移動通信網(wǎng)絡中的協(xié)作通信

張語昕

（河南大學歐亞國際學院，河南 鄭州 450000）

0 引 言

在信息技術(shù)快速發(fā)展的時代背景下，信息安全問題日益得到社會大眾的廣泛關注。如何在應用移動設備與通信網(wǎng)絡的同時強化個人信息的安全使用成為一個重要問題。要避免信息網(wǎng)絡中存儲的有效資源與重要信息遭到破壞與威脅，需細致了解并分析協(xié)作通信這一高效的通信運行模式，并采用適宜的應用手段發(fā)揮其潛在的通信優(yōu)勢。

1 協(xié)作通信的基本概述

利用通信網(wǎng)絡中處于閑置狀態(tài)的天線資源作為信源中繼進行轉(zhuǎn)發(fā)信息的協(xié)助，是協(xié)作通信技術(shù)的具體應用。要實現(xiàn)空間分集的工作目的，可以利用不同天線進行相同數(shù)據(jù)的傳輸。這樣的運行模式可以有效提高移動通信系統(tǒng)的安全性能，是無線通信領域內(nèi)在多輸入多輸出天線技術(shù)之后的重要前沿性研究課題。在通信節(jié)點的天線數(shù)目方面，協(xié)作通信技術(shù)并沒有嚴格要求，通過搜索與收集移動網(wǎng)絡中的閑置天線，構(gòu)建分布式虛擬天線的傳輸陣列，以協(xié)作的方式傳輸數(shù)據(jù)，因此具有高效的實際應用價值。在移動通信系統(tǒng)中融入?yún)f(xié)作通信技術(shù)，則是一種更有效的方法。

對于上行的協(xié)作通信來說，上行信號會由用戶終端發(fā)送，再由多個移動通信基站進行信號接收。這樣的運行機制中，基站處對用戶發(fā)射的通信信號的實際接收與處理過程，終端用戶并不需要明確了解，只需要了解下行信令與上行信號存在密切的聯(lián)系，知道如何提供信號即可[1]。

1.1 協(xié)作通信的相關背景

中繼信道的信息論特征是協(xié)作通信基本結(jié)構(gòu)思想的主要發(fā)展源頭。三節(jié)點網(wǎng)絡是指具有一個源頭節(jié)點、一個中繼節(jié)點與一個目的節(jié)點的結(jié)構(gòu)式網(wǎng)絡。對三節(jié)點網(wǎng)絡容量進行具體分析，將所有節(jié)點的工作頻帶設為一致，這樣網(wǎng)絡系統(tǒng)便可以視為由一個多址信道和一個廣播信道組成。在協(xié)作通信中，需要考慮的結(jié)構(gòu)特性與運行模式與中繼信道不完全相同。如何產(chǎn)生克服通信衰落的網(wǎng)絡分集，是當前協(xié)作通信的研究重點。同時，在中繼信道方面，幫助主信道的良好運行是中繼的基本目的。在協(xié)作通信工作模式下，整個移動通信網(wǎng)絡系統(tǒng)的總體資源是固定化的，通信用戶不但是信息源，還是一位中繼者。

在協(xié)作通信運行系統(tǒng)中，用戶需要發(fā)送個人數(shù)據(jù)，但每一位用戶也是其他用戶的協(xié)作式代理。這種協(xié)作運行機制帶來的是發(fā)射功率和碼速率的相對折衷。對于發(fā)射功率來說，在協(xié)作通信中，每一位用戶需要發(fā)射自身的數(shù)據(jù)，同時中繼其他用戶的數(shù)據(jù)，這樣的工作模式需要更高的發(fā)射功率。另一層面看，協(xié)作通信有效產(chǎn)生了分集式增益，因此每一用戶的基本發(fā)射功率可以適當縮減。同樣，在速率方面也存在這樣的問題。每一用戶既承擔著發(fā)送個人數(shù)據(jù)的作用，也承擔著中繼他人數(shù)據(jù)的功能，因而有人會認為協(xié)作通信運行方式會使系統(tǒng)的碼速率遭到損失。但是，這樣的運行模式也會產(chǎn)生相對應的協(xié)作分集，改善每一位用戶的譜效率，顯著提高通信信道的碼速率，實現(xiàn)兩者的有效折衷[2]。

協(xié)作通信特殊的運行模式帶有帶寬與功率進行零與博弈的濃厚色彩。借由用戶發(fā)射功率與帶寬的特殊分配策略，改善移動通信系統(tǒng)的工作性能，是協(xié)作通信的基本前提。在協(xié)作分配通信資源工作模式下，每一位網(wǎng)絡用戶都需要充當其他用戶數(shù)據(jù)發(fā)送的傳遞者。

