【導(dǎo)讀】線(xiàn)技術(shù)的實(shí)施帶來(lái)了困難。協(xié)作分集技術(shù)作為一種虛擬多天線(xiàn)技術(shù)，可以通過(guò)中。證終端的數(shù)據(jù)接收，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能。協(xié)作分集技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域的。一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。由于APR方案需要利用所有可獲。得的信道，因而在多中繼場(chǎng)景下，APR方案的頻譜效率較低。在SRS中，文獻(xiàn)選擇端到端SNR最大的中繼節(jié)點(diǎn)，從而帶來(lái)全分集增益。文獻(xiàn)提出在總能量受限的情況下選

　　

【正文】 時(shí)以及它們的混合應(yīng)用，但是這些方法都沒(méi)有利用空間資西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 19 源，而協(xié)作分集在某種意義上可以看作是一種空跳。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(lèi)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(hù)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(hù)數(shù)、空跳幅度以及跳速的提高，空跳增益將會(huì)越大。 協(xié)作分集面臨的問(wèn)題 第一個(gè)重要的問(wèn)題，是在多用戶(hù)網(wǎng)絡(luò)中合作伙伴如何分配和管理。換句話(huà)說(shuō)，怎樣去確定與哪些用戶(hù)進(jìn)行協(xié)作，多長(zhǎng)時(shí)間對(duì)合作的用戶(hù)進(jìn)行重新分配。對(duì)于蜂窩系統(tǒng)，用戶(hù)都與一個(gè)中心 基站 進(jìn)行通信，這樣可以提供一種集中控制機(jī)制， 假設(shè)基站已知用戶(hù)間的所有信道信息，那么就可以根據(jù)一個(gè)性能優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)（比如平均誤塊率）來(lái)分配合作伙伴。而對(duì)于像 Ad Hoc 這樣的非集中控制網(wǎng)絡(luò)，它們需要一個(gè)分布式的協(xié)作協(xié)議，用戶(hù)可以在任意時(shí)間獨(dú)立的決定與哪一個(gè)用戶(hù)進(jìn)行 協(xié)作該分布式協(xié)議的難點(diǎn)是在不增加額外系統(tǒng)資源的前提下，如何保證所有用戶(hù)的公平性。 第二個(gè)重要問(wèn)題，是基站要進(jìn)行正確解碼必須知道一些協(xié)作終端的信息。在簡(jiǎn)單的檢測(cè)中繼模式中，基站需要知道協(xié)作終端間的信道差錯(cuò)概率；在放大中繼模式中，基站要估計(jì)協(xié)作終端間信道的狀態(tài)信息；對(duì)編碼協(xié)作模式及選擇檢測(cè)中繼模式來(lái)說(shuō)， 雖然基站不需要知道有關(guān)信道的信息，但它要知道移動(dòng)終端之間是否進(jìn)行了協(xié)作、跟誰(shuí)協(xié)作，或具體一點(diǎn)基站需要知道第二幀的信息到底是誰(shuí)的。第三個(gè)重要的問(wèn)題是同步問(wèn)題，目前大多數(shù)協(xié)作分集的文獻(xiàn)都假定系統(tǒng)是能夠良好同步的，即協(xié)作者之間、協(xié)作者和目的端之間都是同步的。但這在實(shí)際中是難以實(shí)現(xiàn)的。與目前的有線(xiàn)同步網(wǎng)絡(luò)不同，協(xié)作分集中同一信息是由多個(gè)協(xié)作者發(fā)往目的端的，如果多個(gè)協(xié)作者到日的端的時(shí)延不同，則協(xié)作者之間的同步問(wèn)題與協(xié)作者和目的端的同步問(wèn)題是相互矛盾的。以現(xiàn)有的同步機(jī)制，如果做到了多個(gè)協(xié)作者間的同步，就很難做到目的端與 協(xié)作者間的同步，反之亦然。對(duì)于蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)下的協(xié)作分集而言，有可能做到用戶(hù)的準(zhǔn)同步。但是，對(duì)于自組織網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)而言，多個(gè)用戶(hù)間的同步就更為困難。 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 20 第三章 協(xié)作通信的應(yīng)用與協(xié)議 協(xié)作通信的應(yīng)用 協(xié)作通信是一種新型的空間分集技術(shù)，它的思想雖然來(lái)源于中繼通信，但有別于中繼通信。首先，在傳統(tǒng)的中繼通信系統(tǒng)中，中繼節(jié)點(diǎn)的作用是形成主信道，它是單純作為中繼而存在的，本身沒(méi)有信息要傳送，而在協(xié)作通信中用戶(hù)既是信源又是中繼，因?yàn)槊總€(gè)用戶(hù)既要傳送自己的信息還要轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作伙伴的信息，中繼節(jié) 點(diǎn)的作用是協(xié)助和增強(qiáng)主信道。此外，傳統(tǒng)的中繼通信沒(méi)有分集的功能，而協(xié)作通信通過(guò)協(xié)作可以使單天線(xiàn)用戶(hù)也獲得分集增益。