協(xié)作通信綜述

1、協(xié)作通信技術(shù)研究與展望摘要：多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)能夠有效抵抗無(wú)線通信中多徑衰落帶來(lái)的 影響，但是由于受設(shè)備尺寸、造價(jià)和硬件性能等條件限制，難以應(yīng)用在實(shí)際的無(wú) 線通信終端中。協(xié)作通信技術(shù)通過(guò)利用單天線移動(dòng)終端之間的相互協(xié)作，共享彼 此的天線，形成一個(gè)虛擬MIMO系統(tǒng)，從而獲得空間分集。本文主要從協(xié)作通 信技術(shù)的研究緣由、系統(tǒng)模型、協(xié)作策略、中繼算法以及實(shí)現(xiàn)平臺(tái)五個(gè)方面對(duì)近 來(lái)的研究成果加以總結(jié)，并指出了未來(lái)的發(fā)展方向。未來(lái)的無(wú)線通信系統(tǒng)需要提供更多高速率的多媒體業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，協(xié)作通 信的目的就是充分利用網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)資源來(lái)幫助有通信需求的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行高速、可 靠的無(wú)線通信。1協(xié)作通信技術(shù)的研

2、究緣由協(xié)作通信技術(shù)得以發(fā)展主要有兩方面的因素：網(wǎng)絡(luò)中空閑資源的存在和協(xié)作 通信所能提供的增益。1.1網(wǎng)絡(luò)中空閑資源的存在以移動(dòng)通信系統(tǒng)為例來(lái)說(shuō)明無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中空余資源的存在。某一時(shí)間段內(nèi)移動(dòng) 通信系統(tǒng)中可能僅有部分移動(dòng)終端有通信需求，因而網(wǎng)絡(luò)中較多的移動(dòng)終端處于 空閑狀態(tài)。但是傳統(tǒng)的移動(dòng)通信系統(tǒng)將所有移動(dòng)終端看成是互不通信的個(gè)體，從 而使這部分空閑硬件資源被浪費(fèi)掉；另一方面，移動(dòng)通信系統(tǒng)中的移動(dòng)終端往往 具有差異性，如具有不同的計(jì)算處理能力以及不同的通信能力等。若將這些移動(dòng) 終端看成是一個(gè)可以相互或部分相互通信的整體，則差異性的存在可使不同的移 動(dòng)終端在網(wǎng)絡(luò)中承擔(dān)不同的角色，從而有利于整個(gè)通信系統(tǒng)

3、性能的提高。因此， 如何利用空閑資源來(lái)幫助有通信需求的移動(dòng)終端進(jìn)行有效通信便成為一個(gè)值得 深入研究的課題。1.2協(xié)作通信增益無(wú)線通信中，由于受帶寬、傳輸功率的限制，加上無(wú)線信道的多徑衰落，很 難達(dá)到理想的傳輸速率和通信質(zhì)量。為了解決無(wú)線信道容量的瓶頸問(wèn)題，人們提 出了 MIMO技術(shù)。該技術(shù)通過(guò)在發(fā)射端和接收端放置多根天線，形成多個(gè)獨(dú)立 的發(fā)/收信道，從而達(dá)到利用空間分集來(lái)提高無(wú)線信道傳輸能力的目的，但是由 于受設(shè)備尺寸、造價(jià)和硬件性能等條件限制，無(wú)線終端不一定支持多天線安裝。 而協(xié)作通信技術(shù)能夠利用無(wú)線信道的廣播特性，允許單天線終端設(shè)備在多用戶環(huán) 境中通過(guò)一定規(guī)則共享其他用戶的天線，形成虛擬天

4、線陣列，使得同一信息能夠 通過(guò)不同的獨(dú)立無(wú)線信道到達(dá)接收端。研究表明1，協(xié)作通信可以提供全部的 空間分集增益效果，即n個(gè)參與協(xié)作通信的節(jié)點(diǎn)所提供的空間分集增益等同于信 源節(jié)點(diǎn)具有n個(gè)獨(dú)立的發(fā)射天線所提供的空間分集增益。2協(xié)作通信系統(tǒng)模型根據(jù)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中是否存在空閑節(jié)點(diǎn)資源，可相應(yīng)采用兩種不同的協(xié)作通 信模型，如圖1所示。當(dāng)系統(tǒng)中存在空閑節(jié)點(diǎn)資源時(shí)，空閑節(jié)點(diǎn)可相互充當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā) 節(jié)點(diǎn)。當(dāng)系統(tǒng)中不存在空閑節(jié)點(diǎn)資源時(shí)，一方面該系統(tǒng)中的信源節(jié)點(diǎn)會(huì)犧牲部分 資源(包括帶寬、發(fā)射功率等)用于節(jié)點(diǎn)間相互轉(zhuǎn)發(fā)信息，因而造成有效通信數(shù)據(jù) 流量的下降；另一方面協(xié)作通信系統(tǒng)產(chǎn)生的協(xié)作通信增益會(huì)使系統(tǒng)中的有效通信 數(shù)據(jù)流

