虚拟协作分集技术在无线通信网络中的应用

第29卷第3期山东通信技术V01．29N o．3 1竺!!!旦叁!竺墅坠塞篁竺望塑竺!!堑呈塾!!!塾呈!竺壁垒塑：!竺!虚拟协作分集技术在无线通信网络中的应用陶勇傅洪亮(河南工业大学信息科学与工程学院，郑州450001)摘要：多输入多输出(M I M O)系统能够抵抗无线移动通信系统中的多径衰落的影响，有效改善系统性能。

本文介绍了虚拟协作分集技术的基本原理及其传输模式，重点探讨了基于虚拟协作分集技术构建的虚拟M I M O在蜂窝移动通信网络和无线传感网络中的应用，并介绍了与其密切结合的空时编码、O FD M、多用户检测等关键技术，最后分析、总结了空时分集技术面临的问题，对其应用前景做了进一步展望。

关键词：M I M O虚拟协作空时编码O FD M多用户检测1引言多输入多输出(M ul t i pl e I np ut M ul t i pl e O ut put。

M I M O)系统在无线通信链路的发送端与接收端均使用多个天线．在提高通信链路的通信速率和通信质量方面有着明显的优势。

是未来无线移动通信的发展趋势【”。

由于理想的M I M O多天线系统要求相邻天线之间的间距要远大于电波波长。

即认为各天线阵元之间至少是不相关的。

但实际上由于移动终端受到体积、功耗、工艺等多方面的限制，在其上安装多个天线有很大的困难．因此也极大地限制了M I M O技术的应用。

近年来，虚拟协作分集技术作为解决这一难题而出现的一种新技术应运而生，引起了国内外通信业人士和科研学者的广泛关注，成为目前无线移动通信领域一个新的研究热点。

基于虚拟协作分集技术构建的多输入多输出(M I M O)系统可以结合提供发射分集增益空时分组编码(ST B C)技术。

改善无线通信系统的性能。

但在实际无线通信中．由于无线多径信道引起信号的频率选择性衰落，仅靠多天线分集则无能为力，结合O FD M 技术可以有效消除多径衰落的影响；而在接受端，可采用相应多用户检测技术来进一步提高系统性能。

有研究表明。

这种虚拟协作通信可以像实际M I M O系统一样．在不增加系统带宽的情况下提高系统的传输速率和通信质量，改善系统性能，使虚拟M IM O技术的实用化成为可能【11。

2虚拟协作分集的基本原理及其传输模式2．1虚拟协作分集的基本原理由Se ndona r i s等提出的空时协作分集技术闭．即使用单天线的移动终端也可以实现M I M O空间分集传输，其基本思想是：在多用户的通信系统中，每个单天线的移动终端都有一个或多个自己的合作伙伴．每个移动终端在发送自己信息的同时也帮助其它终端发送信息，从而获得了空间分集增益。

由于协作移动终端可以共享彼此之间的天线，从而形成所谓的虚拟M I M O系统。

图l是两个移动终端与基站协作通信．每个移动终端只有单根天线，移动终端在发送自己信息的同时也帮助协作用户终端发送信息，从而进行协作通信，同时获得空间分集增益。

图2是两个无线传感节点之间进行协作通信的示意图。

11山东通信技术2009年图1两个移动终端协作通信原理图协作分集传输模式决定了基站能否最优接收，而选取适当的协作模式能够有效利用有限资源，提高上行链路的通信速率和质量【31。

按照中继实现方式，协作无线通信系统主要有三种协作分集传输模式：放大中继模式(A F，A m pl i fy and For w a r d)、检测中继模式(D F，D ecode and For w ar d)和编码协作模式(C C，C oded C ooper at i on)。

2．2．1放大中继模式在该模式下．中继终端只是简单地放大转发收到协作用户终端的信号。

在放大转发的过程中，接收到信号的噪声部分也被放大并转发出去，即协作用户终端发送的信息受到噪声污染。

但对于基站而言，协作用户终端还是两个经过独立衰落的信号。

在基站用一定的准则合并接收独立衰落的信号，并对其做出较好的最终判决。

2．2．2检测中继模式在这种模式下．与传统的中继方法很类似。

协作用户终端的主要思想是对接收到的协作伙伴的信号先进行解调和泽码判决检测从而重构发射信号。

进行相应的调制编码后再转发给基站。

该中继模式的优点是比较简单，且对各种信道都有较好的适应性。

但当协作用户间的无线信道环境比较差时，作为中继的协作用户终端有可能无法正确解码。

从而影响基站信号的接收检测。

2．2．3编码协作模式编码协作模式是将信道编码技术与协作分集技术结合起来的一种技术。

在这个传输过程中，通过两条不同的衰落路径发送每个用户码字的不同部分．协作用户需对其接收到协作伙伴的信号进行正确解码，按照原编码方式再重复转发给基站，这样，各协作用户终端通过重新编码发送了不同的冗余信息，把分集和编码结合起来，从而有效改善系统性能。

这种模式下，系统的运行完全由事先的编码确定好。

不需要协作终端间的信息反馈．并且中继终端不能正确解码时可自动切换到非协作模式，从而保证了系统的效率。

3虚拟协作分集通信的关键技术3．1空时编码技术在多输入多输出(M I M O)系统中。

空时编码S TC (S pace—t i m e C odi ng)技术是无线通信的一种新的编码和信号处理技术【4】。

它实质上是一种空时二维处理手段：在空间上，采用多发射多接收天线的空间分集来提高无线通信系统的通信容量和信息速率；在时间上，不同信号在不同时隙内使用同一天线发射．并在不同天线发射的信号之间引入时域和空域相关．使接收端可以进行分集接收。

