多用户协同通信1 协同通信技术 协同通信技术是在多用户通信环境中，使用单副天线的各临近移动 用户可按照一定方式共享彼此的天线协同发送，从而产生一种类似多 天线发送的虚拟环境，获得空间分集增益，提高系统的传输性能。作 为一种分布式虚拟多天线传输技术，协同通信技术融合了分集技术与 中继传输技术的优势，在不增加天线数量的基础上，可在传统通信网 中继传输技术的优势，在不增加天线数量的基础上，可在传统通信网 络中实现并获得多天线与多跳传输的性能增益。 络中实现并获得多天线与多跳传输的性能增益。它可应用于蜂窝移动 通信系统、无线Ad hoc网络、无线局域网以及无线传感器网络等多种 通信系统、无线Ad hoc网络、无线局域网以及无线传感器网络等多种 场合，具有研究价值与意义。可以说，协同通信技术将是继多载波调 制技术、多天线技术之后，可能会对未来无线通信的发展产生重大影 响的一个研究热点。而且，协同通信技术非常灵活，可与现有多种技 术相结合，突出各自优点。例如，与正交频分复用(OFDM)技术相结 术相结合，突出各自优点。例如，与正交频分复用(OFDM)技术相结 合，可以充分利用其抗频率选择性衰落的优点；与编码或者空时编码 相结合，可以得到编码增益；与感知无线电技术相结合，能够提高频 谱检测概率或者获得更多的频谱接入机会。

1.1 发展历史与研究现状协同通信技术的起源可以追溯 到Cover和El Gamal在1979年关 Cover和 Gamal在1979年关 于中继信道的研究工作。中继 信道模型是一个包括源节点、 中继节点与目的节点的三点模 型 ,这种模型可分解成为广播信 道(源节点A发送信号，中继节 源节点A 点B与目的节点C接收信号)和多 与目的节点C接收信号) 址信道(源节点A 址信道(源节点A发送信号，中 继节点B 继节点B将收到的信号处理后再 进行转发，目的节点C 进行转发，目的节点C则接收来 自A和B的所有信号)。 的所有信号)

3种随即编码方法研究表明，离散无记忆、 加性白高斯噪声(AWGN) 加性白高斯噪声(AWGN) 中继信道的容量大于源节 点与目的节点间信道的容 量。而且，通过3 量。而且，通过3种不同的 随机编码方案可得到该信 道容量的下界 简易方法，中继节点并不 主动去帮助源节点，而是 通过尽量减少干扰来帮助 它； 协同方法，中继节点先完 全译出源节点发出的信息， 然后重新发送； 观察方法，中继节点对收 到的源节点信息的量化形 式进行编码后发送。

中继信道与协同信道的区别协同通信技术源于中继信道，但在很多方面又区别于中继信道。 首先，协同通信技术应用于衰

落信道中，主要目的是对抗多径衰落，而中继 信道分析的则是AWGN信道的容量； 信道分析的则是AWGN信道的容量； 其次，中继信道中的中继节点的唯一目的就是帮助源节点发送信息，而在协 同通信中，整个系统的资源是固定的，各用户既可充当中继节点帮助源节点 发送信息，又可作为源节点发送自己的信息。因此，协同通信技术研究的侧 重点有所不同。协同通信技术的基本思想是在多用户通信环境中，使用单副 天线的各临近移动用户可按照一定方式共享彼此的天线协同发送，从而产生 一种类似多天线发送的虚拟环境，获得空间分集增益，提高系统传输性能。 这种传输方式融合了分集技术与中继传输的技术优势，形成了分布式的虚拟 MIMO系统，克服了相干距离等的限制，在不增加天线数目的基础上，在传 MIMO系统，克服了相干距离等的限制，在不增加天线数目的基础上，在传 统通信网络中可获得与多天线及多跳传输情况下相近的传输增益。所谓虚拟 MIMO指的是：在协同通信系统中，多个中继节点本身可自然形成虚拟的天 MIMO指的是：在协同通信系统中，多个中继节点本身可自然形成虚拟的天 线阵列，节点间通过相互配合和信息互通，模拟传统MIMO技术的应用环境， 线阵列，节点间通过相互配合和信息互通，模拟传统MIMO技术的应用环境， 从而实现联合空时编码的传输方案。与此同时，目的节点不仅接收来自源节 点直接发送的信号，同时还接收来自中继节点转发的信号，并根据无线链路 传输状况和信号质量，选取不同的合并方式进行处理，从而最大限度地利用 有效信息，获得分集增益并有效地提高数据传输速率。

