摘要：下一代移動通信系統(tǒng)對頻譜有效性和功率有效性提出了更高的要求，在現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)結(jié)構(gòu)中引入中繼的協(xié)作式通信被認(rèn)為是高速率高覆蓋要求下最可行的改進(jìn)。中繼輔助協(xié)同通信網(wǎng)與傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)相比在覆蓋效率、運營成本以及傳輸容量3方面具有優(yōu)勢。中繼輔助通信網(wǎng)絡(luò)主要有3種典型的傳輸模型：三終端傳輸模型、兩跳多中繼并行傳輸模型、多跳多中繼網(wǎng)絡(luò)傳輸模型。中繼輔助通信技術(shù)已在WiMAX、WINNER和3GPP等通信標(biāo)準(zhǔn)中得到深入研究，具有極為廣闊的應(yīng)用前景。
IMT_advanced(ITU給B3G移動通信系統(tǒng)的正式名稱)要求移動通信的傳輸速率達(dá)到100 Mb/s～1 Gb/s，這至少是高速數(shù)據(jù)分組接入(HSDPA)的10倍以上，在傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)中幾乎無法實現(xiàn)。如果要達(dá)到如此高的傳輸速率，必然要降低傳統(tǒng)小區(qū)的覆蓋面積(相應(yīng)要增加基站個數(shù))。基站個數(shù)的增加無疑將提高運營商的組網(wǎng)成本，降低其市場競爭力。無線中繼的基本思想[1-3]是使用中繼節(jié)點將基站的信號重新處理后再發(fā)送出去。應(yīng)用多跳中繼可以擴(kuò)展小區(qū)的覆蓋范圍，減少通信中的死角地區(qū)，同時還可以平衡負(fù)載，轉(zhuǎn)移熱點地區(qū)的業(yè)務(wù)。另外，引入無線中繼還可以節(jié)省終端的發(fā)射功率，從而延長電池壽命�；谥欣^的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及其協(xié)作分集和協(xié)作多路技術(shù)已經(jīng)得到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛重視。在未來移動通信(3GPP、3GPP2、B3G、4G)、無限局域網(wǎng)(WLAN)和寬帶無線網(wǎng)絡(luò)(802.16j)[4-5]等標(biāo)準(zhǔn)的制訂中，都引入了中繼的概念并考慮了中繼輔助通信中存在的問題。歐盟無線世界開創(chuàng)新無線電(WINNER)計劃[6-7]也對泛在寬帶移動無線中繼網(wǎng)絡(luò)做了詳細(xì)的規(guī)劃。
1 中繼輔助通信系統(tǒng)介紹
中繼輔助通信系統(tǒng)可以由多個中繼形成一個虛擬陣列相互協(xié)同工作，如圖1所示。引入中繼技術(shù)后寬帶無線通信的組網(wǎng)方式與傳統(tǒng)的無線接入最大的差異就是接入方式的多樣性。移動終端可以直接通過中繼站接入無線網(wǎng)絡(luò)，也可以在中繼站的協(xié)作下通過基站接入無線網(wǎng)絡(luò)。作為一種能有效改善網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量的技術(shù)，無線中繼技術(shù)為在高頻段實現(xiàn)寬帶無線接入提供了一種高性價比的解決方案。概括來說，中繼輔助通信系統(tǒng)作為一種新型組網(wǎng)技術(shù)具有以下優(yōu)勢：
(1)多個中繼可以同時使用相同的時隙和頻譜資源，從而節(jié)省無線電資源。
(2)多個中繼間可以利用空間分集/空間復(fù)用提高系統(tǒng)傳輸容量。
(3)中繼輔助通信系統(tǒng)不必明顯改變現(xiàn)有主干網(wǎng)結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)與現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)的平滑過渡。
