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1、数 据通信 2009.5新技术New Technology梅中辉 李晓飞 (南京邮电大学通信与信息工程学院 南京 210003)摘 要： 协作通信技术可以提高无线通信链路的可靠性，成为当前研究的热点之一 。文章主要阐述了协作通信技术的研究缘由 、协作通信系统模型 、协作通信策略 、基于 CDMA系统的协作通信技术及发展展望 。关键词： 协作通信； MIMO；码分多址协作通信技术*收稿日期 ：2009-08-24当系统设计者能够更好地了解信道条件 、多用户通信环境等，就能够充分利用这些因素来提高系统性能1。协作通信的目的就是充分利用网络中的节点资源来帮助有通信需求的节点进行高速 、可靠的无线通信
2、2。1 协作通信技术的研究缘由协作通信的缘由主要有两方面的因素：网络中空余资源的存在和协作通信所能提供的协作通信增益3。网络中空余资源的存在 ：在这里将以蜂窝移动通信系统来说明无线网络中空余资源的存在 。某一时间段内蜂窝移动通信系统中可能仅有部分移动终端有通信需求，因而网络中会有较多的移动终端处于空闲状态，但是传统的蜂窝移动通信系统将所有移动终端看成是互不通信的个体，从而使这部分空闲硬件资源得不到利用而被浪费掉；另一方面，蜂窝移动通信系统中的移动终端具有差异性，如硬件技术的快速发展使得部分移动终端具有较强的计算处理能力，而另一些移动终端的计算处理能力则相对较差 。距离基站较近的移动终端具有较好
3、的通信能力，而距离基站较远的移动终端的通信能力则相对较差 。如果将这些移动终端看成是一个可以相互 (或部分相互 )通信的整体，则这些差异性的存在可使不同的移动终端在网络中承担不同的角色，从而有利于整个通信系统性能的提高 。然而，在传统的蜂窝移动通信网络中，某一时刻部分有通信需求的移动终端可能由于受自身资源条件等因素所限制，不能进行较为有效的通信；另一方面网络中却存在着大量的空闲资源，以及部分资源的潜力未能得到充分利用，两者间存在着矛盾，如何利用这些空余资源来帮助有通信需求的移动终端进行有效通信便成为一个值得深入研究的课题 。协作通信增益 ：可以通过分集增益技术来抑制无线信道受多径衰落的影响 。
4、分集增益技术主要包括空间分集增益 、时分分集增益 、频分分集增益 3种4。MIMO技术通过在发射端和接收端放置多根天线，形成多个独立的发 /收信道，从而达到利用空间分集增益技术来提高无线信道传输性能的目的，被认为是下一代无线通信系统中的关键技术之一5。但由于受设备尺寸 、造价和硬件性能等条件限制，无线设备不一定能够支持安装多根天线6-8。而协作通信技术能够利用无线信道的广播特性，允许单天线终端设备在多用户环境中共享它们的物理资源来进行通信，形成虚拟天线阵列 。即参与协作通信的设备间可相互转发信息，使得同一信息能够通过不同的独立的无线信道到达接收端7-8。文献 9研究结果表明，协作通信可以提供全
5、部的空间分集增益效果，即 n个参与协作通信的节点所提供的空间分集增益等同于信源节点具有 n个独立的发射天线所提供的空间分集增益 。2 协作通信系统模型根据无线网络中是否存在空闲节点资源，系统*基金项目：南京邮电大学引进人才科研项目 (NY207132)142009.5 数据通信新技术New Technology设计者可相应采取两种不同的协作通信模型，如图 1所示 。当系统中存在空闲节点资源时，空闲节点可相应充当转发节点 。文献 10研究了该种协作通信模型，其中转发节点利用 slepian- wolf编码11技术来解决信源节点信息和转发节点信息间的相关性，并且文献给出了该系统信道容量的上限和下限
6、 。当系统中不存在空闲节点资源时，可采用图 1(b)所示的协作通信系统模型 。该系统中一方面信源节点会浪费部分资源 (包括带宽 、发射功率等 )以用于节点间相互转发信息，因而造成有效通信数据流量的下降；另一方面协作通信系统产生的协作通信增益会使系统中的有效通信数据流量增加，当由协作通信产生的正面效应大于负面效应时，系统便会相应获得性能增益12。3 协作通信策略文献 9根据协作通信伙伴节点转发信号方式的不同，提出了 Fixed- Relaying、Selection- Relaying、In蛳cremental- Relaying等几种协作通信策略 。Fixed- Relaying协作通信策略包
