移動通信網絡協(xié)作通信分析

劉威

[摘 要]本文就協(xié)作通信CoMP的相關問題進行了探討，然后詳細闡述了協(xié)作通信方式在移動通信中的應用。

[關鍵詞]移動通信網絡；協(xié)作通信；動態(tài)協(xié)作；QoS；基站

中圖分類號：TK22325 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2014）10-0040-01

協(xié)作通信概述

協(xié)作通信技術利用網絡中閑置的天線資源作為信源的中繼（Relay）協(xié)助轉發(fā)信息， 通過不同天線傳輸相同的數(shù)據達到空間分集的目的，以提高通信系統(tǒng)的可靠性，是繼MIMO（多輸入多輸出）多天線技術之后無線通信領域內又一前沿研究課題。協(xié)作通信技術對通信節(jié)點的天線數(shù)目沒有要求，而是通過搜集網絡中的閑置天線，形成分布式虛擬天線陣列（Virtual MIMO）協(xié)作傳輸數(shù)據，因此具有實際應用價值。研究表明，在網絡能量歸一化的情況下，協(xié)作通信系統(tǒng)的性能明顯優(yōu)于直接傳輸?shù)南到y(tǒng)性能。協(xié)作通信技術將成為未來移動通信和無線局域網的關鍵技術之一，也因為如此，它被 IEEE 802.16 等標準作為下一代無線通信系統(tǒng)的主要技術之一。

近年來，為了提高數(shù)據的傳輸速率、容量、QoS（服務質量），蜂窩小區(qū)的覆蓋半徑不斷減小。越來越多的微微小區(qū)導致基站數(shù)量迅猛增加，整個通信系統(tǒng)的部署成本、維護成本也大大增加。一個行之有效的辦法就是將協(xié)作通信技術應用到移動通信系統(tǒng)中。

CoMP的相關問題探討

對于上行CoMP 而言，用戶終端（MS）所發(fā)送出去的上行信號可以有多個基站進行接收，而且用戶終端無需明確的了解所發(fā)送出去的信號在基站處的實際接收與處理過程，只需要知道與上行信號有著密切聯(lián)系的下行信令是怎么給提供出去的。

（一）CoMP 的類型

對于頻率復用因子等于1的多小區(qū)系統(tǒng)中，小區(qū)間干擾很難以消除，所以對于這類小區(qū)系統(tǒng)，小區(qū)吞吐量以及邊緣用戶吞吐量想要實現(xiàn)進一步的提高就非常困難。CoMP 技術對小區(qū)間干擾的有效消除主要是通過基站之間必要信息的共享來實現(xiàn)的，這里可以根據基站之間是否共享了用戶的數(shù)據信息，將該技術分為兩大類，即聯(lián)合傳輸/處理以及協(xié)調調度/波束賦形。

1、聯(lián)合傳輸/處理方式

所謂聯(lián)合傳輸/處理方式， 就是指協(xié)作工作的多個基站共同對用戶的數(shù)據執(zhí)行預處理操作，以消除基站之間的干擾。我們可以將協(xié)作工作的基站統(tǒng)稱為協(xié)作簇，它們之間不僅僅需要共享信道內的所有信息，同時還需要對用戶的數(shù)據信息實現(xiàn)共享。也可以說，對于一個或者多個用戶而言，是由整個協(xié)作簇來服務的。

2、協(xié)作調度/波束賦形方式

所謂協(xié)作調度/波束賦形方式，就是指整個協(xié)作簇通過協(xié)作實現(xiàn)對系統(tǒng)資源的可靠有效分配，通過這些操作來盡量減少小區(qū)邊緣用戶對于資源時/頻上的相互沖突。這種方式與上一種方式的區(qū)別就在于，它不需要協(xié)作簇內共享用戶的數(shù)據信息，只需要共享信道信息。也可以說，對于一個用戶中斷而言，只有一個基站為其服務。

（二）CoMP協(xié)作簇的選擇方式

CoMP協(xié)作簇的選擇一共有三種不同的方式 ，即靜態(tài)協(xié)作 、動態(tài)協(xié)作以及半動態(tài)協(xié)作。

靜態(tài)協(xié)作

所謂靜態(tài)協(xié)作，是指在固有準則的基礎之上，選擇固定的幾個基站進行協(xié)作。通常情況下，都是選擇干擾較大的基站，這樣做最明顯的好處就是可以快速有效的消除外來強干擾。靜態(tài)協(xié)作方式實現(xiàn)起來較為簡單，但該方式最大的缺點就在于對處于不同位置的用戶終端，不一定可以實現(xiàn)干擾的有效消除。這是因為處于同一基站中的所有用戶終端，多對應的協(xié)作簇是一樣的，所以相互之間的公平性很難以保證。此外，該方式下用戶終端是不可以移動的，因為一旦用戶終端移動，就會造成最強干擾源的移動。總之，該方式的動態(tài)調節(jié)能力較差。

