【文章內(nèi)容簡介】 這就增加了協(xié)作用戶的編譯碼的復(fù)雜度，以及相應(yīng)的功率開銷。 本章小結(jié)分集技術(shù)是用來補償衰落信道損耗的，它通過多個信道（時間、頻率或者空間）接收到承載相同信息的多個副本，由于多個信道的傳輸特性不同，信號多個副本的衰落就不會相同。接收機使用多個副本包含的信息能比較正確的恢復(fù)出原發(fā)送信號。在現(xiàn)在研究領(lǐng)域，分集技術(shù)主要應(yīng)用于多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)中，它能夠利用無線通信中的多徑提供分集增益，從而提高通信速率和質(zhì)量。雖然MIMO技術(shù)能夠使系統(tǒng)的性能得到提升，但是移動終端由于受到體積和成本的限制，安裝多個天線變得非常困難，這就限制了M IMO技術(shù)的應(yīng)用。因此人們提出了協(xié)作分集技術(shù)，即在多用戶環(huán)境下，每個單天線用戶在發(fā)送自己信息的同時也為自己的協(xié)作伙伴發(fā)送信息，這樣就形成了虛擬多天線系統(tǒng)。研究表明協(xié)作分集同樣可以達到完全分集的效果，從而可以在不改變用戶天線數(shù)目的情況下，提高系統(tǒng)的傳輸可靠性。本章從分集技術(shù)入手，簡單的介紹了分集技術(shù)的分類及分集合并方法。接著引出了協(xié)作分集發(fā)展的必然性，著重從以下幾方面介紹了協(xié)作分集技術(shù)：首先介紹了協(xié)作分集技術(shù)的原理。協(xié)作分集就是在多用戶環(huán)境中的單天線用戶在傳輸自己的信息時，也能傳送所接收和檢測到的臨近用戶（即伙伴）的信息。其實質(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)生一個虛擬MIMO系統(tǒng)，以獲得分集增益。然后介紹了協(xié)作分集系統(tǒng)模型。本文以一個多中繼協(xié)作的，含有一個信源、一個信宿及多個中繼的通信系統(tǒng)為模型，給出了協(xié)作分集實現(xiàn)的兩個步驟，并畫出了系統(tǒng)模型圖。接著介紹了協(xié)作分集的分類。本文主要介紹了基于多中繼協(xié)作分集情況下的分類：重復(fù)編碼協(xié)作分集和空時編碼協(xié)作分集。對兩類協(xié)作分集的原理及信道分配做了介紹。最后介紹了協(xié)作分集的協(xié)議。分集協(xié)議按照信號處理的方式分為放大中繼協(xié)議、譯碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼協(xié)議和編碼協(xié)作協(xié)議。本文給出了各分集協(xié)議的原理，分析了各協(xié)作分集協(xié)議在應(yīng)用過程中的利弊。第三章 基于譯碼轉(zhuǎn)發(fā)的協(xié)作中繼選擇方案 中繼選擇策略協(xié)作通信使得用戶可以利用協(xié)作伙伴的天線，產(chǎn)生空域分集效果，來對抗無線信道的衰落。然而，現(xiàn)有大多數(shù)研究工作都在假定協(xié)作伙伴已經(jīng)選定，在此基礎(chǔ)上研究具體的協(xié)作方案如何實現(xiàn)空域分集，提高系統(tǒng)性能。研究重點放在以中斷概率和誤幀率F(ER)等性能參數(shù)的分析和系統(tǒng)性能方面。事實上，協(xié)作關(guān)系的形成也是一個很重要的問題。對于基于譯碼轉(zhuǎn)發(fā)(DF)協(xié)作分集，在多個中繼節(jié)點可用的情況下，可進行如下的協(xié)作：第一步，源節(jié)點向中繼節(jié)點和目的節(jié)點廣播其信息，此時候選中繼節(jié)點試圖解碼源節(jié)點的信息；第二步，成功譯碼的所有中繼節(jié)點進行分布式空時編碼，然后發(fā)射到目的節(jié)點，其中中繼節(jié)點是否成功譯碼可以采用CRC等方式來進行判斷，目的節(jié)點根據(jù)兩步接收到的信號進行合并。