無線協(xié)作中繼技術綜述

中國人民解放軍71192部隊 蘇 亮

一、引言

在無線通信系統(tǒng)中，分集技術能夠有效對抗信道衰落、改善信道質量。常用的分集方式主要有空間分集、時間分集和頻率分集，其中，空間分集利用空間上分離的多個發(fā)射信號樣本或多個接收信號樣本來對抗多徑衰落，由于不額外占用時間和頻帶資源，更具吸引力。多輸入多輸出（MIMO）技術是空間分集技術的典型代表，其基本原理是通過在發(fā)射端和接收端同時放置多根天線，形成多個獨立的發(fā)/收信道，通過利用空間分集增益來抵抗無線網絡中的多徑衰落影響，從而提高網絡容量，改善網絡性能。然而，在實際應用中，有些無線網絡用戶終端由于體積、質量和功耗的制約，不便于采用MIMO技術。分集技術能夠利用中繼信道，通過分布式傳輸和信號處理構成虛擬的MIMO系統(tǒng)，為MIMO技術提供了一條新的可選擇的實現(xiàn)途徑。

二、信道模型

Meulen最早提出了包含源節(jié)點S、中繼節(jié)點R和目的節(jié)點D的三節(jié)點中繼信道模型，如圖1所示。隨著協(xié)作中繼技術研究的深入，針對不同應用情景的協(xié)作模型也越來越豐富，主要表現(xiàn)為以下幾種形式：

從R的數量來看，由單個R推廣到多R的協(xié)作中繼網絡模型。該模型包含單個S、單個D和多個R。多個R構成了中繼集合R，這些R可以構成虛擬天線陣，將S的信息轉發(fā)給D。

從S的數量來看，由單個S推廣到多個S的協(xié)作中繼網絡模型。多個S構成發(fā)射集合S，協(xié)作向共同的D發(fā)射信號。

從D的數量來看，由單個D推廣到多個D的協(xié)作中繼網絡模型。多個D構成接收集合D，協(xié)作接收來自單個S的信號。

基于以上幾種模型，可以組合成更復雜的網絡模型，比如網絡中同時存在多個S、多個R和多個D。另外，還有多跳協(xié)作中繼網絡，S發(fā)射的信息需要經過多個R才能達到D。

本文以圖1所示的三節(jié)點模型為例，介紹中繼傳輸模型。在該中繼網絡中，S在R的協(xié)助下向D發(fā)送信號，信息傳輸需要經過兩個階段：在第一個階段，S發(fā)送信號給D和R，稱為廣播階段；在第二階段，R轉發(fā)信號給D，此時S也可能同時在向D發(fā)送信號，稱為多址階段。這里，假設系統(tǒng)工作在半雙工（節(jié)點不能同時收發(fā)）模式下，接收端已知信道狀態(tài)信息（CSI）。

圖1 三節(jié)點中繼信道模型

式中，hSR和hSD分別表示S-R和S-D鏈路的信道衰落參數，服從均值為零、方差為σ2SR和的循環(huán)對稱復高斯分布，并且在一幀內保持不變；nSR和nSD分別表示S-R和S-D鏈路的信道噪聲，服從均值為零、方差為N0的循環(huán)對稱復高斯分布。

式中，hRD和nRD分別表示R-D鏈路的信道衰落參數和信道噪聲。同時，D收到來自S的直接傳輸信號為 ，k=(N/2)+1，(N/2)+2，…，N。D根據接收到的兩個長度為N/2的信號序列 ， k=1，2，…，N和yRD[k]， k=(N/2)+1，(N/2)+2，…，N，進行合并和判決便可得到S發(fā)射的信號。

三、基本協(xié)作中繼協(xié)議

協(xié)作中繼協(xié)議主要包括固定中繼（fixed relaying）、選擇中繼（selection relaying）和增強中繼（incremental relaying）協(xié)議。不同的協(xié)議在中繼節(jié)點采用不同的處理過程，在目的節(jié)點的合并方式也有所不同。

1. 固定中繼

固定中繼協(xié)議包括放大轉發(fā)（AF），解碼轉發(fā)（DF）協(xié)議。

（1）放大轉發(fā)

AF協(xié)議最早由Laneman等人提出，在該協(xié)議中，中繼節(jié)點僅根據功率約束簡單地線性放大接收到的信號，是最簡單的一種信號轉發(fā)協(xié)議。在AF協(xié)議中，中繼節(jié)點轉發(fā)的信號xR[k]可以表示為

為了滿足瞬時功率約束，放大系數β必須滿足

該協(xié)議的優(yōu)點在于：結構簡單，直接對信息進行轉發(fā)而不用進行另外的處理，具有速度快、復雜度低的特點；由于目的端接收到的信號來自不同的獨立路徑，所以在高信噪比的時候，AF能很好地實現(xiàn)空間分集。但是其缺點在于：用戶間信道中的噪聲也被放大轉發(fā)，當協(xié)作用戶之間鏈路質量較差的時候，放大的噪聲將直接影響目的端的判決，盡管在放大中繼過程中，噪聲也被放大并轉發(fā)。

