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1、2010 0445未来无线系统中的协作通信吴爱军1李 屹21 北京铁路局 北京 1000362 北京邮电大学 北京 100876摘 要 协作通信作为一种新型的通信模式越来越受到人们的关注，它通过不同网络元素之间的相互合作来达到网络资源的共享，进而提高传输可靠性和系统吞吐量，有效改善用户的服务质量。关键词 无线系统；协作通信；负载均衡；无线定位；协作分集；协作MAC；协作路由引言互联网与移动通信网的结合，成为无线通信科技发展的新动力。随着手机上网用户数的迅速增长，移动运营商也在不断开发新的数据业务，如在线多媒体、移动即时通信和信息推送等。已有的GPRS、EDGE、HSPA等技术基本上可以实现数据
2、业务从窄带向准宽带发展，支持无线终端高速上网。然而，随着大屏幕多功能无线终端的逐渐普及，人们对高清视频点播、高清视频监控、实时RGB在线游戏、移动电视等业务需求越来越强烈，这要求网络支持更高分辨率的图像、更清晰的视频源和更强的实时互动。显然，原有的技术无法支撑这些应用。引入无线系统的长期演进(LTE)技术不仅在带宽方面可以满足高清视频业务，还能容纳更多的宽带用户，真正实现无线宽带化。如何在有限的无线频带资源下，进一步提升数据速率，并降低时延，满足各种业务的服务质量、改善网络覆盖是LTE要解决的核心问题。但是，LTE系统的链路流量已接近香农极限，在LTE系统的后续演进中，对于更高的频谱效率要求，
3、链路级技术改进所能做的工作已经有限，为达到提升链路级性能(SINR)的目的，必须转而寻求系统级的解决手段。协作通信技术就是在这种背景下被引入到LTE系统中的。近年来，协作通信一直是移动通信技术的研究热点之一。从物理层面的协作，到接入层面的协作，进而到网络和应用层面的协作都有很多的研究成果涌现。协作通信的前期研究主要在物理层，应用场景主要针对蜂窝网络。后来，协作通信也被用于协议栈的上层，出现了如协作MAC、协作路由之类的新方法。同时，协作通信技术还被用于WLAN、WSN、Ad hoc网络、Mesh网络等多种场合，其用途也从抗衰落推广到负载均衡和无线定位等方面。LTE和LTE-A作为新一代无线通信
4、网络的主流，也在不断引入协作通信相关的最新技术1-3。本文将探讨协作通信在LTE系统中的多种应用。1 基站之间的协作传统的蜂窝网络中，当某小区业务量太大时，基站可能不堪重负而造成拥塞。未来的蜂窝网络可通过不同基站之间的协作，实现流量转移和负载均衡，达到充分利用系统资源的目的。以下介绍两种典型的解决方案。第一是斯坦福大学提出的移动节点辅助的数据转发(MADF)网络模型4。该模型在小区内设置一些具有转发能力的专用节点转发代理，并预留部分信道资源用于数据的中继转发。转发代理通过测量平均分组时延和小区内每秒传输的分组数量来判断小区的传输负载。当负载超过一定门限时，代理节点通过转发信道，广播一个信令信息
5、以表示可以为其他用户进行数据转发，以此来接入邻接小区。表1比较了一个7小区蜂窝系统中，节点辅助数据转发(MADF)、动态信道分配(DCA)和宏蜂窝/微蜂窝(Macro-Micro)三种机制下的吞吐量仿真Systems & Solutions信息通信技术46数据4。显而易见，无论是有时延约束(3ms)还是无时延约束，对于热点小区来说，采用MADF机制的吞吐量都是最大的，这是因为流量转移能够有效地缓解拥塞。第二是纽约州立大学提出的支持中继的蜂窝和自组织集成系统(iCAR)5，如图1所示。该系统的基本思想是在网络中设置一定数量的Ad Hoc中继站(ARS)。当某小区出现业务拥塞时，利用这些ARS可以
