移动通信网络中的协作通信

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1、91 2005.4 Technology Interchange 技术探讨 1 引言 我 们 知 道 由 于 多 输 入 多 输 出（M I M O ，M u l t i p l e I n p u t M u l t i p l e O u t p u t ）系统可以提供发分集增益 （A l a m o u t i 空时码） ，所以该技术得到愈来愈广泛的关注并 被写入了一些无线通信的标准中。在蜂窝移动通信系统中， 该技术可以很好的应用在基站方面来获得发分集增益，但 是由于尺寸大小或者硬件复杂度以及成本的原因，移动台 一般仅有单根天线。 下面我们将介绍一种叫做协作通信的新方法，该方法 可以使具

2、有单根天线的移动台获得类似于 M I M O 系统中的 某些增益， 其基本思想是在多用户环境中， 具有单根天线的 移动台可以按照一定的方式来共享彼此的天线从而产生一 个虚拟 M I M O系统，从而获得发分集增益。 图1 是两个移动台与同一个基站进行通信， 每个移动台 只有单根天线， 因此各自无法产生空间分集。 但是， 如果某 个移动台可以接收其它一个移动台的数据， 并将 “听” 到的 数据以某种形式随自身数据一起发送，由于来自两个移动 台的衰落路径是统计独立的，这样便可以产生空间分集。 图1 两个用户的协作通信 移动通信网络中的协作通信 【摘要】文章介绍了一种叫做协作通信的新方法，在该方法中

3、带有一根天线的移动台在多用户环 境中可以共享它们的天线，这样就可以产生虚拟的多根发射天线从而得到相应的分集增益。 赵绍刚 李岳梦 北京邮电大学 2 协作通信 在协作的无线通信中，我们主要考虑移动蜂窝网或者 A d h o c 网，我们把移动台统称为用户，通过协作可以明显 的改善用户的业务质量， 比如比特差错率、 块差错率甚至中 断概率等。 在协作通信系统中，每一个用户即要发送自己的数据， 同时也要作为其它用户的协作代理， 如上图1 所示。 很明显， 协作机制将导致码速率和发射功率的折衷。 就功率而言， 一 方面，在进行协作通信时，由于每个用户既要发射自身数 据， 又要中继其它用户的数据， 所以

4、需要更高的功率， 而另 一方面， 由于产生了分集增益， 所以每个用户的基本发射功 率可以适当的减小。 对于速率也存在同样的问题， 在协作通 信时， 每个用户既要发送自己的数据， 同时也要中继其它伙 伴的数据，这样有人可能认为系统的速率会有损失。然而， 由于产生了协作分集， 每个用户的谱效率都得到了改善， 因 此信道码速率可以得到提高。这也形成了一个折衷。 有人把协作通信看作功率和带宽的零和博弈。协作的 前提是对用户功率和带宽的某种分配策略可以导致系统性 能的明显改善。 在资源的协作分配中， 每一个用户都为其它 多个用户发送数据。 2 . 1 相关背景 关于协作通信的基本思想可以追溯到 C o

5、v e r 和 E l G a m a l 关于中继信道的信息论特性。他们分析了一个三节 点网络 （一个源节点， 一个目的节点， 一个中继节点） 的容 量， 他们假设所有节点的工作频带相同， 这样系统便可以分 解为一个广播信道 （从源节点来看） 和一个多址信道 （从目 的节点来看） 。 本文项目基金：1 、国家自然科学基金项目（N o . 6 0 1 7 2 0 5 1 ） ； 2 、2 0 0 4年教育部重点项目（N o . 1 0 4 0 4 2 ） Technology Interchange 92 技术探讨 2005.4 然而，在协作通信的很多方面我们考虑的与中继信道 都是不同的。 首

