楊延平，陳 巍，可 珂，李 鷗

（1.清華大學(xué)電子工程系 北京 100084；2.國(guó)家數(shù)字交換系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心 鄭州 450011）

1 引言

移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的高速發(fā)展為用戶提供了多樣的信息服務(wù)，種類和制式多樣的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成了日趨復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。微基站、室內(nèi)覆蓋、中繼站、家庭基站等同制式的無(wú)線接入網(wǎng)與WiMAX、2G/3G/LTE網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）等不同制式的無(wú)線接入網(wǎng)共存于高校、商場(chǎng)等城市密集區(qū)域，多種類型無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的共存形成了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)（heterogeneous network），而各種不同類型網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)特性導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)間互聯(lián)、協(xié)作融合的研究問(wèn)題已成為現(xiàn)階段通信領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，宏基站和微基站、小區(qū)間的負(fù)載分布、頻譜資源分配、功率資源分配、系統(tǒng)間的干擾協(xié)調(diào)和保密通信等十分復(fù)雜和關(guān)鍵。從制式上講，多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間需要統(tǒng)一的管理機(jī)制和相應(yīng)的功能模塊來(lái)解決復(fù)雜的接入問(wèn)題；從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和實(shí)際設(shè)計(jì)上講，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)需要結(jié)合成本和能源消耗探索合適的技術(shù)。

認(rèn)知協(xié)同通信是具備自主感知、自適應(yīng)和頻譜資源管理能力的無(wú)線電技術(shù)，能夠有效地分析和學(xué)習(xí)周圍的無(wú)線環(huán)境和用戶行為，通過(guò)調(diào)整系統(tǒng)的參數(shù)來(lái)選擇最佳狀態(tài)以適應(yīng)周圍環(huán)境，從而提高頻譜利用率和服務(wù)質(zhì)量。中繼技術(shù)是認(rèn)知協(xié)同通信技術(shù)中最重要的技術(shù)之一，是經(jīng)濟(jì)便捷的網(wǎng)絡(luò)覆蓋方案，目前3GPP在LTE-Advanced已經(jīng)啟動(dòng)了中繼技術(shù)的研究工作，作為蜂窩網(wǎng)絡(luò)的增強(qiáng)覆蓋技術(shù)。中繼技術(shù)具有以下特點(diǎn)：

·相比光纖等有線網(wǎng)絡(luò)，其具有低成本、安裝方便快捷、控制容易等特點(diǎn)；

·易與宏基站結(jié)合，協(xié)同的中繼為弱覆蓋區(qū)域提供更高的速率，改善宏基站的資源利用率，增加整個(gè)系統(tǒng)的容量；

·在微蜂窩/微微蜂窩、家庭基站和中繼協(xié)作等蜂窩網(wǎng)增強(qiáng)方案中，前兩種技術(shù)依賴固定的回傳通道，有著站址選擇和回傳鏈路等限制，無(wú)法完全解決小區(qū)邊界和陰影區(qū)域覆蓋問(wèn)題。此外，微蜂窩需要額外的光纖/微波回路資源，因而布置成本相對(duì)較高，家庭基站自由化程度大，管理難度高。而協(xié)作中繼不僅部署靈活、成本低，且具有很強(qiáng)的組網(wǎng)靈活性。

為此，有必要深入挖掘中繼協(xié)作傳輸技術(shù)的潛力，拓展中繼協(xié)作的應(yīng)用場(chǎng)景，如異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合。基于協(xié)同通信和無(wú)線中繼技術(shù)的異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)融合方案，通過(guò)集中式的管理和技術(shù)把各種無(wú)線網(wǎng)無(wú)線融合在一起，能夠充分滿足大部分網(wǎng)絡(luò)和用戶的需求[1]。將中繼技術(shù)作為異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合方案有一些問(wèn)題尚待解決：

·中繼技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于解決覆蓋問(wèn)題和提升可靠性，在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合中對(duì)于增加網(wǎng)絡(luò)容量來(lái)講，相比微基站、家庭基站沒(méi)有明顯優(yōu)勢(shì)；

