羅　濤　郝建軍　樂光新

[編者按]協(xié)同通信技術(shù)和感知無線電技術(shù)是近年來的研究熱點(diǎn)，已受到廣泛關(guān)注。協(xié)同通信技術(shù)可提高系統(tǒng)的傳輸能力，感知無線電技術(shù)可提高頻譜的使用效率，兩者的結(jié)合將會對未來的無線移動通信系統(tǒng)帶來重大影響。本講座將分3期：第1期介紹協(xié)同通信技術(shù)提出的背景、協(xié)作方式及關(guān)鍵技術(shù)；第2期將介紹感知無線電技術(shù)的基本概念、關(guān)鍵技術(shù)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；第3期將探討兩種技術(shù)的有效結(jié)合方式及它們對現(xiàn)代無線通信產(chǎn)生的重大影響。

1 協(xié)同通信技術(shù)

協(xié)同通信技術(shù)是在多用戶通信環(huán)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(xié)同發(fā)送，從而產(chǎn)生一種類似多天線發(fā)送的虛擬環(huán)境，獲得空間分集增益，提高系統(tǒng)的傳輸性能。作為一種分布式虛擬多天線傳輸技術(shù)，協(xié)同通信技術(shù)融合了分集技術(shù)與中繼傳輸技術(shù)的優(yōu)勢，在不增加天線數(shù)量的基礎(chǔ)上，可在傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)并獲得多天線與多跳傳輸?shù)男阅茉鲆妗Ｋ蓱?yīng)用于蜂窩移動通信系統(tǒng)、無線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)、無線局域網(wǎng)以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等多種場合，具有研究價值與意義?？梢哉f，協(xié)同通信技術(shù)將是繼多載波調(diào)制技術(shù)、多天線技術(shù)之后，可能會對未來無線通信的發(fā)展產(chǎn)生重大影響的一個研究熱點(diǎn)。而且，協(xié)同通信技術(shù)非常靈活，可與現(xiàn)有多種技術(shù)相結(jié)合，突出各自優(yōu)點(diǎn)。例如，與正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)相結(jié)合，可以充分利用其抗頻率選擇性衰落的優(yōu)點(diǎn)；與編碼或者空時編碼相結(jié)合，可以得到編碼增益；與感知無線電技術(shù)相結(jié)合，能夠提高頻譜檢測概率或者獲得更多的頻譜接入機(jī)會。本講主要討論協(xié)同通信技術(shù)的發(fā)展歷史與研究現(xiàn)狀、協(xié)作方式及其關(guān)鍵技術(shù)。

1.1 發(fā)展歷史與研究現(xiàn)狀

協(xié)同通信技術(shù)的起源可以追溯到Cover和El Gamal在1979年關(guān)于中繼信道的研究工作。中繼信道模型是一個包括源節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)的三點(diǎn)模型，如圖1所示。這種模型可分解成為廣播信道(源節(jié)點(diǎn)A發(fā)送信號，中繼節(jié)點(diǎn)B與目的節(jié)點(diǎn)C接收信號)和多址信道(源節(jié)點(diǎn)A發(fā)送信號，中繼節(jié)點(diǎn)B將收到的信號處理后再進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，目的節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)間信道的容量。而且，通過3種不同的隨機(jī)編碼方案可得到該信道容量的下界。這3種隨機(jī)編碼方法是：簡易方法，中繼節(jié)點(diǎn)并不主動去幫助源節(jié)點(diǎn)，而是通過盡量減少干擾來幫助它；協(xié)同方法，中繼節(jié)點(diǎn)先完全譯出源節(jié)點(diǎn)發(fā)出的信息，然后重新發(fā)送；觀察方法，中繼節(jié)點(diǎn)對收到的源節(jié)點(diǎn)信息的量化形式進(jìn)行編碼后發(fā)送。這些隨機(jī)編碼方法成為協(xié)同通信系統(tǒng)中各種中繼節(jié)點(diǎn)信息處理方式產(chǎn)生的源泉。

