编码协作通信技术研究
作者： 来源： 日期：2014-09-25 22:32人气：
摘要：为了解决多输入多输出技术在移动终端的多天线制约问题，为了适应这种情况，提出了一种新的分集技术——协作分集，该方法可以使具有单根天线的移动台获得类似于MIMO系统中的某些增益。如今最为广泛的空间分集技术主要是MIMO，现有的MIMO天线技术通过在接收端和发射端同时安置多个天线来有效地消除多径衰落的影响，MIMO信道结构从而充分利用了空域资源，大幅度提高了信道容量。
关键词：协作分集；空时协作；编码协作机制
1协作分集技术原理
协作分集技术又称虚拟MIMO技术，其基本原理是：多用户环境中的单天线用户在传输自己的信息时，也能传送所接收和检测到的临近用户（即伙伴）的信息。其实质就是希望利用合作伙伴的天线与自身天线构成多发射天线，从而产生一个虚拟MIMO系统，以获得分集增益。
1.1协作分集步骤
协作分集的过程主要分为两个步骤：
（1）源节点以广播方式发送信号，目的节点和中继节点接收信号，中继节点对接收到的信号进行处理。
（2）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或者新的消息，最后目的节点按照某种规则合并两步接收到的信号。
1.2协作分集信号合并模型
假设系统中每个源节点只有一个合作伙伴，它们两个相互协作与目的节点进行通信。每个源节点除了独立发送自己的信息给目的节点外，还将转发从其合作伙伴接收到的信息给目的节点。这就相当于从一个源节点发送的信号经历了两条独立衰落的路径分别到达目的节点，从而可以得到分集增益。
每个源节点都接收到其合作伙伴发送的、包含衰落和噪声的信号，然后将这个信号和自己要发送的信号组合在一起发送到目的节点，表示为：
（1）
（2）
（3）
式中：下标0、l、2分别代表目的节点、源节点1和源节点2；（t）（i=0，l，2）表示接收端在一个符号周期内收到的信号；（t）（i=l，2）表示两个源节点发送的信息；（t）（i=0，l，2）表示均值为零的加性高斯白噪声；（i=0，l，2；j=0，l，2）表示各信道之间衰落系数，是零均值的复高斯随机变量，其包络服从瑞利分布，它在一个符号周期内保持不变，并且=。
通过式（1）～（3）可以看出，在这里事实上已经认为每个源节点不会接收到自己发送的信号，目的节点收到的信号是这两个源节点发送信号的叠加。
2协作中继协议
按中继实现方式，协作通信系统中主要有三种协作方式，即放大前传、检测转发、编码协作。在这三种方式中尤以编码协作方式的性能最优。
首先，放大转发机制，或称放大前传，在该机制中，每个用户接收它伙伴发送过来的带有噪声的信号，接着对该信号进行放大，然后将放大的带有噪声信号的重新发送。基站将对用户和其伙伴传送来的数据进行合并判决。
接着，有人提出了检测转发机制，在该方法中用户首先尝试检测出用户伙伴的数据比特，然后将检测出的比特重新发送。
以上提出的两种机制虽然能获得一定的分集增益，但它们有一些局限性。第一，两种机制都包括一定形式的重发，所以并非对带宽最好利用。第二，检测转发机制可能会转发对其伙伴错误估计的信息。错误的传播会降低性能，特别是当用户间的信道较差时。第三，这两种机制为了在接收端得到最佳的最大似然检测，需要知道用户间信道的BER（误比特率）和SNR（信噪比）。为了解决这些局限性，提出了一种新的机制——编码协作机制。
3编码协作
3.1编码协作的基本思想
编码协作的基本思想：首先把移动终端要发送的信息比特转化成符号块进行编码，然后加上CRC（循环冗余校验）码。在协作通信时将要发送的信息编成码字后分成两段，分别含有和，则原始的码长为+。其中是想要的信息位，是校验码。需要两个时隙来分别发送和两部分信息，发送这些信息的时隙称为帧。
第一帧中，每个移动终端发送各自码字的第一段，即信息，同时每个移动终端都试图解码对方的这部分信息。如正确解码，就在第二帧中发送其协作伙伴码字的第二段即信息。如译码不正确就发送自己的第二段信息，这样每个移动终端在两个发射时隙总是传送N=+的信息块。