1.1 覆蓋能力
由于大尺度衰落效應(yīng)，在以基站為基本傳輸單元的小區(qū)結(jié)構(gòu)通信系統(tǒng)中，有效的數(shù)據(jù)傳輸效率會隨著用戶與基站間等效傳輸距離的增加而減小。因此，在傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，小區(qū)邊緣的用戶很難實現(xiàn)真正意義上的高速率數(shù)據(jù)傳輸。另外，由于信號在傳輸過程中受地形、地貌的影響，如城區(qū)環(huán)境中建筑物的遮擋，地下環(huán)境的影響等，基站往往不能完全覆蓋其小區(qū)范圍內(nèi)的每一個區(qū)域。在基站覆蓋能力比較差的區(qū)域和小區(qū)的邊緣地帶安放中繼站，并通過中繼站的接力完成整個通信過程可以有效地減少通信盲區(qū)并擴(kuò)大小區(qū)的覆蓋范圍。與傳統(tǒng)的采用微蜂窩的方法相比，中繼站的應(yīng)用能在低組網(wǎng)成本基礎(chǔ)上提高通信覆蓋能力和提高通信質(zhì)量。
1.2 切換技術(shù)
由于中繼節(jié)點，尤其是移動中繼節(jié)點的加入，傳統(tǒng)的傳輸協(xié)議也需要發(fā)生變化�；境艘芾碛脩粼谛^(qū)間的切換，還要對中繼站進(jìn)行管理。原先的切換主體，由單一的用戶擴(kuò)展為用戶與移動中繼兩種。
在中繼輔助通信中，切換的場景可以分為兩種：小區(qū)間的切換與小區(qū)內(nèi)的切換。小區(qū)間的切換指用戶端或移動中繼從一個小區(qū)轉(zhuǎn)入另一個小區(qū)；小區(qū)內(nèi)的切換是指用戶端在一個小區(qū)內(nèi)的兩個中繼站間切換，或者在同一小區(qū)的中繼站與基站間切換。
1.3 傳輸能力
在蜂窩網(wǎng)中加入中繼的新型無線網(wǎng)絡(luò)，可以通過基站和中繼同時向用戶傳輸數(shù)據(jù)，因此可以通過復(fù)用或空間分集獲得容量增益。雖然基站通過中繼向用戶傳輸數(shù)據(jù)是一個兩跳的通信鏈路，即中繼需要占用一定的頻帶資源，但是，由于不同的用戶可以選擇不同的中繼站進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，因此可以極大地彌補(bǔ)由于兩跳通信所造成的容量損失。當(dāng)建筑物和其他障礙物阻礙了基站到用戶的傳輸路徑并造成大尺度陰影衰落時，這個容量損失甚至還可能變成一個增益。
對于中繼輔助通信網(wǎng)絡(luò)的信息論研究表明，在不同的中繼工作模式和信息反饋模式下，中繼數(shù)目的改變對系統(tǒng)容量的影響也是不同的。在基站和移動終端都配備了M 根天線的通信系統(tǒng)中，如果中繼和移動終端都已知信道信息，那么系統(tǒng)的容量不但和M 呈線性增長的關(guān)系，而且還與中繼的個數(shù)呈對數(shù)增長的關(guān)系。
2 中繼輔助通信系統(tǒng)研究進(jìn)展
對于中繼輔助通信網(wǎng)絡(luò)最早源于三終端的中繼信道模型，隨后又陸續(xù)出現(xiàn)了多中繼并行傳輸?shù)哪Ｐ鸵约岸嗵哪Ｐ偷�。由于用戶所處位置的差異，其與基站間的通信可以通過一個中繼站的協(xié)作完成，也可以通過多個中繼站的聯(lián)合協(xié)作完成。
下面從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的角度分別考慮三種典型的中繼輔助通信系統(tǒng)的傳輸模型，并介紹運用于其中的典型技術(shù)。
2.1 三終端傳輸模型
三終端傳輸模型最早由Van der Meulen提出，Cover和El Gamal對其做了詳細(xì)的理論推導(dǎo)和性能分析。近年來，陸續(xù)有學(xué)者對不同信道衰落環(huán)境下的三終端通信系統(tǒng)做了一些具體的分析。
在三終端傳輸模式下，除了具體的信道衰落特性會影響系統(tǒng)的性能，中繼端具體工作模式的選擇也至關(guān)重要。按照信號處理的方式，中繼的工作模式可以大致分為放大(AF)模式、解碼(DF)模式、選擇(SR)模式以及編碼協(xié)作(CC)模式等。