·中繼在異構(gòu)網(wǎng)中存在鏈路選擇、干擾抑制、自組織自適應(yīng)功能問(wèn)題，有待進(jìn)一步研究；

·異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)本身規(guī)模大，構(gòu)成復(fù)雜，具有異構(gòu)性、獨(dú)立性、多變性特點(diǎn)，不同類型的業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的要求不同，因此異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的接入設(shè)計(jì)、資源管理、路由、用戶QoS需求以及認(rèn)證和安全技術(shù)等都是待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

針對(duì)協(xié)同中繼技術(shù)和異網(wǎng)融合結(jié)合的相關(guān)技術(shù)難點(diǎn)和需求，以解決異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合中一些重要問(wèn)題為目的，提出了一種以多向中繼為基礎(chǔ)，以網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)為核心的融合方案，結(jié)合自適應(yīng)調(diào)制、QoS機(jī)制、高效信道編碼等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的非對(duì)稱傳輸機(jī)制，提高網(wǎng)絡(luò)的容量和服務(wù)質(zhì)量，并簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)融合的設(shè)計(jì)，為上述問(wèn)題提供可能的解決方案。

2 認(rèn)知中繼的異構(gòu)網(wǎng)融合：理論到實(shí)踐

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的一般定義為“不同的接入技術(shù)、不同的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、不同的傳輸方案或不同覆蓋范圍的接入點(diǎn)所構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)”。城市密集立體覆蓋網(wǎng)絡(luò)為典型的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，如圖1所示。圖1(a)表示典型的高層建筑室內(nèi)通信高密度異構(gòu)小基站網(wǎng)絡(luò)[2]。此網(wǎng)絡(luò)中主要包含蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線局域網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)面臨的問(wèn)題主要包括非對(duì)稱遮擋、干擾和異網(wǎng)融合等，如圖1(b)所示。中繼基站在此類網(wǎng)絡(luò)中作為同網(wǎng)內(nèi)部和同異網(wǎng)之間銜接的橋梁，起著增加網(wǎng)絡(luò)覆蓋、承載非對(duì)稱數(shù)據(jù)交換、網(wǎng)絡(luò)切換、提升服務(wù)質(zhì)量的關(guān)鍵作用。

中繼協(xié)作在擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)覆蓋和提高網(wǎng)絡(luò)可靠性上的優(yōu)勢(shì)十分明顯，并且已經(jīng)被產(chǎn)業(yè)界廣泛應(yīng)用，如IEEE 802.16j/m和3GPP、LTE-Advanced等標(biāo)準(zhǔn)都傾向于采用多載波中繼協(xié)作技術(shù)來(lái)改善網(wǎng)絡(luò)的覆蓋性和可靠性。中繼協(xié)作的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合是解決無(wú)線通信發(fā)展問(wèn)題的一個(gè)重要突破點(diǎn)，以圖1為出發(fā)點(diǎn)，著重分析了該異構(gòu)網(wǎng)融合中的以下幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

圖1 高層建筑室內(nèi)通信高密度異構(gòu)小基站網(wǎng)絡(luò)

·協(xié)同中繼的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合模型設(shè)計(jì)。模型設(shè)計(jì)之后才能合理地選擇接口，形成可靠的商用異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。

·異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間的容量低。和中繼以時(shí)分雙工方式輪流地進(jìn)行接收和發(fā)送，犧牲了一定的傳輸時(shí)間資源，其容量往往低于無(wú)中繼的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直傳。

·干擾問(wèn)題十分復(fù)雜。中繼會(huì)引入干擾，如基站與中繼，中繼之間的干擾都會(huì)降低系統(tǒng)性能，因此需要采用干擾抑制技術(shù)。

·資源分配問(wèn)題。異構(gòu)網(wǎng)不同用戶的業(yè)務(wù)需求不同,導(dǎo)致了傳輸速率、質(zhì)量要求不同，網(wǎng)絡(luò)資源合理配置和維護(hù)不同特性業(yè)務(wù)的傳輸質(zhì)量等研究十分重要。

