2.2 协作通信

2.2.1 协作协议

如图2-7所示，在协作通信系统中通过引入中继，用户和基站之间可以产生独立的传输路径，其中中继信道可以当作是源节点和目的节点之间的直连通信链路的辅助通信链路，这就是协作中继技术[11，12]。协作中继技术可以提高系统的可靠性、吞吐量、系统覆盖范围以及能量效率，其核心思想最早可以追溯到Cover和Gamal对中继信道的理论研究[13]。Cover和Gamal等人从信息论的角度分析了由信源、目的节点和中继节点组成的三节点系统的信道容量，理论分析表明通过中继协作的方式可以有效地提高系统的信道容量。目前，协作中继技术已经被纳入新一代通信技术标准，例如3 GPP LTE- A和IEEE 802.16 j WiMAX。1998年，Sendonaris等人首次提出了协作分集的概念，协作分集作为协作通信的关键技术，其基本思想是在多个用户的通信系统中，用户之间彼此合作，每个用户在传输自己数据的同时帮助其他用户传输数据，通过共享彼此的天线，形成虚拟的MIMO系统，进而获得分集增益，该技术可以提高系统容量、增大覆盖范围、降低中断概率。后来，Lenaman和Wornell等人明确提出了两种基本的中继转发协议，即放大转发（Amplify-and-Forward，AF）和译码转发（Decode-and-Forward，DF）。

在AF协议下，整个协作通信过程分为两个时隙。如图2-8所示，在第一个时隙，信源发送信号到中继和目的端。在第二时隙，不管信源到中继之间的链路质量如何，中继首先利用放大因子G将接收到的信号y_r放大，然后将放大后的信号x_r=Gy_r转发给目的端。

在DF协议下，其信号传输过程与AF协议类似，同样需要两个时隙完成整个协作通信过程。如图2-9所示，在第一个时隙，信源发送信号到中继和目的端。在第二时隙，中继首先需要译码接收到的信号，如果中继能够成功译码，它将生成新的从信源发送来的信号，并将其转发到目的端。

后来，Lenaman和Wornell等人又提出了固定中继（Fixed Relaying，FR）、选择中继（Selected Relaying，SR）和增强中继（Incremental Relaying，IR）三种协作中继类型，这三种类型均可采用AF和DF两种不同的协议来处理和传输数据。

2.2.2 中继选择

协同通信已被确定为当前和未来无线通信网络的核心技术之一。中继是协作通信系统性能支撑的核心部件，其部署形式和工作状态直接决定该系统的服务效率。在中继技术的帮助下，有可能扩大无线网络的覆盖范围，提高服务质量（QoS）和降低能耗。因此，中继技术引起了学术界和产业界相当大的兴趣。然而，在无线网络中部署多个中继时，随着中继数量的增加，可能会引起额外的中继间干扰和更高的资源消耗。中继选择是提高频谱效率和减小中继间干扰的一种有效措施。

为了便于描述，考虑一个协作中继网络，包含一个源节点S，N个译码转发（Decode-and-Forward，DF）中继节点R={R₁，…，R_N}和一个目的节点D，所有节点均为单天线设备。假设由于障碍物或深度衰落，S和D之间直连链路不存在，即S和D通信均是通过选择的中继R_n，1≤n≤N。整个通信阶段分为两个时隙：第一个时隙，源节点发送数据信息到选择的中继节点R_n；第二个时隙，R_n译码接收信息并转发到目的节点。基于上述通信系统，详细介绍随机中继选择、部分中继选择及最优中继选择。

（1）随机中继选择

为了分析的完整性，首先将随机中继选择作为基准进行比较。本节考虑DF中继网络，研究了双跳DF多中继网络的中下随机中继选择方案。

对于随机中继选择方案，通信系统随机地在通信系统中选择一个中继用于传输，则SNR的数学表达式为

其中，和分别为源节点与中继节点和中继节点与目的节点之间的SINR。

（2）部分中继选择

在一些实际的系统中，节点只能获得一个单跳信道信息，如无线传感器网络、自组织网络、网状网络等。为此，研究者提出基于单跳信道链路质量的部分中继选择方案。在部分中继选择方案中，源节点至选择的中继节点或者选择的中继节点至目的节点的任意一条链路质量作为选择依据。在此，假设以源节点至选择的中继节点为选择对象，则所选择的最优中继序号可表示为

其中，n∗为选择的最优中继序号，为源S到第n个中继R_n之间的信干噪比。

（3）最优中继选择

为了降低实现复杂度和提高频谱效率，研究提出一种基于双跳链路质量的最优中继选择方案。在最优中继选择方案中，最优的中继通过源节点至中继节点和中继节点至目的节点的链路质量最优值来选择，则所选择的最优中继序号可以表示为

其中，为第n个中继R_n到目的节点D之间的信干噪比。

基于上述，本书将在后面章节中对NOMA系统的传输方案及衰落性能进行分析，例如中断概率、信道容量、吞吐量、能量效率等。