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南京邮电大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
研究生签名：ｊ碴』匹尘ｋ日期：２笾金鱼丝南京邮电大学学位论文使用授权声明南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。本文电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布（包括刊登）论文的全部或部分内容。论文的公布（包括刊登）授权南京邮电大学研究生部办理。
研究生签名：楚垂尘虱导师签名．变墨圭日期．凇４Ｑ生。ｚ２南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论第一章·绪论近年来提出的多输入多输出（ｍｕｌｔｉｐｌｅ．ｉｎｐｕｔｍｕｌｔｉｐｌｅ．ｏｕｔｐｕｔ，ＭＩＭＯ）天线技术，通过在接收端和发射端同时安置多个天线，形成ＭＩＭＯ信道结构，可以充分利用空域资源，从而大幅度提高无线通信的信道容量。在实际系统中，多天线主要设置在基站，因为对于移动终端这样体积较小的设备，难以安置距离足够远的多个天线。为了解决传统空间分集技术在移动终端的多天线设置制约，Ｓｅｎｄｏｎａｄｓ等人在１９９８年首先提出一种新的空间分集技术协作分集（ｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅｄｉｖｅｒｓｉｔｙ）呲３１。它的基本思想是两个或两个以上的单天线移动终端通过中继彼此的信息，共享彼此的天线形成虚拟的天线阵列获得传输分集１４Ｊ。协作分集是一个崭新的研究领域，已经引起人们的广泛的关注，它的思想可应用于蜂窝移动通信系统、无线Ａｄｈｏｃ网络、无线局域网以及无线传感器网络等多种领域【５Ｊ。
１．１协作通信背景、研究现状及未来应用１．１．１协作通信研究的背景移动通信以其特有的灵活、便捷的优点符合了现代社会人们对通信技术的要求，成为２０世纪８０年代中期以来发展最为迅速的通信方式。现代移动通信技术从模拟调制到数字调制经历了三代：第一代移动通信系统（１Ｇ）以模拟式蜂窝网为主要特征，采用频分多址（ＦＤ凇）模
![01[共10页]](https://img.taocdn.com/s1/m/ec1f61219e31433238689340.png)
1协作通信是指，在多用户通信环境中，各邻近节点之间按照一定方式共享彼此的天线进行协作发送，从而产生一种类似多天线发送的虚拟环境，获得空间分集增益，提高系统的传输性能的通信方式。
作为一种新型无线传输技术，协作通信技术融合了分集技术与中继传输技术的优势，在不增加天线数量的基础上，可在传统通信网络中获得多天线与多跳传输的性能增益。
作为未来无线通信提高频谱效率的关键技术之一，近几年来无论是在研究领域还是工程界，协作通信都受到了广泛的关注。
1.1 协作通信技术研究的意义移动通信在近几十年来得到了迅猛发展，世界范围内的无线用户已经将近40亿，超过了互联网的15亿用户。
市场的不断扩大，需求的不断提高，促使无线通信系统在近几十年中得到了迅猛的发展。
从初期基于模拟信号处理技术的第一代移动通信系统，到如今已取得巨大商业成功的基于数字信号处理技术的第二代移动通信系统仅仅经历了不到半个世纪的时间，并且第三代移动通信系统（3G ）已经在欧盟和日韩市场上取得了很大的成功。
但是，尽管目前正在部署中的3G 高速数据传输系统宣称在下行和上行链路上分别能提供高达14.4Mbit/s 和5.7Mbit/s 的高速率数据业务，事实上这些峰值指标只能在信道环境非常理想的情况下才可能达到。
所以，3G 系统虽然能够提供基础业务，例如话音、数据通信和低速率无线互联网接入等，却没有能力满足更多交互式多媒体新业务的需求，因为这些业务要求的数据速率通常高达几十甚至上百Mbit/s ，例如多方视频会议、视频点播等。
