协同通信 ——提升无线通信系统性能的倍增器

王海涛，张祯松，朱震宇

（解放军理工大学信息管理中心，南京 210007）

技术研究

协同通信
——提升无线通信系统性能的倍增器

王海涛，张祯松，朱震宇

（解放军理工大学信息管理中心，南京 210007）

协同通信融合了分集技术与中继传输技术的优势，可以获得多天线与多跳传输增益，显著改善无线通信系统的性能。首先，阐述协同通信的历史背景、基本概念、操作方式和工作原理、并对有待解决的键技术问题进行了分析。然后，着重说明了协同通信和认知无线电技术的结合，并探讨了协同通信技术可能的应用。

协同通信；协同中继；MIMO；认知无线电；异构网络

1 引言

未来无线通信系统将朝宽带化、异构化、自组织化、移动化、全IP化及个性化等方向发展。为了满足下一代宽带移动通信标准（IMT-Advanced）的高传输速率和高频带时宽覆盖范围的需求，业界将协同通信技术视为未来移动通信系统的关键特征之一。协同通信技术融合了分集技术与中继传输技术的优势，可在传统通信网络中实现并获得多天线与多跳传输的性能增益。协同通信目前在无线通信系统得到了广泛研究，包括协同MIMO、多用户协同中继、协同无线资源分配、基于协同机理的异构无线网络融合等。

当前，协同通信和无线Mesh网络、泛在无线网络及认知无线电一道构成IMT-Advanced（国际移动通信的高级发展阶段）的关键技术基础。协同通信从互利协作的角度出发将无线信道、无线网络和无线应用等不同的协议层技术紧密结合在一起进行设计和优化，能够使无线通信网络和系统获得跨层协同带来的性能增益，从而大幅提高无线通信系统的传输能力和无线资源的使用效率并增强系统的可靠性和可用性，日益受到业界关注，成为下一代无线通信技术的研究热点之一。它可以应用于蜂窝移动通信系统、无线Ad Hoc网络、无线局域网以及无线传感器网络等多种场合，具有重要的研究价值与很好的应用前景。

2 协同通信的历史背景

协同通信技术的出现最早可以追溯到Cover和El Gamal在1979年关于中继信道的研究工作，源节点和目的节点在中继节点的帮助下完成通信任务。他们的研究工作更多关注中继多跳通信，论证了通过节点中继转发能够增加源节点与目的节点间信道的容量。协同通信技术源于中继信道，但协同通信技术的主要目的是通过节点协作通信来抵抗信道衰落和提高系统传输性能。自协同通信的概念提出以来，就引起了业界的很大兴趣和关注，特别是近几年随着分集技术的发展，协同通信成为了当前无线通信中的研究热点。国际上许多学者和知名机构都相继开展了协同通信相关课题研究，特别是在系统通信信道容量分析方面取得了丰硕成果。例如，无线世界研究论坛（WWRF）已经成立了关于协同中继研究的专门分委员会，并发表了一系列研究报告。欧盟第六个框架于2004年启动了WINNER项目，目的是研发一种在性能、效率和覆盖上均优于目前系统的无线协同系统。瑞士皇家科学院室也启动了协同MIMO无线网络研究项目。

协同通信最初的一个主要目的是对抗无线信道的多径衰落，在S-D信道处于深度衰落的情况下，可以通过R-D信道处于良好信道状态的伙伴节点R将数据中继转发给目的节点D。MIMO（多输入多输出）技术的成熟和广泛应用进一步促进了协同通信的发展。MIMO技术利用了多用户无线通信环境中不同传播路径的独立性，通过在收发两端装备多副天线，能够有效提高传输容量及增强传输可靠性。然而，对于很多价格低廉、体积小巧的设备（例如无线传感器节点）而言，装备多个天线是很困难的，这种情况下使用单副天线的各邻近移动用户可按照一定方式共享彼此的天线协同发送，通过天线中继的形式产生一种类似多天线发送的虚拟环境（即虚拟MIMO阵列），获得空间分集增益，提高系统的传输性能。

作为一种分布式虚拟多天线传输技术，协同通信技术融合了分集技术与中继传输技术的优势，在不增加天线数量的基础上，可在传统通信网络中实现并获得多天线与多跳传输的性能增益。此外，协同通信技术非常灵活，可与现有多种技术相结合，突出各自优点。例如，与正交频分复用（OFDM）技术相结合，可以充分利用其抗频率选择性衰落的优点；与编码或者空时编码相结合，可以得到编码增益；与认知无线电技术相结合，能够提高频谱检测概率或者获得更多的频谱接入机会。

