无线协同通信协议与应用前景综述

李 旭，梁亚楠

(北京交通大学 电子信息工程学院，北京 100044)

无线协同通信协议与应用前景综述

李 旭，梁亚楠

(北京交通大学 电子信息工程学院，北京 100044)

无线协同通信具有自组织组网、快速部署、无需基础设施支持、高可靠、高抗毁、网络自恢复、动态灵活等特点，在未来具有广阔的应用前景。按照控制方式和应用模式的不同，无线协同通信组网方式可以分为集中式、分布式和混合式。对以上3种组网方式的特点进行了分析和比较，概述了现有无线通信系统中集中式、分布式单跳及多跳组网协议，最后对无线协同通信在军事与应急通信、5G超密集组网、物联网、星载组网以及轨道交通领域的应用前景进行展望。

无线通信；协同通信；混合式组网；应用前景

0 引言

现有无线通信系统主要采用3GPP/3GPP2系列标准或IEEE系列标准。3GPP/3GPP2系列标准包括第二代蜂窝移动网络(2G)全球移动通信系统(Global System for Mobile Communication，GSM)以及通用分组无线服务技术(General Packet Radio Service，GPRS)；第三代蜂窝移动网络(3G)时分同步码分多址(Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access，TD-SCDMA)、码分多址2000(Code Division Multiple Access 2000，CDMA2000)、宽带码分多址(Wideband Code Division Multiple Access，WCDMA)；第四代蜂窝移动网络(4G)协议长期演进技术升级版(Long Term Evolution-Advanced，LTE-A)等。IEEE系列标准主要包括IEEE 802.11无线局域网(Wireless Local Area Network，WLAN)、IEEE 802.16 全球微波互联接入(Worldwide Interoperability for Microwave Access，WiMAX)、IEEE 802.15.4 Zigbee、IEEE 802.15.1 Bluetooth等。采用上述标准的无线网络根据网络结构的不同可以分为单跳无线网络和多跳协作网络；根据组网方式的不同又可以分为集中式和分布式网络。现有研究中较少从组网角度对现有无线通信网络进行概述。此外，无线多跳协同通信具有自组织组网、快速部署、无需基础设施支持、高可靠、高抗毁、网络自恢复、动态灵活等特点，在未来具有广阔的应用前景。本文首先介绍无线协同通信各种组网方式的特点，其次对现有无线通信系统协议进行分类概述，最后展望无线协同通信的应用前景。

1 无线协同通信组网方式概述

按照控制方式和应用模式的不同，无线协同通信组网方式可以分为集中式、分布式和混合式。

1.1 集中式组网

集中式组网示意图如图1所示。其优点在于控制稳定，互相的冲突相对较小，从而性能较好,并且采用资源复用等方式可使资源利用率较高，缺点是在跳数增加后实现速度较慢，导致性能恶化与资源利用率降低。

图1 集中式组网示意图

1.2 分布式组网

与集中式组网方式相反，分布式组网的可拓展性好、仅需知道局部信息(不需要大范围成网技术)、不需要网络设置中心点，缺点是彼此间协调起来很困难，跳数增加后系统性能恶化。分布式组网示意图如图2所示。

图2 分布式组网示意图

1.3 混合式组网

为满足规模组网需求，混合式(有效融合集中式与分布式)组网逐渐成为研究的重点。混合式组网兼有集中式和分布式2种组网方式的优点，但设计困难。从实现方式上划分，混合式组网可以分为模式转换、资源划分和分级组网三种形式。

(1)基于模式转换的混合式组网

基于模式转换的混合式组网可视应用需求采用集中式或分布式调度机制，整个系统可在2种组网模式间转换。

(2)基于资源划分的混合式组网

基于资源划分的混合式组网将网络中可用资源划分为2个部分，分别提供给集中式和分布式2种模式使用，这样就可以同时进行2种模式的并行运行，实现扩展组网。

(3)基于分级组网的混合式组网

分级、分簇组网是规模组网的有效方式之一。分级组网包括2级和多级组网模式，同时包括集中式调度+集中式调度、集中式调度+分布式调度、分布式调度+分布式调度以及多级组合等多种形式。