協(xié)作通信具有非常廣闊的應(yīng)用前景，可應(yīng)用于蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)、無(wú)線(xiàn) Adhoc 網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線(xiàn) Sensor 網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)等多種場(chǎng)合。協(xié)作通信的基本思想是為系統(tǒng)中的每個(gè)用戶(hù)分配一個(gè)或多個(gè)協(xié)作伙伴，協(xié)作伙伴之間有責(zé)任在傳輸自己信息的同時(shí)幫助其伙伴傳輸信息，這樣，每個(gè)用戶(hù)在傳輸信息的過(guò)程 中 既利用了自己的空間信道又利用了協(xié)作伙伴的空間信道，因而能獲取一定的空間分集增益，從而可以抵抗陰影衰落和多徑衰落，擴(kuò)大系統(tǒng)容量 ，提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量，節(jié)約網(wǎng)絡(luò)功率消耗，并增大網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。與傳統(tǒng)通信系統(tǒng)的資源分配相比，協(xié)作通信系統(tǒng)的前途更加廣闊。 協(xié)作通信 可以使具有單根天線(xiàn)的移動(dòng)臺(tái)獲得類(lèi)似于 MIMO 系統(tǒng)中的某些增益，其基本思想是在多用戶(hù)環(huán)境中，具有單根天線(xiàn)的移動(dòng)臺(tái)可以按照一定的方式來(lái)共享彼此的天線(xiàn)從而產(chǎn)生一個(gè)虛擬 MIMO 系統(tǒng)，從而獲得發(fā)分集增益。 一種建立協(xié)作通信的方法包括接收來(lái)自發(fā)起客戶(hù)機(jī)的與指定用戶(hù)進(jìn)行協(xié)作通信的請(qǐng)求的步驟?？墒鼓苤虚g客戶(hù)機(jī)，該中間客戶(hù)機(jī)可以被設(shè)置在一個(gè)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議網(wǎng)絡(luò)與發(fā)起客戶(hù)機(jī)通信連接的服務(wù)器中?？梢源_定 一個(gè)與指定用戶(hù)相關(guān)的移動(dòng)設(shè)備。在中間客戶(hù)機(jī)和移動(dòng)設(shè)備之間的通信會(huì)話(huà)可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)使用中間客戶(hù)機(jī)作為通信中介，可以在發(fā)起客戶(hù)機(jī)與移動(dòng)設(shè)備之間傳送至少一個(gè)協(xié)作消息。 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 21 該方法使用帶有一根天線(xiàn)的移動(dòng)臺(tái)，在多用戶(hù)環(huán)境中可以共享其他移動(dòng)用戶(hù)的天線(xiàn)，這樣可產(chǎn)生多根虛擬發(fā)射天線(xiàn)，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。 1979 年， Cover 和 Gamal 在對(duì)中繼信道的研究中，首次提到了協(xié)作通信的模型。他們研究了有源和目的三節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的 AWFN 中繼通信網(wǎng)絡(luò)模型的信道容量，其中的所有節(jié)點(diǎn)工作在相同的頻段上 ，從而將系統(tǒng)劃分成一個(gè)廣播信道和一個(gè)多址信道。而后對(duì)協(xié)作通信的研究基本都以此為基礎(chǔ)。而 Lanema、 Sendonaris 等人的眼界標(biāo)志對(duì)協(xié)作通信的研究正式開(kāi)始了。 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(hù)終端間的協(xié)作通信（多用戶(hù)協(xié)作）兩種方式?？紤]到移動(dòng)終端只配置 1 到 2 跟天線(xiàn)，為了保證天線(xiàn)數(shù)受限的終端用戶(hù)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(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)中，為提高傳輸速率，提出了多用戶(hù)協(xié)作分集即多個(gè)用戶(hù)相互協(xié)作從而實(shí)現(xiàn)類(lèi)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(xiàn)中繼技術(shù)的重要理論基礎(chǔ)也包含協(xié)作通信理論。 協(xié)作通信的協(xié)議 根據(jù)中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)源節(jié)點(diǎn)信息處理方式的不同可分為放大轉(zhuǎn)發(fā) (AF)、解碼轉(zhuǎn)發(fā) (DF)、編碼協(xié)作 (CC)、空時(shí)編碼協(xié)作 (STCC)和網(wǎng)絡(luò)編碼協(xié)作 (NCC)等多種方式。 