为了更好地满足这些日益增长的需求，迫切需要能提供更高数据速率和更高频谱效率的宽带无线通信系统。
欧盟在第六框架计划中资助了一系列针对宽带移动通信系统的研究项目，例如Wireless World Initiative New Radio （WINNER ）项目等。
同时，各个国际标准化组织也已经开始进行宽带移动通信系统标准的讨论和制定工作。
例如，3GPP 组织于2004年12月正式开始了第三代移动通信（3G ）长期演进（LTE ，Long Term Evolution ）系统的标准化工作，并已初步完成空中接口部分[1]。
浅谈移动通信网络中的协作通信作者：张帆来源：《城市建设理论研究》2013年第32期摘要：传统的蜂窝移动通信为了获得更高的传输速率、更大的系统容量和QoS（服务质量），对小区的划分越来越小，基站的数量越来越多，使得运营商对网络的建设和维护的投入越来越多，降低了运营商的盈利能力，增加了运营风险。
为了合理地减小这些不利影响，而又不降低服务的质量（如高速、系统容量、覆盖范围等），协作通信技术应运而生。
本文就协作通信CoMP的相关问题进行了探讨，然后详细阐述了协作通信方式在移动通信中的应用。
关键词：移动通信网络；协作通信；动态协作；QoS；基站中图分类号：E965 文章编码：协作通信概述协作通信技术利用网络中闲置的天线资源作为信源的中继（Relay）协助转发信息，通过不同天线传输相同的数据达到空间分集的目的，以提高通信系统的可靠性，是继MIMO（多输入多输出）多天线技术之后无线通信领域内又一前沿研究课题。
协作通信技术对通信节点的天线数目没有要求，而是通过搜集网络中的闲置天线，形成分布式虚拟天线阵列（Virtual MIMO）协作传输数据，因此具有实际应用价值。
研究表明，在网络能量归一化的情况下，协作通信系统的性能明显优于直接传输的系统性能。
协作通信技术将成为未来移动通信和无线局域网的关键技术之一，也因为如此，它被 IEEE 802.16 等标准作为下一代无线通信系统的主要技术之一。
近年来，为了提高数据的传输速率、容量、QoS（服务质量），蜂窝小区的覆盖半径不断减小。
越来越多的微微小区导致基站数量迅猛增加，整个通信系统的部署成本、维护成本也大大增加。
一个行之有效的办法就是将协作通信技术应用到移动通信系统中。
CoMP的相关问题探讨对于上行CoMP 而言，用户终端（MS）所发送出去的上行信号可以有多个基站进行接收，而且用户终端无需明确的了解所发送出去的信号在基站处的实际接收与处理过程，只需要知道与上行信号有着密切联系的下行信令是怎么给提供出去的。
协同多点传输技术综述摘要协同多点（CoMP）传输技术是下一代无线通信LTE-A的核心技术之一。
该技术通过多个传输点之间的合作为终端用户提供高性能的数据服务，对于实现系统整体性能的提升和小区边缘用户的服务质量的改善都有着非常重要的意义。
本文首先介绍CoMP技术的实现背景，其次对该技术的主要实现方式和应用场景进行详尽描述，最后通过仿真结果给出CoMP技术的性能特性，并讨论CoMP技术在实际应用中存在的问题。
1.引言随着无线数据业务的发展，特别是移动互联网、物联网时代的到来，如何提供高速、高质量的无线数据传输服务成为当今移动通信领域的所面临的重要课题。
同时，由于无线频谱资源的有限性，如何提高单位频谱的利用率无疑是解决高速无线数据传输问题的核心所在。
在第三代合作伙伴（3GPP）提出的长期技术演进（LTE）版本8（Release 8）中，通过使用正交频分复用技术和多天线（MIMO）技术使的系统容量大幅提升，并且实现全网基于IP协议的分组交换技术[1-2]。
然而，虽然LTE系统在小区内使用OFDM技术能够有效的避免小区内的同频干扰，但LTE 多采用同频组网，小区边缘用户很容易受到相邻小区的干扰，导致小区边缘用户性能较差[]。