協(xié)同通信技術(shù)源于中繼信道，但在很多方面又區(qū)別于中繼信道。首先，協(xié)同通信技術(shù)應(yīng)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(jié)點(diǎn)的唯一目的就是幫助源節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，而在協(xié)同通信中，整個系統(tǒng)的資源是固定的，各用戶既可充當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)幫助源節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，又可作為源節(jié)點(diǎn)發(fā)送自己的信息。因此，協(xié)同通信技術(shù)研究的側(cè)重點(diǎn)有所不同。協(xié)同通信技術(shù)的基本思想是在多用戶通信環(huán)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(xié)同發(fā)送，從而產(chǎn)生一種類似多天線發(fā)送的虛擬環(huán)境，獲得空間分集增益，提高系統(tǒng)傳輸性能。這種傳輸方式融合了分集技術(shù)與中繼傳輸?shù)募夹g(shù)優(yōu)勢，形成了分布式的虛擬MIMO系統(tǒng)，克服了相干距離等的限制，在不增加天線數(shù)目的基礎(chǔ)上，在傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)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(xié)同通信系統(tǒng)中，多個中繼節(jié)點(diǎn)本身可自然形成虛擬的天線陣列，節(jié)點(diǎn)間通過相互配合和信息互通，模擬傳統(tǒng)MIMO技術(shù)的應(yīng)用環(huán)境，從而實現(xiàn)聯(lián)合空時編碼的傳輸方案。與此同時，目的節(jié)點(diǎn)不僅接收來自源節(jié)點(diǎn)直接發(fā)送的信號，同時還接收來自中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的信號，并根據(jù)無線鏈路傳輸狀況和信號質(zhì)量，選取不同的合并方式進(jìn)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(shù)據(jù)傳輸速率。

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

(1)國際上，許多相關(guān)課題已經(jīng)或正在展開。例如無線世界研究論壇(WWRF)已經(jīng)成立了關(guān)于中繼的分組委員會專門開展對此技術(shù)的研究，并發(fā)表了相關(guān)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(tǒng)，在性能、效率和覆蓋靈活性上更加優(yōu)于目前的系統(tǒng)，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(dú)列出子方向?qū)f(xié)同通信技術(shù)進(jìn)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(xué)者合作的關(guān)于協(xié)同通信技術(shù)的專著。

(2)世界已有多所大學(xué)的實驗室開展了這方面的研究，例如瑞士皇家科學(xué)院通信技術(shù)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(dāng)然，還有更多大學(xué)的教授學(xué)者在協(xié)同通信技術(shù)方面做出了卓越貢獻(xiàn)，如麻省理工大學(xué)的J N Laneman博士、美國Polytechnic University的E Erkip副教授、英國倫敦大學(xué)King學(xué)院的M Dohler副教授、美國德州大學(xué)多媒體通信實驗室的T E Hunter博士和明尼蘇達(dá)州大學(xué)的M O Hasna博士等。

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

1.2 協(xié)作方式

根據(jù)協(xié)作對象的不同，協(xié)同通信技術(shù)可分為異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間的協(xié)同通信和同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的協(xié)同通信兩大類。

由于歷史的原因，在現(xiàn)階段出現(xiàn)了多種不同接入網(wǎng)絡(luò)并存的局面：WLAN、WiMAX、蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)以及衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)等等。盡管這些網(wǎng)絡(luò)各具優(yōu)勢，能夠在數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)能夠同時達(dá)到所有這些方面的需求。為了同時滿足不同用戶的多種應(yīng)用需求，未來的通信網(wǎng)絡(luò)必須要具有將各種網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一到一個信息平臺上的能力。對于未來的通信網(wǎng)絡(luò)，國際電信聯(lián)盟、3GPP和3GPP2等組織從電信網(wǎng)絡(luò)的角度，因特網(wǎng)工程任務(wù)組等組織從IP分組網(wǎng)絡(luò)的角度已分別進(jìn)行了相關(guān)描述。盡管這些組織的描述各有不同，但以IP技術(shù)為基礎(chǔ)，通過在各種不同接入網(wǎng)絡(luò)間引入?yún)f(xié)同通信來為用戶提供各種電路交換和分組交換業(yè)務(wù)則是他們的共性。因此，在各種不同接入網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)同通信是發(fā)展的必然趨勢，這就是異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間的協(xié)同通信。顯然，它的研究重點(diǎn)是異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間的移動性管理，主要包括網(wǎng)間的垂直切換與漫游等。

