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浅谈协作通信

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摘要：为了提高移动通信系统的性能，通常需要在发射端进行分集。而移动通

信中的发射分集一般需要在发射端使用多根天线，但许多无线设备因受尺寸或硬件复杂度的限制，一般只有单根天线。为此，专家提出了一种新的解决方法———协作通信。该方法使用带有一根天线的移动台，在多用户环境中可以共享其他移动用户的天线，这样可产生多根虚拟发射天线，进而得到相应的分集增益，改善移动通信系统的性能。

关键词：协作通信，移动通信，发射分集 1协作通信技术的提出及其研究缘由

协作通信技术的起源可以追溯到Cover和El Gamal在1979年关于中继信道的研究工作——可以通过随机编码方案得到通信信道容量的下界。

他们研究了离散无记忆、加性白高斯噪声(AWGN)中继信道模型的信道容量，中继节其中的所有节点工作在相同的频段上，从而将系统划分成一个广播信道和一个多点 B X间信道的容量。 址信道。研究表明信道的容量大于源节点与目的节点1 他们首次提到了协作通信的模型。之后的协作通信的研究基本都以此为基础。

源节A 协作通信源于中继信道，但有所不同。

点

区别如下表1.1所示：

X Y1 Y C 具体目的节点

广多

表1.1 中继信道技术和协作通信技术的区别播 址

基本中继信

道 中继信道技术 协作通信技术 分析AWGN信道的容量 应用于衰落信道中，主要目的是为了对抗多径衰落 中继节点的唯一目的就是帮助源节点发送信息 整个系统的资源固定，各个用户即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

协作通信技术得以发展主要有以下几方面的因素：基于多天线(MIMO)系统空

时信号处理的空间分集技术得到了广泛的研究；移动通信系统实现大带宽传输：设计一个大带宽系统（新系统），通过不同系统间的协作来构造具有更大传输带宽的系统（现网演进），有多余的网络资源；随着未来无线宽带通信系统可用频段的增高，视距传播环境会大大增加天线间的相关性。很多移动设备受到设备硬件的限制，只能配备一个天线，增加了不便。

2、协作通信的基本思想

原理：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。

协作通信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（多个中继节点本身可自然形成虚拟的天线阵列，节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）；克服了相干距离等的限制；在不增加天线数目的基础上，可在传统通信网络中获得与多天线以及多跳传输情况下相近的传输增益。

以蜂窝移动通信为例，移动无线信道收到衰落影响，一个用户的信号可以直接到达接收端，另一路则可通过另一移动用户作为中继，再到达接收端，在接收机站形成分集接收信号。

与蜂窝网络相比，协作通信更适用于Ad Hoc无线网络与无线传感器网络。协作会将码率与传输功率进行折中。功率需求：协作分集通信似乎会要求每一个用户使用更高的功率，然而由协作方式产生的分集增益则可降低用户的传输功率并保持同样的性能；传输码率：每个用户将传输自身的比特和中继的比特，似乎会要求更高的带宽，但每个用户的频率会提高，因此协同分集信道编码的码率可以增加。

协作分集借助于协作伙伴的天线，与其自身天线共同构造成发射天线，并通过模仿传统的多发射天线分集来获得空间分集增益。优点是如果在某个时段用户没有信息要传送，那么在没有协作时，其资源只能闲臵，而协作时分集则可以实现用户资源的充分利用；缺点：在用户资源没有闲臵时，用户既要传送自己的信息，又要传送其协同伙伴的信息，会牺牲一部分自己的资源；另一方面，用户也通过协同分集利用了其协同伙伴的空域资源。

所以我们只要合理地设计协作方案，完全可以做到协作分集带来的增益大 于所付出的代价。协作分集可以有效地利用整个网络资源，使网络 性能更稳定。

3、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。

R S D

图1有空闲节点时的协作通信系统模型

S D S

图2无空闲节点时的协作通信系统模型

4、协作通信的分类以及相关介绍

根据协作对象的不同可以分为异构网络间的协作通信和同构网络间的协作通信；根据中继节点对源节点信息处理方式的不同可分为放大转发（AF）、解码转发（DF）、编码协作（CC）、空时编码协作（STCC）和网络编码协作（NCC）等

多种方式。

异构网络间的协作通信是为了同时满足不同用户的多种应用需求，未来的通信网络必须要具有将各种网络统一到一个信息平台上的能力；同构网络内的协作通信是所有节点都在同一种网络内工作，分为固定中继和用户终端间的协作两种方式。

根据现有的研究，通常又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-Relaying)和编码协作(Coded Cooperation)。其中固定中继协作模式包括放大转发(Amplify-and-Forward, AF)和解码转发(Decode-and-Forward, DF)两种。 4.1固定中继协作模式

简单来讲就是在源节点和目的节点之间预先放臵一个位臵固定的中继节点。中继节点与源、目的节点之间均采用无线连接，但它自己并无信息发送，而只对接收到的信息进行转发。

在AF(AF－Amplify and Forward)方式中，AF也被称作非再生中继方式，其本质上是一种模拟信号的处理方式。

AF基本思想：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。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。 简单来说就是AF方式中继节点不对接收的信号进行解调和解码，而是直接将收到的信号进行模拟处理后转发给目的端，这是采用最早的一种协作模式。 该方案的优点在于：AF方式最简单，而且由于目的节点可接收到两路独立的衰落信号，AF可获得满分集增益，性能良好；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。但是其缺点在于：由于中继节点在放大信号的同时，用户间信道即源-中继信道的噪声也被放大转发，因此AF方式存在着噪声传播效应，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，但是基站接收到两个独立的衰落信号，最后能作出较好的判决。 为了避免由放大的噪声导致错误传播，研究者提出了DF(DF－Decode and Forward)方式，DF为再生中继方式，DF方式在本质上是一种数字信号处理方式。