1.2 协作方式根据协作对象的不同，协同通信技术可分为异构网络间的协同通信和 同构网络内的协同通信两大类。 由于历史的原因，在现阶段出现了多种不同接入网络并存的局面： WLAN、WiMAX、蜂窝通信网络以及卫星通信网络等等。尽管这些网 WLAN、WiMAX、蜂窝通信网络以及卫星通信网络等等。尽管这些网 络各具优势，能够在数据传输速率、覆盖范围或支持终端的移动性等 络各具优势，能够在数据传输速率、覆盖范围或支持终端的移动性等 某一方面或者多方面满足用户的需求，但目前还没有一种网络能够同 时达到所有这些方面的需求。为了同时满足不同用户的多种应用需求， 时达到所有这些方面的需求。为了同时满足不同用户的多种应用需求， 未来的通信网络必须要具有将各种网络统一到一个信息平台上的能力。 对于未来的通信网络，国际电信联盟、3GPP和3GPP2等组织从电信网 对于未来的通信网络，国际电信联盟、3GPP和

3GPP2等组织从电信网 络的角度，因特网工程任务组等组织从IP分组网络的角度已分别进行 络的角度，因特网工程任务组等组织从IP分组网络的角度已分别进行 了相关描述。尽管这些组织的描述各有不同，但以IP技术为基础，通 了相关描述。尽管这些组织的描述各有不同，但以IP技术为基础，通 过在各种不同接入网络间引入协同通信来为用户提供各种电路交换和 分组交换业务则是他们的共性。因此，在各种不同接入网络之间的协 同通信是发展的必然趋势，这就是异构网络间的协同通信。显然，它 的研究重点是异构网络间的移动性管理，主要包括网间的垂直切换与 漫游等。

同构网络内的协同通信技术指的是所有节点都在同一种网 同构网络内的协同通信技术指的是所有节点都在同一种网 络内工作，可分为固定中继和用户终端间的协作两种方式。 固定中继协作方式非常类似于图1 固定中继协作方式非常类似于图1的中继信道，在源节点 和目的节点之间预先放置一个位置固定的中继节点。中继 节点与源、目的节点之间均采用无线连接，但它自己并无 信息发送，而只对接收到的信息进行转发。与固定中继方 式不同，用户终端间的协作方式要灵活一些，源节点同时 也可作为中继节点，它们不仅可转发协作伙伴的信息，同 时也可发送自己的信息。因此，这些终端需要同时具有信 号转发和简单路由的功能。根据中继节点对源节点信息处 理方式的不同，这种方式又可分为放大转发(AF)、解码转 理方式的不同，这种方式又可分为放大转发(AF)、解码转 发(DF)、编码协作(CC)、空时编码协作(STCC)和网络编码 (DF)、编码协作(CC)、空时编码协作(STCC)和网络编码 协作(NCC)等多种方式。下面将重点阐述上述几种方式的 协作(NCC)等多种方式。下面将重点阐述上述几种方式的 基本原理，并进行简单比较。为了便于描述，本文中仅讨 论如图1 论如图1所示的单中继节点情形，多中继情形可依此类推。

1.2.1 放大转发协作方式

根据图2 AF方式的信号处理可简化为3个阶段。第1 根据图2,AF方式的信号处理可简化为3个阶段。第1阶段，源节点首先广播 发送信号，目的节点和中继节点同时进行接收；第2 发送信号，目的节点和中继节点同时进行接收；第2阶段，中继节点对接收到 的源节点信号直接进行功率放大后转发给目的节点；第3 的源节点信号直接进行功率放大后转发给目的节点；第3阶段，目的节点对接 收到的两路信息进行合并解码，恢复出原始信息。因此，AF也被称作非再生 收到的两路信息进行合并解码，恢复出原始信息。因此，AF也被称作非再生 中继方式，其本质

