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，共四十頁。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，共四十頁。3協(xié)同通信的提出基于多天線(MIMO)系統(tǒng)空時信號處理的空間分集技術(shù)得到了廣泛的研究；移動通信系統(tǒng)實現(xiàn)大帶寬傳輸：設(shè)計一個大帶寬系統(tǒng)（新系統(tǒng)）；通過不同系統(tǒng)間的協(xié)同來構(gòu)造具有更大傳輸帶寬的系統(tǒng)（現(xiàn)網(wǎng)演進(jìn)）；隨著未來無線寬帶通信系統(tǒng)可用頻段的增高，視距傳播環(huán)境會大大增加天線間的相關(guān)性。很多移動設(shè)備受到設(shè)備硬件的限制，只能配備一個天線。

協(xié)同通信(CooperativeCommunication)第三頁，共四十頁。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)點源節(jié)點目的節(jié)點

中繼信道模型第四頁，共四十頁。5協(xié)同通信的提出兩人的研究表明離散無記憶、加性白高斯噪聲(AWGN)中繼信道的容量大于源節(jié)點與目的節(jié)點間信道的容量?？赏ㄟ^隨機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，共四十頁。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，主要目的為了對抗多徑衰落中繼節(jié)點的唯一目的就是幫助源節(jié)點發(fā)送信息整個系統(tǒng)的資源固定，各用戶既可充當(dāng)中繼節(jié)點幫助源節(jié)點發(fā)送信息，又可作為源節(jié)點發(fā)送自己的信息第六頁，共四十頁。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，共四十頁。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；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。多個中繼節(jié)點本身可自然形成虛擬的天線陣列，節(jié)點間通過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，從而實現(xiàn)聯(lián)合空時編碼的傳輸方案。第八頁，共四十頁。9協(xié)同通信的原理以蜂窩移動通信為例，移動無線信道受到衰落影響，一個用戶的信號可以直接到達(dá)接收端，另一路則可通過另一移動用戶作為中繼，再到達(dá)接收端，在接收基站形成分集接收信號。移動端之間的協(xié)同通信第九頁，共四十頁。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無線網(wǎng)絡(luò)與無線傳感網(wǎng)絡(luò)。協(xié)同會將碼率與傳輸功率進(jìn)行折中：傳輸碼率：每個用戶將傳輸自身的比特和中繼的比特，似乎會要求更高的帶寬，但每個用戶的頻率會提高，因此協(xié)同分集信道編碼的碼率可以增加功率需求：協(xié)同分集通信似乎會要求每一個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，共四十頁。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，并通過模仿傳統(tǒng)的多發(fā)射天線分集來獲得空間分集增益。優(yōu)點：如果在某個時段用戶沒有信息要傳送，那么在沒有協(xié)同時，其資源只能閑置，而協(xié)同時分集則可以實現(xiàn)用戶資源的充分利用。第十一頁，共四十頁。12協(xié)同通信的原理

缺點：在用戶資源沒有閑置時，用戶既要傳送自己的信息，又要傳送其協(xié)同伙伴的信息，會犧牲一部分自己的資源；另一方面，用戶也通過協(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)計協(xié)作方案，完全可以做到協(xié)作分集帶來的增益大于其所付出的代價。綜合來講，協(xié)作分集可以更有效地利用整個網(wǎng)絡(luò)的資源,使網(wǎng)絡(luò)性能更穩(wěn)定。第十二頁，共四十頁。13協(xié)同通信的分類根據(jù)協(xié)作對象的不同：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)點對源節(jié)點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，共四十頁。14協(xié)同通信的分類根據(jù)協(xié)作對象的不同

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

同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的協(xié)同通信所有節(jié)點都在同一種網(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，共四十頁。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)點和目的節(jié)點之間預(yù)先放置一個位置固定的中繼節(jié)點。中繼節(jié)點與源、目的節(jié)點之間均采用無線連接，但它自己并無信息發(fā)送，而只對接收到的信息進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。中繼節(jié)點源節(jié)點目的節(jié)點中繼信道模型第十五頁，共四十頁。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)點同時也可作為中繼節(jié)點，它們不僅可轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作伙伴的信息，同時也可發(fā)送自己的信息。因此，這些終端需要同時具有信號轉(zhuǎn)發(fā)和簡單路由的功能。第十六頁，共四十頁。17協(xié)同通信的協(xié)作方式根據(jù)中繼節(jié)點對源節(jié)點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)空時編碼協(xié)作(STCC)

網(wǎng)絡(luò)編碼協(xié)作(NCC)第十七頁，共四十頁。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)上是一種模擬信號的處理方式。

放大轉(zhuǎn)發(fā)方式的信號處理流程第十八頁，共四十頁。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方式最簡單，而且由于目的節(jié)點可接收到兩路獨立的衰落信號，AF可獲得滿分集增益，性能良好。由于中繼節(jié)點在放大信號的同時也放大了源-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，共四十頁。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，DF方式在本質(zhì)上是一種數(shù)字信號處理方式。圖4譯碼轉(zhuǎn)發(fā)方式的信號處理流程第二十頁，共四十頁。21協(xié)同通信的分類譯碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作方式(DF－DecodeandForward)DF方式不會帶來噪聲傳播問題，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)點對源節(jié)點信息解碼錯誤所帶來的誤差會隨著跳數(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)點信道傳輸特性的好壞對DF方式協(xié)同通信系統(tǒng)的性能有很大影響。第二十一頁，共四十頁。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：無論信道傳輸特性如何，中繼節(jié)點總是參與協(xié)同通信過程。但協(xié)同帶來的未必全是好處，比如在半雙工模式下會降低數(shù)據(jù)傳輸速率以及系統(tǒng)自由度的利用率。何時協(xié)同？第二十二頁，共四十頁。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）與增強模式（源-目的）第二十三頁，共四十頁。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)作方式的信號處理流程圖基本思想：對正確解出的合作伙伴的信號重新進(jìn)行編碼；即，中繼節(jié)點接收來自于基站端已被噪聲干擾的信號，同時，它將對信號進(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，共四十頁。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)作實例1分塊編碼2

