【導(dǎo)讀】線技術(shù)的實施帶來了困難。協(xié)作分集技術(shù)作為一種虛擬多天線技術(shù)，可以通過中。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)前無線通信領(lǐng)域的。一個新的研究熱點。由于APR方案需要利用所有可獲。得的信道，因而在多中繼場景下，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，從而帶來全分集增益。文獻(xiàn)提出在總能量受限的情況下選

　　

【正文】 時以及它們的混合應(yīng)用，但是這些方法都沒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的載波頻率受偽隨機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，而跳時技術(shù)在時間上也有類似的結(jié)論。協(xié)作分集技術(shù)從另一個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、跳時的結(jié)論推出，隨著參與用戶數(shù)、空跳幅度以及跳速的提高，空跳增益將會越大。 協(xié)作分集面臨的問題 第一個重要的問題，是在多用戶網(wǎng)絡(luò)中合作伙伴如何分配和管理。換句話說，怎樣去確定與哪些用戶進(jìn)行協(xié)作，多長時間對合作的用戶進(jìn)行重新分配。對于蜂窩系統(tǒng)，用戶都與一個中心 基站 進(jìn)行通信，這樣可以提供一種集中控制機制， 假設(shè)基站已知用戶間的所有信道信息，那么就可以根據(jù)一個性能優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)（比如平均誤塊率）來分配合作伙伴。而對于像 Ad Hoc 這樣的非集中控制網(wǎng)絡(luò)，它們需要一個分布式的協(xié)作協(xié)議，用戶可以在任意時間獨立的決定與哪一個用戶進(jìn)行 協(xié)作該分布式協(xié)議的難點是在不增加額外系統(tǒng)資源的前提下，如何保證所有用戶的公平性。 第二個重要問題，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。在簡單的檢測中繼模式中，基站需要知道協(xié)作終端間的信道差錯概率；在放大中繼模式中，基站要估計協(xié)作終端間信道的狀態(tài)信息；對編碼協(xié)作模式及選擇檢測中繼模式來說， 雖然基站不需要知道有關(guān)信道的信息，但它要知道移動終端之間是否進(jìn)行了協(xié)作、跟誰協(xié)作，或具體一點基站需要知道第二幀的信息到底是誰的。第三個重要的問題是同步問題，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。但這在實際中是難以實現(xiàn)的。與目前的有線同步網(wǎng)絡(luò)不同，協(xié)作分集中同一信息是由多個協(xié)作者發(fā)往目的端的，如果多個協(xié)作者到日的端的時延不同，則協(xié)作者之間的同步問題與協(xié)作者和目的端的同步問題是相互矛盾的。以現(xiàn)有的同步機制，如果做到了多個協(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。對于蜂窩移動通信系統(tǒng)下的協(xié)作分集而言，有可能做到用戶的準(zhǔn)同步。但是，對于自組織網(wǎng)絡(luò)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)而言，多個用戶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)點的作用是形成主信道，它是單純作為中繼而存在的，本身沒有信息要傳送，而在協(xié)作通信中用戶既是信源又是中繼，因為每個用戶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) 點的作用是協(xié)助和增強主信道。此外，傳統(tǒng)的中繼通信沒有分集的功能，而協(xié)作通信通過協(xié)作可以使單天線用戶也獲得分集增益。協(xié)作通信具有非常廣闊的應(yīng)用前景，可應(yīng)用于蜂窩移動通信系統(tǒng)、無線 Adhoc 網(wǎng)絡(luò)、無線 Sensor 網(wǎng)絡(luò)和無線局域網(wǎng)等多種場合。協(xié)作通信的基本思想是為系統(tǒng)中的每個用戶分配一個或多個協(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幫助其伙伴傳輸信息，這樣，每個用戶在傳輸信息的過程 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。 一種建立協(xié)作通信的方法包括接收來自發(fā)起客戶機的與指定用戶進(jìn)行協(xié)作通信的請求的步驟?？墒鼓苤虚g客戶機，該中間客戶機可以被設(shè)置在一個通過互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議網(wǎng)絡(luò)與發(fā)起客戶機通信連接的服務(wù)器中?？梢源_定 一個與指定用戶相關(guān)的移動設(shè)備。在中間客戶機和移動設(shè)備之間的通信會話可以通過無線網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)。通過使用中間客戶機作為通信中介，可以在發(fā)起客戶機與移動設(shè)備之間傳送至少一個協(xié)作消息。 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計論文 21 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(jìn)而得到相應(yīng)的分集增益，改善移動通信系統(tǒng)的性能。 1979 年， Cover 和 Gamal 在對中繼信道的研究中，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)點工作在相同的頻段上 ，從而將系統(tǒng)劃分成一個廣播信道和一個多址信道。而后對協(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)志對協(xié)作通信的研究正式開始了。 協(xié)作通信在無信通信系統(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(luò)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(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)點對源節(jié)點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)點不對接收的信號進(jìn)行解調(diào)和解碼，而是直接將收到的信號進(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 也被稱作非再生中繼方式，其本質(zhì)是一種模擬信號的處理方式。 AF 方式最簡單，而且由于目的節(jié)點可接收到兩路獨立的 衰落信號，AF 可獲得滿分集增益，性能良好。