多用戶協同通信與感知技術（１）

羅　濤　郝建軍　樂光新

[編者按]協同通信技術和感知無線電技術是近年來的研究熱點，已受到廣泛關注。協同通信技術可提高系統的傳輸能力，感知無線電技術可提高頻譜的使用效率，兩者的結合將會對未來的無線移動通信系統帶來重大影響。本講座將分3期：第1期介紹協同通信技術提出的背景、協作方式及關鍵技術；第2期將介紹感知無線電技術的基本概念、關鍵技術及相關標準；第3期將探討兩種技術的有效結合方式及它們對現代無線通信產生的重大影響。

1 協同通信技術

協同通信技術是在多用戶通信環境中，使用單副天線的各臨近移動用戶可按照一定方式共享彼此的天線協同發送，從而產生一種類似多天線發送的虛擬環境，獲得空間分集增益，提高系統的傳輸性能。作為一種分布式虛擬多天線傳輸技術，協同通信技術融合了分集技術與中繼傳輸技術的優勢，在不增加天線數量的基礎上，可在傳統通信網絡中實現并獲得多天線與多跳傳輸的性能增益。它可應用于蜂窩移動通信系統、無線Ad hoc網絡、無線局域網以及無線傳感器網絡等多種場合，具有研究價值與意義。可以說，協同通信技術將是繼多載波調制技術、多天線技術之后，可能會對未來無線通信的發展產生重大影響的一個研究熱點。而且，協同通信技術非常靈活，可與現有多種技術相結合，突出各自優點。例如，與正交頻分復用(OFDM)技術相結合，可以充分利用其抗頻率選擇性衰落的優點；與編碼或者空時編碼相結合，可以得到編碼增益；與感知無線電技術相結合，能夠提高頻譜檢測概率或者獲得更多的頻譜接入機會。本講主要討論協同通信技術的發展歷史與研究現狀、協作方式及其關鍵技術。

1.1 發展歷史與研究現狀

協同通信技術的起源可以追溯到Cover和El Gamal在1979年關于中繼信道的研究工作。中繼信道模型是一個包括源節點、中繼節點與目的節點的三點模型，如圖1所示。這種模型可分解成為廣播信道(源節點A發送信號，中繼節點B與目的節點C接收信號)和多址信道(源節點A發送信號，中繼節點B將收到的信號處理后再進行轉發，目的節點C則接收來自A和B的所有信號)。

研究表明，離散無記憶、加性白高斯噪聲(AWGN)中繼信道的容量大于源節點與目的節點間信道的容量。而且，通過3種不同的隨機編碼方案可得到該信道容量的下界。這3種隨機編碼方法是：簡易方法，中繼節點并不主動去幫助源節點，而是通過盡量減少干擾來幫助它；協同方法，中繼節點先完全譯出源節點發出的信息，然后重新發送；觀察方法，中繼節點對收到的源節點信息的量化形式進行編碼后發送。這些隨機編碼方法成為協同通信系統中各種中繼節點信息處理方式產生的源泉。

協同通信技術源于中繼信道，但在很多方面又區別于中繼信道。首先，協同通信技術應用于衰落信道中，主要目的是對抗多徑衰落，而中繼信道分析的則是AWGN信道的容量；其次，中繼信道中的中繼節點的唯一目的就是幫助源節點發送信息，而在協同通信中，整個系統的資源是固定的，各用戶既可充當中繼節點幫助源節點發送信息，又可作為源節點發送自己的信息。因此，協同通信技術研究的側重點有所不同。協同通信技術的基本思想是在多用戶通信環境中，使用單副天線的各臨近移動用戶可按照一定方式共享彼此的天線協同發送，從而產生一種類似多天線發送的虛擬環境，獲得空間分集增益，提高系統傳輸性能。這種傳輸方式融合了分集技術與中繼傳輸的技術優勢，形成了分布式的虛擬MIMO系統，克服了相干距離等的限制，在不增加天線數目的基礎上，在傳統通信網絡中可獲得與多天線及多跳傳輸情況下相近的傳輸增益。所謂虛擬MIMO指的是：在協同通信系統中，多個中繼節點本身可自然形成虛擬的天線陣列，節點間通過相互配合和信息互通，模擬傳統MIMO技術的應用環境，從而實現聯合空時編碼的傳輸方案。與此同時，目的節點不僅接收來自源節點直接發送的信號，同時還接收來自中繼節點轉發的信號，并根據無線鏈路傳輸狀況和信號質量，選取不同的合并方式進行處理，從而最大限度地利用有效信息，獲得分集增益并有效地提高數據傳輸速率。

