协作通信综述

协作通信技术研究与展望
摘要：多输入多输出(MIMO)技术能够有效抵抗无线通信中多径衰落带来的影响，但是由于受设备尺寸、造价和硬件性能等条件限制，难以应用在实际的无线通信终端中。

协作通信技术通过利用单天线移动终端之间的相互协作，共享彼此的天线，形成一个虚拟MIMO系统，从而获得空间分集。

本文主要从协作通信技术的研究缘由、系统模型、协作策略、中继算法以及实现平台五个方面对近来的研究成果加以总结，并指出了未来的发展方向。

未来的无线通信系统需要提供更多高速率的多媒体业务和数据业务，协作通信的目的就是充分利用网络中的节点资源来帮助有通信需求的节点进行高速、可靠的无线通信。

1协作通信技术的研究缘由
协作通信技术得以发展主要有两方面的因素：网络中空闲资源的存在和协作通信所能提供的增益。

1.1网络中空闲资源的存在
以移动通信系统为例来说明无线网络中空余资源的存在。

某一时间段内移动通信系统中可能仅有部分移动终端有通信需求，因而网络中较多的移动终端处于空闲状态。

但是传统的移动通信系统将所有移动终端看成是互不通信的个体，从而使这部分空闲硬件资源被浪费掉；另一方面，移动通信系统中的移动终端往往具有差异性，如具有不同的计算处理能力以及不同的通信能力等。

若将这些移动终端看成是一个可以相互或部分相互通信的整体，则差异性的存在可使不同的移动终端在网络中承担不同的角色，从而有利于整个通信系统性能的提高。

因此，如何利用空闲资源来帮助有通信需求的移动终端进行有效通信便成为一个值得深入研究的课题。

1.2协作通信增益
无线通信中，由于受带宽、传输功率的限制，加上无线信道的多径衰落，很难达到理想的传输速率和通信质量。

为了解决无线信道容量的瓶颈问题，人们提出了MIMO技术。

该技术通过在发射端和接收端放置多根天线，形成多个独立的发/收信道，从而达到利用空间分集来提高无线信道传输能力的目的，但是由于受设备尺寸、造价和硬件性能等条件限制，无线终端不一定支持多天线安装。

而协作通信技术能够利用无线信道的广播特性，允许单天线终端设备在多用户环境中通过一定规则共享其他用户的天线，形成虚拟天线阵列，使得同一信息能够通过不同的独立无线信道到达接收端。

研究表明[1]，协作通信可以提供全部的空间分集增益效果，即n 个参与协作通信的节点所提供的空间分集增益等同于信源节点具有n 个独立的发射天线所提供的空间分集增益。

2协作通信系统模型
根据无线通信网络中是否存在空闲节点资源，可相应采用两种不同的协作通信模型，如图1所示。

当系统中存在空闲节点资源时，空闲节点可相互充当转发节点。

当系统中不存在空闲节点资源时，一方面该系统中的信源节点会牺牲部分资源(包括带宽、发射功率等)用于节点间相互转发信息，因而造成有效通信数据流量的下降；另一方面协作通信系统产生的协作通信增益会使系统中的有效通信数据流量增加，当由协作通信产生的正面效应大于负面效应时，系统便会相应获得性能增益。

图1(a)有空闲节点时的协作通信系统模型
图1(b)无空闲节点时的协作通信系统模型
3协作通信的策略
根据现有的研究[1-2]，通常可以将协作通信策略按照信号处理的方式分为固定中继(Fixed-Relaying)、选择中继(Selection-Relaying)、增强中
继
(Incremental-Relaying)和编码协作(Coded Cooperation)。