上是一种模拟信号的处理方式。相对于其他几种方式，AF 中继方式，其本质上是一种模拟信号的处理方式。相对于其他几种方式，AF 方式最简单，而且由于目的节点可接收到两路独立的衰落信号，AF可获得满 方式最简单，而且由于目的节点可接收到两路独立的衰落信号，AF可获得满 分集增益，性能良好。但由于中继节点在放大信号的同时也放大了源分集增益，性能良好。但由于中继节点在放大信号的同时也放大了源-中继信 道引入的噪声，因此AF方式存在着噪声传播效应。 道引入的噪声，因此AF方式存在着噪声传播效应。

1.2.2 译码转发协作方式DF方式最早由Sendonaris等人给出。类似AF方式，DF方式的信号处理亦可简化为3个阶 DF方式最早由Sendonaris等人给出。类似AF方式，DF方式的信号处理亦可简化为3 段，其信号处理流程如图3 段，其信号处理流程如图3所示。 除第2阶段外，第1 阶段的处理和AF方式完全相同。在第2阶段，中继节点B 除第2阶段外，第1、3阶段的处理和AF方式完全相同。在第2阶段，中继节点B对接收到 的源节点信号先进行译码并估值，然后再将所得的估值信号转发给目的节点。基于此， 也称DF为再生中继方式。可见，DF方式在本质上是一种数字信号处理方式。虽然DF 也称DF为再生中继方式。可见，DF方式在本质上是一种数字信号处理方式。虽然DF 方式不会带来噪声传播问题，但受源方式不会带来噪声传播问题，但受源-中继端信道传输性能影响较大，如果编码方式不 采用CRC的话，也得不到满分集阶数。而且这种中继节点对源节点信息解调解码错误带 采用CRC的话，也得不到满分集阶数。而且这种中继节点对源节点信息解调解码错误带 来的误差会随着跳数的增加而不断累积，从而影响到分集效果和中继性能。这表明源来的误差会随着跳数的增加而不断累积，从而影响到分集效果和中继性能。这表明源中继节点信道传输特性的好坏对DF方式协同通信系统的性能有重要影响。 中继节点信道传输特性的好坏对DF方式协同通信系统的性能有重要影响。

常称上述讨论的AF与DF方式为固定协作模式：无论信道 常称上述讨论的AF与DF方式为固定协作模式：无论信道 传输特性如何，中继节点总是参与协同通信过程。但事实 上，协同带来的未必全是好处，比如在半双工模式下会降 低数据传输速率以及系统自由度的利用率。显然，这涉及 低数据传输速率以及系统自由度的利用率。显然，这涉及 到协同时机或何时协同的问题。基于此，结合AF和DF两 到协同时机或何时协同的问题。基于此，结合AF和DF两 种方式，人们提出了选择模式与增强模式，如表1 种

