多用戶(hù)協(xié)同通信與感知技術(shù)

羅　濤　郝建軍　樂(lè)光新

3協(xié)作感知模型及其對(duì)無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的影響

眾所周知，目前阻礙無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信系統(tǒng)發(fā)展的主要瓶頸在于無(wú)線(xiàn)信道的衰落特性與有限的頻譜資源。盡管感知無(wú)線(xiàn)電和協(xié)同通信技術(shù)目前都已在各自的研究領(lǐng)域里取得很大進(jìn)展，協(xié)同通信技術(shù)能夠提高系統(tǒng)的抗衰落能力，感知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)可以提高無(wú)線(xiàn)頻譜的使用效率，但這還不足以解決無(wú)線(xiàn)通信中存在的上述問(wèn)題。首先，協(xié)同通信技術(shù)雖然可以提高信道容量，但對(duì)頻譜未充分使用的狀況卻無(wú)能為力；其次，從信息論角度來(lái)看，傳統(tǒng)感知無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)中感知用戶(hù)(Ru)使用授權(quán)用戶(hù)(Lu)未使用的空閑信道進(jìn)行通信，這其實(shí)只是頻譜在不同用戶(hù)間的分時(shí)復(fù)用而已，不會(huì)帶來(lái)信道容量的增加。也就是說(shuō)各用戶(hù)的傳輸性能并不會(huì)得到改善。因此，自然的想法就是將感知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)與協(xié)同通信技術(shù)結(jié)合，發(fā)揮各自?xún)?yōu)勢(shì)，尋求對(duì)無(wú)線(xiàn)通信的解決方案，在提高頻譜使用效率的同時(shí)，盡可能地提高系統(tǒng)的信道容量或提升各用戶(hù)的抗衰落性能。從本質(zhì)上看，感知無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)亦可看作是LU與RU之間的一種協(xié)同合作：RU使用LU目前未使用的空閑信道通信，即LU不用時(shí)RU使用。實(shí)際上，感知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)和協(xié)同通信技術(shù)結(jié)合已成為一個(gè)研究熱點(diǎn)，也許這將為同時(shí)提高系統(tǒng)的抗衰落性能、信道容量、頻譜利用率和使用效率提供一種可能的解決方案。

3.1協(xié)作感知模型

目前，人們已經(jīng)開(kāi)始了協(xié)同通信技術(shù)和感知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)相結(jié)合的研究，且已取得一些有意義的成果。此外，多載波調(diào)制(MCM)技術(shù)將多用戶(hù)的接人與子載波的分配相關(guān)聯(lián)，利用離散傅里葉變換(DET)實(shí)現(xiàn)。故目前的感知無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)大都基于MCM構(gòu)建?；诖?，綜合考慮MCM、多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)和目前已有的一些結(jié)合模型(如Ghasemi和Devroye模型)并加以拓展，可概括出3種基于MCM的協(xié)作感知模型：協(xié)作頻譜檢測(cè)模型、協(xié)同通信模型和混合模型。各種模型中，RU用戶(hù)的接入與子載波分配相關(guān)聯(lián)，易于實(shí)現(xiàn)。RU和LU既可通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)分時(shí)復(fù)用頻譜，各自獨(dú)立進(jìn)行通信以提高頻譜使用效率，亦可通過(guò)協(xié)同通信技術(shù)，在提高頻譜使用效率的同時(shí)提高傳輸性能。因此，根據(jù)參與用戶(hù)的不同，感知無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)中的協(xié)作可分為RU用戶(hù)之間的協(xié)作和RU與LU用戶(hù)之間的協(xié)作兩大類(lèi)；根據(jù)實(shí)現(xiàn)功能，感知無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)中的協(xié)作又可分為協(xié)作頻譜檢測(cè)和協(xié)同通信兩大類(lèi)。

