第1章 引言

1.1 协同无线通信基本概念

1.1.1 未来无线通信的需求

近年来，随着无线移动通信用户数的增加和人们物质生活水平的提高，以提供话音业务为主的传统GSM和CDMA技术已逐渐难以满足用户需求。能够提供无线Internet业务和多媒体业务的第三代移动通信系统（3rd Generation，3G）的商用化进程正在我国紧锣密鼓地展开。无线通信行业的大发展带动了我国整个通信产业链的发展，信息与通信产业在我国国民生产总值中所占的比重也在不断地提高，逐渐成为国民经济发展的支柱型产业。

未来移动通信系统的峰值传输速率将提高一至两个量级以上，而可用于移动通信的频率资源却是极为有限的，必须加倍珍惜，精心设计。为在有限的频段上为用户提供更高的传输速率及更可靠的传输，需要采用全新的技术，使整个系统的频谱利用率较现有技术提高一个量级以上[3]。

在这样的背景下，多天线技术在无线通信中的应用显得越来越重要。回顾无线通信的发展历史，从移动通信系统的蜂窝化和无线通信中应用天线分集开始，对空间资源的利用一直是提高无线系统频谱利用率的有效手段。在过去的50年里，人们对多天线技术的认识与将其用于提高频谱利用率的应用在不断深入和发展。从早期利用多天线空间分集和天线极化分集改善无线链路传输性能，到基于自适应信号处理方法开辟自适应天线阵列处理理论，以及智能天线（Smart Antenna，SA）、空分多址（Space Division Multiple Access，SDMA）技术被用于蜂窝通信，再到今天——国内外众多研究学者广泛关注在发送端和接收端同时使用多个天线阵元的多入多出通信结构，从而实现了多个数据流在相同时间和相同频带的传输和接收[3～12]，提高了频谱利用率或传输可靠性。

1.1.2 无线通信标准的演进

文献[1]给出了各种无线通信标准的演进过程，以及各种标准对传输数据速率与移动性的要求。从图1-1中可以看出，目前的演进目标是在2010年达到峰值速率为1 Gbps，频谱效率为5～10 bps/Hz，实现无缝覆盖和高频谱效率的无线传输。

IMT Advanced是未来各种移动通信标准的演进目标，现在移动无线技术的演进路径主要有3条：

（1）WCDMA和TD-SCDMA，二者均从HSPA演进至HSPA+，到LTE/LTE Advanced；

（2）CDMA2000沿着1xEV-DORev.0、1xEV-DORev.A、1xEV-DORev.B，到UMB/UMB Adanced或LTE/LTE Advancd；

（3）802.16e演进到802.16m。

IMT Advanced的最终目标将是实现大容量、高数据速率、每比特传输低代价、大范围增强覆盖、高频谱效率、更低的传输延迟、灵活的频谱利用和应用方案、支持增强型网络负载（如全移动视频）和有效支持不等小区负载等。

3GPP LTE Advanced Workshop关于频谱效率目标描述如下：

峰值：　　Uplink：[15] bit/Hz/s Downlink：[30] bit/Hz/s

平均：　　Uplink：[2] bit/Hz/s Downlink：[3.2] bit/Hz/s

小区边缘：Uplink：[0.05] bit/Hz/s Downlink：[0.1] bit/Hz/s

根据该描述，IMT Advanced需要明显改进小区边缘速率，这对用户无缝感受质量（Seamless Quality of Experience，Seamless QoE）非常关键。

从市场需求角度分析：很多运营商的调查报告指出，LTE（WiMAX）/IMT Advanced时代真正与3G有所区别的承载能力，不是体现在峰值速率上，而是体现在无线移动宽带能力上，有些运营商甚至将其目标量化为“Seamless 1 Mbps”。可以分析得出：若按照LTE Advanced规划的目标，小区边缘即使有20 MHz的下行传输带宽，也只能勉强满足要求。

