多节点协作通信技术研究

王荆宁，王栋良，秦建存

(1.中国电子科技集团公司第54研究所，石家庄 050081;2.哈尔滨工业大学通信技术研究所，哈尔滨 150001)

0 引言

多天线技术可以有效地抵抗无线通信中多径衰落的影响［1］，但是一些无线网络的用户节点受到质量、体积等的限制不便于安装多个不相关的天线，因此多节点协作分集(cooperative diversity)技术应运而生。协作分集是一种新的空间分集技术，网络中的一些终端相互协作，互相转发协作伙伴的信息，以形成分布式多天线系统。一个典型的协作分集示意图如图1所示，源节点和中继节点到达目的节点的路径相互独立，可以获得空间分集增益。

图1 协作分集示意图

1 多用户协作分集发展与原理

1.1 多用户协作发展

协作分集技术最早源于中继信道(relay channel)的研究，Cover和Gamal最先从信息论的角度分析了中继信道的信道容量［2］，从理论上证明了中继通信可以得到信道容量上的增益。真正的协作分集起源于Sendonaris等人分析的两用户协作分集对上行信道容量的改善［3］，同时给出了一种解码转发(DF，decode-and-forward)协作的雏形，随后对协作分集进行了系统的介绍分析［4］，包括信道容量、中断概率和覆盖范围等性能增益，并且对协作伙伴选择和接收机结构进行了具体的研究和设计。

Laneman等人最先提出了放大转发(AF，amplify-and-forward)和解码转发的概念，明确了具体的实现方法和结构［6］，比较了不同协作方法的误码率性能和发射分集增益上限及中断概率、系统容量和分集复用折中(DMT，diversity multiplexing tradeoff)等性能，并且把空时编码引入协作分集系统当中［7］。

在DF协作的基础上，Hunter提出了编码协作(CC，coded cooperation)的思想，是将DF协作与信道编码相结合的产物，可以看作是一种特殊的DF协作方法，只是中继节点转发的不是原来的信息，而是增加的冗余信息［8］。

而针对快衰落情况下原来的协作分集方法无法得到额外增益的情况，Souryal等人提出了一种基于空时传输和迭代译码的编码协作方法，这个方法中每个用户在转发协作伙伴的信号的同时发送自己的信号，可以得到空时编码的增益［9］。

1.2 协作分集基本原理

最基本的协作协议就是DF协作和AF协作，原理如图2所示。

图2 DF与AF协作分集示意图

DF协作是一种数字转发方式，中继节点对收到的信号进行解调和解码，然后把解码后的数据进行重新编码、调制并转发到目的节点。DF协作可以避免源节点到中继节点之间噪声的引入，但是如果中继节点解码错误，就会把错误的数据发送到目的节点。AF协作是一种模拟转发方式，中继节点把收到的信号直接进行放缩调整然后发送到目的节点的方法。AF协作在转发了有用信号的同时，中继节点引入的噪声也会被转发和放大。

文献［6］中介绍了一种基于时分多址(TDMA，time division multiple access)的时隙结构，如图3所示。而实际无线系统中用户一般都是占用不同的信道，也就是图3(b)的非协作的情况。图3(c)的协作分集情况是基于半双工的，这里，协作分集的时隙结构就是把非协作系统时隙中每个用户的传输时间都分成两个子时隙，一部分用来传输自己的信息，另外一部分用来为协作用户中继，这样就成为一个实际可行的协议。

图3 时分信道协作分集的例子

对直接传输来说，n=1，…，N/2的时候，信道可以表示为

式中，xS［n］为源节点发送信号;yD［n］为目的节点接收信号。

对于n=N/2+1，…，N的情况，与前面 n=1，…，N/2的时候是一样的。

对协作分集，当n=1，…，N/4的时候，信道模型可以描述为

式中，yR［n］为协作伙伴R的接收信号。

当n=N/4+1，…，N/2的时候，信道可以描述为

在式(1)～ (4)中，∂i，j包含了路径损耗，阴影衰落和频率非选择性衰落三部分，它是一个零均值、独立的、循环对称的复高斯随机变量;zj［n］包含了系统中的接收机噪声和其他的干扰，它是一个互相独立的、循环对称的复高斯随机序列。这里 i∈{S，R}，j∈{R，D}。