3.1.1協(xié)作頻譜檢測(cè)模型

協(xié)作頻譜檢測(cè)模型如圖10所示。由于衰落效應(yīng)、噪聲干擾等的影響，RU可能會(huì)出現(xiàn)頻譜的漏檢測(cè)或者虛檢測(cè)，造成對(duì)LU的嚴(yán)重干擾或降低使用效率。針對(duì)這一問(wèn)題，有兩種解決方案。方案一如圖10(a)示，LU可通過(guò)廣播或者有線(xiàn)方式告訴RU關(guān)于頻譜占用的情況。該方案可避免互干擾，簡(jiǎn)單易行，但需要LU的認(rèn)可，且在Lu與RU之間需附加專(zhuān)用控制信道。方案二如圖10(b)示，當(dāng)由于某些原因(如衰落、距離LU較遠(yuǎn)等)Ru。不能正確感知到空閑頻譜而RUk卻可以時(shí)，RU。和RU。之間可通過(guò)協(xié)作來(lái)提高Ru。的頻譜檢測(cè)概率，如進(jìn)行頻譜檢測(cè)信息交互，數(shù)據(jù)融合判決等等。

3.1.2協(xié)調(diào)通信模型

協(xié)同通信模型如圖11所示，也存在兩種方案，只不過(guò)這里的前提條件是RU已準(zhǔn)確感知到空閑的頻譜空洞。方案一如圖11(a)示，該方案基于感知干擾信道，LU作為源端，RU(可選其一或多個(gè))充當(dāng)LU的中繼協(xié)助LU轉(zhuǎn)發(fā)信息，其目的是加速LU數(shù)據(jù)的傳輸，節(jié)省其頻譜占用時(shí)間，從而使得RU在時(shí)間域獲得更多的頻譜接入機(jī)會(huì)。方案二如圖11fb)示，RUI!E為對(duì)方的中繼器，既可采用半雙工，亦可采用全雙工方式。半雙工方式中一般采用時(shí)分多址接入(TDMA)，中繼端(如RU。)無(wú)信息發(fā)送，只協(xié)助源端(如RUI,)轉(zhuǎn)發(fā)信息；全雙工方式中多采用碼分多址接入(cDMA)，RU間互為中繼器，既要發(fā)送自己的信息，又要轉(zhuǎn)發(fā)對(duì)方的信息。

3.1.3混合模型

混合模型如圖12所示，該模型最接近實(shí)際情況，它首先要進(jìn)行頻譜檢測(cè)，再進(jìn)行協(xié)同通信，且在不同階段選擇的協(xié)作伙伴可以不同。

綜上所述，引入?yún)f(xié)作分集思想后，可將感知無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)從時(shí)一頻兩維擴(kuò)展到空一時(shí)一頻三維，充分利用各種通信資源，盡可能地提高感知無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)性能。

目前。圍繞上述3種協(xié)作感知模型，人們主要在以下兩個(gè)方面展開(kāi)研究工作：

·協(xié)同感知系統(tǒng)：在感知系統(tǒng)中引人多用戶(hù)協(xié)作分集的思想，主要研究協(xié)同通信技術(shù)對(duì)感知無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)性能的影響和貢獻(xiàn)；

·感知中繼系統(tǒng)：在協(xié)同通信系統(tǒng)中引入頻譜感知技術(shù)，即各中繼端或協(xié)同伙伴均具有頻譜感知的能力，基于此主要研究頻譜感知技術(shù)對(duì)協(xié)同通信系統(tǒng)性能的影響和貢獻(xiàn)。

圖13給出了Rayleish衰落信道下使用圖12(b)中的混合模型時(shí)誤碼率對(duì)信噪比的仿真結(jié)果。仿真中假設(shè)各感知用戶(hù)自己的頻譜檢測(cè)概率均為0.9，協(xié)同通信中使用等功率分配算法，進(jìn)一步假設(shè)有n個(gè)感知用戶(hù)參與協(xié)作頻譜檢測(cè)，但只從其中隨機(jī)選取一個(gè)作為協(xié)同通信時(shí)的協(xié)作伙伴。為了便于比較，圖13中還給出了準(zhǔn)確頻譜感知情況下的性能曲線(xiàn)。由圖13易知，n=3時(shí)性能就已經(jīng)很接近準(zhǔn)確頻譜檢測(cè)的情況了。與無(wú)協(xié)作(n=1)相比較，誤碼率為10-3，n=3時(shí)混合模型可帶來(lái)約4 dB的好處。