从实现角度分析：小区边缘是切换的敏感区域，也是消耗大量终端和系统功率的区域，因此需要探讨在小区边缘性能和成本付出之间的折中，具体地：

● 提高小区边缘性能，但不以消耗大量的基站和终端功率为代价；

● 提高小区边缘性能，但不以牺牲非小区边缘性能（如小区总吞吐量和小区平均吞吐量）为代价；

● 提高小区边缘性能，但不以牺牲切换质量为代价。

从OFDMA技术标准802.16e的实践来看，目前还没有实现真正意义上的同频组网，同时孤立小区频谱效率较高而组网效率较低。同频组网除了有上面提到的小区边缘速率问题外，小区平均吞吐量也明显地降低。所以同频组网是目前OFDMA标准WiMAX和LTE所共同面对的最主要问题之一。

1.1.3 协同通信概念的提出

协同通信是指无线通信系统中，通过无线通信节点的部分资源共享实现系统容量或通信节点容量最大化的方法。常用方案有协同编码、协同调制、协同空时码、协作多点传输等方法。

作为一种分布式虚拟多天线传输技术，协同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实现，并获得多天线与多跳传输的性能增益。它可应用于蜂窝移动通信系统、无线Ad hoc网络、无线局域网以及无线传感器网络等多种场合，具有研究价值与意义。可以说，协同通信技术将是继多载波调制技术、多天线技术之后，可能会对未来无线通信的发展产生重大影响的一个研究热点。而且，协同通信技术非常灵活，可与现有多种技术相结合，突出各自优点。例如，与正交频分复用（OFDM）技术相结合，可以充分利用其抗频率选择性衰落的优点；与编码或者空时编码相结合，可以得到编码增益；与感知无线电技术相结合，能够提高频谱检测概率或者获得更多的频谱接入机会。本节主要讨论协同通信技术的发展历史与研究现状、协作方式及其关键技术。

协同通信技术的起源可以追溯到Cover和El Gamal在1979年关于中继信道的研究工作。中继信道模型是一个包括源节点、中继节点与目的节点的三点模型。这种模型可分解成为广播信道（源节点发送信号，中继节点与目的节点接收信号）和多址信道（源节点发送信号，中继节点将收到的信号处理后再进行转发，目的节点则接收来自源节点和中继节点的所有信号）。

研究表明，离散无记忆、加性高斯白噪声（AWGN）中继信道的容量大于源节点与目的节点间信道的容量。通过以下3种不同的随机编码方案可得到该信道容量的下界。

（1）简易方法：中继节点并不主动去帮助源节点，而是通过尽量减少干扰来帮助它；

（2）协同方法：中继节点先完全译出源节点发出的信息，然后重新发送；

（3）观察方法：中继节点对收到的源节点信息的量化形式进行编码后发送。

这些随机编码方法成为协同通信系统中各种中继节点信息处理方式产生的源泉。

协同通信技术源于中继信道，但在很多方面又区别于中继信道。首先，协同通信技术应用于衰落信道中，主要目的是对抗多径衰落，而中继信道分析的则是AWGN信道的容量；其次，中继信道中设置中继节点的唯一目的就是帮助源节点发送信息，而在协同通信中，整个系统的资源是固定的，各用户既可充当中继节点帮助源节点发送信息，又可作为源节点发送自己的信息。因此，协同通信技术与中继信道研究的侧重点有所不同。协同通信技术的基本思想是在多用户通信环境中，使用单副天线的各临近移动用户可按照一定方式共享彼此的天线协同发送，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，提高系统传输性能。这种传输方式融合了分集技术与中继传输的技术优势，形成了分布式的虚拟MIMO系统，克服了相干距离等限制，在不增加天线数目的基础上，在传统通信网络中可获得与多天线及多跳传输情况下相近的传输增益。所谓虚拟MIMO指的是：在协同通信系统中，多个中继节点本身可自然形成虚拟的天线阵列，节点间通过相互配合和信息互通，模拟传统MIMO技术的应用环境，从而实现联合空时编码的传输方案。与此同时，目的节点不仅接收来自源节点直接发送的信号，同时还接收来自中继节点转发的信号，并根据无线链路传输状况和信号质量，选取不同的合并方式进行处理，从而最大限度地利用有效信息，获得分集增益并有效地提高数据传输速率。