加上循環(huán)冗余校驗碼3

信息->兩段第二十五頁，共四十頁。26協(xié)同通信的協(xié)作方式與SDF方式不同，編碼協(xié)作方式通過編碼設(shè)計實現(xiàn)協(xié)作與非協(xié)作方式之間的自動切換，無需直接考慮源節(jié)點與中繼節(jié)點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、低密度奇偶校驗碼(LDPC)等。第二十六頁，共四十頁。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移動終端的誤碼率性能；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)作會犧牲上行信道傳輸特性相對較好的終端的性能。第二十七頁，共四十頁。28協(xié)同通信的協(xié)作方式空時編碼協(xié)作方式(STCC－SpatialandTimeCC)將空時編碼思想應(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：每個移動終端可在自己和其協(xié)作伙伴的多址信道上同時發(fā)送信息；而在一般編碼協(xié)作方式中，移動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，共四十頁。29協(xié)同通信的協(xié)作方式空時編碼協(xié)作方式(STCC－SpatialandTimeCC)空時編碼協(xié)作、編碼協(xié)作與無協(xié)作方式信號處理比較階段1階段1階段2階段2第二十九頁，共四十頁。30協(xié)同通信的協(xié)作方式空時編碼協(xié)作方式(STCC－SpatialandTimeCC)在階段2，若對協(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；而空時編碼協(xié)作方式下，各用戶則是同時發(fā)送雙方的信息。研究表明，空時編碼協(xié)作方式在快衰落環(huán)境下也可以獲得滿分集增益，并且不會犧牲信道質(zhì)量相對較好的移動終端的性能。第三十頁，共四十頁。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)點將接收到的信息進(jìn)行編碼后再轉(zhuǎn)發(fā)出去的多點傳送技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)編碼的核心思想：中間節(jié)點不再是簡單的存儲轉(zhuǎn)發(fā)，而是將接收信息進(jìn)行編碼后再發(fā)送，從而可提高整個網(wǎng)絡(luò)的容量和健壯性。第三十一頁，共四十頁。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，且無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的信息交互也完全可以運用網(wǎng)絡(luò)編碼理論來實現(xiàn)。因此，網(wǎng)絡(luò)編碼和協(xié)同通信技術(shù)相結(jié)合可有效提高無線通信系統(tǒng)的性能。無線版Ｐ２Ｐ第三十二頁，共四十頁。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，共四十頁。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)點信號處理的時間增長、時延較大，不利于現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)。綜合考慮多種因素，AF與DF兩種方式更實用一些。不同協(xié)作方式的比較第三十四頁，共四十頁。35協(xié)同通信的關(guān)鍵技術(shù)１無線資源的管理；２中繼節(jié)點的移動性；５與其它通信技術(shù)的結(jié)合。３協(xié)作實際的選擇４同步與信道估計算法；功率分配：源節(jié)點與中繼節(jié)點之間等功率分配雖然簡單，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，由于是移動終端，當(dāng)他們相對位置發(fā)生變化時又該如何及時調(diào)整協(xié)作伙伴。協(xié)同通信系統(tǒng)中，中繼節(jié)點往往是具有一定移動性的終端。這種移動性會影響伙伴選擇等許多關(guān)鍵問題。因此，假設(shè)中繼節(jié)點固定不動不符合實際情況，選擇合適的運動模型并考慮移動性對系統(tǒng)性能的影響是極為重要的一個研究課題。現(xiàn)有文獻(xiàn)只關(guān)注協(xié)同通信帶來的增益，極少考慮協(xié)同通信的必要性，似乎協(xié)同通信在任何場景下都能帶來好處。事實上，綜合考慮各節(jié)點間信道的傳輸特性，選擇合適的“協(xié)同時機”，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，這在際中很難實現(xiàn)。對于分布式協(xié)同通信系統(tǒng)而言，多個用戶間的準(zhǔn)確同步與信道估計更困難。研究同步與信道估計算法，更接近實際應(yīng)用場景下的協(xié)同通信系統(tǒng)。目前研究的熱點是與OFDM技術(shù)的結(jié)合，可以同時發(fā)揮協(xié)同通信與OFDM的優(yōu)勢，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)與感知無線電技術(shù)的結(jié)合也是另一個研究熱點。第三十五頁，共四十頁。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，共四十頁。37協(xié)同通信的研究進(jìn)展無線世界研究論壇(WWRF)已經(jīng)成立了關(guān)于中繼的分組委員會專門開展對此技術(shù)的研究，并發(fā)表了相關(guān)研究的白皮書瑞士皇家科學(xué)院通信技術(shù)實驗室無線通信課題組的研究項目“CooperativeMIMOWirelessNetwork”

2006年，S