【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 域（時(shí)間）和頻域（頻率）3 個(gè)維度上獲得。（3）共信道干擾消除消除了共信道干擾。使用多天線后通過(guò)分析干擾的不同信道響應(yīng)，消除共信道的干擾信號(hào)。7 / 44 MIMO 技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性 （1）提高傳輸容量，降低高話務(wù)區(qū)域建網(wǎng)成本 隨著數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的不斷推廣，尤其是手機(jī)電視、高速無(wú)線上網(wǎng)等業(yè)務(wù)的應(yīng)用，用戶對(duì)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求不斷增加，在密集城區(qū)、熱點(diǎn)地區(qū)等高話務(wù)區(qū)域，網(wǎng)絡(luò)的部署將受限于容量。另外由于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的不對(duì)稱性，容量的大小往往受限于下行速率的高低?；谶@些特點(diǎn)，以混合組網(wǎng)為例，使用 2*2 接收分集的多入多出將使單站點(diǎn)容量提升近 20%。通過(guò)計(jì)算，在區(qū)域覆蓋面積和容量需求不變的情況下，使用 2*2 接收分集的多入多出相比于 1*2 接收分集可以節(jié)省基站數(shù)目 15%以上，從而大大減少高話務(wù)區(qū)域建網(wǎng)成本。 （2）降低擴(kuò)容成本 在使用基于多天線技術(shù)的接收機(jī)的情況下，使用 2*2 接收分集的 MIMO 天線可使扇區(qū)的吞吐率提升 40%60%，特別是在多徑環(huán)境較復(fù)雜的密集城區(qū)、城區(qū)、室內(nèi)燈微蜂窩情況下扇區(qū)吞吐率可提升接近 60%，而這些微蜂窩恰恰就是容量需求較高的區(qū)域。 在不增加載頻和基站數(shù)目的情況下，通過(guò)使用多天線技術(shù)作為擴(kuò)容方案既可以滿足容量的需求又可以大大減少擴(kuò)容成本，真正實(shí)現(xiàn)低成本快速擴(kuò)容。 （3）增加收發(fā)信機(jī)和天饋系統(tǒng)成本 多天線技術(shù)的引用使得收發(fā)信機(jī)的處理過(guò)程變得更加復(fù)雜：基站必須支持2 個(gè)以上獨(dú)立的發(fā)射通道（兩天線獨(dú)立地編碼、調(diào)制、擴(kuò)頻和發(fā)送）和 2 個(gè)空間數(shù)據(jù)流的上行反饋信令（如 CQI、ACK/NACK 等信令）處理。這些都將在一定程度上增加基站和終端成本，另外多天線本身及天饋系統(tǒng)的安裝也比普通天線更加復(fù)雜。因此多天線的引入也將在一定程度上增加基站和天饋系統(tǒng)成本。無(wú)疑，一方面通過(guò)多天線技術(shù)提高傳輸容量，在按流量收費(fèi)情況下，多天線技術(shù)可為運(yùn)營(yíng)商帶來(lái)成倍增長(zhǎng)的利潤(rùn)空間；另一方面，采用多天線技術(shù)會(huì)對(duì)基站和終端帶來(lái)更大的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜性。相對(duì)而言，除必要的信令和測(cè)量信息，在升級(jí)中使用多天線技術(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響較小。 通常從運(yùn)營(yíng)成本角度出發(fā)，需在綜合考慮系統(tǒng)和設(shè)備復(fù)雜性的影響下合理8 / 44使用多天線技術(shù)。 協(xié)作通信的基本原理MIMO 技術(shù)雖具有如此多的優(yōu)勢(shì)，但在實(shí)際中，并不是所有用戶都能保證如此高的傳輸速率，因?yàn)樗鼈兓蛘卟荒茉谄湫⌒驮O(shè)備中安裝多天線，或者由于傳播環(huán)境限制不能支持 MIMO，比如沒(méi)有足夠多的散射，在最后一種情況下，即使用戶安裝了多天線，滿秩 MIMO 也不能實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樵诙嗵炀€元素間的路徑是高度相關(guān)的。 為了克服上述在未來(lái)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中 MIMO 增益實(shí)現(xiàn)的限制，我們必須考慮在傳統(tǒng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信之上的新技術(shù)。