自Sendonaris等人从1998年提出协同通信的概念以来，各国相关的研究方兴未艾。国际上，许多相关课题已经或正在展开。例如，无线世界研究论坛（WWRF）已经成立了关于中继的分组委员会，专门开展对此项技术的研究，并发表了相关研究的白皮书。2004年1月1日，欧盟在第六个框架程序中启动了WINNER项目，其目的是研究一个无处不在的无线系统，在性能、效率和覆盖灵活性上更加优于目前的系统，同时，该项目中也包含了基于中继的概念。很多知名国际期刊、会议也单独列出子方向对协同通信技术进行报道，如IEEE主办的Communication Magzine等杂志，ICC、WCNC、GlobleCom等会议。2006年， Springer也出版了由众多学者合作的关于协同通信技术的专著。

世界已有多所大学的实验室开展了这方面的研究，例如，瑞士皇家科学院通信技术实验室无线通信课题组的研究项目Cooperative MIMO Wireless Network、欧洲通信委员会组织的项目IST-ROMANTIK等。当然，还有更多大学的学者在协同通信技术方面做出了卓越贡献，如麻省理工大学的J.N.Laneman博士、美国Polytechnic University的E.Erkip副教授、英国伦敦大学King学院的M. Dohler副教授、美国德州大学多媒体通信实验室的T.E. Hunter博士和明尼苏达州大学的M.O.Hasna博士等。

在无线通信系统中，通信节点间的协同会涉及用户的电池消耗、通信资费、用户隐私等问题。从系统的角度，最被看好的协作通信方式是基于传输基站的协作多点传输（Coordinated Multiple Point，CoMP），它正是围绕IMT Advanced的目标而提出的，通过基站内不同射频接入点（RRU）协作、基站和其所属中继协作以及基站间协作等多种多点协作方式，减少小区边缘干扰，提高小区边缘频谱效率，增加有效覆盖。单站点多天线技术或者非CoMP类技术可以增加数据传输速率，但是并不能显著提高小区边缘的性能，而且多天线技术的很多工作模式，如复用、波束成形普适性并不是很好；而通过多点协作，可以构成虚拟MIMO （VMIMO），可增加小区边缘性能，对终端要求也不是很高。这是协同通信在无线通信系统应用中的典型案例。

1.2 协同通信基本方案

协同通信在某些方面与中继相似，其主要的不同在于：在协同通信中，每个无线用户既是传输信息的信源，同时又为协同伙伴充当中继。换句话说，在协同协议设计中，必须让各用户既可以帮助其他用户传输数据，又能够传输自己的数据。虽然这一目标在近期似乎很难实现，但有理由相信，经过一段较长时间的努力，最终可以实现。

协同直接导致了码率分配和传输功率分配的问题。以功率为例，为了协同，每个用户需要用掉更多的功率或能量，因为他不仅要传输自己的信号，还需要传输其他用户的信号。但是，由于用户可以从协同中获得分集增益，从而在保持相同传输性能的同时，能够降低对传输功率的要求。所以协同的一个目的是在保持传输性能不变的情况下，降低整个网络的功率消耗。

另外，协同通信在传输速率上也面临与上述功率问题相类似的问题。在协同通信中，各用户不仅需要传输自己的信息比特，而且需要传输其他用户的信息比特，那么各用户应该需要更多的带宽。但是，由协同分集带来的增益，可以提高各用户的频谱利用率，从而可以采用码率更高的信道编码，以此来抵消掉对更多带宽的要求。

从以上两个方面可以看出，协同通信的一个关键问题是，协同分集带来的增益是否能够抵消掉对功率和带宽的额外需求，同时获得系统的性能提升或节省传输资源。综观协同分集的研究历史，许多工作其实都是为了对这一问题进行分析、诠释与求解。

