移动通信网络协作通信分析

刘威

[摘 要]本文就协作通信CoMP的相关问题进行了探讨，然后详细阐述了协作通信方式在移动通信中的应用。

[关键词]移动通信网络；协作通信；动态协作；QoS；基站

中图分类号：TK22325 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）10-0040-01

协作通信概述

协作通信技术利用网络中闲置的天线资源作为信源的中继（Relay）协助转发信息， 通过不同天线传输相同的数据达到空间分集的目的，以提高通信系统的可靠性，是继MIMO（多输入多输出）多天线技术之后无线通信领域内又一前沿研究课题。协作通信技术对通信节点的天线数目没有要求，而是通过搜集网络中的闲置天线，形成分布式虚拟天线阵列（Virtual MIMO）协作传输数据，因此具有实际应用价值。研究表明，在网络能量归一化的情况下，协作通信系统的性能明显优于直接传输的系统性能。协作通信技术将成为未来移动通信和无线局域网的关键技术之一，也因为如此，它被 IEEE 802.16 等标准作为下一代无线通信系统的主要技术之一。

近年来，为了提高数据的传输速率、容量、QoS（服务质量），蜂窝小区的覆盖半径不断减小。越来越多的微微小区导致基站数量迅猛增加，整个通信系统的部署成本、维护成本也大大增加。一个行之有效的办法就是将协作通信技术应用到移动通信系统中。

CoMP的相关问题探讨

对于上行CoMP 而言，用户终端（MS）所发送出去的上行信号可以有多个基站进行接收，而且用户终端无需明确的了解所发送出去的信号在基站处的实际接收与处理过程，只需要知道与上行信号有着密切联系的下行信令是怎么给提供出去的。

（一）CoMP 的类型

对于频率复用因子等于1的多小区系统中，小区间干扰很难以消除，所以对于这类小区系统，小区吞吐量以及边缘用户吞吐量想要实现进一步的提高就非常困难。CoMP 技术对小区间干扰的有效消除主要是通过基站之间必要信息的共享来实现的，这里可以根据基站之间是否共享了用户的数据信息，将该技术分为两大类，即联合传输/处理以及协调调度/波束赋形。

1、联合传输/处理方式

所谓联合传输/处理方式， 就是指协作工作的多个基站共同对用户的数据执行预处理操作，以消除基站之间的干扰。我们可以将协作工作的基站统称为协作簇，它们之间不仅仅需要共享信道内的所有信息，同时还需要对用户的数据信息实现共享。也可以说，对于一个或者多个用户而言，是由整个协作簇来服务的。

2、协作调度/波束赋形方式

所谓协作调度/波束赋形方式，就是指整个协作簇通过协作实现对系统资源的可靠有效分配，通过这些操作来尽量减少小区边缘用户对于资源时/频上的相互冲突。这种方式与上一种方式的区别就在于，它不需要协作簇内共享用户的数据信息，只需要共享信道信息。也可以说，对于一个用户中断而言，只有一个基站为其服务。

（二）CoMP协作簇的选择方式

CoMP协作簇的选择一共有三种不同的方式 ，即静态协作 、动态协作以及半动态协作。

静态协作

所谓静态协作，是指在固有准则的基础之上，选择固定的几个基站进行协作。通常情况下，都是选择干扰较大的基站，这样做最明显的好处就是可以快速有效的消除外来强干扰。静态协作方式实现起来较为简单，但该方式最大的缺点就在于对处于不同位置的用户终端，不一定可以实现干扰的有效消除。这是因为处于同一基站中的所有用户终端，多对应的协作簇是一样的，所以相互之间的公平性很难以保证。此外，该方式下用户终端是不可以移动的，因为一旦用户终端移动，就会造成最强干扰源的移动。总之，该方式的动态调节能力较差。

动态协作

是指主服务基站可以按照用户终端所反馈回来的干扰源信号，来有选择性的分配服务于该用户终端的协作簇。该方式最大的优势在于对于处于同一基站中的不同用户端而言，所对应的的协作簇可以不相同，所以这种设置可以最大程度的消除小区间干扰。但该方式最大的缺点就是实现起来成本较高，而且较复杂。

