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1、第六章 协同通信信号处理宽带业务需求对无线通信系统提出了更高的要求，在新一代移动通信系统（LTE、4G）中，均采用了MIMO技术MIMO系统：无需占用额外带宽，就能增加信息传输速率、提高可靠性，但是MIMO系统的性能提升是以增加收发信机射频链路为代价的宽带通信系统必然工作在更高频段，这意味着电波传播的路径损耗变大、覆盖区域变小、组网代价增加移动终端因受尺寸或硬件复杂度限制，安置多天线非常困难 第六章 协同通信信号处理协同通信通过在源节点和目的节点之间引入中继信道，形成类MIMO链路，能够克服MIMO技术的应用障碍（体积、重量、功耗、天线等）协同通信可以看作一种泛化的MIMO系统，利用无线信道的
2、广播特性，各节点分布式地互助通信，通过适当的协同策略改善系统性能协同（Cooperation）：一组实体协同工作以实现某个共同目标，核心思想是各实体通过贡献、共享资源以获取额外收益协同思想在无线通信领域已有大量运用，如通信节点必须共同遵守的通信规约、资源共享应用等第六章 协同通信信号处理从通信角度看，协同分为隐式协同和显式协同两类隐式协同是协同通信的第一层次：实体间信息交互不依赖预设协同架构，如TCP、ALOHA协议等，其特征是公平性，本质是零和博弈显式协同基于预设网络架构，宏观通信实体进行协同中继或编码协同称为显式宏观协同，这是协同通信的第二层次；而当实体内部组件，如电源、天线等协同时称为显
3、式微观协同，这是协同的第三层次协同通信重点关注如何提高系统容量、降低中断概率和能耗等第六章 协同通信信号处理 协同通信信号处理重点关注的内容：协同分集：利用系统内多个用户天线组成分布式系统，处于不同位置的用户向目的节点转发的信号经历相互独立的信道衰落，获得分集增益。从信息论角度看，协同分集把MIMO技术应用到多天线受限的移动终端上，完成空间分集协同中继：通过网络中不同用户节点中继接力传输，在扩展覆盖区域、消除盲区或弱区、降低组网成本、提高系统容量、改善小区边缘频谱效率以及灵活部署等方面具有显著优势协同定位：利用网内用户之间相互协作定位，能获得更高的位置感知精度，并扩展定位覆盖范围协同通信起源协
4、同通信技术起源于1979年Cover和Gamal关于中继信道技术的研究工作研究表明：离散无记忆、加性高斯白噪声中继信道的容量大于源节点与目标节点之间的信道容量，且可以通过随机编码方案获得信道容量的下界随机编码方案： 简易方案：中继节点不主动帮助源节点，而是通过减少干扰来帮助它 协同方案：中继节点解调译码接收信号，重构后发送 观察方案：中继节点量化接收信号，编码后发送 协同通信起源协同通信技术源于中继信道技术，但与中继信道技术又不同中继信道技术协同通信技术分析AWGN信道容量应用于衰落信道，主要目的是抵抗信道衰落效应中继节点的唯一目的就是帮助源节点发送信号系统资源固定，各用户节点既可以充当中继节
5、点帮助源节点发送信号，也可以作为源节点发送自己的信号协同通信原理基本思想：在多用户通信环境中，使用单天线的各相邻用户终端按照一定方式共享彼此的天线协同发射，从而形成一种类多天线发射的虚拟环境，以此获得空间分集增益，提高系统传输性能融合了分集技术和中继传输技术的优点形成了分布式虚拟MIMO系统（多个中继节点形成的虚拟天线阵列，节点间通过相互配合和信息互通，模拟MIMO技术的应用场景，实现联合空时编码传输方案）克服了空间分集对相干距离的限制无需增加节点天线数就能获得与多天线系统及多跳系统相近的传输增益 协同通信原理协同通信在蜂窝移动通信系统中的应用：移动无线信道受到衰落影响，一个用户信号可以直接到