3.2對(duì)現(xiàn)代無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的影響

從前面的分析可知，協(xié)同通信技術(shù)可提高通信系統(tǒng)的抗衰落能力，感知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)可提高無(wú)線(xiàn)頻譜資源的使用效率，兩者的結(jié)合將會(huì)對(duì)未來(lái)的無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等各方面帶來(lái)重大影響。

3.2.1對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的影響

(1)同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，可構(gòu)建分布式通信系統(tǒng)

眾所周知，多天線(xiàn)MIMO系統(tǒng)的信道容量隨著天線(xiàn)數(shù)量線(xiàn)性增加，所以多天線(xiàn)技術(shù)能夠大大提高無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的容量。但是，要獲得這些信道容量的前提條件是各天線(xiàn)之間要互相獨(dú)立，這就要求通信設(shè)備的天線(xiàn)之間的距離足夠大。并且周?chē)⑸潴w足夠多，因此單個(gè)通信設(shè)備上能夠安裝的天線(xiàn)數(shù)量受到了很大限制，系統(tǒng)容量的提升也是有限的。此外，隨著通信技術(shù)的發(fā)展，各種通信設(shè)備越來(lái)越智能化、小型化，這從另一方面增加了實(shí)現(xiàn)多天線(xiàn)的難度和復(fù)雜性。而協(xié)同通信技術(shù)在不增加各用戶(hù)天線(xiàn)數(shù)量的情況下，構(gòu)建了一個(gè)虛擬的MIMO環(huán)境。盡管這只是一種類(lèi)似MIMO的環(huán)境，但它同樣可以獲得分集增益，提升信道容量和傳輸性能。相比較而言，這種協(xié)同通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)要簡(jiǎn)單一些。例如，相互協(xié)作的基站可大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)的復(fù)雜度，更容易實(shí)現(xiàn)，性能上也要優(yōu)于無(wú)線(xiàn)協(xié)同通信系統(tǒng)。甚至于，互相協(xié)作的基站之間亦可以通過(guò)有線(xiàn)方式連接，而不會(huì)影響他們的傳輸性能。由此可見(jiàn)，協(xié)同通信技術(shù)為多天線(xiàn)技術(shù)提供了一種可

能的實(shí)現(xiàn)方案。由于這種方案中的多個(gè)天線(xiàn)并不是集中安置在某一個(gè)節(jié)點(diǎn)，而是多個(gè)節(jié)點(diǎn)互相共享各自原來(lái)的天線(xiàn)，為了區(qū)別于傳統(tǒng)的集中式系統(tǒng)，人們常稱(chēng)這種系統(tǒng)為分布式系統(tǒng)。分布式系統(tǒng)是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一，集中式系統(tǒng)和分布式系統(tǒng)互相補(bǔ)充，可為人們提供更高質(zhì)量的業(yè)務(wù)和更好的服務(wù)。

(2)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間融合，可構(gòu)建環(huán)境感知泛在通信網(wǎng)絡(luò)

基于環(huán)境感知，終端可實(shí)時(shí)自適應(yīng)地調(diào)整并接入到當(dāng)前能夠?yàn)槠涮峁┳顑?yōu)業(yè)務(wù)和最好服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)，這就是異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間的協(xié)同通信。顯然，通過(guò)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間的協(xié)同通信是完全可以構(gòu)建一個(gè)無(wú)處不在的泛在通信網(wǎng)絡(luò)的，如圖14所示。在這種環(huán)境感知泛在通信網(wǎng)絡(luò)中，首先要求終端應(yīng)該具有較高的智能性，這是實(shí)現(xiàn)的前提。其次，終端要能夠在不同接入網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行無(wú)縫的切換和漫游。由此可見(jiàn)，協(xié)同通信技術(shù)和感知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)是構(gòu)建環(huán)境感知泛在通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)?；趨f(xié)同通信和感知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的環(huán)境感知泛在通信網(wǎng)絡(luò)可使移動(dòng)用戶(hù)在不增加新投入的情況下，隨時(shí)接入到更優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)，享受到更好的服務(wù)。

(3)基于自由頻譜接人，可構(gòu)建對(duì)稱(chēng)感知無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)