AF（放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作）基本思想：指中繼節(jié)點(diǎn)不對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和解碼，而是直接將收到的信號(hào)進(jìn)行模擬處理后轉(zhuǎn)發(fā)，這是采用最早的一種協(xié)同模式。 AF 也被稱(chēng)作非再生中繼方式，其本質(zhì)是一種模擬信號(hào)的處理方式。 AF 方式最簡(jiǎn)單，而且由于目的節(jié)點(diǎn)可接收到兩路獨(dú)立的 衰落信號(hào)，AF 可獲得滿(mǎn)分集增益，性能良好。由于中繼節(jié)點(diǎn)在放大信號(hào)的同時(shí)也放大了源 中繼信道引入的噪聲，因此 AF 方式存在著噪聲傳播效應(yīng)。 DF（譯碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作）中繼接收到信號(hào)后，將對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和解碼 (如果沒(méi)有編碼則不需要解碼 )，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行 CRC 校驗(yàn)，如果數(shù)據(jù)正確，就按照信源的編碼調(diào)制方式將信號(hào)進(jìn)行編碼 (如果有編碼 )和調(diào)制，再將數(shù)據(jù)發(fā)射西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 22 出去 。如果數(shù)據(jù)不正確即將幀丟棄。 DF 也被稱(chēng)作再生中繼方式，其本質(zhì)是一種數(shù)字信號(hào)的處理方式。 DF 方式不會(huì)帶來(lái)噪聲傳播問(wèn)題，但受源 中繼端信道傳輸性能影響較大，若編碼方式不采用 CRC（ Cyclical Redundancy Check)碼，得不到滿(mǎn)分集階數(shù)。中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)源節(jié)點(diǎn)信息解碼錯(cuò)誤所帶來(lái)的誤差會(huì)隨著跳數(shù)的增加而不斷累積，從而影響到分集效果和中繼性能。這表明源 中繼節(jié)點(diǎn)信道傳輸特性的好壞對(duì) DF 方式協(xié)同通信系統(tǒng)的性能有很大影響。 CC(編碼協(xié)作方式 )基本思想：對(duì)正確解出的合作伙伴的信號(hào)重新進(jìn)行編碼；即，中繼節(jié)點(diǎn)接收來(lái)自于基站端已被噪聲干擾的信號(hào)，同時(shí)，它將對(duì)信號(hào)進(jìn)行解碼處理，以獲得原始信息。然后再將其獲得的信息重新編碼，以一定功率發(fā)送給用戶(hù)端。 每個(gè)用戶(hù)都試圖為它的伙伴傳送冗余信息。 當(dāng)這一操作無(wú)法實(shí)現(xiàn)時(shí)，用戶(hù)就自動(dòng)返回到非編碼協(xié)同模式，傳輸自己后續(xù)的信息。中繼傳輸?shù)牟辉偈桥c信源相同的數(shù)。 STCC（空時(shí)編碼協(xié)作）將空時(shí)編碼思想應(yīng)用到編碼協(xié)作方式中；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(huà)，編碼協(xié)作方式下，各用戶(hù)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(hù)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(mǎn)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）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(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的，但無(wú)線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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)雜度西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 23 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(xiàn)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。 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 24 第四章 選擇 AF 中繼協(xié)議研究 中繼信道及協(xié)議 中繼信道的概念 中繼是兩點(diǎn)間的一條傳輸信道，這兩點(diǎn)通常是交換中心。中繼線(xiàn)是承載多條邏輯鏈路的一條物理連接。 無(wú)線(xiàn)通信中，中繼的概念是指允許大量的用戶(hù)在一個(gè)小區(qū)內(nèi)共享相對(duì)較小數(shù)量的信道，即從可用信道庫(kù)中給每個(gè)用戶(hù)按需分 配信道。 中繼信道的原理 在中繼的無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)中，每個(gè)用戶(hù)只是在有呼叫時(shí)才分配一個(gè)信道，一旦通話(huà)終止，原先占用的信道就立即回到可用信道庫(kù)中。 