無(wú)線系統(tǒng)的傳統(tǒng)觀點(diǎn)是：它是一個(gè)相互試圖通信的節(jié)點(diǎn)的集合；另一種觀點(diǎn)認(rèn)為，因?yàn)闊o(wú)線信道的傳播特性，我們將這些節(jié)點(diǎn)看做分布在無(wú)線通信系統(tǒng)中天線的集合，采用這種觀點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)能夠?yàn)樾畔⒌姆植际絺鬏敽吞幚磉M(jìn)行協(xié)作，協(xié)作節(jié)點(diǎn)為源節(jié)點(diǎn)扮演中繼節(jié)點(diǎn)的角色。 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間的衰落獨(dú)立，這就在源和目的端間引入了一個(gè)滿秩的 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)輻射出的有用能量的節(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，如圖 所示，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)生了不同的信號(hào)路徑 [1]。9 / 44發(fā)射機(jī)1發(fā)射機(jī)2接收機(jī)圖 用戶協(xié)作結(jié)構(gòu)中兩個(gè)相關(guān)的發(fā)射機(jī) [1]因此，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)中所有用戶都產(chǎn)生高速率的第四代無(wú)線系統(tǒng)而言，協(xié)作通信是一種新的手段，就研究范疇而言，可以認(rèn)為協(xié)作通信與中繼信道和 MIMO系統(tǒng)的研究相關(guān)。協(xié)作通信在無(wú)線通信系統(tǒng)中有多種應(yīng)用，主要有固定中繼的協(xié)作通信（協(xié)作 MIMO）和用戶終端間的協(xié)作通信（多用戶協(xié)作）兩種方式?？紤]到移動(dòng)終端只配置 1 到 2 根天線，為了保證天線數(shù)受限的終端用戶也能獲得 MIMO 增益，提出協(xié)作 MIMO 的概念。另外，在多跳無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中，為提高傳輸速率，提出了多用戶協(xié)作分集即多個(gè)用戶相互協(xié)作從而實(shí)現(xiàn)類似MIMO 的傳輸方案以獲得分集增益。而目前非常熱門(mén)的無(wú)線中繼技術(shù)的主要理論基礎(chǔ)也包含協(xié)作通信理論。 協(xié)作通信的優(yōu)勢(shì) （1）高效率、多業(yè)務(wù)、互動(dòng)性強(qiáng)。 （2）通訊成本低，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部零話費(fèi)通話。 （3）全面、靈活的管理，降低了管理費(fèi)用。 （4）有效保護(hù)原有設(shè)備，有機(jī)融入新的服務(wù)體系，降低硬件成本。它可以提升系統(tǒng)容量、增大數(shù)據(jù)傳輸速率、有效地對(duì)抗衰落及降低系統(tǒng)的中斷概率，提高系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量和可靠性。而且協(xié)作分集技術(shù)解決大小受限的移動(dòng)終端無(wú)法安置多天線的問(wèn)題，推進(jìn) MIMO 技術(shù)實(shí)用化，帶來(lái)無(wú)線通信領(lǐng)域的巨大變革。促進(jìn) MIMO 技術(shù)的實(shí)用化是協(xié)作通信最大的好處，它有可能帶來(lái)無(wú)線通信領(lǐng)域的巨大變革。傳統(tǒng)的 MIMO 技術(shù)通過(guò)在發(fā)射端 /接收端配置多個(gè)天線構(gòu)成多10 / 44發(fā)射/接收天線分集，但對(duì)于小型移動(dòng)終端來(lái)說(shuō)是很不現(xiàn)實(shí)的，這就導(dǎo)致 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。可以說(shuō)，協(xié)作通信可以使MIMO 技術(shù)的各種優(yōu)勢(shì)得以發(fā)揮，能夠切實(shí)地利用空間資源來(lái)提高通信系統(tǒng)的性能，包括提升系統(tǒng)容量、增大數(shù)據(jù)傳輸速率、有效對(duì)抗衰落以及降低系統(tǒng)的服務(wù)終端概率，提高系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量和可靠性等。此外，協(xié)作分集的思想還可以應(yīng)用于抗干擾通信中?？垢蓴_的基本方法有直接序列擴(kuò)頻、跳頻、跳時(shí)以及它們的混合應(yīng)用，但是這些方法都沒(méi)有利用空間資源，而協(xié)作分集在某種意義上可以看做是一種空跳。