1、多用戶協(xié)同通信與感知技術(shù)(1)2009-02-11協(xié)同通信技術(shù)和感知無(wú)線電技術(shù)是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)，已受到廣泛關(guān)注。協(xié)同通信技術(shù)可提高系統(tǒng)的傳輸能力，感知無(wú)線電技術(shù)可提高頻譜的使用效率，兩者的結(jié)合將會(huì)對(duì)未來(lái)的無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)帶來(lái)重大影響。本講座將分3 期：第1 期介紹協(xié)同通信技術(shù)提出的背景、協(xié)作方式及關(guān)鍵技術(shù)；第2 期將介紹感知無(wú)線電技術(shù)的基本概念、關(guān)鍵技術(shù)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；第3 期將探討兩種技術(shù)的有效結(jié)合方式及它們對(duì)現(xiàn)代無(wú)線通信產(chǎn)生的重大影響。1 協(xié)同通信技術(shù)協(xié)同通信技術(shù)是在多用戶通信環(huán)境中，使用單副天線的各臨近移動(dòng)用戶可按照一定方式共享彼此的天線協(xié)同發(fā)送，從而產(chǎn)生一種類似多天線發(fā)送的虛擬環(huán)境，獲得

2、空間分集增益，提高系統(tǒng)的傳輸性能。作為一種分布式虛擬多天線傳輸技術(shù)，協(xié)同通信技術(shù)融合了分集技術(shù)與中繼傳輸技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，在不增加天線數(shù)量的基礎(chǔ)上，可在傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)并獲得多天線與多跳傳輸?shù)男阅茉鲆妗Ｋ蓱?yīng)用于蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)、無(wú)線Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線局域網(wǎng)以及無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)等多種場(chǎng)合，具有研究?jī)r(jià)值與意義。可以說(shuō)，協(xié)同通信技術(shù)將是繼多載波調(diào)制技術(shù)、多天線技術(shù)之后，可能會(huì)對(duì)未來(lái)無(wú)線通信的發(fā)展產(chǎn)生重大影響的一個(gè)研究熱點(diǎn)。而且，協(xié)同通信技術(shù)非常靈活，可與現(xiàn)有多種技術(shù)相結(jié)合，突出各自優(yōu)點(diǎn)。例如，與正交頻分復(fù)用 (OFDM)技術(shù)相結(jié)合，可以充分利用其抗頻率選擇性衰落的優(yōu)點(diǎn)；與編碼或者空時(shí)編碼相結(jié)合，可

3、以得到編碼增益；與感知無(wú)線電技術(shù)相結(jié)合，能夠提高頻譜檢測(cè)概率或者獲得更多的頻譜接入機(jī)會(huì)。本講主要討論協(xié)同通信技術(shù)的發(fā)展歷史與研究現(xiàn)狀、協(xié)作方式及其關(guān)鍵技術(shù)。1.1發(fā)展歷史與研究現(xiàn)狀協(xié)同通信技術(shù)的起源可以追溯到Cover 和 ElGamal在 1979 年關(guān)于中繼信道的研究工作。中繼信道模型是一個(gè)包括源節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)的三點(diǎn)模型，如圖1 所示。這種模型可分解成為廣播信道( 源節(jié)點(diǎn) A 發(fā)送信號(hào)，中繼節(jié)點(diǎn)B 與目的節(jié)點(diǎn) C 接收信號(hào) ) 和多址信道 ( 源節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號(hào)，中繼節(jié)點(diǎn)B 將收到的信號(hào)處理后再進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，目的節(jié)點(diǎn)C 則接收來(lái)自 A和 B的所有信號(hào) )。研究表明，離散無(wú)記憶、加性白高斯

4、噪聲(AWGN)中繼信道的容量大于源節(jié)點(diǎn)與A目的節(jié)點(diǎn)間信道的容量。而且，通過(guò) 3 種不同的隨機(jī)編碼方案可得到該信道容量的下界。這 3 種隨機(jī)編碼方法是：簡(jiǎn)易方法，中繼節(jié)點(diǎn)并不主動(dòng)去幫助源節(jié)點(diǎn)，而是通過(guò)盡量減少干擾來(lái)幫助它；協(xié)同方法，中繼節(jié)點(diǎn)先完全譯出源節(jié)點(diǎn)發(fā)出的信息，然后重新發(fā)送；觀察方法，中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)收到的源節(jié)點(diǎn)信息的量化形式進(jìn)行編碼后發(fā)送。這些隨機(jī)編碼方法成為協(xié)同通信系統(tǒng)中各種中繼節(jié)點(diǎn)信息處理方式產(chǎn)生的源泉。協(xié)同通信技術(shù)源于中繼信道，但在很多方面又區(qū)別于中繼信道。首先，協(xié)同通信技術(shù)應(yīng)用于衰落信道中，主要目的是對(duì)抗多徑衰落，而中繼信道分析的則是 AWGN信道的容量；其次，中繼信道中的中繼節(jié)點(diǎn)的