同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的協(xié)同通信技術(shù)指的是所有節(jié)點(diǎn)都在同一種網(wǎng)絡(luò)內(nèi)工作，可分為固定中繼和用戶終端間的協(xié)作兩種方式。固定中繼協(xié)作方式非常類似于圖1的中繼信道，在源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間預(yù)先放置一個位置固定的中繼節(jié)點(diǎn)。中繼節(jié)點(diǎn)與源、目的節(jié)點(diǎn)之間均采用無線連接，但它自己并無信息發(fā)送，而只對接收到的信息進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。與固定中繼方式不同，用戶終端間的協(xié)作方式要靈活一些，源節(jié)點(diǎn)同時也可作為中繼節(jié)點(diǎn)，它們不僅可轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作伙伴的信息，同時也可發(fā)送自己的信息。因此，這些終端需要同時具有信號轉(zhuǎn)發(fā)和簡單路由的功能。根據(jù)中繼節(jié)點(diǎn)對源節(jié)點(diǎn)信息處理方式的不同，這種方式又可分為放大轉(zhuǎn)發(fā)(AF)、解碼轉(zhuǎn)發(fā)(DF)、編碼協(xié)作(CC)、空時編碼協(xié)作(STCC)和網(wǎng)絡(luò)編碼協(xié)作(NCC)等多種方式。下面將重點(diǎn)闡述上述幾種方式的基本原理，并進(jìn)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(jié)點(diǎn)情形，多中繼情形可依此類推。

1.2.1 放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)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(jù)圖2，AF方式的信號處理可簡化為3個階段。第1階段，源節(jié)點(diǎn)首先廣播發(fā)送信號，目的節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)同時進(jìn)行接收；第2階段，中繼節(jié)點(diǎn)對接收到的源節(jié)點(diǎn)信號直接進(jìn)行功率放大后轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點(diǎn)；第3階段，目的節(jié)點(diǎn)對接收到的兩路信息進(jìn)行合并解碼，恢復(fù)出原始信息。因此，AF也被稱作非再生中繼方式，其本質(zhì)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(jié)點(diǎn)可接收到兩路獨(dú)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(jié)點(diǎn)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(yīng)。

1.2.2 譯碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)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(jié)點(diǎn)B對接收到的源節(jié)點(diǎn)信號先進(jìn)行譯碼并估值，然后再將所得的估值信號轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點(diǎn)?；诖耍卜QDF為再生中繼方式。可見，DF方式在本質(zhì)上是一種數(shù)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(shù)。而且這種中繼節(jié)點(diǎn)對源節(jié)點(diǎn)信息解調(diào)解碼錯誤帶來的誤差會隨著跳數(shù)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(jié)點(diǎn)信道傳輸特性的好壞對DF方式協(xié)同通信系統(tǒng)的性能有重要影響。

常稱上述討論的AF與DF方式為固定協(xié)作模式：無論信道傳輸特性如何，中繼節(jié)點(diǎn)總是參與協(xié)同通信過程。但事實上，協(xié)同帶來的未必全是好處，比如在半雙工模式下會降低數(shù)據(jù)傳輸速率以及系統(tǒng)自由度的利用率。顯然，這涉及到協(xié)同時機(jī)或何時協(xié)同的問題?；诖?，結(jié)合AF和DF兩種方式，人們提出了選擇模式與增強(qiáng)模式，如表1所示。

