2022年多用户协同通信感知技术.pdf

多用户协同通信与感知技术 (1) 2009-02-11 协同通信技术和感知无线电技术是近年来的研究热点，已受到广泛关注协同通信技术可提高系统的传输能力，感知无线电技术可提高频谱的使用效率，两者的结合将会对未来的无线移动通信系统带来重大影响本讲座将分3 期：第1 期介绍协同通信技术提出的背景、协作方式及关键技术；第2 期将介绍感知无线电技术的基本概念、关键技术及相关标准；第3 期将探讨两种技术的有效结合方式及它们对现代无线通信产生的重大影响1 协同通信技术协同通信技术是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，提高系统的传输性能作为一种分布式虚拟多天线传输技术，协同通信技术融合了分集技术与中继传输技术的优势，在不增加天线数量的基础上，可在传统通信网络中实现并获得多天线与多跳传输的性能增益它可应用于蜂窝移动通信系统、无线Ad hoc 网络、无线局域网以及无线传感器网络等多种场合，具有研究价值与意义可以说，协同通信技术将是继多载波调制技术、多天线技术之后，可能会对未来无线通信的发展产生重大影响的一个研究热点。

而且，协同通信技术非常灵活，可与现有多种技术相结合，突出各自优点例如，与正交频分复用(OFDM) 技术相结合，可以充分利用其抗频率选择性衰落的优点；与编码或者空时编码相结合，可以得到编码增益；与感知无线电技术相结合，能够提高频谱检测概率或者获得更多的频谱接入机会本讲主要讨论协同通信技术的发展历史与研究现状、协作方式及其关键技术1.1 发展历史与研究现状协同通信技术的起源可以追溯到Cover 和 El Gamal在 1979年关于中继信道的研究工作中继信道模型是一个包括源节点、中继节点与目的节点的三点模型，如图1 所示这种模型可分解成为广播信道( 源节点 A发送信号，中继节点B与目的节点 C接收信号 ) 和多址信道 (源节点 A发送信号，中继节点B将收到的信号处理后再进行转发，目的节点C则接收来自 A和 B的所有信号 ) 研究表明，离散无记忆、加性白高斯噪声(AWGN) 中继信道的容量大于源节点与目的节点间信道的容量而且，通过3 种不同的随机编码方案可得到该信道容量的下界这 3 种随机编码方法是：简易方法，中继节点并不主动去帮助源节点，而是通过尽量减少干扰来帮助它；协同方法，中继节点先完全译出源节点发出的信息，然后重新发送；观察方法，中继节点对收到的源节点信息的量化名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 10 页 - - - - - - - - - 形式进行编码后发送。

这些随机编码方法成为协同通信系统中各种中继节点信息处理方式产生的源泉协同通信技术源于中继信道，但在很多方面又区别于中继信道首先，协同通信技术应用于衰落信道中，主要目的是对抗多径衰落，而中继信道分析的则是 AWGN 信道的容量；其次，中继信道中的中继节点的唯一目的就是帮助源节点发送信息，而在协同通信中，整个系统的资源是固定的，各用户既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因此，协同通信技术研究的侧重点有所不同协同通信技术的基本思想是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，提高系统传输性能这种传输方式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，克服了相干距离等的限制，在不增加天线数目的基础上，在传统通信网络中可获得与多天线及多跳传输情况下相近的传输增益所谓虚拟 MIMO 指的是：在协同通信系统中，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与此同时，目的节点不仅接收来自源节点直接发送的信号，同时还接收来自中继节点转发的信号，并根据无线链路传输状况和信号质量，选取不同的合并方式进行处理，从而最大限度地利用有效信息，获得分集增益并有效地提高数据传输速率。

自 Sendonaris 等从 1998 年提出协同通信的概念以来，各国相关的研究方兴未艾 (1) 国际上，许多相关课题已经或正在展开例如无线世界研究论坛(WWRF) 已经成立了关于中继的分组委员会专门开展对此技术的研究，并发表了相关研究的白皮书 2004年 1 月 1 日，欧盟在第六个框架程序中启动了WINNER工程，其目的是研究一个无处不在的无线系统，在性能、效率和覆盖灵活性上更加优于目前的系统，工程中也包含了基于中继的概念很多知名国际期刊、会议也单独列出子方向对协同通信技术进行报道，如IEEE主办的名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 10 页 - - - - - - - - - Communication Magzine 等杂志， ICC、WCNC、GlobleCom等会议 2006年，Springer 也出版了由众多学者合作的关于协同通信技术的专著 (2) 世界已有多所大学的实验室开展了这方面的研究，例如瑞士皇家科学院通信技术实验室无线通信课题组的研究工程“Cooperative MIMO Wireless Network”、欧洲通信委员会组织的工程“IST-ROMANTIK ”等。

