无线移动通信中的协作分集技术.pdf

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1、V I D E OE N GI N E E R I N GN o.22 0 0 6(S u mN o.2 8 4)文章编号:1 0 0 2-8 6 9 2(2 0 0 6)0 2-0 0 6 1-0 4无线移动通信中的协作分集技术刘冰(解放军信息工程大学,河南 郑州4 5 0 0 0 2)【摘要】介绍了一种可用于蜂窝网等多种无线网络的新型的协作分集技术,在多用户的环境中,它允许具有单天线的移动终端共享彼此的天线,形成虚拟的多发射天线,从而得到分集增益。从系统模型、系统性能、协作方式等方面介绍了这项技术,并分析了存在的问题。【关键词】多入多出;空间分集;协作分集【中图分类号】T N 9 2 9.

2、5【文献标识码】AC o o p e r a t i v eD i v e r s i t yi nWi r e l e s sMo b i l eC o mmu n i c a t i o nL I UB i n g(D L AI n f o r m a t i o nE n g i n e e r i n gU n i v e r s i t y,Z h e n g z h o u4 5 0 0 0 0 2,C h i n a)【A b s t r a c t】R e c e n t l y,an e wc l a s so fm e t h o d sc a l l e dc o o p

3、 e r a t i v ed i v e r s i t yh a sb e e np r o p o s e d,w h i c hc a nb eu s e di nc e l ln e t w o r k,a dh o cn e t w o r ka n de t c.I te n a b l e ss i n g l ea n t e n n am o b i l e si nam u l t i-u s e re n v i r o n m e n tt os h a r et h e i ra n t e n n a sa n dg e n e r a t eav i r t u

4、 a l m u l t i-a n t e n n at r a n s m i t t e rt h a t a l l o w st h e m t oa c h i e v et r a n s m i t d i v e r s i t y.I nt h i sp a p e rw ei n t r o d u c et h i sn e wt e c h n o l o g yi ns u c ha s p e c t sa ss y s t e m m o d e l,s y s t e m c a p a b i l i t ya n dt h em e t h o d so

5、fc o o p e r a t i o n.F i n a l l yw ep o i n to u ts o m ep r o b l e m ss t i l le x i s t i n gi nt h es y s t e m.【K e yw o r d s】M I M O;s p a t i a l d i v e r s i t y;c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y 综述 1引言下一代无线移动通信将和以提供语音业务为主的前两代移动通信系统有很大不同,它将更多地提供高速据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算法以提高信息

6、传输速率。但是众所周知,无线信道具有的多径衰落特性是影响无线通信传输速率与质量的重要瓶颈,那么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。分集是抵抗多径衰落的有效方式,有时间分集、频率分集、空间分集多种方式,其中空间分集从不同的位置(天线)发送信号,从而在接收端得到经历独立衰落的多个信号副本,可以有效地消除多径衰落的影响,并且由于不需要占用额外的时间和频带资源,并且可以和其他信号处理方式相结合,因此得到了广泛的关注。多入多出(M u l t i p l eI n p u t-M u l t i p l eO u t p u t,M I M O)技术在通信链路的发送端与接收端均使用多个天

7、线,它能够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,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 G P P的WC D M A标准协议。但应当指出,虽然发射分集技术可使系统性能得到多方面的提升,但是在在实际的蜂窝通信系统它还只能应用于基站端,提高了下行链路的通信质量。而对于上行链路或传感器网、自组网(A dh o c),移动终端由于受到体积、功耗、工艺等多方面的限制,使在其上安装多个天线有很大的困难,因此也极大地限制了M I M O技术的应用。为了解决这个问题,一种全新的空域分集技术-协作分集 1 应运而生,在一个多用户的环境中

8、,每个单天线的移动终端都有自己的合作伙伴,每个终端在发送自己信息的同时也帮助其他终端发送信息,也就是说他们可以共享彼此之间的天线从而形成虚拟的M I M O子信道,以此来模拟M I M O系统通信。众多研究表明,这种协作通信方式可以像M I M O系统一样增加系统的信息传输速率,改善系统性能,提高通信质量,更为重要的是这种技术将M I M O技术的实用化推进了一大步。2系统模型为简单起见,假设在一个蜂窝通信系统中每个移动终端(M T)只有一个合作伙伴,它们两个相互协作与基站(B S)进行通信(这种假设很容易扩展到自组网和传感器网等结构中)。每个移动终端除了独立发送自己信息给基站外,还将转发从其