5、唯一目的就是幫助源節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，而在協(xié)同通信中，整個(gè)系統(tǒng)的資源是固定的，各用戶既可充當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)幫助源節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，又可作為源節(jié)點(diǎn)發(fā)送自己的信息。因此，協(xié)同通信技術(shù)研究的側(cè)重點(diǎn)有所不同。協(xié)同通信技術(shù)的基本思想是在多用戶通信環(huán)境中，使用單副天線的各臨近移動(dòng)用戶可按照一定方式共享彼此的天線協(xié)同發(fā)送，從而產(chǎn)生一種類似多天線發(fā)送的虛擬環(huán)境，獲得空間分集增益，提高系統(tǒng)傳輸性能。這種傳輸方式融合了分集技術(shù)與中繼傳輸?shù)募夹g(shù)優(yōu)勢(shì)，形成了分布式的虛擬 MIMO系統(tǒng)，克服了相干距離等的限制，在不增加天線數(shù)目的基礎(chǔ)上，在傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)中可獲得與多天線及多跳傳輸情況下相近的傳輸增益。所謂虛擬 MIMO指的是：在協(xié)同通信系

6、統(tǒng)中，多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)本身可自然形成虛擬的天線陣列，節(jié)點(diǎn)間通過(guò)相互配合和信息互通，模擬傳統(tǒng) MIMO技術(shù)的應(yīng)用環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)聯(lián)合空時(shí)編碼的傳輸方案。與此同時(shí)，目的節(jié)點(diǎn)不僅接收來(lái)自源節(jié)點(diǎn)直接發(fā)送的信號(hào)，同時(shí)還接收來(lái)自中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的信號(hào)，并根據(jù)無(wú)線鏈路傳輸狀況和信號(hào)質(zhì)量，選取不同的合并方式進(jìn)行處理，從而最大限度地利用有效信息，獲得分集增益并有效地提高數(shù)據(jù)傳輸速率。自 Sendonaris 等從 1998 年提出協(xié)同通信的概念以來(lái)，各國(guó)相關(guān)的研究方興未艾。(1) 國(guó)際上，許多相關(guān)課題已經(jīng)或正在展開。例如無(wú)線世界研究論壇(WWRF)已經(jīng)成立了關(guān)于中繼的分組委員會(huì)專門開展對(duì)此技術(shù)的研究，并發(fā)表了相關(guān)研究的白

7、皮書。 2004 年 1 月 1 日，歐盟在第六個(gè)框架程序中啟動(dòng)了 WINNER 工程，其目的是研究一個(gè)無(wú)處不在的無(wú)線系統(tǒng)，在性能、效率和覆蓋靈活性上更加優(yōu)于目前的系統(tǒng)，工程中也包含了基于中繼的概念。很多知名國(guó)際期刊、會(huì)議也單獨(dú)列出子方向?qū)f(xié)同通信技術(shù)進(jìn)行報(bào)道，如 IEEE 主辦的Communication Magzine 等雜志， ICC、WCNC、GlobleCom 等會(huì)議。 2006 年， Springer 也出版了由眾多學(xué)者合作的關(guān)于協(xié)同通信技術(shù)的專著。(2) 世界已有多所大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室開展了這方面的研究，例如瑞士皇家科學(xué)院通信技術(shù)實(shí)驗(yàn)室無(wú)線通信課題組的研究工程“ Cooperative