5、量增加，當(dāng)由協(xié)作通信產(chǎn)生的正面效應(yīng)大于負(fù)面效應(yīng)時(shí)，系統(tǒng)便會(huì)相應(yīng)獲 得性能增益。圖1(a)有空閑節(jié)點(diǎn)時(shí)的協(xié)作通信系統(tǒng)模型圖1(b)無(wú)空閑節(jié)點(diǎn)時(shí)的協(xié)作通信系統(tǒng)模型3協(xié)作通信的策略根據(jù)現(xiàn)有的研究1-2，通常可以將協(xié)作通信策略按照信號(hào)處理的方式分為固定中繼(Fixed-Relaying)、選擇中繼(Selection-Relaying)、增強(qiáng)中繼 (Incremental-Relaying)和編碼協(xié)作(Coded Cooperation)。其中固定中繼協(xié)作策略包 括放大轉(zhuǎn)發(fā)(Amplify-and-Forward, AF)和解碼轉(zhuǎn)發(fā)(Decode-and-Forward, DF)兩種。3.1固定中繼協(xié)

6、作策略在AF策略中，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)接收信源所發(fā)射的帶有噪聲的信號(hào)，并將其進(jìn)行功 率放大，然后再轉(zhuǎn)發(fā)至接收端。接收端將信源和轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)以一定的準(zhǔn)則合并，并 進(jìn)行判決。文獻(xiàn)1中的分析表明了當(dāng)信噪比較高時(shí)，采用該策略可以獲得二階 分集增益。該方案的優(yōu)點(diǎn)在于：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)不需要對(duì)信息進(jìn)行復(fù)雜處 理，從而具有速度快、復(fù)雜度低的特點(diǎn)。但是其缺點(diǎn)在于：用戶間信道中的噪聲 也被放大轉(zhuǎn)發(fā)，當(dāng)協(xié)作用戶之間鏈路較差時(shí)，放大的噪聲將直接影響最終的判決。為了避免由放大的噪聲導(dǎo)致錯(cuò)誤傳播，研究者提出了 DF策略。在這種策略 中轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)將從信源節(jié)點(diǎn)接收到的信息進(jìn)行解碼，然后將解碼后的信息發(fā)送至接 收端。由于這種方式在轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)

7、程中消除了噪聲的干擾，有利于接收端的最終判決， 提高了系統(tǒng)傳輸?shù)目煽啃?。但是在用戶間信道條件較差的情況下，也可能出現(xiàn)信 息的誤判，從而對(duì)系統(tǒng)的性能造成影響，不能得到完全分集。3.2選擇中繼協(xié)作策略文獻(xiàn)1 進(jìn)一步提出了選擇中繼策略和增強(qiáng)中繼策略，兩者均是DF的改進(jìn)方 案。選擇中繼是根據(jù)信道條件采取自適應(yīng)轉(zhuǎn)發(fā)方式，當(dāng)中繼信道的增益低于一定 門限時(shí)，取消中繼節(jié)點(diǎn)的傳輸，由信源節(jié)點(diǎn)直接傳輸信號(hào)，此時(shí)系統(tǒng)等同于非協(xié) 作通信系統(tǒng)。該方案避免了用戶間信道較差時(shí)引起的錯(cuò)誤傳播，但是協(xié)作節(jié)點(diǎn)也 需要精確估計(jì)用戶間信道信息，增加了信號(hào)處理的復(fù)雜度。3.3增強(qiáng)中繼協(xié)作策略在固定中繼和選擇中繼兩種協(xié)作通信策略中，由于

8、轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)重發(fā)信源節(jié)點(diǎn)所 發(fā)送的信息而導(dǎo)致系統(tǒng)的帶寬資源被浪費(fèi)。增強(qiáng)中繼策略在接收端對(duì)源信號(hào)解碼， 并反饋1比特的解碼判決信息到信源，由信源根據(jù)反饋信息決定是否繼續(xù)進(jìn)行協(xié) 作，從而節(jié)省了系統(tǒng)的功率開(kāi)銷，提高了系統(tǒng)的頻譜利用率。該方案同樣具有一 定的復(fù)雜性。3.4編碼協(xié)作策略上述協(xié)作通信策略一方面都是基于重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)的，從信道編碼的角度看，并不 能最好地利用可用帶寬；另一方面為了在接收端得到最佳的最大似然檢測(cè)，需要 知道用戶間信道的誤比特率和信噪比。為了解決這些局限性，有研究者提出了編 碼協(xié)作的概念2。其基本思想是利用不同的信道傳送編碼冗余信息，相當(dāng)于將 空間分集與編碼分集結(jié)合起來(lái)，不但獲得了空間分集

