協(xié)同通信技術(shù)free09720819上海大學(xué)通信與信息工程學(xué)院主要內(nèi)容

協(xié)同通信的提出

協(xié)同通信的原理和關(guān)鍵技術(shù)

協(xié)同通信的研究進(jìn)展

3協(xié)同通信的提出基于多天線(MIMO)系統(tǒng)空時信號處理的空間分集技術(shù)得到了廣泛的研究；移動通信系統(tǒng)實現(xiàn)大帶寬傳輸：設(shè)計一個大帶寬系統(tǒng)（新系統(tǒng)）；通過不同系統(tǒng)間的協(xié)同來構(gòu)造具有更大傳輸帶寬的系統(tǒng)（現(xiàn)網(wǎng)演進(jìn)）；隨著未來無線寬帶通信系統(tǒng)可用頻段的增高，視距傳播環(huán)境會大大增加天線間的相關(guān)性。很多移動設(shè)備受到設(shè)備硬件的限制，只能配備一個天線。

協(xié)同通信(CooperativeCommunication)4協(xié)同通信的提出協(xié)同通信技術(shù)的起源可以追溯到Cover和ElGamal在1979年關(guān)于中繼信道的研究工作。中繼節(jié)點源節(jié)點目的節(jié)點

中繼信道模型5協(xié)同通信的提出兩人的研究表明離散無記憶、加性白高斯噪聲(AWGN)中繼信道的容量大于源節(jié)點與目的節(jié)點間信道的容量?？赏ㄟ^隨機(jī)編碼方案得到通信信道容量的下界協(xié)同通信源于中繼信道，但有所不同6協(xié)同通信的提出中繼信道技術(shù)協(xié)同通信技術(shù)分析AWGN信道的容量應(yīng)用于衰落信道中，主要目的為了對抗多徑衰落中繼節(jié)點的唯一目的就是幫助源節(jié)點發(fā)送信息整個系統(tǒng)的資源固定，各用戶既可充當(dāng)中繼節(jié)點幫助源節(jié)點發(fā)送信息，又可作為源節(jié)點發(fā)送自己的信息主要內(nèi)容

協(xié)同通信的提出

協(xié)同通信的原理和關(guān)鍵技術(shù)

協(xié)同通信的研究進(jìn)展

8協(xié)同通信的原理協(xié)同通信的基本思想：在多用戶通信環(huán)境中，使用單副天線的各臨近移動用戶可按照一定方式共享彼此的天線協(xié)同發(fā)送，從而產(chǎn)生一種類似多天線發(fā)送的虛擬環(huán)境，獲得空間分集增益，提高系統(tǒng)傳輸性能。

融合了分集技術(shù)與中繼傳輸?shù)募夹g(shù)優(yōu)勢；形成了分布式的虛擬MIMO系統(tǒng)；克服了相干距離等的限制；在不增加天線數(shù)目的基礎(chǔ)上，可在傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)中獲得與多天線及多跳傳輸情況下相近的傳輸增益。多個中繼節(jié)點本身可自然形成虛擬的天線陣列，節(jié)點間通過相互配合和信息互通，模擬傳統(tǒng)MIMO技術(shù)的應(yīng)用環(huán)境，從而實現(xiàn)聯(lián)合空時編碼的傳輸方案。9協(xié)同通信的原理以蜂窩移動通信為例，移動無線信道受到衰落影響，一個用戶的信號可以直接到達(dá)接收端，另一路則可通過另一移動用戶作為中繼，再到達(dá)接收端，在接收基站形成分集接收信號。移動端之間的協(xié)同通信10協(xié)同通信的原理與蜂窩網(wǎng)絡(luò)相比，協(xié)同通信更適用于AdHoc無線網(wǎng)絡(luò)與無線傳感網(wǎng)絡(luò)。協(xié)同會將碼率與傳輸功率進(jìn)行折中：傳輸碼率：每個用戶將傳輸自身的比特和中繼的比特，似乎會要求更高的帶寬，但每個用戶的頻率會提高，因此協(xié)同分集信道編碼的碼率可以增加功率需求：協(xié)同分集通信似乎會要求每一個用戶使用更高的功率，然而由協(xié)同方式產(chǎn)生的分集增益則可降低用戶的傳輸功率并保持同樣的性能；11協(xié)同通信的原理協(xié)同分集：借助于協(xié)同伙伴的天線，與其自身天線共同構(gòu)造成發(fā)射天線，并通過模仿傳統(tǒng)的多發(fā)射天線分集來獲得空間分集增益。優(yōu)點：如果在某個時段用戶沒有信息要傳送，那么在沒有協(xié)同時，其資源只能閑置，而協(xié)同時分集則可以實現(xiàn)用戶資源的充分利用。12協(xié)同通信的原理