·安全性問(wèn)題。用戶實(shí)現(xiàn)異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)條件下信息的安全傳輸，其前提條件是必須先在異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)鑒權(quán)、認(rèn)證、安全，而無(wú)線網(wǎng)絡(luò)自身存在安全缺陷，和異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)時(shí)產(chǎn)生安全問(wèn)題。

·環(huán)境感知、抗衰落和服務(wù)質(zhì)量問(wèn)題。為了降低部署難度以及提升系統(tǒng)的整體性能，中繼節(jié)點(diǎn)需要具有自適應(yīng)功能。期望中的中繼應(yīng)該是可以降低人工維護(hù)成本、具備感知環(huán)境自優(yōu)化、整體性能有顯著提高的設(shè)備。

針對(duì)上述問(wèn)題，將在第3節(jié)研究基于網(wǎng)絡(luò)編碼和協(xié)同中繼技術(shù)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合，并結(jié)合自適應(yīng)調(diào)制、ARQ跨層設(shè)計(jì)、信道編碼等技術(shù)，逐層遞進(jìn)，為上述關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題提供可能的解決方案，并對(duì)相應(yīng)方案進(jìn)行仿真分析驗(yàn)證。

3 認(rèn)知協(xié)同的多向中繼技術(shù)

認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)協(xié)同通信能夠?qū)χ車鸁o(wú)線環(huán)境進(jìn)行感知并通過(guò)重構(gòu)設(shè)備參數(shù)（調(diào)制方式、發(fā)射功率、工作頻率等），使得網(wǎng)絡(luò)吞吐量、覆蓋范圍、能量有效性等諸多性能顯著提高。研究新的中繼技術(shù)在認(rèn)知協(xié)同通信上有著十分廣闊的應(yīng)用前景，主要提出了基于網(wǎng)絡(luò)編碼的中繼技術(shù)在雙向/多向中繼中的資源分配優(yōu)化方案：首先分析了網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)結(jié)合中繼有效提升網(wǎng)絡(luò)的覆蓋性和可靠性，然后分析了結(jié)合自適應(yīng)技術(shù)、ARQ技術(shù)、信道編碼技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)編碼調(diào)制方案，相應(yīng)解決抗衰落、服務(wù)質(zhì)量、吞吐量問(wèn)題，為第2節(jié)的技術(shù)問(wèn)題提供可能的解決方案。

網(wǎng)絡(luò)編碼（network coding）最早由Ahlewde R和YeungR W等人提出，其基本思想是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不僅參與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，還參與數(shù)據(jù)處理，從而大幅提高網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男?、容量和頑健性。認(rèn)知協(xié)同中繼通信的核心思想是：無(wú)線網(wǎng)絡(luò)利用多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)完成源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)間的通信。多向中繼網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)發(fā)方式有解碼轉(zhuǎn)發(fā)（DF）和放大轉(zhuǎn)發(fā)（AF），基于中繼的網(wǎng)絡(luò)編碼由于需要在節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼和從新編碼獲得編碼增益，因此采用DF方式，以最基本的三時(shí)隙DF雙向中繼（DF-TWR）模型為基礎(chǔ)，如圖2所示。包含一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)和兩用戶，分時(shí)隙傳輸，在第一、二時(shí)隙兩用戶分別將信息傳輸至中繼節(jié)點(diǎn)，中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行解碼和網(wǎng)絡(luò)編碼，在第三時(shí)隙將信息廣播至兩用戶，最后用戶節(jié)點(diǎn)利用自己原有的先驗(yàn)信息解調(diào)出來(lái)其需要的信息。

圖2 三時(shí)隙解碼轉(zhuǎn)發(fā)雙向中繼模型

3.1 異構(gòu)網(wǎng)的雙/多向中繼技術(shù)