2 集中式组网协议综述

根据网络结构的不同，集中式组网协议可以分为集中式单跳组网协议和集中式多跳组网协议。

2.1 集中式单跳组网协议

典型的集中式单跳组网协议包括GSM/CDMA/LTE-A等蜂窝网络协议、IEEE 802.11协议点协调功能(Point Coordinator Function，PCF)模式、IEEE 802.16协议PMP模式以及IEEE 802.15.4协议星型组网模式。

2.1.1 GSM/CDMA/LTE-A蜂窝移动网络协议

现有蜂窝移动网络协议中无线接口部分均采用集中式单跳控制，即基站(2G/3G中指基站收发机(Base Transceiver Station，BTS)，4G中指演进型Node B(Evolved Node B，eNB))与用户设备(User Equipment，UE)之间组成集中式单跳网络。

2.1.2 IEEE 802.11 PCF

IEEE 802.11 PCF 模式[1]一般应用于有基础设施的WLAN中，以无线接入点(Access Point，AP)为中心，具有无线接口的无线终端与AP建立单跳无线连接。AP担任点协调器(Point Coordinator，PC)对网络中的节点进行轮询，集中控制介质的访问。

2.1.3 IEEE 802.16 PMP

在IEEE 802.16协议[2]中，网络中节点分为基站和用户站。在PMP模式中，基站(Base Station，BS)与用户站(Subscriber Station，SS)之间可以进行通信，用户站之间不可以进行通信。网络中用户站需要进行通信时，必须经过基站进行转发，基站在网络中相当于路由器的作用。

2.1.4 IEEE 802.15.4星型组网

根据应用的需求，运行IEEE 802.15.4协议[3]的网络基本拓扑结构有2种：星型网络与对等网络。其中星型拓扑结构采用集中式单跳网络结构，如图3所示。

图3 IEEE 802.15.4星型拓扑结构示意图

星型拓扑结构由主协调器(Coordinator)和多个从设备组成[4]，其中主协调器是全功能设备(Full Function Device，FFD)，从设备可以为FFD，也可以为缩减功能设备(Reduced Function Device，RFD)。从设备之间不可直接通信，需通过主协调器进行通信。

2.1.5 IEEE 802.15.1协议

基于IEEE 802.15.1协议[5]的Bluetooth网络可以采用微网和散网2种网络架构，如图4所示。微网架构最多包括8台独立单元，其中一个为主单元，其余为从单元，由主单元提供时钟、跳频同步；散网架构由多个独立、非同步的微网组成，微网之间通过桥单元连接，通过时钟、跳频序列区分。

图4 Bluetooth网络架构

2.2 集中式多跳组网协议

典型的集中式多跳组网协议包括LTE-A 中继(Relay)协议[6]和LTE-A协作多点传输(Coordinated Multi-point，CoMP)协议[7]、IEEE 802.16协议MESH集中式控制模式、IEEE 802.15.4协议MESH组网模式等。另外，在国家电网智能抄表业务采用的低压电力线载波多频自组网通信协议也属于集中式多跳组网协议。

2.2.1 LTE-A Relay/CoMP

LTE-A系统中引入了Relay和CoMP技术，可以实现集中式控制下的两跳传输。

Relay技术通过在基站和UE之间的通信链路中加入Relay节点，实现对基站和终端之间的数据转发，可以有效改善覆盖和提高容量。2种常见的LTE-A Relay场景为室外中继和室内中继[6]，如图5所示。

图5 LTE-A Relay典型场景

CoMP技术通过利用地理位置上分离的多个传输点协同参与一个UE数据的传输或者联合接收一个UE发送的数据[8]，可以有效提高覆盖质量，尤其是小区边缘场景。

CoMP技术可以分为下行CoMP和上行CoMP 2种情形[7]。下行CoMP有2种基本的实现方式：联合处理(Joint Processing，JP)和联合调度/联合波束赋形(Coordinated Scheduling/Coordinated Beamforming，CS/CB)，如图6所示。

