多用戶協同通信與感知技術

羅　濤　郝建軍　樂光新

3協作感知模型及其對無線通信系統的影響

眾所周知，目前阻礙無線移動通信系統發展的主要瓶頸在于無線信道的衰落特性與有限的頻譜資源。盡管感知無線電和協同通信技術目前都已在各自的研究領域里取得很大進展，協同通信技術能夠提高系統的抗衰落能力，感知無線電技術可以提高無線頻譜的使用效率，但這還不足以解決無線通信中存在的上述問題。首先，協同通信技術雖然可以提高信道容量，但對頻譜未充分使用的狀況卻無能為力；其次，從信息論角度來看，傳統感知無線電系統中感知用戶(Ru)使用授權用戶(Lu)未使用的空閑信道進行通信，這其實只是頻譜在不同用戶間的分時復用而已，不會帶來信道容量的增加。也就是說各用戶的傳輸性能并不會得到改善。因此，自然的想法就是將感知無線電技術與協同通信技術結合，發揮各自優勢，尋求對無線通信的解決方案，在提高頻譜使用效率的同時，盡可能地提高系統的信道容量或提升各用戶的抗衰落性能。從本質上看，感知無線電系統亦可看作是LU與RU之間的一種協同合作：RU使用LU目前未使用的空閑信道通信，即LU不用時RU使用。實際上，感知無線電技術和協同通信技術結合已成為一個研究熱點，也許這將為同時提高系統的抗衰落性能、信道容量、頻譜利用率和使用效率提供一種可能的解決方案。

3.1協作感知模型

目前，人們已經開始了協同通信技術和感知無線電技術相結合的研究，且已取得一些有意義的成果。此外，多載波調制(MCM)技術將多用戶的接人與子載波的分配相關聯，利用離散傅里葉變換(DET)實現。故目前的感知無線電系統大都基于MCM構建?；诖耍C合考慮MCM、多輸入多輸出(MIMO)技術和目前已有的一些結合模型(如Ghasemi和Devroye模型)并加以拓展，可概括出3種基于MCM的協作感知模型：協作頻譜檢測模型、協同通信模型和混合模型。各種模型中，RU用戶的接入與子載波分配相關聯，易于實現。RU和LU既可通過競爭分時復用頻譜，各自獨立進行通信以提高頻譜使用效率，亦可通過協同通信技術，在提高頻譜使用效率的同時提高傳輸性能。因此，根據參與用戶的不同，感知無線電系統中的協作可分為RU用戶之間的協作和RU與LU用戶之間的協作兩大類；根據實現功能，感知無線電系統中的協作又可分為協作頻譜檢測和協同通信兩大類。

3.1.1協作頻譜檢測模型

協作頻譜檢測模型如圖10所示。由于衰落效應、噪聲干擾等的影響，RU可能會出現頻譜的漏檢測或者虛檢測，造成對LU的嚴重干擾或降低使用效率。針對這一問題，有兩種解決方案。方案一如圖10(a)示，LU可通過廣播或者有線方式告訴RU關于頻譜占用的情況。該方案可避免互干擾，簡單易行，但需要LU的認可，且在Lu與RU之間需附加專用控制信道。方案二如圖10(b)示，當由于某些原因(如衰落、距離LU較遠等)Ru。不能正確感知到空閑頻譜而RUk卻可以時，RU。和RU。之間可通過協作來提高Ru。的頻譜檢測概率，如進行頻譜檢測信息交互，數據融合判決等等。

3.1.2協調通信模型

協同通信模型如圖11所示，也存在兩種方案，只不過這里的前提條件是RU已準確感知到空閑的頻譜空洞。方案一如圖11(a)示，該方案基于感知干擾信道，LU作為源端，RU(可選其一或多個)充當LU的中繼協助LU轉發信息，其目的是加速LU數據的傳輸，節省其頻譜占用時間，從而使得RU在時間域獲得更多的頻譜接入機會。方案二如圖11fb)示，RUI!E為對方的中繼器，既可采用半雙工，亦可采用全雙工方式。半雙工方式中一般采用時分多址接入(TDMA)，中繼端(如RU。)無信息發送，只協助源端(如RUI,)轉發信息；全雙工方式中多采用碼分多址接入(cDMA)，RU間互為中繼器，既要發送自己的信息，又要轉發對方的信息。

