协作通信之物理层网络编码科技探索

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1、协作通信之物理层网络编码科技探索第一章绪论1.1论文选题背景和意义随着移动通信技术的发展，人们的生活方式发生了翻天覆地的改变。从最初的模拟通信技术发展到现今的3G技术，以及未来的NGN技术，都正在或者即将给人们的生活带来极大的便利，给社会和经济带来了深刻的影响。其中，无线信道因其具有灵活性和快捷性深受人们的青睐。随着无线通信的发展，人们对无线通信的要求越来越高，因而对信道容量也提出了更高的要求。无线信道的特性很大程度了决定了无线通信质量的好坏。然而由于无线信道是利用无线电磁波来进行信息的传送，与有线信道相比，无线信道具有衰落现象，如多径衰落、阴影

2、效应等都会影响信号的传输和无线信道的性能。分集技术[1]是一种投入低收益高的可以有效提高无线链路性能的技术，它利用无线传播环境中高度不相关或独立的多径信号来实现。分集就是为了确保信号的传输质量，在发送端采取某种方法技术使相互独立的衰落信道传输同一个信号的多个副本，所以能够保证至少有一个强度足够大的信号副本能被目的接收端识别出来，从而提高接收信号的信噪比。分集技术是一种能够有效对抗衰落的技术，有三种主要的形式：时间分集、空间分集和频率分集。时间分集主要是指在不同的时间间隔内发射同一信号的不同样本。空间分集是指利用多天线技术来发送同一信号的不同样本。

3、频率分集是将信号样本调制到不同的载频上。对于这三种分集方式来说，在慢衰落情况下，时域交织会造成信号的较大的时延，所以对于时延敏感的业务来说时间分集不太合适；当传输信号的带宽小于信道的相干带宽时，频率分集显得捉襟见肘；时域分集和频域分集技术必须使用额外的时间或者频谱资源来引入发射信号的冗余副本，这会降低频谱效率。空间分集充分利用了系统的空间域，可以在不牺牲信号的频率资源和时间资源的情况下和保证数据传输速率的同时，空间分集能够获得极大的分集增益，能有效的降低多径衰落的影响。空间分集发展来的多天线输入多天输出(MIMO)技术[4]是近年来无线通信技术领

4、域的重大破，研究表明MIMO技术能够有效对抗无线信道中多径衰落和路径损耗。虽MIMO技术被普遍认为是下一代网络的必需技术之一，但是受移动终端尺寸大小、费用成本和硬件复杂度等因素的影响，安装多个独立天线并不是一种有效的方案。大多情况下采用单根天线进行信号收发，因此协作通信技术的产生成为必然。近年来，协作通信[2][3]作为一种新兴的通信技术，具有能够有效地克服无线信道衰落和提高无线信道传输的可靠性和扩大无线网络覆盖范围等优势，越来越受到广大相关研究人员的关注，相关的研究成果也如雨后春笋般涌现。协作通信技术以MIMO技术为基础，通过不同的通信实体间的

5、相互协作来达到提高通信速率、增强通信可靠性、扩大通信的覆盖范围及通信的容量等目的的一项新技术。协作可以是基站间协作、用户间协作、中继与用户间协作、中继之间协作等，其应用范围非常之广阔。协作通信由中继信道发展而来，与中继信道又有不同之处。在中继信道中中继节点仅仅是协助用户节点发送信息，在协作通信中各用户也可以作为除自身以外的用户节点的中继节点协助信源节点发送信息。协作通信主要研究目的是对抗无线通信中的多径衰落，中继信道主要研究如何提高加性白高斯噪声信道的容量。协作通信的基本原理是用户在传输自身信息的同时，还能接收到协作伙伴的信息并作为协作伙伴的中继

6、节点帮助协作伙伴传输信息。在信息的传输过程中，通过协作伙伴共享彼此的信道，形成一个虚拟MIMO阵列，能够获得一定的空间分集增益。与此同时，网络编码技术[5][6][7]也登上了通信领域的舞台，近年来也有了快速的发展。网络编码的概念最初是在有线网络中提出的，对于不同的网络拓扑使用网络编码能够实现最小割最大流定理的网络容量上限。随着无线通信技术的发展，研究表明网络编码在无线网络中更具有应用的潜在价值，无线网络的广播信道很适合网络编码技术的应用。传统的中继方案仅仅对收到的信息进行放大转发或者解码转发，而网络编码侧重于中继节点对收到的信息能够进行一定的处

7、理。这种处理并非仅仅只针对一路信号而是针对多路信号的。由于网络编码突破了传统的信息存储转发的传输模式，中间节点能够对信息进行一定的处理，所能够提高通信网络的系统吞吐量和带宽利用率以及网络鲁棒性。目前网络编码的主要研究方向有以下几点：编码方案的设计、网络纠错编码、网络编码与其他技术如信道编码技术[8]和信源编码技术等的结合、网络编码的复杂度和网络编码的应用等。第二章协作通信技术协作通信的缘由主要有两方面的因素：网络中空余资源的存在和协作通信所能提供的协作通信增益[9]。网络中空余资源的存在：在某一时间段内通信系统网络中可能只有部分用户有通信需求，网

8、络中会有一部分用户处于空闲状态，传统的技术将所有用户看成是互不通信的个体而使部分硬件资源得不到利用被浪费掉。某一时刻有通信需求的用户可能