为了进一步满足国际电联（ITU）对第四代无线通信系统的要求，3GPP在2008年3月正式开始了LTE-Advanced的研究项目阶段。
相对于LTE，LTE-A中引进了几项关键技术如载波聚合，增强型多天线，中继技术和协同多点（CoMP）传输技术。
其中，CoMP技术作为改善小区边缘用户服务质量，提升系统整体性能的关键技术引起了业界的广泛关注。
CoMP技术又称为“网络MIMO技术”、“多小区MIMO技术”或“多小协作技术”[3]。
该技术的核心思想是通过处于不同地理位置的多个传输点之间的合作来避免相邻基站之间的干扰或将干扰转换为对用户有用信号，以合作的方式实现用户性能的改善。
2008年5月的3GPP RAN1-#53次会议上，CoMP作为一项新型技术被正式提出并讨论。
协作通信系统基本理论研究摘要：无线通信发展至今，人们对无线传输的数据速率和服务质量的要求不断提高。
与主要传送语音业务的第一、第二代无线通信系统不同，第三代及第四代系统的主要业务将变成多媒体宽带数据业务，这就要求系统支持100m-1gbit/s 乃至更高的数据传输速率。
因此，进一步扩大信道容量、改善通信质量成为目前国内外学术界普遍关注的问题。
协作通信作为一种新型的通信模式越来越受到人们的关注，它通过不同网络元素之间的相互合作来实现网络资源的共享，进而提高传输可靠性和系统吞吐量，有效改善用户的服务质量，因此受到了广泛的关注。
关键词：协作分集误码率 mimo技术中图分类号：tn92 文献标识码：a 文章编号：1007-0745（2013）03-0021-011、协作通信技术的研究意义随着无线电通信时代的发展，人们对无线传输的数据速率和服务质量的要求也不断提高，因此寻求进一步扩大信道容量、改善通信质量的新技术是国内外学术界普遍关注的问题。
近年来提出的多输入多输出（mimo）天线技术可以提供分集增益，从而对抗多径衰落。
因此，mimo技术得到越来越广泛的应用。
但是某些设备由于尺寸大小或者硬件复杂度以及成本的原因一般仅有单根天线。
为了改善这种情况，一种新的分集技术——协作分集，该方法可以使具有单根天线的移动台获得类似于mimo系统中的某些增益。
其基本思想是在多用户环境中，具有单根天线的移动台可以按照一定的方式来共享彼此的天线，从而产生一个虚拟mimo系统，从而获得分集增益。
协作通信的出现，在保证较小的布网开销的条件下，极大地提升了系统性能，因此，协作通信技术作为未来移动通信系统的关键技术已受到了广泛的关注，协作通信技术不仅可以改善小区边缘用户的通信质量、扩大小区覆盖范围、消除覆盖盲点，还可降低网络运营成本和投资风险，有利于3g网络向4g网络的平滑过渡。
2、协作通信的相关技术在协作通信技术的基础理论研究的基础上，近年来出现了大量关于协作通信技术更深层次的研究，包括多个节点间的协作通信传输方式额协作通信与其他技术的结合等。
无线通信网络中协作通信策略研究随着无线通信技术的不断发展，无线通信网络已经成为现代社会不可或缺的一部分。
然而，由于无线信道的特殊性质，如信道衰落、干扰和多路径传输等，使得无线通信网络面临着一系列的挑战。
为了解决这些问题，协作通信策略成为了一种重要的解决方案。
本文将对无线通信网络中的协作通信策略进行深入研究，并讨论其意义和应用。
首先，我们来介绍一下协作通信策略的基本概念。
协作通信策略是指在无线通信网络中，通过多个节点之间的协作来提高通信性能的一种策略。
在传统的无线通信网络中，节点之间通常是通过直接的点对点连接进行通信。
然而，由于信道干扰和衰落等问题的存在，直接的点对点连接往往无法满足通信的需求。
而协作通信策略通过引入其他节点的帮助，以提高通信质量，提高网络容量和覆盖范围。
在协作通信策略中，节点之间的协作可以通过两种方式实现：一种是基于中继的协作通信，另一种是基于群体的协作通信。