根據(jù)用戶(hù)行為的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，中繼使固定數(shù)量的信道或線(xiàn)路可為一個(gè)數(shù)量更大的、隨機(jī)的用戶(hù)群體服務(wù)。電話(huà)公司根據(jù)中繼理論來(lái)決定那些有成百上千臺(tái)電話(huà)的辦公大樓所需分配的線(xiàn)路數(shù)目。中繼理論也用在蜂窩無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，在可用的電話(huà)線(xiàn)路數(shù)目與在呼叫高峰時(shí)沒(méi)有線(xiàn)路可用的可能性之間有一個(gè)折中。當(dāng)電話(huà)線(xiàn)路減少時(shí)，對(duì)于一個(gè)特定的用戶(hù)，所有線(xiàn)路都忙的可能性變大。在中繼的移動(dòng)無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)中， 當(dāng)所有的無(wú)線(xiàn)信道都被占用而用戶(hù)又請(qǐng)求服務(wù)時(shí)，則發(fā)生呼叫阻塞或系統(tǒng)拒絕接入。在一些系統(tǒng)中，可能用排隊(duì)的方法來(lái)保存正在請(qǐng)求通話(huà)的用戶(hù)信息，直到有信道為止。 中繼協(xié)議存在的問(wèn)題及解決的方法 由于能抵抗信道衰落的影響 , 協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)成為近年來(lái)無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域一個(gè)重要的研究方向 ， 協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)一般包括一個(gè)源節(jié)點(diǎn) ,一個(gè)目的節(jié)點(diǎn)中繼節(jié)點(diǎn)要求比較簡(jiǎn)單 ,且不需要解碼 ,因此成為一個(gè)研究的熱點(diǎn) .不同的中繼節(jié)點(diǎn)一般在正交的信道上進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào) ,否則相互間容易引起干擾 .常用的有 :時(shí)分方式 (各個(gè)西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 25 節(jié)點(diǎn)在不同的時(shí)隙上轉(zhuǎn)發(fā) )和頻分方式 (各個(gè)節(jié)點(diǎn)在不同的頻帶上同時(shí)轉(zhuǎn)發(fā) )。 中繼信道可以說(shuō)是源與目的之間直接信道的一個(gè)輔助信道。協(xié)作通信過(guò)程中一個(gè)很關(guān)鍵的方面就是對(duì)來(lái)自中繼的源點(diǎn)的信息處理。中繼的處理根據(jù)所采用的協(xié)議而有所不同。當(dāng)采用放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼協(xié)議時(shí)，中繼只是簡(jiǎn)單的量化并放大接收到的信號(hào)，然后將其轉(zhuǎn)發(fā)給目的端。另一種處理方式是中繼將接收到的信號(hào)量化并重新編碼后發(fā)送給接收機(jī)。這種協(xié)議稱(chēng)為譯碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼協(xié)議。 中繼具有便于實(shí)施的優(yōu)點(diǎn)，但其缺點(diǎn)是低的頻譜效率。這是因?yàn)橐话愕男诺蕾Y源都用來(lái)中繼轉(zhuǎn)發(fā)，這就降低了整個(gè)系統(tǒng)的速率。尤其當(dāng)源到目的的信道不是很差 的時(shí)候，因?yàn)樵谶@樣的場(chǎng)景下，源發(fā)送到目的大部分信息可以被目的正確接收，則中繼的轉(zhuǎn)發(fā)就浪費(fèi)了。采用自適應(yīng)中繼技術(shù)，包括選擇中繼和增量中繼技術(shù)，來(lái)試圖解決這一問(wèn)題。 在選擇中繼方案中，如果中繼接收到的信噪比超過(guò)了某個(gè)門(mén)限，則中繼對(duì)信號(hào)進(jìn)行譯碼轉(zhuǎn)發(fā)。否則，如果源到中繼的信道經(jīng)歷嚴(yán)重的衰落以至于信噪比低于該門(mén)限，則中繼不轉(zhuǎn)發(fā)，這就稱(chēng)為增量中繼。這種情況下，一個(gè)從目的到源的反饋信道是有必要的。 協(xié)作策略 當(dāng)采用 AF 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： , , , , , ,s d s d s d s r s r s ry P h S n y P h S n? ? ? ? （ 41） 其中， ,sdh ， ,srh 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。 ,sdn , ,srn 表示零均值且方差為 0N 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)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 2,0r srPP h N? ? ? （ 42） 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 26 因此，中繼發(fā)送的信號(hào)為 r? ,sry ，發(fā)射功率 P 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 2, sdsdSN R h?? （ 43）其中 0/PN??