协作通信综述

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1、协作通信技术研究与展望摘要：多输入多输出(MIMO)技术能够有效抵抗无线通信中多径衰落带来的影响，但是由于受设备尺寸、造价和硬件性能等条件限制，难以应用在实际的无线通信终端中。协作通信技术通过利用单天线移动终端之间的相互协作，共享彼此的天线，形成一个虚拟MIMO系统，从而获得空间分集。本文主要从协作通信技术的研究缘由、系统模型、协作策略、中继算法以及实现平台五个方面对近来的研究成果加以总结，并指出了未来的发展方向。未来的无线通信系统需要提供更多高速率的多媒体业务和数据业务，协作通信的目的就是充分利用网络中的节点资源来帮助有通信需求的节点进行

2、高速、可靠的无线通信。1协作通信技术的研究缘由协作通信技术得以发展主要有两方面的因素：网络中空闲资源的存在和协作通信所能提供的增益。1.1网络中空闲资源的存在以移动通信系统为例来说明无线网络中空余资源的存在。某一时间段内移动通信系统中可能仅有部分移动终端有通信需求，因而网络中较多的移动终端处于空闲状态。但是传统的移动通信系统将所有移动终端看成是互不通信的个体，从而使这部分空闲硬件资源被浪费掉；另一方面，移动通信系统中的移动终端往往具有差异性，如具有不同的计算处理能力以及不同的通信能力等。若将这些移动终端看成是一个可以相互或部分相互通信的整体

3、，则差异性的存在可使不同的移动终端在网络中承担不同的角色，从而有利于整个通信系统性能的提高。因此，如何利用空闲资源来帮助有通信需求的移动终端进行有效通信便成为一个值得深入研究的课题。1.2协作通信增益无线通信中，由于受带宽、传输功率的限制，加上无线信道的多径衰落，很难达到理想的传输速率和通信质量。为了解决无线信道容量的瓶颈问题，人们提出了MIMO技术。该技术通过在发射端和接收端放置多根天线，形成多个独立的发/收信道，从而达到利用空间分集来提高无线信道传输能力的目的，但是由于受设备尺寸、造价和硬件性能等条件限制，无线终端不一定支持多天线安装。

4、而协作通信技术能够利用无线信道的广播特性，允许单天线终端设备在多用户环境中通过一定规则共享其他用户的天线，形成虚拟天线阵列，使得同一信息能够通过不同的独立无线信道到达接收端。研究表明[1]，协作通信可以提供全部的空间分集增益效果，即n个参与协作通信的节点所提供的空间分集增益等同于信源节点具有n个独立的发射天线所提供的空间分集增益。2协作通信系统模型根据无线通信网络中是否存在空闲节点资源，可相应采用两种不同的协作通信模型，如图1所示。当系统中存在空闲节点资源时，空闲节点可相互充当转发节点。当系统中不存在空闲节点资源时，一方面该系统中的信源节点

5、会牺牲部分资源(包括带宽、发射功率等)用于节点间相互转发信息，因而造成有效通信数据流量的下降；另一方面协作通信系统产生的协作通信增益会使系统中的有效通信数据流量增加，当由协作通信产生的正面效应大于负面效应时，系统便会相应获得性能增益。RDS图1(a)有空闲节点时的协作通信系统模型SSD图1(b)无空闲节点时的协作通信系统模型3协作通信的策略根据现有的研究[1-2]，通常可以将协作通信策略按照信号处理的方式分为固定中继(Fixed-Relaying)、选择中继(Selection-Relaying)、增强中继(Incremental-Rela

6、ying)和编码协作(CodedCooperation)。其中固定中继协作策略包括放大转发(Amplify-and-Forward,AF)和解码转发(Decode-and-Forward,DF)两种。3.1固定中继协作策略在AF策略中，转发节点接收信源所发射的带有噪声的信号，并将其进行功率放大，然后再转发至接收端。接收端将信源和转发信号以一定的准则合并，并进行判决。文献[1]中的分析表明了当信噪比较高时，采用该策略可以获得二阶分集增益。该方案的优点在于：结构简单，进行转发时不需要对信息进行复杂处理，从而具有速度快、复杂度低的特点。但是其缺点

7、在于：用户间信道中的噪声也被放大转发，当协作用户之间链路较差时，放大的噪声将直接影响最终的判决。为了避免由放大的噪声导致错误传播，研究者提出了DF策略。在这种策略中转发节点将从信源节点接收到的信息进行解码，然后将解码后的信息发送至接收端。由于这种方式在转发过程中消除了噪声的干扰，有利于接收端的最终判决，提高了系统传输的可靠性。但是在用户间信道条件较差的情况下，也可能出现信息的误判，从而对系统的性能造成影响，不能得到完全分集。3.2选择中继协作策略文献[1]进一步提出了选择中继策略和增强中继策略，两者均是DF的改进方案。选择中继是根据信道条件

8、采取自适应转发方式，当中继信道的增益低于一定门限时，取消中继节点的传输，由信源节点直接传输信号，此时系统等同于非协作通信系统。该方案避免了用户间信道较差时引起的错误传播，但是协作