兩用戶單中繼模型是最基本的中繼場(chǎng)景模型，在用戶密集的實(shí)際場(chǎng)景中，往往難以布置太多中繼節(jié)點(diǎn)，因此基本模型的應(yīng)用在用戶數(shù)相對(duì)較少的場(chǎng)景能夠應(yīng)對(duì)，而在密集區(qū)域的應(yīng)用有限。以兩用戶雙向中繼為基礎(chǔ)，此模型進(jìn)一步可擴(kuò)展為多對(duì)用戶的雙向中繼模型，參考文獻(xiàn)[3]通過(guò)采用蓋爾芳德平斯克編碼和網(wǎng)絡(luò)編碼相結(jié)合，解決了多個(gè)成對(duì)用戶的信息互傳問(wèn)題，參考文獻(xiàn)[4]進(jìn)一步研究了三用戶的多向中繼網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)。由此可見，基于協(xié)同中繼的網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)能夠很好地解決異構(gòu)密集網(wǎng)絡(luò)中的覆蓋問(wèn)題。

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)決定了用戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流往往是不對(duì)等的，如視頻流需要的速度和連續(xù)性要高，而語(yǔ)音服務(wù)對(duì)速率要求低但對(duì)QoS要求高。網(wǎng)絡(luò)編碼調(diào)制技術(shù)的引入能夠很好地解決非對(duì)稱傳輸問(wèn)題[5]，從而將異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的信息交換簡(jiǎn)化為在同一中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)流和數(shù)據(jù)分組的操作，實(shí)現(xiàn)基本的融合。

3.2 網(wǎng)絡(luò)編碼的安全性和干擾消除

有研究認(rèn)為，基于先驗(yàn)信息的網(wǎng)絡(luò)編碼可能引發(fā)對(duì)安全的擔(dān)憂，由于竊聽的存在可能導(dǎo)致用戶信息泄露[6]。美國(guó)麻省理工學(xué)院的Medard教授在研究網(wǎng)絡(luò)編碼時(shí)提出，網(wǎng)絡(luò)編碼在執(zhí)行過(guò)程中能夠有效地偽裝和承載數(shù)據(jù)，實(shí)際上增強(qiáng)了信息的安全性，相比在網(wǎng)絡(luò)上傳輸不可破譯的算法流的傳統(tǒng)加密技術(shù)更安全。數(shù)據(jù)分組在進(jìn)行混合時(shí)，本身就具備了數(shù)據(jù)隱藏功能，具有先驗(yàn)信息的合法用戶才能通過(guò)反操作得到期望信息。此外，網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)還能在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（P2P）傳輸中檢測(cè)惡意攻擊，并糾正錯(cuò)誤。

干擾消除技術(shù)有基于干擾重構(gòu)/減去技術(shù)和干擾抑制合并接收技術(shù)?；诰W(wǎng)絡(luò)編碼的協(xié)同通信技術(shù)允許中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)經(jīng)過(guò)它的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼和網(wǎng)絡(luò)編碼，因而能夠進(jìn)行干擾消除技術(shù)研究，比如基于IDMA的迭代干擾消除技術(shù)。參考文獻(xiàn)[5]提出的基于歐式距離的最大比合并接收（MRC）技術(shù)是接收機(jī)實(shí)現(xiàn)技術(shù)，能夠提升干擾消除效果。

3.3 自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)編碼調(diào)制（ANCM）

異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)特性和用戶業(yè)務(wù)需求意味著不同網(wǎng)絡(luò)面臨的通信環(huán)境相差可能很大，現(xiàn)有的協(xié)議和應(yīng)用不靈活，容易導(dǎo)致資源利用率低下。自適應(yīng)技術(shù)能夠根據(jù)信道狀態(tài)動(dòng)態(tài)地調(diào)整傳輸速率、發(fā)送功率、編碼方式等，充分地利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)資源，達(dá)到系統(tǒng)容量最大、功耗最小等目標(biāo)。