缺點：在用戶資源沒有閑置時，用戶既要傳送自己的信息，又要傳送其協(xié)同伙伴的信息，會犧牲一部分自己的資源；另一方面，用戶也通過協(xié)同分集利用了其協(xié)同伙伴的空域資源。結(jié)論：只要合理地設(shè)計協(xié)作方案，完全可以做到協(xié)作分集帶來的增益大于其所付出的代價。綜合來講，協(xié)作分集可以更有效地利用整個網(wǎng)絡(luò)的資源,使網(wǎng)絡(luò)性能更穩(wěn)定。13協(xié)同通信的分類根據(jù)協(xié)作對象的不同：異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間的協(xié)同通信；同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間的協(xié)同通信根據(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14協(xié)同通信的分類根據(jù)協(xié)作對象的不同

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間的協(xié)同通信為了同時滿足不同用戶的多種應(yīng)用需求，未來的通信網(wǎng)絡(luò)必須要具有將各種網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一到一個信息平臺上的能力。

同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的協(xié)同通信所有節(jié)點都在同一種網(wǎng)絡(luò)內(nèi)工作，分為固定中繼和用戶終端間的協(xié)作兩種方式。15協(xié)同通信的分類固定中繼協(xié)作方式：類似于下圖的中繼信道，在源節(jié)點和目的節(jié)點之間預(yù)先放置一個位置固定的中繼節(jié)點。中繼節(jié)點與源、目的節(jié)點之間均采用無線連接，但它自己并無信息發(fā)送，而只對接收到的信息進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。中繼節(jié)點源節(jié)點目的節(jié)點中繼信道模型16協(xié)同通信的分類用戶終端間的協(xié)作方式：更靈活一些，源節(jié)點同時也可作為中繼節(jié)點，它們不僅可轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作伙伴的信息，同時也可發(fā)送自己的信息。因此，這些終端需要同時具有信號轉(zhuǎn)發(fā)和簡單路由的功能。17協(xié)同通信的協(xié)作方式根據(jù)中繼節(jié)點對源節(jié)點信息處理方式的不同:

放大轉(zhuǎn)發(fā)(AF)

譯碼轉(zhuǎn)發(fā)(DF)

編碼協(xié)作(CC)

空時編碼協(xié)作(STCC)

網(wǎng)絡(luò)編碼協(xié)作(NCC)18協(xié)同通信的協(xié)作方式放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作方式(AF－AmplifyandForward)☆A(yù)F也被稱作非再生中繼方式，其本質(zhì)上是一種模擬信號的處理方式。

放大轉(zhuǎn)發(fā)方式的信號處理流程19協(xié)同通信的協(xié)作方式放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作方式(AF－AmplifyandForward)