9、合作伙伴那收到的信息给基站,这就相当于从一个移动终端发送的信号经历了两条独立衰落的路径分别到达基站,从而可以得到分集增益。设两个互相协作移动终端为E1,E2,要发送的信息为W1,W2,系统模型如图1所示。每个移动终端都接收到其合作伙伴发送的、包含衰落和噪声的信号,然后将这个信号和自己要发送的信号Wi d eb a n dn e t wo r k&t r a n s mi s s i o n6 12 0 0 6年第2期(总第2 8 4期)组合在一起发 送 到 基站,那么基站收到的信号是这两个移动终端发送信号的叠加,可以表示为Y0(t)=K1 0X1(t)+K2 0X2(t)+Z0(t)(1)Y1

10、(t)=K2 1X2(t)+Z1(t)(2)Y2(t)=K1 2X1(t)+Z2(t)(3)式中:下标0,1,2分别代表基站、移动终端1和移动终端2;Yi(t)(i=0,1,2)表示接收端在一个符号周期内收到的信号;Xi(t)(i=1,2)表示两个移动终端发送的信息;Zi(t)(i=0,1,2)表示均值为零的加性高斯白噪声;Ki j(i=0,1,2;j=0,1,2)表示各信道之间衰落系数,是零均值、方差为!2的复高斯随机变量,其包络服从瑞利分布,它在一个符号周期内保持不变,并且Ki j=Kj i。通过式(1)(3)可以看出,在这里事实上已经认为每个终端不会接收到自己发送的信号。另外设Pi为Xi

11、的平均信号功率,系统可以精确同步以及各信道之间的状态信息是可知的。有了上述数学模型,便可用可达速率区域来分析系统的性能。3性能分析将移动终端1要送的信息Wi分为W1 0和W1 2两个部分:W1 0表示直接发送到基站的信息;W1 2表示通过移动终端2发送给基站的信息。这样移动终端1通过增加一些协作信息来构造自己的发送信号X1=X1 0+X1 2+U1其功率可以相应划分为P1=P1 0+P1 1+PU 1式中:U1为信号中的协作信息部分。发送端分配功率P1 0给X1 0,使其以速率R1 0直接发送到基站;分配功率P1 2给X1 2,使其以速率R1 2发送到移动终端2;分配功率PU 1给U1,将协作

12、信息发向基站。W2,P2的构造也类似于W1,P1。由式(1)(3)描述的协作系统的可达速率区域,处在所有(R1,R2)形成的曲面之下 1,2,其中R1=R1 0+R1 2,R2=R2 0+R2 1并且满足R1 2 ECK21 2P1 2K21 2P1 0+!1!#$;R2 1 ECK22 1P2 1K22 1P2 0+!2!#$;R1 0 ECK21 0P1 0!0!#$;R2 0 ECK22 0P2 0!0!#$;R1 0+R2 0 ECK21 0P1 0+K22 0P2 0!0!#$;R1 0+R2 0+R1 2+R2 1 ECK21 0P1+K22 0P2+2 K1 0K2 0PU1PU

13、2%!0!#$以上式中:C(x)=12l g(1+x)是当信噪比为x时加性高斯白噪声信道的信道容量表达式,E表示对Ki j取期望。S e n d o n a r i s等人对采用协作和不协作的系统在不同信道状态下的可达速率区域作了比较,如图2,3所示 1。图2表示在两个移动终端的上行信道质量相似(K1 0和K2 0有相同的均值),并且两移动终端间的信道质量较好(E K1 2较大)时,系统的性能可通过协作得到显著提升;而当用户间的信道质量变差(E K1 2变小)时,系统性能越来越趋近于无协作的情况。图3表示在两个移动终端的上行链路质量不同(K1 0和K2 0有不同的均值)时,协作依然能显著提升系