第二步中正確解碼的候選中繼節(jié)點作為源節(jié)點的中繼來工作，這本身就是一種協(xié)作伙伴形成的過程。然而，因為所有中繼節(jié)點只有在接收了源節(jié)點第一步傳輸?shù)男畔⑶疫M行相應(yīng)解碼處理后，才能決定自己是否適合作為協(xié)作伙伴為源節(jié)點中繼信息，這對網(wǎng)絡(luò)資源是一種浪費。以上只是在一般情況下中繼選擇過程，在實際情況下，中繼的確定需要考慮很多因素的影響。首先，需要考慮在大噪聲情況下是否需要進行中繼協(xié)作，如果需要，應(yīng)該如何選擇中繼。然后，在中繼選擇完成后，還要對選擇方案做改良，以提高信道利用率。 動態(tài)選擇中繼近年來很多文獻在對協(xié)作通信進行研究的時候都是基于所有潛在中繼節(jié)點參與協(xié)作的場景，這樣做的缺點是信道條件惡劣的中繼占用系統(tǒng)資源，而對系統(tǒng)性能提高的貢獻十分有限。因此，如何選取參與協(xié)作的中繼，從而有效利用系統(tǒng)資源，成為一個值得關(guān)注的問題。放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作協(xié)議(AF)和譯碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作協(xié)議(DF)是所有協(xié)作協(xié)議中最簡單的，中繼節(jié)點的復(fù)雜度最低。然而，在用戶間信道狀況較差時，對于AF方案，中繼節(jié)點放大的主要是自己接收端的噪聲，此時，協(xié)作帶來的分集效果不明顯；與此類似，在DF方案中，在用戶間信道狀況較差時，中繼節(jié)點會將接收信息比特的錯誤估計發(fā)往目的端，導(dǎo)致錯誤的傳播。并且，因為這兩種協(xié)作方式的中繼節(jié)點都工作在半雙工模式，信道或帶寬利用率不高。為了解決以上問題，提出了動態(tài)選擇中繼方案。對于放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼和譯碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼，我們假設(shè)相應(yīng)接收方已知衰落系數(shù)，這樣協(xié)作終端可以很準(zhǔn)確的測量兩終端r，s之間的衰落、陰影和路徑等帶來的損耗系數(shù)Ars因此，它們可以根據(jù)了解到的Ars值來相應(yīng)的改變它們的傳輸形式。這一發(fā)現(xiàn)使得選擇中繼算法產(chǎn)生。如果測得|Ars|2小于某一特定門限時，源節(jié)點就簡單的采用重復(fù)形式或者空時編碼方案繼續(xù)往目的端傳輸信息而不進行協(xié)作。如果測得|Ars|2大于這一特定門限時，中繼節(jié)點就轉(zhuǎn)發(fā)它從源節(jié)點接收到的信息，采用放大轉(zhuǎn)發(fā)(AF)方式或者譯碼轉(zhuǎn)發(fā)(DF)方式，以獲得分集增益。這種形式的選擇動態(tài)中繼(selection and Dynamic Relaying)協(xié)作分集，應(yīng)該會獲得分集增益，原因是：無論哪種情況，衰落系數(shù)都必須足夠小，以免傳輸信息丟失。特別的，如果|Ars|2很小，那么當(dāng)中繼節(jié)點采用放大轉(zhuǎn)發(fā)(AF)或譯碼轉(zhuǎn)發(fā)方式時|Ads|2和|Adr|2必須足夠小以免信息的丟失。進一步改進的解碼中繼模式是由Aazrain及Mrtina等提出的動態(tài)解碼中繼模式。在動態(tài)解碼中繼模式中，中繼節(jié)點首先接收從源節(jié)點傳輸?shù)男畔?，但是并不馬上傳輸，直到它確信自己正確接收了源節(jié)點的信息。在準(zhǔn)靜態(tài)環(huán)境下，在中繼節(jié)點的重傳時間可以認為是一個隨機變量，編碼方法必須考慮該因素。 