一種多天線協(xié)作分集技術(shù)

1多輸出mimo天線技術(shù)自無線通信的發(fā)展以來，人們對(duì)無線通信的數(shù)據(jù)速度和服務(wù)質(zhì)量的要求不斷提高。因此，我們必須尋求一種新的技術(shù)來擴(kuò)大信道體積，改善通信質(zhì)量。這是國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和行業(yè)的共同問題。無線信道具有的多徑衰落特性是阻礙信道容量增加和服務(wù)質(zhì)量改善的主要原因之一。近年來提出的多輸入多輸出(MIMO)天線技術(shù)可以提供分集增益,藉以對(duì)抗多徑衰落。因此,MIMO技術(shù)得到越來越廣泛的應(yīng)用。在蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)中,該技術(shù)可以很好地應(yīng)用在基站方面來獲得分集增益,但是某些設(shè)備由于尺寸大小或者硬件復(fù)雜度以及成本的原因一般僅有單根天線。為了改善這種情況,Sendonaris等人提出了一種新的分集技術(shù)——協(xié)作分集[2~4],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。其基本思想是在多用戶環(huán)境中,具有單根天線的移動(dòng)臺(tái)可以按照一定的方式來共享彼此的天線,從而產(chǎn)生一個(gè)虛擬MIMO系統(tǒng),藉以獲得分集增益。2合作集合2.1協(xié)作信號(hào)處理協(xié)作分集的基本思想來源于Cover和ElGamal對(duì)中繼信道的研究。然而,協(xié)作分集的很多方面與中繼信道都是不同的。首先,目前協(xié)作分集的研究集中在如何產(chǎn)生克服衰落的分集,而Cover和ElGama1主要分析在加性白高斯噪聲信道下的信道容量。其次,在中繼信道中,中繼的目的是為了幫助主信道,然而在協(xié)作分集中,整個(gè)系統(tǒng)的資源是固定的,用戶既是信息源又是中繼者。為了獲得較高的分集增益,有人提出了幾種協(xié)作信號(hào)的處理方法。首先,Laneman等人提出了放大轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制,在該機(jī)制中,每個(gè)用戶接收它伙伴發(fā)送過來的帶有噪聲的信號(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)重新發(fā)送。基站將對(duì)用戶和其伙伴傳送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行合并判決。接著Sendonari等人提出了檢測轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制,在該方法中用戶首先嘗試檢測出用戶伙伴的數(shù)據(jù)比特,然后將檢測出的比特重新發(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),所以并不是對(duì)可用帶寬最好的利用。第二,檢測轉(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,而放大轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制傳播其伙伴的噪聲。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,需要知道用戶間信道的誤比特率(BER)和信噪比(SNR)。最后,用戶在發(fā)送其伙伴的模擬信號(hào)時(shí)有一定的延時(shí),在實(shí)際中,存儲(chǔ)足夠的信息來復(fù)制模擬信號(hào)是比較困難的。為了解決這些局限性,Hunter在他的論文中提出了一種新的機(jī)制-編碼協(xié)作機(jī)制。2.2協(xié)作傳輸結(jié)構(gòu)編碼協(xié)作機(jī)制是信道編碼思想和協(xié)作的綜合。編碼協(xié)作機(jī)制通過兩條獨(dú)立的衰落信道來發(fā)送每個(gè)用戶碼字的不同部分,當(dāng)他們之間的信道非常惡劣時(shí),該機(jī)制自動(dòng)恢復(fù)到非協(xié)作模式。該機(jī)制的突出特點(diǎn)是協(xié)作通過信道編碼設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn),無需用戶之間的反饋。用戶將信源數(shù)據(jù)分為若干數(shù)據(jù)塊,每一個(gè)數(shù)據(jù)塊都增加了一個(gè)循環(huán)冗余校驗(yàn)碼(CRC)。假設(shè)每一數(shù)據(jù)塊包含K比特的信息(包括CRC比特信息),然后每一個(gè)數(shù)據(jù)塊與碼率為R的糾錯(cuò)碼編碼后,每一個(gè)數(shù)據(jù)塊就有N=K/R比特的信息。兩個(gè)協(xié)作用戶將含有N比特碼字的數(shù)據(jù)發(fā)送周期分為兩個(gè)階段,筆者稱每一個(gè)階段為一幀。在第一幀中,每一個(gè)用戶發(fā)送一個(gè)包含N1比特信息的碼字,每一個(gè)用戶都接收并嘗試對(duì)伙伴的數(shù)據(jù)進(jìn)行正確的譯碼,如果譯碼正確(由CRC決定),則在第二幀中,用戶將計(jì)算并發(fā)送其伙伴的第二部分,包括N1個(gè)比特。否則用戶將在第二幀傳送自己的第二部分,也是N2個(gè)比特。這樣每個(gè)用戶每個(gè)周期都是發(fā)送N=N1+N2個(gè)比特。圖1是編碼協(xié)作傳輸結(jié)構(gòu)圖。筆者把N2/N定義為協(xié)作水平,即用戶為伙伴傳送的比特?cái)?shù)目與總傳輸比特?cái)?shù)的比值。一個(gè)小的比值意味著在第一幀中有更多的碼字被傳輸,并增加了對(duì)其伙伴成功譯碼的可能性。同時(shí)也意味著一個(gè)較小的N2值,使分集增益減小。用戶在第二幀中的行為是獨(dú)立的,并不知道它們自己的第一幀是否被成功譯碼。因此,在第二幀的傳輸中有四種可能的協(xié)作情況,如圖2所示。第一種情況中,在第一幀時(shí)兩用戶都成功地檢測到對(duì)方,所以在第二幀中它們都傳輸其伙伴的N2比特信息,可以達(dá)到完全增益。第二種情況在第一幀時(shí),兩用戶都不能成功地檢測到對(duì)方,系統(tǒng)此時(shí)返回到非協(xié)作模式。第三種情況,第一幀時(shí)用戶2可以成功地檢測到用戶1,但用戶1不能成功檢測到用戶2。從而在第二幀時(shí),兩用戶都傳輸用戶1的N2比特信息,用戶2的N2比特則不被傳輸。用戶1兩個(gè)獨(dú)立的N1和N2比特譯碼前在接收端可以得到最優(yōu)的合并。第四種情況和第三種情況相反,只是把用戶1和用戶2的位置調(diào)換。3信號(hào)傳輸技術(shù)雖然在協(xié)作分集方面的研究已取得很多突破,但仍有很多問題需要進(jìn)一步研究。第一,在一個(gè)多用戶的環(huán)境中怎樣劃分各個(gè)終端的協(xié)作伙伴,并且既然是移動(dòng)終端,當(dāng)它們的相對(duì)位置改變時(shí)又該如何,或者說應(yīng)該隔多久的時(shí)間重新劃分一次合作伙伴。第二,功率分配問題。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。第三,頻率選擇性衰落信道下的應(yīng)用問題。目前進(jìn)行的研究工作大多都是假設(shè)信道是平衰落的,但是,在實(shí)際的移動(dòng)通信系統(tǒng)中,信道往往是頻率選擇性衰落的,利用OFDM抗頻率選擇性衰落的特性來解決上述問題是一個(gè)很好的方法。第四,空時(shí)協(xié)作信號(hào)處理技術(shù)問題。MohammadJanani等人已經(jīng)開始了這方面的研究,它與原先的編碼協(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。從MohammadJanani等人的研究中,筆者可以知道用戶在快衰落環(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。4imo技術(shù)的實(shí)用化協(xié)作分集是一種全新的分集技術(shù),它可以解決難以在移動(dòng)終端安裝多根天線的問題,推進(jìn)了