14、统的性能,且本身通信质量较差的终端受益较大,并且相对通信质量较好的移动终端并没有受到不良的影响,可达速率区域仍然是有所增加的。此外,S e n d o n a r i s还从服务中断概率、蜂窝小区覆盖范围及系统容量等方面分析了协作分集对系统性能的提升。他指出,在各种条件下,协作分集即使不能提高信息图1信道模型K2 0X2E2Y2W2W1K1 0Y0Z0K1 2Z2Z1E1X1K2 1Y12.01.81.61.41.21.00.80.60.40.202.01.81.61.41.21.00.80.60.40.20R2/(b p s/H z)R1/(b p s/H z)信道状态参数:!i=1.0(i

15、=0,1,2);Pi=2.0 W(i=1,2);E K1 0=0.9 5;E K2 0=0.3;E K1 2=0.7 1图3协作与不协作系统性能比较(二)不协作协作理想状态2.01.81.61.41.21.00.80.60.40.202.01.81.61.41.21.00.80.60.40.20协作四(E K1 2=0.9 5)协作三(E K1 2=0.7 1)协作二(E K1 2=0.6 3)协作一(E K1 2=0.5 5)理想状态无协作R2/(b p s/H z)R1/(b p s/H z)信道状态参数:!i=1.0(i=0,1,2);Pi=2.0 W(i=1,2);E K1 0=E K

16、2 0=0.6 3图2协作与不协作系统性能比较(一)宽带网络与传输6 2V I D E OE N GI N E E R I N GN o.22 0 0 6(S u mN o.2 8 4)传输速率,至少也可以增加系统的鲁棒性(r o b u s t n e s s),并且由于可得到分集增益,接收端对接收信号平均能量的要求就会有所降低,从而可增大系统覆盖范围。4协作分集的协议经过数学建模和性能分析之后,最关键的问题就是采用什么样的协作策略构建发送信号,使基站能够做到最优接收,从而提高上行链路的通信速率和质量。目前的研究方向主要集中在放大中继(A m p l i f ya n dF o r w a

17、r d,A F)、检测中继(D e c o d ea n dF o r w a r d,D F)和编码协作(C o d e dC o o p e r a t i o n,C C)3种模式上。1)放大中继在这种模式下,中继终端只是简单地放大转发收到的信号。当然在放大转发的过程中,接收到信号的噪声部分也被放大并转发出去,但是对于基站而言,它收到的还是两个经过独立衰落的信号,它仍然可以用一定的准则合并接收信号,从而做出较好的判决。在这种模式下,基站要知道信道状态信息以做出最优判决,因此实现起来还要有对信道状态信息进行检测估计的机制。另外,如何采样、放大并且重传模拟信号也不能忽略。L a n e n

18、m a n等人分析了两个移动终端进行协作的性能,结果表明系统可以获得二阶分集增益 3。2)检测中继在这种模式下,移动终端总是试图对接收到的其合作伙伴的信号先进行解码,然后再进行编码转发给基站。这种中继模式的优点是比较简单,且对各种信道都有较好的适应性。但问题是当用户间的信道条件比较差时,作为中继的移动终端有可能无法正确解码,从而危害到基站的最终解码。另外,在这种模式下,基站为了能实现最优化解码需知道两个移动终端间信道差错特性。为了避免上述错误传播,L a n e m a n等人提出了一种选择检测中继模式,当移动终端间的瞬时信噪比比较高时,中继节点检测并转发其合作伙伴的信息,反之,不进行协作。文

19、献 4 5 表明在信噪比较高时,两个移动终端的系统采用检测中继模式不仅可和放大中继一样获得二阶的分集增益,而且可获得更低的误码率。3)编码中继这是将协作技术和信道编码技术结合起来的一种技术。它通过两条不同的衰落路径发送每个用户码字的不同部分。首先对接收到的协作伙伴的信息进行正确解码,再按照原编码方式重复发送。这时系统性能的改善是通过在不同空间重复发送冗余获得的。各移动终端通过重新编码发送了不同的冗余信息,把分集和编码结合起来,从而达到提升系统性能的目的。这种模式下,系统的运行完全由事先的编码确定好,它不需要协作终端间的信息反馈,并且中继终端不能正确解码时可自动切换到非协作模式,从而保证了系统的