下面我们对两类主要协同的协同方式做一个简单介绍。这两种方式是：放大前传（Amplify-and-Forward，AF）和解码前传（Decode-and-Forward，DF），也有文献将DF称为检测前传（Detect-and-Forward）。图1-2将这两种方式做了一个简单比较。

放大前传是最简单的协同方式。每个用户接收到协同伙伴的信号（含信道噪声）后直接将该信号放大并发射出去。基站经合并从两个用户发射过来的信号后再做判决。虽然在放大前传时，噪声和信号一起被放大了，但是，基站仍然收到了经过两个相互独立信道衰落的信号版本，提高了接收的性能。

Laneman等人首先提出了放大前传这种协同方式[27]。他们计算了无编码放大前传的比特错误率，并且证明了：尽管噪声和信号一起被协同伙伴放大并传输，但与非协同方法相比，放大前传仍然具有较高的性能增益。文献[28，29]扩展了这一工作，他们推导出了在准静态瑞利（Rayleigh）衰落信道下放大前传协同方法的断线率，并得出了在两用户协同中，放大前传协同方法可以获得两阶分集的结论。

解码前传是指协同用户试图检测并解码接收到的协同伙伴的数据，然后前传对该数据的估计结果。解码前传主要有两种类型，一种是在中继处不进行循环冗余校验（Cyclic Redundant Check，CRC），而直接前传有可能判决错误的数据，简称无校验DF协同；另一种是在中继处进行循环冗余校验，根据校验结果决定是否前传数据，简称有校验DF协同。

最早提出解码前传的是Sendonaris、Erkip和Aazhode，他们将解码前传应用到CDMA （Code Division Multiple Access）系统中，并推导出了可以达到的传输速率范围和断线率。

在文献[28，29]中，Laneman、Wornell和Tse研究了解码前传协议的断线率，他们将用户间信道的断线（信噪比低于特定速率要求）定义为系统断线。换一种说法，如果用户没有成功检测协同伙伴的数据，就称为发生了断线。经过分析推导，他们得出了这种方法只能获得一阶分集的结论，甚至很多时候比非协同方式性能更差，理由是用户可能传输错误估计的协同伙伴的数据。

在无校验解码DF协同中，当用户接收协同伙伴的数据发生错误时，会导致错误比特的前向传播，从而导致基站进行数据检测时出错。为了减少这种情况带来的损害，文献[33]提出了一种考虑用户间信道比特错误概率的最优合并方法，该方法根据用户间信道比特错误的概率大小来调整从中继用户处接收信号在合并中的权重，从而得到最优的检测结果。Laneman和Wornell得出了类似的结果[27]。但这样的检测方式要求信宿必须在某种程度上知道用户间信道的错误比特概率。

减少这种情况带来的损害的另一种方法是避免错误传播，Laneman、Wornell和Tse在文献[28，29]中提出了一种混合解码重传方法（Hybrid Decode-and-Forward）。在该方法中，当用户间瞬时信噪比较高时，用户解码并传输协同伙伴的数据；而当用户间信道信噪比较低时，则回到非协同模式，传输自己的数据。文献[28，29]证明了这样的解码前传传输方法和放大前传一样可以获得两阶分集。除了检测信噪比以外，还有一种更为简单的方法，就是用户传输数据时加入循环冗余校验比特，这样协同伙伴在接收完数据后可以通过CRC校验来判断是否接收正确，从而决定是否前传数据[28]。这种方式就是有校验解码DF协同。

1.3 协同通信的研究现状和主要研究方向

协同通信提出以后进行了很多的研究，主要集中于协同分集容量研究、协同分集性能分析、协同分集信号设计、协同通信中的功率分配、协同伙伴选择等几个方面。本节对协同通信中的几个主要研究热点及研究现状做简单介绍。

