通信信号处理第六章2013.ppt

第六章 协同通信信号处理 宽带业务需求对无线通信系统提出了更高的要求，在新一代移动通信系统（LTE、4G）中，均采用了MIMO技术 MIMO系统：无需占用额外带宽，就能增加信息传输速率、提高可靠性，但是 MIMO系统的性能提升是以增加收发信机射频链路为代价的 宽带通信系统必然工作在更高频段，这意味着电波传播的路径损耗变大、覆盖区域变小、组网代价增加 移动终端因受尺寸或硬件复杂度限制，安置多天线非常困难 第六章 协同通信信号处理 协同通信通过在源节点和目的节点之间引入中继信道，形成类MIMO链路，能够克服MIMO技术的应用障碍（体积、重量、功耗、天线等） 协同通信可以看作一种泛化的MIMO系统，利用无线信道的广播特性，各节点分布式地互助通信，通过适当的协同策略改善系统性能 协同（Cooperation）：一组实体协同工作以实现某个共同目标，核心思想是各实体通过贡献、共享资源以获取额外收益 协同思想在无线通信领域已有大量运用，如通信节点必须共同遵守的通信规约、资源共享应用等 第六章 协同通信信号处理 从通信角度看，协同分为隐式协同和显式协同两类 隐式协同是协同通信的第一层次：实体间信息交互不依赖预设协同架构，如TCP、ALOHA协议等，其特征是公平性，本质是零和博弈 显式协同基于预设网络架构，宏观通信实体进行协同中继或编码协同称为显式宏观协同，这是协同通信的第二层次；而当实体内部组件，如电源、天线等协同时称为显式微观协同，这是协同的第三层次 协同通信重点关注如何提高系统容量、降低中断概率和能耗等 第六章 协同通信信号处理 协同通信信号处理重点关注的内容： 协同分集：利用系统内多个用户天线组成分布式系统，处于不同位置的用户向目的节点转发的信号经历相互独立的信道衰落，获得分集增益。从信息论角度看，协同分集把MIMO技术应用到多天线受限的移动终端上，完成空间分集 协同中继：通过网络中不同用户节点中继接力传输，在扩展覆盖区域、消除盲区或弱区、降低组网成本、提高系统容量、改善小区边缘频谱效率以及灵活部署等方面具有显著优势 协同定位：利用网内用户之间相互协作定位，能获得更高的位置感知精度，并扩展定位覆盖范围 协同通信起源 协同通信技术起源于1979年Cover和Gamal关于中继信道技术的研究工作 研究表明：离散无记忆、加性高斯白噪声中继信道的容量大于源节点与目标节点之间的信道容量，且可以通过随机编码方案获得信道容量的下界 随机编码方案： 简易方案：中继节点不主动帮助源节点，而是通过减少干扰来帮助它 协同方案：中继节点解调译码接收信号，重构后发送 观察方案：中继节点量化接收信号，编码后发送 协同通信起源 协同通信技术源于中继信道技术，但与中继信道技术又不同 协同通信原理 基本思想：在多用户通信环境中，使用单天线的各相邻用户终端按照一定方式共享彼此的天线协同发射，从而形成一种类多天线发射的虚拟环境，以此获得空间分集增益，提高系统传输性能 融合了分集技术和中继传输技术的优点 形成了分布式虚拟MIMO系统（多个中继节点形成的虚拟天线阵列，节点间通过相互配合和信息互通，模拟MIMO技术的应用场景，实现联合空时编码传输方案） 克服了空间分集对相干距离的限制 无需增加节点天线数就能获得与多天线系统及多跳系统相近的传输增益 协同通信原理 协同通信在蜂窝移动通信系统中的应用：移动无线信道受到衰落影响，一个用户信号可以直接到达基站，另一路则通过另一个用户作为中继再到达基站，在基站形成分集接收信号 协同通信原理 协同通信在ad hoc网络和无线传感器网络中的应用：实现传输码率与传输功率之间折中 传输码率：每个用户传输自身比特和中继比特，似乎会要求更大的带宽，但每个用户会得到其它用户协作，能增加传输码率 传输功率：协同通信似乎要求每个用户使用更大的发射功率，但由于协作方式获得的分集增益，能降低用户传输功率，并保持同样的性能 协同分集 协同分集：借助协同伙伴的天线，与自身天线共同构造发射天线，利用多发射天线分集获得空间分集增益 优点：如果某时段用户没有信息发送，该用户资源只能闲置，但协同分集能实现用户资源的充分利用 缺点：如果用户资源没有闲置，用户既要传送自身信息，又要传送协同伙伴的信息，会牺牲一部分自身资源。当然，用户也通过协同分集利用了协同伙伴的空域资源 结论：只要合理设计协作方案，就能做到协同分集获得的增益大于付出的代价。因此，协同分集能有效利用网络资源，使整体性能更稳定 协同分集分类 依据协作对象不同分为：异构网间协同通信、同构网内协同通信 异构网间协同通信：由于历史的原因，目前的接入网络呈现出多种接入体制共存，不同网络的传输速率、覆盖能力、通信体制、接入方式等各有特点和优势。为了满足不同用户的多种应用需求，未来的通信网络必须将各种接入网整