協(xié)同通信綜述

協(xié)同通信技術(shù)free上海大學(xué)通信與信息工程學(xué)院第一頁(yè)，共四十頁(yè)。主要內(nèi)容

協(xié)同通信的提出

協(xié)同通信的原理和關(guān)鍵技術(shù)

協(xié)同通信的研究進(jìn)展

第二頁(yè)，共四十頁(yè)。3協(xié)同通信的提出基于多天線(MIMO)系統(tǒng)空時(shí)信號(hào)處理的空間分集技術(shù)得到了廣泛的研究；移動(dòng)通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)大帶寬傳輸：設(shè)計(jì)一個(gè)大帶寬系統(tǒng)（新系統(tǒng)）；通過(guò)不同系統(tǒng)間的協(xié)同來(lái)構(gòu)造具有更大傳輸帶寬的系統(tǒng)（現(xiàn)網(wǎng)演進(jìn)）；隨著未來(lái)無(wú)線寬帶通信系統(tǒng)可用頻段的增高，視距傳播環(huán)境會(huì)大大增加天線間的相關(guān)性。很多移動(dòng)設(shè)備受到設(shè)備硬件的限制，只能配備一個(gè)天線。

協(xié)同通信(CooperativeCommunication)第三頁(yè)，共四十頁(yè)。4協(xié)同通信的提出協(xié)同通信技術(shù)的起源可以追溯到Cover和ElGamal在1979年關(guān)于中繼信道的研究工作。中繼節(jié)點(diǎn)源節(jié)點(diǎn)目的節(jié)點(diǎn)

中繼信道模型第四頁(yè)，共四十頁(yè)。5協(xié)同通信的提出兩人的研究表明離散無(wú)記憶、加性白高斯噪聲(AWGN)中繼信道的容量大于源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)間信道的容量?？赏ㄟ^(guò)隨機(jī)編碼方案得到通信信道容量的下界協(xié)同通信源于中繼信道，但有所不同第五頁(yè)，共四十頁(yè)。6協(xié)同通信的提出中繼信道技術(shù)協(xié)同通信技術(shù)分析AWGN信道的容量應(yīng)用于衰落信道中，主要目的為了對(duì)抗多徑衰落中繼節(jié)點(diǎn)的唯一目的就是幫助源節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息整個(gè)系統(tǒng)的資源固定，各用戶既可充當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)幫助源節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，又可作為源節(jié)點(diǎn)發(fā)送自己的信息第六頁(yè)，共四十頁(yè)。主要內(nèi)容

協(xié)同通信的提出

協(xié)同通信的原理和關(guān)鍵技術(shù)

協(xié)同通信的研究進(jìn)展

第七頁(yè)，共四十頁(yè)。8協(xié)同通信的原理協(xié)同通信的基本思想：在多用戶通信環(huán)境中，使用單副天線的各臨近移動(dòng)用戶可按照一定方式共享彼此的天線協(xié)同發(fā)送，從而產(chǎn)生一種類似多天線發(fā)送的虛擬環(huán)境，獲得空間分集增益，提高系統(tǒng)傳輸性能。