1.3.1 协同分集容量研究

最早对中继信道的容量的研究开始于Cover和El Gamal，他们得到了退化中继信道的容量及普通中继信道容量的上下界[21]。但是没有得到普通中继信道的确切容量。在无线通信中，由于节点一般不能同时收发信号，所以更多的研究集中于信道被划分为正交子信道的情况[28，32]。文献[34]研究了多入多出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）中继信道的容量，得到了高斯信道和Rayleigh衰落信道条件下的各态历经容量上下界，并证明了在某些特定的信噪比条件下，Rayleigh衰落信道条件下的容量上下界重合。文献[35]证明了具有正交组成部分的离散无记忆中继信道的容量等于最大流最小割上界（Max-Flow Min-Cut），并将结果扩展到了频分高斯信道。文献[36]研究了三节点无线中继信道在Rayleigh衰落环境下的容量，该文假设发射节点能够得到信道状态信息（Channel State Information， CSI），得出了断线率以及各态历经容量的上下界。文献[37]首先将中继信道容量的结果扩展到了发射端知道部分信道信息或发射端可以联合操作等情况下多天线Rayleigh准静态衰落信道，然后进一步将结果扩展到了多源或多目的节点的情况。文献[38]假设源到中继及目的节点的信道和中继节点到目的节点的信道为正交高斯信道，以优化信道容量为目标研究了两信道之间的资源分配问题。文献[39]研究了两用户互为中继的广播信道的容量区域，证明了中继或用户间协同可以有效提高广播信道的容量。在文献[40]中，作者研究了中继信道在低信噪比区域的断线率容量，由于普通放大前传（Amplify Forword，AF）在这一区域的性能较差，作者提出了一种新的Bursty Amplify-Forward方法，并证明了该方法能够达到断线率容量。文献[41]得到了无直接链路情况下AF MIMO中继信道的各态历经互信息。

从上述文献中可以看出，中继和协同分集在各种应用场景下对通信容量的提升已经逐步得到证明。

1.3.2 协同分集中的编码技术

协同分集的目的是有效利用空域分集，因此空时编码技术在协同分集中的应用自然成为一个研究热点；同时，由于协同分集自身的冗余特性（二次或多次传输），如何更加有效地利用信道编码也是一个必须解决的问题；另外，协同分集技术与网络编码技术的结合作为一个新兴课题也得到了广泛的关注。

对空时编码在协同分集中的研究分为两类：一类直接由中继传输构成空时码，不考虑源到目的节点的链路[42～47]；另一类则在考虑了源与目的节点的直接链路的基础上进行研究[48～60]。

文献[42]中，作者将线性弥散码（Linear Dispersion Code，LDC）引入多中继分集中，通过误对率（Pairwise Error Probability，PEP）分析得出了当各中继均只有单天线，信噪比趋于无穷大时，其分集度为中继个数R；接着在文献[43]中，将文献[42]的结果扩展到了源与接收节点均为多天线的情况。文献[44]研究了正交和准正交空时码在无线中继信道中的应用，证明了分布式空时码可以获得比选择中继DF更好的性能。文献[45]构造了一类能够获得满分集的具有更低复杂度的代数空时码。文献[46]研究了在与文献[43]类似的条件下非相干差分空时码的设计，并得出其最终可以获得的分集阶数为源与接收节点天线数的较小值与中继节点数的乘积的结论。文献[47]分析了两个中继节点AF分布式Alamouti空时码的误码率性能及分集度，分析了分布式中继空时码与传统空时码分集度的差异。

