作 者:赵睿 俞菲 杨绿溪
1.2切换技术
由于中继节点,尤其是移动中继节点的加入,传统的传输协议也需要发生变化。基站除了要管理用户在小区间的切换,还要对中继站进行管理。原先的切换主体,由单一的用户扩展为用户与移动中继两种。
在中继辅助通信中,切换的场景可以分为两种:小区间的切换与小区内的切换。小区间的切换指用户端或移动中继从一个小区转入另一个小区;小区内的切换是指用户端在一个小区内的两个中继站间切换,或者在同一小区的中继站与基站间切换。
1.3传输能力
在蜂窝网中加入中继的新型无线网络,可以通过基站和中继同时向用户传输数据,因此可以通过复用或空间分集获得容量增益。虽然基站通过中继向用户传输数据是一个两跳的通信链路,即中继需要占用一定的频带资源,但是,由于不同的用户可以选择不同的中继站进行数据的传输,因此可以极大地弥补由于两跳通信所造成的容量损失。当建筑物和其他障碍物阻碍了基站到用户的传输路径并造成大尺度阴影衰落时,这个容量损失甚至还可能变成一个增益。
对于中继辅助通信网络的信息论研究表明,在不同的中继工作模式和信息反馈模式下,中继数目的改变对系统容量的影响也是不同的。在基站和移动终端都配备了M 根天线的通信系统中,如果中继和移动终端都已知信道信息,那么系统的容量不但和M 呈线性增长的关系,而且还与中继的个数呈对数增长的关系。
2 中继辅助通信系统研究进展
对于中继辅助通信网络最早源于三终端的中继信道模型,随后又陆续出现了多中继并行传输的模型以及多跳的模型等。由于用户所处位置的差异,其与基站间的通信可以通过一个中继站的协作完成,也可以通过多个中继站的联合协作完成。
下面从网络结构的角度分别考虑三种典型的中继辅助通信系统的传输模型,并介绍运用于其中的典型技术。
2.1三终端传输模型
三终端传输模型最早由Van der Meulen提出,Cover和El Gamal对其做了详细的理论推导和性能分析。近年来,陆续有学者对不同信道衰落环境下的三终端通信系统做了一些具体的分析。
在三终端传输模式下,除了具体的信道衰落特性会影响系统的性能,中继端具体工作模式的选择也至关重要。按照信号处理的方式,中继的工作模式可以大致分为放大(AF)模式、解码(DF)模式、选择(SR)模式以及编码协作(CC)模式等。
按照接收/发送信号的关系,也可以把它们分为两种基本模式:模拟模式和数字模式。在中继的模拟模式中,信号不需要经过数字化的处理就被中继发送出去,因此又被称为“非再生中继”,AF模式就属于这种中继。相对地,在中继的数字模式下,中继需对信号进行解码、编码后再发送出去,因此又被称为“再生中继”,DF和CC就属于这一类。
在各种模式之间选择时,可以根据中继所处位置的不同来选择不同的中继模式以提高通信质量。如果中继距离用户较近,可采用AF模式,然后利用基站或者中继站处理能力强的特点来进行正确检测和解码;如果中继距离基站较近,为了对抗衰落,可采用DF模式来提高分集度。
2.2两跳多中继并行传输模型
基站通过多个并行中继与多个用户进行通信。这里的中继可以由普通的用户来承担,也可以是专门用于转发数据的中继站。用户型的中继与中继站相比最大的差别在于,用户型的中继在协作传输其他用户信息的同时,本身也有通信的需求;而中继站只需要转发用户的数据,本身并不需要发送数据,其只需要收发少量的控制信令,用于信道同步和传递信道信息等。
基于中继站的两跳多中继并行传输网络可以利用多中继站间的空间分集,同时为多个用户提供多数据链路。这样的网络也可以看成是一个分布式的多天线系统。与传统分布式多天线系统不同的是,中继站与基站间的通信是通过无线链接的,而不是通过有线的光纤网络传播。采用高效的发送和接收机制,以保证第一跳的传输性能将是影响整个系统传输能力的关键。
2.3多跳多中继网络传输模型
前面两种模型都是两跳中继的情况,实际中,通常引入自组织网络的思想形成多跳多中继的网络传输模型。它可以提高蜂窝中基站的通信覆盖面,增强了抗毁性。图2就是这种模型的示意图。这种多跳多中继网络传输模型的构建源于Mesh网络,但又不同于Mesh网络。在Mesh网络中,网络中的任意节点都可以进行直接的通信,而在图2的多跳多中继网络传输模型中,仍然保留了每一跳间层与层的关系。这时,由于每一个中继站都需要在上层和下层通信节点中寻找通信目标并与之建立通信链路,因此要求每个中继站都必须具备路由的功能。
2.4分布式空时码的研究
分布式空时码是指空时编码系统的天线不再只排放在发射端或接收端,而是分布在各个中继上,由中继间的相互协作或基站与中继站间相互协作来构建空时信号。基站借助中继站来构成虚拟发射天线实现发射分集,这时中继站可以看成是基站的远程天线。图3以分布式空时分组码多输入多输出(MIMO)为例给出了具体的解释。
在图3中,基站以两种方式将数据通过中继发往用户。第一种,基站(BS)先将未编码数据发往RS1,RS1再以传统方式发送空时码至MS1;第二种,BS先将未编码数据分别发给两个中继RS2和RS3,再由两个中继分别编码后协作共同发往用户。
中继的个数可以扩充至多个,形成分布式天线阵列。研究表明,通过中继发送空时码时,空间分集增益正比于中继的个数。在一个给定的服务质量(QoS)要求(目标接受信噪比(SNR)或误码率(BER))的系统中总发送功率与中继个数成反比,因此使用多个中继可以节省功耗。
2.5中继管理的研究
使中继协作网络发挥最大效用离不开中继管理。中继管理的研究主要集中在两个方面:中继选择和功率分配。中继选择是指如何在众多中继中选择一个或几个中继用来辅助传输。目前中继节点的选择策略主要基于以下几类信息:物理距离、路径损耗和瞬时信道状态。中继协同网络的功率分配是指如何在信源-中继-信宿之间合理分配功率以解决远近效应、增加系统容量和提高系统误码率性能的问题。
3 中继技术的应用
3.1中继技术在WiMAX中的应用