8、 MIMO Wireless Network ”、歐洲通信委員會(huì)組織的工程“ IST-ROMANTIK”等。當(dāng)然，還有更多大學(xué)的教授學(xué)者在協(xié)同通信技術(shù)方面做出了卓越貢獻(xiàn)，如麻省理工大學(xué)的J NLaneman博士、美國(guó) Polytechnic University的 E Erkip 副教授、英國(guó)倫敦大學(xué) King 學(xué)院的 M Dohler 副教授、美國(guó)德州大學(xué)多媒體通信實(shí)驗(yàn)室的T EHunter 博士和明尼蘇達(dá)州大學(xué)的M O Hasna博士等。(3) 近年來(lái)，協(xié)同通信技術(shù)在中國(guó)也引起了廣泛關(guān)注，國(guó)家自然科學(xué)基金委、教育部等均設(shè)立多個(gè)資助工程，眾多高校也已展開研究，如北京郵電大學(xué)、浙江大學(xué)、西安電

9、子科技大學(xué)等。1.2協(xié)作方式根據(jù)協(xié)作對(duì)象的不同，協(xié)同通信技術(shù)可分為異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間的協(xié)同通信和同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的協(xié)同通信兩大類。由于歷史的原因，在現(xiàn)階段出現(xiàn)了多種不同接入網(wǎng)絡(luò)并存的局面：WLAN、WiMAX、蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)以及衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)等等。盡管這些網(wǎng)絡(luò)各具優(yōu)勢(shì)，能夠在數(shù)據(jù)傳輸速率、覆蓋范圍或支持終端的移動(dòng)性等某一方面或者多方面滿足用戶的需求，但目前還沒(méi)有一種網(wǎng)絡(luò)能夠同時(shí)達(dá)到所有這些方面的需求。為了同時(shí)滿足不同用戶的多種應(yīng)用需求，未來(lái)的通信網(wǎng)絡(luò)必須要具有將各種網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一到一個(gè)信息平臺(tái)上的能力。對(duì)于未來(lái)的通信網(wǎng)絡(luò)，國(guó)際電信聯(lián)盟、3GPP和3GPP2等組織從電信網(wǎng)絡(luò)的角度，因特網(wǎng)工程任務(wù)組等組織從IP 分組網(wǎng)絡(luò)

10、的角度已分別進(jìn)行了相關(guān)描述。盡管這些組織的描述各有不同，但以IP 技術(shù)為基礎(chǔ)，通過(guò)在各種不同接入網(wǎng)絡(luò)間引入?yún)f(xié)同通信來(lái)為用戶提供各種電路交換和分組交換業(yè)務(wù)則是他們的共性。因此，在各種不同接入網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)同通信是發(fā)展的必然趨勢(shì)，這就是異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間的協(xié)同通信。顯然，它的研究重點(diǎn)是異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間的移動(dòng)性管理，主要包括網(wǎng)間的垂直切換與漫游等。同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的協(xié)同通信技術(shù)指的是所有節(jié)點(diǎn)都在同一種網(wǎng)絡(luò)內(nèi)工作，可分為固定中繼和用戶終端間的協(xié)作兩種方式。固定中繼協(xié)作方式非常類似于圖1 的中繼信道，在源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間預(yù)先放置一個(gè)位置固定的中繼節(jié)點(diǎn)。中繼節(jié)點(diǎn)與源、目的節(jié)點(diǎn)之間均采用無(wú)線連接，但它自己并無(wú)信息發(fā)送，而只對(duì)接

11、收到的信息進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。與固定中繼方式不同，用戶終端間的協(xié)作方式要靈活一些，源節(jié)點(diǎn)同時(shí)也可作為中繼節(jié)點(diǎn)，它們不僅可轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作伙伴的信息，同時(shí)也可發(fā)送自己的信息。因此，這些終端需要同時(shí)具有信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)和簡(jiǎn)單路由的功能。根據(jù)中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)源節(jié)點(diǎn)信息處理方式的不同，這種方式又可分為放大轉(zhuǎn)發(fā) (AF) 、解碼轉(zhuǎn)發(fā) (DF) 、編碼協(xié)作 (CC)、空時(shí)編碼協(xié)作 (STCC)和網(wǎng)絡(luò)編碼協(xié)作(NCC)等多種方式。下面將重點(diǎn)闡述上述幾種方式的基本原理，并進(jìn)行簡(jiǎn)單比較。為了便于描述，本文中僅討論如圖 1 所示的單中繼節(jié)點(diǎn)情形，多中繼情形可依此類推。放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作方式 AF 方式最早由 Laneman等提出，其信號(hào)處理流程如圖

