协作通信

浅谈协作通信学院：专业班级：姓名：学号：指导老师：ACBXYY1X1广播多址源节点目的节点中继节点基本中继信道摘要：为了提高移动通信系统的性能，通常需要在发射端进行分集。而移动通信中的发射分集一般需要在发射端使用多根天线，但许多无线设备因受尺寸或硬件复杂度的限制，一般只有单根天线。为此，专家提出了一种新的解决方法———协作通信。该方法使用带有一根天线的移动台，在多用户环境中可以共享其他移动用户的天线，这样可产生多根虚拟发射天线，进而得到相应的分集增益，改善移动通信系统的性能。关键词：协作通信，移动通信，发射分集1协作通信技术的提出及其研究缘由协作通信技术的起源可以追溯到Cover和ElGamal在1979年关于中继信道的研究工作——可以通过随机编码方案得到通信信道容量的下界。他们研究了离散无记忆、加性白高斯噪声(AWGN)中继信道模型的信道容量，其中的所有节点工作在相同的频段上，从而将系统划分成一个广播信道和一个多址信道。研究表明信道的容量大于源节点与目的节点间信道的容量。他们首次提到了协作通信的模型。之后的协作通信的研究基本都以此为基础。协作通信源于中继信道，但有所不同。具体区别如下表1.1所示：表1.1中继信道技术和协作通信技术的区别中继信道技术协作通信技术分析AWGN信道的容量应用于衰落信道中，主要目的是为了对抗多径衰落中继节点的唯一目的就是帮助源节点发送信息整个系统的资源固定，各个用户即可充当中继节点帮助源节点发送信息，又可作为源节点发送自己的信息协作通信技术得以发展主要有以下几方面的因素：基于多天线(MIMO)系统空时信号处理的空间分集技术得到了广泛的研究；移动通信系统实现大带宽传输：设计一个大带宽系统（新系统），通过不同系统间的协作来构造具有更大传输带宽的系统（现网演进），有多余的网络资源；随着未来无线宽带通信系统可用频段的增高，视距传播环境会大大增加天线间的相关性。很多移动设备受到设备硬件的限制，只能配备一个天线，增加了不便。2、协作通信的基本思想原理：在多用户通信环境中，使用单副天线的各临近移动用户可按照一定方式共享彼此的天线协同发送，从而产生一种类似多天线发送的虚拟环境，获得空间分集增益，提高系统传输性能。协作通信融合了分集技术与中继传输的技术优势；形成了分布式的虚拟MIMO系统（多个中继节点本身可自然形成虚拟的天线阵列，节点间通过相互配合和信息互通，模拟传统MIMO技术的应用环境，从而实现联合空时编码的传输方案）；克服了相干距离等的限制；在不增加天线数目的基础上，可在传统通信网络中获得与多天线以及多跳传输情况下相近的传输增益。以蜂窝移动通信为例，移动无线信道收到衰落影响，一个用户的信号可以直接到达接收端，另一路则可通过另一移动用户作为中继，再到达接收端，在接收机站形成分集接收信号。与蜂窝网络相比，协作通信更适用于AdHoc无线网络与无线传感器网络。协作会将码率与传输功率进行折中。功率需求：协作分集通信似乎会要求每一个用户使用更高的功率，然而由协作方式产生的分集增益则可降低用户的传输功率并保持同样的性能；传输码率：每个用户将传输自身的比特和中继的比特，似乎会要求更高的带宽，但每个用户的频率会提高，因此协同分集信道编码的码率可以增加。协作分集借助于协作伙伴的天线，与其自身天线共同构造成发射天线，并通过模仿传统的多发射天线分集来获得空间分集增益。优点是如果在某个时段用户没有信息要传送，那么在没有协作时，其资源只能闲置，而协作时分集则可以实现用户资源的充分利用；缺点：在用户资源没有闲置时，用户既要传送自己的信息，又要传送其协同伙伴的信息，会牺牲一部分自己的资源；另一方面，用户也通过协同分集利用了其协同伙伴的空域资源。所以我们只要合理地设计协作方案，完全可以做到协作分集带来的增益大于所付出的代价。协作分集可以有效地利用整个网络资源，使网络性能更稳定。3、协作通信系统模型根据无线通信网络中是否存在空闲节点资源，可相应采用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，空闲节点可相互充当转发节点。