协作通信中继选择方案设计与分析.doc

协作通信中继选择方案设计与分析.doc南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第一章绪论
第一章绪论
协作通信研究背景及意义
近几十年来,随着市场的不断扩大,需求的不断提高,无线通信得到了迅猛的发展,无
线用户在世界范围内已经超过互联网用户,达到 40 多亿[1]。随着移动电话用户的大量增加,
现有的无线通信系统容量已经趋于饱和。但这并没有阻止无线业务的发展,各种新的业务还
在不断推出,这无疑加剧着无线网络资源的紧张化。这也就同时促使研究者们不断发掘新的
技术来满足人们日益增长的通信需求,协作通信技术由此应运而生,而协作通信中的中继问
题也一直是研究热点之一。
早期在辅助中继、协作中继以及空时中继方面的研究是相互关联的。
(1)辅助中继
1968 年,van der Meulen 首先介绍了这种中继方法,随后 Sato 也对此进行了研究。Cover
和 Gamal 在前人的研究基础之上,给出了有关中继信道严格意义上的理论分析。在上述这些
学者的著作中,源节点可以与目的节点进行直接通信,也可以与中继节点进行通信。然而这
些早期的研究分析仅在高斯信道中进行,并没有考虑无线信道衰落,或是中继节点的位置、
中继节点的数量以及中继节点的选择问题。
20 世纪 90 年代,Concept Grou PEpsilon 提出了机会驱动多址接入(ODMA)的概念,研究
了缩短中继距离来产生功率增益的方案。该研究的重点主要为中继站在蜂窝网络中的适用问
题。
(2)协作中继
对于协作中继影响重大的一项研究可以追溯到 1998 年 Sendonaris、Erkip 和 Aazhang 的
研究。在此研究中,作者给出了简单而实用的协作协议,提升了信道容量,同时降低了系统
中断概率。随后 Laneman 和 Wornwell 在上述研究的基础上提出了译码转发协议和放大转发协
议,与直传链路相比,使用中继协议的系统有更优的分集增益和中断概率增益。
此外,Grossglauser 等人指出,中继的移动性可以抑制确定区域内用户数量增加造成的吞
吐量的降低。研究表明,中继的移动缩短了单跳间通信距离,从而降低了发射功率。
(3)空时中继
Laneman 于 2002 年详细分析了分布式空时编码,分别考虑了不同形式的协作方案,并且
证明了节点间协作可以带来全分集增益,从而节省发射功率。随后,Stefanov 等人提出了几
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种特定的分布式空时编码,证明了节点间协作可以降低系统误帧率。
结合上述学者的研究分析,协作通信的优点大致可以总结为提高或改善系统性能的增益,
包括分集增益、编码增益、路径损耗增益等。这些增益最终可以转化为提高系统容量、扩大
传输的覆盖范围以及降低传输功率。当然,协作通信也存在调度复杂、开销较大、严格同步
等问题[2-4]。表 总结了上述三种系统的主要优点和缺点。
表 三种系统的优缺点
主要优点主要缺点
路径损耗增益干扰较多辅助中继
服务质量均衡调度复杂
分集增益需要选择中继节点协作中继
服务质量均衡调度复杂
分集增益开销较大
复用增益要求同步空时中继
空时编码需要信道估计
服务质量均衡调度复杂
协作通信研究现状
近年来,在协作通信技术的理论研究基础上,涌现出大量针对协作通信技术更深层次的
研究,包括多个节点间的协作通信传输方式和协作通信与其它技术的结合等。这些技术主要
有以下几种:
(1)空时处理
采用多天线或多中继节点来实现分布式空时中继时,可以选择使用大量的空时处理技术。
常见的有空时 Turbo 码、分布式空时分组码(STBC)、空时网格码(STTC)、分层空时码(LSTC)
以及波束赋形(需要反馈信道)。空时分组码有分集增益但是没有编码增益;空时网格码具
有复用和分集增益;分层空时码只用复用增益。这些码字都需要强散射的信道环境以充分利
用 MIMO 技术。相反,波束赋形更适用于稀疏散射的信道环境。
(2)信道编码
信道编码也深刻影响着系统的通信质量。信道编码的本质是以增加编译码复杂度和功率
来换取编码增益,而编码增益可以降低发射功率。如果信道不采用信道编码,虽然降低了其
复杂度,但是与此同时也降低了系统性能。信道编码可以有多种选择,分别有分组码、网格
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码和级联码等。其中分组码可以纠正一定数量的错误。
(3)双工方法
(a)频分双工
如果两个设备接收和发送信息使用的是不同的频段,两端设备可以同时工作,那么这就
是真正意义上的全双工系统。然而在实际系统中,接收端常常在一个频段上译码处理接收到
的信息,之