6、向没有发生拥塞的邻近小区转移业务，有效控制或避免呼叫拥塞、掉话等。基站之间的协作，即充分利用空闲的基站资源为重负载的基站分担部分业务，以便显著降低呼叫阻塞率，提高系统吞吐量。2 基站与终端的协作传统蜂窝网中，一般利用若干个基站对终端的位置进行估计。但若终端与某一个基站的距离相比其它基站要近得多，则距离较远的基站收到终端信号的信噪比相对偏低，定位的准确性就会大打折扣。系统使用的干扰抑制技术，如功率控制等，又会使这种定位的准确性进一步降低。对这种情况，采用联合估计法，即将波达时间(TOA)或波达时间差(TDOA)估计法和波达角度(AOA)估计法结合起来，可以减少参与定位的基站数量。TOA/AOA联
7、合配置技术HTAP6是一种最简单的联合估计法，通过判断终端与基站的距离和所在的方向，估计终端的大致位置。该定位技术只需要一个基站终端所在小区的基站，但只有当终端距离基站很近时才可行，因为终端距离基站越远，角度误差带来的影响就越大。文献7提出一种TDOA/AOA联合估计法，该估计法的准确性较高，但是需要至少四个基站参与定位。当然，还有很多其它的办法将不同类型的定位数据融合，以便对终端的位置做出准确的估计。LTE系统中的移动终端能以自组织方式形成无线局域网，因此可将蜂窝系统和短距离无线通信系统的定位技术结合起来，实现协作定位。基于这个思想，文献8提出一种4G网络中的协作定位机制。该机制规定，蜂窝小
8、区内的终端可形成若干个“簇”，“簇”的结构与无线传感器网络(WSN)中“簇”的类似，每个“簇”都有一个“簇头”，“簇头”一般位于“簇”的中心。基站仍然使用TOA/AOA联合估计法，判断终端与基站的距离和所在方向；终端使用TOA技术判断终端与“簇”内其它终端之间的距离，终端在“簇”内的定位信息一律交给“簇头”，由“簇头”再反馈给基站。基站与终端协作定位的准确性大大高于传统的蜂窝网定位技术，甚至可与GPS相比，但成本比GPS低的多。表2给出了非协作定位机制(HLOP/HTA)和“基站终端”协作定位机制(CHLOP/CHTA)平均差错率的期望/方差的数值仿真8, 其中蜂窝小区的半径为1000m，共3
9、个小区，参与协作的终端数为n。不难发现，随着参与协作的终端数增加，协作定位差错性能的优势越明显。当n=8时，平均定位差错率下降56%57%。3 终端之间的协作无线信道具有的多径衰落特性是阻碍信道容量增加和服务质量改善的主要原因之一。多输入多输出(MIMO) 技术通过在接收端和发射端同时安置多根天线，形成MIMO信道结构，既可有效对抗衰落，又能充分利用空域资源，大幅度提高信道容量。目前多天线都设置在基站侧，而移动终端则很难安置多天线。一则移表1 三种机制的吞吐量比较(有时延约束/无时延约束)不同的算法机制热点小区的吞吐量MADF0.57/1.26DCA0.30/0.36Macro - Micro
10、0.19/0.22表2 非协作与协作机制的平均定位差错率(%)(, )HLOPHTACHLOPCHTAn=1(35.94,19.49)(34.03,19.12)(35.94,19.49)(34.03,19.12)n=3(35.94,19.49)(34.03,19.12)(27.38,12.99)(25.69,11.98)n=5(35.94,19.49)(34.03,19.12)(20.51,9.77)(20.36,9.98)n=8(35.94,19.49)(34.03,19.12)(15.50,7.35)(15.07,6.91)图1 iCAR系统模型系统与方案2010 0447动终端对体积、质
11、量和功耗的要求远比基站苛刻得多，二则理想的MIMO系统要求相邻天线之间的间距要远大于电波波长，以保证多个收发天线之间的传输信道是独立的(或至少是不相关的)，而移动终端由于体积限制，很难做到这一点。为了打破这种僵局，Sendonaris等人提出了一种新的空域分集技术协作分集9-11，使单天线的移动终端也可以实现空域分集。它的基本思想是系统中的每个移动终端都有一个或多个合作伙伴(Partner)，合作伙伴之间有责任在传输自己信息的同时，帮助其伙伴传输信息，如图2所示。每个终端在传输信息的过程中既利用了自己又利用了合作伙伴的空间信道，从而获取了一定的空间分集增益。现有的研究结果表明：在平衰落环境下，