在传统LTE网络中，单个UE可能收到来自多个基站的数据，这一现象对于位于小区边缘的UE更为明显。如图6(a)中UE1将同时收到来自eNB1、eNB2和eNB3的数据，其中eNB1为服务基站，则来自eNB2和eNB3的数据都将成为干扰。采用联合处理方式，可以对多个小区的总资源进行合理分配，从时频资源分配的角度进行干扰规避，降低干扰水平；另外参与协作的基站信号相互叠加，可以提高UE接收到的信道的功率水平。综合这2种因素，提高UE的接收信干噪比(Signal-to-noise Ratio，SINR)。

图6 LTE-A下行CoMP实现方式

由于各小区独立进行调度和波束赋形，如果位于2个不同小区的UE地理位置比较接近，就可能出现2个UE的信号相互强烈干扰的情况。如图6(b)所示，位于小区边界的UE1和UE3分别归属于eNB1和eNB3控制范围内的小区，但在各自小区内的数据传输给对方带来强烈的干扰。通过采用联合调度合理分配时频资源，或者采用联合波束赋形控制波束指向，可以有效实现干扰抑制。

上行CoMP指物理上行共享信道(Physical Uplink Shared Channel，PUSCH)的联合接收，即UE的服务小区和协作小区同时接收UE发送的上行信号，通过协作的方式联合做出决策。协作小区的处理方式包括3种：① 将接收到的采样数据直接传输给服务小区；② 对UE的数据进行解调和解码，计算数据比特的软信息，将其传递给服务小区，服务小区对各个协作小区传递来的软信息进行软合并；③ 对UE的数据进行解调和解码，如果解调/解码成功，则将解码后的数据传递给服务小区[9]。

2.2.2 IEEE 802.16 MESH集中式控制

IEEE 802.16 MESH集中式控制网络中同样包括基站和用户站，由基站调度整个网络并分配资源。与PMP模式不同的是，在集中式调度中用户站之间数据可进行直接传输，不需要基站作为转发[2]。

2.2.3 IEEE 802.15.4 MESH组网

采用IEEE 802.15.4协议还可以组成对等拓扑网络结构[3]，不同于星型拓扑网络结构，该网络中任何一个设备都可以与其通信范围内的其他设备进行通信，并且允许任意设备间进行多跳数据传输[4]。根据应用需要的不同，对等拓扑网络结构还可以构成更为复杂的簇状和网状拓扑结构，如图7所示，其中路由器(Router)用于主协调器之间、从设备之间以及主协调器与从设备之间的数据转发。

图7 IEEE 802.15.4 MESH组网拓扑结构示意图

2.2.4 低压电力线载波多频自组网通信协议

国家电网智能抄表业务网络采用低压电力线载波多频自组网通信协议，其网络结构如图8所示[10]。网络中包含3类节点，分别为：中心协调器(Central Coordinator，CCO)、代理协调器(Proxy Coordinator，PCO)和站点(Station，STA)。其中CCO是通信网络中的主站点角色，负责完成组网控制、网络维护管理等功能；PCO是CCO与站点或者站点与站点之间进行数据中继转发的代理站点；STA是通信网络中的从站点角色。

图8 低压电力线载波多频自组网网络架构

3 分布式组网协议综述

根据网络结构的不同，分布式组网协议可以分为分布式单跳组网协议和分布式多跳组网协议。

3.1 分布式单跳组网协议

现有无线协同通信中采用的分布式单跳组网协议主要是IEEE 802.11协议分布式协调功能(Distributed Coordinator Function，DCF)模式[1]。采用IEEE 802.11 DCF模式的网络为无中心网络，由一组具有无线接口的无线终端以对等的方式相互直接连接，进行点对点或者点对多点的通信。DCF是载波侦听多路访问/冲突避免(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，CSMA/CA)机制的基础，在传送数据之前，它会先检查无线链路是否处于空闲状态。为避免冲突发生，在某个传送者占据信道时，终端会随机选定一段延后时间。

