【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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。 協(xié)作通信是中繼和分集技術(shù)的融合，為了在無(wú)線通信環(huán)境中獲得分集增益，可以選擇一個(gè)固定的或者移動(dòng)的中繼基站對(duì)接收到的信源端數(shù)據(jù)處理并轉(zhuǎn)發(fā)給信宿，通過(guò)在終端的信號(hào)合并達(dá)到分集的目的。無(wú)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(dòng)臺(tái)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(dòng)臺(tái)可以按照一定的方式來(lái)共享彼此的天線從而產(chǎn)生一個(gè)虛擬MIMO系統(tǒng)，從而獲得發(fā)分集增益。該方法使用帶有一根天線的移動(dòng)臺(tái)，在多用戶環(huán)境中可以共享其他移動(dòng)用戶的天線，這樣可產(chǎn)生多根虛擬發(fā)射天線，進(jìn)而得到相應(yīng)的分集增益，改善移動(dòng)通信系統(tǒng)的性能。協(xié)作通信在無(wú)信通信系統(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(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)的重要理論基礎(chǔ)也包含協(xié)作通信理論。圖 31協(xié)作通信的簡(jiǎn)單模型目前，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(mén)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。協(xié)作分集技術(shù)起源于Cover和E1 Gamal對(duì)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(hào)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(hào)發(fā)送一個(gè)相關(guān)信號(hào)X’至目的端C，因此，該模型可以分解為一個(gè)廣播信道(A發(fā)射，B和C接收)和一個(gè)多點(diǎn)接入信道(A和B發(fā)射，C接收)。通過(guò)對(duì)中繼信道的信道容量的計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在一定程度上整個(gè)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(shuō)，協(xié)作通信與中繼信道模型類似，所不同的是每個(gè)用戶作為源的同時(shí)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(shí)也可以傳輸其自身數(shù)據(jù)，如圖33所示。在該模型中，兩個(gè)用戶的上行信道是相互獨(dú)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(shí)發(fā)送和接受信號(hào)。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(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)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?chē)?yán)重，用戶l的信息也可以通過(guò)用戶2的上行信道成功傳輸，從而實(shí)現(xiàn)了協(xié)作通信。l 階段1，源發(fā)送信息到目的，同時(shí)，中繼也接到到源發(fā)送的信息。l 階段2，中繼2通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)或者重新發(fā)送源的信息來(lái)幫助源。目的和中繼接收到的信號(hào)分別為： () ()階段2中，中繼將處理后的源信號(hào)向目的轉(zhuǎn)發(fā)，目的接收到的信號(hào)為 () 根據(jù)中繼實(shí)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(jiǎn)單的協(xié)作分集協(xié)議，如圖34(a)所示。每個(gè)用戶接收協(xié)作伙伴經(jīng)由衰落信道發(fā)送來(lái)的信號(hào)，繼而對(duì)該附加了噪聲的信號(hào)進(jìn)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(lái)自源用戶和協(xié)作用戶的信號(hào)，最終對(duì)發(fā)送的各比特信息進(jìn)行判決。盡管該方法在放大信號(hào)的同時(shí)也放大了噪聲，但目的端接收到關(guān)于信號(hào)的多個(gè)獨(dú)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(jì)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(lái)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(dǎo)了準(zhǔn)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(shí)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(shí)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(shí)際實(shí)現(xiàn)時(shí)，必須考慮信道估計(jì)的最優(yōu)機(jī)制?？傮w來(lái)說(shuō)，AF協(xié)議的理論分析相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)于進(jìn)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(shí)向協(xié)作用戶和目的端廣播發(fā)送自身信號(hào)，協(xié)作用戶試圖對(duì)接收到的源用戶信號(hào)進(jìn)行譯碼，然后將重新編碼的信號(hào)發(fā)送至目的端。目的端接收到兩個(gè)獨(dú)立衰落的信號(hào)樣本，按照一定方式對(duì)其進(jìn)行合并，并對(duì)合并信號(hào)進(jìn)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(hào)，可以避免放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議對(duì)噪聲的放大。但是，協(xié)作用戶在譯碼時(shí)有可能出現(xiàn)錯(cuò)誤，轉(zhuǎn)發(fā)至目的端使得錯(cuò)誤累計(jì)，從而導(dǎo)致目的端判決錯(cuò)誤。為了避免這一問(wèn)題的出現(xiàn)，衍生出一種基于循環(huán)冗余校驗(yàn)(Cyclic Redundancy Check，CRC)的譯碼轉(zhuǎn)發(fā)模式。在這種模式下，各個(gè)用戶的發(fā)送信號(hào)中引入CRC冗余，協(xié)作用戶對(duì)接收到的信號(hào)譯碼判決后進(jìn)行CRC校驗(yàn)，若校驗(yàn)結(jié)果正確則轉(zhuǎn)發(fā)該信號(hào)分組，否則不進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。