协同通信综述

协同通信技术free09720819上海大学通信与信息工程学院主要内容

协同通信的提出

协同通信的原理和关键技术

协同通信的研究进展

3协同通信的提出基于多天线(MIMO)系统空时信号处理的空间分集技术得到了广泛的研究；移动通信系统实现大带宽传输：设计一个大带宽系统（新系统）；通过不同系统间的协同来构造具有更大传输带宽的系统（现网演进）；随着未来无线宽带通信系统可用频段的增高，视距传播环境会大大增加天线间的相关性。很多移动设备受到设备硬件的限制，只能配备一个天线。

协同通信(CooperativeCommunication)4协同通信的提出协同通信技术的起源可以追溯到Cover和ElGamal在1979年关于中继信道的研究工作。中继节点源节点目的节点

中继信道模型5协同通信的提出两人的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。可通过随机编码方案得到通信信道容量的下界协同通信源于中继信道，但有所不同6协同通信的提出中继信道技术协同通信技术分析AWGN信道的容量应用于衰落信道中，主要目的为了对抗多径衰落中继节点的唯一目的就是帮助源节点发送信息整个系统的资源固定，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主要内容

协同通信的提出

协同通信的原理和关键技术

协同通信的研究进展

8协同通信的原理协同通信的基本思想：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。

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，可在传统通信网络中获得与多天线及多跳传输情况下相近的传输增益。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。9协同通信的原理以蜂窝移动通信为例，移动无线信道受到衰落影响，一个用户的信号可以直接到达接收端，另一路则可通过另一移动用户作为中继，再到达接收端，在接收基站形成分集接收信号。移动端之间的协同通信10协同通信的原理与蜂窝网络相比，协同通信更适用于AdHoc无线网络与无线传感网络。协同会将码率与传输功率进行折中：传输码率：每个用户将传输自身的比特和中继的比特，似乎会要求更高的带宽，但每个用户的频率会提高，因此协同分集信道编码的码率可以增加功率需求：协同分集通信似乎会要求每一个用户使用更高的功率，然而由协同方式产生的分集增益则可降低用户的传输功率并保持同样的性能；11协同通信的原理协同分集：借助于协同伙伴的天线，与其自身天线共同构造成发射天线，并通过模仿传统的多发射天线分集来获得空间分集增益。优点：如果在某个时段用户没有信息要传送，那么在没有协同时，其资源只能闲置，而协同时分集则可以实现用户资源的充分利用。12协同通信的原理

缺点：在用户资源没有闲置时，用户既要传送自己的信息，又要传送其协同伙伴的信息，会牺牲一部分自己的资源；另一方面，用户也通过协同分集利用了其协同伙伴的空域资源。结论：只要合理地设计协作方案，完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。13协同通信的分类根据协作对象的不同：异构网络间的协同通信；同构网络间的协同通信根据中继节点对源节点信息处理方式的不同可分为放大转发(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(NCC)等多种方式14协同通信的分类根据协作对象的不同

异构网络间的协同通信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。

同构网络内的协同通信所有节点都在同一种网络内工作，分为固定中继和用户终端间的协作两种方式。15协同通信的分类固定中继协作方式：类似于下图的中继信道，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。中继节点源节点目的节点中继信道模型16协同通信的分类用户终端间的协作方式：更灵活一些，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。17协同通信的协作方式根据中继节点对源节点信息处理方式的不同:

放大转发(AF)

译码转发(DF)

编码协作(CC)

空时编码协作(STCC)

网络编码协作(NCC)18协同通信的协作方式放大转发协作方式(AF－AmplifyandForward)☆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。

放大转发方式的信号处理流程19协同通信的协作方式放大转发协作方式(AF－AmplifyandForward)

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。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。20协同通信的协作方式译码转发协作方式(DF－DecodeandForward)☆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。图4译码转发方式的信号处理流程21协同通信的分类译码转发协作方式(DF－DecodeandForward)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，若编码方式不采用CRC（CyclicalRedundancyCheck)码，得不到满分集阶数。中继节点对源节点信息解码错误所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很大影响。22协同通信的协作方式常称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。何时协同？23协同通信的协作方式结合AF和DF两种方式，人们提出了选择模式（源-中继）与增强模式（源-目的）24协同通信的协作方式编码协作方式(CC－CodedCooperation)

编码协作方式的信号处理流程图基本思想：对正确解出的合作伙伴的信号重新进行编码；即，中继节点接收来自于基站端已被噪声干扰的信号，同时，它将对信号进行解码处理，以获得原始信息。然后再将其获得的信息重新编码，以一定功率发送给用户端。25协同通信的协作方式编码协作方式(CC－CodedCooperation)编码协作实例1