因此，在不牺牲带宽的情况下，空时编码可获得更高的分集增益和编码增益，有效提高无线通信系统性能。

目前提出的空时编码方式主要有分层空时编码、空时格栅编码和空时分组编码。

分层空时编码、空时格栅编码追求的是获得较大分集增益和编码增益，最大限度地提高传输的可靠第3期陶勇等：虚拟协作分集技术在无线通信网络中的应用12性。

空间复用技术在不同天线上传输的是承载信息不同的符号流来提高系统传输速率，即实现系统容量的最大化。

3．2O FD M技术O FD M(O rt hogonal Fr equ ency D i v i s i on M ul t i pl ex—i ng)即正交频分复用技术，是一种可以有效对抗频率选择性衰落的特殊高速多载波调制传输技术(4]。

O F D M的主要思想是将高速数据流通过串并变换，分配到传输速率相对较低的若干个子信道中进行传输。

由于每个子信道中的符号周期会相对增加，因此可以减轻由无线信道多径时延扩展对系统造成的影响，同时由于在每个O FD M符号之前插入循环前缀作为保护间隔，只要使得保护间隔大于信道的最大时延扩展，就可以对抗由多径引起的I S I。

因此，0FD M技术能够同时满足高数据速率和抗干扰两方面的要求，被业界视为未来移动通信系统的核心技术。

3．3多用户检测技术多用户检测(M U D，M ul t i pl e U s er D et ect i on)是用来克服多址干扰的一种信号检测技术[51，综合考虑了同时占用某个信道的所有用户或某些用户，通过设计相应的多用户检测算法．以消除或减弱其它用户对期望各用户的M A I影响，并同时检测出所有期望用户或某些期望用户的信息。

多用户检测与传统的单用户检测的区别就是：多用户检测充分利用了其他干扰用户的信息，而单用户检测则将这些有用信息当作噪声滤掉了。

在现代通信中，设计更优更好的多用户检测算法已成为无线通信领域最重要的学术研究热点之‘。

——04虚拟协作通信在无线通信网络中的应用4．1系统模型图3给出了虚拟协作无线移动通信系统上行链路模型示意图。

在发送端，首先，多用户终端对自己的信息经O FD M调制．通过单天线发射把自己的信息发向协作用户终端．然后与协作用户终端进行虚拟空时编码，最后通过多天线发射。

在接收端，采用多天线接收，经O F D M解调并进行相应的天线合并，再空时译码，最后用多用户检测器来检测多用户信息。

多用空时+天户检线测器译码△丌+并图3虚拟协作无线移动通信系统上行链路模型4．2在无线通信网络中应用虚拟协作分集结合空时编码、O FD M、多用户检测等技术，无论在平坦衰落或者频率选择性衰落环境中．都可以有效地对抗衰落信道的影响，从而提高通信系统传输速率，改善误码率性能，提高无线通信系统的覆盖范围，降低发射功率或提高电池寿命，因而可以广泛地应用于各种无线通信场合，如蜂窝网络的移动终端、传感器网络、ad hoc(自组织)网络等翻【3】。

4．2．1在蜂窝移动通信中的应用图4为蜂窝移动通信虚拟协作通信。

图中给出了蜂窝移动小区多用户移动终端在多用户环境中进行协作通信，但图中多用户只对两用户进行协作，也可以对两个或多个用户终端进行协作通信，同时还能跨小区进行协作跨小区通信，即进行多小区协作。

13山东通信技术2009年图4蜂窝移动通信虚拟协作通信4．2．2在无线传感节点网络中的应用图5为无线传感节点网络虚拟协作通信。

图中给出多个无线传感源节点与中间节点协作通信．可以看出数据信息通过节点转发，能实现多个或是多级协作通信。

源无线传感节点中间无线传感节点中间无线传感节点中间无线传感节点中间无线传感节点图5无线传感节点网络虚拟协作通信4．3协作分集面临的问题能耗。

延长网络寿命。

尽管协作分集技术在无线移动通信领域有着众多实用的优点．但同时也不可避免地面临一些问题。

首先，在多用户网络中，协作伙伴是如何分配和管理的；其次，基站要进行解码必须知道一些协作终端的信息；再次是同步问题；此外，如何实现多级协作传输也是非常重要的问题。

5结束语本文主要探讨了无线移动通信中的虚拟协作分集通信．该技术可以使得具有单根天线的用户在多用户环境下。

通过共享其彼此之间的天线构建虚拟M I ．M O 系统，并结合空时编码技术来实现空间分集，从而显著提高系统的性能。

重点探讨了基于虚拟协作分集技术构建的虚拟M IM O 在蜂窝移动通信网络和无线传感网络中的应用。

并介绍了与其密切结合的空时编码、O F D M 、多用户检测等关键技术。

可以看出，虚拟协作分集技术将使得M I M O 系统的进一步实用化成为可能。

参考文献：1谢显中，雷维嘉．移动通信中空时信号处理[M 】．北京：电子工业出版社．20082赵贤敬，郑宝玉，钱小聪。

傅洪亮．协作发射分集系统及其误码性能分析[J 】．通信学报，2007，28(1)：40．563陈贞贞，杨晨阳．无线传感网物理层协作分集的性能分析[J 】．电子与信息学报，2007，29(11)：2569．2575协作分集作为一种虚拟多天线分集技术，通过协4王文博，郑侃．宽带无线通信oFD M 技术【M 】．北京：人作传输模式并结合相应空时编码技术，可以充分利用民邮电出版社．2003有限的资源获得显著的性能增益，并降低网络用户的5杨维，陈俊仕等．移动通信中的阵列天线技术【M 】．北京：清华大学出版社．2005点节感传线㈨△溉。