在圖2所示系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，基于參考文獻(xiàn)[5]所提出的網(wǎng)絡(luò)編碼調(diào)制（network coded modulation，NCM）和參考文獻(xiàn)[7,8]提出的自適應(yīng)調(diào)制編碼（adaptive modulation and coding，AMC），提出聯(lián)合功率—速率可變的網(wǎng)絡(luò)編碼調(diào)制[9]，對(duì)下行衰落信道的信道容量進(jìn)行了研究，并通過(guò)仿真驗(yàn)證了系統(tǒng)的性能。

圖3給出了自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)編碼調(diào)制的信道模型，參考文獻(xiàn)[9]提出了速率連續(xù)功率連續(xù)的NCM方案，并給出了其衰落信道下可達(dá)容量的解析解，進(jìn)一步提出了離散速率可變功率的NCM方案，由于離散優(yōu)化問(wèn)題難以得到閉式解，提出次優(yōu)搜索算法，并仿真驗(yàn)證得到其信道容量。從圖4和圖5（QAM調(diào)制方案）可以看出，基于中繼的自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)編碼方案[9]與點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸方案[7]的信道容量的差別幾乎可以忽略不計(jì)，且和固定功率的自適應(yīng)方案相比，其容量更高，尤其在低信噪比條件下。AMC和NCM結(jié)合方案能夠有效解決資源分配問(wèn)題和提高頻譜利用率。

圖3 自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)編碼調(diào)制系統(tǒng)和信道模型

圖4 自適應(yīng)QAM網(wǎng)絡(luò)編碼調(diào)制（連續(xù)速率）

圖5 自適應(yīng)QAM網(wǎng)絡(luò)編碼調(diào)制（離散速率）

3.4 結(jié)合ANCM和ARQ的跨層設(shè)計(jì)研究

自適應(yīng)調(diào)制編碼技術(shù)靈活多變，對(duì)于衰落信道的適應(yīng)能力強(qiáng)，然而實(shí)際應(yīng)用中容易受到信道估計(jì)誤差和時(shí)延的影響。在之前所研究的自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)編碼調(diào)制中，所采用的假設(shè)與參考文獻(xiàn)[7,8]中類似，即假設(shè)了信道估計(jì)誤差為0、時(shí)延為0，而這在實(shí)際中需要強(qiáng)糾錯(cuò)機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)，實(shí)用性有所降低。另一方面，無(wú)線通信系統(tǒng)中，用戶對(duì)數(shù)據(jù)速率和服務(wù)質(zhì)量（QoS）的要求在不斷提升，自動(dòng)重傳請(qǐng)求（ARQ）對(duì)信道測(cè)量誤差和時(shí)延不敏感，而且可以在保證系統(tǒng)可靠性的前提下，提高系統(tǒng)的吞吐量[10]，因此結(jié)合AMC和ARQ的鏈路自適應(yīng)技術(shù)能夠進(jìn)一步改善系統(tǒng)的整體性能。參考文獻(xiàn)[11]創(chuàng)新性地提出了AMC-ARQ的跨層設(shè)計(jì)，其性能優(yōu)于AMC系統(tǒng)的性能和采用固定編碼的ARQ系統(tǒng)的性能。

基于Goldsmith在參考文獻(xiàn)[12]中提出的自適應(yīng)調(diào)制方案和Liu等在參考文獻(xiàn)[11]中提出的跨層設(shè)計(jì)，提出一種自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)編碼—ARQ結(jié)合的跨層設(shè)計(jì)方案，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖6所示，并通過(guò)仿真證明了系統(tǒng)性能能夠進(jìn)一步提升，仿真結(jié)果如圖7所示。

