协作通信系统基本理论研究

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摘要：无线通信发展至今，人们对无线传输的数据速率和服务质量的要求不断提高。与主要传送语音业务的第一、第二代无线通信系统不同， 第三代及第四代系统的主要业务将变成多媒体宽带数据业务，这就要求系统支持100M-1Gbit/s 乃至更高的数据传输速率。因此， 进一步扩大信道容量、改善通信质量成为目前国内外学术界普遍关注的问题。

协作通信作为一种新型的通信模式越来越受到人们的关注，它通过不同网络元素之间的相互合作来实现网络资源的共享，进而提高传输可靠性和系统吞吐量，有效改善用户的服务质量，因此受到了广泛的关注。

关键词：协作分集 误码率 MIMO技术

中图分类号：TN92 文献标识码：A 文章编号：1007-0745（2013）03-0021-01

1、协作通信技术的研究意义

随着无线电通信时代的发展，人们对无线传输的数据速率和服务质量的要求也不断提高，因此寻求进一步扩大信道容量、改善通信质量的新技术是国内外学术界普遍关注的问题。近年来提出的多输入多输出（MIMO） 天线技术可以提供分集增益，从而对抗多径衰落。因此，MIMO技术得到越来越广泛的应用。但是某些设备由于尺寸大小或者硬件复杂度以及成本的原因一般仅有单根天线。为了改善这种情况，一种新的分集技术――协作分集，该方法可以使具有单根天线的移动台获得类似于MIMO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MIMO系统，从而获得分集增益。

协作通信的出现，在保证较小的布网开销的条件下，极大地提升了系统性能，因此，协作通信技术作为未来移动通信系统的关键技术已受到了广泛的关注，协作通信技术不仅可以改善小区边缘用户的通信质量、扩大小区覆盖范围、消除覆盖盲点，还可降低网络运营成本和投资风险，有利于3G网络向4G网络的平滑过渡。

2、协作通信的相关技术

在协作通信技术的基础理论研究的基础上，近年来出现了大量关于协作通信技术更深层次的研究，包括多个节点间的协作通信传输方式额协作通信与其他技术的结合等。其中主要包括分布式空时编码设计、协同中继节点选择、协作通信中的无线资源分配、协作认知、网络编码等。

2.1分布式空时编码设计

分布式空时编码（DSTC）的基本思想是在协同中继网络中，将多个中继节点的天线等效为分布式“虚拟天线阵列”进行空时编码设计。与传统集中式网络中的空时编码设计相比，DSTC的设计具有其特殊性，例如，中继节点转发的信号已经经历了信道的衰落的污染；分布式环境中存在的由于传播时延不同而造成的节点间异步等。与传统恐慌时编码类似DSTC也可以分为分布式空时块码（DSTBC）和分布式空时栅格码（DSTTC）等类型。另一方面，DSTC与其他技术有效结合的研究也受到广泛的关注。

2.2 协同中继节点选择

当协同中继系统中存在多个可用的中继节点时，如何通过选择协同中继节点来提高传输可靠性也是研究的热点问题之一。相对于分布式空时编码技术，采用协同中继节点选择算法更能有效降低协同中继节点和目标节点的复杂度和成本。传统中的天线选择技术应用到协同中继系统中提出了简单的分布式单中继节点选择算法。根据决策时所需信息的不同，大多数协同中继节点选择算法可以分为两类，一类是基于地理位置信息、网络拓扑结构信息或传播路径损耗信息的选择算法，另一类是基于瞬时信道状态信息等。前者无需实时的信道信息和信令的传输，对信道估计的误差也不敏感，并且选择的结果可在较长时间内保持不变，但是需要其他手段获得某些先验信息，例如位置、拓扑结构或路径损耗等；而后者反之。因此，前者今适用于固定无线接入网络，而后者主要应用于移动无线接入网络。

2.3 协作系统中的无线资源分配

协作通信系统中的无线资源的分配的研究主要包括功率分配和跨层优化等方面。协作节点的功率分配问题涉及的范围较广。如何在源节点与协同中继节点之间进行功率的分配、协同中继节点进行转发时的发射功率如何调整、参与协同通信的某一节点对传输自身信号与协同传输其他信号之间的功率分配等是我们所面临的问题。同时，在解决上述问题时的各种功率分配算法，又可以根据最优化目标的不同，大致分为基于信道容量和频谱效率的算法、基于中断概率和错误概率的算法和基于能量效率的算法等。根据联合优化过程中选择的通信协议层的不同，可将现有算法大致分为物理层中继节点转发与MAC层资源分配的联合优化算法、物理层中继转发与网络层多跳路由选择的联合优化算法、MAC层资源划分与网络层多跳路由选择的联合优化算法等。

2.4协作认知

在无线通信系统中利用协作认知（Cognitive Cooperative）技术，可以利用认知用户间的相互协作有效消除阴影衰落的影响，降低单个认知用户的检测要求。协作感知从多个分布式的认知用户收集感知数据，并通过处于不同地理位置的多个认知用户间的彼此协作来消弱外界不利因素对单个认知所造成的负面影响，最终提高认知无线电系统的检测性能。

2.5网络编码

网络编码（Network Coding ）是近些年来通信领域的重大突破，该技术融合了编码和中继传输的概念。其基本思想是网络节点对其他节点发送来的信息不仅进行数据转发，还可以对其进行数据处理，这样可以大大提高网络性能。网络编码的概念由提出，随后，等提出了网络编码的代数框架，并证明了存在满足多播容量的线性时不变编码。2003年提出了随机网络编码，拓宽了网络编码的适用场景，使得网络编码不再局限于确定的网络拓扑和集中式的算法。利用分布式网络编码纠正整个网络中的差错，并论述了网络编码在安全方面的应用，为网络编码增加了新的应用领域。

总结

协作分集技术在现阶段是比较热门的技术，对其研究的文献很多。本文主要从协作分集技术的研究意义进行了简单介绍，并对其中的关键技术作了重点的介绍。

由于研究环境有限，无法进行一些实际操作，并且理论和现实条件的差异，可能会使研究结果与理论结果有所出入。

参考文献：

[1]郑侃，彭岳星，龙航，等.协作通信及其在LTE-Advanced中的应用.人民邮电出版社.2010.12

[2]张会生，张婕，李立欣.通信原理.高等教育出版社2011.2

[3]任品毅.协作通信及网络.电子工业出版社 2010.8

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