文献[48]考虑了源与目的节点的直接链路，并在此条件下得出了达到最优分集复用折中的基于AF的空时编码。文献[49]提出了一种新颖的格子编解码设计，并将其应用于AF和DF协同分集，在保持适中的复杂度的同时，获得了较大的性能提升。文献[50]分析了多中继情况下，AF协同的渐近误对率性能，并通过对编码增益的优化设计出了近似最优的预编码方法。文献[51]提出了一种协同差分空时编码方法，并研究了其分集增益，然后通过优化功率分配的方法使分集增益最大化，从而优化系统的性能。在文献[52]中，作者对事先并不知道参与协同的中继节点数的情况的空时码进行了设计与优化。文献[53]将三种传统空时码（见文献[54～56]）的均衡方案扩展到了基于放大前传的协同空时编码情况，得到了分布式时间反转（Distributed Time-Reversal，D-TR）空时块码，分布式单载波（Distributed Sigle-Carrier，D-SC）空时块码，分布式正交频分复用（Distributed Orthogonal Frequency Division Multiplex，D-OFDM）空时块码，并研究比较了它们在频率选择性衰落信道中的性能。文献[57，58]研究了一类非正交放大前传协议（Generalized Non-orthogonal Amplify and For ward，GNAF）：文献[57]得到了GNAF的设计准则，并且证明了GNAF协议同时具有延迟有效性和编码增益，另外，GNAF可以采用球形译码（sphere decoding）算法进行检测；文献[58]提出了几种低解码复杂度的GNAF码方案，并且分析了其分集复用性能。文献[59]推导出了具有一个或两个中继节点的AF Alamouti空时码的误码率性能界和近似误码率性能。文献[60]得到了AF分布式Alamouti空时码的确切误码率性能和级数近似表达式。

虽然空时编码可以带来较大的性能提升，但是，传统MIMO中的空时编码并不能直接应用于协同分集中，协同分集中固有的多点传输可能引起的异步传输、功率衰减等问题，均构成协同空时编码的设计障碍，需要更复杂的技术处理。

从信道编码的角度看，协同分集中简单的重复传输不能带来编码增益，不是一种高效的利用分集的方式，首先将信道编码引入协同分集的是Hunter和Nosratinia[63～66]，他们在协同分集中采用信道编码获得误码率性能的提升。文献[65]分析了编码协同的误码率及误帧率性能界，文献[66]推导出了编码协同的断线率性能界，揭示了编码协同与普通DF协同的内在区别。Stefanov和Erkip在文献[62]中研究了基于卷积编码的协同编码设计，他们将同一码字分割成两个部分，分别由源节点和中继节点传输，以获得编码增益。文献[61]将编码协同与空时编码相结合，推导出了误码率性能上界。

上述对于协同信道编码的研究表明，编码设计对协同分集的性能提升具有重要作用。

而在协同分集中也有和网络编码技术（Network Coding，NC）的结合，网络编码技术是一种可以有效提升网络吞吐率的新技术[67]，其基本思想是通信网络中的（中继）节点不是简单的对接收到的数据进行路由（前向传输），而是要对接收信号进行异或等操作后再传输。在文献[67]中，作者证明了在多播系统中采用网络编码技术可以在信源和信宿之间实现最小割（Min-Cut）容量。目前对于协同分集与网络编码的结合研究较少[68，69]，尚处于探索阶段。但从文献[69]中基于网络编码的编码协同研究结果可以看出，两者的结合可以获得很好的性能提升，具有较大的潜在应用及研究价值。

1.3.3 协同分集中资源分配研究

资源分配是无线通信中的关键问题，对于协同分集也不例外。在协同分集系统中，需要考虑源和中继节点对信道状态信息的了解程度，协同策略选择等问题，较为复杂。下面简单介绍一下这方面研究的现状。

文献[70]研究了无线传感器网络中的协同通信的带宽与功率分配问题，无线传感器网络的特点是中继节点数多，同时传输能量受限但可用带宽很大，该文分别研究了AF和DF模式下的功率和带宽分配及中继选择问题。在文献[71]中作者在蜂窝正交频分复用（Orthogonal Frequency-Division Multiple-Access，OFDMA）系统中，引入了一个定价变量作为权重因子，以此来进行跨层功率及带宽联合分配，同时进行协同策略和协同伙伴选择，获得了较大的系统性能提升。文献[72]研究了在源节点和中继节点仅知道各信道的信噪比均值时的AF协同分集最优功率分配问题，分别得到了最大化接收信噪比及最小化断线率的功率分配方法。