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)。20協(xié)同通信的協(xié)作方式譯碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作方式(DF－DecodeandForward)☆也稱DF為再生中繼方式；可見，DF方式在本質(zhì)上是一種數(shù)字信號處理方式。圖4譯碼轉(zhuǎn)發(fā)方式的信號處理流程21協(xié)同通鳴信的分釋類譯碼轉(zhuǎn)塊發(fā)協(xié)作曬方式(DF－Dec適ode就an呀dF行orw達(dá)ard匠)DF方式不卸會帶來透噪聲傳父播問題懸，但受藝源-中繼端款信道傳謹(jǐn)輸性能麻影響較夜大，若悔編碼方握式不采谷用CRC（Cyc務(wù)lic罰al到Red多und斤anc演yC鏟hec斬k)碼，得泊不到滿附分集階探數(shù)。中繼節(jié)點榨對源節(jié)點嫂信息解碼軍錯誤所帶窮來的誤差疏會隨著跳吵數(shù)的增加火而不斷累青積，從而丸影響到分污集效果和洲中繼性能鴉。這表明反源-中繼節(jié)點清信道傳輸述特性的好溜壞對DF方式協(xié)睛同通信侄系統(tǒng)的貝性能有鈴很大影搶響。22協(xié)同通信上的協(xié)作方獎式常稱AF與DF方式為怨固定協(xié)日作模式明：無論館信道傳錘輸特性期如何，途中繼節(jié)哥點總是慎參與協(xié)內(nèi)同通信嚷過程。算但協(xié)同巡壽帶來的蜘未必全鎖是好處傅，比如蒸在半雙單工模式顧下會降束低數(shù)據(jù)完傳輸速綱率以及差系統(tǒng)自環(huán)由度的湊利用率壁。何時協(xié)同辯？23協(xié)同通信臣的協(xié)作方批式結(jié)合AF和DF兩種方式既，人們提紛出了選擇做模式（源-中繼）資與增強(qiáng)囑模式（販源-目的）24協(xié)同通怕信的協(xié)櫻作方式編碼協(xié)作往方式(CC－Cod裙ed拴Coo桿per孫ati援on)編碼協(xié)市作方式墳的信號桶處理流束程圖基本思綢想：對厭正確解皂出的合票作伙伴既的信號黨重新進(jìn)濟(jì)行編碼洽；即，鏈中繼節(jié)泡點接收君來自于甲基站端宏已被噪襪聲干擾旱的信號害，同時泳，它將舊對信號組進(jìn)行解房誠碼處理澆，以獲槍得原始尿信息。舍然后再席將其獲簽得的信闊息重新粘編碼，店以一定牛功率發(fā)渣送給用嶄戶端。25協(xié)同通信頃的協(xié)作方噸式編碼協(xié)作史方式(CC－Code組dCo擺oper字atio型n)編碼協(xié)作謙實例1分塊編碼2加上循嫂環(huán)冗余傘校驗碼3信息->兩段26協(xié)同通信弊的協(xié)作方貢式與SDF方式不土同，編罪碼協(xié)作稍方式通疾過編碼燙設(shè)計實猴現(xiàn)協(xié)作虜與非協(xié)掉作方式烏之間的膏自動切冶換，無捆需直接委考慮源胳節(jié)點與崗中繼節(jié)別點之間閉信道的仙傳輸特選性目前，膚已有多版種信道母編碼方勞式與協(xié)探同通信劈燕相結(jié)合酷，例如命卷積碼讀、Turb才o碼、低讓密度奇這偶校驗套碼(LD寶PC)等。27協(xié)同通信廈的協(xié)作方畝式編碼協(xié)茄作方式(CC－Cod辰ed國Coo殼per蹦ati舌on)在慢衰蛛落條件嶺下，即抽使移動口終端間鞏的信道籃傳輸特跪性非常凱差，編順碼協(xié)作蓬依然能爭夠顯著估提高這得兩個移還動終端跳的誤碼什率性能新；若協(xié)扇作雙方霧都能夠真正確解翼碼的話泊，系統(tǒng)搞可以獲敬得滿分驕集增益轟；在快衰謙落條件訊下，編率碼協(xié)作涂會犧牲婚上行信號道傳輸鞏特性相仰對較好色的終端黨的性能騾。28協(xié)同通信辜的協(xié)作方傻式空時編碼劉協(xié)作方式(STC墊C－Spa聾tia聽la險nd歉Tim他eC譯C)將空時至編碼思周想應(yīng)用鄉(xiāng)豐到編碼扎協(xié)作方韻式中；與一般編蠶碼協(xié)作方輸式最大的詞不同：每撥個移動終廊端可在自拆己和其協(xié)踐作伙伴的秒多址信道慨上同時發(fā)抵送信息；腹而在一般促編碼協(xié)作哀方式中，斑移動終端算只能在自滲己的多址勞信道發(fā)送豈協(xié)作信息肚。29協(xié)同通傭信的協(xié)清作方式空時編邪碼協(xié)作渡方式(STC漸C－Spa葉tia情la列nd勝Tim傾eC爽C)空時編碼暑協(xié)作、編勇碼協(xié)作與頓無協(xié)作方愿式信號處紋理比較階段1階段1階段2階段230協(xié)同通信架的協(xié)作方績式空時編碼武協(xié)作方式(STC有C－Spat駁ial廈and戚Time雖CC)在階段2，若對協(xié)扣作伙伴的森信息解碼蘭成功的話沖，編碼協(xié)朗作方式下小，各用戶蹤蝶均只在自獻(xiàn)己的信道孩上發(fā)送同厭伴的信息廟；而空時花編碼協(xié)作幟方式下，普各用戶則爹是同時發(fā)床送雙方的熔信息。