異構協同無線網絡的多向中繼技術：從理論到實踐

楊延平，陳 巍，可 珂，李 鷗

（1.清華大學電子工程系 北京 100084；2.國家數字交換系統工程技術研究中心 鄭州 450011）

1 引言

移動通信網絡的高速發展為用戶提供了多樣的信息服務，種類和制式多樣的無線通信網絡構成了日趨復雜的網絡環境。微基站、室內覆蓋、中繼站、家庭基站等同制式的無線接入網與WiMAX、2G/3G/LTE網絡、無線局域網（WLAN）等不同制式的無線接入網共存于高校、商場等城市密集區域，多種類型無線網絡的共存形成了異構網絡（heterogeneous network），而各種不同類型網絡的異構特性導致的網絡間互聯、協作融合的研究問題已成為現階段通信領域研究的重點。異構網絡中，宏基站和微基站、小區間的負載分布、頻譜資源分配、功率資源分配、系統間的干擾協調和保密通信等十分復雜和關鍵。從制式上講，多種異構網絡間需要統一的管理機制和相應的功能模塊來解決復雜的接入問題；從網絡結構和實際設計上講，異構網絡需要結合成本和能源消耗探索合適的技術。

認知協同通信是具備自主感知、自適應和頻譜資源管理能力的無線電技術，能夠有效地分析和學習周圍的無線環境和用戶行為，通過調整系統的參數來選擇最佳狀態以適應周圍環境，從而提高頻譜利用率和服務質量。中繼技術是認知協同通信技術中最重要的技術之一，是經濟便捷的網絡覆蓋方案，目前3GPP在LTE-Advanced已經啟動了中繼技術的研究工作，作為蜂窩網絡的增強覆蓋技術。中繼技術具有以下特點：

·相比光纖等有線網絡，其具有低成本、安裝方便快捷、控制容易等特點；

·易與宏基站結合，協同的中繼為弱覆蓋區域提供更高的速率，改善宏基站的資源利用率，增加整個系統的容量；

·在微蜂窩/微微蜂窩、家庭基站和中繼協作等蜂窩網增強方案中，前兩種技術依賴固定的回傳通道，有著站址選擇和回傳鏈路等限制，無法完全解決小區邊界和陰影區域覆蓋問題。此外，微蜂窩需要額外的光纖/微波回路資源，因而布置成本相對較高，家庭基站自由化程度大，管理難度高。而協作中繼不僅部署靈活、成本低，且具有很強的組網靈活性。

為此，有必要深入挖掘中繼協作傳輸技術的潛力，拓展中繼協作的應用場景，如異構網絡融合。基于協同通信和無線中繼技術的異構無線網絡融合方案，通過集中式的管理和技術把各種無線網無線融合在一起，能夠充分滿足大部分網絡和用戶的需求[1]。將中繼技術作為異構網絡融合方案有一些問題尚待解決：

·中繼技術的優勢在于解決覆蓋問題和提升可靠性，在異構網絡融合中對于增加網絡容量來講，相比微基站、家庭基站沒有明顯優勢；

·中繼在異構網中存在鏈路選擇、干擾抑制、自組織自適應功能問題，有待進一步研究；

·異構網絡本身規模大，構成復雜，具有異構性、獨立性、多變性特點，不同類型的業務對網絡的要求不同，因此異構網絡的接入設計、資源管理、路由、用戶QoS需求以及認證和安全技術等都是待解決的關鍵問題。

針對協同中繼技術和異網融合結合的相關技術難點和需求，以解決異構網絡融合中一些重要問題為目的，提出了一種以多向中繼為基礎，以網絡編碼技術為核心的融合方案，結合自適應調制、QoS機制、高效信道編碼等技術，實現異構網絡的非對稱傳輸機制，提高網絡的容量和服務質量，并簡化網絡融合的設計，為上述問題提供可能的解決方案。

2 認知中繼的異構網融合：理論到實踐

異構網絡的一般定義為“不同的接入技術、不同的網絡架構、不同的傳輸方案或不同覆蓋范圍的接入點所構成的網絡”。城市密集立體覆蓋網絡為典型的異構網絡場景，如圖1所示。圖1(a)表示典型的高層建筑室內通信高密度異構小基站網絡[2]。此網絡中主要包含蜂窩通信網絡和無線局域網，網絡面臨的問題主要包括非對稱遮擋、干擾和異網融合等，如圖1(b)所示。中繼基站在此類網絡中作為同網內部和同異網之間銜接的橋梁，起著增加網絡覆蓋、承載非對稱數據交換、網絡切換、提升服務質量的關鍵作用。