文献[73]研究了自组织网络中多中继节点情况下对容量和的优化，在得出了几种协同分集方法的最优功率分配方案之后，对各种协同分集方法进行了比较。在文献[74]中，作者研究了在考虑协同中的公平性的前提下，多源节点、多中继节点单信宿OFDMA系统的源、中继及载波联合资源分配问题，通过图论方法得到了优化算法。文献[75]研究了AF OFDM协同分集系统中，源节点与中继节点之一功率确定时，另一个节点的功率优化问题，以及源节点与中继节点功率之和限定时的功率优化问题。文献[76]研究了多跳协同传输链中最大化多跳分集的功率分配策略，同时考虑到自组织网络中的节点能量问题，与非协同策略相比较，该功率分配策略可以较大地增加网络的生存周期。

文献[77]研究了在源及中继节点知道平均信噪比及信道衰落分布的条件下，针对断线率的功率优化分配问题，得到了高信噪比区域各种协同分集方法的最优功率分配方案。文献[78]研究了能量受限自组织网络中多节点协同分集的资源分配问题，作者通过引入功率激励变量，来实现协同中各节点的公平性，并证明了具有公平性的协同分集可以带来累积通信吞吐量的提升。在文献[79]中，作者提出了一种多状态协同方法，不同的状态对应于不同的中继节点集合，同时在此基础上进行迭代能量分配，作者证明了该方法在保证节点公平性的同时，与普通协同相比能够带来更大的分集增益。文献[80]推导出了单中继节点时AF与DF协同的针对接收信噪比优化功率分配方法的闭合解及多中继节点时的次优解，并据此提出了一种分布式功率分配方法，与等能量分配情况相比获得了一定的性能增益。文献[81]研究了位置均匀分布的多节点DF协同的功率分配问题，其优化条件为各节点知道自己到目的节点的平均信噪比，优化目标为最小化断线率，限制条件为一次传输消耗的总功率固定，由于最优解的计算及应用复杂度较高，作者得到了一种接近最优的简单解，并获得了比其他优化分配方法较大的性能提升。

文献[82]研究了有服务质量（Quality-of-Service，QoS）限定时，AF及DF协同分集方法的资源分配问题，得出了一种可以较大提高性能的动态资源分配方法。在文献[83]中，作者研究了MIMO-OFDM AF协同中的子载波及空域功率分配方法；对于源和中继节点分别优化的情况，作者采用交替优化的方法来提升性能；另外，对于源和中继节点联合优化的情况，由于难以得到准确的理论结果，作者采用了高信噪比近似方法，得到了接近最优解。文献[84]在假设发射端知道完美信道信息的条件下研究了各种不同协同协议的断线率。文献[85]得出了少数反馈比特就能够大大提高AF协议的性能的结论。文献[86，87]研究了一种基于有校验解码前传（Decode and Forward with CRC）的自适应传输方式选择及功率分配方案。

从上述文献中可以看到，通过资源分配可以更好地发挥协同分集的作用，提升通信系统的性能。同时在自组织网络和传感器网络等应用场景中通过优化资源分配的协同分集，还可以起到延长生存周期的作用。

1.4 协同通信在无线通信中的应用简介

在无线通信中，协同通信最成功的应用就是协作多点传输，它是LTE Advance的最要的增强型传输技术，是解决小区边缘用户与平均吞吐率的有效方法。

所谓协作，是指协作单元[可以是eNB、Cell、站点（site）、中继站等]之间的资源联合调度、频率联合使用协商和干扰规划，以进行干扰避免和抑制、小区间干扰正交化、联合码字构造和PMI。

从图1-3来看，在一个eNB内部，通过自顶而下的定义来区分eNodeB内部的逻辑关系，包括Cell、Site（RF Access Point或RRU）、天线等。所谓自顶而下是指一个e Node B包括多个Cell，每个Cell包括多个Site/RRU，以此类推，多个RRU的基带处理部分放置在一起构成一个BBU。