融合了分集技術(shù)與中繼傳輸?shù)募夹g(shù)優(yōu)勢(shì)；形成了分布式的虛擬MIMO系統(tǒng)；克服了相干距離等的限制；在不增加天線數(shù)目的基礎(chǔ)上，可在傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)中獲得與多天線及多跳傳輸情況下相近的傳輸增益。多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)本身可自然形成虛擬的天線陣列，節(jié)點(diǎn)間通過(guò)相互配合和信息互通，模擬傳統(tǒng)MIMO技術(shù)的應(yīng)用環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)聯(lián)合空時(shí)編碼的傳輸方案。第八頁(yè)，共四十頁(yè)。9協(xié)同通信的原理以蜂窩移動(dòng)通信為例，移動(dòng)無(wú)線信道受到衰落影響，一個(gè)用戶的信號(hào)可以直接到達(dá)接收端，另一路則可通過(guò)另一移動(dòng)用戶作為中繼，再到達(dá)接收端，在接收基站形成分集接收信號(hào)。移動(dòng)端之間的協(xié)同通信第九頁(yè)，共四十頁(yè)。10協(xié)同通信的原理與蜂窩網(wǎng)絡(luò)相比，協(xié)同通信更適用于AdHoc無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)。協(xié)同會(huì)將碼率與傳輸功率進(jìn)行折中：傳輸碼率：每個(gè)用戶將傳輸自身的比特和中繼的比特，似乎會(huì)要求更高的帶寬，但每個(gè)用戶的頻率會(huì)提高，因此協(xié)同分集信道編碼的碼率可以增加功率需求：協(xié)同分集通信似乎會(huì)要求每一個(gè)用戶使用更高的功率，然而由協(xié)同方式產(chǎn)生的分集增益則可降低用戶的傳輸功率并保持同樣的性能；第十頁(yè)，共四十頁(yè)。11協(xié)同通信的原理協(xié)同分集：借助于協(xié)同伙伴的天線，與其自身天線共同構(gòu)造成發(fā)射天線，并通過(guò)模仿傳統(tǒng)的多發(fā)射天線分集來(lái)獲得空間分集增益。優(yōu)點(diǎn)：如果在某個(gè)時(shí)段用戶沒(méi)有信息要傳送，那么在沒(méi)有協(xié)同時(shí)，其資源只能閑置，而協(xié)同時(shí)分集則可以實(shí)現(xiàn)用戶資源的充分利用。第十一頁(yè)，共四十頁(yè)。12協(xié)同通信的原理

缺點(diǎn)：在用戶資源沒(méi)有閑置時(shí)，用戶既要傳送自己的信息，又要傳送其協(xié)同伙伴的信息，會(huì)犧牲一部分自己的資源；另一方面，用戶也通過(guò)協(xié)同分集利用了其協(xié)同伙伴的空域資源。結(jié)論：只要合理地設(shè)計(jì)協(xié)作方案，完全可以做到協(xié)作分集帶來(lái)的增益大于其所付出的代價(jià)。綜合來(lái)講，協(xié)作分集可以更有效地利用整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的資源,使網(wǎng)絡(luò)性能更穩(wěn)定。第十二頁(yè)，共四十頁(yè)。13協(xié)同通信的分類根據(jù)協(xié)作對(duì)象的不同：異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間的協(xié)同通信；同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間的協(xié)同通信根據(jù)中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)源節(jié)點(diǎn)信息處理方式的不同可分為放大轉(zhuǎn)發(fā)(AF)、解碼轉(zhuǎn)發(fā)(DF)、編碼協(xié)作(CC)、空時(shí)編碼協(xié)作(STCC)和網(wǎng)絡(luò)編碼協(xié)作(NCC)等多種方式第十三頁(yè)，共四十頁(yè)。14協(xié)同通信的分類根據(jù)協(xié)作對(duì)象的不同

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間的協(xié)同通信為了同時(shí)滿足不同用戶的多種應(yīng)用需求，未來(lái)的通信網(wǎng)絡(luò)必須要具有將各種網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一到一個(gè)信息平臺(tái)上的能力。

同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的協(xié)同通信所有節(jié)點(diǎn)都在同一種網(wǎng)絡(luò)內(nèi)工作，分為固定中繼和用戶終端間的協(xié)作兩種方式。第十四頁(yè)，共四十頁(yè)。15協(xié)同通信的分類固定中繼協(xié)作方式：類似于下圖的中繼信道，在源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間預(yù)先放置一個(gè)位置固定的中繼節(jié)點(diǎn)。中繼節(jié)點(diǎn)與源、目的節(jié)點(diǎn)之間均采用無(wú)線連接，但它自己并無(wú)信息發(fā)送，而只對(duì)接收到的信息進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。中繼節(jié)點(diǎn)源節(jié)點(diǎn)目的節(jié)點(diǎn)中繼信道模型第十五頁(yè)，共四十頁(yè)。16協(xié)同通信的分類用戶終端間的協(xié)作方式：更靈活一些，源節(jié)點(diǎn)同時(shí)也可作為中繼節(jié)點(diǎn)，它們不僅可轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作伙伴的信息，同時(shí)也可發(fā)送自己的信息。因此，這些終端需要同時(shí)具有信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)和簡(jiǎn)單路由的功能。第十六頁(yè)，共四十頁(yè)。17協(xié)同通信的協(xié)作方式根據(jù)中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)源節(jié)點(diǎn)信息處理方式的不同:

放大轉(zhuǎn)發(fā)(AF)譯碼轉(zhuǎn)發(fā)(DF)

編碼協(xié)作(CC)空時(shí)編碼協(xié)作(STCC)

網(wǎng)絡(luò)編碼協(xié)作(NCC)第十七頁(yè)，共四十頁(yè)。18協(xié)同通信的協(xié)作方式放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作方式(AF－AmplifyandForward)☆A(yù)F也被稱作非再生中繼方式，其本質(zhì)上是一種模擬信號(hào)的處理方式。

放大轉(zhuǎn)發(fā)方式的信號(hào)處理流程第十八頁(yè)，共四十頁(yè)。19協(xié)同通信的協(xié)作方式放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作方式(AF－AmplifyandForward)

AF方式最簡(jiǎn)單，而且由于目的節(jié)點(diǎn)可接收到兩路獨(dú)立的衰落信號(hào)，AF可獲得滿分集增益，性能良好。由于中繼節(jié)點(diǎn)在放大信號(hào)的同時(shí)也放大了源-中繼信道引入的噪聲，因此AF方式存在著噪聲傳播效應(yīng)。第十九頁(yè)，共四十頁(yè)。20協(xié)同通信的協(xié)作方式譯碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作方式(DF－DecodeandForward)☆也稱DF為再生中繼方式；可見(jiàn)，DF方式在本質(zhì)上是一種數(shù)字信號(hào)處理方式。圖4譯碼轉(zhuǎn)發(fā)方式的信號(hào)處理流程第二十頁(yè)，共四十頁(yè)。21協(xié)同通信的分類譯碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作方式(DF－DecodeandForward)DF方式不會(huì)帶來(lái)噪聲傳播問(wèn)題，但受源-中繼端信道傳輸性能影響較大，若編碼方式不采用CRC（CyclicalRedundancyCheck)碼，得不到滿分集階數(shù)。中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)源節(jié)點(diǎn)信息解碼錯(cuò)誤所帶來(lái)的誤差會(huì)隨著跳數(shù)的增加而不斷累積，從而影響到分集效果和中繼性能。這表明源-中繼節(jié)點(diǎn)信道傳輸特性的好壞對(duì)DF方式協(xié)同通信系統(tǒng)的性能有很大影響。第二十一頁(yè)，共四十頁(yè)。22協(xié)同通信的協(xié)作方式常稱AF與DF方式為固定協(xié)作模式：無(wú)論信道傳輸特性如何，中繼節(jié)點(diǎn)總是參與協(xié)同通信過(guò)程。但協(xié)同帶來(lái)的未必全是好處，比如在半雙工模式下會(huì)降低數(shù)據(jù)傳輸速率以及系統(tǒng)自由度的利用率。何時(shí)協(xié)同？第二十二頁(yè)，共四十頁(yè)。23協(xié)同通信的協(xié)作方式結(jié)合AF和DF兩種方式，人們提出了選擇模式（源-中繼）與增強(qiáng)模式（源-目的）第二十三頁(yè)，共四十頁(yè)。24協(xié)同通信的協(xié)作方式編碼協(xié)作方式(CC－CodedCooperation)

編碼協(xié)作方式的信號(hào)處理流程圖基本思想：對(duì)正確解出的合作伙伴的信號(hào)重新進(jìn)行編碼；即，中繼節(jié)點(diǎn)接收來(lái)自于基站端已被噪聲干擾的信號(hào)，同時(shí)，它將對(duì)信號(hào)進(jìn)行解碼處理，以獲得原始信息。然后再將其獲得的信息重新編碼，以一定功率發(fā)送給用戶端。第二十四頁(yè)，共四十頁(yè)。25協(xié)同通信的協(xié)作方式編碼協(xié)作方式(CC－CodedCooperation)編碼協(xié)作實(shí)例1分塊編碼2