固定選擇中繼在目前的研究領(lǐng)域，單個中繼節(jié)點的最佳中繼選擇方法應(yīng)用最為廣泛，盡管這種中繼方法能提高系統(tǒng)性能，但是由于只采用一個中繼節(jié)點，無法獲得多個中繼節(jié)點的分集增益。為了獲得更大的分集增益，提出了多中繼選擇方法。對于多個中繼節(jié)點，下面就基于平均SNR和瞬時信道狀態(tài)信息的兩種最基本中繼選擇方案進行介紹。在本設(shè)計中假設(shè)系統(tǒng)由一個源節(jié)點、一個目的節(jié)點和M個中繼節(jié)點構(gòu)成。 基于位置信息或平均SNR的中繼選擇方案在基于位置的中繼選擇策略中，需要知道源節(jié)點——目的節(jié)點、源節(jié)點——中繼節(jié)點、中繼節(jié)點——目的節(jié)點的距離，或者相當(dāng)于需要知道相應(yīng)的平均信噪比(SNR)。，分析給出了協(xié)作使用戶受益的區(qū)域——用戶協(xié)作區(qū)域的概念。在各移動終端及目的節(jié)點已知各自位置信息的條件下，用戶協(xié)作區(qū)域決定于源節(jié)點到目的節(jié)點的距離，并且是一個以目的節(jié)點為中心的圓。當(dāng)源節(jié)點遠離目的節(jié)點時，用戶協(xié)作區(qū)域變大，反之，當(dāng)源節(jié)點靠近目的節(jié)點時，用戶協(xié)作區(qū)域變小。僅當(dāng)用戶的協(xié)作伙伴在此圓中時，用戶將通過協(xié)作受益，否則，用戶不采用協(xié)作模式傳輸。當(dāng)候選中繼節(jié)點到源節(jié)點距離一定時，最佳中繼節(jié)點為到目的節(jié)點的距離足夠近的中繼節(jié)點。在后續(xù)的研究中，提出了只需知道源節(jié)點——目的節(jié)點、中繼節(jié)點——目的節(jié)點之間的平均信噪比(或相應(yīng)的距離)的中繼選擇方案，該方案的具體實施步驟如下：候選中繼節(jié)點的天線數(shù)不僅限于一個，中繼選擇由目的節(jié)點做出。一旦中繼節(jié)點R被選為源節(jié)點S的中繼，R就一直做S的中繼，直到S與R之間的即時信道狀況變得不可靠，無法充當(dāng)中繼才重新選擇中繼。具體選擇算法有兩種：盲選算法BSA(Blind——Selection——Algorithm)和信息選擇算法ISA(Information——Selection——Algorithm)。對于算法的法則和具體實現(xiàn)過程，我們在這里就不做詳細的介紹了。根據(jù)研究得出，基于譯碼轉(zhuǎn)發(fā)的多中繼協(xié)作分集的中繼選擇方案的具體實現(xiàn)過程為：首先給出不同協(xié)作增益g的情況下對應(yīng)的以目的節(jié)點為圓心，與中繼節(jié)點天線數(shù)有關(guān)的增益環(huán)，g越大增益環(huán)越小，中繼節(jié)點天線數(shù)越多，增益環(huán)越大。在BSA中，根據(jù)要求的協(xié)作增益g，目的節(jié)點僅在天線數(shù)最少的中繼節(jié)點限定的增益環(huán)中選取中繼節(jié)點。第一步，目的節(jié)點在相應(yīng)的增益環(huán)中，隨機的選取一個中繼節(jié)點；第二步，若沒有合適的節(jié)點，將g減1，當(dāng)g1大于等于1時，回到第一步，否則，沒有中繼節(jié)點選出，源節(jié)點工作于非協(xié)作模式。在ISA中，中繼節(jié)點(包括多天線中繼節(jié)點)的天線數(shù)已知，目的節(jié)點采取與BSA相似的方法，首先在天線數(shù)少的中繼節(jié)點限定的增益環(huán)中選擇，不成功，則增大天線數(shù)，再不成功，減小增益要求。當(dāng)然中繼選擇不一定只有目的節(jié)點可以做出，它還可以由源節(jié)點做出。