【正文】 協(xié)作分集的優(yōu)點(diǎn)促進(jìn)MIMO技術(shù)的實(shí)用化是協(xié)作分集最大的好處，它有可能帶來(lái)無(wú)線通信領(lǐng)域的巨大變革。還在很大程度上取決于上層通信協(xié)議的設(shè)計(jì)．本文率先針對(duì)引入?yún)f(xié)作分集技術(shù)后給上層協(xié)議設(shè)計(jì)尤其是MAC協(xié)議設(shè)計(jì)帶來(lái)的諸多問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)地探討．在分析了基于協(xié)作分集技術(shù)的WSN中各種具體的通信過(guò)程的基礎(chǔ)上，本文首次抽象出“啞鈴模型”來(lái)描述新的通信模式．同時(shí)提出“接收空間”和“發(fā)送空間”的概念定義新的覆蓋模型。 協(xié)作分集技術(shù)是該領(lǐng)域最新的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。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(gè)單天線用戶在發(fā)送自己信息的同時(shí)也為自己的協(xié)議伙伴發(fā)送信息，這就形成了虛擬多無(wú)線系統(tǒng)。研究表明，分集技術(shù)能夠有效的抵抗無(wú)線通信多徑衰落帶來(lái)的影響，由此人們引出了多輸入輸出（MIMO）技術(shù)，它能夠利用無(wú)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。已有的研究表明：協(xié)作分集即使不能提升數(shù)據(jù)傳輸速率，也可以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。目前，如何在保證一定的系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)上降低MIMO技術(shù)的算法復(fù)雜度和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，成為業(yè)界面對(duì)的巨大挑戰(zhàn)。在其他無(wú)線通信系統(tǒng)研究中，如超寬帶(UWB)系統(tǒng)、感知無(wú)線電系統(tǒng)(CR)，都在考慮應(yīng)用MIMO技術(shù)。在無(wú)線寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)方面，第3代移動(dòng)通信合作計(jì)劃(3GPP)已經(jīng)在標(biāo)準(zhǔn)中加入了MIMO技術(shù)相關(guān)的內(nèi)容，B3G和4G的系統(tǒng)中也將應(yīng)用MIMO技術(shù)。除此之外的研究?jī)?nèi)容還包括：具體的同步技術(shù)、信道估計(jì)、天線選擇、發(fā)射方案、信號(hào)檢測(cè)技術(shù)等，這些問(wèn)題有待深入研究。移動(dòng)臺(tái)和小區(qū)內(nèi)鄰近的天線建立的MIMO鏈路，由于基站不同天線的位置不同，它們距離移動(dòng)臺(tái)的距離不同，使得基站端的多個(gè)天線的信號(hào)到達(dá)移動(dòng)臺(tái)的延時(shí)也不同，因此帶來(lái)新的研究問(wèn)題?？傮w上說(shuō)，分布式MIMO系統(tǒng)的信道容量更大，系統(tǒng)功耗更小，系統(tǒng)覆蓋性能更好，系統(tǒng)具有更好的擴(kuò)展性和靈活性。這樣的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不僅具備了傳統(tǒng)的分布式天線系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，減少了路徑損耗，克服了陰影效應(yīng)，同時(shí)還通過(guò)MIMO技術(shù)顯著提高了信道容量。 