【文章內(nèi)容簡介】 行適當?shù)男盘柼幚硭惴ǎ嘟K端能處理從其他節(jié)點偵聽到的傳輸信號，并且通過彼此的中繼信息進行協(xié)作。中繼信息隨后在目的節(jié)點進行組合以產(chǎn)生空間分集。這就產(chǎn)生了這樣一個網(wǎng)絡，它可以被認為是一個執(zhí)行分布式多天線的系統(tǒng)，協(xié)作節(jié)點為彼此產(chǎn)生了不同信號路徑。 協(xié)作通信是中繼和分集技術(shù)的融合，為了在無線通信環(huán)境中獲得分集增益，可以選擇一個固定的或者移動的中繼基站對接收到的信源端數(shù)據(jù)處理并轉(zhuǎn)發(fā)給信宿，通過在終端的信號合并達到分集的目的。無線協(xié)作中繼技術(shù)主要包括放大轉(zhuǎn)發(fā)AF協(xié)議、譯碼轉(zhuǎn)發(fā)DF協(xié)議和編碼協(xié)作CC等。協(xié)作通信可以使具有單根天線的移動臺獲得類似于MIMO系統(tǒng)中的某些增益，其基本思想是在多用戶環(huán)境中，具有單根天線的移動臺可以按照一定的方式來共享彼此的天線從而產(chǎn)生一個虛擬MIMO系統(tǒng)，從而獲得發(fā)分集增益。該方法使用帶有一根天線的移動臺，在多用戶環(huán)境中可以共享其他移動用戶的天線，這樣可產(chǎn)生多根虛擬發(fā)射天線，進而得到相應的分集增益，改善移動通信系統(tǒng)的性能。協(xié)作通信在無信通信系統(tǒng)中有多種應用，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。考慮到移動終端只配置1到2跟天線，為了保證天線數(shù)受限的終端用戶也能獲得MIMO增益，提出了協(xié)作MIMO的概念。另外，在多跳無線通信網(wǎng)絡中，為提高傳輸速率，提出了多用戶協(xié)作分集即多個用戶相互協(xié)作從而實現(xiàn)類似MIMO的傳輸方案以獲得分集增益。而目前非常熱門的無線中繼技術(shù)的重要理論基礎也包含協(xié)作通信理論。圖 31協(xié)作通信的簡單模型目前，協(xié)作通信已經(jīng)受到了國內(nèi)外廣泛的關(guān)注，許多相關(guān)課題已經(jīng)或者正在展開，各種新的技術(shù)不斷出現(xiàn)。在國際上，無線世界研究論壇（WWRF）已經(jīng)成立了關(guān)于中繼的分組委員會專門開展對此技術(shù)的研究，并發(fā)表了相關(guān)研究的白皮書。很多知名國際期刊、會議也單獨列出了子方向?qū)f(xié)作通信技術(shù)進行報道，世界上已有多所大學的實驗室開展看這方面的研究。協(xié)作分集技術(shù)起源于Cover和E1 Gamal對中繼信道的研究。中繼信道模型如圖32所示，發(fā)射端A發(fā)送信號X至中繼端B和目的端C，之后中繼端B根據(jù)其接收信號發(fā)送一個相關(guān)信號X’至目的端C，因此，該模型可以分解為一個廣播信道(A發(fā)射，B和C接收)和一個多點接入信道(A和B發(fā)射，C接收)。通過對中繼信道的信道容量的計算發(fā)現(xiàn)，在一定程度上整個中繼信道(信道AB和BC)的容量性能優(yōu)于直接傳輸信道(信道AC)的性能。圖32 中繼信道模型從某種意義上說，協(xié)作通信與中繼信道模型類似，所不同的是每個用戶作為源的同時也作為另一用戶的中繼，即協(xié)作模型中的用戶在協(xié)助其他用戶的同時也可以傳輸其自身數(shù)據(jù)，如圖33所示。在該模型中，兩個用戶的上行信道是相互獨立的衰落信道，系統(tǒng)采用半雙工工作模式，即用戶不能同時發(fā)送和接受信號。圖33協(xié)作分集模型通常情況下，用戶1和用戶2可以統(tǒng)一分配系統(tǒng)功率和帶寬資源，相互幫助以實現(xiàn)對基站的傳輸；在極限情況下，用戶2用分配給它的所有資源幫助用戶1傳輸信息，此時用戶l成為信源，而用戶2成為中繼，即使用戶1到基站的上行信道衰落很嚴重，用戶l的信息也可以通過用戶2的上行信道成功傳輸，從而實現(xiàn)了協(xié)作通信。l 階段1，源發(fā)送信息到目的，同時，中繼也接到到源發(fā)送的信息。l 階段2，中繼2通過轉(zhuǎn)發(fā)或者重新發(fā)送源的信息來幫助源。目的和中繼接收到的信號分別為： () ()階段2中，中繼將處理后的源信號向目的轉(zhuǎn)發(fā)，目的接收到的信號為 () 根據(jù)中繼實現(xiàn)方式，協(xié)作分集技術(shù)主要分為三類：放大轉(zhuǎn)發(fā)(Amplify and Forward，AF)、譯碼轉(zhuǎn)發(fā)(Decode and Forward，DF)以及編碼協(xié)作(Coded Cooperation，CC)等多種協(xié)議。