按照接收/發(fā)送信號的關(guān)系，也可以把它們分為兩種基本模式：模擬模式和數(shù)字模式。在中繼的模擬模式中，信號不需要經(jīng)過數(shù)字化的處理就被中繼發(fā)送出去，因此又被稱為“非再生中繼”，AF模式就屬于這種中繼。相對地，在中繼的數(shù)字模式下，中繼需對信號進(jìn)行解碼、編碼后再發(fā)送出去，因此又被稱為“再生中繼”，DF和CC就屬于這一類。
在各種模式之間選擇時，可以根據(jù)中繼所處位置的不同來選擇不同的中繼模式以提高通信質(zhì)量。如果中繼距離用戶較近，可采用AF模式，然后利用基站或者中繼站處理能力強(qiáng)的特點來進(jìn)行正確檢測和解碼；如果中繼距離基站較近，為了對抗衰落，可采用DF模式來提高分集度。
2.2 兩跳多中繼并行傳輸模型
基站通過多個并行中繼與多個用戶進(jìn)行通信。這里的中繼可以由普通的用戶來承擔(dān)，也可以是專門用于轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的中繼站。用戶型的中繼與中繼站相比最大的差別在于，用戶型的中繼在協(xié)作傳輸其他用戶信息的同時，本身也有通信的需求；而中繼站只需要轉(zhuǎn)發(fā)用戶的數(shù)據(jù)，本身并不需要發(fā)送數(shù)據(jù)，其只需要收發(fā)少量的控制信令，用于信道同步和傳遞信道信息等。
基于中繼站的兩跳多中繼并行傳輸網(wǎng)絡(luò)可以利用多中繼站間的空間分集，同時為多個用戶提供多數(shù)據(jù)鏈路。這樣的網(wǎng)絡(luò)也可以看成是一個分布式的多天線系統(tǒng)。與傳統(tǒng)分布式多天線系統(tǒng)不同的是，中繼站與基站間的通信是通過無線鏈接的，而不是通過有線的光纖網(wǎng)絡(luò)傳播。采用高效的發(fā)送和接收機(jī)制，以保證第一跳的傳輸性能將是影響整個系統(tǒng)傳輸能力的關(guān)鍵。
2.3 多跳多中繼網(wǎng)絡(luò)傳輸模型
前面兩種模型都是兩跳中繼的情況，實際中，通常引入自組織網(wǎng)絡(luò)的思想形成多跳多中繼的網(wǎng)絡(luò)傳輸模型。它可以提高蜂窩中基站的通信覆蓋面，增強(qiáng)了抗毀性。圖2就是這種模型的示意圖。這種多跳多中繼網(wǎng)絡(luò)傳輸模型的構(gòu)建源于Mesh網(wǎng)絡(luò)，但又不同于Mesh網(wǎng)絡(luò)。在Mesh網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)中的任意節(jié)點都可以進(jìn)行直接的通信，而在圖2的多跳多中繼網(wǎng)絡(luò)傳輸模型中，仍然保留了每一跳間層與層的關(guān)系。這時，由于每一個中繼站都需要在上層和下層通信節(jié)點中尋找通信目標(biāo)并與之建立通信鏈路，因此要求每個中繼站都必須具備路由的功能。
2.4 分布式空時碼的研究
分布式空時碼是指空時編碼系統(tǒng)的天線不再只排放在發(fā)射端或接收端，而是分布在各個中繼上，由中繼間的相互協(xié)作或基站與中繼站間相互協(xié)作來構(gòu)建空時信號�；窘柚欣^站來構(gòu)成虛擬發(fā)射天線實現(xiàn)發(fā)射分集，這時中繼站可以看成是基站的遠(yuǎn)程天線。圖3以分布式空時分組碼多輸入多輸出(MIMO)為例給出了具體的解釋。
在圖3中，基站以兩種方式將數(shù)據(jù)通過中繼發(fā)往用戶。第一種，基站(BS)先將未編碼數(shù)據(jù)發(fā)往RS1，RS1再以傳統(tǒng)方式發(fā)送空時碼至MS1；第二種，BS先將未編碼數(shù)據(jù)分別發(fā)給兩個中繼RS2和RS3，再由兩個中繼分別編碼后協(xié)作共同發(fā)往用戶。
中繼的個數(shù)可以擴(kuò)充至多個，形成分布式天線陣列。研究表明，通過中繼發(fā)送空時碼時，空間分集增益正比于中繼的個數(shù)。在一個給定的服務(wù)質(zhì)量(QoS)要求(目標(biāo)接受信噪比(SNR)或誤碼率(BER))的系統(tǒng)中總發(fā)送功率與中繼個數(shù)成反比，因此使用多個中繼可以節(jié)省功耗。