7、括 AAF (Ampli蛳fy- and- Forward)和 DAF(Decode- and- Forward)两种 。在AAF策略中，转发节点将从信源节点接收到的信息进行功率放大，然后再将其转发至接收端；在 DAF策略中，转发节点间将从信源节点接收到的信息进行解码，然后将解码后的信息发送至接收端 。在 Selection- Relaying协作通信策略中，转发节点将根据信道条件采取自适应转发策略，当信源节点与转发节点间的信道条件较好时，转发节点便转发其从信源节点所接收到的信息至接收端；否则，转发节点不转发其从信源节点所接收到的信息，此时系统等同于非协作通信系统 。在上述两种协作通信策略中，
8、由于转发节点重发信源节点所发送的信息而导致系统的带宽资源被浪费 。Incremental- Relaying协作通信策略能够利用从接收端所提供的反馈信息来提高系统的带宽利用率，当接收端能够正确接收来自信源节点的信息时，转发节点不需要对信源节点提供任何帮助；否则，转发节点便将其从信源节点所接收到的信息转发至接收端 。文献 9研究结果表明， Incremental- Relaying、Se蛳lection- Relaying、Fixed- Relaying几种协作通信策略的性能依次递减 。4 CDMA系统中的协作通信CDMA(码分多址 )技术是蜂窝移动网络所广泛采用的技术，因此将协作通信技术应用于
9、 CDMA系统中以提高无线链路的质量便成为一个十分具有研究意义的课题13。文献 7- 8研究了图 1(b)所示的 CDMA协作通信系统模型，从信息论观点的角度给出了协作通信系统较传统的通信方式可取得更大信道容量的结论，并针对块衰落 CDMA信道模型提出了一种具体的协作通信策略 。文献 6针对 CDMA系统给出了一种两阶段协作通信策略 。在奇数符号周期时间间隔内，信源节点发送自身信息至其伙伴节点和基站端，同时伙伴节点检测出其所接收到的信号；在偶数符号周期时间间隔内，伙伴节点利用其自身的扩频码将所检测出的信息转发至基站端 。该文献分别针对 DAF和 AAF两种协作通信策略来研究 MMSE多用户检测
10、算法，研究结果表明，当伙伴节点和基站端完全已知信道条件时， AAF协作通信策略可取得全部的二阶分集增益效果；而当信道条件部分已知时， DAF协作通信策略较 AAF协作通信策略可取得更好的系统性能 。并且文献 6给出了一种简单的协作伙伴节点选择方法，该方法主要基于以下两点考虑：（ 1）双向选择协作伙伴，即一对节点互为协作伙伴节点 。（ 2）距离基站较远的节点具有优图 1(a) 有空闲节点时的协作通信系统模型图 1(b) 无空闲节点时的协作通信系统模型15数 据通信 2009.5新技术New Technology先选择协作伙伴节点的权利，从而优先给链路较差的移动终端提供帮助 。5 未来发展展望虽然
11、文献 6- 8取得了较为丰硕的研究成果，但所研究的多用户检测算法和协作通信策略并不先进 。从多用户检测算法角度考虑，由于 Turbo码14的发明， Turbo处理技术被应用于多用户检测中，一种新的多用户检测技术 - 迭代多用户检测技术成为了当前研究的热点15-16。这种多用户检测技术能够利用译码器提供的信息来显著提高系统的检测性能，因此可相应考虑将迭代检测技术应用于 CDMA协作通信系统中，从而可以提高信源节点与伙伴节点和基站间的物理链路质量 。从协作通信策略角度考虑，由于 Selection- Re蛳laying协作通信策略和 Incremental- Relaying协作通信策略较 Fix
12、ed- Relaying协作通信策略可取得更好的系统性能9，可考虑在 CDMA协作通信系统中使用这两种协作通信策略进行研究 。参考文献1 Laneman J N. Cooperative diversity in wireless networks: algo-rithms and architectures D. Ph.D. dissertation, MIT, 20022Sadek A K, RayLiu K J, Ephremides A. Cognitive multiple ac-cess via cooperation: protocol design and performanc
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