B3G/4G在认知无线电中的应用及其的协作通信
导读： B3G/4G 无线移动通信快速的发展面临着新的技术挑战。 介绍了协作通信技术的基本概念，并对协作通信在认知无线电中的应用进行了讨论和分析 0、引言 目前，随着无线移动通信技术的快速发展，各种新技术层出不穷。 回顾移动通信发展过程，第一代移动通信系统由于提出了蜂窝小区结构、终端移动管理、漫游与切换等技术，实现了在移动中通信;第二代移动通信系统开始使用数字通信技术,基于数字信号处理技术和专用芯片，实现了设备的小型化和大量用户接入，使移动通信迅速普及;第三代移动通信充分应用自适应技术实现宽带高速的要求，调制自适应、编码自适应、信道自适应、接入自适应、业务自适应等,实现了传输链路和通信系统的高效率。 在 B3G/4G 移动通信中，若要实现更高宽带和更高速率，就必须利用一切可能的资源:频率、时间、编码、功率、空间等。 其中，空间资源还没有有效利用，是 4G 可能开发利用的新天地。 充分利用空间地理分布下的分布技术和系统, 将可能成为未来无线移动通信的重要技术特征。 近年发展起来的 MIMO 技术、协作通信(cooperative communications ,CC)技术、认知无线电（cognitive radio)技 术 等,在资源的充分调度和利用 、处理能力的综合与提高、传输能力性能的改善等方面十分有效和突出，是新兴的无线移动通信技术[1]。 MIMO 系统可以提供发射分集增益， 因此该技术得到愈来愈广泛的关注。 在蜂窝移动通信系统基站中，使用该技术可以获得发射分集增益，但由于受系统设备尺寸、硬件复杂度和成本等限制，移动台一般仅有单根天线。 为此，我们提出了协作通信技术， 该技术可以使具有单根天线的移动台获得类似 MIMO 系统的增益。 其基本思想是在多用户环境中，具有单根天线的移动台可以按一定方式共享彼此天线，从而产生虚拟MIMO 系统，获得发射分集增益[2]。 在 B3G/ 4G 无线通信的上行传输系统中，协作通信技术可以克服移动终端的尺寸和成本限制，利用小区内分散的用户天线协作传输相同的信息, 获得与多天线技术相似的空间分集效果,因而备受关注[3]。认知无线电能够灵敏地感知周围环境的变化，通过频谱感知 功能发现频谱空隙，使认知无线电能与周围通信环境相适应[4]。 由于授权用户网络没有义务改变它的结构来与认知无线电网络共享频谱，因此，认知无线电只能独立地通过连续的频谱感知对授权用户进行探测。 所以， 频谱感知是认知无线电的一项核心功能。协作通信有很大的潜力被认知无线电网络所采用， 并且已经被应用于提高认知无线电网络频谱感知的可靠性能[5] [6]。 认知无线电用户可以彼此中继收到的主要信号， 从而更加可靠的感知本地的主要活动。 协作通信也可以被应用于认知无线电用户的数据传输，这也许会面对认知无线电环境的新的挑战。 在本文中我们对协作通信在认知无线电中的应用进行初步讨论和分析。 1、协作通信 图 1 是两个移动台与同一基站的通信， 移动台分别称为用户 1 和用户 2，基站称为 BS。 每个移动台只有单根天线，因此各自无法产生空间分集。 但是，如果某个移动台可以接收其他移动台数据，并将得到的数据以某种形式随自身数据一起发送，而来自两个移动台的衰落路径可以统计独立， 这样便可以产生空间分集。 在移动蜂窝网络的协作通信中，通过协作可以明显改善比特差错率、块差错率甚至中断概率等用户业务质量问题。 在协作通信系统中，每个用户既要发送自己的数据，同时也要作为其他用户的协作代理（见图 1）。
图1.两个用户的协作通信 很明显，协作机制将导致码速率和发射功率的折衷。 就功率而言，一方面，在进行协作通信时，由于每个用户既要发射自身数据，又要中继其他用户数据，所以需要更高功率；另一方面，由于产生了分集增益，每个用户基本发射功率可以适当减小。 速率也存在同样问题，在协作通信时，虽然每个用户既要发送自身数据，又要中继其他伙伴数据，但由于产生了协作分集 ，每个用户的频谱效率都得到改善，信道码速率由此提高。 这也形成了一个折衷。 有人把协作通信看作功率和带宽的联合博弈。 协作前提是对用户功率和带宽采取某种分配策略改善系统性能。 在资源协作分配中，每个用户都为其他多个用户发送数据[2]。协作通信基本思想可以追溯到 Cover 和 ELGamaL 关于中继信道的信息论特性。 然而，协作通信在很多方面与中继信道存在差异。 首先，目前协作通信的研究集中在如何产生克服衰落的分集，Cover 和 EL GamaL 主要分析在加性白高斯噪声信道（AWGN） 下的信道容量；其次，中继信道的中继目的是为了帮助主信道 ，协作通信整个系统资源是固定的，用户既是信息源又是中继者。协作通信中信号处理方法主要有： 检测转发机制、 放大转发机制和编码协作机制。 2.