協(xié)作通信技術(shù)及其發(fā)展與應(yīng)用

韓宇輝+王亓+劉海洋+吳佳男+任壯+付青偉

摘 要：在無線傳輸中，由于存在多徑衰落，嚴(yán)重影響了傳輸?shù)馁|(zhì)量，并極大限制了系統(tǒng)的容量。協(xié)作通信通過不同用戶共享天線，使單天線終端也可以獲得分集增益，因而得到了日益廣泛的關(guān)注。文章對(duì)協(xié)作通信的發(fā)展歷史、應(yīng)用前景、基本原理以及性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等進(jìn)行了介紹。

關(guān)鍵詞：無線通信；多徑衰落；空間分集；協(xié)作通信

引言

移動(dòng)信道中存在的多徑衰落現(xiàn)象嚴(yán)重影響著傳輸質(zhì)量，并極大限制了系統(tǒng)的容量。為了減小多徑衰落所造成的不良影響，通常采用多天線分集的方法。多天線分集也稱為MIMO（Multiple Input Multiple Output，多輸入多輸出），可以在獲得空間分集增益的同時(shí)而不需要占用額外的帶寬和時(shí)間，因而在實(shí)際中應(yīng)用較多。然而，多天線分集技術(shù)要求在發(fā)送端或接收端配置多個(gè)天線來增加空間維，這對(duì)于在體積、功耗、重量和成本等方面具有較多限制的移動(dòng)終端來說是很難實(shí)現(xiàn)的。協(xié)作通信技術(shù)就是在這一背景下被提出的。

1 協(xié)作通信技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用前景

協(xié)作通信的概念最初由Sendonaris等人在1998年提出，也稱為協(xié)作分集或協(xié)作式MIMO[1]。Sendonaris等人還給出了兩個(gè)用戶進(jìn)行協(xié)作通信的信道模型，并以此為基礎(chǔ)，對(duì)其吞吐量、中斷概率、可達(dá)速率等進(jìn)行了推導(dǎo)和分析[2，3]。Laneman 和Wornell等人首先明確提出了放大轉(zhuǎn)發(fā)和解碼轉(zhuǎn)發(fā)這兩種最基本的中繼轉(zhuǎn)發(fā)方式[4]。之后，他們又提出了固定中繼、選擇中繼以及增強(qiáng)中繼這三種不同的協(xié)作協(xié)議[5]。Hunter和Nosratinia將信道編碼與解碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作結(jié)合，提出了編碼協(xié)作，實(shí)現(xiàn)了空域分集與碼域分集的結(jié)合[6]。近幾年，不少移動(dòng)通信領(lǐng)域的學(xué)者都投入到協(xié)作通信技術(shù)的研究當(dāng)中，對(duì)協(xié)作通信的協(xié)議、協(xié)作系統(tǒng)中的資源分配策略、協(xié)作伙伴的選擇方法等問題進(jìn)行了研究和探索。另外，Melda Yuksel和Elza Erkip等人還將單天線終端間的協(xié)作推廣到多天線終端間的協(xié)作[7]，一些學(xué)者將網(wǎng)絡(luò)編碼與協(xié)作通信結(jié)合，研究協(xié)作下的網(wǎng)絡(luò)編碼方法[8]。

協(xié)作通信技術(shù)可以應(yīng)用在無線通信的許多領(lǐng)域。比如在蜂窩系統(tǒng)中，通過用戶間的協(xié)作可以改善盲點(diǎn)地區(qū)和小區(qū)邊緣用戶的通信質(zhì)量；在保證一定誤比特率或中斷概率要求的前提下，通過協(xié)作可以降低發(fā)射功率，減少能量消耗。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，可以采取適當(dāng)?shù)膮f(xié)作策略和功率分配方法來降低和平衡節(jié)點(diǎn)的能量消耗，從而延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。

2 基本原理

協(xié)作通信是一種通過不同用戶共享彼此天線而獲得分集效果的新的空域分集方式。用戶間的協(xié)作可以是互惠的，也可以是非互惠的，這里考慮非互惠的情況。如圖1所示，協(xié)作通信系統(tǒng)中至少包括三個(gè)節(jié)點(diǎn)：源節(jié)點(diǎn)、目的節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)。