12、2 所示。根據(jù)圖 2，AF 方式的信號(hào)處理可簡(jiǎn)化為3 個(gè)階段。第 1 階段，源節(jié)點(diǎn)首先廣播發(fā)送信號(hào)，目的節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行接收；第2 階段，中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)接收到的源節(jié)點(diǎn)信號(hào)直接進(jìn)行功率放大后轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點(diǎn)；第3 階段，目的節(jié)點(diǎn)對(duì)接收到的兩路信息進(jìn)行合并解碼，恢復(fù)出原始信息。因此，AF也被稱作非再生中繼方式，其本質(zhì)上是一種模擬信號(hào)的處理方式。相對(duì)于其他幾種方式，AF方式最簡(jiǎn)單，而且由于目的節(jié)點(diǎn)可接收到兩路獨(dú)立的衰落信號(hào)，AF可獲得滿分集增益，性能良好。但由于中繼節(jié)點(diǎn)在放大信號(hào)的同時(shí)也放大了源- 中繼信道引入的噪聲，因此 AF 方式存在著噪聲傳播效應(yīng)。1.2.2 譯碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作方式DF 方式最早由

13、Sendonaris 等人給出。類似 AF方式， DF方式的信號(hào)處理亦可簡(jiǎn)化為 3 個(gè)階段，其信號(hào)處理流程如圖 3 所示。除第 2 階段外，第 1、3 階段的處理和 AF 方式完全相同。在第2 階段，中繼節(jié)點(diǎn) B 對(duì)接收到的源節(jié)點(diǎn)信號(hào)先進(jìn)行譯碼并估值，然后再將所得的估值信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點(diǎn)。基于此，也稱 DF為再生中繼方式。可見(jiàn)， DF方式在本質(zhì)上是一種數(shù)字信號(hào)處理方式。雖然 DF方式不會(huì)帶來(lái)噪聲傳播問(wèn)題，但受源 - 中繼端信道傳輸性能影響較大，如果編碼方式不采用 CRC的話，也得不到滿分集階數(shù)。而且這種中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)源節(jié)點(diǎn)信息解調(diào)解碼錯(cuò)誤帶來(lái)的誤差會(huì)隨著跳數(shù)的增加而不斷累積，從而影響到分集效果和中

14、繼性能。這表明源 - 中繼節(jié)點(diǎn)信道傳輸特性的好壞對(duì) DF方式協(xié)同通信系統(tǒng)的性能有重要影響。常稱上述討論的 AF 與 DF方式為固定協(xié)作模式：無(wú)論信道傳輸特性如何，中繼節(jié)點(diǎn)總是參與協(xié)同通信過(guò)程。但事實(shí)上，協(xié)同帶來(lái)的未必全是好處，比如在半雙工模式下會(huì)降低數(shù)據(jù)傳輸速率以及系統(tǒng)自由度的利用率。顯然，這涉及到協(xié)同時(shí)機(jī)或何時(shí)協(xié)同的問(wèn)題。基于此，結(jié)合 AF 和 DF兩種方式，人們提出了選擇模式與增強(qiáng)模式，如表 1 所示。選擇模式將源 - 中繼節(jié)點(diǎn)間的信道傳輸特性與某一門限值比較，只有大于該門限值時(shí)才選用協(xié)同通信方式，否則由源節(jié)點(diǎn)重復(fù)發(fā)送。可見(jiàn)，選擇模式重點(diǎn)考慮的是源 - 中繼節(jié)點(diǎn)間的信道狀況。增強(qiáng)模式是利用

15、目的節(jié)點(diǎn)的反饋信息來(lái)判斷直傳是否成功，若成功則源節(jié)點(diǎn)發(fā)送新的信息，否則中繼節(jié)點(diǎn)參與協(xié)同通信過(guò)程，這一處理相當(dāng)于對(duì)中繼傳輸增加了冗余或者自動(dòng)檢測(cè)重傳機(jī)制。易見(jiàn)，增強(qiáng)模式重點(diǎn)考慮的是源- 目的節(jié)點(diǎn)的信道狀況。上述3 種模式中，采用固定與選擇模式時(shí)中繼節(jié)點(diǎn)一直重復(fù)發(fā)送源節(jié)點(diǎn)信息，這樣勢(shì)必會(huì)造成系統(tǒng)自由度利用率的降低。增強(qiáng)模式則只在必要的時(shí)候才采用協(xié)同通信方式，可以較好地解決這一問(wèn)題，但它卻需要反饋信道。綜合可靠性與有效性兩個(gè)角度考慮，增強(qiáng)放大轉(zhuǎn)發(fā)(IAF) 方式性能最優(yōu)；僅從算法復(fù)雜度方面考慮，AF方式最為簡(jiǎn)單，也可獲得滿分集增益；DF性能較差，也無(wú)法獲得滿分集增益；選擇譯碼轉(zhuǎn)發(fā)(SDF)作為 DF

