中繼輔助協同通信網

摘要：下一代移動通信系統對頻譜有效性和功率有效性提出了更高的要求，在現有的蜂窩網結構中引入中繼的協作式通信被認為是高速率高覆蓋要求下最可行的改進。中繼輔助協同通信網與傳統蜂窩網相比在覆蓋效率、運營成本以及傳輸容量3方面具有優勢。中繼輔助通信網絡主要有3種典型的傳輸模型：三終端傳輸模型、兩跳多中繼并行傳輸模型、多跳多中繼網絡傳輸模型。中繼輔助通信技術已在WiMAX、WINNER和3GPP等通信標準中得到深入研究，具有極為廣闊的應用前景。

關鍵詞：中繼輔助通信；協作通信；多跳網絡；下一代移動通信網

IMT_advanced(ITU給B3G移動通信系統的正式名稱)要求移動通信的傳輸速率達到100 Mb/s～1 Gb/s，這至少是高速數據分組接入(HSDPA)的10倍以上，在傳統的蜂窩網絡中幾乎無法實現。如果要達到如此高的傳輸速率，必然要降低傳統小區的覆蓋面積(相應要增加基站個數)。基站個數的增加無疑將提高運營商的組網成本，降低其市場競爭力。無線中繼的基本思想[1-3]是使用中繼節點將基站的信號重新處理后再發送出去。應用多跳中繼可以擴展小區的覆蓋范圍，減少通信中的死角地區，同時還可以平衡負載，轉移熱點地區的業務。另外，引入無線中繼還可以節省終端的發射功率，從而延長電池壽命。基于中繼的網絡結構及其協作分集和協作多路技術已經得到了國內外學者的廣泛重視。在未來移動通信(3GPP、3GPP2、B3G、4G)、無限局域網(WLAN)和寬帶無線網絡(802.16j)[4-5]等標準的制訂中，都引入了中繼的概念并考慮了中繼輔助通信中存在的問題。歐盟無線世界開創新無線電(WINNER)計劃[6-7]也對泛在寬帶移動無線中繼網絡做了詳細的規劃。

1 中繼輔助通信系統介紹

中繼輔助通信系統可以由多個中繼形成一個虛擬陣列相互協同工作，如圖1所示。引入中繼技術后寬帶無線通信的組網方式與傳統的無線接入最大的差異就是接入方式的多樣性。移動終端可以直接通過中繼站接入無線網絡，也可以在中繼站的協作下通過基站接入無線網絡。作為一種能有效改善網絡覆蓋質量的技術，無線中繼技術為在高頻段實現寬帶無線接入提供了一種高性價比的解決方案。概括來說，中繼輔助通信系統作為一種新型組網技術具有以下優勢：

(1)多個中繼可以同時使用相同的時隙和頻譜資源，從而節省無線電資源。

(2)多個中繼間可以利用空間分集/空間復用提高系統傳輸容量。

(3)中繼輔助通信系統不必明顯改變現有主干網結構，可實現與現有通信網絡的平滑過渡。

1.1 覆蓋能力

由于大尺度衰落效應，在以基站為基本傳輸單元的小區結構通信系統中，有效的數據傳輸效率會隨著用戶與基站間等效傳輸距離的增加而減小。因此，在傳統蜂窩網結構中，小區邊緣的用戶很難實現真正意義上的高速率數據傳輸。另外，由于信號在傳輸過程中受地形、地貌的影響，如城區環境中建筑物的遮擋，地下環境的影響等，基站往往不能完全覆蓋其小區范圍內的每一個區域。在基站覆蓋能力比較差的區域和小區的邊緣地帶安放中繼站，并通過中繼站的接力完成整個通信過程可以有效地減少通信盲區并擴大小區的覆蓋范圍。與傳統的采用微蜂窩的方法相比，中繼站的應用能在低組網成本基礎上提高通信覆蓋能力和提高通信質量。

1.2 切換技術

由于中繼節點，尤其是移動中繼節點的加入，傳統的傳輸協議也需要發生變化。基站除了要管理用戶在小區間的切換，還要對中繼站進行管理。原先的切換主體，由單一的用戶擴展為用戶與移動中繼兩種。

在中繼輔助通信中，切換的場景可以分為兩種：小區間的切換與小區內的切換。小區間的切換指用戶端或移動中繼從一個小區轉入另一個小區；小區內的切換是指用戶端在一個小區內的兩個中繼站間切換，或者在同一小區的中繼站與基站間切換。