分块编码2

加上循环冗余校验码3

信息->两段26协同通信的协作方式与SDF方式不同，编码协作方式通过编码设计实现协作与非协作方式之间的自动切换，无需直接考虑源节点与中继节点之间信道的传输特性目前，已有多种信道编码方式与协同通信相结合，例如卷积码、Turbo码、低密度奇偶校验码(LDPC)等。27协同通信的协作方式编码协作方式(CC－CodedCooperation)在慢衰落条件下，即使移动终端间的信道传输特性非常差，编码协作依然能够显著提高这两个移动终端的误码率性能；若协作双方都能够正确解码的话，系统可以获得满分集增益；在快衰落条件下，编码协作会牺牲上行信道传输特性相对较好的终端的性能。28协同通信的协作方式空时编码协作方式(STCC－SpatialandTimeCC)将空时编码思想应用到编码协作方式中；与一般编码协作方式最大的不同：每个移动终端可在自己和其协作伙伴的多址信道上同时发送信息；而在一般编码协作方式中，移动终端只能在自己的多址信道发送协作信息。29协同通信的协作方式空时编码协作方式(STCC－SpatialandTimeCC)空时编码协作、编码协作与无协作方式信号处理比较阶段1阶段1阶段2阶段230协同通信的协作方式空时编码协作方式(STCC－SpatialandTimeCC)在阶段2，若对协作伙伴的信息解码成功的话，编码协作方式下，各用户均只在自己的信道上发送同伴的信息；而空时编码协作方式下，各用户则是同时发送双方的信息。研究表明，空时编码协作方式在快衰落环境下也可以获得满分集增益，并且不会牺牲信道质量相对较好的移动终端的性能。31协同通信的协作方式网络编码协作方式(NCC－NetworkCodingCooperation)网络编码：网络节点将接收到的信息进行编码后再转发出去的多点传送技术。网络编码的核心思想：中间节点不再是简单的存储转发，而是将接收信息进行编码后再发送，从而可提高整个网络的容量和健壮性。32协同通信的协作方式网络编码概念的提出以及现在大部分相关的工作都是基于有线网络的，但无线信道的广播特性为网络编码的应用提供了有利条件，且无线网络节点间的信息交互也完全可以运用网络编码理论来实现。因此，网络编码和协同通信技术相结合可有效提高无线通信系统的性能。无线版Ｐ２Ｐ33协同通信的协作方式网络编码协作方式(根据中继节点所采用的基本通信方式分)网络编码协作的几种通信方式34不同协同方式的比较

CC、NCC与STCC的性能要优于AF与DF方式；但它们的算法复杂度高，涉及到了各种编码技术，使得中继节点信号处理的时间增长、时延较大，不利于现代无线通信系统。综合考虑多种因素，AF与DF两种方式更实用一些。不同协作方式的比较35协同通信的关键技术１无线资源的管理；２中继节点的移动性；５与其它通信技术的结合。３协作实际的选择４同步与信道估计算法；功率分配：源节点与中继节点之间等功率分配虽然简单，但显然不是最优的。伙伴选择：在多用户的环境中，如何给各终端选择最佳的协作伙伴将直接影响系统的性能。另外，由于是移动终端，当他们相对位置发生变化时又该如何及时调整协作伙伴。协同通信系统中，中继节点往往是具有一定移动性的终端。这种移动性会影响伙伴选择等许多关键问题。因此，假设中继节点固定不动不符合实际情况，选择合适的运动模型并考虑移动性对系统性能的影响是极为重要的一个研究课题。现有文献只关注协同通信带来的增益，极少考虑协同通信的必要性，似乎协同通信在任何场景下都能带来好处。事实上，综合考虑各节点间信道的传输特性，选择合适的“协同时机”，可在保证系统传输性能的前提下进一步提高资源的使用效率。系统可实现精确的同步，并可获得准确的信道状态信息，这在际中很难实现。对于分布式协同通信系统而言，多个用户间的准确同步与信道估计更困难。研究同步与信道估计算法，更接近实际应用场景下的协同通信系统。目前研究的热点是与OFDM技术的结合，可以同时发挥协同通信与OFDM的优势，既可以得到分集增益，又能够对抗频率选择性衰落。此外，协同通信技术与感知无线电技术的结合也是另一个研究热点。主要内容

协同通信的提出

协同通信的原理和关键技术

协同通信研究进展

37协同通信的研究进展无线世界研究论坛(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瑞士皇家科学院通信技术实验室无线通信课题组的研究项目“CooperativeMIMOWirelessNetwork