其實(shí)，不論是上面討論的分布式通信系統(tǒng)，還是環(huán)境感知泛在通信網(wǎng)絡(luò)，其實(shí)都可能只是一種過(guò)渡方案。人們希望下一代的通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該是一種可以融合各類(lèi)業(yè)務(wù)的大通信平臺(tái)。對(duì)于未來(lái)的通信網(wǎng)絡(luò)，國(guó)際電信聯(lián)盟、3GPP和3GPP2等組織從電信網(wǎng)絡(luò)的角度、因特網(wǎng)工程任務(wù)組等組織從IP分組網(wǎng)絡(luò)的角度已分別進(jìn)行了相關(guān)描述。盡管這些組織的描述各有不同，但以IP技術(shù)為基礎(chǔ)，通過(guò)在各種不同接入網(wǎng)絡(luò)間引入?yún)f(xié)同通信來(lái)為用戶(hù)提供各種電路交換和分組交換業(yè)務(wù)是他們的共性。目前的研究熱點(diǎn)是IP多媒體子系統(tǒng)(IMS)，它基于軟交換技術(shù)，可以消除各類(lèi)運(yùn)營(yíng)商之間存在的差異、實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的融合，從而為用戶(hù)提供各類(lèi)業(yè)務(wù)，如固定業(yè)務(wù)和移動(dòng)業(yè)務(wù)、實(shí)時(shí)電路業(yè)務(wù)和非實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等。

但是，從目前的研究和商用情況來(lái)看，無(wú)線(xiàn)頻譜資源還均是以固定授權(quán)分配方式為主流，而且可以說(shuō)在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)這種固定分配方式都是不會(huì)發(fā)生變化的。雖然感知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)是對(duì)當(dāng)前這種頻譜固定分配方式的一種有益的補(bǔ)充，可充分提高頻譜資源的使用效率。但實(shí)際上，在現(xiàn)有CR系統(tǒng)中，LU用戶(hù)對(duì)頻譜的使用具有絕對(duì)的優(yōu)先權(quán)，所以這其實(shí)是一種非對(duì)稱(chēng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。為了方便，我們姑且稱(chēng)目前的這種系統(tǒng)為非對(duì)稱(chēng)的感知無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)。但從信息論角度出發(fā)，這種非對(duì)稱(chēng)性有損系統(tǒng)的容量，而隨機(jī)化、自適應(yīng)的通信機(jī)制才是有可能達(dá)到系統(tǒng)容量的。因此，隨著感知無(wú)線(xiàn)電基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)的成熟，單純從技術(shù)角度出發(fā)，應(yīng)該存在一種對(duì)稱(chēng)感知無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)——沒(méi)有授權(quán)用戶(hù)，即所有用戶(hù)均不再分配有固定的授權(quán)頻譜，而皆是基于頻譜感知來(lái)選擇適當(dāng)?shù)目臻e頻譜來(lái)進(jìn)行通信。盡管對(duì)稱(chēng)感知無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)的可行性還有待進(jìn)一步考證，但這將是在非對(duì)稱(chēng)CR系統(tǒng)研究基礎(chǔ)上的一種新探索，或許將會(huì)對(duì)未來(lái)的無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)產(chǎn)生重大的影響。

3.2.2對(duì)通信終端的影響

無(wú)論是基于協(xié)同通信和感知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)來(lái)構(gòu)建泛在通信系統(tǒng)，還是對(duì)稱(chēng)感知無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)，它們都對(duì)其中的通信終端提出了更高的要求。相比目前的單模終端，CR終端可以通過(guò)自身具有的重配置功能自適應(yīng)地接入到各種通信網(wǎng)絡(luò)，并可無(wú)縫漫游。因此，長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看未來(lái)的終端很可能會(huì)統(tǒng)一目前紛繁復(fù)雜的多種通信網(wǎng)絡(luò)終端，也就是說(shuō)，盡管目前存在多種不同的接入網(wǎng)絡(luò)，但將來(lái)很可能只需要一種或若干通用的智能化“萬(wàn)能”終端就可以了。這種終端主要將基于協(xié)同通信技術(shù)、軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)和感知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)，其功能將會(huì)越來(lái)越強(qiáng)大、越來(lái)越智能，但功耗和體積卻有可能會(huì)越來(lái)越小。

3.2.3對(duì)業(yè)務(wù)模式及應(yīng)用的影響

顯然，基于協(xié)同通信技術(shù)和感知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)構(gòu)建的泛在網(wǎng)絡(luò)和對(duì)稱(chēng)感知無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)都可以為用戶(hù)提供更多種類(lèi)的業(yè)務(wù)和更好的服務(wù)。