選擇模式將源-中繼節(jié)點(diǎn)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(xié)同通信方式，否則由源節(jié)點(diǎn)重復(fù)發(fā)送?？梢?，選擇模式重點(diǎn)考慮的是源-中繼節(jié)點(diǎn)間的信道狀況。增強(qiáng)模式是利用目的節(jié)點(diǎn)的反饋信息來判斷直傳是否成功，若成功則源節(jié)點(diǎn)發(fā)送新的信息，否則中繼節(jié)點(diǎn)參與協(xié)同通信過程，這一處理相當(dāng)于對中繼傳輸增加了冗余或者自動檢測重傳機(jī)制。易見，增強(qiáng)模式重點(diǎn)考慮的是源-目的節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)一直重復(fù)發(fā)送源節(jié)點(diǎn)信息，這樣勢必會造成系統(tǒng)自由度利用率的降低。增強(qiáng)模式則只在必要的時候才采用協(xié)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(qiáng)放大轉(zhuǎn)發(fā)(IAF)方式性能最優(yōu)；僅從算法復(fù)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(zhuǎn)發(fā)(SDF)作為DF的改進(jìn)方式雖然可以得到滿分集增益，但是復(fù)雜度高于AF。選擇放大轉(zhuǎn)發(fā)(SAF)和增強(qiáng)譯碼轉(zhuǎn)發(fā)(IDF)兩種方式均不能取得良好的性能。這是因為，選擇模式側(cè)重于源-中繼節(jié)點(diǎn)間的信道傳輸特性，增強(qiáng)模式則主要著眼于源-目的節(jié)點(diǎn)間的信道。DF方式中，如果源-中繼節(jié)點(diǎn)信道衰落嚴(yán)重的話，中繼節(jié)點(diǎn)解碼錯誤較多，轉(zhuǎn)發(fā)信息后會引起錯誤的進(jìn)一步累積傳播；而AF方式中，由于中繼節(jié)點(diǎn)只是對源節(jié)點(diǎn)信息進(jìn)行放大轉(zhuǎn)發(fā)，無需進(jìn)行解碼，故源-中繼節(jié)點(diǎn)與中繼-目的節(jié)點(diǎn)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(qiáng)模式較適用于AF方式。

1.2.3 編碼協(xié)作方式

AF和DF方式下，中繼節(jié)點(diǎn)總是重復(fù)發(fā)送源節(jié)點(diǎn)信息，這會降低系統(tǒng)自由度的利用率。Hunter等將信道編碼的思想引入?yún)f(xié)同通信技術(shù)中，提出了編碼協(xié)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(fā)送每個用戶碼字的不同部分。對接收到的協(xié)作伙伴的信息進(jìn)行正確解碼后再重新編碼發(fā)送，這時系統(tǒng)性能的改善是通過在不同空間重復(fù)發(fā)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(fā)送了不同的冗余信息，把分集和編碼結(jié)合起來，可大大提升系統(tǒng)性能。而且，這種方式不需要協(xié)作終端間的信息反饋，中繼節(jié)點(diǎn)不能正確解碼時還可自動切換到非協(xié)作模式，從而保證了系統(tǒng)的效率。

圖4(b)給出一種編碼協(xié)作實例。首先把移動終端要發(fā)送的信息比特分塊進(jìn)行編碼，然后加上循環(huán)冗余校驗碼。在協(xié)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(fā)送N1和N2兩部分比特信息。在第一幀中，每個移動終端發(fā)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(huán)冗余校驗碼(CRC)來檢驗，就在第二幀中發(fā)送其協(xié)作伙伴N2 bit的信息；如果不能正確解碼，則發(fā)送自己N2 bit的信息。這樣每個移動終端在兩個發(fā)送時隙總是傳送N1+N2 bit的信息塊。最后目的節(jié)點(diǎn)解碼接收到的信息塊。與SDF方式不同，編碼協(xié)作方式通過編碼設(shè)計實現(xiàn)協(xié)作與非協(xié)作方式之間的自動切換，無需直接考慮源節(jié)點(diǎn)與中繼節(jié)點(diǎn)之間信道的傳輸特性。

目前，已有多種信道編碼方式與協(xié)同通信相結(jié)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(xié)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(xié)作雙方都能夠正確解碼的話，系統(tǒng)可以獲得滿分集增益；但是在快衰落條件下，編碼協(xié)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(xié)作的思想。

1.2.4 空時編碼協(xié)作方式

將空時編碼思想應(yīng)用到編碼協(xié)作方式中即可得到空時編碼協(xié)作方式。它與一般編碼協(xié)作方式最大的不同是每個移動終端可在自己和其協(xié)作伙伴的多址信道上同時發(fā)送信息；而在一般編碼協(xié)作方式中，移動終端只能在自己的多址信道發(fā)送協(xié)作信息。很多學(xué)者先后給出了多種空時編碼協(xié)作的實現(xiàn)方案，但思路基本是類似的。圖5對空時編碼協(xié)作、編碼協(xié)作以及不采用協(xié)同3種方案的信號處理方式進(jìn)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(xié)同時所占用的時間分為2個時隙，分別對應(yīng)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(qū)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(fā)送源節(jié)點(diǎn)信息給協(xié)作伙伴和目的節(jié)點(diǎn)。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(fā)送已譯碼的協(xié)作伙伴(用戶1)的信息和自己的信息至目的節(jié)點(diǎn)；否則，他將占用所有兩個信道發(fā)送自己的數(shù)據(jù)，如圖5示。換句話說，在階段2，若對協(xié)作伙伴的信息解碼成功的話，編碼協(xié)作方式下，各用戶均只在自己的信道上發(fā)送同伴的信息；而空時編碼協(xié)作方式下，各用戶則是同時發(fā)送雙方的信息。研究表明，空時編碼協(xié)作方式在快衰落環(huán)境下也可以獲得滿分集增益，并且不會犧牲信道質(zhì)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(xié)同通信技術(shù)相結(jié)合，如空時分組碼(STBC)、空時網(wǎng)格碼(STTC)等。其中，STBC碼由于設(shè)計簡單而受到關(guān)注。