自Sendonaris等從1998年提出協同通信的概念以來，各國相關的研究方興未艾。

(1)國際上，許多相關課題已經或正在展開。例如無線世界研究論壇(WWRF)已經成立了關于中繼的分組委員會專門開展對此技術的研究，并發表了相關研究的白皮書。2004年1月1日，歐盟在第六個框架程序中啟動了WINNER項目，其目的是研究一個無處不在的無線系統，在性能、效率和覆蓋靈活性上更加優于目前的系統，項目中也包含了基于中繼的概念。很多知名國際期刊、會議也單獨列出子方向對協同通信技術進行報道，如IEEE主辦的Communication Magzine等雜志，ICC、WCNC、GlobleCom等會議。2006年，Springer也出版了由眾多學者合作的關于協同通信技術的專著。

(2)世界已有多所大學的實驗室開展了這方面的研究，例如瑞士皇家科學院通信技術實驗室無線通信課題組的研究項目“Cooperative MIMO Wireless Network”、歐洲通信委員會組織的項目“IST-ROMANTIK”等。當然，還有更多大學的教授學者在協同通信技術方面做出了卓越貢獻，如麻省理工大學的J N Laneman博士、美國Polytechnic University的E Erkip副教授、英國倫敦大學King學院的M Dohler副教授、美國德州大學多媒體通信實驗室的T E Hunter博士和明尼蘇達州大學的M O Hasna博士等。

(3)近年來，協同通信技術在中國也引起了廣泛關注，國家自然科學基金委、教育部等均設立多個資助項目，眾多高校也已展開研究，如北京郵電大學、浙江大學、西安電子科技大學等。

1.2 協作方式

根據協作對象的不同，協同通信技術可分為異構網絡間的協同通信和同構網絡內的協同通信兩大類。

由于歷史的原因，在現階段出現了多種不同接入網絡并存的局面：WLAN、WiMAX、蜂窩通信網絡以及衛星通信網絡等等。盡管這些網絡各具優勢，能夠在數據傳輸速率、覆蓋范圍或支持終端的移動性等某一方面或者多方面滿足用戶的需求，但目前還沒有一種網絡能夠同時達到所有這些方面的需求。為了同時滿足不同用戶的多種應用需求，未來的通信網絡必須要具有將各種網絡統一到一個信息平臺上的能力。對于未來的通信網絡，國際電信聯盟、3GPP和3GPP2等組織從電信網絡的角度，因特網工程任務組等組織從IP分組網絡的角度已分別進行了相關描述。盡管這些組織的描述各有不同，但以IP技術為基礎，通過在各種不同接入網絡間引入協同通信來為用戶提供各種電路交換和分組交換業務則是他們的共性。因此，在各種不同接入網絡之間的協同通信是發展的必然趨勢，這就是異構網絡間的協同通信。顯然，它的研究重點是異構網絡間的移動性管理，主要包括網間的垂直切換與漫游等。

同構網絡內的協同通信技術指的是所有節點都在同一種網絡內工作，可分為固定中繼和用戶終端間的協作兩種方式。固定中繼協作方式非常類似于圖1的中繼信道，在源節點和目的節點之間預先放置一個位置固定的中繼節點。中繼節點與源、目的節點之間均采用無線連接，但它自己并無信息發送，而只對接收到的信息進行轉發。與固定中繼方式不同，用戶終端間的協作方式要靈活一些，源節點同時也可作為中繼節點，它們不僅可轉發協作伙伴的信息，同時也可發送自己的信息。因此，這些終端需要同時具有信號轉發和簡單路由的功能。根據中繼節點對源節點信息處理方式的不同，這種方式又可分為放大轉發(AF)、解碼轉發(DF)、編碼協作(CC)、空時編碼協作(STCC)和網絡編碼協作(NCC)等多種方式。下面將重點闡述上述幾種方式的基本原理，并進行簡單比較。為了便于描述，本文中僅討論如圖1所示的單中繼節點情形，多中繼情形可依此類推。

1.2.1 放大轉發協作方式

AF方式最早由Laneman等提出，其信號處理流程如圖2所示。

根據圖2，AF方式的信號處理可簡化為3個階段。第1階段，源節點首先廣播發送信號，目的節點和中繼節點同時進行接收；第2階段，中繼節點對接收到的源節點信號直接進行功率放大后轉發給目的節點；第3階段，目的節點對接收到的兩路信息進行合并解碼，恢復出原始信息。因此，AF也被稱作非再生中繼方式，其本質上是一種模擬信號的處理方式。相對于其他幾種方式，AF方式最簡單，而且由于目的節點可接收到兩路獨立的衰落信號，AF可獲得滿分集增益，性能良好。但由于中繼節點在放大信號的同時也放大了源-中繼信道引入的噪聲，因此AF方式存在著噪聲傳播效應。