放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議是最簡單的協(xié)作分集協(xié)議，如圖34(a)所示。每個用戶接收協(xié)作伙伴經(jīng)由衰落信道發(fā)送來的信號，繼而對該附加了噪聲的信號進行放大，并重新轉(zhuǎn)發(fā)至目的端。目的端接收并按照一定方式合并來自源用戶和協(xié)作用戶的信號，最終對發(fā)送的各比特信息進行判決。盡管該方法在放大信號的同時也放大了噪聲，但目的端接收到關(guān)于信號的多個獨立衰落樣本，因此能夠獲得分集增益。放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議最早由J ．N．Laneman提出，其計算了未編碼放大轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)的誤碼率，并且證明了即使放大了來自協(xié)作伙伴的噪聲，放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議的性能也顯著優(yōu)于非協(xié)作的直接傳輸方式；繼而Lanemen，Womell等推導了準靜態(tài)瑞利衰落信道下放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議的中斷概率，證明了兩用戶協(xié)作系統(tǒng)可以實現(xiàn)二階完全分集，比非協(xié)作傳輸模式獲得更大的增益。在放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議中，為實現(xiàn)最佳譯碼，假定目的端己知各用戶間的信道狀態(tài)信息(CSI)，而在實際實現(xiàn)時，必須考慮信道估計的最優(yōu)機制?？傮w來說，AF協(xié)議的理論分析相對簡單，對于進一步理解協(xié)作通信系統(tǒng)非常有用。譯碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議與傳統(tǒng)中繼協(xié)議方式最為接近，如圖34(b)所示。源用戶同時向協(xié)作用戶和目的端廣播發(fā)送自身信號，協(xié)作用戶試圖對接收到的源用戶信號進行譯碼，然后將重新編碼的信號發(fā)送至目的端。目的端接收到兩個獨立衰落的信號樣本，按照一定方式對其進行合并，并對合并信號進行最終的譯碼判決。譯碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議由于在協(xié)作用戶處發(fā)送重新編碼的信號，可以避免放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議對噪聲的放大。但是，協(xié)作用戶在譯碼時有可能出現(xiàn)錯誤，轉(zhuǎn)發(fā)至目的端使得錯誤累計，從而導致目的端判決錯誤。為了避免這一問題的出現(xiàn)，衍生出一種基于循環(huán)冗余校驗(Cyclic Redundancy Check，CRC)的譯碼轉(zhuǎn)發(fā)模式。在這種模式下，各個用戶的發(fā)送信號中引入CRC冗余，協(xié)作用戶對接收到的信號譯碼判決后進行CRC校驗，若校驗結(jié)果正確則轉(zhuǎn)發(fā)該信號分組，否則不進行轉(zhuǎn)發(fā)。這種模式通過損失一定的頻譜效率避免了錯誤的傳播，在高信噪比條件下，其性能優(yōu)于無CRC校驗的DF模式；然而在低信噪比區(qū)域，其性能反而會比無CRC校驗的DF模式差，其原因是丟棄分組會損失一定的能量，從而降低了信號在接收端的信噪比。編碼協(xié)作最早由Hunter提出，它將信道編碼與協(xié)作分集結(jié)合起來，如圖34(c)所示，其基本思想是每個用戶試圖轉(zhuǎn)發(fā)其協(xié)作伙伴數(shù)據(jù)的冗余信息，如果不成功則自動轉(zhuǎn)為非協(xié)作傳輸模式。與AF和DF模式中目的端合并同一信號的多個衰落樣本不同，CC模式可以避免協(xié)作伙伴間信息的重復發(fā)送，在相同條件下可以獲得更大的編碼增益。協(xié)作用戶同樣采用CRC校驗以避免錯誤的累積傳播。編碼協(xié)作模式在完全協(xié)作條件下能夠達N階完全分集，并且可以獲得更大的編碼增益。圖34 協(xié)作分集的三種模型（只考慮單個用戶） 特殊協(xié)議STCC（空時編碼協(xié)作）是將空時編碼思想應用到編碼協(xié)作的一種方式,與一般編碼協(xié)作方式最大的不同，每個移動終端可在自己和其協(xié)作伙伴的多址信道上同時發(fā)送信息。