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网络编码在协作分集中的应用

王静  李颖  
【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。下一代无线移动通信将和以提供语音业务为主的前两代移动通信系统有很大不同,它将更多地提供高速率的多媒体业务和数据业务,因此要求系统必须采用更先进的算法进一步扩大信道容量,提高信息传输速率,从而改善通信质量。但是众所周知,无线信道具有的多径衰落特性是阻碍信道容量增加,影响无线通信传输速率与质量的重要瓶颈,如何克服多径效应便成为提高通信质量要解决的首要问题。分集技术是抵抗多径衰落的有效方式,可以通过在发射端发射多个信号样本,在接收端合并多个经历独立衰落的信号样本,以对抗无线信道中的衰落。常见的分集方式主要有时间分集、频率分集和空域分集,其中空域分集技术从不同的位置(天线)发送信号,在接收端得到经历独立衰落的多个信号副本, 可以有效地消除多径衰落的影响。由于空域分集不需要占用额外的时间和频带资源,并且可以和其它分集方式相结合,从而得到了广泛的关注。空域分集也称为天线分集,近年来提出的多输入多输出 (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,从而将传统通信系统中存在的多径因素变成对用户通信性能有利的因素,充分利用空域资源,大幅度提高了信道容量。 MIMO 技术在抗多径衰落,提高通信链路的通信速率和质量方面有着明显的优势,它的空域发射分集技术已经成为3GPP 的 WCDMA 标准协议。尽管 MIMO 多天线技术具有明显的优势,并已逐渐被新一代无线通信系统的主流协议采纳,但仍然存在问题。具体地讲,现有的多天线还只能设置在基站端,提高下行链路的通信质量。对于移动终端则很难安置多天线,这主要有两方面的原因:(1)移动终端对体积、质量和功耗的要求远比基站苛刻得多; (2)理想的 MIMO 多天线系统要求相邻天线之间的间距要远大于电波波长,并且多个收发天线之间的传输信道是独立的(至少是不相关的),而移动终端由于体积限制,根本无法做到这一点。为此,研究者一方面提出了等效天线阵和穿戴式天线的概念,另一方面则致力于研究相关信道下的信号设计。然而, 这些解决办法收效甚微,实际可获得的信道容量比理想值大打折扣。理想的MIMO多天线技术在实践中步履维艰。为了解决这个问题,一种全新的空域分集技术——协作分集应运而生,使单天线的移动终端也可以实现空域分集。其基本思想是在一个多用户的环境中。每个单天线的移动终端都有一个或多个合作伙伴,每个终端在传输自己信息的同时也帮助其伙伴传输信息。这样,每个终端在传输信息的过程中即利用了自己又利用了合作伙伴的空间信道,从而获取了一定的空间分集增益。现有的研究结果表明:在平衰落环境下,协作分集可以扩大系统容量,提高网络服务质量,改善系统性能。由于协作分集中的合作伙伴可以共享彼此之间的天线,从而形成虚拟的 MIMO 子信道,以此来模拟 MIMO 系统通信,协作分集技术将 MIMO 技术的实用化向前推进了一大步。网络编码是近年来通信领域的重大研究突破,使网络节点具有编码功能,进一步提高网络吞吐量。本文将网络编码技术引入到无线网络中的协作分集方案中,研究基于网络编码的协作分集性能。以及与传统协作分集方案相比获得的性能提高。从协作分集应用的不同网络环境角度出发,研究了不同网络结构下基于网络编码的协作分集技术。

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