1.2.2 譯碼轉發協作方式

DF方式最早由Sendonaris等人給出。類似AF方式，DF方式的信號處理亦可簡化為3個階段，其信號處理流程如圖3所示。

除第2階段外，第1、3階段的處理和AF方式完全相同。在第2階段，中繼節點B對接收到的源節點信號先進行譯碼并估值，然后再將所得的估值信號轉發給目的節點。基于此，也稱DF為再生中繼方式。可見，DF方式在本質上是一種數字信號處理方式。雖然DF方式不會帶來噪聲傳播問題，但受源-中繼端信道傳輸性能影響較大，如果編碼方式不采用CRC的話，也得不到滿分集階數。而且這種中繼節點對源節點信息解調解碼錯誤帶來的誤差會隨著跳數的增加而不斷累積，從而影響到分集效果和中繼性能。這表明源-中繼節點信道傳輸特性的好壞對DF方式協同通信系統的性能有重要影響。

常稱上述討論的AF與DF方式為固定協作模式：無論信道傳輸特性如何，中繼節點總是參與協同通信過程。但事實上，協同帶來的未必全是好處，比如在半雙工模式下會降低數據傳輸速率以及系統自由度的利用率。顯然，這涉及到協同時機或何時協同的問題。基于此，結合AF和DF兩種方式，人們提出了選擇模式與增強模式，如表1所示。

選擇模式將源-中繼節點間的信道傳輸特性與某一門限值比較，只有大于該門限值時才選用協同通信方式，否則由源節點重復發送。可見，選擇模式重點考慮的是源-中繼節點間的信道狀況。增強模式是利用目的節點的反饋信息來判斷直傳是否成功，若成功則源節點發送新的信息，否則中繼節點參與協同通信過程，這一處理相當于對中繼傳輸增加了冗余或者自動檢測重傳機制。易見，增強模式重點考慮的是源-目的節點的信道狀況。上述3種模式中，采用固定與選擇模式時中繼節點一直重復發送源節點信息，這樣勢必會造成系統自由度利用率的降低。增強模式則只在必要的時候才采用協同通信方式，可以較好地解決這一問題，但它卻需要反饋信道。

綜合可靠性與有效性兩個角度考慮，增強放大轉發(IAF)方式性能最優；僅從算法復雜度方面考慮，AF方式最為簡單，也可獲得滿分集增益；DF性能較差，也無法獲得滿分集增益；選擇譯碼轉發(SDF)作為DF的改進方式雖然可以得到滿分集增益，但是復雜度高于AF。選擇放大轉發(SAF)和增強譯碼轉發(IDF)兩種方式均不能取得良好的性能。這是因為，選擇模式側重于源-中繼節點間的信道傳輸特性，增強模式則主要著眼于源-目的節點間的信道。DF方式中，如果源-中繼節點信道衰落嚴重的話，中繼節點解碼錯誤較多，轉發信息后會引起錯誤的進一步累積傳播；而AF方式中，由于中繼節點只是對源節點信息進行放大轉發，無需進行解碼，故源-中繼節點與中繼-目的節點的信道是同等重要的。所以，選擇模式較適用于DF方式，而增強模式較適用于AF方式。

1.2.3 編碼協作方式

AF和DF方式下，中繼節點總是重復發送源節點信息，這會降低系統自由度的利用率。Hunter等將信道編碼的思想引入協同通信技術中，提出了編碼協作方式，信號處理流程如圖4(a)所示。

該方式通過兩條不同的衰落路徑發送每個用戶碼字的不同部分。對接收到的協作伙伴的信息進行正確解碼后再重新編碼發送，這時系統性能的改善是通過在不同空間重復發送冗余信息而獲得的。這種方式下，各移動終端通過重新編碼發送了不同的冗余信息，把分集和編碼結合起來，可大大提升系統性能。而且，這種方式不需要協作終端間的信息反饋，中繼節點不能正確解碼時還可自動切換到非協作模式，從而保證了系統的效率。