由于中繼節(jié)點在放大信號的同時也放大了源 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）中繼接收到信號后，將對信號進(jìn)行解調(diào)和解碼 (如果沒有編碼則不需要解碼 )，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行 CRC 校驗，如果數(shù)據(jù)正確，就按照信源的編碼調(diào)制方式將信號進(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)計論文 22 出去 。如果數(shù)據(jù)不正確即將幀丟棄。 DF 也被稱作再生中繼方式，其本質(zhì)是一種數(shù)字信號的處理方式。 DF 方式不會帶來噪聲傳播問題，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，得不到滿分集階數(shù)。中繼節(jié)點對源節(jié)點信息解碼錯誤所帶來的誤差會隨著跳數(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)點信道傳輸特性的好壞對 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：對正確解出的合作伙伴的信號重新進(jìn)行編碼；即，中繼節(jié)點接收來自于基站端已被噪聲干擾的信號，同時，它將對信號進(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)送給用戶端。 每個用戶都試圖為它的伙伴傳送冗余信息。 當(dāng)這一操作無法實現(xiàn)時，用戶就自動返回到非編碼協(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（空時編碼協(xié)作）將空時編碼思想應(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(luò)編碼協(xié)作）網(wǎng)絡(luò)節(jié)點將接收到的信息進(jìn)行編碼后再轉(zhuǎn)發(fā)出去的多點傳送技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行編碼后再發(fā)送，從而可提高整個網(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，且無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的信息交互也完全可以運用網(wǎng)絡(luò)編碼理論來實現(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)雜度西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計論文 23 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。 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計論文 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 中繼是兩點間的一條傳輸信道，這兩點通常是交換中心。中繼線是承載多條邏輯鏈路的一條物理連接。 無線通信中，中繼的概念是指允許大量的用戶在一個小區(qū)內(nèi)共享相對較小數(shù)量的信道，即從可用信道庫中給每個用戶按需分 配信道。 中繼信道的原理 在中繼的無線系統(tǒng)中，每個用戶只是在有呼叫時才分配一個信道，一旦通話終止，原先占用的信道就立即回到可用信道庫中。 根據(jù)用戶行為的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，中繼使固定數(shù)量的信道或線路可為一個數(shù)量更大的、隨機的用戶群體服務(wù)。電話公司根據(jù)中繼理論來決定那些有成百上千臺電話的辦公大樓所需分配的線路數(shù)目。中繼理論也用在蜂窩無線系統(tǒng)的設(shè)計中，在可用的電話線路數(shù)目與在呼叫高峰時沒有線路可用的可能性之間有一個折中。當(dāng)電話線路減少時，對于一個特定的用戶，所有線路都忙的可能性變大。在中繼的移動無線系統(tǒng)中， 當(dāng)所有的無線信道都被占用而用戶又請求服務(wù)時，則發(fā)生呼叫阻塞或系統(tǒng)拒絕接入。在一些系統(tǒng)中，可能用排隊的方法來保存正在請求通話的用戶信息，直到有信道為止。 中繼協(xié)議存在的問題及解決的方法 由于能抵抗信道衰落的影響 , 協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)成為近年來無線通信領(lǐng)域一個重要的研究方向 ， 協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)一般包括一個源節(jié)點 ,一個目的節(jié)點中繼節(jié)點要求比較簡單 ,且不需要解碼 ,因此成為一個研究的熱點 .不同的中繼節(jié)點一般在正交的信道上進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)信號 ,否則相互間容易引起干擾 .常用的有 :時分方式 (各個西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計論文 25 節(jié)點在不同的時隙上轉(zhuǎn)發(fā) )和頻分方式 (各個節(jié)點在不同的頻帶上同時轉(zhuǎn)發(fā) )。 中繼信道可以說是源與目的之間直接信道的一個輔助信道。協(xié)作通信過程中一個很關(guān)鍵的方面就是對來自中繼的源點的信息處理。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，中繼只是簡單的量化并放大接收到的信號，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量化并重新編碼后發(fā)送給接收機。這種協(xié)議稱為譯碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼協(xié)議。 中繼具有便于實施的優(yōu)點，但其缺點是低的頻譜效率。這是因為一般的信道資源都用來中繼轉(zhuǎn)發(fā)，這就降低了整個系統(tǒng)的速率。尤其當(dāng)源到目的的信道不是很差 的時候，因為在這樣的場景下，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)，來試圖解決這一問題。 在選擇中繼方案中，如果中繼接收到的信噪比超過了某個門限，則中繼對信號進(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限，則中繼不轉(zhuǎn)發(fā)，這就稱為增量中繼。這種情況下，一個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，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： , , , , , ,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。在這個協(xié)議下，中繼將源的信息放大后轉(zhuǎn)發(fā)目的，目的對源到中繼的信道衰落進(jìn)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 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)計論文 26 因此，中繼發(fā)送的信號為 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 是來自源和中繼兩個鏈路的信噪比之和。源到目的信噪比為 2, sdsdSN R h?? （ 43）其中 0/PN??