多用户协同通信与感知技术.doc

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1、多用户协同通信与感知技术(1)2009-02-11 协同通信技术和感知无线电技术是近年来的研究热点，已受到广泛关注。协同通信技术可提高系统的传输能力，感知无线电技术可提高频谱的使用效率，两者的结合将会对未来的无线移动通信系统带来重大影响。本讲座将分3期：第1期介绍协同通信技术提出的背景、协作方式及关键技术；第2期将介绍感知无线电技术的基本概念、关键技术及相关标准；第3期将探讨两种技术的有效结合方式及它们对现代无线通信产生的重大影响。1协同通信技术   协同通信技术是在多用户通信环境中，使用单副天线的各临近移动用户可按照一定方式共享彼此的天线协同发送，从而产生一种类似多天线发送的虚拟环境，获得空

2、间分集增益，提高系统的传输性能。作为一种分布式虚拟多天线传输技术，协同通信技术融合了分集技术与中继传输技术的优势，在不增加天线数量的基础上，可在传统通信网络中实现并获得多天线与多跳传输的性能增益。它可应用于蜂窝移动通信系统、无线Adhoc网络、无线局域网以及无线传感器网络等多种场合，具有研究价值与意义。可以说，协同通信技术将是继多载波调制技术、多天线技术之后，可能会对未来无线通信的发展产生重大影响的一个研究热点。而且，协同通信技术非常灵活，可与现有多种技术相结合，突出各自优点。例如，与正交频分复用(OFDM)技术相结合，可以充分利用其抗频率选择性衰落的优点；与编码或者空时编码相结合，可以得到编

3、码增益；与感知无线电技术相结合，能够提高频谱检测概率或者获得更多的频谱接入机会。本讲主要讨论协同通信技术的发展历史与研究现状、协作方式及其关键技术。1.1发展历史与研究现状   协同通信技术的起源可以追溯到Cover和ElGamal在1979年关于中继信道的研究工作。中继信道模型是一个包括源节点、中继节点与目的节点的三点模型，如图1所示。这种模型可分解成为广播信道(源节点A发送信号，中继节点B与目的节点C接收信号)和多址信道(源节点A发送信号，中继节点B将收到的信号处理后再进行转发，目的节点C则接收来自A和B的所有信号)。研究表明，离散无记忆、加性白高斯噪声(AWGN)中继信道的容量大于源节点

4、与目的节点间信道的容量。而且，通过3种不同的随机编码方案可得到该信道容量的下界。这3种随机编码方法是：简易方法，中继节点并不主动去帮助源节点，而是通过尽量减少干扰来帮助它；协同方法，中继节点先完全译出源节点发出的信息，然后重新发送；观察方法，中继节点对收到的源节点信息的量化形式进行编码后发送。这些随机编码方法成为协同通信系统中各种中继节点信息处理方式产生的源泉。   协同通信技术源于中继信道，但在很多方面又区别于中继信道。首先，协同通信技术应用于衰落信道中，主要目的是对抗多径衰落，而中继信道分析的则是AWGN信道的容量；其次，中继信道中的中继节点的唯一目的就是帮助源节点发送信息，而在协同通信中

5、，整个系统的资源是固定的，各用户既可充当中继节点帮助源节点发送信息，又可作为源节点发送自己的信息。因此，协同通信技术研究的侧重点有所不同。协同通信技术的基本思想是在多用户通信环境中，使用单副天线的各临近移动用户可按照一定方式共享彼此的天线协同发送，从而产生一种类似多天线发送的虚拟环境，获得空间分集增益，提高系统传输性能。这种传输方式融合了分集技术与中继传输的技术优势，形成了分布式的虚拟MIMO系统，克服了相干距离等的限制，在不增加天线数目的基础上，在传统通信网络中可获得与多天线及多跳传输情况下相近的传输增益。所谓虚拟MIMO指的是：在协同通信系统中，多个中继节点本身可自然形成虚拟的天线阵列，节

6、点间通过相互配合和信息互通，模拟传统MIMO技术的应用环境，从而实现联合空时编码的传输方案。与此同时，目的节点不仅接收来自源节点直接发送的信号，同时还接收来自中继节点转发的信号，并根据无线链路传输状况和信号质量，选取不同的合并方式进行处理，从而最大限度地利用有效信息，获得分集增益并有效地提高数据传输速率。   自Sendonaris等从1998年提出协同通信的概念以来，各国相关的研究方兴未艾。   (1)国际上，许多相关课题已经或正在展开。例如无线世界研究论坛(WWRF)已经成立了关于中继的分组委员会专门开展对此技术的研究，并发表了相关研究的白皮书。2004年1月1日，欧盟在第六个框架程序中启

7、动了WINNER项目，其目的是研究一个无处不在的无线系统，在性能、效率和覆盖灵活性上更加优于目前的系统，项目中也包含了基于中继的概念。很多知名国际期刊、会议也单独列出子方向对协同通信技术进行报道，如IEEE主办的CommunicationMagzine等杂志，ICC、WCNC、GlobleCom等会议。2006年，Springer也出版了由众多学者合作的关于协同通信技术的专著。   (2)世界已有