圖4(b)給出一種編碼協作實例。首先把移動終端要發送的信息比特分塊進行編碼，然后加上循環冗余校驗碼。在協同通信時再將編碼后的信息分成兩段，分別含有想要傳送的信息比特N1和鑿空信息比特N2 (原始碼字的長度為N1+N2 bit)。顯然，總共需要兩個時隙(稱為幀)來分別發送N1和N2兩部分比特信息。在第一幀中，每個移動終端發送各自N1 bit的信息，同時每個移動終端都試圖解碼對方的第一幀信息。如果正確解碼——通過循環冗余校驗碼(CRC)來檢驗，就在第二幀中發送其協作伙伴N2 bit的信息；如果不能正確解碼，則發送自己N2 bit的信息。這樣每個移動終端在兩個發送時隙總是傳送N1+N2 bit的信息塊。最后目的節點解碼接收到的信息塊。與SDF方式不同，編碼協作方式通過編碼設計實現協作與非協作方式之間的自動切換，無需直接考慮源節點與中繼節點之間信道的傳輸特性。

目前，已有多種信道編碼方式與協同通信相結合，例如卷積碼、Turbo碼、低密度奇偶校驗碼(LDPC)等。在慢衰落條件下，即使移動終端間的信道傳輸特性非常差，編碼協作依然能夠顯著提高這兩個移動終端的誤碼率性能，并且如果協作雙方都能夠正確解碼的話，系統可以獲得滿分集增益；但是在快衰落條件下，編碼協作會犧牲上行信道傳輸特性相對較好的終端的性能。為了解決這個問題，又提出了空時編碼協作的思想。

1.2.4 空時編碼協作方式

將空時編碼思想應用到編碼協作方式中即可得到空時編碼協作方式。它與一般編碼協作方式最大的不同是每個移動終端可在自己和其協作伙伴的多址信道上同時發送信息；而在一般編碼協作方式中，移動終端只能在自己的多址信道發送協作信息。很多學者先后給出了多種空時編碼協作的實現方案，但思路基本是類似的。圖5對空時編碼協作、編碼協作以及不采用協同3種方案的信號處理方式進行了簡單的比較。

圖5中，橫軸為時間軸，縱軸為頻率軸，采用FDMA多址方式。在STCC與CC方式中，將原來不協同時所占用的時間分為2個時隙，分別對應為階段1和階段2。由圖5可見，在階段1兩者的工作方式完全相同，兩者的區別主要在階段2。為了便于描述，不妨僅以用戶2為例來說明STCC的工作過程。STCC方式下，在階段1，用戶1和用戶2分別使用信道1和信道2廣播發送源節點信息給協作伙伴和目的節點。在階段2，若用戶2對用戶1所傳信息解碼正確，則他將在信道1和信道2上分別發送已譯碼的協作伙伴(用戶1)的信息和自己的信息至目的節點；否則，他將占用所有兩個信道發送自己的數據，如圖5示。換句話說，在階段2，若對協作伙伴的信息解碼成功的話，編碼協作方式下，各用戶均只在自己的信道上發送同伴的信息；而空時編碼協作方式下，各用戶則是同時發送雙方的信息。研究表明，空時編碼協作方式在快衰落環境下也可以獲得滿分集增益，并且不會犧牲信道質量相對較好的移動終端的性能。

目前，已有多種空時編碼方案與協同通信技術相結合，如空時分組碼(STBC)、空時網格碼(STTC)等。其中，STBC碼由于設計簡單而受到關注。

1.2.5 網絡編碼協作方式

將網絡編碼思想應用到編碼協作方式中即得到網絡編碼協作方式。

網絡編碼指的是，網絡節點將接收到的信息進行編碼后再轉發出去的多點傳送技術。其核心思想是網絡的中間節點不再是簡單的存儲轉發，而是將接收信息進行編碼后再發送，從而可提高整個網絡的容量和健壯性。網絡編碼概念的提出以及現在大部分相關的工作都是基于有線網絡的，但無線信道的廣播特性為網絡編碼的應用提供了有利條件，且無線網絡節點間的信息交互也完全可以運用網絡編碼理論來實現。因此，網絡編碼和協同通信技術相結合可有效提高無線通信系統的性能。

當前網絡編碼協作方式的研究主要集中在中繼節點所采用的網絡編碼形式及其基本通信方式領域。根據中繼節點上采用的網絡編碼形式可分為線性網絡編碼和非線性網絡編碼兩大類。根據中繼節點所采用的基本通信方式主要有固定中繼方式、機會中繼方式、互為中繼方式以及雙向中繼方式等幾種方式，其信號處理流程如圖6所示。