9、增益還可獲得編碼增益，從 而進(jìn)一步提高了系統(tǒng)傳輸?shù)目煽啃?。編碼協(xié)作的優(yōu)點(diǎn)在于能夠直接利用現(xiàn)有的信 道編碼技術(shù)，無(wú)需用戶之間的反饋。但由于需要進(jìn)行信道譯碼，這就增加了協(xié)作 用戶的編譯碼復(fù)雜度，以及相應(yīng)的功率開(kāi)銷。4協(xié)作通信中的中繼節(jié)點(diǎn)選擇在協(xié)作通信系統(tǒng)中一個(gè)至關(guān)重要的問(wèn)題就是如何選擇合適的中繼節(jié)點(diǎn)，它甚 至決定了協(xié)作系統(tǒng)是否可以帶來(lái)增益。在這方面已有研究人員做出了貢獻(xiàn)，但是 每種系統(tǒng)和算法都用來(lái)解決不同的問(wèn)題并有不同的應(yīng)用。4.1中繼節(jié)點(diǎn)選擇算法的分類算法執(zhí)行方式算法的執(zhí)行方式主要分為中心式和分布式。中心式算法是指將所需要的信息 傳送到某一中心節(jié)點(diǎn)(例如：基站、AP等)，中心節(jié)點(diǎn)利用這些信息執(zhí)行

10、協(xié)作節(jié) 點(diǎn)選擇算法并將結(jié)果反饋給源節(jié)點(diǎn)和相應(yīng)的協(xié)作節(jié)點(diǎn)。中心式算法的優(yōu)點(diǎn)在于從 全局角度統(tǒng)籌規(guī)劃，使得系統(tǒng)工作在全局最優(yōu)狀態(tài)，然而由于需要搜集相關(guān)的信 息以及計(jì)算全局最優(yōu)，因此會(huì)引入較大的通信開(kāi)銷和計(jì)算開(kāi)銷。分布式計(jì)算則是 依賴節(jié)點(diǎn)間的信息交換和協(xié)調(diào)，由節(jié)點(diǎn)自行判斷是否協(xié)作和與誰(shuí)協(xié)作。分布式算 法往往獲得是局部最優(yōu)解，但是分布式算法分散了通信開(kāi)銷和計(jì)算復(fù)雜度，而且 分布式算法更加適用于無(wú)固定支持的網(wǎng)絡(luò)(如Ad Hoc網(wǎng)絡(luò))。中繼節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)中繼節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的確定是中繼節(jié)點(diǎn)選擇算法的熱點(diǎn)問(wèn)題，使用單個(gè)節(jié)點(diǎn)還是使 用多個(gè)節(jié)點(diǎn)仍然是一個(gè)開(kāi)放性問(wèn)題。使用單個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行協(xié)作使得接收端的硬件簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，并且沒(méi)

11、有損失 分集階數(shù)，單個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)選擇需要知道各個(gè)信道的信道信息，并按照某種規(guī)則進(jìn) 行排序，從中選出最優(yōu)的節(jié)點(diǎn)。然而單個(gè)節(jié)點(diǎn)的處理能力和支持的功率是有限的， 當(dāng)信道處于深度衰落的情況下，單個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)無(wú)法完成源節(jié)點(diǎn)的服務(wù)質(zhì)量(QoS) 需求，而且使用多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)也可以增加系統(tǒng)的復(fù)用增益，因此根據(jù)信道和中繼 節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)調(diào)整節(jié)點(diǎn)選擇的個(gè)數(shù)的選擇算法更加合理。協(xié)作的策略協(xié)作策略是協(xié)作通信系統(tǒng)中的重要參數(shù)，不同的協(xié)作策略也對(duì)中繼節(jié)點(diǎn)的選 擇算法產(chǎn)生和很大影響，例如直接影響了中繼節(jié)點(diǎn)選擇算法的備選集合。因此對(duì) 于不同的協(xié)作策略要采用不同的中繼節(jié)點(diǎn)選擇算法。另外我們可把協(xié)作策略選擇 和中繼節(jié)點(diǎn)選擇相結(jié)合，在同一