協(xié)作通信的過程可以劃分為兩個(gè)階段：第一階段，源節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，中繼節(jié)點(diǎn)接收信息，在此階段目的節(jié)點(diǎn)可以接收信息，也可以不接收信息；第二階段，中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)在第一階段收到的信息進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，在此階段源節(jié)點(diǎn)可以不發(fā)送信息，也可以重復(fù)發(fā)送與第一階段相同的信息或者發(fā)送新的信息，目的節(jié)點(diǎn)對(duì)通過不同衰落信道到達(dá)的信號(hào)進(jìn)行合并處理，從而提高信噪比，獲得分集增益。

中繼節(jié)點(diǎn)可以采取不同的中繼方式，其中放大轉(zhuǎn)發(fā)和解碼轉(zhuǎn)發(fā)是最基本的兩種方式。放大轉(zhuǎn)發(fā)方式中，中繼節(jié)點(diǎn)將在第一階段接收到的受到噪聲污染的信號(hào)進(jìn)行線性放大后再轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點(diǎn)。放大轉(zhuǎn)發(fā)方式可以獲得滿分集階數(shù)，其主要缺點(diǎn)在于中繼節(jié)點(diǎn)放大信號(hào)的同時(shí)也將噪聲一同放大，造成噪聲累積現(xiàn)象。解碼轉(zhuǎn)發(fā)方式中，中繼節(jié)點(diǎn)收到源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信號(hào)后，先譯碼再轉(zhuǎn)發(fā)，因此可以避免噪聲累積現(xiàn)象。解碼轉(zhuǎn)發(fā)方式不能獲得滿分集階數(shù)，當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)譯碼錯(cuò)誤時(shí)會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤傳播[5]。

3 性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

比較重要的協(xié)作通信系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)包括：信道容量、頻譜利用率、分集階數(shù)、復(fù)用增益、能量增益、中斷概率、錯(cuò)誤概率以及協(xié)作通信的代價(jià)等[9]。

3.1 信道容量：當(dāng)用戶間的信道質(zhì)量較好時(shí)，通過協(xié)作可以顯著提高系統(tǒng)的信道容量，但如果用戶間的信道質(zhì)量變差，則協(xié)作的系統(tǒng)容量將逐漸趨近于非協(xié)作的情況。

3.2 頻譜利用率：頻譜利用率指單位頻帶內(nèi)的信息速率。通過協(xié)作，可以提高系統(tǒng)的頻譜利用率。

3.3 分集階數(shù)：系統(tǒng)的分集階數(shù)d的定義如下：

這里SNR為接收端的平均信噪比，Pe為系統(tǒng)的平均誤比特率。

3.4 復(fù)用增益：復(fù)用增益r的定義如下：

這里R為系統(tǒng)的頻譜利用率。

3.5 能量增益：協(xié)作通信系統(tǒng)中用戶的能量增益定義為

其中，PD和PCO分別為達(dá)到特定通信質(zhì)量要求，采取直接傳輸方式和協(xié)作方式所需的發(fā)射功率。

3.6 中斷概率和錯(cuò)誤概率：研究表明，協(xié)作通信可以大大降低系統(tǒng)的中斷概率和錯(cuò)誤概率。

3.7 協(xié)作通信的代價(jià)：協(xié)作通信系統(tǒng)的性能提高是需要付出一定代價(jià)的，比如系統(tǒng)復(fù)雜度的增加、協(xié)作建立過程中額外占用的資源、協(xié)作造成的時(shí)延等。

上述幾個(gè)性能指標(biāo)相互關(guān)聯(lián)，是協(xié)作通信系統(tǒng)性能在不同方面的具體體現(xiàn)。

4 結(jié)束語

協(xié)作通信技術(shù)被提出之后受到了廣泛的關(guān)注，它為未來移動(dòng)通信實(shí)現(xiàn)更高傳輸速率和更好服務(wù)質(zhì)量提供了一種有價(jià)值的參考方案，具有廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

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