一種多通道協(xié)作分集技術(shù)

一種多通道協(xié)作分集技術(shù)

1多入寬帶信號的發(fā)射技術(shù)下一代的無線通信與前兩個(gè)移動通信系統(tǒng)的通信系統(tǒng)大不相同。這提供了基于多媒體業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)的快速服務(wù)。因此，系統(tǒng)需要應(yīng)用更先進(jìn)的算法來提高信息的傳輸速度。但是眾所周知,無線信道具有的多徑衰落特性是影響無線通信傳輸速率與質(zhì)量的重要瓶頸,那么如何克服多徑效應(yīng)便成為提高通信質(zhì)量要解決的首要問題。分集是抵抗多徑衰落的有效方式,有時(shí)間分集、頻率分集、空間分集多種方式,其中空間分集從不同的位置(天線)發(fā)送信號,從而在接收端得到經(jīng)歷獨(dú)立衰落的多個(gè)信號副本,可以有效地消除多徑衰落的影響,并且由于不需要占用額外的時(shí)間和頻帶資源,并且可以和其他信號處理方式相結(jié)合,因此得到了廣泛的關(guān)注。多入多出(MultipleInput-MultipleOutput,MIMO)技術(shù)在通信鏈路的發(fā)送端與接收端均使用多個(gè)天線,它能夠?qū)鹘y(tǒng)通信系統(tǒng)中存在的多徑因素變成對用戶通信性能有利的因素,在抗多徑衰落,提高通信鏈路的通信速率和質(zhì)量方面有著明顯的優(yōu)勢,它的空域發(fā)射分集技術(shù)已經(jīng)成為3GPP的WCDMA標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。但應(yīng)當(dāng)指出,雖然發(fā)射分集技術(shù)可使系統(tǒng)性能得到多方面的提升,但是在在實(shí)際的蜂窩通信系統(tǒng)它還只能應(yīng)用于基站端,提高了下行鏈路的通信質(zhì)量。而對于上行鏈路或傳感器網(wǎng)、自組網(wǎng)(Adhoc),移動終端由于受到體積、功耗、工藝等多方面的限制,使在其上安裝多個(gè)天線有很大的困難,因此也極大地限制了MIMO技術(shù)的應(yīng)用。為了解決這個(gè)問題,一種全新的空域分集技術(shù)-協(xié)作分集應(yīng)運(yùn)而生,在一個(gè)多用戶的環(huán)境中,每個(gè)單天線的移動終端都有自己的合作伙伴,每個(gè)終端在發(fā)送自己信息的同時(shí)也幫助其他終端發(fā)送信息,也就是說他們可以共享彼此之間的天線從而形成虛擬的MIMO子信道,以此來模擬MIMO系統(tǒng)通信。眾多研究表明,這種協(xié)作通信方式可以像MIMO系統(tǒng)一樣增加系統(tǒng)的信息傳輸速率,改善系統(tǒng)性能,提高通信質(zhì)量,更為重要的是這種技術(shù)將MIMO技術(shù)的實(shí)用化推進(jìn)了一大步。2分集增益的計(jì)算為簡單起見,假設(shè)在一個(gè)蜂窩通信系統(tǒng)中每個(gè)移動終端(MT)只有一個(gè)合作伙伴,它們兩個(gè)相互協(xié)作與基站(BS)進(jìn)行通信(這種假設(shè)很容易擴(kuò)展到自組網(wǎng)和傳感器網(wǎng)等結(jié)構(gòu)中)。每個(gè)移動終端除了獨(dú)立發(fā)送自己信息給基站外,還將轉(zhuǎn)發(fā)從其合作伙伴那收到的信息給基站,這就相當(dāng)于從一個(gè)移動終端發(fā)送的信號經(jīng)歷了兩條獨(dú)立衰落的路徑分別到達(dá)基站,從而可以得到分集增益。設(shè)兩個(gè)互相協(xié)作移動終端為E1,E2,要發(fā)送的信息為W1,W2,系統(tǒng)模型如圖1所示。每個(gè)移動終端都接收到其合作伙伴發(fā)送的、包含衰落和噪聲的信號,然后將這個(gè)信號和自己要發(fā)送的信號組合在一起發(fā)送到基站,那么基站收到的信號是這兩個(gè)移動終端發(fā)送信號的疊加,可以表示為式中:下標(biāo)0,1,2分別代表基站、移動終端1和移動終端2;Yi(t)(i=0,1,2)表示接收端在一個(gè)符號周期內(nèi)收到的信號;Xi(t)(i=1,2)表示兩個(gè)移動終端發(fā)送的信息;Zi(t)(i=0,1,2)表示均值為零的加性高斯白噪聲;Kij(i=0,1,2;j=0,1,2)表示各信道之間衰落系數(shù),是零均值、方差為!2的復(fù)高斯隨機(jī)變量,其包絡(luò)服從瑞利分布,它在一個(gè)符號周期內(nèi)保持不變,并且Kij=Kji。