在采用分布式MIMO的DWCS系統(tǒng)中，分散在小區(qū)內(nèi)的多個(gè)天線通過(guò)光纖和基站處理器相連接。 傳統(tǒng)的分布式天線系統(tǒng)可以克服大尺度衰落和陰影衰落造成的信道路徑損耗，能夠在小區(qū)內(nèi)形成良好的系統(tǒng)覆蓋，解決小區(qū)內(nèi)的通信死角，提高通信服務(wù)質(zhì)量?；就ㄟ^(guò)天線陣列與小區(qū)內(nèi)的具有多個(gè)天線的移動(dòng)臺(tái)進(jìn)行MIMO通信。應(yīng)用MIMO技術(shù)的無(wú)線寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)從基站端的多天線放置方法上可以分為兩大類：一類是多個(gè)基站天線集中排列形成天線陣列，放置于覆蓋小區(qū)，這一類可以稱為集中式MIMO；另一類是基站的多個(gè)天線分散放置在覆蓋小區(qū)，可以稱為分布式MIMO。這是一種近于最優(yōu)的空域時(shí)域聯(lián)合的分集和干擾對(duì)消處理?？諘r(shí)碼的主要思想是利用空間和時(shí)間上的編碼實(shí)現(xiàn)一定的空間分集和時(shí)間分集，從而降低信道誤碼率。目前MIMO技術(shù)領(lǐng)域另一個(gè)研究熱點(diǎn)就是空時(shí)編碼。性能和復(fù)雜度最優(yōu)的就是BLAST算法。ML算法具有很好的譯碼性能，但是復(fù)雜度比較大，對(duì)于實(shí)時(shí)性要求較高的無(wú)線通信不能滿足要求。前者是利用MIMO信道提供的空間復(fù)用增益，后者是利用MIMO信道提供的空間分集增益。根據(jù)收發(fā)兩端天線數(shù)量，相對(duì)于普通的SISO(SingleInput SingleOutput)系統(tǒng)，MIMO還可以包括SIMO(SingleInput MultipleOutput)系統(tǒng)和MISO(MultipleInput SingleOutput)系統(tǒng)。同時(shí)。MIMO(MultipleInput MultipleOutput)。利用MIMO信道可以成倍地提高無(wú)線信道容量，在不增加帶寬和天線發(fā)送功率的情況下，頻譜利用率可以成倍地提高。 MIMO系統(tǒng)的產(chǎn)生及其應(yīng)運(yùn) MIMO的產(chǎn)生MIMO(MultipleInput MultipleOutput)系統(tǒng)，該技術(shù)最早是由Marconi于1908年提出的，它利用多天線來(lái)抑制信道衰落。 分集天線把多徑信號(hào)分離出來(lái)，使其互不相干，然后通過(guò)合并技術(shù)將分離出來(lái)的信號(hào)合并起來(lái)，獲得最大的信噪比收益。雙極化天線在整個(gè)扇區(qū)范圍內(nèi)的正交特性，即兩個(gè)分集接收天線端口信號(hào)的不相關(guān)性，決定了雙極化天線總的分集效果。扇區(qū)及切換重疊區(qū)內(nèi)保持很好的水平跟蹤特性，代替空間分集天線所取得的覆蓋效果。該分集增益依賴于雙極化天線中兩個(gè)交叉極化輻射源是否在相同的覆蓋區(qū)域內(nèi)提供了相同的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)。若采用交叉極化天線，同樣需要滿足這種隔離度要求。分集增益依賴于天線間不相關(guān)特性的好壞，通過(guò)在水平或垂直方向上天線位置間的分離來(lái)實(shí)現(xiàn)空間分集。所謂定向雙極化天線就是把垂直極化和水平極化兩副接收天線集成到一個(gè)物理實(shí)體中，通過(guò)極化分集接收來(lái)達(dá)到空間分集接收的效果，所以極化分集實(shí)際上是空間分集的特殊情況。兩個(gè)在同一地點(diǎn)、極化方向相互正交的天線發(fā)出的信號(hào)呈現(xiàn)出互不相關(guān)衰落特性?？臻g分集接收的優(yōu)點(diǎn)是分集增益高，缺點(diǎn)是還需另外單獨(dú)的接收天線。