跳頻的工作原理是信號(hào)的載波頻率受偽隨機(jī)碼或某種特定跳頻圖案的控制而跳變。跳頻增益的大小取決于跳頻幅度的大小和跳頻的快慢，而跳時(shí)技術(shù)在時(shí)間上也有類似的結(jié)論。協(xié)作分集技術(shù)從另一個(gè)角度可以看作是根據(jù)一定的準(zhǔn)則（某種特定空跳圖案） ，用戶信息在空間方位上的跳變，其空跳增益可以根據(jù)跳頻、跳時(shí)的結(jié)論推出，隨著參與用戶數(shù)、空跳幅度以及調(diào)速的提高，空跳增益將會(huì)越大。11 / 44第三章 協(xié)作體系的產(chǎn)生為了解決多輸入多輸出技術(shù)在移動(dòng)終端的多天線制約問(wèn)題，提出了一種新的分集技術(shù)——協(xié)作分集，該方法可以使具有單根天線的移動(dòng)臺(tái)獲得類似于MIMO 系統(tǒng)中的某些增益。如今最為廣泛的空間分集技術(shù)主要是 MIMO，現(xiàn)有的 MIMO 天線技術(shù)通過(guò)在接收端和發(fā)射端同時(shí)安置多個(gè)天線來(lái)有效地消除多徑衰落的影響，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。 協(xié)作分集技術(shù) 協(xié)作分集技術(shù)原理協(xié)作分集技術(shù)又稱虛擬 MIMO 技術(shù)，其基本原理是：多用戶環(huán)境中的單天線用戶在傳輸自己的信息時(shí)，也能傳送所接受和檢測(cè)到的臨近用戶的信息。其實(shí)質(zhì)就是希望利用合作伙伴的天線與自身天線構(gòu)成多發(fā)射天線，從而產(chǎn)生一個(gè)虛擬 MIMO 系統(tǒng)，以獲得分集增益。 協(xié)作分集步驟 協(xié)作分集的過(guò)程主要分為兩個(gè)步驟：（1）源節(jié)點(diǎn)以廣播方式發(fā)送信號(hào)，目的節(jié)點(diǎn)和中繼節(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。 （2）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)的或者新的消息，最后目的節(jié)點(diǎn)按照某種規(guī)則合并兩步接收到的信號(hào)。 協(xié)作分集信號(hào)合并模型 假設(shè)系統(tǒng)中每個(gè)源節(jié)點(diǎn)只有一個(gè)合作伙伴，它們兩個(gè)相互協(xié)作與目的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。每個(gè)源節(jié)點(diǎn)除了獨(dú)立發(fā)送自己的信息給目的節(jié)點(diǎn)外，還將轉(zhuǎn)發(fā)從其合作伙伴接收到的信息給目的節(jié)點(diǎn)。這就相當(dāng)于從一個(gè)源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信號(hào)經(jīng)歷了兩條獨(dú)立衰落的路徑分別到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)，從而可以得到分集增益。12 / 44 協(xié)作中繼協(xié)議 按中繼實(shí)現(xiàn)方式，協(xié)作通信系統(tǒng)中主要有三種協(xié)作方式，即放大前傳、檢測(cè)轉(zhuǎn)發(fā)、編碼協(xié)作。在這三種方式中尤以編碼協(xié)作方式的性能最優(yōu)。首先，放大轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，或稱放大前傳，在該機(jī)制中，每個(gè)用戶接收它伙伴發(fā)送過(guò)來(lái)的帶有噪聲的信號(hào)，接著對(duì)該信號(hào)進(jìn)行放大，然后將放大的帶有噪聲信號(hào)的重新發(fā)送?；緦?duì)用戶和其他伙伴傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行合并判決。接著，有人提出了檢測(cè)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，在該方法中用戶首先嘗試檢測(cè)出用戶伙伴的數(shù)據(jù)比特，然后將檢測(cè)出的比特重新發(fā)送。 以上提出的兩種機(jī)制雖然能獲得一定的分集增益，但它們有一些局限性。第一，兩種機(jī)制都包括一定形式的重發(fā)，所以并非對(duì)帶寬最好利用。第二，檢測(cè)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制可能會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)對(duì)其伙伴錯(cuò)誤估計(jì)的信息。錯(cuò)誤的傳播會(huì)降低性能，特別是當(dāng)用戶間的信道較差時(shí)。