无线协作中继技术综述

中国人民解放军71192部队 苏 亮

一、引言

在无线通信系统中，分集技术能够有效对抗信道衰落、改善信道质量。常用的分集方式主要有空间分集、时间分集和频率分集，其中，空间分集利用空间上分离的多个发射信号样本或多个接收信号样本来对抗多径衰落，由于不额外占用时间和频带资源，更具吸引力。多输入多输出（MIMO）技术是空间分集技术的典型代表，其基本原理是通过在发射端和接收端同时放置多根天线，形成多个独立的发/收信道，通过利用空间分集增益来抵抗无线网络中的多径衰落影响，从而提高网络容量，改善网络性能。然而，在实际应用中，有些无线网络用户终端由于体积、质量和功耗的制约，不便于采用MIMO技术。分集技术能够利用中继信道，通过分布式传输和信号处理构成虚拟的MIMO系统，为MIMO技术提供了一条新的可选择的实现途径。

二、信道模型

Meulen最早提出了包含源节点S、中继节点R和目的节点D的三节点中继信道模型，如图1所示。随着协作中继技术研究的深入，针对不同应用情景的协作模型也越来越丰富，主要表现为以下几种形式：

从R的数量来看，由单个R推广到多R的协作中继网络模型。该模型包含单个S、单个D和多个R。多个R构成了中继集合R，这些R可以构成虚拟天线阵，将S的信息转发给D。

从S的数量来看，由单个S推广到多个S的协作中继网络模型。多个S构成发射集合S，协作向共同的D发射信号。

从D的数量来看，由单个D推广到多个D的协作中继网络模型。多个D构成接收集合D，协作接收来自单个S的信号。

基于以上几种模型，可以组合成更复杂的网络模型，比如网络中同时存在多个S、多个R和多个D。另外，还有多跳协作中继网络，S发射的信息需要经过多个R才能达到D。

本文以图1所示的三节点模型为例，介绍中继传输模型。在该中继网络中，S在R的协助下向D发送信号，信息传输需要经过两个阶段：在第一个阶段，S发送信号给D和R，称为广播阶段；在第二阶段，R转发信号给D，此时S也可能同时在向D发送信号，称为多址阶段。这里，假设系统工作在半双工（节点不能同时收发）模式下，接收端已知信道状态信息（CSI）。

图1 三节点中继信道模型

式中，hSR和hSD分别表示S-R和S-D链路的信道衰落参数，服从均值为零、方差为σ2SR和的循环对称复高斯分布，并且在一帧内保持不变；nSR和nSD分别表示S-R和S-D链路的信道噪声，服从均值为零、方差为N0的循环对称复高斯分布。

式中，hRD和nRD分别表示R-D链路的信道衰落参数和信道噪声。同时，D收到来自S的直接传输信号为 ，k=(N/2)+1，(N/2)+2，…，N。D根据接收到的两个长度为N/2的信号序列 ， k=1，2，…，N和yRD[k]， k=(N/2)+1，(N/2)+2，…，N，进行合并和判决便可得到S发射的信号。

三、基本协作中继协议

协作中继协议主要包括固定中继（fixed relaying）、选择中继（selection relaying）和增强中继（incremental relaying）协议。不同的协议在中继节点采用不同的处理过程，在目的节点的合并方式也有所不同。

1. 固定中继

固定中继协议包括放大转发（AF），解码转发（DF）协议。

（1）放大转发

AF协议最早由Laneman等人提出，在该协议中，中继节点仅根据功率约束简单地线性放大接收到的信号，是最简单的一种信号转发协议。在AF协议中，中继节点转发的信号xR[k]可以表示为

为了满足瞬时功率约束，放大系数β必须满足

该协议的优点在于：结构简单，直接对信息进行转发而不用进行另外的处理，具有速度快、复杂度低的特点；由于目的端接收到的信号来自不同的独立路径，所以在高信噪比的时候，AF能很好地实现空间分集。但是其缺点在于：用户间信道中的噪声也被放大转发，当协作用户之间链路质量较差的时候，放大的噪声将直接影响目的端的判决，尽管在放大中继过程中，噪声也被放大并转发。