加上循環(huán)冗余校驗(yàn)碼3

信息->兩段第二十五頁(yè)，共四十頁(yè)。26協(xié)同通信的協(xié)作方式與SDF方式不同，編碼協(xié)作方式通過(guò)編碼設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)協(xié)作與非協(xié)作方式之間的自動(dòng)切換，無(wú)需直接考慮源節(jié)點(diǎn)與中繼節(jié)點(diǎn)之間信道的傳輸特性目前，已有多種信道編碼方式與協(xié)同通信相結(jié)合，例如卷積碼、Turbo碼、低密度奇偶校驗(yàn)碼(LDPC)等。第二十六頁(yè)，共四十頁(yè)。27協(xié)同通信的協(xié)作方式編碼協(xié)作方式(CC－CodedCooperation)在慢衰落條件下，即使移動(dòng)終端間的信道傳輸特性非常差，編碼協(xié)作依然能夠顯著提高這兩個(gè)移動(dòng)終端的誤碼率性能；若協(xié)作雙方都能夠正確解碼的話，系統(tǒng)可以獲得滿分集增益；在快衰落條件下，編碼協(xié)作會(huì)犧牲上行信道傳輸特性相對(duì)較好的終端的性能。第二十七頁(yè)，共四十頁(yè)。28協(xié)同通信的協(xié)作方式空時(shí)編碼協(xié)作方式(STCC－SpatialandTimeCC)將空時(shí)編碼思想應(yīng)用到編碼協(xié)作方式中；與一般編碼協(xié)作方式最大的不同：每個(gè)移動(dòng)終端可在自己和其協(xié)作伙伴的多址信道上同時(shí)發(fā)送信息；而在一般編碼協(xié)作方式中，移動(dòng)終端只能在自己的多址信道發(fā)送協(xié)作信息。第二十八頁(yè)，共四十頁(yè)。29協(xié)同通信的協(xié)作方式空時(shí)編碼協(xié)作方式(STCC－SpatialandTimeCC)空時(shí)編碼協(xié)作、編碼協(xié)作與無(wú)協(xié)作方式信號(hào)處理比較階段1階段1階段2階段2第二十九頁(yè)，共四十頁(yè)。30協(xié)同通信的協(xié)作方式空時(shí)編碼協(xié)作方式(STCC－SpatialandTimeCC)在階段2，若對(duì)協(xié)作伙伴的信息解碼成功的話，編碼協(xié)作方式下，各用戶均只在自己的信道上發(fā)送同伴的信息；而空時(shí)編碼協(xié)作方式下，各用戶則是同時(shí)發(fā)送雙方的信息。研究表明，空時(shí)編碼協(xié)作方式在快衰落環(huán)境下也可以獲得滿分集增益，并且不會(huì)犧牲信道質(zhì)量相對(duì)較好的移動(dòng)終端的性能。第三十頁(yè)，共四十頁(yè)。31協(xié)同通信的協(xié)作方式網(wǎng)絡(luò)編碼協(xié)作方式(NCC－NetworkCodingCooperation)網(wǎng)絡(luò)編碼：網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)將接收到的信息進(jìn)行編碼后再轉(zhuǎn)發(fā)出去的多點(diǎn)傳送技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)編碼的核心思想：中間節(jié)點(diǎn)不再是簡(jiǎn)單的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，而是將接收信息進(jìn)行編碼后再發(fā)送，從而可提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的容量和健壯性。第三十一頁(yè)，共四十頁(yè)。32協(xié)同通信的協(xié)作方式網(wǎng)絡(luò)編碼概念的提出以及現(xiàn)在大部分相關(guān)的工作都是基于有線網(wǎng)絡(luò)的，但無(wú)線信道的廣播特性為網(wǎng)絡(luò)編碼的應(yīng)用提供了有利條件，且無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的信息交互也完全可以運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)編碼理論來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，網(wǎng)絡(luò)編碼和協(xié)同通信技術(shù)相結(jié)合可有效提高無(wú)線通信系統(tǒng)的性能。無(wú)線版Ｐ２Ｐ第三十二頁(yè)，共四十頁(yè)。33協(xié)同通信的協(xié)作方式網(wǎng)絡(luò)編碼協(xié)作方式(根據(jù)中繼節(jié)點(diǎn)所采用的基本通信方式分)網(wǎng)絡(luò)編碼協(xié)作的幾種通信方式第三十三頁(yè)，共四十頁(yè)。34不同協(xié)同方式的比較