1.2 協(xié)作通信的檢測轉(zhuǎn)發(fā)機制

協(xié)作通信的檢測轉(zhuǎn)發(fā)與傳統(tǒng)的中繼信道方法存在類似之處。在這一通信方法中，用戶可以嘗試先檢測其他用戶發(fā)射的數(shù)據(jù)比特，再將通過檢測得到的比特結(jié)果進行二次發(fā)送。通過通信基站或其他通信技術(shù)，其他用戶可以進行特殊指定。在檢測轉(zhuǎn)發(fā)機制下，需要考慮兩位用戶伙伴進行相互協(xié)作通信的情況。在實際工作過程中，用戶與用戶之間形成協(xié)作關系，每一位用戶都會有其他伙伴為其數(shù)據(jù)的發(fā)送提供第二條路徑，形成了分集的概念。協(xié)作用戶伙伴的分配方式是當前移動通信網(wǎng)絡研究中的一項熱門課題。

譯碼與轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作機制在通信專著中存在許多實例，各種應用探究為當前的協(xié)作通信發(fā)展帶來了許多啟迪與靈感。例如，在碼分多址系統(tǒng)下，存在一項兩位用戶以成對的模式進行協(xié)同協(xié)作的譯碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作機制。在這一運行機制中，每一位用戶會擁有各自的兩項擴頻碼，用戶在第一時間與第二時間的中間間隔內(nèi)發(fā)送自己的比特信息，每一位用戶也可以檢測其他用戶的第二比特。這樣在第三時間間隔內(nèi)，兩位協(xié)同協(xié)作的用戶會發(fā)送自己第二比特與伙伴第二比特形成的線性組合。第一時間間隔、第二時間間隔與第三時間間隔內(nèi)發(fā)送的功率可以變化，結(jié)合用戶通信信道與上行之間的具體條件，相關的發(fā)射功率可以有針對性地進行系統(tǒng)優(yōu)化，具有較高的適應能力，能夠適應信道的各種狀態(tài)。

1.3 協(xié)作通信的放大轉(zhuǎn)發(fā)機制

與檢測轉(zhuǎn)發(fā)機制相比，放大轉(zhuǎn)發(fā)方法是一種較為簡單的協(xié)作信號處理方法。在放大轉(zhuǎn)發(fā)機制中，每一位用戶會接收到帶有噪音的通過其他伙伴發(fā)送而來的通信信號，并對其進行放大處理。處理完畢后，將帶有噪音的放大版信號重新進行發(fā)送。用戶與其伙伴共同傳輸?shù)男盘枖?shù)據(jù)由通信基站統(tǒng)一接收，基站對信號進行進一步合并判決。雖然用戶協(xié)作者放大信號的同時也放大了噪音，但基站接收到的兩個衰落信號相對獨立，因而能在最后階段明確判決信號。

協(xié)作通信的放大轉(zhuǎn)發(fā)機制由通信專家提出并進行系統(tǒng)分析。放大轉(zhuǎn)發(fā)方法的實驗研究表明，當通信信號處于高信噪比時，以兩個用戶協(xié)同協(xié)作為例，這一機制可以得到的分集階數(shù)為2。在放大轉(zhuǎn)發(fā)機制運行模式下，如果用戶間信道系數(shù)已知，最優(yōu)譯碼便可以直接進行。因此，必要的信息交換與信道估計是這一機制必須進行的。對于模擬信號的抽樣選取、信道放大與信號重傳，是放大轉(zhuǎn)發(fā)機制面臨的另一項挑戰(zhàn)，不再是一項簡單的通信技術(shù)。可見，從運行模式來看，放大轉(zhuǎn)發(fā)機制仍是一項相對簡單化的通信協(xié)作機制，在信號分析方面具有高度方便性，也有助于進一步理解協(xié)作通信系統(tǒng)。

1.4 協(xié)作通信的編碼協(xié)作機制

協(xié)作通信的編碼協(xié)作機制充分體現(xiàn)了信道編碼思想與編碼協(xié)作的有機綜合。借由兩條相對獨立的衰落信號將每位用戶的不同碼字部分進行發(fā)送，便是編碼協(xié)作機制的工作模式[3]。這一機制的基本思想理念是每位用戶向其他用戶伙伴發(fā)送增加部分的冗余信息。如果用戶與用戶伙伴之間的信道處于較為惡劣的狀態(tài)，編碼協(xié)作機制會自動恢復為非協(xié)作的通信模式。通過信道編碼設計實現(xiàn)信道協(xié)作，是編碼協(xié)作機制的突出特點。