3.1.3混合模型

混合模型如圖12所示，該模型最接近實際情況，它首先要進行頻譜檢測，再進行協同通信，且在不同階段選擇的協作伙伴可以不同。

綜上所述，引入協作分集思想后，可將感知無線電系統從時一頻兩維擴展到空一時一頻三維，充分利用各種通信資源，盡可能地提高感知無線電系統性能。

目前。圍繞上述3種協作感知模型，人們主要在以下兩個方面展開研究工作：

·協同感知系統：在感知系統中引人多用戶協作分集的思想，主要研究協同通信技術對感知無線電系統性能的影響和貢獻；

·感知中繼系統：在協同通信系統中引入頻譜感知技術，即各中繼端或協同伙伴均具有頻譜感知的能力，基于此主要研究頻譜感知技術對協同通信系統性能的影響和貢獻。

圖13給出了Rayleish衰落信道下使用圖12(b)中的混合模型時誤碼率對信噪比的仿真結果。仿真中假設各感知用戶自己的頻譜檢測概率均為0.9，協同通信中使用等功率分配算法，進一步假設有n個感知用戶參與協作頻譜檢測，但只從其中隨機選取一個作為協同通信時的協作伙伴。為了便于比較，圖13中還給出了準確頻譜感知情況下的性能曲線。由圖13易知，n=3時性能就已經很接近準確頻譜檢測的情況了。與無協作(n=1)相比較，誤碼率為10-3，n=3時混合模型可帶來約4 dB的好處。

3.2對現代無線通信系統的影響

從前面的分析可知，協同通信技術可提高通信系統的抗衰落能力，感知無線電技術可提高無線頻譜資源的使用效率，兩者的結合將會對未來的無線移動通信系統的網絡結構等各方面帶來重大影響。

3.2.1對網絡拓撲結構的影響

(1)同構網絡中，可構建分布式通信系統

眾所周知，多天線MIMO系統的信道容量隨著天線數量線性增加，所以多天線技術能夠大大提高無線通信系統的容量。但是，要獲得這些信道容量的前提條件是各天線之間要互相獨立，這就要求通信設備的天線之間的距離足夠大。并且周圍散射體足夠多，因此單個通信設備上能夠安裝的天線數量受到了很大限制，系統容量的提升也是有限的。此外，隨著通信技術的發展，各種通信設備越來越智能化、小型化，這從另一方面增加了實現多天線的難度和復雜性。而協同通信技術在不增加各用戶天線數量的情況下，構建了一個虛擬的MIMO環境。盡管這只是一種類似MIMO的環境，但它同樣可以獲得分集增益，提升信道容量和傳輸性能。相比較而言，這種協同通信技術實現要簡單一些。例如，相互協作的基站可大大簡化系統的復雜度，更容易實現，性能上也要優于無線協同通信系統。甚至于，互相協作的基站之間亦可以通過有線方式連接，而不會影響他們的傳輸性能。由此可見，協同通信技術為多天線技術提供了一種可

能的實現方案。由于這種方案中的多個天線并不是集中安置在某一個節點，而是多個節點互相共享各自原來的天線，為了區別于傳統的集中式系統，人們常稱這種系統為分布式系統。分布式系統是當前的研究熱點之一，集中式系統和分布式系統互相補充，可為人們提供更高質量的業務和更好的服務。

(2)異構網絡間融合，可構建環境感知泛在通信網絡

基于環境感知，終端可實時自適應地調整并接入到當前能夠為其提供最優業務和最好服務的網絡，這就是異構網絡間的協同通信。顯然，通過異構網絡間的協同通信是完全可以構建一個無處不在的泛在通信網絡的，如圖14所示。在這種環境感知泛在通信網絡中，首先要求終端應該具有較高的智能性，這是實現的前提。其次，終端要能夠在不同接入網絡之間進行無縫的切換和漫游。由此可見，協同通信技術和感知無線電技術是構建環境感知泛在通信網絡的關鍵技術?；趨f同通信和感知無線電技術的環境感知泛在通信網絡可使移動用戶在不增加新投入的情況下，隨時接入到更優的網絡，享受到更好的服務。

(3)基于自由頻譜接人，可構建對稱感知無線電系統

其實，不論是上面討論的分布式通信系統，還是環境感知泛在通信網絡，其實都可能只是一種過渡方案。人們希望下一代的通信網絡應該是一種可以融合各類業務的大通信平臺。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是他們的共性。目前的研究熱點是IP多媒體子系統(IMS)，它基于軟交換技術，可以消除各類運營商之間存在的差異、實現業務的融合，從而為用戶提供各類業務，如固定業務和移動業務、實時電路業務和非實時的數據業務等。

