移動通信網絡中的協作通信

張語昕

（河南大學歐亞國際學院，河南 鄭州 450000）

0 引 言

在信息技術快速發展的時代背景下，信息安全問題日益得到社會大眾的廣泛關注。如何在應用移動設備與通信網絡的同時強化個人信息的安全使用成為一個重要問題。要避免信息網絡中存儲的有效資源與重要信息遭到破壞與威脅，需細致了解并分析協作通信這一高效的通信運行模式，并采用適宜的應用手段發揮其潛在的通信優勢。

1 協作通信的基本概述

利用通信網絡中處于閑置狀態的天線資源作為信源中繼進行轉發信息的協助，是協作通信技術的具體應用。要實現空間分集的工作目的，可以利用不同天線進行相同數據的傳輸。這樣的運行模式可以有效提高移動通信系統的安全性能，是無線通信領域內在多輸入多輸出天線技術之后的重要前沿性研究課題。在通信節點的天線數目方面，協作通信技術并沒有嚴格要求，通過搜索與收集移動網絡中的閑置天線，構建分布式虛擬天線的傳輸陣列，以協作的方式傳輸數據，因此具有高效的實際應用價值。在移動通信系統中融入協作通信技術，則是一種更有效的方法。

對于上行的協作通信來說，上行信號會由用戶終端發送，再由多個移動通信基站進行信號接收。這樣的運行機制中，基站處對用戶發射的通信信號的實際接收與處理過程，終端用戶并不需要明確了解，只需要了解下行信令與上行信號存在密切的聯系，知道如何提供信號即可[1]。

1.1 協作通信的相關背景

中繼信道的信息論特征是協作通信基本結構思想的主要發展源頭。三節點網絡是指具有一個源頭節點、一個中繼節點與一個目的節點的結構式網絡。對三節點網絡容量進行具體分析，將所有節點的工作頻帶設為一致，這樣網絡系統便可以視為由一個多址信道和一個廣播信道組成。在協作通信中，需要考慮的結構特性與運行模式與中繼信道不完全相同。如何產生克服通信衰落的網絡分集，是當前協作通信的研究重點。同時，在中繼信道方面，幫助主信道的良好運行是中繼的基本目的。在協作通信工作模式下，整個移動通信網絡系統的總體資源是固定化的，通信用戶不但是信息源，還是一位中繼者。

在協作通信運行系統中，用戶需要發送個人數據，但每一位用戶也是其他用戶的協作式代理。這種協作運行機制帶來的是發射功率和碼速率的相對折衷。對于發射功率來說，在協作通信中，每一位用戶需要發射自身的數據，同時中繼其他用戶的數據，這樣的工作模式需要更高的發射功率。另一層面看，協作通信有效產生了分集式增益，因此每一用戶的基本發射功率可以適當縮減。同樣，在速率方面也存在這樣的問題。每一用戶既承擔著發送個人數據的作用，也承擔著中繼他人數據的功能，因而有人會認為協作通信運行方式會使系統的碼速率遭到損失。但是，這樣的運行模式也會產生相對應的協作分集，改善每一位用戶的譜效率，顯著提高通信信道的碼速率，實現兩者的有效折衷[2]。

協作通信特殊的運行模式帶有帶寬與功率進行零與博弈的濃厚色彩。借由用戶發射功率與帶寬的特殊分配策略，改善移動通信系統的工作性能，是協作通信的基本前提。在協作分配通信資源工作模式下，每一位網絡用戶都需要充當其他用戶數據發送的傳遞者。

1.2 協作通信的檢測轉發機制

協作通信的檢測轉發與傳統的中繼信道方法存在類似之處。在這一通信方法中，用戶可以嘗試先檢測其他用戶發射的數據比特，再將通過檢測得到的比特結果進行二次發送。通過通信基站或其他通信技術，其他用戶可以進行特殊指定。在檢測轉發機制下，需要考慮兩位用戶伙伴進行相互協作通信的情況。在實際工作過程中，用戶與用戶之間形成協作關系，每一位用戶都會有其他伙伴為其數據的發送提供第二條路徑，形成了分集的概念。協作用戶伙伴的分配方式是當前移動通信網絡研究中的一項熱門課題。

譯碼與轉發協作機制在通信專著中存在許多實例，各種應用探究為當前的協作通信發展帶來了許多啟迪與靈感。例如，在碼分多址系統下，存在一項兩位用戶以成對的模式進行協同協作的譯碼轉發協作機制。在這一運行機制中，每一位用戶會擁有各自的兩項擴頻碼，用戶在第一時間與第二時間的中間間隔內發送自己的比特信息，每一位用戶也可以檢測其他用戶的第二比特。這樣在第三時間間隔內，兩位協同協作的用戶會發送自己第二比特與伙伴第二比特形成的線性組合。第一時間間隔、第二時間間隔與第三時間間隔內發送的功率可以變化，結合用戶通信信道與上行之間的具體條件，相關的發射功率可以有針對性地進行系統優化，具有較高的適應能力，能夠適應信道的各種狀態。

1.3 協作通信的放大轉發機制

與檢測轉發機制相比，放大轉發方法是一種較為簡單的協作信號處理方法。在放大轉發機制中，每一位用戶會接收到帶有噪音的通過其他伙伴發送而來的通信信號，并對其進行放大處理。處理完畢后，將帶有噪音的放大版信號重新進行發送。用戶與其伙伴共同傳輸的信號數據由通信基站統一接收，基站對信號進行進一步合并判決。雖然用戶協作者放大信號的同時也放大了噪音，但基站接收到的兩個衰落信號相對獨立，因而能在最后階段明確判決信號。