3.5 結(jié)合TCM/Turbo和ANCM的編碼調(diào)制

傳統(tǒng)的數(shù)字傳輸系統(tǒng)需要通過(guò)糾錯(cuò)編碼來(lái)提高信息傳輸?shù)目煽啃?，而糾錯(cuò)編碼會(huì)帶來(lái)頻帶利用率的下降，為了提高頻帶利用率，同時(shí)也希望在不增加信道傳輸帶寬的前提下降低差錯(cuò)率，提出將編碼和調(diào)制結(jié)合設(shè)計(jì)的方法，即網(wǎng)格編碼調(diào)制（TCM），這種方法以犧牲設(shè)備的復(fù)雜化為代價(jià)換取編碼增益。Turbo是Berrou C等人在1993年首次提出的一種級(jí)聯(lián)碼?；驹硎蔷幋a器通過(guò)交織器把兩個(gè)分量編碼器進(jìn)行并行級(jí)聯(lián)，兩個(gè)分量編碼器分別輸出相應(yīng)的校驗(yàn)位比特；譯碼器在兩個(gè)分量譯碼器之間進(jìn)行迭代譯碼，分量譯碼器之間傳遞去掉正反饋的外信息，這個(gè)方法稱為Turbo碼。Turbo碼具有卓越的糾錯(cuò)性能，性能接近香農(nóng)限，而且編譯碼的復(fù)雜度不高。

圖6 自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)編碼-ARQ系統(tǒng)信道模型

圖7 截?cái)嗍紸RQ自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)編碼可達(dá)速率

圖8 自適應(yīng)TCM—網(wǎng)絡(luò)編碼調(diào)制的可達(dá)速率（MQAM,M-{0 4 16 64},ω-0.5,BER-10-3）

[13]提出了自適應(yīng)信道編碼的一般模型，參考文獻(xiàn)[14]提出了自適應(yīng)Turbo編碼，兩種方案均極大地提升了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的性能?；谏鲜鰞煞N方案，分別提出了結(jié)合TCM和Turbo的自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)編碼調(diào)制方案，以獲得更大的編碼增益，由于TCM碼和Turbo碼具有很強(qiáng)的糾錯(cuò)性能，結(jié)合方案能夠極大提升衰落信道下的網(wǎng)絡(luò)傳輸效率，同時(shí)保證信息傳輸?shù)目煽啃?。圖8分析驗(yàn)證了信道編碼對(duì)系統(tǒng)性能的提升。

4 基于多向中繼的蜂窩網(wǎng)和WLAN融合

從上述協(xié)同多向中繼技術(shù)方案中不難看出，協(xié)同中繼在提升網(wǎng)絡(luò)容量、自適應(yīng)自組織、抗干擾抗衰落、提升QoS方面有著巨大的發(fā)展前景。首先分析了異網(wǎng)融合和蜂窩網(wǎng)增強(qiáng)覆蓋技術(shù)，總結(jié)小蜂窩網(wǎng)和中繼的優(yōu)缺點(diǎn)，然后提出了以認(rèn)知協(xié)同中繼替代小蜂窩基站來(lái)作為蜂窩網(wǎng)和WLAN融合的方案，并嘗試分析了融合的可行性和關(guān)鍵問(wèn)題。

蜂窩網(wǎng)絡(luò)目前仍是移動(dòng)通信的主流硬件架構(gòu)，而蜂窩網(wǎng)作為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋（GSM/3G/LTE等）的基本形式，依舊存在邊緣區(qū)域通信質(zhì)量差和陰影區(qū)域覆蓋問(wèn)題。面向進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)容量和邊緣覆蓋的要求，研究具備認(rèn)知能力的宏基站或/和多種小站（小蜂窩基站、家庭基站、WLAN）共存的方案是目前研究的熱點(diǎn)，圖9給出了協(xié)同中繼在拓展網(wǎng)絡(luò)覆蓋和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合上的示意。各用戶網(wǎng)絡(luò)通過(guò)中繼協(xié)作通信實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)，在宏蜂窩基站實(shí)現(xiàn)對(duì)中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行資源管理優(yōu)化。

圖9 基于協(xié)同多向中繼的蜂窩網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)覆蓋場(chǎng)景