3.2编码协作的各种情况分析
在第二帧中，各个用户是相互独立的，他们不知道自己在第一帧的信息是否已经被正确译码，因此，第一帧的译码情况具有四种情况，如图1所示。
图1普通编码协作的实现过程
情况a，在第一帧的两用户都成功地检测到对方的数据，并成功译码，所以在第二帧中他们都传输伙伴的的信息，可以达到完全增益。
情况b，用户2成功译码用户1的数据信息，而用户1则未能成功译码用户2的信息，所以在用户1的第二帧传输用户1的的信息，在用户2的第二帧也传输用户1的信息。
情况c，用户1成功译码用户2的数据，而用户2未能成功译码用户1的数据，所以在第二帧中，用户1传输用户2的信息，用户2也传输用户2
的N2bit信息。
情况d，用户1和用户2均未能成功译码，所以在第二帧中均传输各自的N2bit信息。
由此可以看出，当信道不完全对称时，必然会有一个用户的码字的第二部分不会在第二帧进行传输，因此系统的性能将大大受到影响。因此技术人员又提出了一种新的协作方案，空时协作方法。
3.3空时协作方法
空时协作信号处理技术与原先的编码协作机制不同的是：用户在第二帧中同时传输自己和伙伴的比特信息。用户在快衰落环境也可以取得比较好的性能，因此空时协作信号处理技术也是一个很好的研究方向。
空时协作编码方法是：用户在第二帧中不但要传输它自己的信息还要传输它的协作伙伴的信息，这种策略在快衰落信道中是非常有用的。在快衰落环境下，一个用户的上行信道在第一帧和第二帧传输中是独立的，因此，在第二帧中使用伙伴的信道不会得到任何增益。在空时协作中，由于每个用户在第二帧中传输两用户的信息，因此可以获得较好的增益。更进一步说，用户传输它自己和伙伴的信息，在用户间信道质量不好的情况下也可以获得较好的增益。如果一个用户能正确地对它的伙伴译码，而伙伴却不能正确对它译码，那么这个用户能在它的第二帧传输中获得较好的增益，而它的伙伴却不能。
空时协作编码在第二帧的传输中也有四种情况，如图2所示。
图2空时编码协作的实现过程
情况a，两个用户都能对其伙伴成功的译码，所以在第二帧中它们都传输自己和伙伴的第二部分比特信息，从而导致全分集的发生。在这种情况下，同一个信道，两个不同天线上可能传输相同的数据，这就为空时码的采用提供了条件，即用户可以在第二帧采用空时编码发射数据来获得分集。
情况b，用户2能成功译码用户1，而用户1却不能成功译码用户2。因此用户1在第二帧只能传输自己的比特，而用户2传输自己和用户1的比特。
情况c，与情况b类似，只是把用户1与用户2的位置调换而已。
情况d，两个用户都不能成功译码其伙伴的信息，系统就退化为非协作的情况。
4下一步研究方向
协作分集是一种全新的空间分集技术，它可以解决难以在移动终端安装多根天线的问题，推进了MIMO技术的实用化。目前国内外在这方面的研究刚刚起步，还存在很多问题，但无论如何它都具有广阔的前景，而且这种技术可用于无线自组织网、无线局域网及无线传感器网等多种场合，今后还有可能将这些网络结合起来，形成一种全新的智能网络，引起移动通信领域的重大变革。协作通信是当今研究最为热门的话题之一，发展至今，虽然取得了不少的成果，但还有许多问题有待进一步的研究和解决。
（1）协作伙伴如何分配和管理。协作通信中一个重要的问题是怎样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。该问题的难点是在不增加额外系统资源的前提下，保证所有用户的公平性。
（2）协作系统中的路由如何选择。移动台怎样去选择协作伙伴，每个移动台协作伙伴的个数如何确定。既然是移动终端，当它们的相对位置改变时又如何选择新的协作伙伴，根据怎样的路由协议去选择。
（3）协作传输如何进行功率控制。现在的研究都是认为各个移动终端有着相等的发射功率，但是可以使移动终端根据上行信道或者协作伙伴的信道状态自适应地调整发送功率，从而更好地提升性能。
