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編碼協(xié)作通信技術(shù)研究

所屬欄目:通信論文 發(fā)布日期:2010-11-24 08:17 熱度:

  摘要:為了解決多輸入多輸出技術(shù)在移動(dòng)終端的多天線制約問(wèn)題,為了適應(yīng)這種情況,提出了一種新的分集技術(shù)——協(xié)作分集,該方法可以使具有單根天線的移動(dòng)臺(tái)獲得類似于MIMO系統(tǒng)中的某些增益。如今最為廣泛的空間分集技術(shù)主要是MIMO,現(xiàn)有的MIMO天線技術(shù)通過(guò)在接收端和發(fā)射端同時(shí)安置多個(gè)天線來(lái)有效地消除多徑衰落的影響,MIMO信道結(jié)構(gòu)從而充分利用了空域資源,大幅度提高了信道容量。
  關(guān)鍵詞:協(xié)作分集;空時(shí)協(xié)作;編碼協(xié)作機(jī)制
  
  1協(xié)作分集技術(shù)原理
  協(xié)作分集技術(shù)又稱虛擬MIMO技術(shù),其基本原理是:多用戶環(huán)境中的單天線用戶在傳輸自己的信息時(shí),也能傳送所接收和檢測(cè)到的臨近用戶(即伙伴)的信息。其實(shí)質(zhì)就是希望利用合作伙伴的天線與自身天線構(gòu)成多發(fā)射天線,從而產(chǎn)生一個(gè)虛擬MIMO系統(tǒng),以獲得分集增益。
  1.1協(xié)作分集步驟
  協(xié)作分集的過(guò)程主要分為兩個(gè)步驟:
  (1)源節(jié)點(diǎn)以廣播方式發(fā)送信號(hào),目的節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)接收信號(hào),中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行處理。
  (2)中繼節(jié)點(diǎn)將處理后的信號(hào)發(fā)送給目的節(jié)點(diǎn),此時(shí)源節(jié)點(diǎn)也可以向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送重復(fù)的或者新的消息,最后目的節(jié)點(diǎn)按照某種規(guī)則合并兩步接收到的信號(hào)。
  1.2協(xié)作分集信號(hào)合并模型
  假設(shè)系統(tǒng)中每個(gè)源節(jié)點(diǎn)只有一個(gè)合作伙伴,它們兩個(gè)相互協(xié)作與目的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。每個(gè)源節(jié)點(diǎn)除了獨(dú)立發(fā)送自己的信息給目的節(jié)點(diǎn)外,還將轉(zhuǎn)發(fā)從其合作伙伴接收到的信息給目的節(jié)點(diǎn)。這就相當(dāng)于從一個(gè)源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信號(hào)經(jīng)歷了兩條獨(dú)立衰落的路徑分別到達(dá)目的節(jié)點(diǎn),從而可以得到分集增益。
  每個(gè)源節(jié)點(diǎn)都接收到其合作伙伴發(fā)送的、包含衰落和噪聲的信號(hào),然后將這個(gè)信號(hào)和自己要發(fā)送的信號(hào)組合在一起發(fā)送到目的節(jié)點(diǎn),表示為:
  (1)
  (2)
  (3)
  式中:下標(biāo)0、l、2分別代表目的節(jié)點(diǎn)、源節(jié)點(diǎn)1和源節(jié)點(diǎn)2;(t)(i=0,l,2)表示接收端在一個(gè)符號(hào)周期內(nèi)收到的信號(hào);(t)(i=l,2)表示兩個(gè)源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息;(t)(i=0,l,2)表示均值為零的加性高斯白噪聲;(i=0,l,2;j=0,l,2)表示各信道之間衰落系數(shù),是零均值的復(fù)高斯隨機(jī)變量,其包絡(luò)服從瑞利分布,它在一個(gè)符號(hào)周期內(nèi)保持不變,并且=。
  通過(guò)式(1)~(3)可以看出,在這里事實(shí)上已經(jīng)認(rèn)為每個(gè)源節(jié)點(diǎn)不會(huì)接收到自己發(fā)送的信號(hào),目的節(jié)點(diǎn)收到的信號(hào)是這兩個(gè)源節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號(hào)的疊加。