6、先， 目前的研究集中在如何产生克服衰落的 分集，而 C o v e r 和 E l G a m a l 主要分析在加性白高斯噪声信 道（A W G N ，A d d i t i v e W h i t e G a u s s i a n N o i s e ）下的信道 容量。其次，在中继信道中，中继的目的是为了帮助主信 道， 然而在协作通信中， 整个系统的资源是固定的， 用户既 是信息源又是中继者。下面我们回顾几种主要的协作信号 处理方法。 2 . 2 检测转发机制 该方法与传统的中继方法很接近。在该方法中用户首 先尝试检测出用户伙伴的数据比特，然后将检测出的比特 重新发送。用户伙伴可以通过基

7、站或者其它某些技术来指 定。在该情况下，我们考虑两个用户伙伴相互协作的情况， 这样在实际中，每个用户都有一个伙伴来为它提供第二条 路径， 从而形成分集。 协作伙伴的分配也是目前比较热的一 个研究课题。 译码并转发机制的实例可以参考 S e n d o n a r i s 发表的 专著， 它给目前在这方面的研究带来了很多的灵感。 在该专 著中分析了在码分多址（C D M A ，C o d e D i v i s i o n M u l - t i p l e A c c e s s ）系统下的译码转发协作机制。在该机制中， 两个用户成对的进行相互协作。每个用户都具有各自的扩 频码c 1( t )

8、 和c2( t ) 。 两个用户的数据比特分别是bi ( n ) ， 其中 i = 1 , 2 为用户索引号， n 表示信息的时间标记。 因子a j , i表 示信号的幅度， 体现了对各个部分的功率分配。 每个信号周 期包括三比特间隔。我们用X 1( t ) 表示用户1 的信号，而用 X 2( t ) 表示用户2 的信号。于是可以表示为： 换句话说，在第一和第二时间间隔内每个用户都发送 自己的比特信息。 每个用户都检测另外用户的第二比特 （表 示为 ） 。而在第三个时间间隔内，两个用户均发送自己 第二比特和伙伴第二比特的线性组合。 对于第一、 二、 三时 间间隔， 其发送的功率是可变的， 根据

9、上行和用户信道之间 的条件可以对相关的发射功率进行优化，该方法对信道的 状态具有自适应能力。 功率分配是通过因子a i , j进行的， 这样可以保持平均发 射功率不变。 简单的说， 当用户之间的信道状态较好时， 更 多的功率将分配用于协作， 反之， 当用户之间的信道状态不 好时，用户协作的功率将减小。 这种信号处理机制非常简单且对信道状态具有自适应 能力。 但是对于该机制必须要看到以下的问题。 首先， 用户 对伙伴信号的检测可能会失败，这时协作对在基站进行的 最后检测是有害的。 其次， 为了最优译码基站需要知道用户 之间信道的差错特性。 为了避免上面提到的差错传播问题，L a n e m a

10、n 提出了 一种混合译码转发方法，当衰落信道具有较高的信噪比 （S N R ，S i g n a l N o i s e R a t i o ）时，用户可以对其伙伴的数 据进行译码，而当信道具有低 S N R 时，用户返回到非协作 模式。 2 . 3 放大转发机制 另一种简单的协作信号处理方式是放大转发方法。在 该机制中，每个用户接收它伙伴发送过来的带有噪声的信 号， 接着对该信号进行放大， 然后将放大的带有噪声信号重 新发送。基站将对用户和其伙伴传送来的数据进行合并判 决。 尽管协作者在进行放大时也放大了噪声， 但是基站接收 到两个独立的衰落信号，最后能作出较好的判决。 该机制由 L a n

11、 e m a n 提出并进行了详细的分析。其研究 表明， 在高信噪比时， 在两个用户的情况下， 该机制可以获 得的分集阶数为2 。在放大转发机制中，假设该机制已知用 户间信道系数， 从而可以进行最优译码， 所以该机制必须进 行必要的信道估计和信息的交换。对该机制而言另一个挑 战是对于模拟信号的抽样、 放大、 重传并不是一个简单的技 术。 但是总的来说该机制还是一个比较简单的协作机制， 它 便于分析，对于进一步理解后面的协作通信系统是非常有 帮助的。 2 . 4 编码协作机制 编码协作机制是信道编码思想和协作的综合。编码协 作机制通过两条独立的衰落信道来发送每个用户码字的不 同部分。其基本思想是