1.2.5 網(wǎng)絡(luò)編碼協(xié)作方式

將網(wǎng)絡(luò)編碼思想應(yīng)用到編碼協(xié)作方式中即得到網(wǎng)絡(luò)編碼協(xié)作方式。

網(wǎng)絡(luò)編碼指的是，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)將接收到的信息進(jìn)行編碼后再轉(zhuǎn)發(fā)出去的多點(diǎn)傳送技術(shù)。其核心思想是網(wǎng)絡(luò)的中間節(jié)點(diǎn)不再是簡單的存儲轉(zhuǎn)發(fā)，而是將接收信息進(jìn)行編碼后再發(fā)送，從而可提高整個網(wǎng)絡(luò)的容量和健壯性。網(wǎng)絡(luò)編碼概念的提出以及現(xiàn)在大部分相關(guān)的工作都是基于有線網(wǎng)絡(luò)的，但無線信道的廣播特性為網(wǎng)絡(luò)編碼的應(yīng)用提供了有利條件，且無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的信息交互也完全可以運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)編碼理論來實現(xiàn)。因此，網(wǎng)絡(luò)編碼和協(xié)同通信技術(shù)相結(jié)合可有效提高無線通信系統(tǒng)的性能。

當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)編碼協(xié)作方式的研究主要集中在中繼節(jié)點(diǎn)所采用的網(wǎng)絡(luò)編碼形式及其基本通信方式領(lǐng)域。根據(jù)中繼節(jié)點(diǎn)上采用的網(wǎng)絡(luò)編碼形式可分為線性網(wǎng)絡(luò)編碼和非線性網(wǎng)絡(luò)編碼兩大類。根據(jù)中繼節(jié)點(diǎn)所采用的基本通信方式主要有固定中繼方式、機(jī)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(jié)點(diǎn)R作為用戶A和用戶B的固定中繼，自身并無數(shù)據(jù)傳輸，而只是對收到的用戶A和用戶B的數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編碼；圖6(b)是互為中繼方式，即用戶協(xié)同通信方式，用戶A和B互相作為對方的協(xié)作伙伴，同時還需要傳送自身數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)A和B在自身數(shù)據(jù)和協(xié)作伙伴的數(shù)據(jù)之間進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編碼；圖6(c)為機(jī)會中繼方式，s1要發(fā)送數(shù)據(jù)到d1，s2要發(fā)送數(shù)據(jù)到d2，中繼節(jié)點(diǎn)R1并不是一直參與中繼傳送，只有當(dāng)s1到d1，s2到d2的直達(dá)鏈路的數(shù)據(jù)傳輸中發(fā)生錯誤時中繼節(jié)點(diǎn)R1才參與協(xié)同通信，這時在中繼節(jié)點(diǎn)R1處進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)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(jié)點(diǎn)，中繼節(jié)點(diǎn)對雙方需要交換的數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編碼，來提高系統(tǒng)的吞吐量。

圖7給出了幾種不同協(xié)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(xié)同通信技術(shù)的非協(xié)同方式下系統(tǒng)的性能。由圖7易知，協(xié)同通信系統(tǒng)的傳輸性能確實要優(yōu)于非協(xié)同系統(tǒng)。實際上，上述幾種協(xié)作方式中，CC、NCC與STCC的性能要優(yōu)于AF與DF方式，但是它們的算法復(fù)雜度高，涉及到了各種編碼技術(shù)，使得中繼節(jié)點(diǎn)信號處理的時間增長、時延較大，這不利于現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)。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(guān)鍵技術(shù)