接收端天線之間的距離d≥λ/2（λ為工作波長(zhǎng)），以保證接收天線輸出信號(hào)的衰落特性是相互獨(dú)立的，也就是說(shuō)，當(dāng)某一副接收天線的輸出信號(hào)很低時(shí)，其他接收天線的輸出則不一定在這同一時(shí)刻也出現(xiàn)幅度低的現(xiàn)象，經(jīng)相應(yīng)的合并電路從中選出信號(hào)幅度較大、信噪比最佳的一路，得到一個(gè)總的接收天線輸出信號(hào)?？臻g分集接受是利用多副接收天線來(lái)實(shí)現(xiàn)的。空間分集接收的優(yōu)點(diǎn)是分集增益高，缺點(diǎn)是還需另外單獨(dú)的接收天線。接收端天線之間的距離應(yīng)大于波長(zhǎng)的一半，以保證接收天線輸出信號(hào)的衰落特性是相互獨(dú)立的，也就是說(shuō)，當(dāng)某一副接收天線的輸出信號(hào)很低時(shí)，其他接收天線的輸出則不一定在這同一時(shí)刻也出現(xiàn)幅度低的現(xiàn)象，經(jīng)相應(yīng)的合并電路從中選出信號(hào)幅度較大、信噪比最佳的一路，得到一個(gè)總的接收天線輸出信號(hào)?？臻g分集分為空間分集發(fā)送和空間分集接收兩個(gè)系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)測(cè)試和統(tǒng)計(jì)，CCIR建議為了獲得滿意的分集效果，即d＞，并且最好選在l/4的奇數(shù)倍附近。當(dāng)使用兩個(gè)接收信道時(shí)，它們受到的衰落影響是不相關(guān)的，且二者在同一時(shí)刻經(jīng)受深衰落谷點(diǎn)影響的可能性也很小，因此這一設(shè)想引出了利用兩副接收天線的方案，獨(dú)立地接收同一信號(hào)，再合并輸出，衰落的程度能被大大地減小，這就是空間分集，空間分集是利用場(chǎng)強(qiáng)隨空間的隨機(jī)變化實(shí)現(xiàn)的，空間距離越大，多徑傳播的差異就越大，所接收?qǐng)鰪?qiáng)的相關(guān)性就越小。而采用分集方法即在若干個(gè)支路上接收相互問(wèn)相關(guān)性很小的載有同一消息的信號(hào)，然后通過(guò)合并技術(shù)再將各個(gè)支路信號(hào)合并輸出，那么便可在接收終端上大大降低深衰落的概率。隨著移動(dòng)臺(tái)的移動(dòng)，瑞利衰落隨信號(hào)瞬時(shí)值快速變動(dòng)，而對(duì)數(shù)正態(tài)衰落隨信號(hào)平均值（中值）變動(dòng)。為保證接收信號(hào)的不相關(guān)性，這就要求天線之間的距離足夠大，在理想情況下，接收天線之間的距離只要波長(zhǎng)λ的一半就可以了?？臻g分集：也稱天線分集，利用在不同地點(diǎn)的接收天線進(jìn)行分集接收的方式。在發(fā)信端將一個(gè)信號(hào)利用兩個(gè)間隔較大的發(fā)信頻率同時(shí)發(fā)射，在收信端同時(shí)接收這兩個(gè)射頻信號(hào)后合成，由于工作頻率不同，電磁波之間的相關(guān)性極小，各電磁波的衰落概率也不同。同樣，為了保證重復(fù)符號(hào)在不相關(guān)的信道中實(shí)現(xiàn)，符號(hào)流的傳輸過(guò)程中要用到適當(dāng)?shù)慕豢?。這意味著在遠(yuǎn)大于相干時(shí)間的獨(dú)立時(shí)間內(nèi)，兩個(gè)符號(hào)將經(jīng)歷高度相關(guān)的信道實(shí)現(xiàn)，因此可以用來(lái)獲得分集。時(shí)間分集主要用于在衰落信道中傳輸數(shù)字信道，它是將同一信號(hào)相隔一定的時(shí)隙進(jìn)行多次重發(fā)，只要各次發(fā)送的時(shí)間間隔大于信道的相干時(shí)間（相干時(shí)間定義：多普勒頻展的倒數(shù)），則在接收端就可以獲得衰落特性相互獨(dú)立的幾個(gè)信號(hào)。時(shí)間分集：是被CDMA系統(tǒng)使用用來(lái)克服多路徑衰減的技術(shù)。用這種方法，至少有一個(gè)足夠強(qiáng)的路徑的有機(jī)會(huì)提高。