2.5 中繼管理的研究
使中繼協(xié)作網(wǎng)絡(luò)發(fā)揮最大效用離不開中繼管理。中繼管理的研究主要集中在兩個方面：中繼選擇和功率分配。中繼選擇是指如何在眾多中繼中選擇一個或幾個中繼用來輔助傳輸。目前中繼節(jié)點的選擇策略主要基于以下幾類信息：物理距離、路徑損耗和瞬時信道狀態(tài)。中繼協(xié)同網(wǎng)絡(luò)的功率分配是指如何在信源-中繼-信宿之間合理分配功率以解決遠(yuǎn)近效應(yīng)、增加系統(tǒng)容量和提高系統(tǒng)誤碼率性能的問題。
3 中繼技術(shù)的應(yīng)用
3.1 中繼技術(shù)在WiMAX中的應(yīng)用
IEEE802.16標(biāo)準(zhǔn)組織于2005年9月成立了移動多跳中繼(MMR)研究小組，研究在IEEE802.16系統(tǒng)中采用中繼技術(shù)的可行性和實施方案。通過研究，任務(wù)組確定了基于中繼輔助的蜂窩結(jié)構(gòu)擴(kuò)展方向，并最終確立采用基于蜂窩點到多點(PMP)基礎(chǔ)的樹形架構(gòu)作為其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)而放棄了以Ad Hoc為原型的Mesh架構(gòu)。IEEE 802.16j中中繼輔助蜂窩結(jié)構(gòu)如圖4所示。
在WiMAX中，根據(jù)中繼工作類型的差異可以分為簡單中繼、復(fù)雜中繼和移動中繼3種，其中簡單中繼可以看成是一個功率直放站，它只具有功率放大的功能，不支持控制功能。簡單中繼功能單一，操作簡單，相對成本也較低。復(fù)雜中繼與簡單中繼相比可以支持控制功能，可以進(jìn)行路由的選擇和資源的調(diào)度。簡單中繼和復(fù)雜中繼都是以固定的形式安放的，可以自由移動的中繼被稱為移動中繼。移動中繼可以在相鄰小區(qū)內(nèi)切換，以解決負(fù)載平衡和熱點切換等問題，移動中繼具有路由功能。無論是簡單中繼、復(fù)雜中繼還是移動中繼都可以支持多天線系統(tǒng)。
WiMAX采用透明切換技術(shù)管理小區(qū)與小區(qū)間用戶的轉(zhuǎn)移�；纠弥欣^站點的消息集合來斷開基站和所屬的移動終端的連接，可以有效地避免每個移動終端和基站的交互，減小信令流程，降低多跳傳輸中的時延，從而提高了系統(tǒng)性能。
IEEE在2007年7月召開的標(biāo)準(zhǔn)制訂會議中，針對WiMAX相關(guān)系列技術(shù)進(jìn)行了熱烈的討論，其中就包括使用中繼增強(qiáng)性網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)解決WiMAX網(wǎng)絡(luò)信號傳輸死角問題的802.16j。根據(jù)IEEE發(fā)布的最新消息，被視為提升既有WiMAX網(wǎng)絡(luò)傳輸覆蓋效能的802.16j標(biāo)準(zhǔn)已在2007年8月8日正式通過第1版標(biāo)準(zhǔn)草案(Draft 1.0)。據(jù)權(quán)威人士估計，若一切順利進(jìn)行，802.16j標(biāo)準(zhǔn)最快將會在2008年年內(nèi)確立。
3.2 中繼技術(shù)在WINNER計劃中的研究
無獨有偶，歐盟的WINNER計劃在其2006年的技術(shù)報告中，用了100多頁的篇幅專門介紹中繼的概念以及中繼輔助通信技術(shù)與傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的融合。通過在傳統(tǒng)單基站式的蜂窩小區(qū)中添加固定中繼節(jié)點的方式，WINNER計劃提出將一個小區(qū)分成數(shù)個微小區(qū)，如圖5所示。其中包括一個以基站為接入點的微小區(qū)和數(shù)個以中繼為接入點的中繼增強(qiáng)型微小區(qū)。由于位置的差異，同一小區(qū)中的用戶將會有不同的接入點。以基站為接入點的用戶和以中繼為接入點的用戶在頻譜資源的分配和幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計上也會有所差異。
