认知与协作视角下无线通信网络之若干重要技术分析

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1、<>　　第一章绪论　　1.1论文的研究背景　　近年来，伴随着无线通信技术的飞跃发展和移动用户的数量急剧增加，用户对各种实时多媒体业务的需求不断增加，这就要求下一代移动通信系统⑴，即超3代(Beyond3G，B3G)/第四代(theGeneration，4G)移动通信系统，或者称先进的国际移动通信(InternationalMobileTelecommunications-Advanced，IMT-Advanced)系统，在提高数据传输速率的同时，确保不同通信业务的服务质量(QualityofService，QoS)需求，因此必须采用更加先进的算法

2、和技术。为了实现这一目标，科研人员已经做了大量的理论研究，主要包括先进的信号处理和检测技术、信道的编码和调制技术、以及各种分集技术。其中，由于无线信道的多径衰落特性是影响QoS改善和系统容量增加的主要原因，分集技术显得至关重要。分集技术是对抗无线信道衰落的一种有效的技术，其基本思想是发射机通过相互独立的衰落信道传输同一信号旳多个副本，以降低接收端无法识别信号的概率。目前，常见的分集方式有空间分集、时间分集和频率分集，其中空间分集无需占用系统额外的带宽和时间资源，从不同的位置(天线)发送和接收信号，并容易与其他的分集方式相结合，因而更具有应前景。多

3、输入多输出(Multiple-input-MultipIe-output,MIMO)技术[4]是指在发射端和接收端部署多跟天线，通过实现空间分集来对抗衰落问题，提高信道容量。同时，当无线信道散射条件较为严重时，通过在空间中产生多个独立的并行信道用以同时传输多路信号，获得数据速率的大幅提升。因此，MIMO技术成为B3G/4G通信系统巾的一项关键技术。然而，因天线间距、视距传播等因素引起的天线间的相关性，以及便携式移动终端难以安置多跟天线的难题，使得理想的MIMO技术的实用化受到一定程度的阻碍。为此，SendonarisA等人在2003年提出协作通信

4、(CooperativeCommunications)的概念[5][6]。协作通信使得单天线移动终端可以实现类似MIMO的空间分集，即协作分集(CooperativeDiversity)。它的基本思想是具有单根天线的节点之间相互协作，共享彼此的天线，从而形成虚拟的天线阵列，获得近MIMO的性能增益。　　协作通信的工作过程主要包括广播阶段和协作阶段。在广播阶段，源节点向周围的巾继节点广播将要发送的数据;在协作阶段，中继节点将接收到的源节点信号经某种协作方式(放大转发、解码转发、编码转发等)发送给目的节点。与传统的单跳通信相比，协作通信可以提升传输速

5、率、增加传输可靠性、扩大传输距离和覆盖范围。它从协作的角度出发，把物理层传输技术，无线信道，无线网络等综合进行设计和优化，可大幅度的提高系统可实现性和无线资源的使用效率，从而为小型移动终端的MIMO实用化提供了新的思路和解决办法。近年来，关于协作通信技术在蜂窝移动通信网络、传感器网络、无线AdHoc网络和无线局域网等无线通信领域中的研究和应用已成为热点之一，备受学者们关注。协作通信技术可与现有的其他先进通信技术进行灵活地结合，以发挥各技术的优势。例如，与正交频分复用(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing,

6、OFDM)技术相结合，可充分利用其消除符号间干扰(Inter-symbolInterference，ISI)、对抗频率选择性衰落和较高频谱效率的优点;与空时编码、网络编码等编码技术相结合，以获得编码增益[12]。　　另一方面，移动无线通信逐渐向宽带化和智能化的方向发展，人们对无线通信的传输速率要求越来越高，对无线频谱资源的需求量也正在急剧增加，从而导致稀缺的频谱资源变得日益匮乏，制约着无线通信技术的发展。然而，现有的固定频谱分配机制却使得无线频谱资源在时域和频域上不同程度地被闲置和浪费。联邦通信委员会(FederalCommunicationsC

7、ommission,FCC)提供的数据表明[13]，在30MHz-3GHz的频段上，无线频谱利用率平均为5.2%,而在使用率最高的纽约市也不过为13.1%。图1-1为美国加州大学伯克利分校无线研究中心对伯克利市区频谱使用情况的实地测量结果。由图可见，3GHz以上的频段几乎未被使用，其中34GHz频段的利用率仅有0.5%，4-5GHZ频段的利用率只有0.3%。须!J试报告表明，3GHz以下的频段有70%多没有被充分利用，大部分频谱处于空闲状态。由此可明显得出，当前的频谱利用情况和频谱资源短缺现象相矛盾。　　为了解决以上矛盾，1999年，瑞典皇家技术

8、学院的MitolaJ博士首次在软件无线电(SoftwareDefinedRadio,SDR)的基础上提出认知无线电(CognitiveR