3.2 分布式多跳组网协议

现有无线协同通信中采用的分布式多跳组网协议主要是IEEE 802.16协议中定义的MESH分布式控制模式[2]。IEEE 802.16 MESH分布式控制网络中所有节点地位平等，网络中没有基站与用户站之分，都可看作是用户站。各个用户站之间通过协商的方式进行数据传输，节点之间消息的传输不会产生碰撞。IEEE 802.16 MESH分布式控制组网协议主要包括对控制消息的调度以及对数据消息的调度。控制消息调度采用基于Mesh选举的随机接入机制，数据消息调度采用“请求-授权-确认”3次握手机制实现发送前的预约协商，实现网络内部合理分配资源。

4 无线协同通信应用前景

无线协同通信具有自组织组网、快速部署、无需基础设施支持、高可靠、高抗毁、网络自恢复及动态灵活等特点，在军事与应急、5G超密集组网、物联网、星载组网以及轨道交通领域具有广阔的应用前景。

4.1 军事与应急领域

未来战场上的独立作战单元如陆地战斗班组、特战分队、坦克群、战斗机群及战舰编队等需要机动协作组网通信作为支撑，由于军事通信将面临更加复杂多变的通信环境，如通信基础设施相对有限、移动通信节点较多、通信覆盖范围广，机动式指挥所要快速部署、各级之间通信要快速沟通，且存在移动节点(如单兵或保障要素)随机接入的情况，各级指挥所的阵地位置动态变化等，因此无线协同通信在军事与应急通信领域具有广阔的应用前景。

4.2 5G超密集组网领域

在5G网络中应用无线协同通信，构建快速、高效的基站间无线传输网络，可以有效提高基站间的协调能力和效率，降低基站间进行数据传输与信令交互的时延，提供动态、灵活的回传选择，进一步可支持在多场景下的基站即插即用，有效支持超密集组网。此外，在5G蜂窝网络授权和控制下，将基站、终端以及各种新型的末端节点组建成动态自组织网络，可以有效弥补传统蜂窝网架构在组网灵活性方面的不足，降低端到端时延，提高传输可靠性，同时延伸网络覆盖和接入能力，有效满足5G网络低时延高可靠、低功耗大连接等典型场景的需求。

4.3 物联网领域

物联网智能工业、车联网、智能家居及可穿戴设备等领域面临全面爆发的趋势。物联网有3个关键要素：感知、互联、智能。物联网设备的互联目前主要依赖于互联网和移动互联网的连接方式，如3G、4G、WIFI、蓝牙及Zigbee等。伴随物联网大规模普及的趋势，具有自动组网、自行连接、无需用户配置等组网便捷性以及低设备能耗的无线协同通信技术将是未来的发展方向。

在军事领域，物联网被专家称为“一个未探明储量的金矿”[11]，它为提高军队作战能力提供了难得的机遇，孕育着军事变革深入发展的新契机。例如利用车联网技术，在作战车辆上集成车载终端构建无线协同网络，可以实现在户外作战环境下的车辆定位导航、视频会议、战场信息传输以及自动指挥等功能，可以为军队的野外活动提供有力的信息化保证，大大提高单兵作战的综合能力。