根据协作伙伴转发内容的不同，协作分集的方法可以分为解码转发、放大转发、编码协作、选择(selection)中继和增强(incremental)中继等方式，还可以分为固定中继、自适应中继和带有反馈的中继等方式。其中最基本的就是DF和AF两种。

对AF协作模式，就是R直接将接收到的信号进行放大，在n=N/4+1，…，N/2的时候

为了满足瞬时功率的限制，协作伙伴的增益系数必须满足

而对DF协作模式，则是需要R将接收到的信号进行解码后重新发送，在n=N/4+1，…，N/2的时候

1.1 协作分集与中继、虚拟MIMO的异同

协作分集是中继通信的发展。中继站一般是固定的，类似于功能更强的直放站(repeater)。在协作分集系统中，每一个用户不仅要发送自己的信息，还要为别的用户转发信息，既是转发者，又是数据源，在接收端还需要对多路接收信号进行分集接收。协作的伙伴需要考虑为转发信息而占用的功率和信道。因此发展顺序是:Repeater(直放站 )Relay(中继 )Cooperation(协作)。

协作分集与协作MIMO也有着一定的区别。协作MIMO借用了协作的思想，以多个用户天线联合形成一个虚拟的MIMO。协作分集侧重协作的方法，协作伙伴选择等，往往都是三节点模型(也就是两用户协作)，而协作MIMO往往多个用户协作而不是两个，关注的是如何设计协作情况下的分布式空时码等，以及如何克服异步带来的影响。

2 协作的前提与协作性能分析

2.1 协作分集前提条件

协作分集有一些基本的假设和前提，与目前的系统是不一样的。

(1)半双工假设。也就是协作用户半双工工作，不可能同时在同一个信道收发信息。

(2)用户可以接收上行信息。用户可以接收上行的信息，这也是协作的前提。这种模型对于TDD系统是显而易见的，而对于FDD系统要求用户是多模设备。

(3)系统准确同步。包括所有的节点都可以达到准确的同步。

(4)接收端已知信道状态信息，这样才可以进行最佳分集接收。

2.2 协作分集性能分析

协作分集对系统性能的改进与其他通信系统一样都体现在可靠性和有效性上，但是其根本都是空间分集增益。

(1)分集复用折中。分集复用折中(DMT)性能是评价多天线系统的重要指标［8］。假设接收信噪比为SNR，给定一个编码方案，其对应的系统传输速率为R(SNR)b/(s·Hz)，而对应的平均错误概率为Pe(R)，那么该编码方案达到的复用增益r和分集阶数d定义为

对于某个给定的复用增益r，定义所有编码方案可达到最大分集阶数不会超过d*(r)。分集阶数表示了随着SNR的升高，错误概率下降的速度，其大小一般等于同一信号传输所经过的独立衰落的路径数目，与天线的数量成正比。典型系统的DMT曲线如图4所示。从图中可以看出，机会协作的DMT与多天线空时编码系统是一致的，可以得到分集增益。

(2)中断概率与信道容量。中断概率(outage)和信道容量(channel capacity)分别代表了通信系统的可靠性和有效性两个方面。当信道质量变差到以任何方式都无法完成目标速率的可靠通信的时候，系统就产生了中断。信道容量的分析是与中断概率的分析相结合的，信道容量提高了，在给定传输速率的情况下中断概率自然就会降低。

(3)提高频谱效率，降低错误概率。频谱效率是信道容量的具体表现，给定错误概率下的频谱效率等价于给定中断概率下的信道容量。通过多个节点的相互协作，可以使系统的频谱效率提高，如图5所示。从而在相同的带宽内可以传输更多的信息，增加了通信系统的有效性。错误概率包括了误码率、误比特率和误帧率等，与中断概率对应。协作分集系统性能如图6所示，在10－4的BER要求下，可以得到超过10 dB的分集增益。

(4)降低发射功率，扩大覆盖范围。协作分集通过互相转发、中继对方的信息，可以达到全分集的增益，从而降低发射功率，也就可以在相等的发射功率限制和系统性能要求的情况下就可以提高单个基站的覆盖范围。理论计算和仿真表明，在用户之间的信道较好的时候，覆盖范围可以增加10%以上，甚至超过20%。

图4 典型系统的DMT曲线

图5 协作分集对频谱利用率的提高

图6 协作分集的BER性能

3 协作通信研究内容

早期的研究大多集中在协作分集的容量和性能分析及相关的协作协议与算法。为了使协作分集成为可能，需要研究适合协作的策略和协议，包括协作系统的结构和建立协作流程，也要考虑建立并维持协作网络的动态过程等。归纳来看协作分集研究的关键技术主要包括三个大方面，就是When to cooperate，Who cooperate with whom和How to cooperate。