当系统中不存在空闲节点资源时，一方面该系统中的信源节点会牺牲部分资源(包括带宽、发射功率等)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。图1有空闲节点时的协作通信系统模型图2无空闲节点时的协作通信系统模型4、协作通信的分类以及相关介绍根据协作对象的不同可以分为异构网络间的协作通信和同构网络间的协作通信；根据中继节点对源节点信息处理方式的不同可分为放大转发（AF）、解码转发（DF）、编码协作（CC）、空时编码协作（STCC）和网络编码协作（NCC）等RDSSSD多种方式。异构网络间的协作通信是为了同时满足不同用户的多种应用需求，未来的通信网络必须要具有将各种网络统一到一个信息平台上的能力；同构网络内的协作通信是所有节点都在同一种网络内工作，分为固定中继和用户终端间的协作两种方式。根据现有的研究，通常又可以将协作通信策略按照信号处理的方式分为固定中继(Fixed-Relaying)、选择中继(Selection-Relaying)、增强中继(Incremental-Relaying)和编码协作(CodedCooperation)。其中固定中继协作模式包括放大转发(Amplify-and-Forward,AF)和解码转发(Decode-and-Forward,DF)两种。4.1固定中继协作模式简单来讲就是在源节点和目的节点之间预先放置一个位置固定的中继节点。中继节点与源、目的节点之间均采用无线连接，但它自己并无信息发送，而只对接收到的信息进行转发。在AF(AF－AmplifyandForward)方式中，AF也被称作非再生中继方式，其本质上是一种模拟信号的处理方式。AF基本思想：转发节点接收信源所发射的带有噪声的信号，并将其进行功率放大，然后再转发至接收端。接收端将信源和转发信号以一定的准则合并，并进行判决。分析表明了当信噪比较高时，采用该策略可以获得二阶分集增益。简单来说就是AF方式中继节点不对接收的信号进行解调和解码，而是直接将收到的信号进行模拟处理后转发给目的端，这是采用最早的一种协作模式。该方案的优点在于：AF方式最简单，而且由于目的节点可接收到两路独立的衰落信号，AF可获得满分集增益，性能良好；进行转发时不需要对信息进行复杂处理，从而具有速度快、复杂度低的特点。但是其缺点在于：由于中继节点在放大信号的同时，用户间信道即源-中继信道的噪声也被放大转发，因此AF方式存在着噪声传播效应，当协作用户之间链路较差时，放大的噪声将直接影响最终的判决，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。为了避免由放大的噪声导致错误传播，研究者提出了DF(DF－DecodeandForward)方式，DF为再生中继方式，DF方式在本质上是一种数字信号处理方式。图译码转发方式的信号处理流程DF基本思想：指伙伴要先对接收到的信号进行解调，解码（视是否编码而定）和估计，然后将数据进行编码调制后传输给目的节点。在这种策略中转发节点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。DF方式不会带来噪声传播问题，但受源-中继端信道传输性能影响较大，若编码方式不采用CRC（CyclicalRedundancyCheck)码，得不到满分集阶数。中继节点对源节点信息解码错误所带来的误差会随着跳数的增加而不断累积，从而影响到分集效果和中继性能。这表明源-中继节点信道传输特性的好坏对DF方式协作通信系统的性能有很大影响。由于这种方式在转发过程中消除了噪声的干扰，有利于接收端的最终判决，提高了系统传输的可靠性。但是在用户间信道条件较差的情况下，也可能出现信息的误判，从而对系统的性能造成影响，不能得到完全分集。通常称AF与DF方式为固定协作模式是因为无论信道传输特性如何，中继节点总是参与协同通信过程。