4.4 星载组网领域

星载通信网包含星间通信网和星地通信网，其中由低轨卫星星座网络与地面网络结合所组成的低轨星载网络是一种较为常见的星载组网方式[12]，典型的应用系统包括铱星系统(Iridium)、全球星系统(Globalstar)和轨道通信系统(ORBCOMM[13])。低轨星载网络中各节点间链路基本为无线链路，且大部分都在大气层内部[14](铱星系统轨道高度为780 km、全球星系统轨道高度为1 414 km、轨道通信系统轨道高度为975 km，均在大气层厚度1 000 km范围左右)，由于气象条件与大气层影响等导致传输误码率较高；同时星载通信网的链路距离长，导致星地间往返传输时延较大；低轨卫星属非静止卫星，且地面网络终端设备也具有一定的移动性，网内各节点移动速度因所处场景与业务需求差异而不尽相同，因此星载网络结构是持续发生动态变化的，导致星载通信网内各节点之间的链路频繁地出现中断现象；星载通信网的网络拓扑一直处于动态变化之中，导致网络结构复杂且难以预测；星载网络卫星数量较地面网络节点数少，网络规模受限，星上资源相对匮乏。针对上述低轨星载网络存在的较长时延、高误码、高中断、拓扑变化以及资源受限等特点，面向目前星载通信系统存在组网能力弱、可重构性低等问题，引入高可靠与高可用无线协同通信关键技术，可以有效提高组网的灵活性和可重构性，实现终端设备、地面子网络与卫星子网络的动态接入和退出，提高星载网络的可靠性和可用性，增强其可扩展性和抗毁能力；进一步降低业务的星上处理时延、转发时延与处理复杂度，并适应移动单播、多播等多样化星载业务的融合与扩展等。

4.5 轨道交通领域

多跳协作网络在轨道交通领域的机车重联编组、机车车辆检修、基础状态监测与异物检测、站场可靠鲁棒接入与应急通信，以及空天车地信息一体化等方面均有广阔的应用前景。

4.5.1 机车重联编组

目前机车重联编组一般采用重联电缆实现[15]，重联电缆在机车的运行中由于振动容易断线损坏，另外在车辆上面连接和固定重联电缆或将其拆卸均费时费力，造成机务部门劳动力的浪费。现有方案中还有利用蜂窝网络的无线机车重联编组方案[16]，但是该方法依赖于固定基础设施，受环境因素影响较大。针对这一问题，可以在机车上部署无线协同通信节点设备，实现基于无线多跳的多机车组网，有效克服有线重联的操作复杂性以及基于蜂窝网络无线重联方式的依赖固定基础设施与自愈性问题[17]，满足重联编组自动成网、网络自动维护、无碰撞数据传输以及突发故障情况下的鲁棒组网需求，增强重联编组的机动性和可用性，提高编组效率，保证重联编组的可靠性和抗毁性。

4.5.2 机车车辆检修

机车车辆的零部件在机车车辆使用过程中会逐渐磨耗和损伤，为保证车辆的良好运行，确保行车安全、延长其使用寿命，须及时对机车车辆进行检查和维修。机车车辆检修是铁路运输中不可或缺的重要环节，是恢复机车受损功能、改善机车质量的必要手段，对于安全运输具有举足轻重的作用。在机车车辆上部署无线传感器实现机车车辆状态信息采集，通过无线协同网络将信息回传，具有安装方便、自组织、高度扩充性、高集成度、低功耗以及低成本等优势，将在机车车辆检修过程中发挥重要的作用。

4.5.3 基础状态监测与异物检测

在轨道交通领域，轨道、桥梁等基础设施的状态检测以及入侵线路的异物检测是列车安全运行的必要保障。目前我国在轨道线路上大多仍采用人工巡检的方法，但由于异物出现的时间具有明显的突发性、无规律性和不可预测性[18]，因此人工巡检只能保证在巡检人员巡检的一段时间内发现异物而无法保障线路时刻安全无异物，加大降低了人工巡检的可靠性，增加了漏检的可能性。基于无线协同通信技术的基础状态信息监测与异物检测系统能够自动采集线路的数据，通过对数据的处理和分析，智能判断出基础设施是否出现故障或线路上是否有异物入侵，具有方便灵活、高效率、高精度及自动报警的优势。