每個節(jié)點必須測量其到目的節(jié)點的平均信噪比，當(dāng)該信噪比大于指定門限時，即為候選中繼節(jié)點，然后所有候選中節(jié)點將自己的平均信噪比信息告知源節(jié)點，源節(jié)點選擇其中具有最好平均信噪比的一個節(jié)點作為中繼節(jié)點，之后廣播該選擇決定給所有候選中繼節(jié)點。 基于即時信道狀況的中繼選擇方案在基于譯碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼DF協(xié)議下，能夠正確解碼的節(jié)點即為中繼節(jié)點。具體實現(xiàn)為：潛在中繼節(jié)點測量其與目的節(jié)點之間的即時信噪比，當(dāng)該信噪比大于指定門限時，他就屬于候選中繼節(jié)點。所有侯選中繼節(jié)點，在源節(jié)點傳輸?shù)南乱徊?，為源?jié)點中繼信息。機會中繼也是一種基于即時信道狀況的中繼選擇策略，其基本思想是：在M個侯選中繼節(jié)點中，選取單個在源節(jié)點和目的節(jié)點之間，具有最好端到端路徑的節(jié)點作為中繼。具體過程如下：源節(jié)點發(fā)送RTS分組，目的節(jié)點聽到后，回復(fù)CTS分組。潛在中繼節(jié)點監(jiān)聽該RTS和CTS分組，所有能夠正確接收RTS和CTS分組的節(jié)點即為候選中繼節(jié)點。候選中繼節(jié)點根據(jù)接收到的RTS和CTS分組估計其到源節(jié)點的信道狀況Asd及其到目的節(jié)點信道狀況Adr，再根據(jù)Asd和Adr設(shè)置自己的定時器，定時器屆滿后，候選中繼節(jié)點向目的節(jié)點發(fā)送標(biāo)志分組，標(biāo)志分組最先到達的即為具有最佳路徑的中繼節(jié)點。最佳中繼選出以后，就可以用來往目的端轉(zhuǎn)發(fā)信息。不管最佳中繼是否與源節(jié)點同時傳輸信息，這與中繼選擇過程是無關(guān)的。中繼節(jié)點監(jiān)聽源節(jié)點到目的節(jié)點的即時信道狀況，并且在信道狀況改變之前以一種分布式的方式，決定哪一個中繼具有最好的進行信息中繼的路徑。這樣的話，每個中繼節(jié)點處的拓撲信息(尤其是在每個中繼節(jié)點處的源節(jié)點和目的節(jié)點的位置信息)是不必要的。 固定中繼選擇方案分析比較基于位置信息或平均SNR的中繼選擇，最佳中繼節(jié)點的選擇依賴于源節(jié)點、中繼節(jié)點及目的節(jié)點的位置信息，需要知道或者估計所有中繼節(jié)點和目的節(jié)點之間的距離，這就要求系統(tǒng)有距離估計結(jié)構(gòu)(如各終端安裝CPS接收機)，或者能夠估計他們之間的平均SNR，而這并不是很簡單的問題，并且更適于靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)，不適于移動網(wǎng)絡(luò)，因為在移動網(wǎng)絡(luò)中，平均SNR需要花費足夠的開銷來估計。而基于即時信道狀況的中繼選擇方案，只需要知道用戶間的即時信道狀況，這一參數(shù)估計起來不困難，且不需要距離或位置估計結(jié)構(gòu)CPS等，但是即時信道狀況是變化的，這就要求協(xié)作伙伴需要實時更新，更新也會增加開銷。目前，也有一些跨越物理層、MAC層及網(wǎng)絡(luò)層的設(shè)計思想被提出，這種設(shè)計相對更為復(fù)雜。 增強中繼在固定中繼和選擇中繼協(xié)作分集方案中，因為中繼節(jié)點總是重傳(放大重傳或者解碼重編碼重傳)，因此信道的自由度沒有充分利用，尤其在高速率情況下。為了改善信道自由度的利用，提出了增強中繼協(xié)作分集。增強中繼(Incremental Relaying)協(xié)作分集利用目的端有限的反饋信息，比如說用1比特信息來標(biāo)明直接傳輸(源節(jié)點到目的節(jié)點的傳輸)的成功或失敗。增強中繼協(xié)作分集可以認為是對中繼方法增加了冗余或者混合自動檢測重傳(ARQ)。在ARQ中，當(dāng)目的端通過反饋給出否定確認時，源節(jié)點就重傳，否則不重傳。