3 操作方式和工作原理

由于历史的原因，在现阶段出现了多种不同无线接入网络并存的局面，包括WLAN、WiMAX、蜂窝通信网络以及卫星通信网络等，这些网络各具技术优势，相互补充，共同构成异构无线网络环境。对于异构无线网络，通过在不同接入网络间引入协同通信可以为用户提供无缝的通信服务，增强网络的整体性能和服务能力。不难看出，异构网络间的协同通信是指不同无线网络之间的相互协作以获得网络“涌现”增益，研究重点是异构网络间的网络选择和移动切换等。与此不同，同构网络内的协同通信是指在同一种网络内各节点协同工作来提高网络通信能力。根据中继节点的不同操作方式，协同中继可分为固定中继和用户终端间协同两种方式。固定中继协作方式在源节点和目的节点之间预先放置一个位置固定的中继节点，中继节点只负责转发源、目的节点之间传送的信息，但它自己并无信息发送。用户终端间协同方式允许任意节点充当中继节点，它们不仅可转发协作伙伴的信息，也可发送自己的信息。因此，这些终端需要同时具有信号转发和路由功能。另外，根据中继节点对源节点信息处理方式的不同，又可分为放大转发（AF）、解码转发（DF）、编码协作（CC）和网络编码协作（NCC）等多种方式。下面对这些协作转发方式作一简单介绍：

3.1 放大转发协作方式

AF的协同中继过程可简化为3个阶段。第1阶段，源节点首先广播发送信号，目的节点和中继节点同时进行接收；第2阶段，中继节点对接收到的源节点信号直接进行功率放大后转发给目的节点；第3阶段，目的节点对接收到的两路信息进行合并解码，恢复出原始信息。因此，AF也被称作非再生中继方式，其本质上是一种模拟信号的处理方式。相对于其他几种方式，AF方式最简单，而且由于目的节点可接收到两路独立的衰落信号，AF可获得满分集增益，性能良好。但由于中继节点在放大信号的同时也放大了源-中继信道引入的噪声，因此AF方式存在着噪声传播效应。当信道条件较好时，往往没必要进行中继协作。因此可考虑利用目的节点的反馈信息来判断源-目的节点的直传是否成功，若成功则中继节点无需参与协同通信过程，将这种利用了目的节点反馈信息的AF方式称为增强AF方式。

3.2 解码转发协作方式

DF方式的信号处理也可简化为3个阶段，除第2阶段外，第1、第3阶段的处理和AF方式相同。在第2阶段，中继节点对接收到的源节点信号先进行译码并估值，然后再将所得的估值信号转发给目的节点。基于上述，DF也称为再生中继方式。虽然DF方式不会带来噪声传播问题，但受源-中继端信道传输性能影响较大，而且中继节点对源节点信息解码错误带来的误差会随着跳数的增加而不断累积，从而影响到分集效果和中继性能。这表明源-中继节点信道传输特性的好坏对DF方式协同通信系统的性能有重要影响。为此，可以对AF作适当限制，将源-中继节点间的信道传输特性与某一门限值比较，只有大于门限值时才选用协同通信方式，否则由源节点重复发送。这种考虑了源-中继节点间信道状况的AF方式称为选择AF方式。

3.3 编码协作方式

在AF和DF方式下，中继节点总是重复发送源节点信息，这会降低系统自由度的利用率。Hunter等将信道编码的思想引入协同通信技术中，提出了编码协作方式。该方式通过两条不同的衰落路径发送每个用户码字的不同部分，移动终端对接收到的协作伙伴的信息进行正确解码后再重新编码发送，在这种方式下，各移动终端通过重新编码发送了不同的冗余信息，把分集和编码结合起来，可大大提升系统性能。而且，这种方式不需要协作终端间的信息反馈，中继节点不能正确解码时还可自动切换到非协作模式，从而保证了系统的效率。

3.4 网络编码协作方式

网络编码协作方式将网络编码思想应用到编码协作方式中。网络编码的核心思想是网络中间节点不再是简单的存储转发，而是将接收到的信息进行编码后再转发出去，从而可提高整个网络的容量和健壮性。无线信道的广播特性为网络编码的应用提供了有利条件，而且网络编码和协同通信技术相结合可有效提高无线通信系统的性能。根据中继节点采用的网络编码形式可分为线性网络编码和非线性网络编码两大类；根据中继节点所采用的基本通信方式主要包括固定中继方式和协作中继方式两大类。

相关实验结果表明，CC和NCC方式的性能优于AF与DF方式，但是它们涉及各种编码技术，算法计算复杂度高，且中继节点信号处理的时延较大因素，实用性不如AF与DF两种方式。