第三，這兩種機(jī)制為了在接收端得到最佳的最大似然檢測(cè)，需要知道用戶間信道的 BER（誤比特率）和 SNR（信噪比） 。為了解決這些局限性，提出了一種新的機(jī)制——編碼協(xié)作機(jī)制。 編碼協(xié)作 編碼協(xié)作的基本思想 編碼協(xié)作的基本思想：首先把移動(dòng)終端要發(fā)送的信息比特轉(zhuǎn)化成符號(hào)塊進(jìn)行編碼，然后加上 CRC（循環(huán)冗余校驗(yàn)碼） 。在協(xié)作通信時(shí)將要發(fā)送的信息編成碼字后分成兩段，分別含有和，則原始的碼長(zhǎng)為+。其中是想要的信息位，是校驗(yàn)碼。需要兩個(gè)時(shí)隙來(lái)分別發(fā)送和兩部分信息，發(fā)送這些信息的時(shí)隙成為幀。 第一幀中，每個(gè)移動(dòng)終端發(fā)送各自碼字的第一段，即信息，同時(shí)每個(gè)移動(dòng)終端都試圖解碼對(duì)方的這部分信息。如正確解碼，就在第二幀中發(fā)送其協(xié)作伙伴碼字的第二段即信息，如譯碼不正確就發(fā)送自己的第二段信息，這樣每個(gè)移動(dòng)終端在兩個(gè)發(fā)射時(shí)隙總是傳送 N=+的信息塊。 編碼協(xié)作的各種情況分析13 / 44 在第二幀中，各個(gè)用戶是相互獨(dú)立的，他們不知道自己在第一幀的信息是否已經(jīng)被正確譯碼，因此，第一幀的譯碼情況具有四種情況，如圖 所示N 1 b i t N 2 b i t第一幀 第二幀用戶 2用戶 1 N 1 b i t N 2 b i t第一幀 第二幀用戶 2用戶 1 情況 a 情況 bN 1 b i t N 2 b i t第一幀 第二幀用戶 2用戶 1N 1 b i t N 2 b i t第一幀 第二幀用戶 2用戶 1 情況 c 情況 d 用戶 1 的 MAC 信道 傳輸用戶 1 的數(shù)據(jù) 用戶 2 的 MAC 信道 傳輸用戶 2 的數(shù)據(jù)圖 普通編碼協(xié)作的實(shí)現(xiàn)過(guò)程 [2]情況 a 在第一幀的兩用戶都成功地檢測(cè)到對(duì)方的數(shù)據(jù)，并成功譯碼，所以在第一幀中他們都傳輸伙伴的信息，可以達(dá)到完全增益。情況 b 用戶 2 成功譯碼用戶 1 的數(shù)據(jù)信息，而用戶 1 則未能成功譯碼用戶2 的信息，所以在用戶 1 的第二幀傳輸用戶 1 的信息，在用戶 2 的第二幀也傳輸用戶 1 的信息。情況 c 用戶 1 成功譯碼用戶 2 的數(shù)據(jù)，而用戶 2 未能成功譯碼用戶 1 的數(shù)14 / 44據(jù)，所以在第二幀中，用戶 1 傳輸用戶 2 的信息，用戶 2 也傳輸用戶 2 的 N2bit信息。情況 d 用戶 1 和用戶 2 均未能成功譯碼，所以在第二幀中均傳輸各自的N2bit 信息 [2]。由此可以看出，當(dāng)信道不完全對(duì)稱時(shí)，必然會(huì)有一個(gè)用戶的碼字的第二部分不會(huì)在第二幀進(jìn)行傳輸，因此系統(tǒng)的性能將大大受到影響。因此技術(shù)人員又提出了一種新的寫(xiě)作方案，空時(shí)協(xié)作方法。 空時(shí)協(xié)作方法空時(shí)協(xié)作信號(hào)處理技術(shù)與原先的編碼協(xié)作機(jī)制不同的是：用戶在第二幀中同時(shí)傳輸自己和伙伴的比特信息。用戶在快衰落環(huán)境也可以取得比較好的性能，因此空時(shí)協(xié)作信號(hào)處理技術(shù)也是一個(gè)很好的研究方向。空時(shí)協(xié)作編碼方法是：用戶在第二幀中不但要傳輸它自己的信息還要傳輸它的協(xié)作伙伴的信息，這種策略在快衰落信道中是非常有用的。在快衰落環(huán)境下，一個(gè)用戶的上行信道在第一幀和第二幀傳輸中是獨(dú)立的，因此，在第二幀中使用伙伴的信道不會(huì)得到任何增益。在空時(shí)協(xié)作中，由于每個(gè)用戶在第二幀中傳輸兩個(gè)用戶的信息，因此可以獲得較好的增益。更進(jìn)一步說(shuō)，用戶傳輸它自己和伙伴的信息，在用戶間信道質(zhì)量不好的情況下也可以獲得較好的增益。如果一個(gè)用戶能正確地對(duì)它的伙伴譯碼，而伙伴卻不能正確對(duì)它譯碼，那么這個(gè)用戶能在它的第二幀傳輸中獲得較好的增益，而它的伙伴卻不能。 空時(shí)協(xié)作編碼在第二幀的傳輸中也有四種情況，如圖 所示：N 1 b i t N 2 b i t第一幀 第二幀用戶 1用戶 2 N 1 b i t N 2 b i t第一幀 第二幀用戶 1用戶 2 情況 a 情況 b15 / 44N 1 b i t N 2 b i t第一幀 第二幀用戶 1用戶 2 N 1 b i t N 2 b i t第一幀 第二幀用戶 1用戶 2 情況 c 情況 d 用戶 1 的 MAC 信道 傳輸用戶 1 的數(shù)據(jù) 用戶 2 的 MAC 信道 傳輸用戶 2 的數(shù)據(jù)