研究表噴明，空禾時編碼濫協(xié)作方躺式在快葛衰落環(huán)閥境下也撒可以獲站得滿分踐集增益檢，并且業(yè)不會犧席牲信道勉質(zhì)量相辮對較好腸的移動破終端的法性能。31協(xié)同通倘信的協(xié)托作方式網(wǎng)絡(luò)編碼仙協(xié)作方式(NCC－Net占wor拌kC劣odi耽ng水Coo傅per低ati街on)網(wǎng)絡(luò)編碼礙：網(wǎng)絡(luò)節(jié)淺點將接收歌到的信息匯進(jìn)行編碼末后再轉(zhuǎn)發(fā)升出去的多滾點傳送技寇術(shù)。網(wǎng)絡(luò)編碼餡的核心思燙想：中間蠶節(jié)點不再甲是簡單的底存儲轉(zhuǎn)發(fā)戰(zhàn)，而是將還接收信息剝進(jìn)行編碼嗓后再發(fā)送毅，從而可弊提高整個依網(wǎng)絡(luò)的容靠量和健壯廣性。32協(xié)同通信轎的協(xié)作方互式網(wǎng)絡(luò)編碼每概念的提浸出以及現(xiàn)否在大部分雷相關(guān)的工勾作都是基葬于有線網(wǎng)完絡(luò)的，但捷無線信道砍的廣播特警性為網(wǎng)絡(luò)雙編碼的應(yīng)鈔用提供了缸有利條件順，且無線鞠網(wǎng)絡(luò)節(jié)點梢間的信息逆交互也完就全可以運(yùn)抄用網(wǎng)絡(luò)編伸碼理論來某實現(xiàn)。因籌此，網(wǎng)絡(luò)蓋編碼和協(xié)迷同通信技塵術(shù)相結(jié)合限可有效提忠高無線通英信系統(tǒng)的大性能。無線版Ｐ閘２Ｐ33協(xié)同通信域的協(xié)作方拜式網(wǎng)絡(luò)編奸碼協(xié)作班方式(根據(jù)中繼本節(jié)點所采和用的基本陽通信方式肌分)網(wǎng)絡(luò)編屈碼協(xié)作和的幾種轎通信方鍵式34不同協(xié)刃同方式慶的比較CC、NCC與STC誘C的性能要滿優(yōu)于AF與DF方式；但它們的糕算法復(fù)雜愈度高，涉廣及到了各蔬種編碼技欄術(shù)，使得楚中繼節(jié)點英信號處理裕的時間增仆長、時延偽較大，不恥利于現(xiàn)代銀無線通信賴系統(tǒng)。綜蜓合考慮多考種因素，AF與DF兩種方式兩更實用一劑些。不同協(xié)作懷方式的比裙較35協(xié)同通膜信的關(guān)俱鍵技術(shù)１無紹線資源缸的管理盼；２中繼簽節(jié)點的移味動性；５與征其它通手信技術(shù)融的結(jié)合法。３協(xié)作懲實際的選惠擇４同步脊與信道估盯計算法；功率分配：源節(jié)點與中繼節(jié)點之間等功率分配雖然簡單，但顯然不是最優(yōu)的?；锇檫x擇：在多用戶的環(huán)境中，如何給各終端選擇最佳的協(xié)作伙伴將直接影響系統(tǒng)的性能。另外，由于是移動終端，當(dāng)他們相對位置發(fā)生變化時又該如何及時調(diào)整協(xié)作伙伴。協(xié)同通信系統(tǒng)中，中繼節(jié)點往往是具有一定移動性的終端。這種移動性會影響伙伴選擇等許多關(guān)鍵問題。因此，假設(shè)中繼節(jié)點固定不動不符合實際情況，選擇合適的運(yùn)動模型并考慮移動性對系統(tǒng)性能的影響是極為重要的一個研究課題?，F(xiàn)有文獻(xiàn)只關(guān)注協(xié)同通信帶來的增益，極少考慮協(xié)同通信的必要性，似乎協(xié)同通信在任何場景下都能帶來好處。事實上，綜合考慮各節(jié)點間信道的傳輸特性，選擇合適的“協(xié)同時機(jī)”，可在保證系統(tǒng)傳輸性能的前提下進(jìn)一步提高資源的使用效率。系統(tǒng)可實現(xiàn)精確的同步，并可獲得準(zhǔn)確的信道狀態(tài)信息，這在際中很難實現(xiàn)。對于分布式協(xié)同通信系統(tǒng)而言，多個用戶間的準(zhǔn)確同步與信道估計更困難。研究同步與信道估計算法，更接近實際應(yīng)用場景下的協(xié)同通信系統(tǒng)。目前研究的熱點是與OFDM技術(shù)的結(jié)合，可以同時發(fā)揮協(xié)同通信與OFDM的優(yōu)勢，既可以得到分集增益，又能夠?qū)诡l率選擇性衰落。此外，協(xié)同通信技術(shù)與感知無線電技術(shù)的結(jié)合也是另一個研究熱點。主要內(nèi)廟容協(xié)同通信獎的提出協(xié)同通適信的原獅理和關(guān)亡鍵技術(shù)協(xié)同通在信研究和進(jìn)展37協(xié)同通糟信的研超究進(jìn)展無線世它界研究鬼論壇(WW爽RF)已經(jīng)成立范了關(guān)于中答繼的分組忠委員會專春門開展對心此技術(shù)的罵研究，并貼發(fā)表了相廊關(guān)研究的聲白皮書瑞士皇家拌科學(xué)院通寫信技術(shù)實伍驗室無線夫通信課題涉組的研究賊項目“Coo腸per請ati用ve哭MIM柱OW本ire廁les徐sN盯etw寄ork”200