有限信息與循環(huán)性冗余校驗信息，是用戶發(fā)送的通信源數(shù)據(jù)的主要組成內(nèi)容。在編碼協(xié)作機制中，用戶的數(shù)據(jù)發(fā)送周期主要分為兩個階段。每一階段可以稱為一幀。在第一幀的數(shù)據(jù)發(fā)送過程中，以N1個比特概括每位用戶所發(fā)送碼字的總體內(nèi)容。每位用戶可以對其伙伴發(fā)送的通信數(shù)據(jù)嘗試進行正確譯碼，若譯碼結(jié)果顯示正確，在第二幀階段便可以進行譯碼計算，并將伙伴數(shù)據(jù)的第二部分進行發(fā)送，這一過程包含N2個數(shù)據(jù)比特。若譯碼錯誤，在第二幀通信階段用戶只能將自己數(shù)據(jù)的第二部分進行傳送，包含的也是N2個比特。在編碼協(xié)作機制下，每個通信周期內(nèi)每位用戶發(fā)送的均是包含N1、N2兩部分比特的數(shù)據(jù)內(nèi)容。協(xié)作水平也可以定義為用戶為其伙伴發(fā)送的比特總數(shù)目與移動通信傳輸總比特的比值。一般情況下，編碼協(xié)作網(wǎng)絡可以吸納各種移動通信信道編碼方法的應用，如分組碼、卷積碼或兩種碼的結(jié)合都可以存在于整個碼字。

2 移動通信網(wǎng)絡中的協(xié)作通信應用

2.1 協(xié)作通信在一般移動通信中的應用

在傳統(tǒng)移動通信網(wǎng)絡的蜂窩通信系統(tǒng)中，要有效提高通信服務質(zhì)量，通用的方法是中心分裂的方式。以小區(qū)通信為例，通常將一個小區(qū)細分成微型小區(qū)，將中央部署基站設置于微型小區(qū)內(nèi)，借助微波通信或有線方式，各個基站會與中央基站相連[4]。各個微型小區(qū)的整個通信范圍內(nèi)，包含的基站會與其他多項移動臺連接。實行移動通信前，通過對信道資源的控制與分配，基站先告知移動通信臺資源，之后移動臺針對其分配的信道資源開展進一步的通信工作。

移動通信網(wǎng)絡對寫作通信模式的有效引入，使得基站可以順利與其他多個中繼站進行關聯(lián)。微型區(qū)域內(nèi)的中繼站點也可以與多個移動臺連接，整個小區(qū)的總體通信資源分配由基站統(tǒng)一控制。借助專門的功能函數(shù)，中繼站可以具體掌控通信資源的分布。移動通信的中繼站還可以采用放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作模式，在接收到來自基站的特定時隙與特定頻率的數(shù)據(jù)消息后，中繼站可以隨之進行信號的放大轉(zhuǎn)發(fā)，或采用解碼轉(zhuǎn)發(fā)通信模式，先將基站發(fā)送的消息進行解碼，再對編碼進行糾錯或調(diào)制，這樣中繼站便可以轉(zhuǎn)發(fā)出信息。這樣的通信工作模式有助于中繼站有效提高通信系統(tǒng)的服務質(zhì)量。中繼站可以應用壓縮轉(zhuǎn)發(fā)的通信模式，將接收的數(shù)據(jù)消息進行統(tǒng)一壓縮量化，再將完成量化的信息進行下一步轉(zhuǎn)發(fā)。在壓縮轉(zhuǎn)發(fā)的通信模式下，協(xié)作通信模式可以大大提升通信系統(tǒng)的運行速率。

2.2 協(xié)作通信在應急移動通信中的應用

協(xié)作通信的有效應用有助于加強移動通信網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)強度，因而通信基站處于癱瘓的狀態(tài)下也可以維持部分通信的正常運行。

在應急移動通信中，如果某個小區(qū)的通信基站由于出現(xiàn)故障引發(fā)宕機現(xiàn)象，那么在其覆蓋的通信范圍內(nèi)移動用戶便不能進行移動通信。如果基站內(nèi)事先構(gòu)建了協(xié)作通信系統(tǒng)，在基站出現(xiàn)故障宕機時，這一通信區(qū)域內(nèi)的移動用戶可以借助無線電臺進行相互聯(lián)系。在這一運行狀態(tài)下，無線電臺更像是一個具有精簡化功能的小型基站。如果該區(qū)域內(nèi)的通信用戶需要與區(qū)域外的用戶進行聯(lián)絡通信，可以采用多跳無線電臺的方式開展通信活動，還可以借助多跳的無線電臺與基站建立聯(lián)絡[5]。這樣的通信方式也存在一些缺點，其中之一是通信容量較為有限，可以借助優(yōu)先級的方式加以控制。

3 結(jié) 論

對于傳統(tǒng)的移動通信工程來說，移動通信企業(yè)往往會采用將網(wǎng)絡布置優(yōu)化升級或增設基站的方式增強通信網(wǎng)絡系統(tǒng)安全性和提升系統(tǒng)容量，彌補移動網(wǎng)絡在服務質(zhì)量與通信傳輸速率方面存在的缺點與不足。但是，這種管理方式意味著在網(wǎng)絡建設與后期維護方面需加大投入，因此只有優(yōu)化移動通信網(wǎng)絡的系統(tǒng)性能才能發(fā)揮其實用價值。