（4）信息安全问题。为了保证伙伴之间数据信息的保密性，在协作通信系统中，用户的数据在传输之前必须进行加密，使移动台可以检测到同伴的数据，而无法理解同伴传输的信息，这也会增加系统的复杂度。
关键词：协作分集；空时协作；编码协作机制
1协作分集技术原理
协作分集技术又称虚拟MIMO技术，其基本原理是：多用户环境中的单天线用户在传输自己的信息时，也能传送所接收和检测到的临近用户（即伙伴）的信息。其实质就是希望利用合作伙伴的天线与自身天线构成多发射天线，从而产生一个虚拟MIMO系统，以获得分集增益。
1.1协作分集步骤
协作分集的过程主要分为两个步骤：
（1）源节点以广播方式发送信号，目的节点和中继节点接收信号，中继节点对接收到的信号进行处理。
（2）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或者新的消息，最后目的节点按照某种规则合并两步接收到的信号。
1.2协作分集信号合并模型
假设系统中每个源节点只有一个合作伙伴，它们两个相互协作与目的节点进行通信。每个源节点除了独立发送自己的信息给目的节点外，还将转发从其合作伙伴接收到的信息给目的节点。这就相当于从一个源节点发送的信号经历了两条独立衰落的路径分别到达目的节点，从而可以得到分集增益。
每个源节点都接收到其合作伙伴发送的、包含衰落和噪声的信号，然后将这个信号和自己要发送的信号组合在一起发送到目的节点，表示为：
（1）
（2）
（3）
式中：下标0、l、2分别代表目的节点、源节点1和源节点2；（t）（i=0，l，2）表示接收端在一个符号周期内收到的信号；（t）（i=l，2）表示两个源节点发送的信息；（t）（i=0，l，2）表示均值为零的加性高斯白噪声；（i=0，l，2；j=0，l，2）表示各信道之间衰落系数，是零均值的复高斯随机变量，其包络服从瑞利分布，它在一个符号周期内保持不变，并且=。
通过式（1）～（3）可以看出，在这里事实上已经认为每个源节点不会接收到自己发送的信号，目的节点收到的信号是这两个源节点发送信号的叠加。
2协作中继协议
按中继实现方式，协作通信系统中主要有三种协作方式，即放大前传、检测转发、编码协作。在这三种方式中尤以编码协作方式的性能最优。
首先，放大转发机制，或称放大前传，在该机制中，每个用户接收它伙伴发送过来的带有噪声的信号，接着对该信号进行放大，然后将放大的带有噪声信号的重新发送。基站将对用户和其伙伴传送来的数据进行合并判决。
接着，有人提出了检测转发机制，在该方法中用户首先尝试检测出用户伙伴的数据比特，然后将检测出的比特重新发送。
以上提出的两种机制虽然能获得一定的分集增益，但它们有一些局限性。第一，两种机制都包括一定形式的重发，所以并非对带宽最好利用。第二，检测转发机制可能会转发对其伙伴错误估计的信息。错误的传播会降低性能，特别是当用户间的信道较差时。第三，这两种机制为了在接收端得到最佳的最大似然检测，需要知道用户间信道的BER（误比特率）和SNR（信噪比）。为了解决这些局限性，提出了一种新的机制——编码协作机制。
3编码协作
3.1编码协作的基本思想
编码协作的基本思想：首先把移动终端要发送的信息比特转化成符号块进行编码，然后加上CRC（循环冗余校验）码。在协作通信时将要发送的信息编成码字后分成两段，分别含有和，则原始的码长为+。其中是想要的信息位，是校验码。需要两个时隙来分别发送和两部分信息，发送这些信息的时隙称为帧。
第一帧中，每个移动终端发送各自码字的第一段，即信息，同时每个移动终端都试图解码对方的这部分信息。如正确解码，就在第二帧中发送其协作伙伴码字的第二段即信息。如译码不正确就发送自己的第二段信息，这样每个移动终端在两个发射时隙总是传送N=+的信息块。
3.2编码协作的各种情况分析
在第二帧中，各个用户是相互独立的，他们不知道自己在第一帧的信息是否已经被正确译码，因此，第一帧的译码情况具有四种情况，如图1所示。
图1普通编码协作的实现过程