12、個(gè)系統(tǒng)中自適應(yīng)的使用不同的協(xié)作策略和中繼節(jié) 點(diǎn)選擇算法。中繼節(jié)點(diǎn)選擇和其他協(xié)作資源的聯(lián)合分配對(duì)于協(xié)作系統(tǒng)，中繼節(jié)點(diǎn)僅僅是系統(tǒng)資源的一部分，因此目前的研究工作大 都在將中繼節(jié)點(diǎn)選擇和其他資源分配聯(lián)合考慮，例如功率，帶寬等。通過(guò)跨層聯(lián) 合設(shè)計(jì)這些系統(tǒng)資源可以使系統(tǒng)的性能得到較大的改善。然而由于引入了更多的 變量和優(yōu)化目標(biāo)，從而給系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)，在多數(shù)情況下使得系統(tǒng)最優(yōu) 問(wèn)題成為非多項(xiàng)式(NP)難問(wèn)題。如何找到適當(dāng)?shù)穆?lián)合優(yōu)化參數(shù)以及設(shè)計(jì)可執(zhí)行的 漸進(jìn)最優(yōu)算法也是中繼節(jié)點(diǎn)選擇及其相關(guān)的資源分配算法應(yīng)考慮的重點(diǎn)。(5 )應(yīng)用場(chǎng)景當(dāng)前的無(wú)線通信系統(tǒng)大都可以分為有固定設(shè)施支撐和無(wú)固定設(shè)施支撐兩種，

13、在有固定設(shè)施支撐的網(wǎng)絡(luò)中(如：蜂窩網(wǎng))，其通信形式基本呈現(xiàn)為多對(duì)一或多對(duì) 一的通信，即多個(gè)用戶到基站、基站到多個(gè)用戶，此外網(wǎng)絡(luò)中的中心節(jié)點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò) 起到支配和管理作用，從而有利于資源的合理分配和中心式算法的執(zhí)行。而在無(wú) 固定設(shè)施支撐的網(wǎng)絡(luò)(如：Ad Hoc網(wǎng)絡(luò))中存在多對(duì)源和目的節(jié)點(diǎn)對(duì)，并且沒(méi)有 中心節(jié)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行管理，通信節(jié)點(diǎn)對(duì)之間呈現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，因此控制通信節(jié)點(diǎn)對(duì)之間 的相互干擾是影響系統(tǒng)性能的重要因素也是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。(6)中繼節(jié)點(diǎn)屬性在不同的網(wǎng)絡(luò)中中繼節(jié)點(diǎn)的屬性也不盡相同。中繼節(jié)點(diǎn)可以是固定的也可以 是移動(dòng)的，可以是有源的也可以是無(wú)源的，有些裝配單根天線而有些則裝配多根 天線，節(jié)點(diǎn)的屬性不同直接

14、影響了協(xié)同節(jié)點(diǎn)選擇的策略。在蜂窩網(wǎng)中，無(wú)論固定 的還是移動(dòng)的中繼節(jié)點(diǎn)大多是有能量支持的，并且中繼節(jié)點(diǎn)上大多可能配備多根 天線，擁有相對(duì)較強(qiáng)處理和傳輸能力，因此可以將較多的工作轉(zhuǎn)移到中繼節(jié)點(diǎn)上 進(jìn)行，從而降低移動(dòng)終端的復(fù)雜度和能量消耗，同時(shí)為移動(dòng)終端提供較好的QoS 保障。在自組織網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)屬性基本相同，且大都使用電池供電， 處理和傳輸能力也相對(duì)有限，因此在中繼節(jié)點(diǎn)選擇算法設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮節(jié)點(diǎn)的 能量問(wèn)題，在保證服務(wù)的條件下盡量延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。4.3典型算法的介紹基于協(xié)作增益的單節(jié)點(diǎn)選擇策略中繼節(jié)點(diǎn)選擇算法的目的就是提高協(xié)作通信所帶來(lái)的增益，文獻(xiàn)3研究了 編碼協(xié)作中的中繼節(jié)點(diǎn)選擇

15、策略，以端到端的誤幀率作為標(biāo)準(zhǔn)定義了用戶協(xié)作增 益G：，式中Pno-coop為非協(xié)作傳輸時(shí)的誤幀率，Pcoop為協(xié)作傳輸時(shí)的誤幀率，因此當(dāng)G1時(shí)才使用協(xié)作，從而得到了能夠帶來(lái)增益的協(xié)作區(qū)域， 并給出了中繼節(jié)點(diǎn)選擇的標(biāo)準(zhǔn)，即選擇能夠帶來(lái)最大協(xié)作增益的中繼節(jié)點(diǎn)參與協(xié) 作。該算法需要節(jié)點(diǎn)地理位置信息的支持，需要額外的硬件設(shè)備(如GPS)或運(yùn)行 相應(yīng)的定位算法?；谒矔r(shí)信道狀態(tài)的分布式選擇策略無(wú)線信道的時(shí)變特性，使中繼節(jié)點(diǎn)選擇算法應(yīng)具有一定的自適應(yīng)特性，文獻(xiàn) 4中提出了一種分布式的中繼節(jié)點(diǎn)選擇算法，該算法和傳統(tǒng)的802.11協(xié)議相結(jié) 合，利用RTS和CTS分別估計(jì)源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)之