20、效率。协作编码的具体方法如图4所示。首先把移动终端要发送的信息比特化成块进行编码,然后加上循环冗余校验(C R C)码。在协作通信时将要送的信息编成码书后分成两段,分别含有N1和N2比特,那么原始的码书就是N1+N2比特,其中N1比特是想要的信息比特,N2比特是穿孔信息比特(当然穿孔并不是唯一的方法)。发送需要两个时隙来分别发送N1和N2两部分比特信息,发送这些比特信息的时隙称为帧(f r a m e)。在第一帧中,每个移动终端发送各自码书的第一段,即N1比特的信息,同时每个移动终端都试图解码对方的这部分信息。如果正确解码(通过C R C来检验),就在第二帧中发送其协作伙伴码书的第二段,即N2

21、比特的信息;发送自己码书的第二段,也是N2比特的信息。这样每个移动终端在两个发送时隙总是传送N=N1+N2比特的信息块。最后基站解码收到信息块。S t e f a n o v在文献 6 中证明,在慢衰落的条件下,保证用户的传输速率和发射功率不变,即使移动终端间的信道质量非常差,编码协作依然能够显著提高这两个移动终端的误码率性能,并且如果协作双方都能够正确解码的话,系统可以获得完全分集增益。但是在快衰落的条件下,编码协作会牺牲上行信道质量相对较好的终端的性能。为了解决这个问题,J a n a i在文献 7 中提出了空时编码协作的思想,将空时编码应用到编码协作中去,它与一般的编码协作最大的不同是在

22、一般的编码协作中,移动终端只在自己的多址信道发送协作信息,空时编码协作中每个移动终端会同时在自己和其协作伙伴的多址信道上发送信息。研究表明,空时编码协作在快衰落信道的环境下也可以获得完全分集增益,并且不会牺牲上行信道质量相对较好的移动终端的性能。在上述三种协作模式中,编码协作是目前的研究热点领域,因为它不但有出色的性能以及较强的信道适应能力,而且不需要知道协作终端之间的信道状态信息,并且可以利用现有有关空时编码的大量研究成果。图4编码协作的系统框图用户2用户1第1帧第2帧N1用户2的比特N2用户1的比特基站N2用户2的比特N1用户1的比特第1帧第2帧Wi d eb a n dn e t wo

23、r k&t r a n s mi s s i o n6 32 0 0 6年第2期(总第2 8 4期)5面临的问题就移动终端的硬件实现方面,在传统的蜂窝通信系统中,普通的移动终端只需要在下行链路的频带中接收信号,但是对于协作分集中的移动终端它还需要能在上行链路的频带中接收信号,这就要求给移动终端增加新的输入滤波器以及频率变换装置。但是在A dh o c无线网络中,移动终端都是在同一频率上收发信息,那么这个问题自然容易解决。另外一个技术问题是如何在移动终端区分接收和发送信号的问题。在T D M A网络中,系统的上行链路被分成一个个不重叠的时隙,那么上述问题自然可以解决,但是在另外的多址接入网络中,

24、比如C D M A网络,移动终端可能要同时接收和发送信息,而实际的情况是在这种情况下,发送信号的能量可能会比接收信号的能量高上1 0 0 d B,因此要想把它们分离开来的确会是一个问题。第三,基站要进行正确解码必须知道一些协作终端的信息。在简单的检测中继模式中,基站需要知道协作终端间的信道差错概率;在放大中继模式中,基站要估计协作终端间信道的状态信息;对编码协作模式及选择检测中继模式来说,虽然基站不需要知道有关信道的信息,但它要知道移动终端之间是否进行了协作,跟谁协作,或具体一点基站需要知道第二帧的信息到底是谁的。第四,同步问题。大多数的文献都是假设系统能够实现精确同步的,但是在实际的系统中,

25、尤其是多个终端进行协作的系统中,要实现精确同步是一个很难的问题,而且即使实现了同步,那么要付出多大的代价也是在设计分集方案时要考虑的一个问题。6今后的研究方向虽然在协作分集方面的研究已取得很多突破,但仍有很多问题需要进一步研究。首先,一个重要问题是,在一个多用户的环境中怎样划分各个终端的协作伙伴,并且既然是移动终端,当它们的相对位置改变时又该如何,或者说应该隔多久的时间重新划分一次合作伙伴。第二,在蜂窝通信系统中,由于基站的存在,它有可能对该小区内的移动终端进行统一管理,比如基站可将各个移动终端间的信道状态信息告诉移动终端,从而使他们更好地协作。但是对于自组网或传感器网,它们没有一个中心节点进