When to cooperate，就是协作的时机问题。协作分集并不是在任何时候都可以带来增益的，因而它并不是一个取代现有通信网络的独立系统，可以应用在某一种无线通信网络中，在协作有增益或者需要协作的时候就启动协作，在没有增益或者不需要协作的时候就终止协作。目前对这方面的研究讨论较少或者没有给出具体的操作方法，大多数文献都只计算了在特定的条件下协作分集可以获得多少增益，而忽略了协作过程中的开销。相比非协作系统，在协作的建立和协作进行过程中，协作分集系统要消耗一些额外的资源，只有协作获得的增益大于额外消耗的资源，协作系统才有启用的价值。

Who cooperate with whom，就是说谁与谁协作的问题。包括哪些用户需要协作，选择哪一个或者哪几个协作伙伴为其协作［10］。在协作通信系统中，协作伙伴的好坏对整个系统的性能有着决定性的影响。这个最经典的“机会协作”［11］是由MIT的Bletsas博士提出来的，并且做了硬件的简单实现。该方法是很多协作伙伴选择方法的基础。另外一个就是用户分组的方法，主要是滑铁卢大学的Mahinthan博士提出并发展［12］。还有结合DF和编码协作，选择多个用户达到更高的分集增益，结合功率分配等方法。

How to cooperate，就是如何完成协作分集的过程，它包含了协作分集的众多内容，包括理论方面的和应用方面的。可以分为下面几个内容。

(1)协作方法研究。从最初的DF和AF开始，研究一些简单的改进，结合ARQ，结合自适应调制编码［13］，跨层分析等。

(2)资源分配。包括信道分配和功率分配。功率分配涉及源用户与协作伙伴之间及多个协作伙伴之间，限制条件为瞬时功率受限或者平均功率受限，后者可以采用时间上的注水算法，只是算法比较复杂。信道分配主要用在OFDMA系统中，不同的用户分配不同的子载波。子载波分配有很多不同的方法，最简单的就是贪婪算法，目的是追求系统容量最大化，很多改进算法都是要追求用户间的公平性，从而牺牲一定的容量［14］。

(3)宽带模式下的协作。协作分集的前提是窄带信道，宽带信道下主要有SC-FDE和OFDM两种。OFDM在单个载波下与窄带的方法是一样的，增加的就是多用户的资源分配。SC-FDE的研究则主要表现在结合循环延时分集或者空时编码等。

(4)协作协议设计。协作分集的理论研究已经趋向成熟，现在急需为其开发典型的应用场景，这就需要设计适合协作的通信协议和时隙结构等。

(5)协作通信结合物理层网络编码、重叠编码等。物理层网络编码、重叠编码是增加通信容量的新方法，同样需要节点间转发信息，可以与协作分集技术相结合。

4 协作通信发展与应用

协作通信技术是近几年无线通信发展最快的研究领域之一，可以应用在以下的一些典型场景中。

(1)基站协作模式的研究。802.16j中提出了中继的思想，LTE-Advanced中加入了基站协作的内容。研究的侧重点在于信道分配，中继站的设立和选择等，谋求信道容量提升，改善小区内的信号质量，提升覆盖范围等［15］。

(2)泛在网络和物联网中的应用。以传感器网络为基础的物联网和泛在网络中可以不考虑信道分配，重点解决如何将节点分簇，如何节省能量，并且要保证不同的节点消耗能量差不多，从而延长网络生存时间。这个可以结合Ad hoc，一般考虑多个节点协作，可以形成虚拟MIMO。

(3)协作在军事通信中的应用。在军事通信中，不需要考虑自私用户、是否愿意协作等问题，并且在山区等复杂环境中多径严重，利用协作分集可以有效改善传输可靠性，提升设备的生存能力，并且通过协作还可以提升设备的抗干扰能力。

5 结语

多节点协作通信作为无线通信的研究热点，是多域协同的一个重要组成部分，是解决目前无线通信系统频谱效率瓶颈和抵抗多径衰落的有效手段。不同空间位置上的节点可以通过相互协作来获得空间分集增益，从而提升通信容量，提升通信可靠度，减低节点能量消耗。

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