16、間的信 道狀態(tài)：和 ，中繼節(jié)點(diǎn)收到該信道信息后進(jìn)行判斷，判斷的準(zhǔn)則為隨后開(kāi)啟一個(gè)退避定時(shí)器，退避時(shí)間T和信道條件 成反比，這樣一來(lái)信道 條件好的中繼節(jié)點(diǎn)就會(huì)優(yōu)先介入信道，發(fā)送一個(gè)FLAG幀通知源節(jié)點(diǎn)、目的節(jié)點(diǎn) 和其他中繼節(jié)點(diǎn)，這樣以來(lái)就完成了一次中繼選擇。該算法是根據(jù)瞬時(shí)信道條件 來(lái)選擇中繼節(jié)點(diǎn)，隨著信道衰落情況的變化來(lái)選擇不同的中繼節(jié)點(diǎn)，但該算法在 節(jié)點(diǎn)選擇過(guò)程中可能發(fā)生碰撞，從而導(dǎo)致無(wú)法正確的選擇到中繼節(jié)點(diǎn)?；诜秩旱闹欣^節(jié)點(diǎn)選擇策略文獻(xiàn)5 研究了存在多對(duì)源和目的節(jié)點(diǎn)情況下的中繼節(jié)點(diǎn)選擇問(wèn)題。為了能 夠達(dá)到全網(wǎng)范圍的分集增益，節(jié)點(diǎn)選擇協(xié)議應(yīng)為每一個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)提供足夠的協(xié)作 節(jié)點(diǎn)，使這些節(jié)點(diǎn)形

17、成為若干個(gè)群。每個(gè)群內(nèi)的中繼節(jié)點(diǎn)能夠以很高的概率正確 解碼發(fā)送節(jié)點(diǎn)的信息。該文中針對(duì)分布式場(chǎng)景下提出了一種簡(jiǎn)單的靜態(tài)中繼節(jié)點(diǎn)選擇策略，該策略 可以保證網(wǎng)絡(luò)中的所有發(fā)送節(jié)點(diǎn)都能夠獲得n +1的分集增益，n為協(xié)作節(jié)點(diǎn)個(gè) 數(shù)，即每個(gè)節(jié)點(diǎn)都維護(hù)一個(gè)優(yōu)先協(xié)作表，該節(jié)點(diǎn)優(yōu)先支持表中的前n個(gè)節(jié)點(diǎn)。 優(yōu)先協(xié)作表設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法很多，其中一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)方式為：i +1,i +2,M,1,2,，i -1，i為本節(jié)點(diǎn)編號(hào)。基于能量考慮的中繼節(jié)點(diǎn)選擇策略當(dāng)前應(yīng)用的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)如蜂窩網(wǎng)，WLAN，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)等，終端設(shè)備大都使 用電池供電，使得網(wǎng)絡(luò)可利用的資源受到限制，因此如何高效的利用網(wǎng)絡(luò)資源、 延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間是無(wú)線網(wǎng)

18、絡(luò)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要問(wèn)題。隨著協(xié)作通信技術(shù)的出現(xiàn)， 它使得協(xié)作節(jié)點(diǎn)間的資源(信道，能量)得到共享，從而為節(jié)約節(jié)點(diǎn)能量、延長(zhǎng)網(wǎng) 絡(luò)的生存期提供了有效途徑。最近在利用協(xié)作通信技術(shù)來(lái)延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存期方面已 有部分研究者做出了貢獻(xiàn)，文獻(xiàn)6中在圖2的模型下，聯(lián)合考慮協(xié)作節(jié)點(diǎn)的信 道狀態(tài)信息CSI和剩余能量信息REI，選擇出一個(gè)最優(yōu)的中繼節(jié)點(diǎn)并利用它完成 協(xié)作傳輸，從而延長(zhǎng)了 AF協(xié)作網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間，文獻(xiàn)7中作者在相同的模型下 又通過(guò)離散化功率的調(diào)整范圍，使得算法更加實(shí)際，同時(shí)利用馬氏鏈估計(jì)了網(wǎng)絡(luò) 的生存期。圖2系統(tǒng)模型類似，文獻(xiàn)8在DF協(xié)作網(wǎng)絡(luò)中，通過(guò)啟發(fā)式的中繼節(jié)點(diǎn)選擇和功率分配方 法以及中繼節(jié)點(diǎn)位置的布設(shè)