(1)通用智能化終端催生新的業(yè)務(wù)模式

隨著未來(lái)通信終端智能化程度的提高，反過(guò)來(lái)又可能會(huì)催生一些新的業(yè)務(wù)模式。眾所周知，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)(P2P)技術(shù)在有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上已經(jīng)得到了很好的應(yīng)用，但在無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)上能否很好地應(yīng)用，還有許多關(guān)鍵技術(shù)需要研究。其實(shí)，P2P本質(zhì)上可以說(shuō)是協(xié)同通信技術(shù)在有線(xiàn)Internet網(wǎng)絡(luò)上的一種具體應(yīng)用：網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)之間互相通力協(xié)作，共同完成數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，大大縮小了傳輸時(shí)延。

(2)用于深空通信

從信息論的角度看，協(xié)同通信技術(shù)在不增加各用戶(hù)天線(xiàn)數(shù)量的情況下可產(chǎn)生一種類(lèi)似多天線(xiàn)發(fā)送的虛擬環(huán)境，大大提高無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的信道容量，這是其能夠提升系統(tǒng)傳輸性能的理論基礎(chǔ)。事實(shí)上，協(xié)同通信技術(shù)源于中繼，其本意就是擴(kuò)大傳輸距離。發(fā)展到今天，協(xié)同通信技術(shù)的概念已經(jīng)擴(kuò)展到了超遠(yuǎn)距離的深空通信，將通信衛(wèi)星、空間站、甚至于月球等星體作為中繼節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建星際互聯(lián)網(wǎng)。這就為我們進(jìn)一步研究太陽(yáng)系，乃至浩瀚的宇宙空間提供了一種可行的方法。

(3)用于應(yīng)急通信和網(wǎng)絡(luò)災(zāi)難恢復(fù)

隨著全球重大突發(fā)事件頻頻爆發(fā)，加強(qiáng)國(guó)家應(yīng)急保障能力建設(shè)，建立一個(gè)迅速、科學(xué)、有效的突發(fā)事件預(yù)警機(jī)制和緊急反應(yīng)機(jī)制，已經(jīng)成為當(dāng)前世界各國(guó)研究的重要課題，應(yīng)急無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)為這種機(jī)制提供了有力的支持。當(dāng)災(zāi)難(如地震、戰(zhàn)爭(zhēng)、颶風(fēng)等)發(fā)生時(shí)，通信網(wǎng)絡(luò)(有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò))可能會(huì)遭到災(zāi)難性的破壞，同時(shí)災(zāi)區(qū)通信量會(huì)急劇增加而造成網(wǎng)絡(luò)擁塞，例如：不僅語(yǔ)音業(yè)務(wù)量增大，視頻會(huì)議、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)和災(zāi)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)也隨之增加。目前已有的應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)并不能保持通信暢通，通信不順暢會(huì)導(dǎo)致政府應(yīng)急部門(mén)不能迅速了解災(zāi)情，延遲應(yīng)急響應(yīng)而使損失擴(kuò)大。如何在災(zāi)后建立一個(gè)寬帶應(yīng)急無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)已經(jīng)成為一個(gè)急待解決的問(wèn)題。綜上所述，在這種情況下，基于協(xié)同通信技術(shù)和感知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)是可以迅速構(gòu)建一個(gè)寬帶應(yīng)急自組織協(xié)同感知網(wǎng)絡(luò)的。

4結(jié)束語(yǔ)

雖然，對(duì)協(xié)同通信技術(shù)和感知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的研究已經(jīng)取得了許多有價(jià)值的結(jié)果，協(xié)同通信技術(shù)也被國(guó)際上的一些標(biāo)準(zhǔn)采納，如WiMAX標(biāo)準(zhǔn)等，但是在實(shí)際通信應(yīng)用環(huán)境中，還有許多問(wèn)題需要解決。然而可以肯定的是，隨著理論和關(guān)鍵技術(shù)的逐漸成熟和完善，協(xié)同通信技術(shù)和感知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)將會(huì)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，并對(duì)未來(lái)的無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)造成深遠(yuǎn)的影響。