12、每个用户都将增加的冗余信息发送 给其伙伴。 当他们之间的信道非常恶劣时， 该机制自动恢复 到非协作模式。该机制的突出特点是协作通过信道编码设 计来实现，无需用户之间的反馈。 用户发送的源数据包括有效信息和循环冗余校验 （C R C ，C y c l i c R e d u n d a n c y C h e c k ）信息。在编码协作机 制中， 每个用户的数据发送周期都分为两个阶段。 我们称每 个阶段为一帧。对于第一帧，每个用户发送的码字包括 N 1 个比特。每一个用户都尝试对伙伴的数据进行正确的译码， 如果译码正确（由 C R C 决定） ，在第二帧，用户将计算并发 送其伙伴的第二部分，包括

13、 N 2个比特。否则用户将在第二 帧传送自己的第二部分，也是 N 2个比特。这样每个用户每 b i 移动通信网络中的协作通信 93 2005.4 Technology Interchange 技术探讨 个周期都是发送 N = N 1+ N2个比特。我们定义协作水平为 N 2/ N ，即用户为伙伴传送的比特数目与总传输比特数的比 值，图 2 为编码协作网络结构图。 图2 两用户编码协作结构图 通常，各种信道编码方法都可以用于编码协作网络中。 例如整个码字可以是分组码， 也可以是卷积码， 或者是二者 的结合。作为例子我们使用速率匹配凿孔卷积码（R C P C ， R a t e C o m p a

14、 t i b l e P u n c t u r e d C o n v o l u t i o n a l ） 。在该例 子中，第一帧是把码长为 N 1的码字凿成码长为 N1得到的， 而第二帧是由凿掉的比特组成。 3 性能分析 系统仿真采用二进制移相键控（B P S K ，B i n a r y P h a s e S h i f t K e y i n g ） ，接收机采用相干检测。由于编码协作机制 采用了信道编码， 所以为了比较的公平， 我们考虑一个码率 为 1 / 4 的编码系统在各种协作机制下（无协作；放大转发 机制；检测转发机制；编码协作机制）的性能。 对于混合检测转发机制和放大转

15、发机制，用户通过凿 孔来发送码率为 1 / 2 的 R C P C 码字。该码字随后被中继重 复，这样整个系统的码率就是 1 / 4 。对于编码协作机制，其 协作水平为 1 / 4 。通过凿孔，两个用户在第一帧的发送码 率为 1 / 3 。在第二帧，将发送在第一帧被凿掉的比特，这 样整个每个用户的码率都是 1 / 4 。 图 3 中每个用户到基站都具有相同的S N R ，而用户间的 信道比上行信道 （到基站） 低1 0 d B 。 从图3 中可以看出， 通 过协作在高 S N R 时可以明显的改善系统的性能，通过协作 可以提供分集，分集的阶数为误块率对 S N R 的斜率。它等 价于两根发射天

16、线和单根接收天线所产生的分集。该实例 还可以说明协作通信的健壮性，即使在用户间的信道非常 恶劣时，协作仍可以明显的改善系统的性能。 图3 具有相同S N R 的两用户的协作性能 在图 4 中，用户 1 上行链路的 S N R 比用户2 的高 1 0 d B ， 而用户间信道的 S N R 跟用户 2 的上行链路相同。从该图中 可以看出两点， 首先， 用户2 通过与用户1 的协作可以明显 的改善其性能。 同时， 对于用户1 即使与一个具有稍差链路 的用户2 的协作， 同样可以改善系统的性能。 其次， 通过协 作可以看出两个用户性能差别的明显减小。这表明协作可 以以更有效的方式来分配资源。 图4 具有不同S N R 的两用户的协作性能 通过对三种协作方式的比较，对于放大转发机制和混 合译码转发机制，在低 S N R 时其效率都不高。这是由于此 时系统相当于重复编码。 而对于编码协作机制， 它的性能在 低 S N R 时与未协作系统的性能差不多，而在中、高 S N R 时， 其性能远优于其它协作机制。 移动通信网络中的协作通信 Technology Interc