19、來(lái)降低節(jié)點(diǎn)的功率消耗、延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存期。文獻(xiàn)9 通過(guò)協(xié)作波束成形的方法來(lái)提高的傳輸距離，從而避免節(jié)點(diǎn)能量少的節(jié)點(diǎn)的中繼 來(lái)達(dá)到延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存期的目的?；诳鐚勇?lián)合優(yōu)化的中繼節(jié)點(diǎn)選擇策略對(duì)于協(xié)作通信系統(tǒng)，中繼節(jié)點(diǎn)僅僅是系統(tǒng)資源的一部分，因此將中繼節(jié)點(diǎn)選 擇和其他系統(tǒng)資源分配聯(lián)合考慮可以極大的改善系統(tǒng)性能。文獻(xiàn)10研究了擁有 一個(gè)基站和多個(gè)移動(dòng)臺(tái)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)的接入方式采用OFDMA技術(shù)，文中通過(guò) 建立一個(gè)中心式的優(yōu)化模型，聯(lián)合考慮了多個(gè)層次的優(yōu)化參數(shù)，最終不僅僅得到 了最優(yōu)的功率和帶寬分配，并且得到了最優(yōu)的中繼節(jié)點(diǎn)選擇方法和協(xié)作策略選擇 方法。另外，文獻(xiàn)11通過(guò)拉格朗日對(duì)偶分解得到了分布式的優(yōu)化方

20、法，并且考 慮了流量控制對(duì)系統(tǒng)的影響?；诙嘀欣^節(jié)點(diǎn)的選擇策略在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，單個(gè)節(jié)點(diǎn)的處理和傳輸能力有限，通過(guò)多個(gè)節(jié)點(diǎn)的協(xié)作不僅 僅可以得到空間分集增益還可以獲得空間復(fù)用增益，同時(shí)還可以均衡業(yè)務(wù)負(fù)載。 文獻(xiàn)12中假設(shè)目的節(jié)點(diǎn)擁有多個(gè)天線，利用協(xié)作節(jié)點(diǎn)來(lái)傳輸不同的信息從而得 到空間上的復(fù)用，而通過(guò)中繼節(jié)點(diǎn)選擇同時(shí)獲得了分集增益。本文通過(guò)貪婪搜索 的方法來(lái)選擇最優(yōu)的協(xié)作節(jié)點(diǎn)。通過(guò)分析可以看出利用多節(jié)點(diǎn)進(jìn)行協(xié)作可以獲得 更好的分集和復(fù)用折中。文獻(xiàn)13中提出了兩種中繼節(jié)點(diǎn)選擇方法，在固定選擇策略中，源節(jié)點(diǎn)從K 個(gè)協(xié)同節(jié)點(diǎn)中固定選擇出M個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，這M個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送從源節(jié)點(diǎn)收到 的信息。另外，文中還

21、提出一種基于門限值的動(dòng)態(tài)中繼選擇方法，該方法在保證 中斷概率的前提下，最小化參與協(xié)作的節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，從而減小由協(xié)作帶來(lái)的干擾。文獻(xiàn)16 給出中在存在多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的情況下，將功率控制和節(jié)點(diǎn)選擇相 結(jié)合，該協(xié)議的目的是通過(guò)分配源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)集合的功率來(lái)在最小化中斷概 率，并且降低計(jì)算的復(fù)雜度。該協(xié)議分為兩個(gè)階段：在權(quán)衡了 S-R和R-D的信道 條件下選擇源節(jié)點(diǎn)的功率；通過(guò)搜索的辦法選擇能夠最小化中斷概率的中繼節(jié)點(diǎn) 集合，該集合中的中繼節(jié)點(diǎn)間的功率平均分配。仿真和分析結(jié)果表明該算法能夠 達(dá)到較小的中斷概率。根據(jù)以上論述可知，每種系統(tǒng)和算法都有各自的特點(diǎn)和適用范圍，沒(méi)有哪一 種是絕對(duì)最優(yōu)的，但從整體上

22、看動(dòng)態(tài)分配系統(tǒng)資源的跨層設(shè)計(jì)思想更加充分發(fā)揮 了協(xié)作通信系統(tǒng)的特點(diǎn)，相對(duì)于傳統(tǒng)的系統(tǒng)有很大的性能增益。但是由于動(dòng)態(tài)資 源分配往往引入更多的變量，使得系統(tǒng)優(yōu)化變得困難，也對(duì)實(shí)現(xiàn)帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。 我們應(yīng)該通過(guò)適當(dāng)?shù)倪x擇優(yōu)化參數(shù)，在有效控制復(fù)雜度的情況下，優(yōu)化協(xié)作通信 系統(tǒng)。5協(xié)作通信的實(shí)現(xiàn)盡管目前許多研究工作都考察了協(xié)作通信的性能，但是大部分都是基于理論 分析或者仿真。理論分析及仿真研究通常只能作為實(shí)際操作或具體實(shí)現(xiàn)的指導(dǎo)， 因?yàn)樗鼈兺鶎?duì)實(shí)際壞境進(jìn)行了簡(jiǎn)化或者理想假設(shè)，不能真正反應(yīng)無(wú)線環(huán)境中例 如缺少頻率和時(shí)間同步、不理想的信道估計(jì)、量化誤差等因素對(duì)于信號(hào)傳播的影 響。通過(guò)構(gòu)建協(xié)作通信測(cè)試平臺(tái)并