（2）解码转发

DF协议最早由Sendonaris等人提出，在该协议中，R首先对接收到的信号进行解码，然后再重新编码转发给目的节点。DF协议不会像AF协议那样放大噪声，但当信道质量较差时，R可能出现解码错误的情况，会影响系统性能。DF协议通常与信道编码方案相结合，广泛应用于很多协作中继网络模型中。

在基于重复编码（Repetition Coded）方案的DF协议中，R将解码所得的信息序列采用与S相同的编码器重新编码，然后将编码后的信号转发给D。假设R解码后得到信源发送信号xS[k]的估计值为 ，则经过重复编码后的发送信号为

除了重复编码方案，DF协议在中继节点还可以采用其他的信道编码技术，从而构造更加高效的中继转发方案。也有文献将其命名为编码协作（CC）协议。由于DF和CC在中继节点都需要进行解码，只是R采用的编码方案不同，因此我们在这里一并进行介绍。在该协议中，R对正确解出的S的信息进行重新编码，发送不同的冗余信息，有效地将空间分集和码域分集相结合，提高了D正确解码的能力。

2.选择中继

Laneman等人在AF协议和DF协议的基础上提出了一种选择中继协议，这种协议的基本原理是根据S-R链路的信道瞬时信噪比 来选择中继协议。当 低于设定的门限时，S采用重复编码或者其他信道编码方式直接将信号传送给D而不经过R；当 高于设定的门限时，R采用AF协议或者DF协议，从而增加分集增益。

3.增强中继

在固定中继和选择中继协议中，R总是在重复转发，没有充分利用信道的自由度，尤其在高速率情况下。增强中继协议利用D有限的反馈信息，比如使用1比特信息来表明直接传输（S到D的传输）的成功和失败。当反馈信息显示直接传输失败的时候，R才采用AF或DF协议转发信号。增强中继可以看作混合自动请求重传（ARQ）在中继领域的延伸，充分利用了信道的自由度。

4.几种中继协议分析与比较

固定中继协议具有复杂度低、容易实现的优点。然而，当用户信道状况较差时，AF协议中，R会放大噪声；而在DF协议中，R会将接收信息比特的错误估计发往目的端，导致错误传播。

选择中继协议仅在用户信道状况较好时，R采用AF或DF协议，否则S进行重复编码或者其他的编码方案进行传输，避免了前两种中继协议的错误传播。

固定中继协议和选择中继协议都存在重复传输，这将导致信道利用率不高。而增强中继通过在目的节点增加反馈传输机制，来标明直接传输是否成功。只有在直接传输不成功时，R才为S转发信息，充分利用了信道的自由度。然而，R需要等待D的反馈信息，这就对R的信息存储提出了新的要求。

前面提到的四种协议都假设用户间信道状况是协作双方已知的，这就要求采用一定的信道估计方案。而编码协作协议，无需对用户的信道状况进行估计，通过编码来控制第二步的协作，在性能上有很大优势。但是，编码协作协议中R要先解码再编码，因此R的复杂度增加了，同时R处的信号处理导致了时延的增加。Laneman等人给出了几种基本协议的中断概率，如图2所示。

四、协作中继选择方案

大多数的研究工作都假定R是选定的，然而在实际应用中，系统可能存在多个可选择的R。因此，如何选择合适的R作为协作伙伴是一个值得研究的问题。常用的协作中继选择方案主要有基于物理位置信息、基于平均信噪比和基于即时信道状况的中继选择方案。

图2 几种基本中继协议的中断概率

1.基于位置信息的中继选择方案

Michele Zorzi等人提出了基于物理位置信息的中继选择方案。该方案中，需要知道S到D，S到R，R到D的距离。当候选R到D距离一定时，最佳R为到目的节点的距离最近的R。这种中继选择方案适用于无线传感器网络，因为传感器网络中，每个节点都需要已知自己的物理位置传信息，然后通过选择合适的中继节点进行通信。