4 关键技术问题分析

虽然协同通信技术的研究已取得很多成果，但仍有不少问题需要进一步的探讨和研究。目前，协同通信关键技术研究主要包括：

（1）无线资源管理：无线资源管理主要涉及功率分配与伙伴选择等问题。协同通信在研究之初，大都假设源节点与中继节点之间等功率分配，这种方式虽然简单，但显然不是最优的。功率分配问题一直是近年来的研究热点，但现有的功率分配方案大都属于集中式，如何构造一种符合实际情况的分布式功率分配方案是急需解决的问题。在一个多用户通信环境中，如何为各个终端选择或者分配最佳的协作伙伴也非常重要，这直接影响系统的性能。

（2）中继节点的移动性：目前的协同通信系统中，中继节点往往都是具有一定移动性的终端，例如蜂窝网中的手机用户等。显然，中继节点的移动性会造成节点相对位置发生变化，进而影响伙伴选择等许多关键问题。因此，假设中继节点固定不动具有片面性，不符合实际情况，现有文献也鲜有涉及中继节点运动情况的研究。因此，选择合适的节点运动模型并考虑移动性对系统性能的影响是一个重要的研究课题。

（3）协作时机的选择：现有研究工作大都只关注协同通信所带来的增益，很少有考虑协同通信的必要性，似乎协同通信技术在任何场景下都能够带来好处似的。事实上，综合考虑源-中继节点间信道、中继-目的节点间信道及源-目的节点间信道传输特性，选择合适的“协同时机”，方可在保证系统传输性能的前提下进一步提高资源的使用效率。此外，伙伴选择算法也可以考虑“协同时机”的选择问题。

（4）同步与信道估计：目前的研究基本上都假设系统可实现精确的同步，并可获得准确的信道状态信息。也就是说，源节点与中继节点，源节点与目的节点，以及中继节点与目的节点之间都是同步的，但这在实际中是不现实的。对于分布式协同通信系统而言，多个用户间的准确同步与信道估计非常困难。实际上，准确的同步与信道估计对实际场景下协同通信系统的应用非常有意义。

（5）与相关通信技术的结合：如前所述，协同通信技术可以与编码和网络编码等技术相结合。目前协同通信的一个研究热点是与OFDM技术相结合，以期同时发挥协同通信与OFDM的优势，既可以得到分集增益，又能够对抗频率选择性衰落。此外，协同通信技术还可与认知无线电技术进行结合。

（6）其他技术问题：协同通信在获得系统性能增益的同时还会带来以下问题：一是增加了通信终端的实现复杂性，二是用户传输数据信息的保密性，三是终端之间的激励协作问题。因此，只有当用户终端协同带来的收益大于付出的代价时，采用协同解决方案才是可取的。

5 协同认知技术

众所周知，无线信道的衰落特性与有限的频谱资源是目前阻碍无线移动通信系统发展的主要瓶颈。当前认知无线电和协同通信技术都已在各自的研究领域里取得很大进展，协同通信技术能够提高系统的抗衰落能力，认知无线电技术可以提高无线频谱的使用效率。因此，一种自然的想法就是将认知无线电技术与协同通信技术结合，发挥各自优势，在提高频谱使用效率的同时，尽可能地提高系统的信道容量或提升各用户的抗衰落性能。从本质上看，认知无线电系统也可看作是授权用户（LU）与认知用户（CU）之间的一种协作：CU使用LU当前未使用的空闲信道资源，而在LU重新活跃时归还其信道资源。

5.1 协同认知模型

目前，人们已经开始了协同通信技术和认知无线电技术相结合的研究，且已提出了一些协同认知模型。在协同认知模型中，CU和LU既可通过竞争分时复用频谱，各自独立进行通信以提高频谱使用效率，也可通过协同通信技术，在提高频谱使用效率的同时提高传输性能。根据参与用户的不同，认知无线电系统中的协作可分为CU用户之间的协作和CU与LU用户之间的协作两大类；根据实现功能，认知无线电系统中的协作又可分为：协作频谱检测模型、协同通信模型和混合模型。