中繼協作在擴展網絡覆蓋和提高網絡可靠性上的優勢十分明顯，并且已經被產業界廣泛應用，如IEEE 802.16j/m和3GPP、LTE-Advanced等標準都傾向于采用多載波中繼協作技術來改善網絡的覆蓋性和可靠性。中繼協作的異構網絡融合是解決無線通信發展問題的一個重要突破點，以圖1為出發點，著重分析了該異構網融合中的以下幾個關鍵技術問題。

圖1 高層建筑室內通信高密度異構小基站網絡

·協同中繼的異構網絡融合模型設計。模型設計之后才能合理地選擇接口，形成可靠的商用異構無線網絡。

·異構網絡間的容量低。和中繼以時分雙工方式輪流地進行接收和發送，犧牲了一定的傳輸時間資源，其容量往往低于無中繼的點對點直傳。

·干擾問題十分復雜。中繼會引入干擾，如基站與中繼，中繼之間的干擾都會降低系統性能，因此需要采用干擾抑制技術。

·資源分配問題。異構網不同用戶的業務需求不同,導致了傳輸速率、質量要求不同，網絡資源合理配置和維護不同特性業務的傳輸質量等研究十分重要。

·安全性問題。用戶實現異構無線網絡條件下信息的安全傳輸，其前提條件是必須先在異構無線網絡中實現鑒權、認證、安全，而無線網絡自身存在安全缺陷，和異構無線網絡互聯時產生安全問題。

·環境感知、抗衰落和服務質量問題。為了降低部署難度以及提升系統的整體性能，中繼節點需要具有自適應功能。期望中的中繼應該是可以降低人工維護成本、具備感知環境自優化、整體性能有顯著提高的設備。

針對上述問題，將在第3節研究基于網絡編碼和協同中繼技術的異構網絡融合，并結合自適應調制、ARQ跨層設計、信道編碼等技術，逐層遞進，為上述關鍵技術問題提供可能的解決方案，并對相應方案進行仿真分析驗證。

3 認知協同的多向中繼技術

認知網絡協同通信能夠對周圍無線環境進行感知并通過重構設備參數（調制方式、發射功率、工作頻率等），使得網絡吞吐量、覆蓋范圍、能量有效性等諸多性能顯著提高。研究新的中繼技術在認知協同通信上有著十分廣闊的應用前景，主要提出了基于網絡編碼的中繼技術在雙向/多向中繼中的資源分配優化方案：首先分析了網絡編碼技術結合中繼有效提升網絡的覆蓋性和可靠性，然后分析了結合自適應技術、ARQ技術、信道編碼技術的網絡編碼調制方案，相應解決抗衰落、服務質量、吞吐量問題，為第2節的技術問題提供可能的解決方案。

網絡編碼（network coding）最早由Ahlewde R和YeungR W等人提出，其基本思想是網絡節點不僅參與數據轉發，還參與數據處理，從而大幅提高網絡傳輸的效率、容量和頑健性。認知協同中繼通信的核心思想是：無線網絡利用多個中繼節點完成源節點與目的節點間的通信。多向中繼網絡的轉發方式有解碼轉發（DF）和放大轉發（AF），基于中繼的網絡編碼由于需要在節點對數據進行解碼和從新編碼獲得編碼增益，因此采用DF方式，以最基本的三時隙DF雙向中繼（DF-TWR）模型為基礎，如圖2所示。包含一個中繼節點和兩用戶，分時隙傳輸，在第一、二時隙兩用戶分別將信息傳輸至中繼節點，中繼節點對其進行解碼和網絡編碼，在第三時隙將信息廣播至兩用戶，最后用戶節點利用自己原有的先驗信息解調出來其需要的信息。

圖2 三時隙解碼轉發雙向中繼模型

3.1 異構網的雙/多向中繼技術

兩用戶單中繼模型是最基本的中繼場景模型，在用戶密集的實際場景中，往往難以布置太多中繼節點，因此基本模型的應用在用戶數相對較少的場景能夠應對，而在密集區域的應用有限。以兩用戶雙向中繼為基礎，此模型進一步可擴展為多對用戶的雙向中繼模型，參考文獻[3]通過采用蓋爾芳德平斯克編碼和網絡編碼相結合，解決了多個成對用戶的信息互傳問題，參考文獻[4]進一步研究了三用戶的多向中繼網絡編碼技術。由此可見，基于協同中繼的網絡編碼技術能夠很好地解決異構密集網絡中的覆蓋問題。