雖然協(xié)同通信技術(shù)的研究已取得很多成果，但仍有不少問題需要進(jìn)一步的探討和研究。目前，協(xié)同通信關(guān)鍵技術(shù)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(xié)同通信在研究之初，大都假設(shè)源節(jié)點(diǎn)與中繼節(jié)點(diǎn)之間等功率分配，這種方式雖然簡單，但顯然不是最優(yōu)的。功率分配問題一直是近年來的研究熱點(diǎn)，但現(xiàn)有文獻(xiàn)提出的功率分配方案大都屬于集中式，如何構(gòu)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(huán)境中，如何給各個終端選擇或者分配最佳的協(xié)作伙伴非常重要，這直接影響系統(tǒng)的性能。此外，若能夠與“協(xié)同時機(jī)”問題結(jié)合，則伙伴選擇算法又會有所不同。當(dāng)然，既然是移動終端，那當(dāng)他們相對位置發(fā)生變化時又該如何及時調(diào)整協(xié)作伙伴等都是需要研究的問題。

(2)中繼節(jié)點(diǎn)的移動性。目前的協(xié)同通信系統(tǒng)中，中繼節(jié)點(diǎn)往往都是具有一定移動性的終端，例如蜂窩網(wǎng)中的手機(jī)用戶等。顯然，中繼的這種移動性會影響伙伴選擇等許多關(guān)鍵問題。因此，假設(shè)中繼節(jié)點(diǎn)固定不動具有片面性，不符合實際情況，現(xiàn)有文獻(xiàn)也鮮有涉及到中繼節(jié)點(diǎn)運(yùn)動情況方面的研究。因此，選擇合適的運(yùn)動模型并考慮移動性對系統(tǒng)性能的影響是極為重要的一個研究課題。

(3)協(xié)作時機(jī)的選擇?，F(xiàn)有文獻(xiàn)往往只關(guān)注協(xié)同通信所帶來的增益，極少有考慮協(xié)同通信的必要性，似乎協(xié)同通信技術(shù)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(jié)點(diǎn)間信道、中繼－目的節(jié)點(diǎn)間信道及源－目的節(jié)點(diǎn)間信道傳輸特性，選擇合適的“協(xié)同時機(jī)”，可在保證系統(tǒng)傳輸性能的前提下進(jìn)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(shè)系統(tǒng)可實現(xiàn)精確的同步，并可獲得準(zhǔn)確的信道狀態(tài)信息。也就是說，源節(jié)點(diǎn)與中繼節(jié)點(diǎn)，源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)及中繼節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)之間都是同步的，但這在實際中很難實現(xiàn)。對于分布式協(xié)同通信系統(tǒng)而言，多個用戶間的準(zhǔn)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(yīng)用場景下的協(xié)同通信系統(tǒng)展開研究更具意義。

(5)與其他通信技術(shù)的結(jié)合。前面已經(jīng)簡單介紹了協(xié)同通信技術(shù)與編碼、空時編碼等技術(shù)的結(jié)合。目前研究的一個熱點(diǎn)是與OFDM技術(shù)的結(jié)合，可以同時發(fā)揮協(xié)同通信與OFDM的優(yōu)勢，既可以得到分集增益，又能夠?qū)诡l率選擇性衰落。此外，協(xié)同通信技術(shù)與感知無線電技術(shù)的結(jié)合是另一個研究熱點(diǎn)。雖然這些研究僅處于起步階段，但他們可為協(xié)同通信技術(shù)的推廣與應(yīng)用提供新的思路。(待續(xù))

收稿日期：2008-11-06

羅濤，博士，北京郵電大學(xué)副教授。先后承擔(dān)和參與國家“863”、自然科學(xué)基金項目及企業(yè)合作項目多項。主要研究方向包括感知無線電、協(xié)同通信、MIMO、OFDM、高速無線網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)等。發(fā)表論文30余篇。

郝建軍，博士，北京郵電大學(xué)副教授。主要研究方向包括感知無線電技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)編碼及協(xié)同通信技術(shù)等。發(fā)表論文10余篇。

樂光新，北京郵電大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師。主要研究方向包括數(shù)字通信與信息處理、寬帶無線通信與無線IP網(wǎng)等。已發(fā)表論文百余篇。