协同通信--文献阅读与理解

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1、本文仍处于不断完善之中.....更新记录：28/08/09:基本模型，对非正交发送理解的更新。23/09/09:对有限SNR下分集和复用概念的理解。提纲：基本概念和内涵基本模型分集和分集增益关于分集和复用折中的理解关于分集和复用折中的再次理解协同通信的优势—容量与传输可靠性关于MIMO信道容量的理解协同通信性能分析DF性能、检测以及分集增益自适应中继基本概念和内涵协同通信大概可以理解为源节点和目的节点在伙伴节点（或者称为中继节点）的帮助下完成通信任务。协同通信最早来源于中继信道的概念[Van71]，

2、早在70年代，M.Cover就使用信息论的方法研究了S(源)-R（中继）-D（目的）在高斯信道下的中继信道容量[Cover79]。[Van71]E.VanderMuelen,"Three-terminalcommunicationchannels"Adv.Appl.Prob.,vol.3,pp.120-154,1971.[Cover79]ThomasM.Cover,AbbasA.ElGamal, "CapacitytheoremsfortheRelayChannel",IEEETrans.Infor

3、m.Theory,vol.25,pp.572-584,1979.而最近几年，随着分集技术的发展，协同通信成为了当前无线通信中的研究热点。研究协同通信一个主要目的是对抗无线信道的多径衰落。因为无线信道的衰落是随机的（考虑小尺度衰落，在微小的时间和空间差别下信号的强度发生大的变化），如果S-D信道正好处于深度衰落，不利于通信；而距离源节点旁边的伙伴节点其R-D信道却可能处于很好的信道状态，因此，源节点可以寻求伙伴节点的帮助，先把数据发给伙伴节点，再由伙伴节点把数据发给目的节点。支撑协同通信发展的另外一个

4、技术是MIMO（多输入多输出）技术。MIMO技术利用了无线衰落信道中不同传播路径的独立性，通过在收发两端装备多副天线，能够有效的提高传输容量或者增强传输的可靠性。然而，对于很多价格低廉，体积小巧的设备（例如无线传感器节点），装备多个天线是很困难的，如果能够将处于一个区域内部彼此邻近的多个节点联合起来，形成一个虚拟的MIMO阵列，就有能够获得传统MIMO的传输效果[Cui04]。[Cui04] S.Cui,A.J.Goldsmith,A.Bahai "Energy-EfficiencyofMIMOan

5、dCooperativeMIMOTechniquesinSensorNetworks" IEEEJSAC,VOL.22,NO.6,AUGUST2004 基本模型可以将协同通信分为两种基本类型：协同中继和协同MIMO。协同中继的基本模型是：一个源节点（S），一个目的节点(D)，若干个中继节点R。最简单的情况是只有一个中继节点，我们称之为S-R-D模型。在S-R-D模型中，发送分为两个时隙进行：第一个时隙，源节点发送数据给目的节点，同时中继节点也接收源节点发出的数据；在第二个时隙，中继节点按照一定的方法

6、将接收到的数据转发给目的节点，而在接收端，接收节点将两次接收到的数据进行合并处理，典型的方法是MRC（最大比合并）。例如，在AF模式下，使用MRC合并，其合并后的SNR可以表示为：SNR(combine)=SNR(SD)+SNR(SR)*SNR(RD)/(1+SNR(SR)+SNR(RD)) 值得注意的是：之所以要分两个时隙发送，是为了保证S-D和R-D信道的正交性，使得源发送的信号和中继发送的信号不会互相干扰。而保证正交的方式有多种：时分、频分、码分等等。考虑一下如果中继和目的节点同时发送数据给目

7、的节点会出现什么情况？两个高斯随机信号的叠加仍然为高斯随机信号，无法获得分集效果。也可以这样理解：两个信号叠加在一起，就变成了一个信号，无法区分，只是有些地方由于两路信号的相位相同，总信号得到增强，而有些地方由于相位相反，信号减弱。这是对于一般情况而言，如果采用特殊的手段，还是有办法能够区分这两个叠加的（或者称为碰撞的信号的）。例如CDMA通信中，通过给用户赋予不同的正交码，接收端是可以区别两个信号的（这实际上是码分）；而在Alamouti空时码中，通过精巧的设计发送码字结构，使得发送码字正交，区分

8、出两路同时发送的信号成为能够；或者通过在两个用户发送时间之间引入一定的延时，接收端也可以捕获出两个信号出来。另外一种空时码的构造方法是第一个时隙发送源节点数据，第二个时隙，源节点继续发送自己的数据，而中继节点转发第一个时隙的数据，只要假设慢变化的信道，两个时隙的SD信道相同，也是可以区分出在第二个时隙的源和中继同时发出的信号的。这种方法也称为非正交发送[Nabar04]。非正交发送可以提高频谱效率。[Nabar04]R.U.Nabar,H.Bolcskei,andF.