杜偉華

摘要：中繼（Relay）技術(shù)是LTE-A（LTE-Advanced）系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)之一，它具有抵抗無線信道衰落、擴(kuò)大系統(tǒng)容量及覆蓋范圍等優(yōu)點(diǎn)，而中繼節(jié)點(diǎn)（Relay Node，RN）的選擇策略則是能否實(shí)現(xiàn)中繼協(xié)作通信的關(guān)鍵。文中主要對(duì)兩跳中繼協(xié)作通信中中繼節(jié)點(diǎn)及其協(xié)作方式的選擇進(jìn)行了研究，并在此基礎(chǔ)上，結(jié)合RN的位置信息提出了一種兩跳多RN下基于放大轉(zhuǎn)發(fā)（Amplify Forward，AF）與譯碼轉(zhuǎn)發(fā)（Decode Forward，DF）方式的自適應(yīng)中繼協(xié)作方案。

關(guān)鍵詞：中繼；LTE-A；選擇策略；協(xié)作通信

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）11-0025-02

中繼協(xié)作通信是指通過發(fā)送節(jié)點(diǎn)與RN之間的協(xié)作來完成數(shù)據(jù)的傳輸[1]。它是在結(jié)合MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）多天線技術(shù)與中繼信道的思想后應(yīng)運(yùn)而生的，既克服了MIMO系統(tǒng)中移動(dòng)終端難以安裝天線的困難，又提高了系統(tǒng)傳輸?shù)目煽啃?，還可獲得一定的空間分集增益。中繼協(xié)作通信中中繼節(jié)點(diǎn)的選擇是實(shí)現(xiàn)中繼協(xié)作通信的關(guān)鍵，也是近年來研究的難點(diǎn)與熱點(diǎn)。

1 概述

目前，所研究的RN的選擇問題主要為：如何對(duì)參與協(xié)作的RN進(jìn)行分配和管理，即RN協(xié)作時(shí)機(jī)的選取問題、參與協(xié)作的RN的選擇問題以及中繼協(xié)作方式（中繼轉(zhuǎn)發(fā)策略）的選擇問題等[2]?，F(xiàn)階段所研究的RN的選擇問題包括單中繼選擇（從多個(gè)RN中選取最優(yōu)的一個(gè)）和多中繼選擇（從多個(gè)RN中選取多個(gè)滿足條件的RN）兩大類，這兩種中繼選擇各有自己的特點(diǎn)，并在一定程度上都能改善系統(tǒng)的性能。因此，如何合理有效地選擇RN及其相應(yīng)的協(xié)作方式來進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸是一個(gè)十分關(guān)鍵的問題。

理論上講，中繼技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)兩跳/多跳、協(xié)同發(fā)送/接收、網(wǎng)格連接等更為復(fù)雜的傳輸模式和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，但在研究的現(xiàn)階段，由于引入RN后會(huì)給原來的通信鏈路帶來一定的延時(shí)、干擾以及會(huì)占用原來通信鏈路的資源等問題，因此，目前所研究的中繼協(xié)作通信技術(shù)都是最簡(jiǎn)單的基于兩跳的中繼協(xié)作。文章也主要對(duì)LTE-A系統(tǒng)下行鏈路基于兩跳的多中繼并行協(xié)作模型下中繼節(jié)點(diǎn)及其協(xié)作方式的選擇進(jìn)行了研究，并根據(jù)中繼節(jié)點(diǎn)的位置信息及其協(xié)作方式提出了一種基于AF與DF方式的自適應(yīng)中繼協(xié)作方案。