12、协作分集可以扩大系统容量，提高网络服务质量。LTE系统中的移动终端与基站通信时，无论单跳还是多跳接入，均可优先选择固定中继站作为合作伙伴，如图3所示。这样其一可以减少网内其它移动终端的功耗，其二可以简化伙伴选择算法，其三中继站本身不存在能量受限的问题，并且其处理能力、存储能力等都远大于移动终端。不过，这种情况不是绝对的，若终端与中继站相距甚远，选择附近合适的移动终端作伙伴也并非不可。物理层协作分集技术启发了研究者将节点间协作的概念引入上层。MAC层协作的实现主要是利用了无线信道的广播特性，文献12-13从不同的切入点探讨了协作通信在MAC层的应用。图4给出了协作MAC中的控制帧交换。协作MAC
13、在原RTS/CTS模式的基础上，增加了伙伴广播的HTS控制帧，HTS的帧格式与CTS相同。源站Ss发送RTS预约信道，目的站Sd和一跳内其它站均能收到并评估自身与源站之间的信道条件。然后，Sd返回CTS，其中捎带Ss-Sd信道状况等级(用2-3个比特表示)，同理Ss和一跳内其它站也均能收到并评估自身与目的站之间的信道条件。既能收到RTS，又能收到CTS的就是潜在的伙伴站。自身条件足够好的伙伴站将发HTS预约信道。若源站认为Ss-Sd信道条件不好，即存在伙伴使得Ss-Sh及Sh-Sd的信道条件均优于Ss-Sd，便利用信道状况足够好的伙伴站代替自己将数据发给目的站。协作MAC中的数据帧的交换如图5
14、所示。不过，合适的伙伴未必存在。如果没有，仍由源节点自身发送。研究表明，协作MAC协议有利于提高系统吞吐量，降低平均时延。LTE系统中，移动终端之间能以P2P方式通信，因而物理层的空间分集可以和网络层的路由选择联合考虑。于是，旨在节能的协作路由问题进入了研究人员的视野14-15。源节点发出的分组被其伙伴收到以后，伙伴可以选择次优路由同最佳路由一起发送给目的节点，形成空间分集。例如，S是源节点，D是目的节点，最优的多跳路径是S123D，协作路由的执行分以下四步：第一，S向1发消息；第二，S和1协作向2发消息；第三，S、1和2协作向3发消息；第四，S、1、2和图2 协作分集示意图图3 基于中继站的
15、协作分集Systems & Solutions信息通信技术483协作向D发消息，四步中所发的消息完全一样。参与协作的节点越多，成功发送一个分组所需功耗就越少。不过，随着网络规模增大，协作路由算法复杂度和发生通信冲突的概率都显著上升，其实用性仍有待商榷。4 结束语本文介绍了LTE系统中协作通信的三种应用，以及不同场景中负载均衡、无线定位、协作分集、协作MAC和协作路由几类关键技术。显而易见，物理层链路性能的进一步提升和无线资源的严重短缺都将成为未来无线系统发展的瓶颈。通过不同网络元素间的广泛协作提高空口的频谱效率和系统整体性能必将成为下一阶段移动通信系统增强的主要途径之一。目前，协作通信的研究仍
16、然是一个开放性的问题，标准制定也正在讨论之中。协作通信技术的发展对无线网络特别是LTE各方面究竟有什么影响？我们应该怎样面对新一代无线通信技术带来的挑战和机遇？这些问题还有待学术界和工业界同行们的进一步探讨。参考文献1234567893GPP R1-082975.Application scenarios for LTE-Advanced relay.20083GPP R1-082397.Discussion on the various types of relay.20083GPP TR36.913.Requirements for further advancements for E-UTRA(LTE-Advanced) (Release 8).2008Wu X,Chan S H G,Mukherjee B.MADF:A Novel Approach to Add an Ad hoc Overlay on a