1.3 傳輸能力

在蜂窩網中加入中繼的新型無線網絡，可以通過基站和中繼同時向用戶傳輸數據，因此可以通過復用或空間分集獲得容量增益。雖然基站通過中繼向用戶傳輸數據是一個兩跳的通信鏈路，即中繼需要占用一定的頻帶資源，但是，由于不同的用戶可以選擇不同的中繼站進行數據的傳輸，因此可以極大地彌補由于兩跳通信所造成的容量損失。當建筑物和其他障礙物阻礙了基站到用戶的傳輸路徑并造成大尺度陰影衰落時，這個容量損失甚至還可能變成一個增益。

對于中繼輔助通信網絡的信息論研究表明，在不同的中繼工作模式和信息反饋模式下，中繼數目的改變對系統容量的影響也是不同的。在基站和移動終端都配備了M 根天線的通信系統中，如果中繼和移動終端都已知信道信息，那么系統的容量不但和M 呈線性增長的關系，而且還與中繼的個數呈對數增長的關系。

2 中繼輔助通信系統研究進展

對于中繼輔助通信網絡最早源于三終端的中繼信道模型，隨后又陸續出現了多中繼并行傳輸的模型以及多跳的模型等。由于用戶所處位置的差異，其與基站間的通信可以通過一個中繼站的協作完成，也可以通過多個中繼站的聯合協作完成。

下面從網絡結構的角度分別考慮三種典型的中繼輔助通信系統的傳輸模型，并介紹運用于其中的典型技術。

2.1 三終端傳輸模型

三終端傳輸模型最早由Van der Meulen提出，Cover和El Gamal對其做了詳細的理論推導和性能分析。近年來，陸續有學者對不同信道衰落環境下的三終端通信系統做了一些具體的分析。

在三終端傳輸模式下，除了具體的信道衰落特性會影響系統的性能，中繼端具體工作模式的選擇也至關重要。按照信號處理的方式，中繼的工作模式可以大致分為放大(AF)模式、解碼(DF)模式、選擇(SR)模式以及編碼協作(CC)模式等。

按照接收/發送信號的關系，也可以把它們分為兩種基本模式：模擬模式和數字模式。在中繼的模擬模式中，信號不需要經過數字化的處理就被中繼發送出去，因此又被稱為“非再生中繼”，AF模式就屬于這種中繼。相對地，在中繼的數字模式下，中繼需對信號進行解碼、編碼后再發送出去，因此又被稱為“再生中繼”，DF和CC就屬于這一類。

在各種模式之間選擇時，可以根據中繼所處位置的不同來選擇不同的中繼模式以提高通信質量。如果中繼距離用戶較近，可采用AF模式，然后利用基站或者中繼站處理能力強的特點來進行正確檢測和解碼；如果中繼距離基站較近，為了對抗衰落，可采用DF模式來提高分集度。

2.2 兩跳多中繼并行傳輸模型

基站通過多個并行中繼與多個用戶進行通信。這里的中繼可以由普通的用戶來承擔，也可以是專門用于轉發數據的中繼站。用戶型的中繼與中繼站相比最大的差別在于，用戶型的中繼在協作傳輸其他用戶信息的同時，本身也有通信的需求；而中繼站只需要轉發用戶的數據，本身并不需要發送數據，其只需要收發少量的控制信令，用于信道同步和傳遞信道信息等。

基于中繼站的兩跳多中繼并行傳輸網絡可以利用多中繼站間的空間分集，同時為多個用戶提供多數據鏈路。這樣的網絡也可以看成是一個分布式的多天線系統。與傳統分布式多天線系統不同的是，中繼站與基站間的通信是通過無線鏈接的，而不是通過有線的光纖網絡傳播。采用高效的發送和接收機制，以保證第一跳的傳輸性能將是影響整個系統傳輸能力的關鍵。

2.3 多跳多中繼網絡傳輸模型

前面兩種模型都是兩跳中繼的情況，實際中，通常引入自組織網絡的思想形成多跳多中繼的網絡傳輸模型。它可以提高蜂窩中基站的通信覆蓋面，增強了抗毀性。圖2就是這種模型的示意圖。這種多跳多中繼網絡傳輸模型的構建源于Mesh網絡，但又不同于Mesh網絡。在Mesh網絡中，網絡中的任意節點都可以進行直接的通信，而在圖2的多跳多中繼網絡傳輸模型中，仍然保留了每一跳間層與層的關系。這時，由于每一個中繼站都需要在上層和下層通信節點中尋找通信目標并與之建立通信鏈路，因此要求每個中繼站都必須具備路由的功能。