23、在其上進(jìn)行一系列實(shí)驗(yàn)，我們不僅可以在實(shí)際 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及無(wú)線傳播環(huán)境中驗(yàn)證理論分析的正確性，還可以對(duì)通信性能的提 高水平進(jìn)行定量分析。5.1實(shí)驗(yàn)分類根據(jù)不同的試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)，可以將現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)研究分為兩類15：（l）Legacy-based :優(yōu)點(diǎn)是利用現(xiàn)存的平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)協(xié)作通信，能夠較快被采用 并且便于與已有結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較。缺點(diǎn)是為了達(dá)到完全協(xié)作所必須的修改往往不能 實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)16介紹了一種開(kāi)源驅(qū)動(dòng)協(xié)作試驗(yàn)臺(tái)，該結(jié)構(gòu)就是典型的legacy-based， 使用了現(xiàn)有的商業(yè)WiFi驅(qū)動(dòng)卡（主要包括MadWiFi，HostAP，Intel PRO三種）來(lái)實(shí) 現(xiàn)已在理論上提出的CoopMAC機(jī)制。該試驗(yàn)臺(tái)利用

24、基于802.11協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)源 驅(qū)動(dòng)軟件實(shí)現(xiàn)方法在鏈路層實(shí)現(xiàn)了多跳傳輸。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)各自維護(hù)一個(gè)與相鄰 節(jié)點(diǎn)的傳輸速率表，當(dāng)某一節(jié)點(diǎn)判定信號(hào)通過(guò)中繼能夠更快到達(dá)接收端，它將通 過(guò)這個(gè)兩跳路徑來(lái)傳送自己的數(shù)據(jù)包。該試驗(yàn)臺(tái)的工作頻段為2.4GHz，有10到 20個(gè)節(jié)點(diǎn)參與協(xié)作，并且針對(duì)不同的網(wǎng)絡(luò)配置（如拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模）分別測(cè)量 了吞吐率、延遲、抖動(dòng)等性能指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明與傳統(tǒng)的802.11傳輸協(xié)議相 比，CoopMAC機(jī)制顯著提高了通信性能，尤其在吞吐率方面甚至獲得了三倍的 提高。為了進(jìn)一步考察CoopMAC的性能，除了上述的文件傳輸模式，研究者還 在由信源一中繼一接收端三個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的試驗(yàn)臺(tái)

25、上進(jìn)行了視頻傳輸測(cè)試，通過(guò)與 直接傳輸測(cè)試的比較同樣說(shuō)明了協(xié)作通信的性能優(yōu)勢(shì)。開(kāi)源驅(qū)動(dòng)協(xié)作試驗(yàn)臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)是能夠與當(dāng)前的WiFi產(chǎn)品很好的兼容，容易實(shí) 現(xiàn)大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)部署，在其上測(cè)試出的協(xié)作協(xié)議的性能便于與現(xiàn)有的802.11協(xié) 議進(jìn)行比較。缺點(diǎn)是所有的物理層及與時(shí)間相關(guān)的功能都固化在專有的固件中無(wú) 法進(jìn)行修改，因此不能實(shí)現(xiàn)物理層的協(xié)作，MAC層功能也只能實(shí)現(xiàn)不受時(shí)間影響的部分不能達(dá)到完全MAC協(xié)作水平，更不能實(shí)現(xiàn)PHY-MAC跨層協(xié)作。(2)Clean-slate :能夠?qū)崿F(xiàn)完全協(xié)作，但是需要重新設(shè)計(jì)和配置測(cè)試平臺(tái)，因 而需要投入更多的時(shí)間和資金。一種基于軟件定義無(wú)線電(SDR)技術(shù)的協(xié)作試驗(yàn)臺(tái)屬

26、于clean-slate結(jié)構(gòu)。該平 臺(tái)能夠靈活的實(shí)現(xiàn)PHY協(xié)作以及PHY-MAC跨層協(xié)作，并且能夠獨(dú)立于某些特定 的環(huán)境或者標(biāo)準(zhǔn)，建立新的協(xié)作背景。由于在硬件方面缺乏與802.11的兼容性， 因此很難將測(cè)試結(jié)果與目前商業(yè)方案的性能進(jìn)行直接比較。當(dāng)今的兩種SDR平臺(tái)為 WARP17和GNU/USRP18。WARP系統(tǒng)采用FPGA 技術(shù)處理符號(hào)和比特?cái)?shù)據(jù)，這種方法要求將調(diào)制、解調(diào)、通信等各種算法直接編 寫(xiě)入FPGA板。WARP平臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)是能夠獲得較高的數(shù)據(jù)率，對(duì)接收的數(shù)據(jù)包迅 速采取自動(dòng)增益控制(AGC)GNU是一種開(kāi)源軟件工具箱，往往獨(dú)立于硬件設(shè)備， 易于編程。但是由于其通過(guò)USB端口向PC傳輸

