移动通信网络中的协作通信

张语昕

（河南大学欧亚国际学院，河南 郑州 450000）

0 引 言

在信息技术快速发展的时代背景下，信息安全问题日益得到社会大众的广泛关注。如何在应用移动设备与通信网络的同时强化个人信息的安全使用成为一个重要问题。要避免信息网络中存储的有效资源与重要信息遭到破坏与威胁，需细致了解并分析协作通信这一高效的通信运行模式，并采用适宜的应用手段发挥其潜在的通信优势。

1 协作通信的基本概述

利用通信网络中处于闲置状态的天线资源作为信源中继进行转发信息的协助，是协作通信技术的具体应用。要实现空间分集的工作目的，可以利用不同天线进行相同数据的传输。这样的运行模式可以有效提高移动通信系统的安全性能，是无线通信领域内在多输入多输出天线技术之后的重要前沿性研究课题。在通信节点的天线数目方面，协作通信技术并没有严格要求，通过搜索与收集移动网络中的闲置天线，构建分布式虚拟天线的传输阵列，以协作的方式传输数据，因此具有高效的实际应用价值。在移动通信系统中融入协作通信技术，则是一种更有效的方法。

对于上行的协作通信来说，上行信号会由用户终端发送，再由多个移动通信基站进行信号接收。这样的运行机制中，基站处对用户发射的通信信号的实际接收与处理过程，终端用户并不需要明确了解，只需要了解下行信令与上行信号存在密切的联系，知道如何提供信号即可[1]。

1.1 协作通信的相关背景

中继信道的信息论特征是协作通信基本结构思想的主要发展源头。三节点网络是指具有一个源头节点、一个中继节点与一个目的节点的结构式网络。对三节点网络容量进行具体分析，将所有节点的工作频带设为一致，这样网络系统便可以视为由一个多址信道和一个广播信道组成。在协作通信中，需要考虑的结构特性与运行模式与中继信道不完全相同。如何产生克服通信衰落的网络分集，是当前协作通信的研究重点。同时，在中继信道方面，帮助主信道的良好运行是中继的基本目的。在协作通信工作模式下，整个移动通信网络系统的总体资源是固定化的，通信用户不但是信息源，还是一位中继者。

在协作通信运行系统中，用户需要发送个人数据，但每一位用户也是其他用户的协作式代理。这种协作运行机制带来的是发射功率和码速率的相对折衷。对于发射功率来说，在协作通信中，每一位用户需要发射自身的数据，同时中继其他用户的数据，这样的工作模式需要更高的发射功率。另一层面看，协作通信有效产生了分集式增益，因此每一用户的基本发射功率可以适当缩减。同样，在速率方面也存在这样的问题。每一用户既承担着发送个人数据的作用，也承担着中继他人数据的功能，因而有人会认为协作通信运行方式会使系统的码速率遭到损失。但是，这样的运行模式也会产生相对应的协作分集，改善每一位用户的谱效率，显著提高通信信道的码速率，实现两者的有效折衷[2]。

协作通信特殊的运行模式带有带宽与功率进行零与博弈的浓厚色彩。借由用户发射功率与带宽的特殊分配策略，改善移动通信系统的工作性能，是协作通信的基本前提。在协作分配通信资源工作模式下，每一位网络用户都需要充当其他用户数据发送的传递者。

1.2 协作通信的检测转发机制

协作通信的检测转发与传统的中继信道方法存在类似之处。在这一通信方法中，用户可以尝试先检测其他用户发射的数据比特，再将通过检测得到的比特结果进行二次发送。通过通信基站或其他通信技术，其他用户可以进行特殊指定。在检测转发机制下，需要考虑两位用户伙伴进行相互协作通信的情况。在实际工作过程中，用户与用户之间形成协作关系，每一位用户都会有其他伙伴为其数据的发送提供第二条路径，形成了分集的概念。协作用户伙伴的分配方式是当前移动通信网络研究中的一项热门课题。

译码与转发协作机制在通信专著中存在许多实例，各种应用探究为当前的协作通信发展带来了许多启迪与灵感。例如，在码分多址系统下，存在一项两位用户以成对的模式进行协同协作的译码转发协作机制。在这一运行机制中，每一位用户会拥有各自的两项扩频码，用户在第一时间与第二时间的中间间隔内发送自己的比特信息，每一位用户也可以检测其他用户的第二比特。这样在第三时间间隔内，两位协同协作的用户会发送自己第二比特与伙伴第二比特形成的线性组合。第一时间间隔、第二时间间隔与第三时间间隔内发送的功率可以变化，结合用户通信信道与上行之间的具体条件，相关的发射功率可以有针对性地进行系统优化，具有较高的适应能力，能够适应信道的各种状态。

1.3 协作通信的放大转发机制

与检测转发机制相比，放大转发方法是一种较为简单的协作信号处理方法。在放大转发机制中，每一位用户会接收到带有噪音的通过其他伙伴发送而来的通信信号，并对其进行放大处理。处理完毕后，将带有噪音的放大版信号重新进行发送。用户与其伙伴共同传输的信号数据由通信基站统一接收，基站对信号进行进一步合并判决。虽然用户协作者放大信号的同时也放大了噪音，但基站接收到的两个衰落信号相对独立，因而能在最后阶段明确判决信号。