其中固定中继协作策略包括放大转发(Amplify-and-Forward, AF)和解码转发(Decode-and-Forward, DF)两种。

3.1固定中继协作策略
在AF策略中，转发节点接收信源所发射的带有噪声的信号，并将其进行功率放大，然后再转发至接收端。

接收端将信源和转发信号以一定的准则合并，并进行判决。

文献[1]中的分析表明了当信噪比较高时，采用该策略可以获得二阶分集增益。

该方案的优点在于：结构简单，进行转发时不需要对信息进行复杂处理，从而具有速度快、复杂度低的特点。

但是其缺点在于：用户间信道中的噪声也被放大转发，当协作用户之间链路较差时，放大的噪声将直接影响最终的判决。

为了避免由放大的噪声导致错误传播，研究者提出了DF策略。

在这种策略中转发节点将从信源节点接收到的信息进行解码，然后将解码后的信息发送至接收端。

由于这种方式在转发过程中消除了噪声的干扰，有利于接收端的最终判决，提高了系统传输的可靠性。

但是在用户间信道条件较差的情况下，也可能出现信息的误判，从而对系统的性能造成影响，不能得到完全分集。

3.2选择中继协作策略
文献[1]进一步提出了选择中继策略和增强中继策略，两者均是DF的改进方案。

选择中继是根据信道条件采取自适应转发方式，当中继信道的增益低于一定门限时，取消中继节点的传输，由信源节点直接传输信号，此时系统等同于非协作通信系统。

该方案避免了用户间信道较差时引起的错误传播，但是协作节点也需要精确估计用户间信道信息，增加了信号处理的复杂度。

3.3增强中继协作策略
在固定中继和选择中继两种协作通信策略中，由于转发节点重发信源节点所发送的信息而导致系统的带宽资源被浪费。

增强中继策略在接收端对源信号解码，并反馈1比特的解码判决信息到信源，由信源根据反馈信息决定是否继续进行协作，从而节省了系统的功率开销，提高了系统的频谱利用率。

该方案同样具有一定的复杂性。

3.4编码协作策略
上述协作通信策略一方面都是基于重复转发的，从信道编码的角度看，并不能最好地利用可用带宽；另一方面为了在接收端得到最佳的最大似然检测，需要
知道用户间信道的误比特率和信噪比。

为了解决这些局限性，有研究者提出了编码协作的概念[2]。

其基本思想是利用不同的信道传送编码冗余信息，相当于将空间分集与编码分集结合起来，不但获得了空间分集增益还可获得编码增益，从而进一步提高了系统传输的可靠性。

编码协作的优点在于能够直接利用现有的信道编码技术，无需用户之间的反馈。

但由于需要进行信道译码，这就增加了协作用户的编译码复杂度，以及相应的功率开销。

4协作通信中的中继节点选择
在协作通信系统中一个至关重要的问题就是如何选择合适的中继节点，它甚至决定了协作系统是否可以带来增益。

在这方面已有研究人员做出了贡献，但是每种系统和算法都用来解决不同的问题并有不同的应用。

4.1中继节点选择算法的分类
(1)算法执行方式
算法的执行方式主要分为中心式和分布式。

中心式算法是指将所需要的信息传送到某一中心节点(例如：基站、AP等)，中心节点利用这些信息执行协作节点选择算法并将结果反馈给源节点和相应的协作节点。

中心式算法的优点在于从全局角度统筹规划，使得系统工作在全局最优状态，然而由于需要搜集相关的信息以及计算全局最优，因此会引入较大的通信开销和计算开销。

分布式计算则是依赖节点间的信息交换和协调，由节点自行判断是否协作和与谁协作。

分布式算法往往获得是局部最优解，但是分布式算法分散了通信开销和计算复杂度，而且分布式算法更加适用于无固定支持的网络(如Ad Hoc网络)。

(2)中继节点个数
中继节点个数的确定是中继节点选择算法的热点问题，使用单个节点还是使用多个节点仍然是一个开放性问题。

使用单个中继节点进行协作使得接收端的硬件简单易于实现，并且没有损失分集阶数，单个中继节点选择需要知道各个信道的信道信息，并按照某种规则进行排序，从中选出最优的节点。

然而单个节点的处理能力和支持的功率是有限的，当信道处于深度衰落的情况下，单个中继节点无法完成源节点的服务质量(QoS)需求，而且使用多个中继节点也可以增加系统的复用增益，因此根据信道和中继节点的状态调整节点选择的个数的选择算法更加合理。

(3)协作的策略
协作策略是协作通信系统中的重要参数，不同的协作策略也对中继节点的选择算法产生和很大影响，例如直接影响了中继节点选择算法的备选集合。

因此对于不同的协作策略要采用不同的中继节点选择算法。

另外我们可把协作策略选择和中继节点选择相结合，在同一个系统中自适应的使用不同的协作策略和中继节点选择算法。

(4)中继节点选择和其他协作资源的联合分配
对于协作系统，中继节点仅仅是系统资源的一部分，因此目前的研究工作大都在将中继节点选择和其他资源分配联合考虑，例如功率，带宽等。