由于衰落效应、噪声干扰等影响，CU可能会出现频谱的漏检测或者虚检测，造成对LU的严重干扰或降低使用效率。协作频谱检测可以有效解决这一问题，多个认知用户之间可通过频谱检测信息交互和数据融合判决等协作来提高频谱检测的准确率。协同通信模型存在两种方案：一是LU与RU之间的协同通信，LU作为源端，CU充当LU的中继协助LU转发信息，目的是加速LU数据的传输，减少其频谱占用时间，从而使CU在时间域获得更多的频谱接入机会；二是次级用户之间的协作传输，多个CU互为对方的中继器并且需要持续检测LU的活动，它们协作转发彼此的信息以增加次级用户的吞吐量。混合模型结合了协作频谱检测模型和协同通信模型，即首先要进行协作频谱检测，再进行协同通信，且在不同阶段选择的协作伙伴可以不同。因此，引入协作分集思想后，可将认知无线电系统从时-频两维扩展到空-时-频三维，充分利用各种通信资源，尽可能地提高认知无线电系统性能。

目前，围绕上述3种协同认知模型，人们主要在以下两个方面展开研究工作：在认知系统中引入多用户协作分集的思想构造协同认知系统，主要研究协同通信技术对认知无线电系统性能的影响；在协同通信系统中引入频谱认知技术构成认知中继系统，即中继节点或协同伙伴均具有频谱认知的能力，主要研究频谱认知技术对协同通信系统性能的影响。

5.2 协同认知中继示例

近来研究表明，通过在资源紧张的认知无线电网络中，利用协作中继技术（次用户的协作传输和中继）可以提高空间多样性和频谱多样性增益，进而提高整个系统的性能。由频谱资源富足的节点充当中继节点来改善源和目的节点之间的通信性能。在此以一个简单的包含3个终端的中继模型来说明协作中继传输的思想：该模型包含源节点S、中继节点R和目的节点D，通过中继节点R的协作中继传输源节点S的信号到目的节点D可以提高空间多样性，削弱多径传播带来的信号衰落的影响。另一方面，认知无线电网络中资源的分配和使用很不均衡。不仅主用户和次用户的频谱可用性相差很大，而且次级用户的频谱需求也不同。为此，可以利用这些频谱富裕的次级用户来中继其他急需传输的次级用户的业务量，以便提高系统整体性能。以图1所示的简单协作中继模型为例，源节点S的可用信道为CH1和CH4，目的节点D的可用信道为CH1和CH6，两者之间的通信需求为150kb/s，但是它们的公共信道CH1只能支持100kb/s。与此同时节点S和D的邻居节点R有可用的信道CH4和CH6。此时，可以利用R作为中继节点通过CH4和CH6（需要进行必要的信道切换）向目的节点D中继传输额外的数据。通过这种方式可以提高频谱利用率并增加次级用户的吞吐量。

图1 包含3个节点的协作中继网络模型

5.3 协同认知技术的影响

协同通信和认知无线电技术的结合无疑会对未来的无线移动通信系统的终端、网络结构、业务模式和应用等方面带来积极影响。

基于协同通信和认知无线电技术构建的无线通信系统对通信终端提出了更高的要求。相比目前的单模终端，CR终端可以通过自身的重配置功能自适应地接入适当的通信网络，并可无缝漫游。未来的具有认知协同能力的终端（简称协同认知终端）很可能将会统一目前各种繁杂的通信网络终端，这种通用的智能化终端可以视情接入不同的网络。

在同构网络中，协同认知终端可以自组织构建分布式虚拟MIMO通信系统。MIMO系统能够显著提高无线通信系统的容量，但在成本较低且体积较小的移动终端上难以安装足够数量的天线，使得系统容量的提升也很有限。而协同通信技术在不增加用户天线数量的情况下，构建了一个虚拟的MIMO环境，同样可以获得分集增益，提升信道容量和传输性能。由于这种通信系统中的多个天线并不是集中安置在某个节点上，而是多个节点互相共享各自原来的天线，为了区别于传统的集中式系统，称这种系统为分布式系统。在异构网络中，协同认知终端可以用于构建环境认知泛在通信网络。基于对环境的认知能力，移动终端可在不同接入网络之间进行无缝的切换和漫游，并自适应接入到当前能够为其提供最好服务的网络。显然，通过异构网络间的协同认知通信可以构建一个无处不在的泛在通信网络。此外，协同通信可以组合现有的蜂窝单跳通信和Ad Hoc多跳通信模式，在无线异构组网中具有突出的优势。

基于协同通信技术和认知无线电技术构建的泛在通信网络可以为用户提供更多种类的业务和更好的服务。随着协同认知终端通信能力和智能化程度的提高，可能会催生一些新的业务模式。举例来说，无线网络中各节点之间通力协作构成P2P无线信息系统，共同完成信息共享和数据传输任务。协同通信技术可以扩展到超远距离的深空通信，将通信卫星、空间站、甚至于月球等星体作为中继节点，构建星际互联网。另外,当灾难（如地震、战争、飓风等）发生时，目前已有的通信网络难以保持通信畅通，使得政府应急部门不能迅速了解灾情造成严重损失。在这种情况下，可以融合各种形式的网络迅速构建一个宽带应急自组织协同认知网络来提供高效的应急服务。