27、時(shí)的低數(shù)據(jù)率，GNU不支持802.11。文獻(xiàn)16介紹了利用WARP實(shí)現(xiàn)CoopMAC的方法。實(shí)驗(yàn)采用了由三個(gè)節(jié)點(diǎn) 構(gòu)成的線性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并且三條鏈路的傳輸速率被人為設(shè)定成與實(shí)際信道質(zhì)量無(wú) 關(guān)的固定值。實(shí)驗(yàn)中分別測(cè)量了標(biāo)準(zhǔn)WiFi(直接傳輸)、CoopMAC和legacy-based CoopMAC三者的吞吐率、平均延遲以及丟包率，通過(guò)對(duì)測(cè)量結(jié)果的比較說(shuō)明了 基于WARP的協(xié)作通信實(shí)現(xiàn)方法比開(kāi)源驅(qū)動(dòng)平臺(tái)更大程度的提升了系統(tǒng)的性能。另外，文獻(xiàn)16還介紹了 WARP平臺(tái)上PHY協(xié)作的實(shí)現(xiàn)方法如協(xié)作編碼。對(duì) 于利用SDR平臺(tái)實(shí)現(xiàn)協(xié)作通信的研究成果還包括文獻(xiàn)19提出的基于GNU的具 有完整功能的協(xié)作通信試

28、驗(yàn)臺(tái)框架，從物理層和MAC層的角度評(píng)估了協(xié)作策略 的實(shí)際性能。更具體地說(shuō)該文獻(xiàn)在GNU/USRP平臺(tái)上考察了基于信號(hào)合并的單中 繼協(xié)作策略和基于同步的多中繼協(xié)作策略的性能。實(shí)驗(yàn)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都由USRP2 硬件設(shè)備以及運(yùn)行GNU軟件的HostPC組成。為了確保在多中繼協(xié)作過(guò)程中嚴(yán)格 的時(shí)間同步，研究者還在USRP2板上連接了 GPS。除此之外，還有許多相關(guān)的工作已經(jīng)在試驗(yàn)方面取得了研究成果，如表1所示。表1協(xié)作通信試驗(yàn)項(xiàng)目總結(jié)項(xiàng)目結(jié)構(gòu)協(xié)議層節(jié)點(diǎn)數(shù)拓?fù)漕l段數(shù)據(jù)率RiceClean-slate(FPGA)PHY3線性2.4GHz15MbpsCoopMAC WiFiLegacyMAC10-20隨機(jī)2.4

29、GHz11MbpsCoopMAC WARPClean-slate(FPGA)MAC3線性2.4GHz24MbpsPolytechnic PHYClean-slate(FPGA)PHY3線性2.4GHz10MbpsKTHClean-slate(DSP)PHY4隨機(jī)1.77GHz19.2kbpsETHRF前端N/A10隨機(jī)5.25GHzN/ANotre DameClean-slate(GPP)PHY3三角400MHz50kps5.2未來(lái)的研究方向下一步的實(shí)驗(yàn)工作需要包括當(dāng)前研究成果中未涉獵的幾個(gè)方面。首先，盡管 當(dāng)前的試驗(yàn)平臺(tái)展現(xiàn)出了其對(duì)于實(shí)現(xiàn)協(xié)作通信的適應(yīng)性和合理性，但是更為復(fù)雜 的協(xié)作策略如分

30、布式波束形成，將對(duì)試驗(yàn)平臺(tái)提出更為嚴(yán)格的硬件要求；其次， 從表1我們可以看出，目前的主要試驗(yàn)成果都是基于獨(dú)立的協(xié)議層，許多跨層方 面的理論研究如跨層優(yōu)化等并沒(méi)有在實(shí)驗(yàn)方面得到驗(yàn)證；另外，實(shí)驗(yàn)研究應(yīng)該針 對(duì)不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和傳播環(huán)境而開(kāi)展，從而更深入的考察和驗(yàn)證協(xié)作通信對(duì) 于通信系統(tǒng)性能的影響。6結(jié)束語(yǔ)本文主要從協(xié)作通信技術(shù)的研究緣由、系統(tǒng)模型、協(xié)作策略、中繼算法以及 實(shí)現(xiàn)平臺(tái)五個(gè)方面對(duì)近來(lái)的研究成果加以總結(jié)，并指出了未來(lái)的發(fā)展方向。參考文獻(xiàn)Laneman J N, Tse D N, Wornell G W. Cooperative diversity in wireless networks

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