16、的改進(jìn)方式雖然可以得到滿分集增益，但是復(fù)雜度高于AF。選擇放大轉(zhuǎn)發(fā) (SAF) 和增強(qiáng)譯碼轉(zhuǎn)發(fā) (IDF) 兩種方式均不能取得良好的性能。這是因?yàn)椋x擇模式側(cè)重于源- 中繼節(jié)點(diǎn)間的信道傳輸特性，增強(qiáng)模式則主要著眼于源- 目的節(jié)點(diǎn)間的信道。 DF方式中，如果源 - 中繼節(jié)點(diǎn)信道衰落嚴(yán)重的話，中繼節(jié)點(diǎn)解碼錯(cuò)誤較多，轉(zhuǎn)發(fā)信息后會(huì)引起錯(cuò)誤的進(jìn)一步累積傳播；而AF方式中，由于中繼節(jié)點(diǎn)只是對(duì)源節(jié)點(diǎn)信息進(jìn)行放大轉(zhuǎn)發(fā)，無(wú)需進(jìn)行解碼，故源 - 中繼節(jié)點(diǎn)與中繼 - 目的節(jié)點(diǎn)的信道是同等重要的。所以，選擇模式較適用于 DF方式，而增強(qiáng)模式較適用于 AF 方式。編碼協(xié)作方式AF 和 DF方式下，中繼節(jié)點(diǎn)總是重復(fù)發(fā)送源

17、節(jié)點(diǎn)信息，這會(huì)降低系統(tǒng)自由度的利用率。 Hunter 等將信道編碼的思想引入?yún)f(xié)同通信技術(shù)中，提出了編碼協(xié)作方式，信號(hào)處理流程如圖 4(a) 所示。該方式通過(guò)兩條不同的衰落路徑發(fā)送每個(gè)用戶碼字的不同部分。對(duì)接收到的協(xié)作伙伴的信息進(jìn)行正確解碼后再重新編碼發(fā)送，這時(shí)系統(tǒng)性能的改善是通過(guò)在不同空間重復(fù)發(fā)送冗余信息而獲得的。這種方式下，各移動(dòng)終端通過(guò)重新編碼發(fā)送了不同的冗余信息，把分集和編碼結(jié)合起來(lái)，可大大提升系統(tǒng)性能。而且，這種方式不需要協(xié)作終端間的信息反饋，中繼節(jié)點(diǎn)不能正確解碼時(shí)還可自動(dòng)切換到非協(xié)作模式，從而保證了系統(tǒng)的效率。圖 4(b) 給出一種編碼協(xié)作實(shí)例。首先把移動(dòng)終端要發(fā)送的信息比特分塊進(jìn)行

18、編碼，然后加上循環(huán)冗余校驗(yàn)碼。在協(xié)同通信時(shí)再將編碼后的信息分成兩段，分別含有想要傳送的信息比特 N1和鑿空信息比特 N2 ( 原始碼字的長(zhǎng)度為 N1+N2 bit) 。顯然，總共需要兩個(gè)時(shí)隙 ( 稱為幀 ) 來(lái)分別發(fā)送 N1和 N2兩部分比特信息。在第一幀中，每個(gè)移動(dòng)終端發(fā)送各自N1 bit的信息，同時(shí)每個(gè)移動(dòng)終端都試圖解碼對(duì)方的第一幀信息。如果正確解碼通過(guò)循環(huán)冗余校驗(yàn)碼(CRC)來(lái)檢驗(yàn)，就在第二幀中發(fā)送其協(xié)作伙伴N2 bit的信息；如果不能正確解碼，則發(fā)送自己N2 bit的信息。這樣每個(gè)移動(dòng)終端在兩個(gè)發(fā)送時(shí)隙總是傳送N1+N2 bit 的信息塊。最后目的節(jié)點(diǎn)解碼接收到的信息塊。與SDF方式不