当然，还有更多大学的教授学者在协同通信技术方面做出了卓越贡献，如麻省理工大学的J N Laneman博士、美国 Polytechnic University的 E Erkip 副教授、英国伦敦大学 King 学院的 M Dohler 副教授、美国德州大学多媒体通信实验室的T E Hunter 博士和明尼苏达州大学的M O Hasna博士等 (3) 近年来，协同通信技术在中国也引起了广泛关注，国家自然科学基金委、教育部等均设立多个资助工程，众多高校也已展开研究，如北京邮电大学、浙江大学、西安电子科技大学等1.2 协作方式根据协作对象的不同，协同通信技术可分为异构网络间的协同通信和同构网络内的协同通信两大类由于历史的原因，在现阶段出现了多种不同接入网络并存的局面：WLAN 、WiMAX 、蜂窝通信网络以及卫星通信网络等等尽管这些网络各具优势，能够在数据传输速率、覆盖范围或支持终端的移动性等某一方面或者多方面满足用户的需求，但目前还没有一种网络能够同时达到所有这些方面的需求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对于未来的通信网络，国际电信联盟、3GPP 和3GPP2 等组织从电信网络的角度，因特网工程任务组等组织从IP 分组网络的角度已分别进行了相关描述。

尽管这些组织的描述各有不同，但以IP 技术为基础，通过在各种不同接入网络间引入协同通信来为用户提供各种电路交换和分组交换业务则是他们的共性因此，在各种不同接入网络之间的协同通信是发展的必然趋势，这就是异构网络间的协同通信显然，它的研究重点是异构网络间的移动性管理，主要包括网间的垂直切换与漫游等同构网络内的协同通信技术指的是所有节点都在同一种网络内工作，可分为固定中继和用户终端间的协作两种方式固定中继协作方式非常类似于图1 的中继信道，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与固定中继方式不同，用户终端间的协作方式要灵活一些，源节点同时也可作为中继节点，它们不仅可转发协作伙伴的信息，同时也可发送自己的信息因此，这些终端需要同时具有信号转发和简单路由的功能根据中继节点对源节点信息处理方式的不同，这种方式又可分为放大转发(AF)、解码转发 (DF)、编码协作 (CC)、空时编码协作 (STCC)和网络编码协作名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 10 页 - - - - - - - - - (NCC)等多种方式。

下面将重点阐述上述几种方式的基本原理，并进行简单比较为了便于描述，本文中仅讨论如图1 所示的单中继节点情形，多中继情形可依此类推1.2.1 放大转发协作方式 AF 方式最早由 Laneman等提出，其信号处理流程如图 2 所示根据图 2，AF方式的信号处理可简化为3 个阶段第 1 阶段，源节点首先广播发送信号，目的节点和中继节点同时进行接收；第2 阶段，中继节点对接收到的源节点信号直接进行功率放大后转发给目的节点；第3 阶段，目的节点对接收到的两路信息进行合并解码，恢复出原始信息因此，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相对于其他几种方式，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，性能良好但由于中继节点在放大信号的同时也放大了源-中继信道引入的噪声，因此AF方式存在着噪声传播效应1.2.2 译码转发协作方式 DF 方式最早由 Sendonaris 等人给出类似 AF方式， DF方式的信号处理亦可简化为3 个阶段，其信号处理流程如图3 所示除第 2 阶段外，第 1、3 阶段的处理和 AF方式完全相同在第2 阶段，中继节点 B对接收到的源节点信号先进行译码并估值，然后再将所得的估值信号转发给目的节点。

基于此，也称DF为再生中继方式可见， DF方式在本质上是一种数字信号处理方式虽然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，如果编码方式不采用CRC 的话，也得不到满分集阶数而且这种中继节点对源节点信息解调解码错误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方式协同通信系统的性能有重要影响名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 10 页 - - - - - - - - - 常称上述讨论的 AF与 DF方式为固定协作模式：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事实上，协同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显然，这涉及到协同时机或何时协同的问题基于此，结合AF和 DF两种方式，人们提出了选择模式与增强模式，如表1 所示选择模式将源 -中继节点间的信道传输特性与某一门限值比较，只有大于该门限值时才选用协同通信方式，否则由源节点重复发送。

可见，选择模式重点考虑的是源 -中继节点间的信道状况增强模式是利用目的节点的反馈信息来判断直传是否成功，若成功则源节点发送新的信息，否则中继节点参与协同通信过程，这一处理相当于对中继传输增加了冗余或者自动检测重传机制易见，增强模式重点考虑的是源- 目的节点的信道状况上述3 种模式中，采用固定与选择模式时中继节点一直重复发送源节点信息，这样势必会造成系统自由度利用率的降低增强模式则只在必要的时候才采用协同通信方式，可以较好地解决这一问题，但它却需要反馈信道综合可靠性与有效性两个角度考虑，增强放大转发(IAF) 方式性能最优；仅从算法复杂度方面考虑，AF方式最为简单，也可获得满分集增益；DF性能较差，也无法获得满分集增益；选择译码转发(SDF)作为 DF的改进方式虽然可以得到满分集增益，但是复杂度高于AF 选择放大转发 (SAF)和增强译码转发(IDF) 两种方式均不能取得良好的性能这是因为，选择模。