然而這些解決辦法對(duì)于許多實(shí)際路徑的實(shí)現(xiàn)來(lái)講還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。 無(wú)線信道的分集正如我們所解釋的，無(wú)線衰落信道所呈現(xiàn)的挑戰(zhàn)隨著時(shí)間的推移不斷發(fā)生變化。小尺度傳播效應(yīng)，無(wú)線信道的主要特征是多徑，多徑性指的是由于同一傳輸信號(hào)沿兩個(gè)或多個(gè)路徑傳播，以微小的時(shí)間差到達(dá)接收機(jī)的信號(hào)相互干涉所引起的。準(zhǔn)確確定小區(qū)的覆蓋范圍是衡量整個(gè)系統(tǒng)性能的關(guān)鍵,也是其它各項(xiàng)技術(shù)如功率控制、小區(qū)軟切換、快速實(shí)現(xiàn)小區(qū)“軟容量”等的基礎(chǔ)。該模型主要用于預(yù)測(cè)平均場(chǎng)強(qiáng)并估計(jì)無(wú)線覆蓋范圍,如用于電信運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)、預(yù)測(cè)覆蓋。由于AWGN信號(hào)易于分析、近似，因此在信號(hào)處理領(lǐng)域，對(duì)信號(hào)處理系統(tǒng)（如濾波器、低噪音高頻放大器、無(wú)線信號(hào)傳輸?shù)龋┑脑肼曅阅艿暮?jiǎn)單分析(如：信噪比分析)中，一般可假設(shè)系統(tǒng)所產(chǎn)生的噪音或受到的噪音信號(hào)干擾在某頻段或限制條件之下是高斯白噪聲。因其可加性、幅度服從高斯分布且為白噪聲的一種而得名。高斯白噪聲的概念.白指功率譜恒定。無(wú)線信號(hào)的影響有噪聲衰減損失和干擾。其目的是通過(guò)采用一種新的技術(shù)達(dá)到提高通信容量、傳輸速率和系統(tǒng)性能；減少電池能耗和延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命；提高吞吐量和多址接入方案的穩(wěn)定區(qū)；增大傳輸范圍；為多媒體通信的信源信道編碼提供一種折中方案。 無(wú)線信道信道是對(duì)無(wú)線通信中發(fā)送端和接收端之間的通路的一種形象比喻，對(duì)于無(wú)線電波而言，它從發(fā)送端傳送到接收端，其間并沒(méi)有一個(gè)有形的連接，它的傳播路徑也有可能不只一條，但是我們?yōu)榱诵蜗蟮孛枋霭l(fā)送端與接收端之間的工作，我們想象兩者之間有一個(gè)看不見(jiàn)的道路銜接，把這條銜接通路稱為信道。在未來(lái)的泛在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，網(wǎng)絡(luò)將自然而深刻地融入人們?nèi)粘５墓ぷ骱蜕钪校鲃?dòng)感知用戶場(chǎng)景的變化并進(jìn)行信息交互，通過(guò)分析用戶的個(gè)性化要求主動(dòng)地提供服務(wù)。（4）泛在化隨著IT產(chǎn)業(yè)的深入發(fā)展，信息逐漸滲透到人們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷?。除此之外，全球移?dòng)用戶和業(yè)務(wù)流量將不斷增加，無(wú)線通信中不同的應(yīng)用和服務(wù)對(duì)數(shù)據(jù)速度和帶寬會(huì)產(chǎn)生不同的需求，只有使網(wǎng)絡(luò)向著全I(xiàn)P的方向演進(jìn)，才能同時(shí)滿足各種高流量等級(jí)和不斷變化的需求。業(yè)界希望最終能夠形成具備互操作的、融合的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這將使得企業(yè)節(jié)省大量的投資，控制成本和風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)最終用戶實(shí)現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)的漫游和業(yè)務(wù)接入。