通過式(1)～(3)可以看出,在這里事實(shí)上已經(jīng)認(rèn)為每個(gè)終端不會接收到自己發(fā)送的信號。另外設(shè)Pi為Xi的平均信號功率,系統(tǒng)可以精確同步以及各信道之間的狀態(tài)信息是可知的。有了上述數(shù)學(xué)模型,便可用可達(dá)速率區(qū)域來分析系統(tǒng)的性能。3協(xié)作系統(tǒng)的仿真研究將移動終端1要送的信息Wi分為W10和W12兩個(gè)部分:W10表示直接發(fā)送到基站的信息;W12表示通過移動終端2發(fā)送給基站的信息。這樣移動終端1通過增加一些協(xié)作信息來構(gòu)造自己的發(fā)送信號其功率可以相應(yīng)劃分為式中:U1為信號中的協(xié)作信息部分。發(fā)送端分配功率P10給X10,使其以速率R10直接發(fā)送到基站;分配功率P12給X12,使其以速率R12發(fā)送到移動終端2;分配功率PU1給U1,將協(xié)作信息發(fā)向基站。W2,P2的構(gòu)造也類似于W1,P1。由式(1)～(3)描述的協(xié)作系統(tǒng)的可達(dá)速率區(qū)域,處在所有(R1,R2)形成的曲面之下,其中R1=R10+R12,R2=R20+R21并且滿足以上式中:C(x)=21lg(1+x)是當(dāng)信噪比為x時(shí)加性高斯白噪聲信道的信道容量表達(dá)式,E表示對Kij取期望。Sendonaris等人對采用協(xié)作和不協(xié)作的系統(tǒng)在不同信道狀態(tài)下的可達(dá)速率區(qū)域作了比較,如圖2,3所示。圖2表示在兩個(gè)移動終端的上行信道質(zhì)量相似(K10和K20有相同的均值),并且兩移動終端間的信道質(zhì)量較好(E{K12}較大)時(shí),系統(tǒng)的性能可通過協(xié)作得到顯著提升;而當(dāng)用戶間的信道質(zhì)量變差(E{K12}變小)時(shí),系統(tǒng)性能越來越趨近于無協(xié)作的情況。圖3表示在兩個(gè)移動終端的上行鏈路質(zhì)量不同(K10和K20有不同的均值)時(shí),協(xié)作依然能顯著提升系統(tǒng)的性能,且本身通信質(zhì)量較差的終端受益較大,并且相對通信質(zhì)量較好的移動終端并沒有受到不良的影響,可達(dá)速率區(qū)域仍然是有所增加的。此外,Sendonaris還從服務(wù)中斷概率、蜂窩小區(qū)覆蓋范圍及系統(tǒng)容量等方面分析了協(xié)作分集對系統(tǒng)性能的提升。他指出,在各種條件下,協(xié)作分集即使不能提高信息傳輸速率,至少也可以增加系統(tǒng)的魯棒性(robustness),并且由于可得到分集增益,接收端對接收信號平均能量的要求就會有所降低,從而可增大系統(tǒng)覆蓋范圍。4提高相應(yīng)通信速率經(jīng)過數(shù)學(xué)建模和性能分析之后,最關(guān)鍵的問題就是采用什么樣的協(xié)作策略構(gòu)建發(fā)送信號,使基站能夠做到最優(yōu)接收,從而提高上行鏈路的通信速率和質(zhì)量。目前的研究方向主要集中在放大中繼(AmplifyandForward,AF)、檢測中繼(DecodeandForward,DF)和編碼協(xié)作(CodedCooperation,CC)3種模式上。1檢測估計(jì)機(jī)制在這種模式下,中繼終端只是簡單地放大轉(zhuǎn)發(fā)收到的信號。當(dāng)然在放大轉(zhuǎn)發(fā)的過程中,接收到信號的噪聲部分也被放大并轉(zhuǎn)發(fā)出去,但是對于基站而言,它收到的還是兩個(gè)經(jīng)過獨(dú)立衰落的信號,它仍然可以用一定的準(zhǔn)則合并接收信號,從而做出較好的判決。在這種模式下,基站要知道信道狀態(tài)信息以做出最優(yōu)判決,因此實(shí)現(xiàn)起來還要有對信道狀態(tài)信息進(jìn)行檢測估計(jì)的機(jī)制。另外,如何采樣、放大并且重傳模擬信號也不能忽略。Lanenman等人分析了兩個(gè)移動終端進(jìn)行協(xié)作的性能,結(jié)果表明系統(tǒng)可以獲得二階分集增益。2重點(diǎn)傳播的中等場景移動終端不容易解碼在這種模式下,移動終端總是試圖對接收到的其合作伙伴的信號先進(jìn)行解碼,然后再進(jìn)行編碼轉(zhuǎn)發(fā)給基站。