半动态协作

所谓半动态协作，是说用户终端可以动态的选择进入协作的基站。该方式的实现需要预先确定一个较大的协作集，用户终端选择在协作集中选择基站，而且所选择的基站的数目一定控制在协作集大小范围之内。这种方式是目前3GPP中讨论较多的一种写作方式，因为它相对于以上两种协作方式而言，实现起来较为简单，且适应性较强。

协作通信方式在移动通信中的应用

（一）协作通信在一般移动通信中的应用

在传统的蜂窝通信系统中，为了提高 QoS，将小区再分裂成微微小区，在微微小区的中央部署基站，基站通过有线或者微波与核心相连。在微微小区的通信范围内，基站与多个移动台相连。通信之前，基站先通过控制信道分配资源并告知移动台，移动台通过其分配资源进行通信。

在蜂窝移动通信中应用协作通信时，在基站的覆盖范围内，基站与移动台是直接相连的，直接通过基站进行通信。在中继站的覆盖范围内，移动台的通信通过协作与其邻近的基站构成一个典型的多跳链路来完成。中继站与基站的覆盖范围可以在不同程度上重叠。这里值得注意的是，在协作通信中，不单单可以是中继站来协助基站与移动台之间的通信，基站间、中继站间、移动台间都可以相互协作来进行通信。这取决于系统设计是偏重提高技术指标还是偏重控制协作所付出的成本。

将协作通信引入移动通信系统，基站与多个中继站相连、中继站点与多个移动台相连，基站控制整个小区的资源分配，中继站则通过一定的功能函数来控制具体的资源分布。中继站可以采取放大转发模式（amplify and forward），中继站接收来自基站在特定频率、特定时隙的消息，再随后进行一个放大转发。这样，中继站能够扩大基站的覆盖范围。endprint

中继站也可以采取解码转发模式 （decode and for-ward），在这种模式下， 中继站先解码基站发送的消息，然后再重新进行一个调制或者纠错编码等，将信息转发出去。这样，中继站能够提高系统的QoS。中继站也可以采取压缩转发模式（compress andforward），中继站将接收到的消息，进行压缩量化，将量化的消息进行转发，在这种模式下，协作通信能提高系统的速率。

（二）协作通信在应急移动通信中的应用

协作通信能够提高网络的健壮性，并且在基站瘫痪的情况下也能进行部分通信。

在应急通信中，当某个小区的基站因故障宕机后，其覆盖范围内的 MS就不能进行通信，而如果部署了协作通信系统，当基站因故障宕机时，小区内的用户相互通信可以通过 RS， 这个时候 RS 就相当于一个功能进行精简了的基站， 当小区内的用户要与小区外的用户进行通信时，可以通过多跳 RS进行通信，或者通过多跳的 RS 与基站进行通信。但这种通信的容量比较有限，只能通过优先级进行控制，保证优先级高的通信，对于优先级比较低的，只能丢弃。

像地震这样的特殊情况，当基站大面积因故障而坏掉时，可以通过 RS 来保证与灾区能够进行重要的通信。采用协作通信的系统，能够保证外界与灾区一定容量、一定质量的通信，能够在抗震救灾的初期获得重要的信息，保证重要信息的畅通。在一种理想的情况下， 可以让普通的移动终端充当RS的角色，这样就形成了一个无线自组织网络（Ad hoc 网络）。在这种情况下，系统可以不需要特定的RS，通过邻近可用的MS进行多跳的通信。

结语

综上，协作式多点传输技术是 LTE-Advanced 系统的关键技术，通过该技术可以有效的降低小区间干扰，实现小区通信性能的进一步提升。将协作通信技术写入下一代移动通信标准中，将是一个长期而艰巨的课题，其中还有许多难题需要解决，这也是当今学术界和工业界为数不多的几个研究热点之一。

参考文献

[1] 彭木根，等，编.TD-SCDMA 移动通信系统[M].北京：机械工业出版社，2009.7.

[2] 赵绍刚，李岳梦.移动通信网络中的协作通信[J].电信快报，2005.5.[3]王映民，等编著.TD-LTE 技术原理与系统设计[M].北京：人民邮电出版社，2010.6.endprint