異構網絡的特點決定了用戶業務數據流往往是不對等的，如視頻流需要的速度和連續性要高，而語音服務對速率要求低但對QoS要求高。網絡編碼調制技術的引入能夠很好地解決非對稱傳輸問題[5]，從而將異構網絡的信息交換簡化為在同一中繼節點對數據流和數據分組的操作，實現基本的融合。

3.2 網絡編碼的安全性和干擾消除

有研究認為，基于先驗信息的網絡編碼可能引發對安全的擔憂，由于竊聽的存在可能導致用戶信息泄露[6]。美國麻省理工學院的Medard教授在研究網絡編碼時提出，網絡編碼在執行過程中能夠有效地偽裝和承載數據，實際上增強了信息的安全性，相比在網絡上傳輸不可破譯的算法流的傳統加密技術更安全。數據分組在進行混合時，本身就具備了數據隱藏功能，具有先驗信息的合法用戶才能通過反操作得到期望信息。此外，網絡編碼技術還能在點對點（P2P）傳輸中檢測惡意攻擊，并糾正錯誤。

干擾消除技術有基于干擾重構/減去技術和干擾抑制合并接收技術。基于網絡編碼的協同通信技術允許中繼節點對經過它的數據進行解碼和網絡編碼，因而能夠進行干擾消除技術研究，比如基于IDMA的迭代干擾消除技術。參考文獻[5]提出的基于歐式距離的最大比合并接收（MRC）技術是接收機實現技術，能夠提升干擾消除效果。

3.3 自適應網絡編碼調制（ANCM）

異構無線網絡的動態特性和用戶業務需求意味著不同網絡面臨的通信環境相差可能很大，現有的協議和應用不靈活，容易導致資源利用率低下。自適應技術能夠根據信道狀態動態地調整傳輸速率、發送功率、編碼方式等，充分地利用現有網絡資源，達到系統容量最大、功耗最小等目標。

在圖2所示系統模型的基礎上，基于參考文獻[5]所提出的網絡編碼調制（network coded modulation，NCM）和參考文獻[7,8]提出的自適應調制編碼（adaptive modulation and coding，AMC），提出聯合功率—速率可變的網絡編碼調制[9]，對下行衰落信道的信道容量進行了研究，并通過仿真驗證了系統的性能。

圖3給出了自適應網絡編碼調制的信道模型，參考文獻[9]提出了速率連續功率連續的NCM方案，并給出了其衰落信道下可達容量的解析解，進一步提出了離散速率可變功率的NCM方案，由于離散優化問題難以得到閉式解，提出次優搜索算法，并仿真驗證得到其信道容量。從圖4和圖5（QAM調制方案）可以看出，基于中繼的自適應網絡編碼方案[9]與點對點傳輸方案[7]的信道容量的差別幾乎可以忽略不計，且和固定功率的自適應方案相比，其容量更高，尤其在低信噪比條件下。AMC和NCM結合方案能夠有效解決資源分配問題和提高頻譜利用率。

圖3 自適應網絡編碼調制系統和信道模型

圖4 自適應QAM網絡編碼調制（連續速率）

圖5 自適應QAM網絡編碼調制（離散速率）

3.4 結合ANCM和ARQ的跨層設計研究

自適應調制編碼技術靈活多變，對于衰落信道的適應能力強，然而實際應用中容易受到信道估計誤差和時延的影響。在之前所研究的自適應網絡編碼調制中，所采用的假設與參考文獻[7,8]中類似，即假設了信道估計誤差為0、時延為0，而這在實際中需要強糾錯機制來實現，實用性有所降低。另一方面，無線通信系統中，用戶對數據速率和服務質量（QoS）的要求在不斷提升，自動重傳請求（ARQ）對信道測量誤差和時延不敏感，而且可以在保證系統可靠性的前提下，提高系統的吞吐量[10]，因此結合AMC和ARQ的鏈路自適應技術能夠進一步改善系統的整體性能。參考文獻[11]創新性地提出了AMC-ARQ的跨層設計，其性能優于AMC系統的性能和采用固定編碼的ARQ系統的性能。

基于Goldsmith在參考文獻[12]中提出的自適應調制方案和Liu等在參考文獻[11]中提出的跨層設計，提出一種自適應網絡編碼—ARQ結合的跨層設計方案，其網絡結構如圖6所示，并通過仿真證明了系統性能能夠進一步提升，仿真結果如圖7所示。