這種中繼模式的優(yōu)點(diǎn)是比較簡單,且對各種信道都有較好的適應(yīng)性。但問題是當(dāng)用戶間的信道條件比較差時(shí),作為中繼的移動終端有可能無法正確解碼,從而危害到基站的最終解碼。另外,在這種模式下,基站為了能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化解碼需知道兩個(gè)移動終端間信道差錯(cuò)特性。為了避免上述錯(cuò)誤傳播,Laneman等人提出了一種選擇檢測中繼模式,當(dāng)移動終端間的瞬時(shí)信噪比比較高時(shí),中繼節(jié)點(diǎn)檢測并轉(zhuǎn)發(fā)其合作伙伴的信息,反之,不進(jìn)行協(xié)作。文獻(xiàn)表明在信噪比較高時(shí),兩個(gè)移動終端的系統(tǒng)采用檢測中繼模式不僅可和放大中繼一樣獲得二階的分集增益,而且可獲得更低的誤碼率。3空時(shí)編碼協(xié)作這是將協(xié)作技術(shù)和信道編碼技術(shù)結(jié)合起來的一種技術(shù)。它通過兩條不同的衰落路徑發(fā)送每個(gè)用戶碼字的不同部分。首先對接收到的協(xié)作伙伴的信息進(jìn)行正確解碼,再按照原編碼方式重復(fù)發(fā)送。這時(shí)系統(tǒng)性能的改善是通過在不同空間重復(fù)發(fā)送冗余獲得的。各移動終端通過重新編碼發(fā)送了不同的冗余信息,把分集和編碼結(jié)合起來,從而達(dá)到提升系統(tǒng)性能的目的。這種模式下,系統(tǒng)的運(yùn)行完全由事先的編碼確定好,它不需要協(xié)作終端間的信息反饋,并且中繼終端不能正確解碼時(shí)可自動切換到非協(xié)作模式,從而保證了系統(tǒng)的效率。協(xié)作編碼的具體方法如圖4所示。首先把移動終端要發(fā)送的信息比特化成塊進(jìn)行編碼,然后加上循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)碼。在協(xié)作通信時(shí)將要送的信息編成碼書后分成兩段,分別含有N1和N2比特,那么原始的碼書就是N1+N2比特,其中N1比特是想要的信息比特,N2比特是穿孔信息比特(當(dāng)然穿孔并不是唯一的方法)。發(fā)送需要兩個(gè)時(shí)隙來分別發(fā)送N1和N2兩部分比特信息,發(fā)送這些比特信息的時(shí)隙稱為幀(frame)。在第一幀中,每個(gè)移動終端發(fā)送各自碼書的第一段,即N1比特的信息,同時(shí)每個(gè)移動終端都試圖解碼對方的這部分信息。如果正確解碼(通過CRC來檢驗(yàn)),就在第二幀中發(fā)送其協(xié)作伙伴碼書的第二段,即N2比特的信息;發(fā)送自己碼書的第二段,也是N2比特的信息。這樣每個(gè)移動終端在兩個(gè)發(fā)送時(shí)隙總是傳送N=N1+N2比特的信息塊。最后基站解碼收到信息塊。Stefanov在文獻(xiàn)中證明,在慢衰落的條件下,保證用戶的傳輸速率和發(fā)射功率不變,即使移動終端間的信道質(zhì)量非常差,編碼協(xié)作依然能夠顯著提高這兩個(gè)移動終端的誤碼率性能,并且如果協(xié)作雙方都能夠正確解碼的話,系統(tǒng)可以獲得完全分集增益。但是在快衰落的條件下,編碼協(xié)作會犧牲上行信道質(zhì)量相對較好的終端的性能。為了解決這個(gè)問題,Janai在文獻(xiàn)中提出了空時(shí)編碼協(xié)作的思想,將空時(shí)編碼應(yīng)用到編碼協(xié)作中去,它與一般的編碼協(xié)作最大的不同是在一般的編碼協(xié)作中,移動終端只在自己的多址信道發(fā)送協(xié)作信息,空時(shí)編碼協(xié)作中每個(gè)移動終端會同時(shí)在自己和其協(xié)作伙伴的多址信道上發(fā)送信息。研究表明,空時(shí)編碼協(xié)作在快衰落信道的環(huán)境下也可以獲得完全分集增益,并且不會犧牲上行信道質(zhì)量相對較好的移動終端的性能。在上述三種協(xié)作模式中,編碼協(xié)作是目前的研究熱點(diǎn)領(lǐng)域,因?yàn)樗坏谐錾男阅芤约拜^強(qiáng)的信道適應(yīng)能力,而且不需要知道協(xié)作終端之間的信道狀態(tài)信息,并且可以利用現(xiàn)有有關(guān)空時(shí)編碼的大量研究成果。