情况a，在第一帧的两用户都成功地检测到对方的数据，并成功译码，所以在第二帧中他们都传输伙伴的的信息，可以达到完全增益。
情况b，用户2成功译码用户1的数据信息，而用户1则未能成功译码用户2的信息，所以在用户1的第二帧传输用户1的的信息，在用户2的第二帧也传输用户1的信息。
情况c，用户1成功译码用户2的数据，而用户2未能成功译码用户1的数据，所以在第二帧中，用户1传输用户2的信息，用户2也传输用户2
的N2bit信息。
情况d，用户1和用户2均未能成功译码，所以在第二帧中均传输各自的N2bit信息。
由此可以看出，当信道不完全对称时，必然会有一个用户的码字的第二部分不会在第二帧进行传输，因此系统的性能将大大受到影响。因此技术人员又提出了一种新的协作方案，空时协作方法。
3.3空时协作方法
空时协作信号处理技术与原先的编码协作机制不同的是：用户在第二帧中同时传输自己和伙伴的比特信息。用户在快衰落环境也可以取得比较好的性能，因此空时协作信号处理技术也是一个很好的研究方向。
空时协作编码方法是：用户在第二帧中不但要传输它自己的信息还要传输它的协作伙伴的信息，这种策略在快衰落信道中是非常有用的。在快衰落环境下，一个用户的上行信道在第一帧和第二帧传输中是独立的，因此，在第二帧中使用伙伴的信道不会得到任何增益。在空时协作中，由于每个用户在第二帧中传输两用户的信息，因此可以获得较好的增益。更进一步说，用户传输它自己和伙伴的信息，在用户间信道质量不好的情况下也可以获得较好的增益。如果一个用户能正确地对它的伙伴译码，而伙伴却不能正确对它译码，那么这个用户能在它的第二帧传输中获得较好的增益，而它的伙伴却不能。
空时协作编码在第二帧的传输中也有四种情况，如图2所示。
图2空时编码协作的实现过程
情况a，两个用户都能对其伙伴成功的译码，所以在第二帧中它们都传输自己和伙伴的第二部分比特信息，从而导致全分集的发生。在这种情况下，同一个信道，两个不同天线上可能传输相同的数据，这就为空时码的采用提供了条件，即用户可以在第二帧采用空时编码发射数据来获得分集。
情况b，用户2能成功译码用户1，而用户1却不能成功译码用户2。因此用户1在第二帧只能传输自己的比特，而用户2传输自己和用户1的比特。
情况c，与情况b类似，只是把用户1与用户2的位置调换而已。
情况d，两个用户都不能成功译码其伙伴的信息，系统就退化为非协作的情况。
4下一步研究方向
协作分集是一种全新的空间分集技术，它可以解决难以在移动终端安装多根天线的问题，推进了MIMO技术的实用化。目前国内外在这方面的研究刚刚起步，还存在很多问题，但无论如何它都具有广阔的前景，而且这种技术可用于无线自组织网、无线局域网及无线传感器网等多种场合，今后还有可能将这些网络结合起来，形成一种全新的智能网络，引起移动通信领域的重大变革。协作通信是当今研究最为热门的话题之一，发展至今，虽然取得了不少的成果，但还有许多问题有待进一步的研究和解决。
（1）协作伙伴如何分配和管理。协作通信中一个重要的问题是怎样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。该问题的难点是在不增加额外系统资源的前提下，保证所有用户的公平性。
（2）协作系统中的路由如何选择。移动台怎样去选择协作伙伴，每个移动台协作伙伴的个数如何确定。既然是移动终端，当它们的相对位置改变时又如何选择新的协作伙伴，根据怎样的路由协议去选择。
（3）协作传输如何进行功率控制。现在的研究都是认为各个移动终端有着相等的发射功率，但是可以使移动终端根据上行信道或者协作伙伴的信道状态自适应地调整发送功率，从而更好地提升性能。
（4）信息安全问题。为了保证伙伴之间数据信息的保密性，在协作通信系统中，用户的数据在传输之前必须进行加密，使移动台可以检测到同伴的数据，而无法理解同伴传输的信息，这也会增加系统的复杂度。
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