2.4 分布式空時碼的研究

分布式空時碼是指空時編碼系統的天線不再只排放在發射端或接收端，而是分布在各個中繼上，由中繼間的相互協作或基站與中繼站間相互協作來構建空時信號。基站借助中繼站來構成虛擬發射天線實現發射分集，這時中繼站可以看成是基站的遠程天線。圖3以分布式空時分組碼多輸入多輸出(MIMO)為例給出了具體的解釋。

在圖3中，基站以兩種方式將數據通過中繼發往用戶。第一種，基站(BS)先將未編碼數據發往RS1，RS1再以傳統方式發送空時碼至MS1；第二種，BS先將未編碼數據分別發給兩個中繼RS2和RS3，再由兩個中繼分別編碼后協作共同發往用戶。

中繼的個數可以擴充至多個，形成分布式天線陣列。研究表明，通過中繼發送空時碼時，空間分集增益正比于中繼的個數。在一個給定的服務質量(QoS)要求(目標接受信噪比(SNR)或誤碼率(BER))的系統中總發送功率與中繼個數成反比，因此使用多個中繼可以節省功耗。

2.5 中繼管理的研究

使中繼協作網絡發揮最大效用離不開中繼管理。中繼管理的研究主要集中在兩個方面：中繼選擇和功率分配。中繼選擇是指如何在眾多中繼中選擇一個或幾個中繼用來輔助傳輸。目前中繼節點的選擇策略主要基于以下幾類信息：物理距離、路徑損耗和瞬時信道狀態。中繼協同網絡的功率分配是指如何在信源-中繼-信宿之間合理分配功率以解決遠近效應、增加系統容量和提高系統誤碼率性能的問題。

3 中繼技術的應用

3.1 中繼技術在WiMAX中的應用

IEEE802.16標準組織于2005年9月成立了移動多跳中繼(MMR)研究小組，研究在IEEE802.16系統中采用中繼技術的可行性和實施方案。通過研究，任務組確定了基于中繼輔助的蜂窩結構擴展方向，并最終確立采用基于蜂窩點到多點(PMP)基礎的樹形架構作為其拓撲結構而放棄了以Ad Hoc為原型的Mesh架構。IEEE 802.16j中中繼輔助蜂窩結構如圖4所示。

在WiMAX中，根據中繼工作類型的差異可以分為簡單中繼、復雜中繼和移動中繼3種，其中簡單中繼可以看成是一個功率直放站，它只具有功率放大的功能，不支持控制功能。簡單中繼功能單一，操作簡單，相對成本也較低。復雜中繼與簡單中繼相比可以支持控制功能，可以進行路由的選擇和資源的調度。簡單中繼和復雜中繼都是以固定的形式安放的，可以自由移動的中繼被稱為移動中繼。移動中繼可以在相鄰小區內切換，以解決負載平衡和熱點切換等問題，移動中繼具有路由功能。無論是簡單中繼、復雜中繼還是移動中繼都可以支持多天線系統。

WiMAX采用透明切換技術管理小區與小區間用戶的轉移。基站利用中繼站點的消息集合來斷開基站和所屬的移動終端的連接，可以有效地避免每個移動終端和基站的交互，減小信令流程，降低多跳傳輸中的時延，從而提高了系統性能。

IEEE在2007年7月召開的標準制訂會議中，針對WiMAX相關系列技術進行了熱烈的討論，其中就包括使用中繼增強性網絡拓撲結構解決WiMAX網絡信號傳輸死角問題的802.16j。根據IEEE發布的最新消息，被視為提升既有WiMAX網絡傳輸覆蓋效能的802.16j標準已在2007年8月8日正式通過第1版標準草案(Draft 1.0)。據權威人士估計，若一切順利進行，802.16j標準最快將會在2008年年內確立。