2 兩跳多中繼節(jié)點(diǎn)中繼選擇策略的研究

中繼協(xié)作方式按照RN對(duì)接收信號(hào)處理方法的不同可以分為AF、DF和編碼協(xié)作（CC）三種。其中AF和DF是中繼協(xié)作通信中最為常用的兩種中繼轉(zhuǎn)發(fā)策略，但在研究的過程中AF中繼協(xié)作方式多適用于SNR（Signal to Noise Ratio）取值較大的情形下，并會(huì)在接收端給其他的接收信號(hào)帶來一定的干擾；而DF中繼協(xié)作方式則適用于中繼節(jié)點(diǎn)能夠正確譯碼的情況，在RN不能夠正確譯碼的前提下使用DF中繼協(xié)作方式則會(huì)造成資源的白白浪費(fèi)。目前，所研究的中繼轉(zhuǎn)發(fā)策略中大多只針對(duì)上述兩種協(xié)作方式中的某一種，較少有綜合考慮AF與DF的優(yōu)缺點(diǎn)去實(shí)現(xiàn)兩者之間的自適應(yīng)協(xié)作。

目前，所研究的基于兩跳的多中繼并行協(xié)作模型下的中繼選擇策略主要有：基于平均信道狀態(tài)信息的中繼轉(zhuǎn)發(fā)策略、基于瞬時(shí)信道狀態(tài)信息的中繼轉(zhuǎn)發(fā)策略、基于門限的中繼轉(zhuǎn)發(fā)策略以及基于位置信息的中繼轉(zhuǎn)發(fā)策略等[3]。其中常見的基于平均信道信息的中繼轉(zhuǎn)發(fā)策略又包括基于距離的中繼轉(zhuǎn)發(fā)策略、基于路徑損耗的中繼轉(zhuǎn)發(fā)策略和基于信號(hào)與干擾加噪聲比（Signal to Interference plus Noise Ratio，SINR）的中繼轉(zhuǎn)發(fā)策略三種。

基于門限的中繼協(xié)作方式的研究中，關(guān)鍵問題是門限的選擇，不同衡量指標(biāo)下門限值的選取不同，則其對(duì)應(yīng)協(xié)作方式下中繼協(xié)作通信的性能也會(huì)不同。文獻(xiàn)[4]主要研究了協(xié)作通信系統(tǒng)中單中繼節(jié)點(diǎn)下一種基于門限的自適應(yīng)中繼轉(zhuǎn)發(fā)策略，該中繼轉(zhuǎn)發(fā)策略的基本原則為：中繼節(jié)點(diǎn)通過比較其接收信號(hào)的SNR與源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)之間鏈路的平均SNR來決定該中繼節(jié)點(diǎn)是否作為使用AF（放大轉(zhuǎn)發(fā)）方式的中繼節(jié)點(diǎn)，對(duì)不滿足使用AF協(xié)作方式的中繼節(jié)點(diǎn)，則使用自適應(yīng)譯碼轉(zhuǎn)發(fā)方案，即能夠正確譯碼的中繼節(jié)點(diǎn)采用DF（譯碼轉(zhuǎn)發(fā)）協(xié)作方式參與協(xié)作，不能正確譯碼的中繼節(jié)點(diǎn)則不參與協(xié)作。

基于位置信息的中繼協(xié)作方式源于Z.LIN等人所提出的利用相對(duì)距離來選擇中繼節(jié)點(diǎn)的算法。此外，Z.LIN等人在研究編碼協(xié)作分集的技術(shù)中，還提出了用戶協(xié)作區(qū)域（User Cooperation Region）的概念，即通過協(xié)作能夠降低系統(tǒng)BER的中繼節(jié)點(diǎn)的地理位置的集合[5]。也就是說，只要有中繼節(jié)點(diǎn)分布在用戶協(xié)作區(qū)域內(nèi)，就可以利用該中繼節(jié)點(diǎn)來參與協(xié)作，完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，從而降低系統(tǒng)的BER。