通过跨层联合设计这些系统资源可以使系统的性能得到较大的改善。

然而由于引入了更多的变量和优化目标，从而给系统设计带来了巨大挑战，在多数情况下使得系统最优问题成为非多项式(NP)难问题。

如何找到适当的联合优化参数以及设计可执行的渐进最优算法也是中继节点选择及其相关的资源分配算法应考虑的重点。

(5)应用场景
当前的无线通信系统大都可以分为有固定设施支撑和无固定设施支撑两种，在有固定设施支撑的网络中(如：蜂窝网)，其通信形式基本呈现为多对一或多对一的通信，即多个用户到基站、基站到多个用户，此外网络中的中心节点对网络起到支配和管理作用，从而有利于资源的合理分配和中心式算法的执行。

而在无固定设施支撑的网络(如：Ad Hoc网络)中存在多对源和目的节点对，并且没有中心节点来进行管理，通信节点对之间呈现竞争关系，因此控制通信节点对之间的相互干扰是影响系统性能的重要因素也是设计的难点。

(6)中继节点属性
在不同的网络中中继节点的属性也不尽相同。

中继节点可以是固定的也可以是移动的，可以是有源的也可以是无源的，有些装配单根天线而有些则装配多根天线，节点的属性不同直接影响了协同节点选择的策略。

在蜂窝网中，无论固定的还是移动的中继节点大多是有能量支持的，并且中继节点上大多可能配备多根天线，拥有相对较强处理和传输能力，因此可以将较多的工作转移到中继节点上进行，从而降低移动终端的复杂度和能量消耗，同时为移动终端提供较好的QoS 保障。

在自组织网络中，网络中所有节点属性基本相同，且大都使用电池供电，
处理和传输能力也相对有限，因此在中继节点选择算法设计时应充分考虑节点的能量问题，在保证服务的条件下尽量延长网络的生存时间。

4.3 典型算法的介绍
(1)基于协作增益的单节点选择策略
中继节点选择算法的目的就是提高协作通信所带来的增益，文献[3]研究了编码协作中的中继节点选择策略，以端到端的误帧率作为标准定义了用户协作增益G：，式中Pno-coop为非协作传输时的误帧率，Pcoop为协作传输时的误帧率，因此当G >1时才使用协作，从而得到了能够带来增益的协作区域，并给出了中继节点选择的标准，即选择能够带来最大协作增益的中继节点参与协作。

该算法需要节点地理位置信息的支持，需要额外的硬件设备(如GPS)或运行相应的定位算法。

(2)基于瞬时信道状态的分布式选择策略
无线信道的时变特性，使中继节点选择算法应具有一定的自适应特性，文献[4]中提出了一种分布式的中继节点选择算法，该算法和传统的802.11协议相结合，利用RTS和CTS分别估计源节点到中继节点和目的节点到中继节点之间的信道状态：和，中继节点收到该信道信息后进行判断，判断的准则为。

随后开启一个退避定时器，退避时间T 和信道条件成反比，这样一来信道条件好的中继节点就会优先介入信道，发送一个FLAG帧通知源节点、目的节点和其他中继节点，这样以来就完成了一次中继选择。

该算法是根据瞬时信道条件来选择中继节点，随着信道衰落情况的变化来选择不同的中继节点，但该算法在节点选择过程中可能发生碰撞，从而导致无法正确的选择到中继节点。

(3)基于分群的中继节点选择策略
文献[5]研究了存在多对源和目的节点情况下的中继节点选择问题。

为了能够达到全网范围的分集增益，节点选择协议应为每一个发送节点提供足够的协作节点，使这些节点形成为若干个群。

每个群内的中继节点能够以很高的概率正确解码发送节点的信息。

该文中针对分布式场景下提出了一种简单的静态中继节点选择策略，该策略可以保证网络中的所有发送节点都能够获得n +1的分集增益，n为协作节点个
数，即每个节点都维护一个优先协作表，该节点优先支持表中的前n 个节点。

