无线网络中的协同通信

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1、无线网络中的协同通信 解放军理工大学通信工程学院，南京，2 1 0 0 0 7 潘成康。蔡跃明，徐友云 擅薹：协同通信容许用户共享彼此问的天线以获取查问分集增益使得单人单出系统获得多人多出系 统的好处同时避免r 空问相关性对系统吐能的影响。介绍r 协同通信常用的阱同策略包括放大一转发 译码一转发和协同编码，以技协同协没包括同定协 义、自适应协泌和反馈协议。分析r 协同通信性能的 界限撤后指山胁同通信研究的重点和难点。 关翻：协同通信发送分集，中继信道，无线网络 C o o p e r a t i v e C o m m u n i c a t i o ni nW i r e l e s sN

2、e t w o r k s P a n C h e n g k a n g ，C a iY u e m i n g ，X uY o u y u n I n s t i t u t eo fC o m m u n i c a t i o n sE n g i n e e r i n go fP L A U S T , N a n j i n g2 1 0 0 0 7 ，C h i n a A b s t r a c t ：C o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o ne n a b l e s U S e r Si na s i n g l e -

3、i n p u ts i n g l e o u t p u ts y s t e mt o s h a r et h e i r a n t e n n a st Oa c h i e v et r a n s T l l i td i v e r s i t ya n de n j o ys o m eo ft h eb e n e f i t so fam u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e - o u t p u ts y s t e m b ya v o i d i n gt h ed e t r i m e n t a le f f e c

4、 to fs p a t i a lf a d i n gc o r r e l a t i o no nt h es y s t e mp e r f o r m a n c e W eo u t l i n es e v e r a l s t r a t e g i e se m p l o y e db yt h ec o o p e r a t i n gu s e r s i n c l u d i n ga m p l i f y a n d f o r w a r d ，d e c o d e a n d f o r w a r da n dc o d e d c o o p

5、e r a t i o n ，a n d s o m e p r o t o c o l si n c l u d i n g f i x e d ，a d a p t i v e a n df e e d b a c k - b a s e dv e r s i o n sT h e i n f o r m a t i o n t h e o r e t i cb o u n d so fc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o nh a v eb e e na n a l y z e da n ds o m ei m p o r t a n

6、ti S S U e Sa r e a l s op r e s e n t e da tl a s t K e yw o r d s ：c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n t r a n s m i td i v e r s i t y r e l a yc h a n n e l w i r e l e s sn e t w o r k 1 引言 为了满足高速多媒体业务发展的需求，人们不断提出新的通信技术来提高系统的性能和容量。其中， 为了对抗无线信道衰落的有害影响，人们相继提出和研究了多种分集技术。最近基于多人多出( M I M

7、O ) 系统空时信号处理的空间分集技术得到了广泛的研究”l 。已有成果表明，在天线间衰落独立的前提下， 空时编码( 例如，A i a r n o u t i 类编码) 可以获取很高的分集增益，但是其性能会随着天线间信道衰落相关 性的增加而下降。随着未来无线宽带通信系统可用频段的增高( 超过5 G H Z ) 视距( L O S ) 传播环境会 大大增加天线间的相关性。同时，很多移动台由于受到设备硬件的限制，只能配备一个天线。这种情况 下，空间分集技术似乎没有明显的应用前景。然而，西同通信( c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n ) 技术以

8、一种 新的有趣的方式推广了空间分集的定义( 即，提供空间独立衰落的信号复本) ，开辟了一个新的研究领域 1 2 - 3 1 。 协同通信基奉思想是用户间可以共享彼此的天线，以构建一个虚拟的M I M O 系统，这样可以使得多 用户单人单出( S I S O ) 系统获得M I M O 系统的好处。由于无线媒体的广播特性，一个用户所发送的信号 不仅可以被目的终端接收到，也可以被其他用户接收到。这样，与直接和目的终端通信相反，该用户可 以和其它用户互通信息，以协同方式和目的终端通倒“。协同通信基本理论可以追溯到c o v e r 和E 1 G a m a l 的关于中继信道的容量理论。但目前协同通

9、信在很多概念和内容上都不同于中继通信，最突出的特征 就是中继通信中，中继与信源是两个独立实体，而协同通信中信源同时还是中继。因此产生很多新的问 题有待解决”l 。， 本文首先介绍协同通信中一些基奉的协同策略和协议，同时对其性能进行了理论分析。最后指 出枷同通信研究中的一些难点和重点。 5 1 3 2 系统模型 闭l 给出了一个简单的包含两个用户( 信源) 和一个目的终端的协同通信系统，在此系统中，每个 用户既作为独立用户发送自已的信息又作为中继发送另一个用户的信息。如果一个用户与终端间具有 较差的信道质量，信息也可能通过另一个用户成功发送到终端。在这种通信2 h 式下所能获得的空间分集， 称为

10、协同分集。 实际系统中，移动台不能在同一频率上同时接收和发送信号，因此信号必须在时间或者频率上保持 正变性。考虑半双T ，模式，时分方案( 频分方案与此类似，暂不考虑) ，每个用户信道被划分为两个正交 子信道( 时隙) 。假设各终端保持分组、载波和符号同步。以用户l 发送信息为例，此时用户1 称为信源， 用户2 为中继。在第一个时隙，系统信号模型如下： n 。( n ) = 。z 。( n ) + w o ( n ) ，n = 1 ， y 2 ( ，1 ) = d q ( n ) + M ( n ) ，n = 1 ， ，叫2 ( 1 ) ，r 2 其中，d r I ( n ) 为用户l 发送的

