MIMO协作分集提出和原理

1、MIMO协作分集提出和原理MIMO是指多输入多输出（Multi-input Multi-output）,它是指一台设备用多个天线在同一 个频道内同时发送或者接收多个独立的数据流，通过这种机制，在不额外占用无线频率资源 的条件下，利用多径信号用户可以获得更高的传输速率和更远的传输距离，并同时增加覆盖 范围和可靠性。MIMO的核心概念为利用多根发射天线与多根接收天线所提供的空间自由 度来有效提升无线通讯系统的频谱效率，以提升传输速率并改善通讯品质。MIMO系统在收发两端利用多天线来抑制衰落，它具有以下优点：（1）MIMO系统降低了码间干扰（ISI）。在移动通信空间无线信道中，由于多径效应等原因造成

2、码间干扰，在MIMO系统中， 高速的数据流经过串并转换变为多个低速的数据子流，每个码的长度增加，抗码间干扰的能 力明显增加。（2）MIMO系统提高了空间分集增益。由于MIMO系统中发射或接收端的多个天线中，各个天线之间有足够的隔离度，各空 间信道的相关性很小，因此能够提供更高的空间分集增益。（3）MIMO系统提高了无线信道容量和频谱利用率。MIMO将多径信道与发射、接收视为一个整体进行优化，从而实现了高的通信容量和 频谱利用率。尽管MIMO多天线技术具有明显的优势，并已逐渐被新一代无线通信系统的主流协议 所采纳，但仍然存在问题。具体的讲，现有的多天线都设置在基站端，而移动终端则很难安 置多天线

3、，这主要有两方面的原因：（1）移动终端对体积、质量和功耗的要求远比基站苛刻得多。（2）理想的MIMO多天线系统要求相邻天线之间的间距要远大于电波波长，并且多个 收发天线之间的传输信道是独立的（或至少是不相关的），而移动终端由于体积限制，根本 无法做到这一点。为此，研究者一方面提出了等效天线阵和穿戴式天线的概念，另一方面则致力于研究相 关信道下的信号设计。然而，这些解决办法收效甚微，实际可获得的信道容量比理想值大打 折扣，理想的MIMO多天线技术在实践中步履维艰。为此，提出了协作通信这一新的方法， 使得在多用户环境中的单天线用户共享彼此的天线，从而产生一个虚拟的多天线发射机，得 以实现传输分集。

4、协作分集的思想可以追溯到Cover和Gamel研究的中继信道。在中继信道中，有三个 节点：发射节点、中继节点和接收节点。发射节点发送信号；中继节点接收发射节点发送的 信号，对接收到信号进行某种处理后发送出去；接收节点既接收发射节点发送的信号，也接 收中继节点发送的信号，因而接收节点能接收到发射节点所发送信号的多个副本，这样就实 现了发送分集。中继信道中，中继节点只转发发送节点的信号，自己不发送信号。目前研究 的协作分集中的一类与中继信道类似，主要用于改善无线通信系统的覆盖能力。在另一类协 作分集方式中，中继节点既要转发发送节点的信号，也要发送自己的信号，即发射节点也是 中继节点，中继节点也是发

5、射节点。这种分集方式是目前协作分集的主要研究方向。Sendonaris等提出了一种新的空域分集技术协作分集，使单天线的移动终端也可以实现空域分集。它的基本思路是系统中的每个移动终端都有一个或多个合作伙伴(partner)， 合作伙伴之间有责任在传输自己信息的同时，帮助其伙伴传输信息。这样，每个终端在传输 信息的过程中既利用了自己又利用了合作伙伴的空间信道，从而获取了一定的空间分集增 益。现有的研究结果表明：在平坦衰落环境下，协作分集可以扩大系统容量，提高网络服务 质量，改善系统性能。由于协作分集中的合作伙伴共享彼此的天线，从而构成了虚拟的MIMO 多天线系统，从这个意义上讲，协作分集为MIMO

6、多天线技术走向实用提供了一条新的途 径。协作分集是一个崭新的研究领域。协作分集的思想具有非常广阔的应用前景，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。本文 是对协作分集技术的综述，旨在介绍协作分集的概念和研究进展，提出一些新的研究方向。下面以蜂窝系统环境下两个用户之间的协作为例，介绍一下协作分集原理。小区中的每 个用户都有一个合作伙伴，互为伙伴的两个用户除了要传输自己的信息之外，还要负责传输 其合作伙伴的信息。如图1所示，两个用户M1和M2互为合作伙伴，M1除了要向基站(BS) 传送自己的信息外，还要把从M2接收到的信息发送给基站。同时，M1的一