优先协作表设计和实现方法很多，其中一个简单实现方式为：[i +1,i +2,…,M,1,2,…,i -1]，i为本节点编号。

(4)基于能量考虑的中继节点选择策略
当前应用的无线网络如蜂窝网，WLAN，无线传感器网络等，终端设备大都使用电池供电，使得网络可利用的资源受到限制，因此如何高效的利用网络资源、延长网络的生存时间是无线网络设计的一个重要问题。

随着协作通信技术的出现，它使得协作节点间的资源(信道，能量)得到共享，从而为节约节点能量、延长网络的生存期提供了有效途径。

最近在利用协作通信技术来延长网络生存期方面已有部分研究者做出了贡献，文献[6]中在图2的模型下，联合考虑协作节点的信道状态信息CSI和剩余能量信息REI，选择出一个最优的中继节点并利用它完成协作传输，从而延长了AF协作网络的生存时间，文献[7]中作者在相同的模型下又通过离散化功率的调整范围，使得算法更加实际，同时利用马氏链估计了网络的生存期。

图2 系统模型
类似，文献[8]在DF协作网络中，通过启发式的中继节点选择和功率分配方法以及中继节点位置的布设来降低节点的功率消耗、延长网络生存期。

文献[9]通过协作波束成形的方法来提高的传输距离，从而避免节点能量少的节点的中继来达到延长网络生存期的目的。

(5)基于跨层联合优化的中继节点选择策略
对于协作通信系统，中继节点仅仅是系统资源的一部分，因此将中继节点选
择和其他系统资源分配联合考虑可以极大的改善系统性能。

文献[10]研究了拥有一个基站和多个移动台的蜂窝网络，网络的接入方式采用OFDMA技术，文中通过建立一个中心式的优化模型，联合考虑了多个层次的优化参数，最终不仅仅得到了最优的功率和带宽分配，并且得到了最优的中继节点选择方法和协作策略选择方法。

另外，文献[11]通过拉格朗日对偶分解得到了分布式的优化方法，并且考虑了流量控制对系统的影响。

(6)基于多中继节点的选择策略
在无线网络中，单个节点的处理和传输能力有限，通过多个节点的协作不仅仅可以得到空间分集增益还可以获得空间复用增益，同时还可以均衡业务负载。

文献[12]中假设目的节点拥有多个天线，利用协作节点来传输不同的信息从而得到空间上的复用，而通过中继节点选择同时获得了分集增益。

本文通过贪婪搜索的方法来选择最优的协作节点。

通过分析可以看出利用多节点进行协作可以获得更好的分集和复用折中。

文献[13]中提出了两种中继节点选择方法，在固定选择策略中，源节点从K 个协同节点中固定选择出M个中继节点，这M个中继节点同时发送从源节点收到的信息。

另外，文中还提出一种基于门限值的动态中继选择方法，该方法在保证中断概率的前提下，最小化参与协作的节点的个数，从而减小由协作带来的干扰。

文献[16]给出中在存在多个中继节点的情况下，将功率控制和节点选择相结合，该协议的目的是通过分配源节点和中继节点集合的功率来在最小化中断概率，并且降低计算的复杂度。

该协议分为两个阶段：在权衡了S-R和R-D的信道条件下选择源节点的功率；通过搜索的办法选择能够最小化中断概率的中继节点集合，该集合中的中继节点间的功率平均分配。

仿真和分析结果表明该算法能够达到较小的中断概率。

根据以上论述可知，每种系统和算法都有各自的特点和适用范围，没有哪一种是绝对最优的，但从整体上看动态分配系统资源的跨层设计思想更加充分发挥了协作通信系统的特点，相对于传统的系统有很大的性能增益。

但是由于动态资源分配往往引入更多的变量，使得系统优化变得困难，也对实现带来了巨大挑战。

我们应该通过适当的选择优化参数，在有效控制复杂度的情况下，优化协作通信系统。

5协作通信的实现
尽管目前许多研究工作都考察了协作通信的性能，但是大部分都是基于理论分析或者仿真。

理论分析及仿真研究通常只能作为实际操作或具体实现的指导，因为它们往往对实际坏境进行了简化或者理想假设，不能真正反应无线环境中例如缺少频率和时间同步、不理想的信道估计、量化误差等因素对于信号传播的影响。