5mdma網(wǎng)絡(luò)的問題就移動終端的硬件實(shí)現(xiàn)方面,在傳統(tǒng)的蜂窩通信系統(tǒng)中,普通的移動終端只需要在下行鏈路的頻帶中接收信號,但是對于協(xié)作分集中的移動終端它還需要能在上行鏈路的頻帶中接收信號,這就要求給移動終端增加新的輸入濾波器以及頻率變換裝置。但是在Adhoc無線網(wǎng)絡(luò)中,移動終端都是在同一頻率上收發(fā)信息,那么這個(gè)問題自然容易解決。另外一個(gè)技術(shù)問題是如何在移動終端區(qū)分接收和發(fā)送信號的問題。在TDMA網(wǎng)絡(luò)中,系統(tǒng)的上行鏈路被分成一個(gè)個(gè)不重疊的時(shí)隙,那么上述問題自然可以解決,但是在另外的多址接入網(wǎng)絡(luò)中,比如CDMA網(wǎng)絡(luò),移動終端可能要同時(shí)接收和發(fā)送信息,而實(shí)際的情況是在這種情況下,發(fā)送信號的能量可能會比接收信號的能量高上100dB,因此要想把它們分離開來的確會是一個(gè)問題。第三,基站要進(jìn)行正確解碼必須知道一些協(xié)作終端的信息。在簡單的檢測中繼模式中,基站需要知道協(xié)作終端間的信道差錯(cuò)概率;在放大中繼模式中,基站要估計(jì)協(xié)作終端間信道的狀態(tài)信息;對編碼協(xié)作模式及選擇檢測中繼模式來說,雖然基站不需要知道有關(guān)信道的信息,但它要知道移動終端之間是否進(jìn)行了協(xié)作,跟誰協(xié)作,或具體一點(diǎn)基站需要知道第二幀的信息到底是誰的。第四,同步問題。大多數(shù)的文獻(xiàn)都是假設(shè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)精確同步的,但是在實(shí)際的系統(tǒng)中,尤其是多個(gè)終端進(jìn)行協(xié)作的系統(tǒng)中,要實(shí)現(xiàn)精確同步是一個(gè)很難的問題,而且即使實(shí)現(xiàn)了同步,那么要付出多大的代價(jià)也是在設(shè)計(jì)分集方案時(shí)要考慮的一個(gè)問題。6算法的難點(diǎn)問題雖然在協(xié)作分集方面的研究已取得很多突破,但仍有很多問題需要進(jìn)一步研究。首先,一個(gè)重要問題是,在一個(gè)多用戶的環(huán)境中怎樣劃分各個(gè)終端的協(xié)作伙伴,并且既然是移動終端,當(dāng)它們的相對位置改變時(shí)又該如何,或者說應(yīng)該隔多久的時(shí)間重新劃分一次合作伙伴。第二,在蜂窩通信系統(tǒng)中,由于基站的存在,它有可能對該小區(qū)內(nèi)的移動終端進(jìn)行統(tǒng)一管理,比如基站可將各個(gè)移動終端間的信道狀態(tài)信息告訴移動終端,從而使他們更好地協(xié)作。但是對于自組網(wǎng)或傳感器網(wǎng),它們沒有一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理,就需要一個(gè)分布式協(xié)作協(xié)議,使移動終端自己能夠決定怎樣協(xié)作,跟誰協(xié)作。另外,這里還存在一個(gè)多用戶協(xié)作的問題,這個(gè)問題的關(guān)鍵在于采用一種什么樣的策略盡可能公平地對待所有移動終端,并盡量減少系統(tǒng)開銷,以及如何更靈活地去適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的多址接入?yún)f(xié)議。第三,功率分配問題。現(xiàn)在的研究都是認(rèn)為各個(gè)移動終端有著相等的發(fā)射功率,但是可以使移動終端根據(jù)上行信道或者協(xié)作伙伴的信道狀態(tài)自適應(yīng)地調(diào)整發(fā)送功率,從而更好地提升性能。更進(jìn)一步,如何在以CDMA為基礎(chǔ)的協(xié)作網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行能量控制,以控制遠(yuǎn)近效應(yīng)使干擾最小化也是一個(gè)十分重要的問題。第四,頻率選擇性衰落信道下的應(yīng)用問題。目前進(jìn)行的研究工作大多都是假設(shè)信道是平衰落的,但是在實(shí)際的移動通信系統(tǒng)中,信道往往是頻率選擇性衰落的,那么如何在這種信道環(huán)境下利用現(xiàn)有的研究成果也是一個(gè)亟待解決的問題。