表1對(duì)比了作為增強(qiáng)宏蜂窩覆蓋實(shí)現(xiàn)異網(wǎng)融合的可能方案?？梢钥吹?，協(xié)同中繼技術(shù)方法能夠很好地服務(wù)于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合?；诰W(wǎng)絡(luò)編碼的認(rèn)知協(xié)同中繼設(shè)計(jì)思路，通過(guò)智能管理和自適應(yīng)資源優(yōu)化，能夠彌補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)容量的不足，同時(shí)能夠有效消除干擾。提出以認(rèn)知中繼作為宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)的重要附加方案，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合，其融合網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景可包含宏基站、家庭基站、微基站和無(wú)線局域網(wǎng)。認(rèn)知異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中基于認(rèn)知感知能力和中繼協(xié)作保證了各種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)共存、相互補(bǔ)充、協(xié)同工作、支持終端無(wú)縫移動(dòng)的異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)，必將有效地利用各種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的接入技術(shù)和各自的優(yōu)勢(shì)以取長(zhǎng)補(bǔ)短、融合地為用戶提供高質(zhì)量的服務(wù)體驗(yàn)。

4.1 蜂窩網(wǎng)和WLAN融合分析

從IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)頒布以來(lái)，由其演變的各種Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)備具有可移動(dòng)性、傳輸速度快、成本低廉、提供更豐富多彩的高帶寬業(yè)務(wù)等特性,得到廣泛的關(guān)注和應(yīng)用，IEEE 802.11系列標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)成為事實(shí)上的無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。認(rèn)知Wi-Fi 2.0網(wǎng)絡(luò)是基于認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)，工作于授權(quán)頻段的類似于傳統(tǒng)Wi-Fi系統(tǒng)的無(wú)線局域網(wǎng)。它利用授權(quán)頻段的良好傳播特性，為用戶提供更好的服務(wù)以及更大的覆蓋范圍。在總結(jié)上述蜂窩網(wǎng)和Wi-Fi技術(shù)的基礎(chǔ)上，參考文獻(xiàn)[15]提出了基于認(rèn)知的異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)知融合網(wǎng)絡(luò)，能夠充分挖掘異構(gòu)頻譜資源，發(fā)揮其授權(quán)頻段和非授權(quán)頻段的效益。與此同時(shí)，此異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)也面臨著前所未有的復(fù)雜干擾問(wèn)題，網(wǎng)絡(luò)中不同節(jié)點(diǎn)間干擾主要有以下原因。

·部署難以統(tǒng)一規(guī)劃。WLAN往往由用戶自行隨機(jī)部署，使用時(shí)間自由，開關(guān)隨意，而運(yùn)營(yíng)商難以管理此類網(wǎng)絡(luò)。

·接入限制不統(tǒng)一。部分無(wú)線局域網(wǎng)由于某些原因?qū)τ脩艚尤胂拗?，宏基站往往有可能因?yàn)槭芟薅鵁o(wú)法接入，反而由于資源頻段相近受到干擾。

·功率差異相對(duì)較大。宏基站與低功率節(jié)點(diǎn)（WLAN）由于發(fā)射功率相差大，業(yè)務(wù)負(fù)載往往分布不均衡。

·上下行鏈路的層間干擾嚴(yán)重。

解決蜂窩網(wǎng)和WLAN融合的關(guān)鍵在于構(gòu)建認(rèn)知資源管理機(jī)制，要求管理決策能夠?qū)崿F(xiàn)以下方面：自主資源決策實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層間和層內(nèi)干擾的有效抑制；宏基站用戶和WLAN用戶有高效資源保障，滿足QoS要求；實(shí)現(xiàn)有效資源的快速探測(cè)和高效利用。

4.2 結(jié)合網(wǎng)絡(luò)編碼的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合

根據(jù)對(duì)蜂窩網(wǎng)和WLAN融合的分析，對(duì)以網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)為基礎(chǔ)的中繼方案分析其可行性。鏈路層以上網(wǎng)絡(luò)融合的管理機(jī)制和控制技術(shù)在許多文獻(xiàn)中有所研究，參考文獻(xiàn)[16]研究了3G與Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)融合的方案。而從物理層技術(shù)角度出發(fā)，研究基于網(wǎng)絡(luò)編碼的協(xié)同中繼技術(shù)來(lái)解決蜂窩與WLAN融合的關(guān)鍵問(wèn)題是可行的，具體如下。