WINNER計劃中繼增強(qiáng)型新型小區(qū)通信中考慮了時分多址(TDMA)和空分多址(SDMA)兩種多址方式并支持TDMA與SDMA相結(jié)合的多址方式。由于此時的通信系統(tǒng)包括一跳通信和兩跳通信兩種異構(gòu)的幀結(jié)構(gòu)，因此媒體訪問控制(MAC)層調(diào)度和資源分配顯得格外重要。
另外，WINNER計劃還針對多中繼多跳傳輸?shù)闹欣^增強(qiáng)通信系統(tǒng)的方案可行性和適用場景進(jìn)行了論證。此時信號的傳輸需要通過多個中繼間的接力完成，對頻譜資源的分配和調(diào)度設(shè)計提出了更高的要求�；诙嘀欣^多跳的傳輸可以提高通信的抗毀性能，有利于熱點通信的轉(zhuǎn)移。
3.3 中繼技術(shù)在3GPP中的探索
3GPP在其長期演進(jìn)(LTE)階段的研究中指出：“在未來演進(jìn)的通信系統(tǒng)中，為了提高覆蓋范圍和系統(tǒng)容量，引入多跳的概念是一種行之有效的手段”。與WiMAX和WINNER計劃中使用固定中繼站的兩跳網(wǎng)絡(luò)不同，這里的多跳是指在原有的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上，使用用戶終端作為中繼，將信號傳輸至更遠(yuǎn)的節(jié)點，從而提高覆蓋范圍，增大系統(tǒng)容量。另一方面，由于傳統(tǒng)點對多點結(jié)構(gòu)任何一條鏈路的通信都需要經(jīng)過基站，即使兩個終端離得很近，也要先將信號傳送至歸屬基站，由基站傳送至目標(biāo)終端，再加上信令交互的開銷，這樣一條鏈路浪費了很大的資源。為了避免這種浪費，引入了多點到多點的概念，即指在網(wǎng)絡(luò)中任意兩點都可以自由通信，可以達(dá)到更快捷、方便、經(jīng)濟(jì)的數(shù)據(jù)傳輸。
中國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的時分同步碼分多址(TD-SCDMA)在4G時代的演進(jìn)將主要在3GPP和ITU-R中推進(jìn)。其中，中繼和分布式天線系統(tǒng)也被認(rèn)為是物理層核心技術(shù)之一。
4 結(jié)束語
為了實現(xiàn)基站與多中繼間的網(wǎng)絡(luò)協(xié)同，達(dá)到擴(kuò)大通信容量的目的，傳統(tǒng)的基于物理層的多用戶MIMO技術(shù)(比如臟紙編碼、線性預(yù)編碼和解碼、多用戶檢測和空時碼等)需要往分布式的方向發(fā)展，以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點戒的協(xié)作數(shù)據(jù)發(fā)送，在這種情況下，面向MAC層的協(xié)同策略顯得尤為重要。
中繼輔助通信系統(tǒng)使得資源分配問題可以利用更多的自由度來優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能，然而此時許多問題都變?yōu)榉峭箚栴}的求解，這讓傳統(tǒng)最優(yōu)問題的求解算法無計可施。通過啟發(fā)式交互優(yōu)化或貪婪搜索的方法不失為獲得較好的性能與計算復(fù)雜度折衷的有效手段。
在中繼輔助通信系統(tǒng)中，基站、中繼站以及多用戶之間的同步也變得更為重要。另外，如何在減少多中繼間信息交換的條件下設(shè)計具有魯棒性的分布式空時碼，也是充分利用多中繼空間增益的有效技術(shù)。
基于中繼技術(shù)的多跳傳輸系統(tǒng)已經(jīng)得到了廣泛的關(guān)注。在現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)結(jié)構(gòu)中引入中繼的中繼輔助通信系統(tǒng)被認(rèn)為是下一代移動通信主流的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之一。