3.2 中繼技術在WINNER計劃中的研究

無獨有偶，歐盟的WINNER計劃在其2006年的技術報告中，用了100多頁的篇幅專門介紹中繼的概念以及中繼輔助通信技術與傳統蜂窩網絡的融合。通過在傳統單基站式的蜂窩小區中添加固定中繼節點的方式，WINNER計劃提出將一個小區分成數個微小區，如圖5所示。其中包括一個以基站為接入點的微小區和數個以中繼為接入點的中繼增強型微小區。由于位置的差異，同一小區中的用戶將會有不同的接入點。以基站為接入點的用戶和以中繼為接入點的用戶在頻譜資源的分配和幀結構的設計上也會有所差異。

WINNER計劃中繼增強型新型小區通信中考慮了時分多址(TDMA)和空分多址(SDMA)兩種多址方式并支持TDMA與SDMA相結合的多址方式。由于此時的通信系統包括一跳通信和兩跳通信兩種異構的幀結構，因此媒體訪問控制(MAC)層調度和資源分配顯得格外重要。

另外，WINNER計劃還針對多中繼多跳傳輸的中繼增強通信系統的方案可行性和適用場景進行了論證。此時信號的傳輸需要通過多個中繼間的接力完成，對頻譜資源的分配和調度設計提出了更高的要求。基于多中繼多跳的傳輸可以提高通信的抗毀性能，有利于熱點通信的轉移。

3.3 中繼技術在3GPP中的探索

3GPP在其長期演進(LTE)階段的研究中指出：“在未來演進的通信系統中，為了提高覆蓋范圍和系統容量，引入多跳的概念是一種行之有效的手段”。與WiMAX和WINNER計劃中使用固定中繼站的兩跳網絡不同，這里的多跳是指在原有的網絡拓撲結構上，使用用戶終端作為中繼，將信號傳輸至更遠的節點，從而提高覆蓋范圍，增大系統容量。另一方面，由于傳統點對多點結構任何一條鏈路的通信都需要經過基站，即使兩個終端離得很近，也要先將信號傳送至歸屬基站，由基站傳送至目標終端，再加上信令交互的開銷，這樣一條鏈路浪費了很大的資源。為了避免這種浪費，引入了多點到多點的概念，即指在網絡中任意兩點都可以自由通信，可以達到更快捷、方便、經濟的數據傳輸。

中國具有自主知識產權的時分同步碼分多址(TD-SCDMA)在4G時代的演進將主要在3GPP和ITU-R中推進。其中，中繼和分布式天線系統也被認為是物理層核心技術之一。

4 結束語

為了實現基站與多中繼間的網絡協同，達到擴大通信容量的目的，傳統的基于物理層的多用戶MIMO技術(比如臟紙編碼、線性預編碼和解碼、多用戶檢測和空時碼等)需要往分布式的方向發展，以實現網絡中各個節點戒的協作數據發送，在這種情況下，面向MAC層的協同策略顯得尤為重要。

中繼輔助通信系統使得資源分配問題可以利用更多的自由度來優化網絡性能，然而此時許多問題都變為非凸問題的求解，這讓傳統最優問題的求解算法無計可施。通過啟發式交互優化或貪婪搜索的方法不失為獲得較好的性能與計算復雜度折衷的有效手段。

在中繼輔助通信系統中，基站、中繼站以及多用戶之間的同步也變得更為重要。另外，如何在減少多中繼間信息交換的條件下設計具有魯棒性的分布式空時碼，也是充分利用多中繼空間增益的有效技術。

基于中繼技術的多跳傳輸系統已經得到了廣泛的關注。在現有的蜂窩網結構中引入中繼的中繼輔助通信系統被認為是下一代移動通信主流的網絡拓撲結構之一。

5 參考文獻

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收稿日期：2008-03-17

趙睿，東南大學信息科學與工程學院在讀博士研究生，主要研究領域為協作通信及分布式資源分配。

俞菲，東南大學博士畢業，東南大學信息科學與工程學院講師，目前重點研究方向為多跳網絡通信技術、下一代無線寬帶通信系統中的信號處理，分布式空時碼等。已在國內核心刊物和國際會議上共發表文章7篇，被EI收錄文章4篇。

楊綠溪，東南大學信息科學與工程學院教授，博士導師，主要從事通信信號處理、MIMO通信系統設計、協作通信與分集處理、盲信號處理、陣列信號處理等方面的科研和教學工作。已在國內外核心刊物和IEEE國際會議上發表和合作發表以上領域的學術論文200多篇，其中SCI收錄25篇，EI收錄100多篇。