网络编码理论及其应用的研究_3

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1、第七章基于网络编码的协作分集技术87第七章基于网络编码的协作分集技术无线数据通信系统中，为了提高信息传输速率并改善通信质量，常使用协作分集技术，这种技术利用合作伙伴之间的空域资源来抵制多径衰落。为进一步提高网络吞吐量，Wang将网络编码的概念应用到协作分集网络中，提出了复数域网络编码(ComplexFieldNetworkCoding,CFNC)的概念。CFNC不仅能够获得12符号/信源/时隙（sym/S/TS）的吞吐量，还可获得完全分集增益，且不受信噪比以及所采用调制方式的限制。本章给出CFNC的一种并行中继优化设计方案，在不损失网络吞吐量以及分集增益的前提下，

2、显著地降低了目的节点的检测复杂度，减少了信源符号的传输时延，且符号错误概率有了一定程度的降低。7.1传统的协作分集技术7.1.1引言无线通信发展至今，人们对无线传输的数据速率和服务质量的要求不断提高。与以提供语音业务为主的前两代移动通信系统不同，下一代无线移动通信将更多地提供高速率的多媒体业务和数据业务，因此要求系统必须采用更先进的技术来进一步扩大信道容量，提高信息传输速率，改善通信质量。但是众所周知，无线信道具有的多径衰落特性是阻碍信道容量增加，影响无线通信传输速率与质量的重要瓶颈，如何克服多径效应便成为提高通信质量要解决的首要问题。分集技术是抵抗多径衰落的有效

3、方式，常见的分集方式主要有时间分集、频率分集和空间分集，其中空间分集技术从不同的位置（天线）发送信号，在接收端得到经历独立衰落的多个信号副本，可有效消除多径衰落的影响。空间分集不需要占用额外的时间和频带资源，并且可以和其它分集方式相结合，得到了广泛的关注。近年来提出的多输入多输出(MIMO)天线技术，通过在接收端和发射端同时安置多个天线，形成MIMO信道结构，从而将传统通信系统中存在的多径因素变成对用户通信性能有利的因素，充分利用空域资源，大幅度提高了信道容量。MIMO技术在抗多径衰落，提高通信链路的通信速率和质量方面有着明显的优势，它的空域发射分集技术已经成为3

4、GPP的WCDMA标准协议。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采纳，但仍然存在许多亟待解决的问题。其中最重要的是，目前的多天线还只能设置在基站端，而很难在移动终端上安置多天线。为此，研究者一方面提88西安电子科技大学博士学位论文：网络编码理论及其应用的研究[82]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。[83-86]为了解决上述问题，一种全新的空域分集技术——协作分集应运而生，使单

5、天线的移动终端也可以实现空域分集。其基本思想是在一个多用户的环境中，每个单天线的移动终端都有一个或多个合作伙伴，每个终端在发送自己信息的同时也帮助其伙伴传输信息。这样，每个终端在传输信息的过程中即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可以共享彼此之间的天线从而形成虚拟的MIMO子信道，以此来模拟MIMO系统通信，协作分集技术将MIMO技术的实用化推进了一大步。[87]如图7.1所示，传统协作分集过程分为两步：第1步，用

6、户2以广播方式发送信号（实线所示），基站和它的合作伙伴用户1（中继节点）接收，且用户1对信号进行相应处理；第2步，用户1将处理后的信号发往基站（虚线所示），此时用户2也可以向基站发送重复或新的信号，最后基站按照某种规则合并经两条独立衰落路径到达的信号。若用户1同时也有信息发送，可以同时通过用户2中继。图7.1移动终端之间的协作分集从本质上说，协作分集就是希望借助合作伙伴的天线，与其自身天线共同构造多发射天线，从而获得空间分集增益。虽然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，但用户也可通过协作分集利用其合作伙伴

7、的空域资源。因此，只要合理地设计协作方案，完全可以使协作分集带来的增益大于其所付出的代价，从而可有效地利用整个网络的资源，使网络性能更稳定。协作分集不局限于两个用户之间的协作，可以是多用户之间的相互协作，即一个用户可以同时拥有多个合作伙伴。协作分集以多个用户共享天线和其它网络资[88]源的形式构造“虚拟阵列”，利用分布式传输和信号处理获得分集增益。因此，第七章基于网络编码的协作分集技术89协作分集不局限于蜂窝系统，同样适用于Adhoc网络、无线局域网以及无线传感器网络等多种应用环境。7.1.2传统协作分集的分类将协作分集按照信号处理方式分为放大中继模式(Ampli

8、fy-an