协作通信技术及其发展与应用

韩宇辉+王亓+刘海洋+吴佳男+任壮+付青伟

摘 要：在无线传输中，由于存在多径衰落，严重影响了传输的质量，并极大限制了系统的容量。协作通信通过不同用户共享天线，使单天线终端也可以获得分集增益，因而得到了日益广泛的关注。文章对协作通信的发展历史、应用前景、基本原理以及性能评价标准等进行了介绍。

关键词：无线通信；多径衰落；空间分集；协作通信

引言

移动信道中存在的多径衰落现象严重影响着传输质量，并极大限制了系统的容量。为了减小多径衰落所造成的不良影响，通常采用多天线分集的方法。多天线分集也称为MIMO（Multiple Input Multiple Output，多输入多输出），可以在获得空间分集增益的同时而不需要占用额外的带宽和时间，因而在实际中应用较多。然而，多天线分集技术要求在发送端或接收端配置多个天线来增加空间维，这对于在体积、功耗、重量和成本等方面具有较多限制的移动终端来说是很难实现的。协作通信技术就是在这一背景下被提出的。

1 协作通信技术的发展及应用前景

协作通信的概念最初由Sendonaris等人在1998年提出，也称为协作分集或协作式MIMO[1]。Sendonaris等人还给出了两个用户进行协作通信的信道模型，并以此为基础，对其吞吐量、中断概率、可达速率等进行了推导和分析[2，3]。Laneman 和Wornell等人首先明确提出了放大转发和解码转发这两种最基本的中继转发方式[4]。之后，他们又提出了固定中继、选择中继以及增强中继这三种不同的协作协议[5]。Hunter和Nosratinia将信道编码与解码转发协作结合，提出了编码协作，实现了空域分集与码域分集的结合[6]。近几年，不少移动通信领域的学者都投入到协作通信技术的研究当中，对协作通信的协议、协作系统中的资源分配策略、协作伙伴的选择方法等问题进行了研究和探索。另外，Melda Yuksel和Elza Erkip等人还将单天线终端间的协作推广到多天线终端间的协作[7]，一些学者将网络编码与协作通信结合，研究协作下的网络编码方法[8]。

协作通信技术可以应用在无线通信的许多领域。比如在蜂窝系统中，通过用户间的协作可以改善盲点地区和小区边缘用户的通信质量；在保证一定误比特率或中断概率要求的前提下，通过协作可以降低发射功率，减少能量消耗。在无线传感器网络中，可以采取适当的协作策略和功率分配方法来降低和平衡节点的能量消耗，从而延长整个网络的生存时间。

2 基本原理

协作通信是一种通过不同用户共享彼此天线而获得分集效果的新的空域分集方式。用户间的协作可以是互惠的，也可以是非互惠的，这里考虑非互惠的情况。如图1所示，协作通信系统中至少包括三个节点：源节点、目的节点和中继节点。

协作通信的过程可以划分为两个阶段：第一阶段，源节点发送信息，中继节点接收信息，在此阶段目的节点可以接收信息，也可以不接收信息；第二阶段，中继节点对在第一阶段收到的信息进行转发，在此阶段源节点可以不发送信息，也可以重复发送与第一阶段相同的信息或者发送新的信息，目的节点对通过不同衰落信道到达的信号进行合并处理，从而提高信噪比，获得分集增益。

中继节点可以采取不同的中继方式，其中放大转发和解码转发是最基本的两种方式。放大转发方式中，中继节点将在第一阶段接收到的受到噪声污染的信号进行线性放大后再转发给目的节点。放大转发方式可以获得满分集阶数，其主要缺点在于中继节点放大信号的同时也将噪声一同放大，造成噪声累积现象。解码转发方式中，中继节点收到源节点发送的信号后，先译码再转发，因此可以避免噪声累积现象。解码转发方式不能获得满分集阶数，当中继节点译码错误时会产生错误传播[5]。

3 性能评价标准

比较重要的协作通信系统的性能评价标准包括：信道容量、频谱利用率、分集阶数、复用增益、能量增益、中断概率、错误概率以及协作通信的代价等[9]。

3.1 信道容量：当用户间的信道质量较好时，通过协作可以显著提高系统的信道容量，但如果用户间的信道质量变差，则协作的系统容量将逐渐趋近于非协作的情况。

3.2 频谱利用率：频谱利用率指单位频带内的信息速率。通过协作，可以提高系统的频谱利用率。

3.3 分集阶数：系统的分集阶数d的定义如下：

这里SNR为接收端的平均信噪比，Pe为系统的平均误比特率。

3.4 复用增益：复用增益r的定义如下：

这里R为系统的频谱利用率。

3.5 能量增益：协作通信系统中用户的能量增益定义为

其中，PD和PCO分别为达到特定通信质量要求，采取直接传输方式和协作方式所需的发射功率。

3.6 中断概率和错误概率：研究表明，协作通信可以大大降低系统的中断概率和错误概率。

3.7 协作通信的代价：协作通信系统的性能提高是需要付出一定代价的，比如系统复杂度的增加、协作建立过程中额外占用的资源、协作造成的时延等。

上述几个性能指标相互关联，是协作通信系统性能在不同方面的具体体现。

4 结束语

协作通信技术被提出之后受到了广泛的关注，它为未来移动通信实现更高传输速率和更好服务质量提供了一种有价值的参考方案，具有广泛的应用前景。

参考文献

[1]A. Sendonaris，E. Erkip，B. Aazhang. Increasing Uplink Capacity via User Cooperation Diversity[C]. ISIT 1998：156.

[2]A. Sendonaris，E. Erkip，B. Aazhang. User Cooperation Diversity-Part I： System Description[J]. IEEE Trans.Commun.，2003，51（11）： 1927-1938.endprint

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[6]T.E.Hunter，A.Nosratinia. Coded Cooperation under Slow Fading，Fast Fading，and Power Control[C]. 36th Asilomar Conference on Signals Systems and Computers，2002： 118-122.

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[8]BAO Xing kai，LI Jing.On the Outage Properties of Adaptive Network Coded Cooperation （ANCC） in Large Wireless Networks [C]. ICASSP 2006： IV -57-IV-60.

[9]王荆宁.多用户协作分集关键技术研究[D].哈尔滨工业大学，2010：1-20.endprint

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