在增強中繼協(xié)議中，用中繼節(jié)點重傳而不是源節(jié)點，這樣就可以獲得空域分集。例如，假定協(xié)議采用反饋和譯碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼傳輸。首先，源節(jié)點將其信息發(fā)往目的端。目的端通過向源節(jié)點和中繼節(jié)點廣播1比特信息來標(biāo)明傳輸是否成功。我們假定，該信息比特被中繼節(jié)點正確檢測。如果源節(jié)點和目的節(jié)點的信噪比（SNR）足夠高，反饋信息比特就標(biāo)明直接傳輸成功，此時中繼節(jié)點什么都不做；如果源節(jié)點和目的節(jié)點間的信噪比（SNR）不夠高，反饋信息比特要求中繼節(jié)點放大重傳它從源節(jié)點接受的信息。這種形式的協(xié)議更充分的利用了信道的自由度，因為它們只在需要時重傳，即只在目的端無法正確接收信息時發(fā)生。 本章小結(jié)協(xié)作分集是一個全新的思想，它能抵抗信道衰落的影響，提供分集增益，是目前研究熱點之一。然而對于它的實現(xiàn)和最后應(yīng)用，現(xiàn)在還處于研究階段?，F(xiàn)有的大多數(shù)研究工作都在假定協(xié)作伙伴已經(jīng)選定，在此基礎(chǔ)上研究具體的協(xié)作方案如何實現(xiàn)空域分集，提高系統(tǒng)性能。研究重點放在以中斷概率和誤幀率F(ER)等性能參數(shù)的分析和系統(tǒng)性能方面。事實上，協(xié)作關(guān)系的形成也是一個很重要的問題。本章就基于譯碼轉(zhuǎn)發(fā)的多中繼協(xié)作分集的中繼選擇方案做了簡單的討論。首先，介紹了在一般情況下基于譯碼轉(zhuǎn)發(fā)的多中繼選擇策略，其中詳細介紹了實現(xiàn)中繼選擇的兩個步驟；然后，介紹了在需要考慮在大噪聲情況下是否需要進行中繼協(xié)作的方案——動態(tài)選擇中繼方案；接著，文章假設(shè)在需要選擇中繼的情況下，介紹了最基本的兩種中繼選擇方案——基于位置信息或平均SNR的中繼選擇方案和基于即時信道狀況的中繼選擇方案，并對這兩種方案的利弊做了比較。文章的最后介紹了增強中繼技術(shù)，這是一種提高信道利用率的中繼選擇方法，是對原來中繼選擇方案的改良。第四章 基于譯碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作分集技術(shù)的性能分析 協(xié)作模型建立如上文所述，協(xié)作分集是一種全新的空域分集技術(shù)，在一個多用戶的環(huán)境中，每個單天線的移動終端都有自己的合作伙伴，每個終端在發(fā)送自己信息的同時也幫助其他終端發(fā)送信息，也就是說他們可以共享彼此之間的天線從而形成虛擬的MIMO子信道，以此來模擬MIMO系統(tǒng)通信，為MIMO技術(shù)提供了一種可選擇的解決方案。這種協(xié)作通信方式可以像MIMO系統(tǒng)一樣提升系統(tǒng)容量、增大數(shù)據(jù)傳輸速率、有效對抗衰落以及降低系統(tǒng)的服務(wù)中斷概率，提高系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量和可靠性等。為了分析協(xié)作分集在提高數(shù)據(jù)率方面的性能，本章從多中繼信道的信道容量和終端概率這兩方面來說明它對直接傳輸系統(tǒng)傳輸性能的提高。為了簡便起見，我們以兩用戶協(xié)作為例，建立了系統(tǒng)信道模型。 用戶1 基站 用戶2 兩用戶協(xié)作系統(tǒng)模型圖模型建立的基本前提是，兩個用戶都有自己的信息需要傳輸，記為Xi（i=1,2），并且兩個用戶協(xié)作傳輸，以便將信息以最高速率發(fā)送到接收端。為了將接收方與移動終端的接收單元相區(qū)別，盡管協(xié)作分集適用于蜂窩系統(tǒng)之外的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，我們還是假設(shè)