（2）解碼轉發(fā)

DF協(xié)議最早由Sendonaris等人提出，在該協(xié)議中，R首先對接收到的信號進行解碼，然后再重新編碼轉發(fā)給目的節(jié)點。DF協(xié)議不會像AF協(xié)議那樣放大噪聲，但當信道質量較差時，R可能出現(xiàn)解碼錯誤的情況，會影響系統(tǒng)性能。DF協(xié)議通常與信道編碼方案相結合，廣泛應用于很多協(xié)作中繼網絡模型中。

在基于重復編碼（Repetition Coded）方案的DF協(xié)議中，R將解碼所得的信息序列采用與S相同的編碼器重新編碼，然后將編碼后的信號轉發(fā)給D。假設R解碼后得到信源發(fā)送信號xS[k]的估計值為 ，則經過重復編碼后的發(fā)送信號為

除了重復編碼方案，DF協(xié)議在中繼節(jié)點還可以采用其他的信道編碼技術，從而構造更加高效的中繼轉發(fā)方案。也有文獻將其命名為編碼協(xié)作（CC）協(xié)議。由于DF和CC在中繼節(jié)點都需要進行解碼，只是R采用的編碼方案不同，因此我們在這里一并進行介紹。在該協(xié)議中，R對正確解出的S的信息進行重新編碼，發(fā)送不同的冗余信息，有效地將空間分集和碼域分集相結合，提高了D正確解碼的能力。

2.選擇中繼

Laneman等人在AF協(xié)議和DF協(xié)議的基礎上提出了一種選擇中繼協(xié)議，這種協(xié)議的基本原理是根據S-R鏈路的信道瞬時信噪比 來選擇中繼協(xié)議。當 低于設定的門限時，S采用重復編碼或者其他信道編碼方式直接將信號傳送給D而不經過R；當 高于設定的門限時，R采用AF協(xié)議或者DF協(xié)議，從而增加分集增益。

3.增強中繼

在固定中繼和選擇中繼協(xié)議中，R總是在重復轉發(fā)，沒有充分利用信道的自由度，尤其在高速率情況下。增強中繼協(xié)議利用D有限的反饋信息，比如使用1比特信息來表明直接傳輸（S到D的傳輸）的成功和失敗。當反饋信息顯示直接傳輸失敗的時候，R才采用AF或DF協(xié)議轉發(fā)信號。增強中繼可以看作混合自動請求重傳（ARQ）在中繼領域的延伸，充分利用了信道的自由度。

4.幾種中繼協(xié)議分析與比較

固定中繼協(xié)議具有復雜度低、容易實現(xiàn)的優(yōu)點。然而，當用戶信道狀況較差時，AF協(xié)議中，R會放大噪聲；而在DF協(xié)議中，R會將接收信息比特的錯誤估計發(fā)往目的端，導致錯誤傳播。

選擇中繼協(xié)議僅在用戶信道狀況較好時，R采用AF或DF協(xié)議，否則S進行重復編碼或者其他的編碼方案進行傳輸，避免了前兩種中繼協(xié)議的錯誤傳播。

固定中繼協(xié)議和選擇中繼協(xié)議都存在重復傳輸，這將導致信道利用率不高。而增強中繼通過在目的節(jié)點增加反饋傳輸機制，來標明直接傳輸是否成功。只有在直接傳輸不成功時，R才為S轉發(fā)信息，充分利用了信道的自由度。然而，R需要等待D的反饋信息，這就對R的信息存儲提出了新的要求。

前面提到的四種協(xié)議都假設用戶間信道狀況是協(xié)作雙方已知的，這就要求采用一定的信道估計方案。而編碼協(xié)作協(xié)議，無需對用戶的信道狀況進行估計，通過編碼來控制第二步的協(xié)作，在性能上有很大優(yōu)勢。但是，編碼協(xié)作協(xié)議中R要先解碼再編碼，因此R的復雜度增加了，同時R處的信號處理導致了時延的增加。Laneman等人給出了幾種基本協(xié)議的中斷概率，如圖2所示。

四、協(xié)作中繼選擇方案

大多數的研究工作都假定R是選定的，然而在實際應用中，系統(tǒng)可能存在多個可選擇的R。因此，如何選擇合適的R作為協(xié)作伙伴是一個值得研究的問題。常用的協(xié)作中繼選擇方案主要有基于物理位置信息、基于平均信噪比和基于即時信道狀況的中繼選擇方案。