因此，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單化、扁平化已成為未來(lái)無(wú)線通信發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。（2）扁平化未來(lái)無(wú)線通信的發(fā)展中，扁平化也是一個(gè)重要的特征。此外，包括超寬帶(UWB)、藍(lán)牙等在內(nèi)的短距離無(wú)線通信為用戶提供了更高速、更快捷的無(wú)線接入。為了適應(yīng)不同的通信環(huán)境以及滿足用戶業(yè)務(wù)的寬帶化、個(gè)性化、智能化要求，無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)了多種技術(shù)并存的情況。當(dāng)前，無(wú)線通信技術(shù)和市場(chǎng)飛速發(fā)展，在新技術(shù)和市場(chǎng)需求的共同作用下，未來(lái)的無(wú)線通信技術(shù)呈現(xiàn)出網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)化、扁平化、IP化、泛在化等幾大趨勢(shì)。（3）數(shù)字集群:我國(guó)已經(jīng)制訂了基于GSM（GT800）和CDMA（GoTa）技術(shù)的數(shù)字集群標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)積極參與3GPPs面向未來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)制訂。我國(guó)無(wú)線通信技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化工作有下面幾點(diǎn)：（1）蜂窩移動(dòng)通信:已經(jīng)制訂了由100多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)組成的3G系列標(biāo)準(zhǔn)。運(yùn)營(yíng)方式分專網(wǎng)和共網(wǎng)兩種，專網(wǎng)由某一單位獨(dú)自建設(shè)、維護(hù)和使用，共網(wǎng)由運(yùn)營(yíng)商負(fù)責(zé)建設(shè)和維護(hù)，多個(gè)單位通過(guò)VPN方式共同使用。(3)在覆蓋漫游范圍、容量、保密性、業(yè)務(wù)種類（數(shù)據(jù)、短消息）等方面彌補(bǔ)了模擬集群通信的種種不足。相比過(guò)去的模擬集群技術(shù)，數(shù)字集群通信在系統(tǒng)性能、用戶體驗(yàn)等方面有著模擬集群不能比擬的優(yōu)點(diǎn)：(1) 數(shù)字集群采用的大區(qū)制和蜂窩小區(qū)技術(shù)頻率復(fù)用率高。集群通信是多個(gè)用戶共用一組無(wú)線電信道的專用移動(dòng)通信系統(tǒng)的技術(shù)，群組內(nèi)用戶共享前向信道，支持群組呼叫。國(guó)際上對(duì)WiMAX監(jiān)管主要體現(xiàn)在頻譜分配方面，目前只有韓國(guó)在2004年底發(fā)放了WiBro許可證， GHz～ GHz。但從標(biāo)準(zhǔn)化程度、產(chǎn)品成熟度、市場(chǎng)應(yīng)用和頻譜情況等綜合分析，3G及其增強(qiáng)型和B3G等蜂窩移動(dòng)通信的主導(dǎo)地位難以撼動(dòng)。B3G則以蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)為主多種無(wú)線技術(shù)集成應(yīng)用，提供全業(yè)務(wù)，數(shù)據(jù)速率高、覆蓋連續(xù)。WiMAX可能的應(yīng)用包括:接入移動(dòng)通信網(wǎng)、固定網(wǎng)無(wú)線寬帶接入、單獨(dú)組網(wǎng)。核心網(wǎng)部分標(biāo)準(zhǔn)化尚不明朗。物理層主要采用OFDM、OFDMA技術(shù)。這里著重介紹WiMAX技術(shù)（）。