方式，人们提出了选择模式与增强模式，如表1所示。

选择模式将源-中继节点间的信道传输特性与某一门限值比较，只有大于该门限值时才 选择模式将源-中继节点间的信道传输特性与某一门限值比较，只有大于该门限值时才 选用协同通信方式，否则由源节点重复发送。可见，选择模式重点考虑的是源 选用协同通信方式，否则由源节点重复发送。可见，选择模式重点考虑的是源-中继节 点间的信道状况。 点间的信道状况。增强模式是利用目的节点的反馈信息来判断直传是否成功，若成功 则源节点发送新的信息，否则中继节点参与协同通信过程，这一处理相当于对中继传 输增加了冗余或者自动检测重传机制。易见，增强模式重点考虑的是源 输增加了冗余或者自动检测重传机制。易见，增强模式重点考虑的是源-目的节点的信 道状况。上述3 道状况。上述3种模式中，采用固定与选择模式时中继节点一直重复发送源节点信息， 这样势必会造成系统自由度利用率的降低。增强模式则只在必要的时候才采用协同通 这样势必会造成系统自由度利用率的降低。增强模式则只在必要的时候才采用协同通 信方式，可以较好地解决这一问题，但它却需要反馈信道。 信方式，可以较好地解决这一问题，但它却需要反馈信道。 综合可靠性与有效性两个角度考虑，增强放大转发(IAF)方式性能最优； 综合可靠性与有效性两个角度考虑，增强放大转发(IAF)方式性能最优； 仅从算法复杂度方面考虑，AF方式最为简单，也可获得满分集增益；DF性能较差，也 仅从算法复杂度方面考虑，AF方式最为简单，也可获得满分集增益；DF性能较差，也 无法获得满分集增益；选择译码转发(SDF)作为DF的改进方式虽然可以得到满分集增益， 无法获得满分集增益；选择译码转发(SDF)作为DF的改进方式虽然可以得到满分集增益， 但是复杂度高于AF。选择放大转发(SAF)和增强译码转发(IDF)两种方式均不能取得良好 但是复杂度高于AF。选择放大转发(SAF)和增强译码转发(IDF)两种方式均不能取得良好 的性能。这是因为，选择模式侧重于源的性能。这是因为，选择模式侧重于源-中继节点间的信道传输特性，增强模式则主要 着眼于源-目的节点间的信道。DF方式中，如果源着眼于源-目的节点间的信道。DF方式中，如果源-中继节点信道衰落严重的话，中继 节点解码错误较多，转发信息后会引起错误的进一步累积传播；而AF方式中，由于中 节点解码错误较多，转发信息后会引起错误的进一步累积传播；而AF方式中，由于中 继节点只是对源节点信息进行放大转发，无需进行解码，故源-中继节点与中继继

节点只是对源节点信息进行放大转发，无需进行解码，故源-中继节点与中继-目的节 点的信道是同等重要的。所以，选择模式较适用于DF方式，而增强模式较适用于AF方 点的信道是同等重要的。所以，选择模式较适用于DF方式，而增强模式较适用于AF方 式。

1.2.3 编码协作方式AF和DF方式下，中继节点总是重复发送源节点信 AF和DF方式下，中继节点总是重复发送源节点信 息，这会降低系统自由度的利用率。Hunter等将 息，这会降低系统自由度的利用率。Hunter等将 信道编码的思想引入协同通信技术中，提出了编 码协作方式，信号处理流程如图4(a)所示 码协作方式，信号处理流程如图4(a)所示

该方式通过两条不同的衰落路径发送每个用户码字的不同部分。对接收到的 协作伙伴的信息进行正确解码后再重新编码发送，这时系统性能的改善是通 过在不同空间重复发送冗余信息而获得的。这种方式下，各移动终端通过重 新编码发送了不同的冗余信息，把分集和编码结合起来，可大大提升系统性 能。而且，这种方式不需要协作终端间的信息反馈，中继节点不能正确解码 时还可自动切换到非协作模式，从而保证了系统的效率。 图4(b)给出一种编码协作实例。首先把移动终端要发送的信息比特分块进行 4(b)给出一种编码协作实例。首先把移动终端要发送的信息比特分块进行 编码，然后加上循环冗余校验码。在协同通信时再将编码后的信息分成两段， 分别含有想要传送的信息比特N1和凿空信息比特N2 (原始码字的长度为 分别含有想要传送的信息比特N1和凿空信息比特N2 (原始码字的长度为 N1+N2 bit)。显然，总共需要两个时隙(称为帧)来分别发送N1和N2两部分比 bit)。显然，总共需要两个时隙(称为帧)来分别发送N1和N2两部分比 特信息。在第一帧中，每个移动终端发送各自N1 bit的信息，同时每个移动终 特信息。在第一帧中，每个移动终端发送各自N1 bit的信息，同时每个移动终 端都试图解码对方的第一帧信息。如果正确解码——通过循环冗余校验码 端都试图解码对方的第一帧信息。如果正确解码——通过循环冗余校验码 (CRC)来检验，就在第二帧中发送其协作伙伴N2 bit的信息；如果不能正确解 (CRC)来检验，就在第二帧中发送其协作伙伴N2 bit的信息；如果不能正确解 码，则发送自己N2 bit的信息。这样每个移动终端在两个发送时隙总是传送 码，则发送自己N2 bit的信息。这样每个移动终端在两个发送时隙总是传送 N1+N2 bit的信息块。最后目的节点解码接收到的信息块。与SDF方式不同， bit的信息块。最后目的节点解码接收到的信息块。与SDF方式不同， 编码协作方式通过

