??0然后，中繼端 R 將 轉(zhuǎn)發(fā)到目的端 D?？傻玫降诙€(gè)時(shí)隙，目的端 D 的接????收信號(hào)為： ????2[??]=?????????[??]+????2[??] =???????????[?????/4]+????2[??]20 / 50 (