圖6(a)是固定中繼方式，中繼節點R作為用戶A和用戶B的固定中繼，自身并無數據傳輸，而只是對收到的用戶A和用戶B的數據進行網絡編碼；圖6(b)是互為中繼方式，即用戶協同通信方式，用戶A和B互相作為對方的協作伙伴，同時還需要傳送自身數據，節點A和B在自身數據和協作伙伴的數據之間進行網絡編碼；圖6(c)為機會中繼方式，s1要發送數據到d1，s2要發送數據到d2，中繼節點R1并不是一直參與中繼傳送，只有當s1到d1，s2到d2的直達鏈路的數據傳輸中發生錯誤時中繼節點R1才參與協同通信，這時在中繼節點R1處進行網絡編碼；圖6(d)為雙向中繼方式，用戶A和B相互通信，中間有若干中繼節點，中繼節點對雙方需要交換的數據進行網絡編碼，來提高系統的吞吐量。

圖7給出了幾種不同協作方式傳輸性能的比較。為了便于比較，圖中也給出了不采用任何協同通信技術的非協同方式下系統的性能。由圖7易知，協同通信系統的傳輸性能確實要優于非協同系統。實際上，上述幾種協作方式中，CC、NCC與STCC的性能要優于AF與DF方式，但是它們的算法復雜度高，涉及到了各種編碼技術，使得中繼節點信號處理的時間增長、時延較大，這不利于現代無線通信系統。因此，綜合考慮多種因素，AF與DF兩種方式更實用一些。

1.3 關鍵技術

雖然協同通信技術的研究已取得很多成果，但仍有不少問題需要進一步的探討和研究。目前，協同通信關鍵技術研究主要包括：

(1)無線資源的管理。這主要涉及到功率分配與伙伴選擇等問題。協同通信在研究之初，大都假設源節點與中繼節點之間等功率分配，這種方式雖然簡單，但顯然不是最優的。功率分配問題一直是近年來的研究熱點，但現有文獻提出的功率分配方案大都屬于集中式，如何構造一種符合實際情況的分布式功率分配方案是十分必要的。在一個多用戶的環境中，如何給各個終端選擇或者分配最佳的協作伙伴非常重要，這直接影響系統的性能。此外，若能夠與“協同時機”問題結合，則伙伴選擇算法又會有所不同。當然，既然是移動終端，那當他們相對位置發生變化時又該如何及時調整協作伙伴等都是需要研究的問題。

(2)中繼節點的移動性。目前的協同通信系統中，中繼節點往往都是具有一定移動性的終端，例如蜂窩網中的手機用戶等。顯然，中繼的這種移動性會影響伙伴選擇等許多關鍵問題。因此，假設中繼節點固定不動具有片面性，不符合實際情況，現有文獻也鮮有涉及到中繼節點運動情況方面的研究。因此，選擇合適的運動模型并考慮移動性對系統性能的影響是極為重要的一個研究課題。

(3)協作時機的選擇。現有文獻往往只關注協同通信所帶來的增益，極少有考慮協同通信的必要性，似乎協同通信技術在任何場景下都能夠帶來好處似的。事實上，綜合考慮源－中繼節點間信道、中繼－目的節點間信道及源－目的節點間信道傳輸特性，選擇合適的“協同時機”，可在保證系統傳輸性能的前提下進一步提高資源的使用效率。

(4)同步與信道估計算法。目前的研究基本上都是假設系統可實現精確的同步，并可獲得準確的信道狀態信息。也就是說，源節點與中繼節點，源節點與目的節點及中繼節點與目的節點之間都是同步的，但這在實際中很難實現。對于分布式協同通信系統而言，多個用戶間的準確同步與信道估計就更加困難了。實際上，研究同步與信道估計算法，對更接近實際應用場景下的協同通信系統展開研究更具意義。

(5)與其他通信技術的結合。前面已經簡單介紹了協同通信技術與編碼、空時編碼等技術的結合。目前研究的一個熱點是與OFDM技術的結合，可以同時發揮協同通信與OFDM的優勢，既可以得到分集增益，又能夠對抗頻率選擇性衰落。此外，協同通信技術與感知無線電技術的結合是另一個研究熱點。雖然這些研究僅處于起步階段，但他們可為協同通信技術的推廣與應用提供新的思路。(待續)

收稿日期：2008-11-06

羅濤，博士，北京郵電大學副教授。先后承擔和參與國家“863”、自然科學基金項目及企業合作項目多項。主要研究方向包括感知無線電、協同通信、MIMO、OFDM、高速無線網絡體系結構等。發表論文30余篇。

郝建軍，博士，北京郵電大學副教授。主要研究方向包括感知無線電技術、網絡編碼及協同通信技術等。發表論文10余篇。

樂光新，北京郵電大學教授、博士生導師。主要研究方向包括數字通信與信息處理、寬帶無線通信與無線IP網等。已發表論文百余篇。