6 结束语

协同通信技术可以提高无线数据传输质量，改善无线资源管理方式并支持灵活的组网模式，已得到学术界、产业界和各国政府的高度重视，并已经取得了许多有价值的研究成果，但是，在实际通信应用环境中协同通信还有许多技术和管理问题有待解决。可以预见的是，随着基础理论和关键技术的日益成熟和完善，协同通信技术将会得到越来越广泛的应用，并将在未来的无线异构泛在通信系统中发挥重要的作用。

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DVB-S2X规范已经得到指导委员会的批准

2014年2月27日，在DVB指导委员会第76次会议上，新扩展的DVB-S2的规范已获批准。新加强的规范被称为DVB-S2X，为专业应用提供了提升幅度达20%～30%的频谱效率，在某些情况下，频谱效率提升幅度可达50%。此外，像通道绑定这样的新业务模式增加了灵活性。该规范现在将以正式标准被发送到ETSI，DVB-S2X蓝皮书将于近期公布。此标准NEWTEC公司已在执行，并有相关解决方案白皮书，详情可链接NEWTEC网站了解（http://www.newtec.eu/article/whitepaper/dvb-s2x-demystified）。

新DVB-S2X规范的主要动力来自供应商希望利用技术进步提供专业的服务和应用以及对他们服务日益增长的需求。DVB-S2X的及时批准使它可以用于HEVC，最新的视频编码方案。用户网络服务和通过DTH卫星的HEVC编码的UHDTV广播，预计将带动对芯片组和设备的需求量。DVB成员超过200促成规范的完成。DVB-S2X为滚降因子和附带调制提供了更多的选择，以及可以更有效利用卫星传输通道的前向纠错（FEC）选项。

其他改进的DVB-S2主要包括对于非常低的信噪比应用程序附带的组帧和扰码选项，这将使卫星移动（海，空）服务和极小天线，以及多达三个通道的通道绑定会支持更高的综合数据速率，可以附带统计对类似UHDTV这样服务的复用增益，而且可以更好地抵御广播同信道干扰，可选的超帧结构为先进的干扰抑制技术的交互式宽带服务开放了大门。DVB-GSE/GSE-Lite协议的融合以后可方便迁移到全IP业务，特别适合广播/家庭网络宽带业务融合。

TM-S2主席Alberto Morello说：“欧洲，美国和远东公司在整个技术活动，令我印象深刻，在不同的商业环境，像广播，VSAT或DSNG混在一起，仿佛一个交响乐团，共同创造最新的艺术。”

DVB常务董事Peter Siebert补充说：“我们很高兴指导委员会已经批准了新的DVB-S2X规范，祝贺所有成员，大家积极都促成并实现完美DVB-S2标准更新。卫星产业一直期待着有助于它提高盈利能力、互通性，并且能实现其进一步发展。”

数字视频广播（DVB）为全球超过200家广电制造商、网络运营商、软件开发商、监管机构所采用，DVB致力于为数字媒体和广播服务的全球交付而设计开放互通的技术标准的产业联盟。DVB标准涵盖数字电视的各个方面，如传输、有条件接入、交互性接口连接、数字视频音频数据，随着世界各地越来越多的国家采用DVB标准，已经有数以百计的制造商提供符合DVB标准的设备，如今全球DVB接收器超过十亿。

Cooperative Communication—An Multiplier for Enhancing Performance of Wireless Communication System

Wang Haitao, Zhang Zhensong, Zhu Zhenyu
(In formation Management Center, PLAUST, Nanjing, 210007)

Cooperative Communication (CC) integrates technical merits and can achieve gains of multipleantennas and multiple hops and thus improving the performance of wireless communication system markedly.Historical backgrounds, basic concepts, operational modes and working principles are expatiated and technicalproblems to be solved are analyzed. Next, the combination of Cooperative Communication and Cognitive Radio isemphasized and possible applications Cooperative Communication are explored.

Cooperative Comm unication; Cooperative Relay; MIMO; Cognitive Radio; HeterogeneousNetwork

10.3969/j.issn.1672-7274.2014.03.001

TN91文献标示码：A

1672-7274（2014）03-0001-06

国家自然科学基金资助项目（61072043）

王海涛，男，1976年生，河南焦作人，博士，解放军理工大学信息管理中心副教授，研究方向为无线自组网、应急通信和网络信息管理。