基于中继的协作通信中，一个或多个中继节点被引入到通信链路中，以提供额外的传输路径，从而减小信号传播的损耗和干扰。
这样的协作通信策略可以有效地改善无线信道的质量，并提高通信系统的性能。
而基于群体的协作通信则是通过多个节点共同传输与接收数据，以提高信号的可靠性和覆盖范围。
在这种策略下，节点之间通过空间多样性或时间多样性来共同工作，从而抵消了信道的衰落和干扰。
协作通信策略在无线通信网络中有着广泛的应用。
其中最重要的应用之一是提高网络的容量和覆盖范围。
通过引入中继节点或群体协作，可以将传统无线通信网络的单一传输路径拓展为多个传输路径，有效地提高了网络的数据传输速率和覆盖范围。
此外，协作通信策略还可以用于提高无线传感器网络的能量效率。
在无线传感器网络中，节点的能量是非常有限的，通过节点之间的协作，可以减少节点之间的通信距离，从而降低通信能量的消耗，延长网络的生命周期。
协作通信策略的研究也面临着一些挑战和问题。
首先，协作通信需要节点之间的密切合作和信息交换，这对节点之间的通信和计算能力提出了更高的要求。
协作通信技术研究与展望摘要：多输入多输出(MIMO)技术能够有效抵抗无线通信中多径衰落带来的影响，但是由于受设备尺寸、造价和硬件性能等条件限制，难以应用在实际的无线通信终端中。
协作通信技术通过利用单天线移动终端之间的相互协作，共享彼此的天线，形成一个虚拟MIMO系统，从而获得空间分集。
本文主要从协作通信技术的研究缘由、系统模型、协作策略、中继算法以及实现平台五个方面对近来的研究成果加以总结，并指出了未来的发展方向。
未来的无线通信系统需要提供更多高速率的多媒体业务和数据业务，协作通信的目的就是充分利用网络中的节点资源来帮助有通信需求的节点进行高速、可靠的无线通信。
1协作通信技术的研究缘由协作通信技术得以发展主要有两方面的因素：网络中空闲资源的存在和协作通信所能提供的增益。
1.1网络中空闲资源的存在以移动通信系统为例来说明无线网络中空余资源的存在。
某一时间段内移动通信系统中可能仅有部分移动终端有通信需求，因而网络中较多的移动终端处于空闲状态。
但是传统的移动通信系统将所有移动终端看成是互不通信的个体，从而使这部分空闲硬件资源被浪费掉；另一方面，移动通信系统中的移动终端往往具有差异性，如具有不同的计算处理能力以及不同的通信能力等。
若将这些移动终端看成是一个可以相互或部分相互通信的整体，则差异性的存在可使不同的移动终端在网络中承担不同的角色，从而有利于整个通信系统性能的提高。
因此，如何利用空闲资源来帮助有通信需求的移动终端进行有效通信便成为一个值得深入研究的课题。
1.2协作通信增益无线通信中，由于受带宽、传输功率的限制，加上无线信道的多径衰落，很难达到理想的传输速率和通信质量。
为了解决无线信道容量的瓶颈问题，人们提出了MIMO技术。
该技术通过在发射端和接收端放置多根天线，形成多个独立的发/收信道，从而达到利用空间分集来提高无线信道传输能力的目的，但是由于受设备尺寸、造价和硬件性能等条件限制，无线终端不一定支持多天线安装。
而协作通信技术能够利用无线信道的广播特性，允许单天线终端设备在多用户环境中通过一定规则共享其他用户的天线，形成虚拟天线阵列，使得同一信息能够通过不同的独立无线信道到达接收端。
研究表明[1]，协作通信可以提供全部的空间分集增益效果，即n 个参与协作通信的节点所提供的空间分集增益等同于信源节点具有n 个独立的发射天线所提供的空间分集增益。
2协作通信系统模型根据无线通信网络中是否存在空闲节点资源，可相应采用两种不同的协作通信模型，如图1所示。
当系统中存在空闲节点资源时，空闲节点可相互充当转发节点。
当系统中不存在空闲节点资源时，一方面该系统中的信源节点会牺牲部分资源(包括带宽、发射功率等)用于节点间相互转发信息，因而造成有效通信数据流量的下降；另一方面协作通信系统产生的协作通信增益会使系统中的有效通信数据流量增加，当由协作通信产生的正面效应大于负面效应时，系统便会相应获得性能增益。