4.5.4 站场可靠鲁棒接入与应急通信

随着铁路站场业务的自动化、智能化改造，站场业务通信需求逐渐增多。有线传输系统的通信资源与传输可靠性可以保障，但是组网模式固定、灵活性与抗毁性差，难以支持节点移动，对于应急通信的支持程度有限；无线通信系统制式繁多，但仍可能存在资源紧张、环境适用性差、可靠性与可用性难以保障等问题[19]。基于多跳自组协作网络的站场可靠鲁棒接入及应急方案具有不依赖固定基础设施、组网灵活及抗毁性强等特点，可以作为站场现有通信系统的重要补充，有效适应未来铁路站场业务发展需要及高可靠、高可用通信与应急通信需求，提高通信的可靠性及突发情况下的应急能力。

4.5.5 空天车地信息一体化

轨道交通运营与安全保障对无线网络可靠性、无缝覆盖以及实时性等均提出极高要求，目前主要通过采用地面网络密集冗余部署的方式解决，但仍会存在覆盖盲区和网络频繁切换等问题。另外，地面网络的密集冗余覆盖会带来严重的信号干扰，从而降低轨道交通安全运营的可靠性。为了解决这一系列问题，人们把视野转向了电磁环境较为简单的临近空间。临近空间平台具有来自高空的独特视角，可以有效克服地面网络视野和探测范围有限、信号干扰严重等方面的缺点，同时弥补卫星在在分辨率、灵敏度及动态监视能力方面的不足。将空间网络与现有的卫星与地面车载网络有机地融合，实现空天车地一体化协同传输与信息有效共享，可以有效满足轨道交通列车安全运行大范围、全天候、全覆盖、全方位实时监测需求。

5 结束语

针对无线协同通信集中式、分布式和混合式组网方式进行分析与比较，并重点针对混合式组网模式转换、资源划分和分级组网3种实现方式进行阐述。分别概述了现有集中式单跳组网协议、集中式多跳组网协议、分布式单跳组网协议和分布式多跳组网协议，对各类协议的实现方式进行了介绍。通过分析无线协同通信在军事与应急、5G超密集组网、物联网、星载组网以及轨道交通领域的应用前景，为其后续研究指明方向。

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Overview of Wireless Cooperative Communication Protocols and Application Prospects

LI Xu，LIANG Ya-nan

(School of Electronic and Information Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China)

Wireless cooperative communication has the characteristics of self-organizing networking，rapid deployment，no infrastructure support，high reliability，high survivability，self-recovery，and flexibility，which has broad application prospects in the future.In accordance with the control and application mode，the wireless cooperative communication network can be divided into centralized networking，distributed networking，and hybrid networking.In this paper，the characteristics of the above three networking modes are analyzed and compared.The centralized and distributed single-hop and multi-hop networking protocols for wireless cooperative communication are summarized.The future application prospects of wireless cooperative communication in military and emergency communication，5G ultra-dense network，The Internet of Things，satellite-borne networking and rail transit areas are proposed.

wireless communication；cooperative communication；hybrid networking；application prospect

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.03.01

李 旭，梁亚楠.无线协同通信协议与应用前景综述[J].无线电通信技术,2017,43(3):01-07.

[LI Xu，LIANG Ya’nan.Overview of Wireless Cooperative Communication Protocols and Application Prospects [J].Radio Communications Technology，2017，43(3)：01-07.]

2017-02-08

国家自然科学基金项目(61371068，61601020)

李 旭(1970—)，女，1997年博士毕业于东北大学自动化学院，北京交通大学教授，北京交通大学宽带自组通信实验室主任，主要研究方向：无线自组通信与协同通信；主持、参加多项国家自然科学基金、863、国家发改委产业化、科技部科技支撑项目，2011年主持 “自组应急通信系统” 项目获得武警科技进步二等奖；获批专利60余项、软件著作权60余项，完成国标、国军标和行业标准10余项；发表论文60余篇，其中被SCI、EI收录40余篇(含双检索)。梁亚楠(1992—)女，博士生，主要研究方向：5G非正交多址技术、无线协同通信关键技术。

TP391.4

A

1003-3114(2017)03-01-7