6、达基站，另一路则通过另一个用户作为中继再到达基站，在基站形成分集接收信号 协同通信原理 协同通信在ad hoc网络和无线传感器网络中的应用：实现传输码率与传输功率之间折中传输码率：每个用户传输自身比特和中继比特，似乎会要求更大的带宽，但每个用户会得到其它用户协作，能增加传输码率传输功率：协同通信似乎要求每个用户使用更大的发射功率，但由于协作方式获得的分集增益，能降低用户传输功率，并保持同样的性能协同分集协同分集：借助协同伙伴的天线，与自身天线共同构造发射天线，利用多发射天线分集获得空间分集增益优点：如果某时段用户没有信息发送，该用户资源只能闲置，但协同分集能实现用户资源的充分利用缺点：如果用户
7、资源没有闲置，用户既要传送自身信息，又要传送协同伙伴的信息，会牺牲一部分自身资源。当然，用户也通过协同分集利用了协同伙伴的空域资源结论：只要合理设计协作方案，就能做到协同分集获得的增益大于付出的代价。因此，协同分集能有效利用网络资源，使整体性能更稳定 协同分集分类依据协作对象不同分为：异构网间协同通信、同构网内协同通信异构网间协同通信：由于历史的原因，目前的接入网络呈现出多种接入体制共存，不同网络的传输速率、覆盖能力、通信体制、接入方式等各有特点和优势。为了满足不同用户的多种应用需求，未来的通信网络必须将各种接入网整合、统一到一个信息平台（ITU、3GPP等从电信网角度、Internet工作组
8、从IP分组网角度均进行了描述），即以IP技术为基础，通过在不同接入网引入协同通信技术，为用户提供电路交换和分组交换能力，这就是异构网间协同通信，主要包括网间垂直切换和漫游等协同分集分类同构网内协同通信：所有节点属于同一张网络，又分为固定中继和用户终端间协作两种： 固定中继：在源节点和目标节点之间预先设置一个位置固定的中继节点，中继节点与源节点和目标节点之间采用无线连接，但中继节点没有自身信息发送，只对接收到的信号进行转发 用户终端间协作：源节点同时作为中继节点，既要发送自身信息，也要发送协同伙伴的信息，要求终端同时具有信号转发和简单路由功能 协同中继信号处理方式依据中继节点对源节点信号的处理方
9、式不同分为：放大转发、译码转发、编码协同、空时编码协同、网络编码协同等 放大转发（AF）：也称非再生中继方式，本质上是一种模拟信号处理技术信号处理分为三个阶段： 第一阶段：源节点广播发送信号，目标节点和中继节点同时接收； 第二阶段：中继节点对接收到的源节点信号直接放大后转发； 第三阶段：目标节点对接收到的两路信号合并解码，恢复原信号 放大转发放大转发（AF）的性能 优点：实现简单，目标节点获得两路独立衰落信号，能获得满分集增益 缺点：中继节点在放大信号的同时也放大了源-中继信道引入的噪声，存在噪声传播效应译码转发译码转发（DF）：也称再生中继方式，本质上是一种数字信号处理技术信号处理分为三个阶
10、段： 第一阶段：源节点广播发送信号，目标节点和中继节点同时接收； 第二阶段：中继节点对接收到的源节点信号解调译码，重构发送信号并转发； 第三阶段：目标节点对接收到的两路信号合并解码，恢复原信号 译码转发译码转发（DF）的性能 优点：DF方式不会产生噪声传播效应，但受源-中继信道性能影响大，如果编码方式不采用CRC码，得不到满分集阶数； 缺点：中继节点对源节点信息解码差错会随着跳数增加累积，最终影响分集效果和中继性能，即源-中继信道传输特性对DF方式协同通信性能影响很大 AF/DF协作模式改进上述AF和DF方式均为固定协作模式，即无论信道传输特性如何，中继节点总是参与协同通信过程。但协同带来的未
11、必全是好处，比如在半双工模式下会降低数据传输速率和系统自由度的利用率，这就涉及到协同时机选择问题。结合AF和DF方式，又出现了选择模式（源-中继）和增强模式（源-目标）转发方式协作模式固定模式选择模式增强模式放大转发固定放大转发（AF ）选择放大转发（SAF ）增强放大转发（IAF ）译码转发固定译码转发（DF ）选择译码转发（SDF ）增强译码转发（IDF ）AF+DF协作模式改进选择模式：将源-中继信道传输特性与某个预定门限比较，只有大于门限值才选择协同通信方式，否则由源节点重复发送。可见，选择模式重点考虑源-中继信道状态增强模式：利用目标节点的反馈信息判断直传是否成功，若成功，源节点发送