（2）核心網(wǎng)既考慮與現(xiàn)有網(wǎng)的后向兼容，又積極向基于IP的方向演進(jìn)以3GPP標(biāo)準(zhǔn)為例，R99完全與GSM/GPRS兼容，R4在電路域引入軟交換，R5保留電路域、分組域，增加IP多媒體子系統(tǒng)（IMS)。3G技術(shù)已經(jīng)成熟開(kāi)始商用，今后10年將與2G長(zhǎng)期并存，最終逐步替代2G。第一代模擬系統(tǒng)已經(jīng)基本退出。速率從幾十kbit/s、幾百kbit/s到幾Mbit/s再到幾百M(fèi)bit/s?？偨Y(jié)這些年來(lái)蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)的演進(jìn)過(guò)程，可以得出這樣一些特點(diǎn):（1）無(wú)線接口頻譜效率更高，速率更快。涵蓋WLAN、WPAN、Bluetooth、WiMAX、RFID等技術(shù)的發(fā)展。手機(jī)視頻廣播作為一種新的無(wú)線業(yè)務(wù)與技術(shù)，正在成為目前最熱門(mén)的無(wú)線應(yīng)用之一。模擬集群通信的應(yīng)用開(kāi)始得比較早，但隨著技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字集群通信技術(shù)越來(lái)越贏得大家的關(guān)注。寬帶無(wú)線接入也在全球不斷升溫，近幾年來(lái)我國(guó)的寬帶無(wú)線用戶數(shù)增長(zhǎng)勢(shì)頭強(qiáng)勁。 其中最具代表性的有蜂窩移動(dòng)通信、寬帶無(wú)線接入，也包括集群通信、衛(wèi)星通信，以及手機(jī)視頻業(yè)務(wù)與技術(shù)?？臻g分集技術(shù)由于不需要額外占用時(shí)間和帶寬資源，并且可以方便地與其它分集方式相結(jié)合，因而更具吸引力。根據(jù)多徑衰落產(chǎn)生的不同條件，它分為頻率選擇性衰落、時(shí)間選擇性衰落和空間選擇性衰落，它們分別可以通過(guò)頻率分集、時(shí)間分集和空間分集來(lái)克服。多徑衰落是電波在傳輸過(guò)程中受各種物體的反射和散射而產(chǎn)生的多個(gè)經(jīng)過(guò)不同路徑到達(dá)接收機(jī)的信號(hào)通過(guò)矢量疊加后合成的時(shí)變信號(hào)在時(shí)間、空間和頻率上的迅速波動(dòng)。陰影衰落是指無(wú)線電波在傳播路徑上遇到起伏地形、建筑物、植被等障礙物的阻擋而引起的衰落，它反映中等范圍內(nèi)接收信號(hào)電平平均值起伏變化的趨勢(shì)，其變化速率比信息速率慢，故又稱為慢衰落。路徑損耗的大小依賴于傳輸距離，在能量受限的系統(tǒng)中，中繼傳輸是解決路徑損耗的一個(gè)很好方法，通過(guò)在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間放置一個(gè)或多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)來(lái)幫助傳輸，可以保證通信的可靠性并節(jié)約系統(tǒng)的功率消耗。路徑損耗是指電磁波在空問(wèn)傳輸所產(chǎn)生的損耗和彌散，它屬于大尺度衰落。分集技術(shù)通過(guò)發(fā)射或接收多個(gè)經(jīng)歷獨(dú)立衰落的信號(hào)樣本可以有效對(duì)抗無(wú)線信道中的衰落。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，人們已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，提出了多種能夠擴(kuò)大信道容量、改善通信質(zhì)量的新技術(shù)，包括編碼技術(shù)、調(diào)制技術(shù)、信號(hào)檢測(cè)技術(shù)、復(fù)用技術(shù)及各種分集技術(shù)，其中分集技術(shù)尤為重要，這是由無(wú)線信道的衰落特性決定的。MIMO技術(shù)在接收端和發(fā)射端使用使用多根天線，從而形成