  2協(xié)作中繼協(xié)議
  按中繼實(shí)現(xiàn)方式,協(xié)作通信系統(tǒng)中主要有三種協(xié)作方式,即放大前傳、檢測(cè)轉(zhuǎn)發(fā)、編碼協(xié)作。在這三種方式中尤以編碼協(xié)作方式的性能最優(yōu)。
  首先,放大轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制,或稱放大前傳,在該機(jī)制中,每個(gè)用戶接收它伙伴發(fā)送過(guò)來(lái)的帶有噪聲的信號(hào),接著對(duì)該信號(hào)進(jìn)行放大,然后將放大的帶有噪聲信號(hào)的重新發(fā)送。基站將對(duì)用戶和其伙伴傳送來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行合并判決。
  接著,有人提出了檢測(cè)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制,在該方法中用戶首先嘗試檢測(cè)出用戶伙伴的數(shù)據(jù)比特,然后將檢測(cè)出的比特重新發(fā)送。
  以上提出的兩種機(jī)制雖然能獲得一定的分集增益,但它們有一些局限性。第一,兩種機(jī)制都包括一定形式的重發(fā),所以并非對(duì)帶寬最好利用。第二,檢測(cè)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制可能會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)對(duì)其伙伴錯(cuò)誤估計(jì)的信息。錯(cuò)誤的傳播會(huì)降低性能,特別是當(dāng)用戶間的信道較差時(shí)。第三,這兩種機(jī)制為了在接收端得到最佳的最大似然檢測(cè),需要知道用戶間信道的BER(誤比特率)和SNR(信噪比)。為了解決這些局限性,提出了一種新的機(jī)制——編碼協(xié)作機(jī)制。
  3編碼協(xié)作
  3.1編碼協(xié)作的基本思想
  編碼協(xié)作的基本思想:首先把移動(dòng)終端要發(fā)送的信息比特轉(zhuǎn)化成符號(hào)塊進(jìn)行編碼,然后加上CRC(循環(huán)冗余校驗(yàn))碼。在協(xié)作通信時(shí)將要發(fā)送的信息編成碼字后分成兩段,分別含有和,則原始的碼長(zhǎng)為+。其中是想要的信息位,是校驗(yàn)碼。需要兩個(gè)時(shí)隙來(lái)分別發(fā)送和兩部分信息,發(fā)送這些信息的時(shí)隙稱為幀。
  第一幀中,每個(gè)移動(dòng)終端發(fā)送各自碼字的第一段,即信息,同時(shí)每個(gè)移動(dòng)終端都試圖解碼對(duì)方的這部分信息。如正確解碼,就在第二幀中發(fā)送其協(xié)作伙伴碼字的第二段即信息。如譯碼不正確就發(fā)送自己的第二段信息,這樣每個(gè)移動(dòng)終端在兩個(gè)發(fā)射時(shí)隙總是傳送N=+的信息塊。
  3.2編碼協(xié)作的各種情況分析
  在第二幀中,各個(gè)用戶是相互獨(dú)立的,他們不知道自己在第一幀的信息是否已經(jīng)被正確譯碼,因此,第一幀的譯碼情況具有四種情況,如圖1所示。
  1.jpg
  圖1普通編碼協(xié)作的實(shí)現(xiàn)過(guò)程
  情況a,在第一幀的兩用戶都成功地檢測(cè)到對(duì)方的數(shù)據(jù),并成功譯碼,所以在第二幀中他們都傳輸伙伴的的信息,可以達(dá)到完全增益。
  情況b,用戶2成功譯碼用戶1的數(shù)據(jù)信息,而用戶1則未能成功譯碼用戶2的信息,所以在用戶1的第二幀傳輸用戶1的的信息,在用戶2的第二幀也傳輸用戶1的信息。
  情況c,用戶1成功譯碼用戶2的數(shù)據(jù),而用戶2未能成功譯碼用戶1的數(shù)據(jù),所以在第二幀中,用戶1傳輸用戶2的信息,用戶2也傳輸用戶2
  的N2bit信息。
  情況d,用戶1和用戶2均未能成功譯碼,所以在第二幀中均傳輸各自的N2bit信息。
  由此可以看出,當(dāng)信道不完全對(duì)稱時(shí),必然會(huì)有一個(gè)用戶的碼字的第二部分不會(huì)在第二幀進(jìn)行傳輸,因此系統(tǒng)的性能將大大受到影響。因此技術(shù)人員又提出了一種新的協(xié)作方案,空時(shí)協(xié)作方法。
  3.3空時(shí)協(xié)作方法
  空時(shí)協(xié)作信號(hào)處理技術(shù)與原先的編碼協(xié)作機(jī)制不同的是:用戶在第二幀中同時(shí)傳輸自己和伙伴的比特信息。用戶在快衰落環(huán)境也可以取得比較好的性能,因此空時(shí)協(xié)作信號(hào)處理技術(shù)也是一個(gè)很好的研究方向。