圖2 幾種基本中繼協(xié)議的中斷概率

1.基于位置信息的中繼選擇方案

Michele Zorzi等人提出了基于物理位置信息的中繼選擇方案。該方案中，需要知道S到D，S到R，R到D的距離。當候選R到D距離一定時，最佳R為到目的節(jié)點的距離最近的R。這種中繼選擇方案適用于無線傳感器網絡，因為傳感器網絡中，每個節(jié)點都需要已知自己的物理位置傳信息，然后通過選擇合適的中繼節(jié)點進行通信。

2.基于平均信噪比的中繼選擇方案

Z.Lin等人提出了一種基于平均信噪比的中繼選擇方案。該方案中，根據R到S，或R到D之間的平均信噪比來選擇中繼，當平均信噪比大于指定門限時，該R就被選為候選R。

3.基于即時信道狀況的中繼選擇方案

Bletsa等人提出了一種基于即時信道狀態(tài)信息的中繼選擇方法，這種中繼選擇方案不需要知道各個節(jié)點間的物理位置信息和平均接收信噪比。該方案的核心思想是在多個候選中繼節(jié)點中，選取S-R-D中鏈路即時信道狀況最好的那個R作為最優(yōu)R。因而不需要節(jié)點間的位置信息，也不需要平均信噪比，是一種適合于移動網絡環(huán)境的中繼選擇方式。

4.幾種中繼選擇方案分析與比較

基于物理位置信息的中繼選擇方案，需要知道節(jié)點間位置信息，這就要求系統(tǒng)有距離估計結構（如各終端安裝GPS接收機），將影響終端的便攜性并且增加成本。另外，這種方案僅僅考慮了節(jié)點之間的距離，而沒有考慮到節(jié)點間的陰影衰落，也就是說，兩個候選R，即使它們與S的距離和D的距離都相等，由于陰影或者衰落的存在，這兩個候選R也不能確定哪個是真正要選擇的節(jié)點，也有可能兩個節(jié)點都不是最優(yōu)的。

基于平均信噪比的中繼選擇方案，需要能夠估計節(jié)點間的平均信噪比，這需要花額外的開銷。另外，由于移動終端是不斷移動的，而且移動終端的功耗也受到電池壽命的影響，因此，實時更新各個節(jié)點的平均信噪比是很難實現(xiàn)的。這種中繼選擇方案更適合于靜態(tài)網絡，而不適用于移動環(huán)境下的協(xié)作通信。

基于即時信道狀況的中繼選擇方案，只需要知道用戶間的即時信道狀況，這一參數估計起來不困難，且不需要距離或位置估計結構GPS等，但是即時信道狀況是變化的，這就要求協(xié)作伙伴需要實時更新，更新也會增加開銷。

五、協(xié)作中繼發(fā)展趨勢

近年來，協(xié)作中繼在系統(tǒng)容量分析、系統(tǒng)模型、資源分配管理等方面的研究取得了很多進展，其關鍵技術有以下三個方面。

1.分布式空時編碼協(xié)作

將空時編碼應用到MIMO信道中，能夠取得很好的分集增益和編碼增益，而且能得到很高的頻譜利用率。協(xié)作中繼通信本質上是分布式MIMO系統(tǒng)，源節(jié)點和中繼節(jié)點進行相同的空時編碼然后發(fā)射出去，接收端進行合并檢測。這種情況下，中繼節(jié)點在功能上相當于MIMO中的獨立天線，因此人們提出了多種分布式空時編碼協(xié)作（DSTC）的通信方案。

2.同步問題

在空時協(xié)作中繼網絡中，源節(jié)點、中繼節(jié)點和目的節(jié)點組成了分布式的網絡，不同于單用戶的天線陣列，在地理位置上天然分布的節(jié)點擁有獨立的本地晶振，源節(jié)點和中繼節(jié)點的信號經歷不同的信道到達目的節(jié)點，會產生不同的時延，將會導致接收端的信號判決錯誤。所以，同步問題是影響協(xié)作中繼性能的重要因素。針對同步的問題，現(xiàn)在的研究方向是采取異步的空時編碼方案，有關文獻給出的方案也都具有重要的研究意義。

3.頻率選擇性衰落信道下的協(xié)作中繼系統(tǒng)

現(xiàn)有的研究大多數都是假設傳輸信道為AWGN信道或者是準靜態(tài)平坦瑞利衰落信道。但是，在實際傳輸系統(tǒng)中，由于多種傳播機制的存在，以及路徑傳播損耗、陰影衰落損耗的影響，信號傳輸一般是經歷頻率選擇性衰落。針對頻率選擇性衰落信道，將協(xié)作分集和正交頻分復用（OFDM）技術結合起來，能夠取得良好性能。

六、結束語

無線協(xié)作技術在微波中繼通信、無線Ad Hoc網絡、無線Mesh網絡等方面有著廣闊的應用前景，也是WiMAX和LTE-Advanced的關鍵技術之一。目前還有很多問題需要進一步地研究，例如協(xié)作中繼技術與空時編碼的結合、協(xié)作中繼技術的同步問題等。

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