這種模式通過(guò)損失一定的頻譜效率避免了錯(cuò)誤的傳播，在高信噪比條件下，其性能優(yōu)于無(wú)CRC校驗(yàn)的DF模式；然而在低信噪比區(qū)域，其性能反而會(huì)比無(wú)CRC校驗(yàn)的DF模式差，其原因是丟棄分組會(huì)損失一定的能量，從而降低了信號(hào)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(lái)，如圖34(c)所示，其基本思想是每個(gè)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(dòng)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(hào)的多個(gè)衰落樣本不同，CC模式可以避免協(xié)作伙伴間信息的重復(fù)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(yàn)以避免錯(cuò)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(dá)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(gè)用戶） 特殊協(xié)議STCC（空時(shí)編碼協(xié)作）是將空時(shí)編碼思想應(yīng)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(gè)移動(dòng)終端可在自己和其協(xié)作伙伴的多址信道上同時(shí)發(fā)送信息。而在一般編碼協(xié)作方式中，移動(dòng)終端只能在自己的多址信道發(fā)送協(xié)作信息。若對(duì)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(shí)編碼協(xié)作方式下，各用戶則是同時(shí)發(fā)送雙方的信息。研究表明，空時(shí)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(huì)犧牲信道質(zhì)量相對(duì)較好的移動(dòng)終端的性能。NCC（網(wǎng)絡(luò)編碼協(xié)作）是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)將接收到的信息進(jìn)行編碼后再轉(zhuǎn)發(fā)出去的多點(diǎn)傳送技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)編碼的核心思想：中間節(jié)點(diǎn)不再是簡(jiǎn)單的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，而是將接收信息進(jìn)行編碼后再發(fā)送，從而可提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的容量和健壯性。網(wǎng)絡(luò)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(luò)的，但無(wú)線信道的廣播特性為網(wǎng)絡(luò)編碼的應(yīng)用提供了有利條件，且無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的信息交互也完全可以運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)編碼理論來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，網(wǎng)絡(luò)編碼和協(xié)同通信技術(shù)相結(jié)合可有效提高無(wú)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(fù)雜度高，涉及到了各種編碼技術(shù)，使得中繼節(jié)點(diǎn)信號(hào)處理的時(shí)間增長(zhǎng)、時(shí)延較大，不利于現(xiàn)代無(wú)線通信系統(tǒng)。綜合考慮多種因素，AF與DF兩種方式更實(shí)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(jiǎn)稱為AF協(xié)議，當(dāng)采用此協(xié)議時(shí)，中繼量化將接收到的信號(hào)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(hào)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(gè)協(xié)議下，中繼將源的信息放大后轉(zhuǎn)發(fā)給目的，目的對(duì)源到中繼的信道衰落進(jìn)行理想均衡。中繼只是簡(jiǎn)單地將接收信號(hào)用一個(gè)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(hào)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(lái)自源和中繼兩個(gè)鏈路的信噪比之和。源到目的信噪比為 ()其中下面我們計(jì)算估計(jì)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(hào)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(hào)為 ()其中，是中繼到目的信道系數(shù)，是加性噪聲。具體來(lái)講，這種情況下接收信號(hào)為 ()其中 ()假設(shè)噪聲和是獨(dú)立的，則等效噪聲是零均值的復(fù)高斯隨機(jī)變量，其方差為 () 通過(guò)源和中繼兩條鏈路，目的接收到了信號(hào)X的兩個(gè)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(gè)已知所有信道系數(shù)的相干接收機(jī)。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(cè)器的輸出可以寫(xiě)成 ()合并因子應(yīng)該設(shè)計(jì)來(lái)最大化合并信噪比。這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)構(gòu)成一個(gè)優(yōu)化問(wèn)題并選擇相應(yīng)的因子來(lái)解決。一個(gè)簡(jiǎn)單的方法是通過(guò)信號(hào)空間和檢測(cè)原理來(lái)設(shè)計(jì)。高斯白噪聲存在所有的空間，為了最小化噪聲的影響，檢測(cè)器應(yīng)該將接收信號(hào)映射到目的信號(hào)空間。因此，在對(duì)接收信號(hào)歸一化噪聲方差后，應(yīng)該分別沿著方向映射。因此，為 ()通過(guò)假設(shè)式()發(fā)送的符號(hào)的平均能量為1，MRC輸出的瞬時(shí)信噪比為 ()其中 ()及 ()由上式看出，放大轉(zhuǎn)發(fā)下順時(shí)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(xiě)成 ()其中 ()中斷概率可以通過(guò)對(duì)指數(shù)分布的信道增益進(jìn)行平均后獲得: ()計(jì)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?yàn)閰f(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(diǎn)的另外