  空時(shí)協(xié)作編碼方法是:用戶在第二幀中不但要傳輸它自己的信息還要傳輸它的協(xié)作伙伴的信息,這種策略在快衰落信道中是非常有用的。在快衰落環(huán)境下,一個(gè)用戶的上行信道在第一幀和第二幀傳輸中是獨(dú)立的,因此,在第二幀中使用伙伴的信道不會(huì)得到任何增益。在空時(shí)協(xié)作中,由于每個(gè)用戶在第二幀中傳輸兩用戶的信息,因此可以獲得較好的增益。更進(jìn)一步說(shuō),用戶傳輸它自己和伙伴的信息,在用戶間信道質(zhì)量不好的情況下也可以獲得較好的增益。如果一個(gè)用戶能正確地對(duì)它的伙伴譯碼,而伙伴卻不能正確對(duì)它譯碼,那么這個(gè)用戶能在它的第二幀傳輸中獲得較好的增益,而它的伙伴卻不能。
  空時(shí)協(xié)作編碼在第二幀的傳輸中也有四種情況,如圖2所示。
  2.jpg
  圖2空時(shí)編碼協(xié)作的實(shí)現(xiàn)過(guò)程
  情況a,兩個(gè)用戶都能對(duì)其伙伴成功的譯碼,所以在第二幀中它們都傳輸自己和伙伴的第二部分比特信息,從而導(dǎo)致全分集的發(fā)生。在這種情況下,同一個(gè)信道,兩個(gè)不同天線上可能傳輸相同的數(shù)據(jù),這就為空時(shí)碼的采用提供了條件,即用戶可以在第二幀采用空時(shí)編碼發(fā)射數(shù)據(jù)來(lái)獲得分集。
  情況b,用戶2能成功譯碼用戶1,而用戶1卻不能成功譯碼用戶2。因此用戶1在第二幀只能傳輸自己的比特,而用戶2傳輸自己和用戶1的比特。
  情況c,與情況b類似,只是把用戶1與用戶2的位置調(diào)換而已。
  情況d,兩個(gè)用戶都不能成功譯碼其伙伴的信息,系統(tǒng)就退化為非協(xié)作的情況。
  4下一步研究方向
  協(xié)作分集是一種全新的空間分集技術(shù),它可以解決難以在移動(dòng)終端安裝多根天線的問(wèn)題,推進(jìn)了MIMO技術(shù)的實(shí)用化。目前國(guó)內(nèi)外在這方面的研究剛剛起步,還存在很多問(wèn)題,但無(wú)論如何它都具有廣闊的前景,而且這種技術(shù)可用于無(wú)線自組織網(wǎng)、無(wú)線局域網(wǎng)及無(wú)線傳感器網(wǎng)等多種場(chǎng)合,今后還有可能將這些網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來(lái),形成一種全新的智能網(wǎng)絡(luò),引起移動(dòng)通信領(lǐng)域的重大變革。協(xié)作通信是當(dāng)今研究最為熱門的話題之一,發(fā)展至今,雖然取得了不少的成果,但還有許多問(wèn)題有待進(jìn)一步的研究和解決。
  (1)協(xié)作伙伴如何分配和管理。協(xié)作通信中一個(gè)重要的問(wèn)題是怎樣確定與哪些用戶進(jìn)行協(xié)作,多長(zhǎng)時(shí)間對(duì)合作的用戶進(jìn)行重新分配。該問(wèn)題的難點(diǎn)是在不增加額外系統(tǒng)資源的前提下,保證所有用戶的公平性。
  (2)協(xié)作系統(tǒng)中的路由如何選擇。移動(dòng)臺(tái)怎樣去選擇協(xié)作伙伴,每個(gè)移動(dòng)臺(tái)協(xié)作伙伴的個(gè)數(shù)如何確定。既然是移動(dòng)終端,當(dāng)它們的相對(duì)位置改變時(shí)又如何選擇新的協(xié)作伙伴,根據(jù)怎樣的路由協(xié)議去選擇。
  (3)協(xié)作傳輸如何進(jìn)行功率控制。現(xiàn)在的研究都是認(rèn)為各個(gè)移動(dòng)終端有著相等的發(fā)射功率,但是可以使移動(dòng)終端根據(jù)上行信道或者協(xié)作伙伴的信道狀態(tài)自適應(yīng)地調(diào)整發(fā)送功率,從而更好地提升性能。
  (4)信息安全問(wèn)題。為了保證伙伴之間數(shù)據(jù)信息的保密性,在協(xié)作通信系統(tǒng)中,用戶的數(shù)據(jù)在傳輸之前必須進(jìn)行加密,使移動(dòng)臺(tái)可以檢測(cè)到同伴的數(shù)據(jù),而無(wú)法理解同伴傳輸?shù)男畔ⅲ@也會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜度。

文章標(biāo)題:編碼協(xié)作通信技術(shù)研究

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