CC、NCC與STCC的性能要優(yōu)于AF與DF方式；但它們的算法復(fù)雜度高，涉及到了各種編碼技術(shù)，使得中繼節(jié)點(diǎn)信號(hào)處理的時(shí)間增長(zhǎng)、時(shí)延較大，不利于現(xiàn)代無(wú)線通信系統(tǒng)。綜合考慮多種因素，AF與DF兩種方式更實(shí)用一些。不同協(xié)作方式的比較第三十四頁(yè)，共四十頁(yè)。35協(xié)同通信的關(guān)鍵技術(shù)１無(wú)線資源的管理；２中繼節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性；５與其它通信技術(shù)的結(jié)合。３協(xié)作實(shí)際的選擇４同步與信道估計(jì)算法；功率分配：源節(jié)點(diǎn)與中繼節(jié)點(diǎn)之間等功率分配雖然簡(jiǎn)單，但顯然不是最優(yōu)的?；锇檫x擇：在多用戶的環(huán)境中，如何給各終端選擇最佳的協(xié)作伙伴將直接影響系統(tǒng)的性能。另外，由于是移動(dòng)終端，當(dāng)他們相對(duì)位置發(fā)生變化時(shí)又該如何及時(shí)調(diào)整協(xié)作伙伴。協(xié)同通信系統(tǒng)中，中繼節(jié)點(diǎn)往往是具有一定移動(dòng)性的終端。這種移動(dòng)性會(huì)影響伙伴選擇等許多關(guān)鍵問(wèn)題。因此，假設(shè)中繼節(jié)點(diǎn)固定不動(dòng)不符合實(shí)際情況，選擇合適的運(yùn)動(dòng)模型并考慮移動(dòng)性對(duì)系統(tǒng)性能的影響是極為重要的一個(gè)研究課題?，F(xiàn)有文獻(xiàn)只關(guān)注協(xié)同通信帶來(lái)的增益，極少考慮協(xié)同通信的必要性，似乎協(xié)同通信在任何場(chǎng)景下都能帶來(lái)好處。事實(shí)上，綜合考慮各節(jié)點(diǎn)間信道的傳輸特性，選擇合適的“協(xié)同時(shí)機(jī)”，可在保證系統(tǒng)傳輸性能的前提下進(jìn)一步提高資源的使用效率。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)精確的同步，并可獲得準(zhǔn)確的信道狀態(tài)信息，這在際中很難實(shí)現(xiàn)。對(duì)于分布式協(xié)同通信系統(tǒng)而言，多個(gè)用戶間的準(zhǔn)確同步與信道估計(jì)更困難。研究同步與信道估計(jì)算法，更接近實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景下的協(xié)同通信系統(tǒng)。目前研究的熱點(diǎn)是與OFDM技術(shù)的結(jié)合，可以同時(shí)發(fā)揮協(xié)同通信與OFDM的優(yōu)勢(shì)，既可以得到分集增益，又能夠?qū)诡l率選擇性衰落。此外，協(xié)同通信技術(shù)與感知無(wú)線電技術(shù)的結(jié)合也是另一個(gè)研究熱點(diǎn)。第三十五頁(yè)，共四十頁(yè)。主要內(nèi)容

協(xié)同通信的提出

協(xié)同通信的原理和關(guān)鍵技術(shù)

協(xié)同通信研究進(jìn)展

第三十六頁(yè)，共四十頁(yè)。37協(xié)同通信的研究進(jìn)展無(wú)線世界研究論壇(WWRF)已經(jīng)成立了關(guān)于中繼的分組委員會(huì)專門(mén)開(kāi)展對(duì)此技術(shù)的研究，并發(fā)表了相關(guān)研究的白皮書(shū)瑞士皇家科學(xué)院通信技術(shù)實(shí)驗(yàn)室無(wú)線通信課題組的研究項(xiàng)目“CooperativeMIMOWirelessNetwork”

2006年，S