7、部分信息也由 M2接收，并转发给基站。这样，用户M1与基站间就产生两条独立衰落路径：一条是M1 与BS之间的直接传输路径；另一条是M1、M2与BS间的间接传输路径。从本质上说，协 作分集就是希望借助于合作伙伴的天线，与其自身天线共同构造多发射天线，并通过模仿传 统的多发射天线分集来获得空间分集增益。如果在某个时段用户没有信息要传送，那么在没 有协作时其资源只能闲置，而协作分集则可以实现用户资源的充分利用。另外，在用户资源 没有闲置时，用户既要传送自己的信息，又要传送其合作伙伴的信息，会牺牲一部分自己的 资源，但另一方面，用户也通过协作分集利用了其合作伙伴的空域资源。只要合理地设计协 作方案，完

8、全可以做到协作分集带来的增益大于其所付出的代价。综合来讲，协作分集可以 更有效地利用整个网络的资源，使网络性能更稳定。图1 两个用户协作原理图协作分集的过程可以分为两步：第一步，源节点以广播方式发送信号，目的节点和所有 的中继节点接收信号，中继节点对接收到的信号进行处理，为第二步做准备；第二步，中继 节点将处理后的信号发送给目的节点，此时源节点也可以向目的节点发送重复的信息或者新 的信息，最后目的节点按照某种规则合并两步接收到的信号。上述过程可以描述如图2所示。 其中，三角形表示源节点，五角星表示目的节点，灰色圆圈表示参与中继的节点，白色圆圈 表示其他节点。第1步第2步图2 协作分集过程示意图

9、MIMO协作分集的优点促进MIMO技术的实用化是协作分集最大的好处，它有可能带来无线通信领域的巨大 变革。传统的MIMO技术通过在发射/接收端配置多个天线构成多发射/接收天线分集， 但对于小型移动终端来说是很不现实的，这就导致MIMO技术在蜂窝网以及Ad Hoc等网络 中难以实用化。协作分集为MIMO技术在小型移动终端的应用找到了新的出路，是一种很 有前途的空间分集技术。可以说，协作分集可以使MIMO技术的各种优势得以发挥，能够 切实地利用空间资源来提高通信系统的性能，包括提升系统容量、增大数据传输速率、有效 对抗衰落以及降低系统的服务中断概率，提高系统的服务质量和可靠性等。此外，协作分集的思

10、想还可以应用于抗干扰通信中。抗干扰的基本方法有直接序列扩频、 跳频、跳时以及它们的混合应用，但是这些方法都没有利用空间资源，而协作分集在某种意 义上可以看作是一种空跳。跳频的工作原理是信号的载波频率受伪随机码或某种特定跳频图 案的控制而跳变。跳频增益的大小取决于跳频幅度的大小和跳频的快慢，而跳时技术在时间 上也有类似的结论。协作分集技术从另一个角度可以看作是根据一定的准则（某种特定空跳 图案），用户信息在空间方位上的跳变，其空跳增益可以根据跳频、跳时的结论推出，随着 参与用户数、空跳幅度以及跳速的提高，空跳增益将会越大。MIMO协作分集面临的问题第一个重要的问题，是在多用户网络中合作伙伴如何分

11、配和管理。换句话说，怎样去确 定与哪些用户进行协作，多长时间对合作的用户进行重新分配。对于蜂窝系统，用户都与一 个中心基站进行通信，这样可以提供一种集中控制机制，假设基站已知用户间的所有信道信 息，那么就可以根据一个性能优化标准（比如平均误码率）来分配合作伙伴。而对于像Ad Hoc 这样的非集中控制网络，它们需要一个分布式的协作协议，用户可以在任意时间独立的决定 与哪一个用户进行协作该分布式协议的难点是在不增加额外系统资源的前提下，如何保证所 有用户的公平性。第二个重要问题，是基站要进行正确解码必须知道一些协作终端的信息。在简单的检测 中继模式中，基站需要知道协作终端间的信道差错概率；在放大中继模式中，基站要估计协 作终端间信道的状态信息；对编码协作模式及选择检测中继模式来说，虽然基站不需要知道 有关信道的信息，但它要知道移动终端之间是否进行了协作、跟谁协作，或具体一点基站需 要知道第二帧的信息到底是谁的。第三个重要的问题是同步问题，目前大多数协作分集的文献都假定系统是能够良好同步 的，即协作者之间、协作者和目的端之间都是同步的。但这在实际中是难以实现的。与目前 的有线同步网络不同，协作分