·易于宏基站的管理，增加中繼節(jié)點(diǎn)自組網(wǎng)和接入機(jī)制的研究能夠有效解決WLAN難以統(tǒng)一的問(wèn)題，參考文獻(xiàn)[17]對(duì)負(fù)載均衡的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)接入選擇和業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)移做了詳細(xì)研究。

·參考文獻(xiàn)[18]利用盲自適應(yīng)頻移濾波器的結(jié)構(gòu)，提出了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中TDD蜂窩和Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)信號(hào)互干擾抑制方案；參考文獻(xiàn)[19]系統(tǒng)研究了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源分配和干擾抑制的分布式資源分配方法，尤其研究了基于功率優(yōu)化的資源分配算法，有利于解決異網(wǎng)設(shè)備功率差異大導(dǎo)致的干擾問(wèn)題。

·參考文獻(xiàn)[17]所提出的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡方案，能夠根據(jù)接入選擇方案把接入任務(wù)均衡地分配到各個(gè)中繼基站中，在接入阻塞率、切換掉線率、負(fù)載均衡性、系統(tǒng)利用率上提升系統(tǒng)性能，可以作為輔助的負(fù)載均衡策略。

表1 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合中微基站、家庭基站、中繼基站優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

·基于中繼的網(wǎng)絡(luò)編碼采用時(shí)分傳輸，因此能夠避免上下行鏈路干擾。

上述分析從部分角度加以研究，嘗試性地給出一些可能的解決方案。異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)中用戶環(huán)境的多變性、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的異構(gòu)性和業(yè)務(wù)環(huán)境的多樣性，真正實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合仍存在不少問(wèn)題需要解決，此協(xié)同中繼異構(gòu)網(wǎng)融合方案有著廣闊的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

5 結(jié)束語(yǔ)

在城市密集立體化、業(yè)務(wù)海量化的通信發(fā)展形式下，各種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大、覆蓋廣、構(gòu)成復(fù)雜、業(yè)務(wù)種類及服務(wù)質(zhì)量要求多樣，且各個(gè)網(wǎng)絡(luò)的特征與結(jié)構(gòu)、協(xié)議與設(shè)計(jì)方法以及物理層技術(shù)均呈現(xiàn)異構(gòu)化傾向，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合已是大勢(shì)所趨。如何探索實(shí)用的技術(shù)來(lái)解決異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合問(wèn)題，進(jìn)一步提升網(wǎng)絡(luò)的資源利用率，是無(wú)線與移動(dòng)通信領(lǐng)域尚待解決的重要問(wèn)題。

分析了這種趨勢(shì)下一種可有效提升頻譜利用率的網(wǎng)絡(luò)融合方案——基于中繼的異構(gòu)協(xié)同網(wǎng)絡(luò)，該方案以中繼為基礎(chǔ)構(gòu)架，以網(wǎng)絡(luò)編碼為核心技術(shù)，利用自適應(yīng)調(diào)制、ARQ以及高效信道編碼來(lái)改善中繼技術(shù)的短板，從而提高了系統(tǒng)的可靠性、吞吐量和干擾消除。結(jié)合實(shí)際的蜂窩網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線局域網(wǎng)，對(duì)此異構(gòu)網(wǎng)的融合進(jìn)行了初步分析，嘗試性地總結(jié)和論述了基于網(wǎng)絡(luò)編碼的中繼技術(shù)在融合中的可行性和研究進(jìn)展。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合的相關(guān)研究目前尚處于起步階段，網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)、協(xié)同中繼技術(shù)等將在未來(lái)的通信網(wǎng)絡(luò)中融為一體，同時(shí)也將面臨著巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)，對(duì)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入研究，必將推動(dòng)多制式、一體化、智能化移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)創(chuàng)新，為未來(lái)無(wú)線城市網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)提供關(guān)鍵支撐。

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