2.基于平均信噪比的中继选择方案

Z.Lin等人提出了一种基于平均信噪比的中继选择方案。该方案中，根据R到S，或R到D之间的平均信噪比来选择中继，当平均信噪比大于指定门限时，该R就被选为候选R。

3.基于即时信道状况的中继选择方案

Bletsa等人提出了一种基于即时信道状态信息的中继选择方法，这种中继选择方案不需要知道各个节点间的物理位置信息和平均接收信噪比。该方案的核心思想是在多个候选中继节点中，选取S-R-D中链路即时信道状况最好的那个R作为最优R。因而不需要节点间的位置信息，也不需要平均信噪比，是一种适合于移动网络环境的中继选择方式。

4.几种中继选择方案分析与比较

基于物理位置信息的中继选择方案，需要知道节点间位置信息，这就要求系统有距离估计结构（如各终端安装GPS接收机），将影响终端的便携性并且增加成本。另外，这种方案仅仅考虑了节点之间的距离，而没有考虑到节点间的阴影衰落，也就是说，两个候选R，即使它们与S的距离和D的距离都相等，由于阴影或者衰落的存在，这两个候选R也不能确定哪个是真正要选择的节点，也有可能两个节点都不是最优的。

基于平均信噪比的中继选择方案，需要能够估计节点间的平均信噪比，这需要花额外的开销。另外，由于移动终端是不断移动的，而且移动终端的功耗也受到电池寿命的影响，因此，实时更新各个节点的平均信噪比是很难实现的。这种中继选择方案更适合于静态网络，而不适用于移动环境下的协作通信。

基于即时信道状况的中继选择方案，只需要知道用户间的即时信道状况，这一参数估计起来不困难，且不需要距离或位置估计结构GPS等，但是即时信道状况是变化的，这就要求协作伙伴需要实时更新，更新也会增加开销。

五、协作中继发展趋势

近年来，协作中继在系统容量分析、系统模型、资源分配管理等方面的研究取得了很多进展，其关键技术有以下三个方面。

1.分布式空时编码协作

将空时编码应用到MIMO信道中，能够取得很好的分集增益和编码增益，而且能得到很高的频谱利用率。协作中继通信本质上是分布式MIMO系统，源节点和中继节点进行相同的空时编码然后发射出去，接收端进行合并检测。这种情况下，中继节点在功能上相当于MIMO中的独立天线，因此人们提出了多种分布式空时编码协作（DSTC）的通信方案。

2.同步问题

在空时协作中继网络中，源节点、中继节点和目的节点组成了分布式的网络，不同于单用户的天线阵列，在地理位置上天然分布的节点拥有独立的本地晶振，源节点和中继节点的信号经历不同的信道到达目的节点，会产生不同的时延，将会导致接收端的信号判决错误。所以，同步问题是影响协作中继性能的重要因素。针对同步的问题，现在的研究方向是采取异步的空时编码方案，有关文献给出的方案也都具有重要的研究意义。

3.频率选择性衰落信道下的协作中继系统

现有的研究大多数都是假设传输信道为AWGN信道或者是准静态平坦瑞利衰落信道。但是，在实际传输系统中，由于多种传播机制的存在，以及路径传播损耗、阴影衰落损耗的影响，信号传输一般是经历频率选择性衰落。针对频率选择性衰落信道，将协作分集和正交频分复用（OFDM）技术结合起来，能够取得良好性能。

六、结束语

无线协作技术在微波中继通信、无线Ad Hoc网络、无线Mesh网络等方面有着广阔的应用前景，也是WiMAX和LTE-Advanced的关键技术之一。目前还有很多问题需要进一步地研究，例如协作中继技术与空时编码的结合、协作中继技术的同步问题等。

见www.dcw.org.cn