19、同，編碼協(xié)作方式通過(guò)編碼設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)協(xié)作與非協(xié)作方式之間的自動(dòng)切換，無(wú)需直接考慮源節(jié)點(diǎn)與中繼節(jié)點(diǎn)之間信道的傳輸特性。目前，已有多種信道編碼方式與協(xié)同通信相結(jié)合，例如卷積碼、 Turbo 碼、低密度奇偶校驗(yàn)碼 (LDPC)等。在慢衰落條件下，即使移動(dòng)終端間的信道傳輸特性非常差，編碼協(xié)作依然能夠顯著提高這兩個(gè)移動(dòng)終端的誤碼率性能，并且如果協(xié)作雙方都能夠正確解碼的話，系統(tǒng)可以獲得滿分集增益；但是在快衰落條件下，編碼協(xié)作會(huì)犧牲上行信道傳輸特性相對(duì)較好的終端的性能。為了解決這個(gè)問(wèn)題，又提出了空時(shí)編碼協(xié)作的思想。空時(shí)編碼協(xié)作方式將空時(shí)編碼思想應(yīng)用到編碼協(xié)作方式中即可得到空時(shí)編碼協(xié)作方式。它與一般編碼協(xié)作方式最

20、大的不同是每個(gè)移動(dòng)終端可在自己和其協(xié)作伙伴的多址信道上同時(shí)發(fā)送信息；而在一般編碼協(xié)作方式中，移動(dòng)終端只能在自己的多址信道發(fā)送協(xié)作信息。很多學(xué)者先后給出了多種空時(shí)編碼協(xié)作的實(shí)現(xiàn)方案，但思路基本是類似的。圖5 對(duì)空時(shí)編碼協(xié)作、編碼協(xié)作以及不采用協(xié)同 3 種方案的信號(hào)處理方式進(jìn)行了簡(jiǎn)單的比較。圖 5 中，橫軸為時(shí)間軸，縱軸為頻率軸，采用FDMA多址方式。在 STCC與 CC方式中，將原來(lái)不協(xié)同時(shí)所占用的時(shí)間分為2 個(gè)時(shí)隙，分別對(duì)應(yīng)為階段1和階段 2。由圖 5 可見(jiàn)，在階段1 兩者的工作方式完全相同，兩者的區(qū)別主要在階段 2。為了便于描述，不妨僅以用戶 2 為例來(lái)說(shuō)明 STCC的工作過(guò)程。 STCC

21、方式下，在階段 1，用戶 1 和用戶 2 分別使用信道 1 和信道 2 廣播發(fā)送源節(jié)點(diǎn)信息給協(xié)作伙伴和目的節(jié)點(diǎn)。在階段 2，若用戶 2 對(duì)用戶 1 所傳信息解碼正確，則他將在信道 1 和信道 2 上分別發(fā)送已譯碼的協(xié)作伙伴 ( 用戶 1) 的信息和自己的信息至目的節(jié)點(diǎn)；否則，他將占用所有兩個(gè)信道發(fā)送自己的數(shù)據(jù)，如圖5 示。換句話說(shuō)，在階段 2，若對(duì)協(xié)作伙伴的信息解碼成功的話，編碼協(xié)作方式下，各用戶均只在自己的信道上發(fā)送同伴的信息；而空時(shí)編碼協(xié)作方式下，各用戶則是同時(shí)發(fā)送雙方的信息。研究表明，空時(shí)編碼協(xié)作方式在快衰落環(huán)境下也可以獲得滿分集增益，并且不會(huì)犧牲信道質(zhì)量相對(duì)較好的移動(dòng)終端的性能。目前，

22、已有多種空時(shí)編碼方案與協(xié)同通信技術(shù)相結(jié)合，如空時(shí)分組碼(STBC)、空時(shí)網(wǎng)格碼 (STTC)等。其中， STBC碼由于設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單而受到關(guān)注。網(wǎng)絡(luò)編碼協(xié)作方式將網(wǎng)絡(luò)編碼思想應(yīng)用到編碼協(xié)作方式中即得到網(wǎng)絡(luò)編碼協(xié)作方式。網(wǎng)絡(luò)編碼指的是，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)將接收到的信息進(jìn)行編碼后再轉(zhuǎn)發(fā)出去的多點(diǎn)傳送技術(shù)。其核心思想是網(wǎng)絡(luò)的中間節(jié)點(diǎn)不再是簡(jiǎn)單的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，而是將接收信息進(jìn)行編碼后再發(fā)送，從而可提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的容量和健壯性。網(wǎng)絡(luò)編碼概念的提出以及現(xiàn)在大部分相關(guān)的工作都是基于有線網(wǎng)絡(luò)的，但無(wú)線信道的廣播特性為網(wǎng)絡(luò)編碼的應(yīng)用提供了有利條件，且無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的信息交互也完全可以運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)編碼理論來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，網(wǎng)絡(luò)編碼和協(xié)同通信技