根据参与协作的逻辑层面不同，协作可以分为：

● eNB间协作

eNB间协作是指用户能被不同eNB的分布式天线所服务。为了建立eNB间的协作，在eNB间一定量的信息交换是需要的，有两种方法可用于信息交换。

方法1：是在协作eNB间全共享信息。依据此方法，需要调度信息、动态信道知识用户数据需要全共享。当X2接口的延迟大于20 ms时，共享信息或许不能及时反映目前的状态，联合处理增益会丢失。

方法2：部分共享方案，协作eNB间半静态调度信息和信道知识共享，这个方法可以有较小延迟。由于没有瞬时信道信息和用户数据，eNB不能及时联合处理多点接收信号，因此，联合处理增益变得很难获得。

当然，对eNB间协作问题，可以考虑增强X2接口能力以降低X2的处理时间。

● eNB内的协作

eNB接收机的中心控制器从分布的接入点找回信息和分配资源来满足UE的Qos和优化网络性能。这种情形与eNB间协作有以下不同：由于中心控制器可以联合处理分布式的多点接收信号，与X2接口的延迟变为了一个eNB内的处理延迟，它远小于eNB间协作方案。它非常容易满足在eNB内多点协作的要求；没有复杂的协作信息需要通过X2接口。eNB的协作包括一个Cell内部不同Site的协作，该协作更多属于实现层面问题（如传统室内发布天线解决方案和MBMS Soft Combinng方式），而非标准化层面问题。

协作多点传输主要用在小区边缘部分，如图1-4所示，阴影部分为协作通信区域。

CoMP（Coordinated Multi Point Transmission/Reception）是协作多点传送/接收。其基本思想是通过允许多个eNB在back-haul链路协作的工作方式在多个eNB上进行空间分集来增强VE和正在服务的eNB之间的链路可靠性。CoMP的主要思想可从以下三个角度阐述。

（1）从干扰的角度

目前LTE（Long Time Evolution，3G长期缩进）探讨三种干扰消除（Interference Mitigration）技术——干扰随机化、干扰抵消和干扰协调/规避外的扩展，CoMP可以认为是一种新的干扰消除机制，是“变干扰为协作”。图1-5所示为非协作CoMP下，eNB1和eNB2分别为UE1和UE2服务，这样的方式导致eNB1和eNB2分别对UE2和UE1成为干扰源。CoMP可以根据目标存在两种工作方式，即“边缘速率目标型”CoMP及“平均吞吐量目标型”CoMP，分别如图1-6和图1-7所示。

从图1-6看，eNB1和eNB2分别通过传输信道H1和H2联合为UE服务，这种情况可以有助于改善用户边缘速率，图1-6可以认为是一种SU-CoMP模式。

从图1-7看，定义Hij为第i个基站为第j个用户服务，则图1-7的多点（Site）多用户（Multi-User）传输模式可以认为是一种MU-CoMP模式，其综合信道传输模式为：

上述传输矩阵的列向量之间的信道可分行构成多用户传输的基础。

（2）从组网角度

CoMP可以与目前LTE所采用的软频率复用有机结合起来。

对于上行链路，CoMP资源、小区之间ICIC协调资源和跳频资源协调如图1-8所示。区间A、B、C、D是原有的ICIC和跳频的频率协调结果，而CoMP是一个动态、半静态或者全静态占用的频率，依托于ICIC和跳频频率的协调结果，这样可以最大限度地避免与ICIC和跳频的资源利用的矛盾，可以实现以UE为中心的CoMP调度。CoMP的资源消耗不是全频带的，因为CoMP的使用是受限制的，正因为CoMP的主要应用场景是边缘用户，所以它的主要限制来自于SNR。

（3）从系统角度

CoMP远不只是多天线技术而是以多天线为核心的系统技术，包括CoMP模式选择、CoMP信令设计、CoMP体系结构。

本章小结

本章首先介绍了协同无线通信的提出背景、概念、基本方案；然后主要讨论了协同通信的研究现状和主要研究方向；最后简要介绍了协同通信在无线通信中的应用。