3.5 結合TCM/Turbo和ANCM的編碼調制

傳統的數字傳輸系統需要通過糾錯編碼來提高信息傳輸的可靠性，而糾錯編碼會帶來頻帶利用率的下降，為了提高頻帶利用率，同時也希望在不增加信道傳輸帶寬的前提下降低差錯率，提出將編碼和調制結合設計的方法，即網格編碼調制（TCM），這種方法以犧牲設備的復雜化為代價換取編碼增益。Turbo是Berrou C等人在1993年首次提出的一種級聯碼。基本原理是編碼器通過交織器把兩個分量編碼器進行并行級聯，兩個分量編碼器分別輸出相應的校驗位比特；譯碼器在兩個分量譯碼器之間進行迭代譯碼，分量譯碼器之間傳遞去掉正反饋的外信息，這個方法稱為Turbo碼。Turbo碼具有卓越的糾錯性能，性能接近香農限，而且編譯碼的復雜度不高。

圖6 自適應網絡編碼-ARQ系統信道模型

圖7 截斷式ARQ自適應網絡編碼可達速率

圖8 自適應TCM—網絡編碼調制的可達速率（MQAM,M-{0 4 16 64},ω-0.5,BER-10-3）

[13]提出了自適應信道編碼的一般模型，參考文獻[14]提出了自適應Turbo編碼，兩種方案均極大地提升了點對點網絡的性能。基于上述兩種方案，分別提出了結合TCM和Turbo的自適應網絡編碼調制方案，以獲得更大的編碼增益，由于TCM碼和Turbo碼具有很強的糾錯性能，結合方案能夠極大提升衰落信道下的網絡傳輸效率，同時保證信息傳輸的可靠性。圖8分析驗證了信道編碼對系統性能的提升。

4 基于多向中繼的蜂窩網和WLAN融合

從上述協同多向中繼技術方案中不難看出，協同中繼在提升網絡容量、自適應自組織、抗干擾抗衰落、提升QoS方面有著巨大的發展前景。首先分析了異網融合和蜂窩網增強覆蓋技術，總結小蜂窩網和中繼的優缺點，然后提出了以認知協同中繼替代小蜂窩基站來作為蜂窩網和WLAN融合的方案，并嘗試分析了融合的可行性和關鍵問題。

蜂窩網絡目前仍是移動通信的主流硬件架構，而蜂窩網作為無線網絡覆蓋（GSM/3G/LTE等）的基本形式，依舊存在邊緣區域通信質量差和陰影區域覆蓋問題。面向進一步提高網絡容量和邊緣覆蓋的要求，研究具備認知能力的宏基站或/和多種小站（小蜂窩基站、家庭基站、WLAN）共存的方案是目前研究的熱點，圖9給出了協同中繼在拓展網絡覆蓋和異構網絡融合上的示意。各用戶網絡通過中繼協作通信實現互補，在宏蜂窩基站實現對中繼節點進行資源管理優化。

圖9 基于協同多向中繼的蜂窩網絡異構覆蓋場景

表1對比了作為增強宏蜂窩覆蓋實現異網融合的可能方案。可以看到，協同中繼技術方法能夠很好地服務于異構網絡融合。基于網絡編碼的認知協同中繼設計思路，通過智能管理和自適應資源優化，能夠彌補網絡容量的不足，同時能夠有效消除干擾。提出以認知中繼作為宏蜂窩網絡的重要附加方案，實現異構網絡融合，其融合網絡場景可包含宏基站、家庭基站、微基站和無線局域網。認知異構網絡中基于認知感知能力和中繼協作保證了各種無線網絡共存、相互補充、協同工作、支持終端無縫移動的異構融合網絡，必將有效地利用各種無線網絡的接入技術和各自的優勢以取長補短、融合地為用戶提供高質量的服務體驗。

4.1 蜂窩網和WLAN融合分析

從IEEE 802.11標準頒布以來，由其演變的各種Wi-Fi標準和設備具有可移動性、傳輸速度快、成本低廉、提供更豐富多彩的高帶寬業務等特性,得到廣泛的關注和應用，IEEE 802.11系列標準已經成為事實上的無線局域網技術標準。認知Wi-Fi 2.0網絡是基于認知無線電技術，工作于授權頻段的類似于傳統Wi-Fi系統的無線局域網。它利用授權頻段的良好傳播特性，為用戶提供更好的服務以及更大的覆蓋范圍。在總結上述蜂窩網和Wi-Fi技術的基礎上，參考文獻[15]提出了基于認知的異構蜂窩網絡和無線局域網絡的認知融合網絡，能夠充分挖掘異構頻譜資源，發揮其授權頻段和非授權頻段的效益。與此同時，此異構融合網絡也面臨著前所未有的復雜干擾問題，網絡中不同節點間干擾主要有以下原因。

