協作通信技術及其發展與應用

韓宇輝+王亓+劉海洋+吳佳男+任壯+付青偉

摘 要：在無線傳輸中，由于存在多徑衰落，嚴重影響了傳輸的質量，并極大限制了系統的容量。協作通信通過不同用戶共享天線，使單天線終端也可以獲得分集增益，因而得到了日益廣泛的關注。文章對協作通信的發展歷史、應用前景、基本原理以及性能評價標準等進行了介紹。

關鍵詞：無線通信；多徑衰落；空間分集；協作通信

引言

移動信道中存在的多徑衰落現象嚴重影響著傳輸質量，并極大限制了系統的容量。為了減小多徑衰落所造成的不良影響，通常采用多天線分集的方法。多天線分集也稱為MIMO（Multiple Input Multiple Output，多輸入多輸出），可以在獲得空間分集增益的同時而不需要占用額外的帶寬和時間，因而在實際中應用較多。然而，多天線分集技術要求在發送端或接收端配置多個天線來增加空間維，這對于在體積、功耗、重量和成本等方面具有較多限制的移動終端來說是很難實現的。協作通信技術就是在這一背景下被提出的。

1 協作通信技術的發展及應用前景

協作通信的概念最初由Sendonaris等人在1998年提出，也稱為協作分集或協作式MIMO[1]。Sendonaris等人還給出了兩個用戶進行協作通信的信道模型，并以此為基礎，對其吞吐量、中斷概率、可達速率等進行了推導和分析[2，3]。Laneman 和Wornell等人首先明確提出了放大轉發和解碼轉發這兩種最基本的中繼轉發方式[4]。之后，他們又提出了固定中繼、選擇中繼以及增強中繼這三種不同的協作協議[5]。Hunter和Nosratinia將信道編碼與解碼轉發協作結合，提出了編碼協作，實現了空域分集與碼域分集的結合[6]。近幾年，不少移動通信領域的學者都投入到協作通信技術的研究當中，對協作通信的協議、協作系統中的資源分配策略、協作伙伴的選擇方法等問題進行了研究和探索。另外，Melda Yuksel和Elza Erkip等人還將單天線終端間的協作推廣到多天線終端間的協作[7]，一些學者將網絡編碼與協作通信結合，研究協作下的網絡編碼方法[8]。

協作通信技術可以應用在無線通信的許多領域。比如在蜂窩系統中，通過用戶間的協作可以改善盲點地區和小區邊緣用戶的通信質量；在保證一定誤比特率或中斷概率要求的前提下，通過協作可以降低發射功率，減少能量消耗。在無線傳感器網絡中，可以采取適當的協作策略和功率分配方法來降低和平衡節點的能量消耗，從而延長整個網絡的生存時間。

2 基本原理

協作通信是一種通過不同用戶共享彼此天線而獲得分集效果的新的空域分集方式。用戶間的協作可以是互惠的，也可以是非互惠的，這里考慮非互惠的情況。如圖1所示，協作通信系統中至少包括三個節點：源節點、目的節點和中繼節點。

協作通信的過程可以劃分為兩個階段：第一階段，源節點發送信息，中繼節點接收信息，在此階段目的節點可以接收信息，也可以不接收信息；第二階段，中繼節點對在第一階段收到的信息進行轉發，在此階段源節點可以不發送信息，也可以重復發送與第一階段相同的信息或者發送新的信息，目的節點對通過不同衰落信道到達的信號進行合并處理，從而提高信噪比，獲得分集增益。

中繼節點可以采取不同的中繼方式，其中放大轉發和解碼轉發是最基本的兩種方式。放大轉發方式中，中繼節點將在第一階段接收到的受到噪聲污染的信號進行線性放大后再轉發給目的節點。放大轉發方式可以獲得滿分集階數，其主要缺點在于中繼節點放大信號的同時也將噪聲一同放大，造成噪聲累積現象。解碼轉發方式中，中繼節點收到源節點發送的信號后，先譯碼再轉發，因此可以避免噪聲累積現象。解碼轉發方式不能獲得滿分集階數，當中繼節點譯碼錯誤時會產生錯誤傳播[5]。

3 性能評價標準

比較重要的協作通信系統的性能評價標準包括：信道容量、頻譜利用率、分集階數、復用增益、能量增益、中斷概率、錯誤概率以及協作通信的代價等[9]。

3.1 信道容量：當用戶間的信道質量較好時，通過協作可以顯著提高系統的信道容量，但如果用戶間的信道質量變差，則協作的系統容量將逐漸趨近于非協作的情況。

3.2 頻譜利用率：頻譜利用率指單位頻帶內的信息速率。通過協作，可以提高系統的頻譜利用率。

3.3 分集階數：系統的分集階數d的定義如下：

這里SNR為接收端的平均信噪比，Pe為系統的平均誤比特率。

3.4 復用增益：復用增益r的定義如下：

這里R為系統的頻譜利用率。

3.5 能量增益：協作通信系統中用戶的能量增益定義為

其中，PD和PCO分別為達到特定通信質量要求，采取直接傳輸方式和協作方式所需的發射功率。

3.6 中斷概率和錯誤概率：研究表明，協作通信可以大大降低系統的中斷概率和錯誤概率。

3.7 協作通信的代價：協作通信系統的性能提高是需要付出一定代價的，比如系統復雜度的增加、協作建立過程中額外占用的資源、協作造成的時延等。

上述幾個性能指標相互關聯，是協作通信系統性能在不同方面的具體體現。

4 結束語

協作通信技術被提出之后受到了廣泛的關注，它為未來移動通信實現更高傳輸速率和更好服務質量提供了一種有價值的參考方案，具有廣泛的應用前景。

參考文獻

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