12、新信息，否则中继节点参与协同通信，等效于对中继传输增加了冗余或自动检测重传机制。可见，增强模式重点考虑源-目标信道状态就复杂度而言：AF最简单，也可获得满分集增益；DF性能较差，还无法获得满分集增益；SDF作为DF的改进可获得满分集增益，但复杂度高于AF；SAF和IDF综合性能较差就可靠性和有效性而言：IAF性能最优结论： DF方式适用于选择模式， AF方式适用于增强模式编码协同编码协同（CC）：利用两条不同衰落路径发送每个用户码字的不同部分，对能正确解码协同伙伴的信号重新编码发送，此时系统性能的改善是通过在不同空间重复发送冗余信息获得的，即各用户终端通过重新编码发送了不同的冗余信息，将分集和
13、编码结合，提升系统性能。此外，在CC方式中，无需协同伙伴之间交互信息，如果中继节点不能正确解码，能自动切换至非协作模式，保证系统效率。 编码协同一种编码协同方案：首先将终端用户要发送的信息比特分块进行编码，然后加上循环冗余校验（CRC）。在协同通信时，再将编码后的信息分成两段，分别含有想要传送的信息比特N1和凿空信息比特N2。利用两个时隙分别发送N1和N2，在第一时隙，每个用户发送各自的N1bit信息，同时解码协同伙伴的第一时隙信息，如果能正确解码，就在第二时隙发送协同伙伴的N2bit信息；如果不能正确解码，则发送自己的N2bit信息。这样，每个用户在两个时隙总共发送了N1+N2bit信息，最
14、后由目标节点解码接收到的信息块。与SDF不同，CC方式通过编码设计实现协作与非协作之间自动切换，无需依据源-中继信道特性选择。 编码协同编码协同（CC）的性能在慢衰落信道环境，即使终端用户的信道传输特性很差，编码协同也能显著改善两个用户的误码性能，且如果协作双方都能正确解码，系统还能获得满分集增益在快衰落信道环境，编码协同会牺牲上行信道传输特性较好的终端用户的性能 空时编码协同空时编码协同（STCC）：将空时编码思想应用于编码协作方式，其特点是每个终端用户能在自己和协同伙伴的多址信道上同时发送信号（在一般编码协同方式中，终端用户只能在自己的多址信道上发送协作信息）。 空时编码协同STCC、CC
15、方式比较：图中横轴为时间轴、纵轴为频率轴，采用FDMA方式。在STCC和CC方式下，将时间分为两个时隙，分别对应于阶段1和阶段2。空时编码协同在STCC方式下，阶段1：用户1和用户2分别利用信道1和信道2广播发送源节点信息给协同伙伴和目标节点；阶段2：如果用户2能正确解码用户1的信息，就利用信道1和信道2分别发送协同伙伴（用户1）和自己的信息至目标节点；否则，用户2占用所有信道发送自己的信息，即在阶段2，如果能正确解码协同伙伴的信息，CC方式下，各用户均只能在自己的信道上发送协同伙伴的信息，而在STCC方式下，各用户则是同时发送双方的信息 STCC方式在快衰落信道环境下也能获得满分集增益，且不
16、会牺牲信道质量好的用户的性能 网络编码协同网络编码协同（NCC）：将网络编码思想应用于编码协同。网络编码是一种利用网络节点将接收信息编码后再转发的多点传输技术，其核心思想是网络的中间节点不再是简单的存储转发，而是需要对接收信号编码再转发，以提高整个网络的容量和鲁棒性早期的网络编码主要用于有线网络，但无线信道的广播特性为网络编码的应用提供了新的舞台。无线网络节点之间的信息交互也可以利用网络编码实现，网络编码与协同通信结合能提高无线通信系统的性能 网络编码协同网络编码协同方式按照中继节点采用的网络编码方式不同分为线性网络编码和非线性网络编码两类；根据中继节点采用的通信方式不同分为固定中继、机会中继、互为中继和双向中继等 网络编码协同固定中继方式：中继节点R作为用户A和B的固定中继，自身无信号传输，只用于对接收到的用户A和B的信号执行网络编码互为中继方式：用户A和B相互作为对方的协同伙伴，同时还需要传输自己的信号，即用户A和B在