26、行管理,就需要一个分布式协作协议,使移动终端自己能够决定怎样协作,跟谁协作。另外,这里还存在一个多用户协作的问题,这个问题的关键在于采用一种什么样的策略尽可能公平地对待所有移动终端,并尽量减少系统开销,以及如何更灵活地去适应网络的多址接入协议。第三,功率分配问题。现在的研究都是认为各个移动终端有着相等的发射功率,但是可以使移动终端根据上行信道或者协作伙伴的信道状态自适应地调整发送功率,从而更好地提升性能。更进一步,如何在以C D M A为基础的协作网络中进行能量控制,以控制远近效应使干扰最小化也是一个十分重要的问题。第四,频率选择性衰落信道下的应用问题。目前进行的研究工作大多都是假设信道是平衰

27、落的,但是在实际的移动通信系统中,信道往往是频率选择性衰落的,那么如何在这种信道环境下利用现有的研究成果也是一个亟待解决的问题。最后需要说明的是,在本文中以两用户之间的协作以及只需要一次协作的条件下介绍了协作分集的思想,但实际的环境中可能需要多个用户相互协作并且需要协作多次来完成通信,这些问题也是未来的研究方向。7结束语协作分集是一种全新的空间分集技术,它可以解决难以在移动终端安装多根天线的问题,推进了M I M O技术的实用化。目前国内外在这方面的研究刚刚起步,还存在很多问题,但无论如何它都具有广阔的前景,而且这种技术可用于无线自组织网、无线局域网及无线传感器网等多种场合,今后还有可能将这些

28、网络结合起来,形成一种全新的智能网络,引起移动通信领域的重大变革。参考文献 1 S E N D O N A R I SA,E R K I PE,A A Z H A N G B.U s e rc o o p e r a t i o nd i-v e r s i t y-p a r t1:s y s t e m d e s c r i p t i o n J .I E E E T r a n s.o nC o m m.,2 0 0 3,5 1(1 1):1 9 2 7-1 9 3 8.2 G A L L A G E R R.A ni n e q u a l i t yo nt h ec a p a

29、 c i t yr e g i o no fm u l t i-a c-c e s sf a d i n gc h a n n e l si nC o m m u n i c a t i o n sa n dC r y p t o g r a p h-T w oS i d e so fO n eT a p e s t r y M .N o r w e l lM A:K l u w e rA c a d e m i cP u b l i s h e r,1 9 9 4:1 2 9-1 3 9.3 L A N E M A NJN,T S EDNC,WO R N E L LGW.C o o p e

30、r a t i v ed i v e r-s i t yi nw i r e l e s sn e t w o r k s:e f f i c i e n tp r o t o c o l sa n do u t a g eb e h a v i o r J .I E E ET r a n s.o nI n f o r m a t i o n,2 0 0 4,5 0(1 2):3 0 2 6-3 0 8 0.4 N A B A R R U,B O L C S K E IH,K N E U B U H L E R FW.F a d i n gr e l a yc h a n n e l s:p

31、e r f o r m a n c el i m i t sa n ds p a c e-t i m es i g n a ld e s i g n J .I E E EJ S A C,2 0 0 4,2 2(6):1 0 9 9-1 1 0 9.5 N O S R A T I N I A A,H U N T E R TE,H E D A Y A TA.C o o p e r a t i v ec o m-m u n i c a t i o ni nw i r e l e s sn e t w o r k s J .I E E EC o m m.M a g a z i n e,2 0 0 4,

32、4 2(1 0):7 4-8 0.6 S T E F A N O VA,E R K I PE.C o o p e r a t i v es p a c e-t i m ec o d i n gf o rw i r e-l e s sn e t w o r k s R .P a r i s:I E E EI n f o r m a t i o nT h e o r yWo r k s h o p,2 0 0 3.7 J A N A N IM,H E D A Y A TA.C o d e dc o o p e r a t i o ni nw i r e l e s sc o m m u-n i c a t i o n s:s p a c e-t i m et r a n s m i s s i o na n di t e r a t i v ed e c o d i n g J .I E E ET r a n s.o nS i g n a l P r o c e s s i n g,2 0 0 4,5 2(2):3 6 2-3 7 1.!责任编辑:哈宏疆收稿日期:2 0 0 5-1 0-3 1宽带网络与传输6 4