協作通信的放大轉發機制由通信專家提出并進行系統分析。放大轉發方法的實驗研究表明，當通信信號處于高信噪比時，以兩個用戶協同協作為例，這一機制可以得到的分集階數為2。在放大轉發機制運行模式下，如果用戶間信道系數已知，最優譯碼便可以直接進行。因此，必要的信息交換與信道估計是這一機制必須進行的。對于模擬信號的抽樣選取、信道放大與信號重傳，是放大轉發機制面臨的另一項挑戰，不再是一項簡單的通信技術。可見，從運行模式來看，放大轉發機制仍是一項相對簡單化的通信協作機制，在信號分析方面具有高度方便性，也有助于進一步理解協作通信系統。

1.4 協作通信的編碼協作機制

協作通信的編碼協作機制充分體現了信道編碼思想與編碼協作的有機綜合。借由兩條相對獨立的衰落信號將每位用戶的不同碼字部分進行發送，便是編碼協作機制的工作模式[3]。這一機制的基本思想理念是每位用戶向其他用戶伙伴發送增加部分的冗余信息。如果用戶與用戶伙伴之間的信道處于較為惡劣的狀態，編碼協作機制會自動恢復為非協作的通信模式。通過信道編碼設計實現信道協作，是編碼協作機制的突出特點。

有限信息與循環性冗余校驗信息，是用戶發送的通信源數據的主要組成內容。在編碼協作機制中，用戶的數據發送周期主要分為兩個階段。每一階段可以稱為一幀。在第一幀的數據發送過程中，以N1個比特概括每位用戶所發送碼字的總體內容。每位用戶可以對其伙伴發送的通信數據嘗試進行正確譯碼，若譯碼結果顯示正確，在第二幀階段便可以進行譯碼計算，并將伙伴數據的第二部分進行發送，這一過程包含N2個數據比特。若譯碼錯誤，在第二幀通信階段用戶只能將自己數據的第二部分進行傳送，包含的也是N2個比特。在編碼協作機制下，每個通信周期內每位用戶發送的均是包含N1、N2兩部分比特的數據內容。協作水平也可以定義為用戶為其伙伴發送的比特總數目與移動通信傳輸總比特的比值。一般情況下，編碼協作網絡可以吸納各種移動通信信道編碼方法的應用，如分組碼、卷積碼或兩種碼的結合都可以存在于整個碼字。

2 移動通信網絡中的協作通信應用

2.1 協作通信在一般移動通信中的應用

在傳統移動通信網絡的蜂窩通信系統中，要有效提高通信服務質量，通用的方法是中心分裂的方式。以小區通信為例，通常將一個小區細分成微型小區，將中央部署基站設置于微型小區內，借助微波通信或有線方式，各個基站會與中央基站相連[4]。各個微型小區的整個通信范圍內，包含的基站會與其他多項移動臺連接。實行移動通信前，通過對信道資源的控制與分配，基站先告知移動通信臺資源，之后移動臺針對其分配的信道資源開展進一步的通信工作。

移動通信網絡對寫作通信模式的有效引入，使得基站可以順利與其他多個中繼站進行關聯。微型區域內的中繼站點也可以與多個移動臺連接，整個小區的總體通信資源分配由基站統一控制。借助專門的功能函數，中繼站可以具體掌控通信資源的分布。移動通信的中繼站還可以采用放大轉發協作模式，在接收到來自基站的特定時隙與特定頻率的數據消息后，中繼站可以隨之進行信號的放大轉發，或采用解碼轉發通信模式，先將基站發送的消息進行解碼，再對編碼進行糾錯或調制，這樣中繼站便可以轉發出信息。這樣的通信工作模式有助于中繼站有效提高通信系統的服務質量。中繼站可以應用壓縮轉發的通信模式，將接收的數據消息進行統一壓縮量化，再將完成量化的信息進行下一步轉發。在壓縮轉發的通信模式下，協作通信模式可以大大提升通信系統的運行速率。

2.2 協作通信在應急移動通信中的應用

協作通信的有效應用有助于加強移動通信網絡的結構強度，因而通信基站處于癱瘓的狀態下也可以維持部分通信的正常運行。

在應急移動通信中，如果某個小區的通信基站由于出現故障引發宕機現象，那么在其覆蓋的通信范圍內移動用戶便不能進行移動通信。如果基站內事先構建了協作通信系統，在基站出現故障宕機時，這一通信區域內的移動用戶可以借助無線電臺進行相互聯系。在這一運行狀態下，無線電臺更像是一個具有精簡化功能的小型基站。如果該區域內的通信用戶需要與區域外的用戶進行聯絡通信，可以采用多跳無線電臺的方式開展通信活動，還可以借助多跳的無線電臺與基站建立聯絡[5]。這樣的通信方式也存在一些缺點，其中之一是通信容量較為有限，可以借助優先級的方式加以控制。

3 結 論

對于傳統的移動通信工程來說，移動通信企業往往會采用將網絡布置優化升級或增設基站的方式增強通信網絡系統安全性和提升系統容量，彌補移動網絡在服務質量與通信傳輸速率方面存在的缺點與不足。但是，這種管理方式意味著在網絡建設與后期維護方面需加大投入，因此只有優化移動通信網絡的系統性能才能發揮其實用價值。