3 AF與DF自適應(yīng)中繼協(xié)作方案的研究

由上述的研究可知，RN的位置信息對(duì)中繼的協(xié)作性能有一定的影響，而之前所研究的基于門限的中繼協(xié)作方式中，只考慮了RN位于源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)中心位置的情況，卻沒有考慮RN位置信息變化時(shí)給中繼協(xié)作性能所帶來的影響。因此，文章在上述研究的基礎(chǔ)上，利用RN的位置信息，提出了一種新的基于門限的自適應(yīng)中繼轉(zhuǎn)發(fā)策略。該門限值由RN接收的瞬時(shí)SNR和RN的位置信息共同確定。

3.1 自適應(yīng)中繼轉(zhuǎn)發(fā)原理

自適應(yīng)中繼協(xié)作方案的基本原理為：根據(jù)基于位置信息的中繼協(xié)作方式中SNR的定義，結(jié)合基于門限的中繼協(xié)作方式中門限的選取方法，對(duì)用戶區(qū)域內(nèi)每個(gè)RN所接收到的信號(hào)的瞬時(shí)SNR與該協(xié)作模型下所有源節(jié)點(diǎn)到RN鏈路之間的平均SNR來判斷該RN是否是符合采用AF中繼協(xié)作方式的RN；對(duì)不滿足以上情況的RN進(jìn)行第二次的判斷，即采用循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）方式，看該RN能否對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行正確的譯碼，作為該RN是否可以采用DF方式參與協(xié)作的依據(jù)，對(duì)均不滿足上述條件的RN，則不參與本次通信的協(xié)作。

3.2 自適應(yīng)中繼協(xié)作方案的協(xié)作流程

在自適應(yīng)中繼協(xié)作方案的協(xié)作流程中，RN按照改進(jìn)后的門限值做第一次判斷，即用戶區(qū)域內(nèi)的RN首先根據(jù)其接收信號(hào)的瞬時(shí)SNR與源節(jié)點(diǎn)和RN之間鏈路的平均SNR作對(duì)比，若該RN的瞬時(shí)SNR大于鏈路的平均SRN，則該RN作為采用AF中繼協(xié)作方式的RN參與協(xié)作；對(duì)不滿足上述情況的RN繼續(xù)進(jìn)行第二次判斷，如果該RN能夠從接收到的信號(hào)中正確地恢復(fù)出原來的信息，則該RN將作為采用DF中繼協(xié)作方式的RN參與協(xié)作，對(duì)均不滿足上述情況的RN則直接從原有的中繼集合中進(jìn)行刪除，并對(duì)RN集合里的剩余RN進(jìn)行依次判斷，直到所有RN循環(huán)完畢為止，從而完成RN的自適應(yīng)轉(zhuǎn)發(fā)，其具體協(xié)作流程如下圖所示。

4 小結(jié)

文中主要對(duì)LTE-A下行鏈路兩跳中繼系統(tǒng)中基于門限與基于位置信息的中繼協(xié)作方式進(jìn)行了研究與分析。在研究基于門限的中繼協(xié)作方式的基礎(chǔ)上，利用RN的位置信息，提出了兩跳多RN并行模型下一種基于AF與DF方式的自適應(yīng)中繼協(xié)作方案，并給出了該自適應(yīng)中繼協(xié)作方案的協(xié)作原理及其協(xié)作流程。

參考文獻(xiàn)：

[1] S. Parkvall， D. Astely. The evolution of LTE towards IMT-Advanced [J]. J. Communication， 2009， 4（3）： 146-154.

[2] 陳純鍇， 謝紅. 改進(jìn)的協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)選擇策略[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)， 2012， 33（2）： 240-243.

[3] 宋婧， 葛建華， 李靖. DF協(xié)作系統(tǒng)中基于中斷概率的功率分配算法[J]. 西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)， 2011， 38（2）： 1-7.

[4] 陳純鍇， 謝紅. 改進(jìn)的協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)選擇策略[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)， 2012， 33（2）： 240-243.

[5] Lin Zinan， Erkip E. Cooperative regions and partner choice in coded cooperative systems[J]. IEEE Transactions Communication， 2006， 54（7）：1323-1334.