·部署難以統一規劃。WLAN往往由用戶自行隨機部署，使用時間自由，開關隨意，而運營商難以管理此類網絡。

·接入限制不統一。部分無線局域網由于某些原因對用戶接入限制，宏基站往往有可能因為受限而無法接入，反而由于資源頻段相近受到干擾。

·功率差異相對較大。宏基站與低功率節點（WLAN）由于發射功率相差大，業務負載往往分布不均衡。

·上下行鏈路的層間干擾嚴重。

解決蜂窩網和WLAN融合的關鍵在于構建認知資源管理機制，要求管理決策能夠實現以下方面：自主資源決策實現網絡層間和層內干擾的有效抑制；宏基站用戶和WLAN用戶有高效資源保障，滿足QoS要求；實現有效資源的快速探測和高效利用。

4.2 結合網絡編碼的異構網絡融合

根據對蜂窩網和WLAN融合的分析，對以網絡編碼技術為基礎的中繼方案分析其可行性。鏈路層以上網絡融合的管理機制和控制技術在許多文獻中有所研究，參考文獻[16]研究了3G與Wi-Fi網絡融合的方案。而從物理層技術角度出發，研究基于網絡編碼的協同中繼技術來解決蜂窩與WLAN融合的關鍵問題是可行的，具體如下。

·易于宏基站的管理，增加中繼節點自組網和接入機制的研究能夠有效解決WLAN難以統一的問題，參考文獻[17]對負載均衡的異構網絡接入選擇和業務轉移做了詳細研究。

·參考文獻[18]利用盲自適應頻移濾波器的結構，提出了異構網絡中TDD蜂窩和Ad Hoc網絡信號互干擾抑制方案；參考文獻[19]系統研究了異構網絡資源分配和干擾抑制的分布式資源分配方法，尤其研究了基于功率優化的資源分配算法，有利于解決異網設備功率差異大導致的干擾問題。

·參考文獻[17]所提出的異構網絡動態負載均衡方案，能夠根據接入選擇方案把接入任務均衡地分配到各個中繼基站中，在接入阻塞率、切換掉線率、負載均衡性、系統利用率上提升系統性能，可以作為輔助的負載均衡策略。

表1 異構網絡融合中微基站、家庭基站、中繼基站優缺點對比

·基于中繼的網絡編碼采用時分傳輸，因此能夠避免上下行鏈路干擾。

上述分析從部分角度加以研究，嘗試性地給出一些可能的解決方案。異構融合網絡中用戶環境的多變性、網絡環境的異構性和業務環境的多樣性，真正實現異構網絡融合仍存在不少問題需要解決，此協同中繼異構網融合方案有著廣闊的發展潛力。

5 結束語

在城市密集立體化、業務海量化的通信發展形式下，各種無線網絡規模大、覆蓋廣、構成復雜、業務種類及服務質量要求多樣，且各個網絡的特征與結構、協議與設計方法以及物理層技術均呈現異構化傾向，異構網絡融合已是大勢所趨。如何探索實用的技術來解決異構網絡融合問題，進一步提升網絡的資源利用率，是無線與移動通信領域尚待解決的重要問題。

分析了這種趨勢下一種可有效提升頻譜利用率的網絡融合方案——基于中繼的異構協同網絡，該方案以中繼為基礎構架，以網絡編碼為核心技術，利用自適應調制、ARQ以及高效信道編碼來改善中繼技術的短板，從而提高了系統的可靠性、吞吐量和干擾消除。結合實際的蜂窩網絡和無線局域網，對此異構網的融合進行了初步分析，嘗試性地總結和論述了基于網絡編碼的中繼技術在融合中的可行性和研究進展。異構網絡融合的相關研究目前尚處于起步階段，網絡編碼技術、協同中繼技術等將在未來的通信網絡中融為一體，同時也將面臨著巨大的技術挑戰，對異構網絡融合的基礎理論和關鍵技術進行深入研究，必將推動多制式、一體化、智能化移動通信網絡的技術創新，為未來無線城市網絡的建設提供關鍵支撐。

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