但是，從目前的研究和商用情況來看，無線頻譜資源還均是以固定授權分配方式為主流，而且可以說在相當長的一段時間內這種固定分配方式都是不會發生變化的。雖然感知無線電技術是對當前這種頻譜固定分配方式的一種有益的補充，可充分提高頻譜資源的使用效率。但實際上，在現有CR系統中，LU用戶對頻譜的使用具有絕對的優先權，所以這其實是一種非對稱的系統設計。為了方便，我們姑且稱目前的這種系統為非對稱的感知無線電系統。但從信息論角度出發，這種非對稱性有損系統的容量，而隨機化、自適應的通信機制才是有可能達到系統容量的。因此，隨著感知無線電基礎理論和關鍵技術的成熟，單純從技術角度出發，應該存在一種對稱感知無線電系統——沒有授權用戶，即所有用戶均不再分配有固定的授權頻譜，而皆是基于頻譜感知來選擇適當的空閑頻譜來進行通信。盡管對稱感知無線電系統的可行性還有待進一步考證，但這將是在非對稱CR系統研究基礎上的一種新探索，或許將會對未來的無線通信系統產生重大的影響。

3.2.2對通信終端的影響

無論是基于協同通信和感知無線電技術來構建泛在通信系統，還是對稱感知無線電系統，它們都對其中的通信終端提出了更高的要求。相比目前的單模終端，CR終端可以通過自身具有的重配置功能自適應地接入到各種通信網絡，并可無縫漫游。因此，長遠來看未來的終端很可能會統一目前紛繁復雜的多種通信網絡終端，也就是說，盡管目前存在多種不同的接入網絡，但將來很可能只需要一種或若干通用的智能化“萬能”終端就可以了。這種終端主要將基于協同通信技術、軟件無線電技術和感知無線電技術，其功能將會越來越強大、越來越智能，但功耗和體積卻有可能會越來越小。

3.2.3對業務模式及應用的影響

顯然，基于協同通信技術和感知無線電技術構建的泛在網絡和對稱感知無線電系統都可以為用戶提供更多種類的業務和更好的服務。

(1)通用智能化終端催生新的業務模式

隨著未來通信終端智能化程度的提高，反過來又可能會催生一些新的業務模式。眾所周知，點對點(P2P)技術在有線網絡上已經得到了很好的應用，但在無線通信網絡上能否很好地應用，還有許多關鍵技術需要研究。其實，P2P本質上可以說是協同通信技術在有線Internet網絡上的一種具體應用：網絡中的各節點之間互相通力協作，共同完成數據傳輸任務，大大縮小了傳輸時延。

(2)用于深空通信

從信息論的角度看，協同通信技術在不增加各用戶天線數量的情況下可產生一種類似多天線發送的虛擬環境，大大提高無線通信系統的信道容量，這是其能夠提升系統傳輸性能的理論基礎。事實上，協同通信技術源于中繼，其本意就是擴大傳輸距離。發展到今天，協同通信技術的概念已經擴展到了超遠距離的深空通信，將通信衛星、空間站、甚至于月球等星體作為中繼節點，構建星際互聯網。這就為我們進一步研究太陽系，乃至浩瀚的宇宙空間提供了一種可行的方法。

(3)用于應急通信和網絡災難恢復

隨著全球重大突發事件頻頻爆發，加強國家應急保障能力建設，建立一個迅速、科學、有效的突發事件預警機制和緊急反應機制，已經成為當前世界各國研究的重要課題，應急無線通信網絡為這種機制提供了有力的支持。當災難(如地震、戰爭、颶風等)發生時，通信網絡(有線網絡和無線網絡)可能會遭到災難性的破壞，同時災區通信量會急劇增加而造成網絡擁塞，例如：不僅語音業務量增大，視頻會議、遠程數據訪問和災區現場監測等數據業務也隨之增加。目前已有的應急網絡并不能保持通信暢通，通信不順暢會導致政府應急部門不能迅速了解災情，延遲應急響應而使損失擴大。如何在災后建立一個寬帶應急無線網絡通信系統已經成為一個急待解決的問題。綜上所述，在這種情況下，基于協同通信技術和感知無線電技術是可以迅速構建一個寬帶應急自組織協同感知網絡的。

4結束語

雖然，對協同通信技術和感知無線電技術的研究已經取得了許多有價值的結果，協同通信技術也被國際上的一些標準采納，如WiMAX標準等，但是在實際通信應用環境中，還有許多問題需要解決。然而可以肯定的是，隨著理論和關鍵技術的逐漸成熟和完善，協同通信技術和感知無線電技術將會得到越來越廣泛的應用，并對未來的無線通信系統造成深遠的影響。