协作通信的放大转发机制由通信专家提出并进行系统分析。放大转发方法的实验研究表明，当通信信号处于高信噪比时，以两个用户协同协作为例，这一机制可以得到的分集阶数为2。在放大转发机制运行模式下，如果用户间信道系数已知，最优译码便可以直接进行。因此，必要的信息交换与信道估计是这一机制必须进行的。对于模拟信号的抽样选取、信道放大与信号重传，是放大转发机制面临的另一项挑战，不再是一项简单的通信技术。可见，从运行模式来看，放大转发机制仍是一项相对简单化的通信协作机制，在信号分析方面具有高度方便性，也有助于进一步理解协作通信系统。

1.4 协作通信的编码协作机制

协作通信的编码协作机制充分体现了信道编码思想与编码协作的有机综合。借由两条相对独立的衰落信号将每位用户的不同码字部分进行发送，便是编码协作机制的工作模式[3]。这一机制的基本思想理念是每位用户向其他用户伙伴发送增加部分的冗余信息。如果用户与用户伙伴之间的信道处于较为恶劣的状态，编码协作机制会自动恢复为非协作的通信模式。通过信道编码设计实现信道协作，是编码协作机制的突出特点。

有限信息与循环性冗余校验信息，是用户发送的通信源数据的主要组成内容。在编码协作机制中，用户的数据发送周期主要分为两个阶段。每一阶段可以称为一帧。在第一帧的数据发送过程中，以N1个比特概括每位用户所发送码字的总体内容。每位用户可以对其伙伴发送的通信数据尝试进行正确译码，若译码结果显示正确，在第二帧阶段便可以进行译码计算，并将伙伴数据的第二部分进行发送，这一过程包含N2个数据比特。若译码错误，在第二帧通信阶段用户只能将自己数据的第二部分进行传送，包含的也是N2个比特。在编码协作机制下，每个通信周期内每位用户发送的均是包含N1、N2两部分比特的数据内容。协作水平也可以定义为用户为其伙伴发送的比特总数目与移动通信传输总比特的比值。一般情况下，编码协作网络可以吸纳各种移动通信信道编码方法的应用，如分组码、卷积码或两种码的结合都可以存在于整个码字。

2 移动通信网络中的协作通信应用

2.1 协作通信在一般移动通信中的应用

在传统移动通信网络的蜂窝通信系统中，要有效提高通信服务质量，通用的方法是中心分裂的方式。以小区通信为例，通常将一个小区细分成微型小区，将中央部署基站设置于微型小区内，借助微波通信或有线方式，各个基站会与中央基站相连[4]。各个微型小区的整个通信范围内，包含的基站会与其他多项移动台连接。实行移动通信前，通过对信道资源的控制与分配，基站先告知移动通信台资源，之后移动台针对其分配的信道资源开展进一步的通信工作。

移动通信网络对写作通信模式的有效引入，使得基站可以顺利与其他多个中继站进行关联。微型区域内的中继站点也可以与多个移动台连接，整个小区的总体通信资源分配由基站统一控制。借助专门的功能函数，中继站可以具体掌控通信资源的分布。移动通信的中继站还可以采用放大转发协作模式，在接收到来自基站的特定时隙与特定频率的数据消息后，中继站可以随之进行信号的放大转发，或采用解码转发通信模式，先将基站发送的消息进行解码，再对编码进行纠错或调制，这样中继站便可以转发出信息。这样的通信工作模式有助于中继站有效提高通信系统的服务质量。中继站可以应用压缩转发的通信模式，将接收的数据消息进行统一压缩量化，再将完成量化的信息进行下一步转发。在压缩转发的通信模式下，协作通信模式可以大大提升通信系统的运行速率。

2.2 协作通信在应急移动通信中的应用

协作通信的有效应用有助于加强移动通信网络的结构强度，因而通信基站处于瘫痪的状态下也可以维持部分通信的正常运行。

在应急移动通信中，如果某个小区的通信基站由于出现故障引发宕机现象，那么在其覆盖的通信范围内移动用户便不能进行移动通信。如果基站内事先构建了协作通信系统，在基站出现故障宕机时，这一通信区域内的移动用户可以借助无线电台进行相互联系。在这一运行状态下，无线电台更像是一个具有精简化功能的小型基站。如果该区域内的通信用户需要与区域外的用户进行联络通信，可以采用多跳无线电台的方式开展通信活动，还可以借助多跳的无线电台与基站建立联络[5]。这样的通信方式也存在一些缺点，其中之一是通信容量较为有限，可以借助优先级的方式加以控制。

3 结 论

对于传统的移动通信工程来说，移动通信企业往往会采用将网络布置优化升级或增设基站的方式增强通信网络系统安全性和提升系统容量，弥补移动网络在服务质量与通信传输速率方面存在的缺点与不足。但是，这种管理方式意味着在网络建设与后期维护方面需加大投入，因此只有优化移动通信网络的系统性能才能发挥其实用价值。