笔记《Distributed MIMO Technologies in Cooperative Wireless Networks》

MIMO 利用空间分集提高了无线通信性能。然而，由于终端尺寸的限制，传统的MIMO系统很难实现大的空间分集。
本文介绍了协作无线网络中分布式MIMO技术的最新进展。并对各种中继协议和协作策略进行了比较和讨论。
仿真结果表明，分布式MIMO系统能提供更大的空间分集，并能显著提高合作网络中的数据速率。

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随着对多媒体服务和网络相关内容（multimedia services and web-related content）的需求不断增加，高数据速率正成为下一代无线通信系统的主要特征之一（is becoming one of the major features in the next generation of wireless communication systems）。然而，信道衰落作为无线通信链路的固有特性，严重限制了数据速率的增长。

利用接收信号的分集特性是对抗信道衰落最常见、最有效的方法。通过在不同的时隙、不同的频带、不同的空间方向等多个独立的信道传输信号，接收机可以接收到不同的信号拷贝，从而采用优化的组合方案实现时间、频率和空间分集增益。

空间分集技术是特别有吸引力的，因为他们提供分集增益，而不招致额外的传输时间和带宽成本。传统上，空间分集是通过在发射机和/或接收机处使用多个天线来实现的，其中天线以一个波长数级为间隔排列在一起，称为 collocated MIMO。由于采用了分集增益， collocated MIMO 体系结构可以有效地提高系统的吞吐量和抗信道衰落。

然而，在实际的系统中，collocated MIMO （集中式 MIMO）技术的优点是有限的。造成这种限制的原因有两方面：

首先，空间相关性会导致性能下降。在一个 collocated MIMO 系统中，每个节点的天线必须放置得很近。在 collocated antennas 处的无线电信号经历了类似的散射环境，而且信道可能是相关的，特别是当发射机和接收机之间的视线信道占主导地位时。信道矩阵可能是 ill conditioned 的，导致显著的容量下降。
其次，由于终端尺寸的限制，节点不能配备很多天线。由于分集增益与天线数目成正比，天线数目少的 collocated MIMO 系统无法达到预期的性能。

为了缓解 collocated MIMO 系统的上述缺点，提出了一种新的分布式 MIMO （distributed MIMO）技术。分布式 MIMO 与 collocated MIMO 的主要区别在于，无线网络前端的多个天线分布在距离较远的无线节点之间。
在分布式MIMO系统中，每个节点只能配备一个天线。位于不同位置的多个节点将相同的信息发送给接收器。
这样，多个节点组成虚拟天线阵列，实现更高的空间分集增益。这种空间多样性称为用户协作多样性（user cooperation diversity），或简称协作多样性（cooperative diversity）。

在这篇文章中，我们提供了在协作无线网络中分布式 MIMO 技术的最新进展的详细研究。我们特别关注物理层技术，而不是更高层的设计。
本文组织如下。我们介绍协作系统（cooperation system）的基本概念。接着讨论了中继协议和协作策略。我们提出的仿真结果显示了一个具有完全用户协作分集和提高带宽效率的协作网络的有效性。最后，对本文进行了总结。

Cooperation Systems

一种协作无线网络由源、若干中继和目的地组成，如图1所示。

a source
a number of relays
a destination

由于我们在本文中处理的是物理层技术而不是更高的层协议，因此可以合理地假设网络中所有节点使用相同的多址资源（multiple access resources）。例如，它们在频分多址（FDMA）系统中使用相同的子信道。图1是一个实际网络的案例子集。它可以是蜂窝系统中的一个小区，也可以是网格网络中的一个频率相同的集群。

当建立通信链路传输信息时，根据一组规则或中继选择策略选择中继节点。通常在网络中考虑中继的位置、负载和端到端性能等指标。要完成此任务，需要使用跨层设计，这超出了本文的范围。

源与目的地之间的通信分为两个阶段：

信息共享：在信息共享阶段，源将其信息广播给中继和目的地。这一步是不可避免的，因为空间多样性只能通过独立传输相同的信息来实现。通过信息共享，所有中继从源获得信息，实现独立的数据传输。
协作传输：在第二阶段，该信息由中继转发到目的地。在此期间，源可以传输或保持不活动。由于中继是随机选择的，并且通常与其他中继分开很远，因此每个中继和目的地之间的信道很可能是不相关的。

在协同传输中，多个中继和一个源节点（每个源节点配备一个天线）构成分布式MIMO系统的虚拟天线阵列。这种分布式MIMO系统克服了collocated MIMO系统的尺寸限制和病态信道矩阵，从而实现了协同系统的优点。

在协同无线网络中，同信道干扰是一个严重的问题。当信息被转发到目的地时，存在着共路干扰，即不同中继的信号可能在目的地相互干扰。虽然目标干扰消除是一种可能的解决方案，但需要的算法复杂，性能可能不是很令人满意。常见的协同策略是通过在正交子信道中传输中继信号来避免干扰。正交性可以通过使用基于重复的策略或分布式空时编码(DSTC)获得：

对于基于重复的策略（repetition-based strategy），中继在不同的时隙转发信号：也就是说，在每个时隙仅仅有一个中继传送信息，而其他中继保持不活动。该策略易于实现，但带宽效率较低。
利用DSTC（distributed space-time coding），中继可以在同一时隙内转发信息。在时域和空间域上都建立了正交性。尽管基于DSTC的策略会导致更复杂的网络，但可以更有效地利用带宽。

然而，实现的分集不仅取决于协作策略，还取决于中继协议，它定义了中继的中继方法。下一节首先讨论中继协议，然后比较协作策略。

relay 协议

AF：最简单的中继协议是放大转发（AF）。在AF中，每个中继对接收到的噪声信号放大并将其转发到目的地。这种简单的处理有利于在高信噪比下具有全空间多样性的协作无线网络。由于在AF中噪声成分被放大，误码率(BER)性能可能会降低。为了优化AF系统的性能，基于信道系数自适应地选择放大参数。
DF：对于译码转发(DF)中继协议，中继首先对接收到的信号进行解码，然后将重新编码的信号转发给目的节点。译码可以完全在 bit 级进行，也可以部分在符号级进行。当信号源和中继之间的信道质量良好时，DF提供了误差相关能力，因此优于AF。然而，当信道链路遭受深衰落时，由于没有有效的方法来对抗衰落，译码会产生错误。这些错误将传播到目的地，导致整体性能下降。虽然DF本身不能提供完全的分集，但当更复杂的编码方案应用于中继时，它可以实现完全的分集。
为了减轻由 DF 引起的 AF 中噪声放大和误差传播的影响，Laneman 等人提出了另一种中继协议：选择中继（selection relaying）。在选择中继中，只有当衰落信道具有较高的瞬时信噪比时才采用AF或DF。否则，中继将暂停（挂起）转发。选择中继可以提供完整的空间分集。

协作策略

在协作的无线网络中，当中继协议被选定并且接收的信号被处理后，中继就准备好将信号转发到目的地。如前所述，可以采用基于重复和基于DSTC的正交中继作为协作策略。在本节中，我们将详细讨论这两种协作策略。