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《預編碼技術(shù)在協(xié)同中繼系統(tǒng)中的應用》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫。
1、預編碼技術(shù)在協(xié)同中繼系統(tǒng)中的應用1引言市場需求的不斷提高,促使無線通信系統(tǒng)在近幾十年中得到了迅猛的發(fā)展。目前的無線通信系統(tǒng)雖然能夠提供各種基礎(chǔ)業(yè)務(wù),例如語音、數(shù)據(jù)通信和低速無線互聯(lián)網(wǎng)接入等,卻沒有能力很好地滿足更高速率多媒體新業(yè)務(wù)的需求。為了更好地滿足這些日益增長的需求,迫切需要研究設(shè)計能提供更高數(shù)據(jù)速率、更高頻譜效率和無縫覆蓋的未來寬帶無線通信系統(tǒng)。國際電聯(lián)(ITU)對未來移動通信系統(tǒng)(IMT-Advanced)提出了更為長期的目標與展望,即在固定和低速移動的熱點覆蓋場景下,在100MHz的帶寬內(nèi)提供高
2、達1Gbit/s的傳輸速率,在高速移動的廣域覆蓋場景下提供不低于100Mbit/s的傳輸速率,相應的頻譜效率應能達到5~20bit/(s·Hz)[1]。但是,惡劣的無線傳輸環(huán)境對這些高性能需求的實現(xiàn)提出了巨大的挑戰(zhàn)。于是,為了提高未來寬帶無線通信系統(tǒng)的頻譜效率,并改善鏈路可靠性,近些年來涌現(xiàn)出各種新技術(shù),例如先進的信道編碼技術(shù)和調(diào)制技術(shù)、基于多天線的多入多出(MIMO)的空時處理技術(shù)等。先進的編碼和調(diào)制技術(shù)是逼近單個系統(tǒng)潛在信道容量的有效手段之一,而多天線技術(shù)的引入則能進一步顯著提高單個系統(tǒng)具有的信道容量
3、,因而更具有發(fā)展?jié)摿?。然?由于受移動便攜式終端體積和其他實現(xiàn)因素的制約,使得在終端上難以配置較多的天線單元,從而在相當大程度上制約了MIMO技術(shù)的廣泛應用。另一方面,采用協(xié)同中繼機制的新型無線通信技術(shù),即“協(xié)同通信”,提供了一種利用空間資源的新手段[2]。在協(xié)同通信系統(tǒng)中,多個參與通信的實體之間通過協(xié)作的方式共享有限資源以提高無線資源的利用率。多個單天線終端采用協(xié)同機制建立通信后,可相互使用對方的天線發(fā)射各自的信號,從而形成“虛擬天線陣列”,如此構(gòu)成的等效MIMO系統(tǒng)同樣具有較高的系統(tǒng)容量和頻譜效率[3
4、]。但是,目前已有的各種協(xié)同中繼協(xié)議,其所能實現(xiàn)的頻譜效率遠低于協(xié)同中繼系統(tǒng)具有的潛在最大容量。假設(shè)在發(fā)射端已知完整或者部分信道狀態(tài)信息,利用空時預編碼技術(shù)是提高頻譜效率的有效手段之一[4]。該技術(shù)已經(jīng)被3GLTE系統(tǒng)采納并作為其關(guān)鍵技術(shù)之一[5]。目前,與預編碼相關(guān)的MIMO技術(shù)的研究重點主要在傳統(tǒng)集中式網(wǎng)絡(luò)。而另一方面,協(xié)同中繼系統(tǒng)的“虛擬天線陣列”與傳統(tǒng)MIMO系統(tǒng)的多天線陣列存在著某種相似性,所以將預編碼等鏈路自適應技術(shù)應用到協(xié)同中繼系統(tǒng)中具有良好的可行性。但是,這方面的研究才剛剛起步,遠未成熟,
5、很多方向期待有新的突破。與傳統(tǒng)集中式網(wǎng)絡(luò)中的MIMO系統(tǒng)相比,協(xié)同中繼系統(tǒng)中的預編碼技術(shù)會面臨更大的困難和挑戰(zhàn)。2協(xié)同通信“協(xié)同”(cooperate)這個詞語來源于拉丁文“co-”和“operare”的組合,直譯為“一起工作(workingtogether)”。協(xié)同的概念最早來自對生物界現(xiàn)象的觀察,例如關(guān)于吸血蝙蝠行為的研究等,用以描述通過給予、共享或者容許以獲得好處的行為,此后被引入社會學、經(jīng)濟學和其他自然科學領(lǐng)域中。近年來在無線通信領(lǐng)域內(nèi),隨著網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的發(fā)展由完全集中式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榉植际脚c集中式相
6、結(jié)合,各種協(xié)同技術(shù)在無線通信系統(tǒng)中的應用與研究也日益廣泛。對協(xié)同中繼系統(tǒng)的研究最早可以追溯到40年前。首先,VanDerMeulen在1968年提出三終端中繼信道并初步推導了該信道容量的上下極限(即容量的上下界)。隨后,Cover對VanDerMeulen的研究進行了拓展,做出了不少標志性的貢獻,其中很多成果迄今仍在廣泛使用。但是,到了20世紀80年代,有關(guān)協(xié)同中繼系統(tǒng)的研究逐漸減少,直到21世紀初才再次引起研究者的廣泛關(guān)注。根據(jù)協(xié)同中繼節(jié)點對接收到信號處理方式的不同,Laneman提出并分析了協(xié)同中繼系
7、統(tǒng)的4種常用協(xié)議:放大轉(zhuǎn)發(fā)(AF)、解碼轉(zhuǎn)發(fā)(DF)、選擇性中繼和增量中繼(IR)。Hunter在此基礎(chǔ)上進一步提出了編碼協(xié)同(CC)協(xié)議,其本質(zhì)上是解碼轉(zhuǎn)發(fā)的一種特例,并可與分布式空時編碼(DSTC)結(jié)合起來使用。同時,Sendonaris系統(tǒng)地提出并定義了“用戶協(xié)同分集”的概念,給出了兩用戶互為協(xié)同中繼節(jié)點的系統(tǒng)模型及其性能分析。在上述研究的基礎(chǔ)上,近年來出現(xiàn)了大量的針對協(xié)同中繼系統(tǒng)空中接口的研究,考慮到射頻器件實現(xiàn)難度和成本等因素,大多數(shù)研究集中于實用性較好的半雙工協(xié)同中繼系統(tǒng)。所謂半雙工協(xié)同中繼系
8、統(tǒng),是指該系統(tǒng)的協(xié)同中繼節(jié)點在相互正交的某種資源(時間或頻率等)上接收和發(fā)送信號。具體的研究主要集中在以下幾個方面:分布式空時編碼設(shè)計[6]、協(xié)同中繼節(jié)點選擇[7]、協(xié)同中繼系統(tǒng)的功率分配[8]和協(xié)同中繼系統(tǒng)中的跨層優(yōu)化[9]等。從已有的研究成果中可以看到,相對于無中繼的直接傳輸方式,引入?yún)f(xié)同中繼節(jié)點的半雙工協(xié)同中繼系統(tǒng)在改善傳輸可靠性的同時,也付出了相應的代價,例如中繼節(jié)點進行轉(zhuǎn)發(fā)時需要占用部分時間或頻率資源,從而導致了系統(tǒng)