通过构建协作通信测试平台并在其上进行一系列实验，我们不仅可以在实际网络拓扑结构及无线传播环境中验证理论分析的正确性，还可以对通信性能的提高水平进行定量分析。

5.1实验分类
根据不同的试验台结构，可以将现有的实验研究分为两类[15]：
(1)Legacy-based：优点是利用现存的平台来实现协作通信，能够较快被采用并且便于与已有结构进行比较。

缺点是为了达到完全协作所必须的修改往往不能实现。

文献[16]介绍了一种开源驱动协作试验台，该结构就是典型的legacy-based，使用了现有的商业WiFi驱动卡(主要包括MadWiFi，HostAP，Intel PRO三种)来实现已在理论上提出的CoopMAC机制。

该试验台利用基于802.11协议标准的开源驱动软件实现方法在链路层实现了多跳传输。

网络中的节点各自维护一个与相邻节点的传输速率表，当某一节点判定信号通过中继能够更快到达接收端，它将通过这个两跳路径来传送自己的数据包。

该试验台的工作频段为2.4GHz，有10到20个节点参与协作，并且针对不同的网络配置(如拓扑结构和网络规模)分别测量了吞吐率、延迟、抖动等性能指标。

实验结果表明与传统的802.11传输协议相比，CoopMAC机制显著提高了通信性能，尤其在吞吐率方面甚至获得了三倍的提高。

为了进一步考察CoopMAC的性能，除了上述的文件传输模式，研究者还在由信源—中继—接收端三个节点组成的试验台上进行了视频传输测试，通过与直接传输测试的比较同样说明了协作通信的性能优势。

开源驱动协作试验台的优点是能够与当前的WiFi产品很好的兼容，容易实现大规模的网络部署，在其上测试出的协作协议的性能便于与现有的802.11协议进行比较。

缺点是所有的物理层及与时间相关的功能都固化在专有的固件中无法进行修改，因此不能实现物理层的协作，MAC层功能也只能实现不受时间影
响的部分不能达到完全MAC协作水平，更不能实现PHY-MAC跨层协作。

(2)Clean-slate：能够实现完全协作，但是需要重新设计和配置测试平台，因而需要投入更多的时间和资金。

一种基于软件定义无线电(SDR)技术的协作试验台属于clean-slate结构。

该平台能够灵活的实现PHY协作以及PHY-MAC跨层协作，并且能够独立于某些特定的环境或者标准，建立新的协作背景。

由于在硬件方面缺乏与802.11的兼容性，因此很难将测试结果与目前商业方案的性能进行直接比较。

当今的两种SDR平台为WARP[17]和GNU/USRP[18]。

WARP系统采用FPGA 技术处理符号和比特数据，这种方法要求将调制、解调、通信等各种算法直接编写入FPGA板。

WARP平台的优点是能够获得较高的数据率，对接收的数据包迅速采取自动增益控制(AGC)。

GNU是一种开源软件工具箱，往往独立于硬件设备，易于编程。

但是由于其通过USB端口向PC传输时的低数据率，GNU不支持802.11。

文献[16]介绍了利用WARP实现CoopMAC的方法。

实验采用了由三个节点构成的线性拓扑结构，并且三条链路的传输速率被人为设定成与实际信道质量无关的固定值。

实验中分别测量了标准WiFi(直接传输)、CoopMAC和legacy-based CoopMAC三者的吞吐率、平均延迟以及丢包率，通过对测量结果的比较说明了基于WARP的协作通信实现方法比开源驱动平台更大程度的提升了系统的性能。

另外，文献[16]还介绍了WARP平台上PHY协作的实现方法如协作编码。

对于利用SDR平台实现协作通信的研究成果还包括文献[19]提出的基于GNU的具有完整功能的协作通信试验台框架，从物理层和MAC层的角度评估了协作策略的实际性能。

更具体地说该文献在GNU/USRP平台上考察了基于信号合并的单中继协作策略和基于同步的多中继协作策略的性能。

实验中每个节点都由USRP2硬件设备以及运行GNU软件的HostPC组成。

为了确保在多中继协作过程中严格的时间同步，研究者还在USRP2板上连接了GPS。

除此之外，还有许多相关的工作已经在试验方面取得了研究成果，如表1所示。

表1 协作通信试验项目总结。