编码设计实现协作与非协作方式之间的自动切换，无需直 接考虑源节点与中继节点之间信道的传输特性。

1.2.4 空时编码协作方式将空时编码思想应用到编码协作方式中即 可得到空时编码协作方式。它与一般编码 可得到空时编码协作方式。它与一般编码 协作方式最大的不同是每个移动终端可在 协作方式最大的不同是每个移动终端可在 自己和其协作伙伴的多址信道上同时发送 信息；而在一般编码协作方式中，移动终 信息；而在一般编码协作方式中，移动终 端只能在自己的多址信道发送协作信息。 很多学者先后给出了多种空时编码协作的 实现方案，但思路基本是类似的。图5对空 实现方案，但思路基本是类似的。图5 时编码协作、编码协作以及不采用协同3 时编码协作、编码协作以及不采用协同3种 方案的信号处理方式进行了简单的比较。

图5中，横轴为时间轴，纵轴为频率轴，采用FDMA多址方式。在STCC与CC方式中，将原来不协同 中，横轴为时间轴，纵轴为频率轴，采用FDMA多址方式。在STCC与CC方式中，将原来不协同 时所占用的时间分为2个时隙，分别对应为阶段1和阶段2。由图5可见，在阶段1 时所占用的时间分为2个时隙，分别对应为阶段1和阶段2。由图5可见，在阶段1两者的工作方式完 全相同，两者的区别主要在阶段2。为了便于描述，不妨仅以用户2为例来说明STCC的工作过程。 全相同，两者的区别主要在阶段2。为了便于描述，不妨仅以用户2为例来说明STCC的工作过程。 STCC方式下，在阶段1,用户1和用户2分别使用信道1和信道2 STCC方式下，在阶段1,用户1和用户2分别使用信道1和信道2广播发送源节点信息给协作伙伴和目 的节点。在阶段2,若用户2对用户1所传信息解码正确，则他将在信道1和信道2 的节点。在阶段2,若用户2对用户1所传信息解码正确，则他将在信道1和信道2上分别发送已译码 的协作伙伴(用户1)的信息和自己的信息至目的节点；否则，他将占用所有两个信道发送自己的数据， 的协作伙伴(用户1)的信息和自己的信息至目的节点；否则，他将占用所有两个信道发送自己的数据， 如图5示。换句话说，在阶段2 如图5示。换句话说，在阶段2,若对协作伙伴的信息解码成功的话，编码协作方式下，各用户均只 在自己的信道上发送同伴的信息；而空时编码协作方式下，各用户则是同时发送双方的信息。研究 在自己的信道上发送同伴的信息；而空时编码协作方式下，各用户则是同时发送双方的信息。研究 表明，空时编码协作方式在快衰落环境下也可以获得满分集增益，并且不会牺牲信道质量相对较好 的移动终端的性能。

1.2.5 网

络编码协作方式将网络编码思想应用到编码协作方式中即得到网络编码协 作方式。 网络编码指的是，网络节点将接收到的信息进行编码后再 转发出去的多点传送技术。其核心思想是网络的中间节点 不再是简单的存储转发，而是将接收信息进行编码后再发 送，从而可提高整个网络的容量和健壮性。网络编码概念 的提出以及现在大部分相关的工作都是基于有线网络的， 但无线信道的广播特性为网络编码的应用提供了有利条件， 且无线网络节点间的信息交互也完全可以运用网络编码理 论来实现。因此，网络编码和协同通信技术相结合可有效 提高无线通信系统的性能

当前网络编码协作方式的研究主要集中在中继节点所采用 的网络编码形式及其基本通信方式领域。根据中继节点上 采用的网络编码形式可分为线性网络编码和非线性网络编 码两大类。根据中继节点所采用的基本通信方式主要有固 定中继方式、机会中继方式、互为中继方式以及双向中继 方式等几种方式，其信号处理流程如图6 方式等几种方式，其信号处理流程如图6所示。