图1(a)有空闲节点时的协作通信系统模型图1(b)无空闲节点时的协作通信系统模型3协作通信的策略根据现有的研究[1-2]，通常可以将协作通信策略按照信号处理的方式分为固定中继(Fixed-Relaying)、选择中继(Selection-Relaying)、增强中继(Incremental-Relaying)和编码协作(Coded Cooperation)。
其中固定中继协作策略包括放大转发(Amplify-and-Forward, AF)和解码转发(Decode-and-Forward, DF)两种。
3.1固定中继协作策略在AF策略中，转发节点接收信源所发射的带有噪声的信号，并将其进行功率放大，然后再转发至接收端。
接收端将信源和转发信号以一定的准则合并，并进行判决。
文献[1]中的分析表明了当信噪比较高时，采用该策略可以获得二阶分集增益。
该方案的优点在于：结构简单，进行转发时不需要对信息进行复杂处理，从而具有速度快、复杂度低的特点。
但是其缺点在于：用户间信道中的噪声也被放大转发，当协作用户之间链路较差时，放大的噪声将直接影响最终的判决。
为了避免由放大的噪声导致错误传播，研究者提出了DF策略。
在这种策略中转发节点将从信源节点接收到的信息进行解码，然后将解码后的信息发送至接收端。
由于这种方式在转发过程中消除了噪声的干扰，有利于接收端的最终判决，提高了系统传输的可靠性。
但是在用户间信道条件较差的情况下，也可能出现信息的误判，从而对系统的性能造成影响，不能得到完全分集。
3.2选择中继协作策略文献[1]进一步提出了选择中继策略和增强中继策略，两者均是DF的改进方案。
选择中继是根据信道条件采取自适应转发方式，当中继信道的增益低于一定门限时，取消中继节点的传输，由信源节点直接传输信号，此时系统等同于非协作通信系统。
该方案避免了用户间信道较差时引起的错误传播，但是协作节点也需要精确估计用户间信道信息，增加了信号处理的复杂度。
3.3增强中继协作策略在固定中继和选择中继两种协作通信策略中，由于转发节点重发信源节点所发送的信息而导致系统的带宽资源被浪费。
增强中继策略在接收端对源信号解码，并反馈1比特的解码判决信息到信源，由信源根据反馈信息决定是否继续进行协作，从而节省了系统的功率开销，提高了系统的频谱利用率。
该方案同样具有一定的复杂性。
3.4编码协作策略上述协作通信策略一方面都是基于重复转发的，从信道编码的角度看，并不能最好地利用可用带宽；另一方面为了在接收端得到最佳的最大似然检测，需要知道用户间信道的误比特率和信噪比。
为了解决这些局限性，有研究者提出了编码协作的概念[2]。
其基本思想是利用不同的信道传送编码冗余信息，相当于将空间分集与编码分集结合起来，不但获得了空间分集增益还可获得编码增益，从而进一步提高了系统传输的可靠性。
编码协作的优点在于能够直接利用现有的信道编码技术，无需用户之间的反馈。
但由于需要进行信道译码，这就增加了协作用户的编译码复杂度，以及相应的功率开销。
4协作通信中的中继节点选择在协作通信系统中一个至关重要的问题就是如何选择合适的中继节点，它甚至决定了协作系统是否可以带来增益。
在这方面已有研究人员做出了贡献，但是每种系统和算法都用来解决不同的问题并有不同的应用。
4.1中继节点选择算法的分类(1)算法执行方式算法的执行方式主要分为中心式和分布式。
中心式算法是指将所需要的信息传送到某一中心节点(例如：基站、AP等)，中心节点利用这些信息执行协作节点选择算法并将结果反馈给源节点和相应的协作节点。
中心式算法的优点在于从全局角度统筹规划，使得系统工作在全局最优状态，然而由于需要搜集相关的信息以及计算全局最优，因此会引入较大的通信开销和计算开销。
分布式计算则是依赖节点间的信息交换和协调，由节点自行判断是否协作和与谁协作。
分布式算法往往获得是局部最优解，但是分布式算法分散了通信开销和计算复杂度，而且分布式算法更加适用于无固定支持的网络(如Ad Hoc网络)。