但协作带来的未必全是好处，比如在半双工模式下会降低数据传输速率以及系统自由度的利用率。4.2选择中继协作模式结合AF和DF两种方式，人们进一步提出了选择中继模式（源—中继）和增强中继模式（源—目的），两者均是DF的改进方案。选择中继是根据信道条件采取自适应转发方式，当中继信道的增益低于一定门限时，取消中继节点的传输，由信源节点直接传输信号，此时系统等同于非协作通信系统。该方案避免了用户间信道较差时引起的错误传播，但是协作节点也需要精确估计用户间信道信息，图编码协作方式的信号处理流程图增加了信号处理的复杂度。4.3增强中继协作模式在固定中继和选择中继两种协作通信策略中，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。增强中继策略在接收端对源信号解码，并反馈1比特的解码判决信息到信源，由信源根据反馈信息决定是否继续进行协作，从而节省了系统的功率开销，提高了系统的频谱利用率。该方案同样具有一定的复杂性。4.4编码协作方式(CC－CodedCooperation)基本思想：对正确解出的合作伙伴的信号重新进行编码；即，中继节点接收来自于基站端已被噪声干扰的信号，同时，它将对信号进行解码处理，以获得原始信息。然后再将其获得的信息重新编码，以一定功率发送给用户端。上述协作通信策略一方面都是基于重复转发的，从信道编码的角度看，并不能最好地利用可用带宽；另一方面为了在接收端得到最佳的最大似然检测，需要知道用户间信道的误比特率和信噪比。为了解决这些局限性，有研究者提出了编码协作的概念。与SDF方式不同，其利用不同的信道传送编码冗余信息，通过编码设计实现协作与非协作方式之间的自动切换，相当于将空间分集与编码分集结合起来，不但获得了空间分集增益还可获得编码增益，从而进一步提高了系统传输的可靠性。编码协作的优点在于能够直接利用现有的信道编码技术，无需用户之间的反馈，无需直接考虑源节点与中继节点之间信道的传输特性。但由于需要进行信道译码，这就增加了协作用户的编译码复杂度，以及相应的功率开销。编码协作方式目前已有多种信道编码方式与协同通信相结合，例如卷积码、Turbo码、低密度奇偶校验码(LDPC)等。空时编码协作方式(STCC－SpatialandTimeCC)，将空时编码思想应用到编码协作方式中；与一般编码协作方式最大的不同：每个移动终端可在自己和其协作伙伴的多址信道上同时发送信息；而在一般编码协作方式中，移动终端只能在自己的多址信道发送协作信息。研究表明，空时编码协作方式在快衰落环境下也可以获得满分集增益，并且不会牺牲信道质量相对较好的移动终端的性能。网络编码协作方式(NCC－NetworkCodingCooperation)，网络编码：网络节点将接收到的信息进行编码后再转发出去的多点传送技术。网络编码的核心思想：中间节点不再是简单的存储转发，而是将接收信息进行编码后再发送，从而可提高整个网络的容量和健壮性。网络编码概念的提出以及现在大部分相关的工作都是基于有线网络的，但无线信道的广播特性为网络编码的应用提供了有利条件，且无线网络节点间的信息交互也完全可以运用网络编码理论来实现。因此，网络编码和协同通信技术相结合可有效提高无线通信系统的性能。5、性能分析系统仿真采用二进制移相键控（BPSK），接收机采用相干检测。编码协作机制采用信道编码，为了相对公平，需考虑码率为1/4的编码系统在无协作、放大转发机制、检测转发机制和编码协作机制等各种协作机制下的性能。对于检测转发机制和放大转发机制，用户通过凿孔来发送码率为1/2的RCPC码字。该码字随后被中继重复，这样整个系统码率就为1/4。对于编码协作机制，其协作水平为1/4。当SNR为15dB时，无协作机制、放大转发机制、译码转发机制、编码协作机制的误码率分别为如下图所示。由仿真可以看出，通过协作在高SNR时可以明显改善系统性能，能提供分集，分集阶数为误块率对SNR的斜率，它等价于两根发射天线和单根接收天线所产生的分集。仿真还能说明协作