而在一般編碼協(xié)作方式中，移動終端只能在自己的多址信道發(fā)送協(xié)作信息。若對協(xié)作伙伴的信息解碼成功的話，編碼協(xié)作方式下，各用戶均只在自己的信道上發(fā)送同伴的信息；而空時編碼協(xié)作方式下，各用戶則是同時發(fā)送雙方的信息。研究表明，空時編碼協(xié)作方式在快衰落環(huán)境下也可以獲得滿分集增益，并且不會犧牲信道質(zhì)量相對較好的移動終端的性能。NCC（網(wǎng)絡編碼協(xié)作）是網(wǎng)絡節(jié)點將接收到的信息進行編碼后再轉(zhuǎn)發(fā)出去的多點傳送技術(shù)。網(wǎng)絡編碼的核心思想：中間節(jié)點不再是簡單的存儲轉(zhuǎn)發(fā)，而是將接收信息進行編碼后再發(fā)送，從而可提高整個網(wǎng)絡的容量和健壯性。網(wǎng)絡編碼概念的提出以及現(xiàn)在大部分相關(guān)的工作都是基于有線網(wǎng)絡的，但無線信道的廣播特性為網(wǎng)絡編碼的應用提供了有利條件，且無線網(wǎng)絡節(jié)點間的信息交互也完全可以運用網(wǎng)絡編碼理論來實現(xiàn)。因此，網(wǎng)絡編碼和協(xié)同通信技術(shù)相結(jié)合可有效提高無線通信系統(tǒng)的性能。CC、NCC與STCC的性能要優(yōu)于AF與DF方式；它們的算法復雜度高，涉及到了各種編碼技術(shù)，使得中繼節(jié)點信號處理的時間增長、時延較大，不利于現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)。綜合考慮多種因素，AF與DF兩種方式更實用一些。在固定中繼中，源到中繼的信道資源以固定的(確定的)方式劃分。中繼的處理根據(jù)采用的協(xié)議不同而不同。最常用的技術(shù)是固定AF中繼和固定DF中繼。固定放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議常被簡稱為AF協(xié)議，當采用此協(xié)議時，中繼量化將接收到的信號放大后轉(zhuǎn)發(fā)給目的。放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼信道可以建模如下。中繼和目的接收到的源發(fā)送的信號為： ()其中，分別是源到目的和源到中繼的信道衰落，并被建模成瑞利平坦衰落信道。表示零均值且方差為的加性高斯白噪聲。在這個協(xié)議下，中繼將源的信息放大后轉(zhuǎn)發(fā)給目的，目的對源到中繼的信道衰落進行理想均衡。中繼只是簡單地將接收信號用一個因子量化，該因子與接收功率成反比，可表示為 ()因此，中繼發(fā)送的信號為，發(fā)射功率與源的發(fā)射功率相同。目的接收到的信噪比是來自源和中繼兩個鏈路的信噪比之和。源到目的信噪比為 ()其中下面我們計算估計中繼到目的的接收信噪比。在階段2，中繼放大接收到的信號并以發(fā)射功率P發(fā)送給目的。根據(jù)式（），目的在階段2接收到的信號為 ()其中，是中繼到目的信道系數(shù)，是加性噪聲。具體來講，這種情況下接收信號為 ()其中 ()假設噪聲和是獨立的，則等效噪聲是零均值的復高斯隨機變量，其方差為 () 通過源和中繼兩條鏈路，目的接收到了信號X的兩個副本。最大化總信噪比的最優(yōu)方法是最大比合并（MRC）。注意，MRC合并需要一個已知所有信道系數(shù)的相干接收機。MRC輸出的信噪比等于所有分支信噪比之和。在已知下，目的MRC檢測器的輸出可以寫成 ()合并因子應該設計來最大化合并信噪比。這個問題可以通過構(gòu)成一個優(yōu)化問題并選擇相應的因子來解決。一個簡單的方法是通過信號空間和檢測原理來設計。高斯白噪聲存在所有的空間，為了最小化噪聲的影響，檢測器應該將接收信號映射到目的信號空間。因此，在對接收信號歸一化噪聲方差后，應該分別沿著方向映射。因此，為 ()通過假設式()發(fā)送的符號的平均能量為1，MRC輸出的瞬時信噪比為 ()其中 ()及 ()由上式看出，放大轉(zhuǎn)發(fā)下順時互信息量是衰落系數(shù)的函數(shù)，為 ()將兩條鏈路的信噪比代入，則互信息量可以寫成 ()其中 ()中斷概率可以通過對指數(shù)分布的信道增益進行平均后獲得: ()計算上式的積分，可得到高信噪比下的中斷概率如下 ()其中，2中的因子2是因為協(xié)作將一半的寬帶分給了中繼，因而喪失了一半的寬帶。中斷概率隨著的變小而減小，這就意味著AF協(xié)議可以獲得的分集為2。中繼節(jié)點的另外