认知无线电中的协作通信 认知无线电对于有限频谱资源的利用是一个新型的选择 ，允许主要的网络和认知无线电网络 （次要网络） 共享相同的频谱。 传统意义上说，认知无线电用户感知无线电环境，来寻找频谱空隙（没有被主要用户使用的频段或者时隙 ），从而开发出新的传输机会。 作为基本要求，认知无线电用户不能够干涉到主要网络。换言之，在主要用户的服务质量（QoS）不受影响的条件下，认知无线电用户就可临时占用主要网络的频谱。 2.1 认知无线电中的频谱感知技术 认知无线电一个基本的认知周期要经历如下基本过程 ：感知频谱环境、信道识别、功率控制和频谱管理[7]。 其中首要任务是感知频谱环境，即空隙频段的检测和选择。 所以，频谱空隙检测的可靠方案对于系统的设计和实现是极其重要的。 在认知无线电系统中， 认知无线电的频谱感知功能就是感知某个频段以判断该频段内是否有授权用户存在， 也即对授权用户信号进行监测。 一般，频谱感知方法可以归纳为发射机检测、协作检测和基于干扰的检测[8] 。在其中的协作检测中， 多个认知无线电用户将检测到的信息相互合并，用来检测授权用户。 协作检测可以是集中式的，也可以是分布式的。 在集中模式中，认知无线电基站负责收集各个认知用户感知到的信息，并检测频谱空隙。 相应的，分散模式则要求认知用户交互各自的感知信息。 认知用户之间的协作检测可以大大减少单个用户检测造成的不确定性， 因此理论上协作检测更加准确[9]。 通常，多径衰落和遮蔽效应是造成检测性能下降的主要原因， 协作检测能够很大程度上消减多径衰落和遮蔽效应的影响，提高检测性能。 2.2 基于协作中继的认知无线电通信 在这部分中，我们讨论基于协作中继的认知无线电通信。 我们针对一个主次网络共存的系统进行研究，假设主要网络是一个基于时分多址的蜂窝网络， 其基站在不同的时隙传输数据到主要用户 PU。 一个未获得频谱许可的次要网络位于主要网络的网络范围内，并且其中的认知无线电用户（例如 CU1）正试图寻找机会接入到次要接入点（AP）中。 主从认知无线电网络共存的系统模型 认知无线电的一个重要特征是其可以感知周围的无线环境。当基站在一个时隙中向 PU 传输数据时， CU1 可以在其产生的对 PU 的干扰小于干扰温度的前提下，临时占用此时隙向 AP 传输数据。 需要注意的是，AP 同时接收了来自基站的主要信号，其对认知无线电链路产生干扰。 根据认知无线电 的特征， 我们假设从基站接收的主要干扰信号可以在 AP 端和认知无线电用户端被完全消除。 显然，一旦一个认知无线电用户使用一个时隙进行传输， 那么其将使用最大的允许功率来发送 数据，从而得到最大的吞吐量。 然而，当对主要用户的干扰约束严格存在时，认知无线电用户的可用传输功率将受到很大限制，从而影响吞吐量。CU0 接近于主要网络的接收用户 PU，他与 AP 之间的链路由于传输功率的约束将无法获得较高的吞吐量。 CU0 可以通过周围的认知无线电用户来协助他进行数据传输，比如，CU2 被选中来协助 CU0 进行传输。 对于直接认知链路，主要链路使用的 整个时隙均被占用。 然而对于基于协作的认知链路，整个时隙被分为两个均等的部分。 在第一部分中，认知用户 CU0 发送数据到 AP 和选择的中继 CU2，在第二部分中，中继 CU2 再次传输数据到 AP。 最终，AP 结合在这两个时间间隔中接受到的信号。 在认知无线电中继中 ，我们考虑放 大 和 转发（AF）模式的协作 ，也就是说，中继放大并重发了第一个时间间隔中接收到的数据。 3.仿真及性能分析 我们用一个二维分配模型来做为仿真模型，如图 3 所示。认知无线电网络 AP，认知无线电传输用户 CU0，和主要网络接收者 PU 分别位于坐标 (0,0)，(D,0) 和 (D,D/2)。两个潜在的认知 无 线 电 中 继 ，CU1 和 CU2, 分 别 位 于 坐 标（D/2,D/4）和（D/2,-D/4）。 图 4 显示了直接链路和基于协作的链路传输速率的性能。 很明显， 通过协作可以得到较高的传输速率。 需要注意的是，如果没有干扰约束，CU1 和 CU2 在到 CU0 和AP 的链路相同时，可以提供同样的协作增益。 但是因为 CU2 距离 PU 较远，可以获得较大的传输功率，来自 CU2 的协作可以提供比 CU1 更高的增益。
图 3. 仿真模型 图 4. 直接链路和基于协作的链路传输速率比较
图4直接链路 4、结束语 在本文中， 我们初步分析了新一代移动通信技术中的协作通信在认知无线电中的应用。 协作通信具有很多优点，但还有一些问题需要进一步研究。 在多用户网络中，合作伙伴如何分配和管理是一个重要问题，即怎样确定哪些用户进行协作，多长时间对合作用户进行重新分配。 另一个重要问题是对于协作传输如何进行功率控制。 如何将协作通信与认知无线电更好的结合，将需要更进一步的深入研究。 |