11、信号，嘎。( 岛，2 ) 为用户1 和目的终端( 用户2 ) 间信道传输系数， 是均值为零、方差为d ( ：) 的独立循环对称复高斯随机变量。虬，( ) 和( n ) ( y 2 、( n ) 和 w 2 ( H ) ) 分别为目的终端( 用户2 ) 处的接收信号和复高斯噪声( 方差为J 2 ) 。在第二个时隙且 的终端处接收用户2 转发的信号 y 。：( n ) = 。x ：( n ) + ，屹( n ) ，n = r 2 + l ，- 一，? 1 ( 2 ) 最后，目的终端处利用妇，l ( n ) 和儿：( H ) 通过一定的合并方式检测出( n ) 。用户2 发送自1 - , 的信息，用

12、户1 为中继的情况与上述类似( 如图I 中灰色所示) 。 用户2 图1 协同通信系统摸型 丞 的终端 3 协同策略与协议 根据上述模嚣5 1 ，首先信源在第一个时隙向中继和目的终端广播信息，在第二个时隙内，中继根据不 同的协同策略对接收信号做如下处理： ( 1 ) 放大一转发：对接收的加噪信号弘，( n ) 进行放大和转发。 ( 2 ) 译码一转发：对接收的加噪信号) | 2I ( ，1 ) 进行检测估计和转发。 ( 3 ) 编码协同：对接收的加噪信号y 2 ，( H ) 进行完全译码，然后根据译码结果发送冗余信息。 对上述协同策略，可以应用不同的协同协议： ( 4 ) 固定协议：中继总是处理

13、接收到的信号并转发。这种协议最简单 ( 5 ) 自适应协议：中继对接收的信号在满足一定的条件时才转发。 5 1 4 Y U h 训 啊 舻 ( 6 ) 反馈协议：中继根据目的终端反馈的指示信息决定是番转发 3 1 放大一转发策略 当中继采用这种策略时，我们有 X 2 ( n ) = 口y i 。( n T 2 ) ，n = T 2 + l , - - , r ( 3 ) 技术研究 其中口为信号放大倍数。假设信源和中继的发送功率约束都为P ，为满足这一约束条件有 口0 可再j 硐。因此，中继需要准确地估计信道传输系数啊r 另外，口的选择需要最大化目的 终端处的合并后的信噪比”1 鲁糕 其中巨，肛

14、2 为每比特平均信噪比。由( 4 ) 式可以看出，当h ，2 I 口1 的时候过度放大接收信号， 即a 口l 反而会降低_ s _ 健。当l ：I ol 时，令盯h ：I = l ( 目的为了中继与信源保持同样的发送功率， 称为再生放大) ，由此得s R ；舞( 啊。1 2 + l 2 ，。1 2 ) 。这一结果正是两发单收系统在采用A 1 a m o u “编 码和最大比合并后所能获得的最佳分集增益( 2 阶) 。南于_ I I2 是一个随机变量因此为了在目的终端处 获得最佳判决性能，需要准确估计啊：。这就需要该策略能够提供估计和交换信道信息啊，：的有效机制。 该策略方法简单，对信号处理方便

15、，虽然在信号处理过程中同时放大了接收噪声，但毕竟提供了一 个空间独立衰落的信号复本，这将有益于目的终端对信号检测的判决。但是该方法中对模拟信号的采样、 放大、存储和重传仍然会提高硬件的复杂度。 该策略对接收的信号Y 2 。( n ) 进行检测和估计，假设估计值为毫( n ) ，则有 X 2 ( H ) = 量，( n 一叫2 ) ，n = 叫2 + 1 ，T 对接收信号的检测有两种思路：一是全译码， 全译码。这两种思路可以获得性能和复杂的折衷。 ( 5 ) 进行无差错估计；二是逐符号榆测，留待目的终端处 这种方法最接近传统的中继通信。这种方法需要多个用户的参与，因为如果中继对信源比特信息的 榆

16、测不成功，则会严重影响接收端对用户信息比特的最终检测。多个用户参与可以大大提高信源一中 继间信道获得高质量的概率。 3 3 协同编码策略 协同编码是一种将协同通信与信道编码结合起来的信号设计方法”，其将信源编码码字分成两部分， 通过两个独立路径发送出去。基本思想就是中继接收到信源的信号，通过译码后确定信源编码的冗余信 息并转发给目的终端。如图1 中，假设丁对应信源编码码长曰，7 传输周期分成两个时隙Z 和L ，分别 对应编码码长8 和鼠，满足B = 旦+ 鼠。定义r l = 瓦r = 反口为协同效率。以循环冗余检测码( C R C ) 为例，信源通过C R C 编码构成码长为口的码字，通过穿孔将其变为码长为日，的码字，在第一个时隙r 内 发送。中继在接收信号后通过译码确定长为8 的穿孔比特在第二个时隙7 二内发送则 f n l ，n = 一+ l ，T 即为包含最个比特的传输信