動態(tài)協(xié)作

是指主服務基站可以按照用戶終端所反饋回來的干擾源信號，來有選擇性的分配服務于該用戶終端的協(xié)作簇。該方式最大的優(yōu)勢在于對于處于同一基站中的不同用戶端而言，所對應的的協(xié)作簇可以不相同，所以這種設置可以最大程度的消除小區(qū)間干擾。但該方式最大的缺點就是實現(xiàn)起來成本較高，而且較復雜。

半動態(tài)協(xié)作

所謂半動態(tài)協(xié)作，是說用戶終端可以動態(tài)的選擇進入協(xié)作的基站。該方式的實現(xiàn)需要預先確定一個較大的協(xié)作集，用戶終端選擇在協(xié)作集中選擇基站，而且所選擇的基站的數(shù)目一定控制在協(xié)作集大小范圍之內。這種方式是目前3GPP中討論較多的一種寫作方式，因為它相對于以上兩種協(xié)作方式而言，實現(xiàn)起來較為簡單，且適應性較強。

協(xié)作通信方式在移動通信中的應用

（一）協(xié)作通信在一般移動通信中的應用

在傳統(tǒng)的蜂窩通信系統(tǒng)中，為了提高 QoS，將小區(qū)再分裂成微微小區(qū)，在微微小區(qū)的中央部署基站，基站通過有線或者微波與核心相連。在微微小區(qū)的通信范圍內，基站與多個移動臺相連。通信之前，基站先通過控制信道分配資源并告知移動臺，移動臺通過其分配資源進行通信。

在蜂窩移動通信中應用協(xié)作通信時，在基站的覆蓋范圍內，基站與移動臺是直接相連的，直接通過基站進行通信。在中繼站的覆蓋范圍內，移動臺的通信通過協(xié)作與其鄰近的基站構成一個典型的多跳鏈路來完成。中繼站與基站的覆蓋范圍可以在不同程度上重疊。這里值得注意的是，在協(xié)作通信中，不單單可以是中繼站來協(xié)助基站與移動臺之間的通信，基站間、中繼站間、移動臺間都可以相互協(xié)作來進行通信。這取決于系統(tǒng)設計是偏重提高技術指標還是偏重控制協(xié)作所付出的成本。

將協(xié)作通信引入移動通信系統(tǒng)，基站與多個中繼站相連、中繼站點與多個移動臺相連，基站控制整個小區(qū)的資源分配，中繼站則通過一定的功能函數(shù)來控制具體的資源分布。中繼站可以采取放大轉發(fā)模式（amplify and forward），中繼站接收來自基站在特定頻率、特定時隙的消息，再隨后進行一個放大轉發(fā)。這樣，中繼站能夠擴大基站的覆蓋范圍。endprint

中繼站也可以采取解碼轉發(fā)模式 （decode and for-ward），在這種模式下， 中繼站先解碼基站發(fā)送的消息，然后再重新進行一個調制或者糾錯編碼等，將信息轉發(fā)出去。這樣，中繼站能夠提高系統(tǒng)的QoS。中繼站也可以采取壓縮轉發(fā)模式（compress andforward），中繼站將接收到的消息，進行壓縮量化，將量化的消息進行轉發(fā)，在這種模式下，協(xié)作通信能提高系統(tǒng)的速率。

（二）協(xié)作通信在應急移動通信中的應用

協(xié)作通信能夠提高網絡的健壯性，并且在基站癱瘓的情況下也能進行部分通信。

在應急通信中，當某個小區(qū)的基站因故障宕機后，其覆蓋范圍內的 MS就不能進行通信，而如果部署了協(xié)作通信系統(tǒng)，當基站因故障宕機時，小區(qū)內的用戶相互通信可以通過 RS， 這個時候 RS 就相當于一個功能進行精簡了的基站， 當小區(qū)內的用戶要與小區(qū)外的用戶進行通信時，可以通過多跳 RS進行通信，或者通過多跳的 RS 與基站進行通信。但這種通信的容量比較有限，只能通過優(yōu)先級進行控制，保證優(yōu)先級高的通信，對于優(yōu)先級比較低的，只能丟棄。

像地震這樣的特殊情況，當基站大面積因故障而壞掉時，可以通過 RS 來保證與災區(qū)能夠進行重要的通信。采用協(xié)作通信的系統(tǒng)，能夠保證外界與災區(qū)一定容量、一定質量的通信，能夠在抗震救災的初期獲得重要的信息，保證重要信息的暢通。在一種理想的情況下， 可以讓普通的移動終端充當RS的角色，這樣就形成了一個無線自組織網絡（Ad hoc 網絡）。在這種情況下，系統(tǒng)可以不需要特定的RS，通過鄰近可用的MS進行多跳的通信。

結語

綜上，協(xié)作式多點傳輸技術是 LTE-Advanced 系統(tǒng)的關鍵技術，通過該技術可以有效的降低小區(qū)間干擾，實現(xiàn)小區(qū)通信性能的進一步提升。將協(xié)作通信技術寫入下一代移動通信標準中，將是一個長期而艱巨的課題，其中還有許多難題需要解決，這也是當今學術界和工業(yè)界為數(shù)不多的幾個研究熱點之一。

參考文獻

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