23、術(shù)相結(jié)合可有效提高無(wú)線通信系統(tǒng)的性能。當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)編碼協(xié)作方式的研究主要集中在中繼節(jié)點(diǎn)所采用的網(wǎng)絡(luò)編碼形式及其基本通信方式領(lǐng)域。根據(jù)中繼節(jié)點(diǎn)上采用的網(wǎng)絡(luò)編碼形式可分為線性網(wǎng)絡(luò)編碼和非線性網(wǎng)絡(luò)編碼兩大類。根據(jù)中繼節(jié)點(diǎn)所采用的基本通信方式主要有固定中繼方式、機(jī)會(huì)中繼方式、互為中繼方式以及雙向中繼方式等幾種方式，其信號(hào)處理流程如圖 6 所示。圖 6(a) 是固定中繼方式，中繼節(jié)點(diǎn) R作為用戶 A 和用戶 B 的固定中繼，自身并無(wú)數(shù)據(jù)傳輸，而只是對(duì)收到的用戶 A 和用戶 B 的數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編碼；圖 6(b) 是互為中繼方式，即用戶協(xié)同通信方式，用戶A 和 B 互相作為對(duì)方的協(xié)作伙伴，同時(shí)還需要傳送自身數(shù)據(jù)

24、，節(jié)點(diǎn)A 和 B 在自身數(shù)據(jù)和協(xié)作伙伴的數(shù)據(jù)之間進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編碼；圖6(c) 為機(jī)會(huì)中繼方式， s1 要發(fā)送數(shù)據(jù)到 d1，s2 要發(fā)送數(shù)據(jù)到 d2，中繼節(jié)點(diǎn) R1并不是一直參與中繼傳送，只有當(dāng)s1 到 d1，s2到 d2 的直達(dá)鏈路的數(shù)據(jù)傳輸中發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)中繼節(jié)點(diǎn)R1 才參與協(xié)同通信，這時(shí)在中繼節(jié)點(diǎn) R1 處進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編碼；圖6(d) 為雙向中繼方式，用戶A 和 B 相互通信，中間有若干中繼節(jié)點(diǎn)，中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)雙方需要交換的數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編碼，來(lái)提高系統(tǒng)的吞吐量。圖 7 給出了幾種不同協(xié)作方式傳輸性能的比較。為了便于比較，圖中也給出了不采用任何協(xié)同通信技術(shù)的非協(xié)同方式下系統(tǒng)的性能。由圖7 易知，協(xié)同通信系統(tǒng)

25、的傳輸性能確實(shí)要優(yōu)于非協(xié)同系統(tǒng)。實(shí)際上，上述幾種協(xié)作方式中， CC、 NCC與 STCC的性能要優(yōu)于 AF與 DF方式，但是它們的算法復(fù)雜度高，涉及到了各種編碼技術(shù)，使得中繼節(jié)點(diǎn)信號(hào)處理的時(shí)間增長(zhǎng)、時(shí)延較大，這不利于現(xiàn)代無(wú)線通信系統(tǒng)。因此，綜合考慮多種因素， AF與 DF兩種方式更實(shí)用一些。1.3關(guān)鍵技術(shù)雖然協(xié)同通信技術(shù)的研究已取得很多成果，但仍有不少問(wèn)題需要進(jìn)一步的探討和研究。目前，協(xié)同通信關(guān)鍵技術(shù)研究主要包括：(1) 無(wú)線資源的管理。這主要涉及到功率分配與伙伴選擇等問(wèn)題。協(xié)同通信在研究之初，大都假設(shè)源節(jié)點(diǎn)與中繼節(jié)點(diǎn)之間等功率分配，這種方式雖然簡(jiǎn)單，但顯然不是最優(yōu)的。功率分配問(wèn)題一直是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)，但現(xiàn)有文獻(xiàn)提出的功率分配方案大都屬于集中