(2)中继节点个数中继节点个数的确定是中继节点选择算法的热点问题，使用单个节点还是使用多个节点仍然是一个开放性问题。
使用单个中继节点进行协作使得接收端的硬件简单易于实现，并且没有损失分集阶数，单个中继节点选择需要知道各个信道的信道信息，并按照某种规则进行排序，从中选出最优的节点。
然而单个节点的处理能力和支持的功率是有限的，当信道处于深度衰落的情况下，单个中继节点无法完成源节点的服务质量(QoS)需求，而且使用多个中继节点也可以增加系统的复用增益，因此根据信道和中继节点的状态调整节点选择的个数的选择算法更加合理。
(3)协作的策略协作策略是协作通信系统中的重要参数，不同的协作策略也对中继节点的选择算法产生和很大影响，例如直接影响了中继节点选择算法的备选集合。
因此对于不同的协作策略要采用不同的中继节点选择算法。
另外我们可把协作策略选择和中继节点选择相结合，在同一个系统中自适应的使用不同的协作策略和中继节点选择算法。
(4)中继节点选择和其他协作资源的联合分配对于协作系统，中继节点仅仅是系统资源的一部分，因此目前的研究工作大都在将中继节点选择和其他资源分配联合考虑，例如功率，带宽等。
通过跨层联合设计这些系统资源可以使系统的性能得到较大的改善。
然而由于引入了更多的变量和优化目标，从而给系统设计带来了巨大挑战，在多数情况下使得系统最优问题成为非多项式(NP)难问题。
如何找到适当的联合优化参数以及设计可执行的渐进最优算法也是中继节点选择及其相关的资源分配算法应考虑的重点。
(5)应用场景当前的无线通信系统大都可以分为有固定设施支撑和无固定设施支撑两种，在有固定设施支撑的网络中(如：蜂窝网)，其通信形式基本呈现为多对一或多对一的通信，即多个用户到基站、基站到多个用户，此外网络中的中心节点对网络起到支配和管理作用，从而有利于资源的合理分配和中心式算法的执行。
而在无固定设施支撑的网络(如：Ad Hoc网络)中存在多对源和目的节点对，并且没有中心节点来进行管理，通信节点对之间呈现竞争关系，因此控制通信节点对之间的相互干扰是影响系统性能的重要因素也是设计的难点。
(6)中继节点属性在不同的网络中中继节点的属性也不尽相同。
中继节点可以是固定的也可以是移动的，可以是有源的也可以是无源的，有些装配单根天线而有些则装配多根天线，节点的属性不同直接影响了协同节点选择的策略。
在蜂窝网中，无论固定的还是移动的中继节点大多是有能量支持的，并且中继节点上大多可能配备多根天线，拥有相对较强处理和传输能力，因此可以将较多的工作转移到中继节点上进行，从而降低移动终端的复杂度和能量消耗，同时为移动终端提供较好的QoS 保障。
在自组织网络中，网络中所有节点属性基本相同，且大都使用电池供电，处理和传输能力也相对有限，因此在中继节点选择算法设计时应充分考虑节点的能量问题，在保证服务的条件下尽量延长网络的生存时间。
4.3 典型算法的介绍(1)基于协作增益的单节点选择策略中继节点选择算法的目的就是提高协作通信所带来的增益，文献[3]研究了编码协作中的中继节点选择策略，以端到端的误帧率作为标准定义了用户协作增益G：，式中Pno-coop为非协作传输时的误帧率，Pcoop为协作传输时的误帧率，因此当G >1时才使用协作，从而得到了能够带来增益的协作区域，并给出了中继节点选择的标准，即选择能够带来最大协作增益的中继节点参与协作。
该算法需要节点地理位置信息的支持，需要额外的硬件设备(如GPS)或运行相应的定位算法。
(2)基于瞬时信道状态的分布式选择策略无线信道的时变特性，使中继节点选择算法应具有一定的自适应特性，文献[4]中提出了一种分布式的中继节点选择算法，该算法和传统的802.11协议相结合，利用RTS和CTS分别估计源节点到中继节点和目的节点到中继节点之间的信道状态：和，中继节点收到该信道信息后进行判断，判断的准则为。
