0、引言
目前，隨著無線移動(dòng)通信技術(shù)的快速發(fā)展，各種新技術(shù)層出不窮。 回顧移動(dòng)通信發(fā)展過程，第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)由于提出了蜂窩小區(qū)結(jié)構(gòu)、終端移動(dòng)管理、漫游與切換等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了在移動(dòng)中通信;第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)開始使用數(shù)字通信技術(shù),基于數(shù)字信號處理技術(shù)和專用芯片，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的小型化和大量用戶接入，使移動(dòng)通信迅速普及;第三代移動(dòng)通信充分應(yīng)用自適應(yīng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)寬帶高速的要求，調(diào)制自適應(yīng)、編碼自適應(yīng)、信道自適應(yīng)、接入自適應(yīng)、業(yè)務(wù)自適應(yīng)等,實(shí)現(xiàn)了傳輸鏈路和通信系統(tǒng)的高效率。
在 B3G/4G 移動(dòng)通信中，若要實(shí)現(xiàn)更高寬帶和更高速率，就必須利用一切可能的資源:頻率、時(shí)間、編碼、功率、空間等。 其中，空間資源還沒有有效利用，是 4G 可能開發(fā)利用的新天地。 充分利用空間地理分布下的分布技術(shù)和系統(tǒng), 將可能成為未來無線移動(dòng)通信的重要技術(shù)特征。 近年發(fā)展起來的 MIMO 技術(shù)、協(xié)作通信(cooperative communications ,CC)技術(shù)、認(rèn)知無線電（cognitive
radio)技 術(shù) 等,在資源的充分調(diào)度和利用 、處理能力的綜合與提高、傳輸能力性能的改善等方面十分有效和突出，是新興的無線移動(dòng)通信技術(shù)[1]。
MIMO 系統(tǒng)可以提供發(fā)射分集增益， 因此該技術(shù)得到愈來愈廣泛的關(guān)注。 在蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)基站中，使用該技術(shù)可以獲得發(fā)射分集增益，但由于受系統(tǒng)設(shè)備尺寸、硬件復(fù)雜度和成本等限制，移動(dòng)臺(tái)一般僅有單根天線。 為此，我們提出了協(xié)作通信技術(shù)， 該技術(shù)可以使具有單根天線的移動(dòng)臺(tái)獲得類似 MIMO 系統(tǒng)的增益。 其基本思想是在多用戶環(huán)境中，具有單根天線的移動(dòng)臺(tái)可以按一定方式共享彼此天線，從而產(chǎn)生虛擬MIMO 系統(tǒng)，獲得發(fā)射分集增益[2]。
在 B3G/ 4G 無線通信的上行傳輸系統(tǒng)中，協(xié)作通信技術(shù)可以克服移動(dòng)終端的尺寸和成本限制，利用小區(qū)內(nèi)分散的用戶天線協(xié)作傳輸相同的信息, 獲得與多天線技術(shù)相似的空間分集效果,因而備受關(guān)注[3]。認(rèn)知無線電能夠靈敏地感知周圍環(huán)境的變化，通過頻譜感知
功能發(fā)現(xiàn)頻譜空隙，使認(rèn)知無線電能與周圍通信環(huán)境相適應(yīng)[4]。 由于授權(quán)用戶網(wǎng)絡(luò)沒有義務(wù)改變它的結(jié)構(gòu)來與認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)共享頻譜，因此，認(rèn)知無線電只能獨(dú)立地通過連續(xù)的頻譜感知對授權(quán)用戶進(jìn)行探測。 所以， 頻譜感知是認(rèn)知無線電的一項(xiàng)核心功能。協(xié)作通信有很大的潛力被認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)所采用， 并且已經(jīng)被應(yīng)用于提高認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)頻譜感知的可靠性能[5] [6]。 認(rèn)知無線電用戶可以彼此中繼收到的主要信號， 從而更加可靠的感知本地的主要活動(dòng)。 協(xié)作通信也可以被應(yīng)用于認(rèn)知無線電用戶的數(shù)據(jù)傳輸，這也許會(huì)面對認(rèn)知無線電環(huán)境的新的挑戰(zhàn)。 在本文中我們對協(xié)作通信在認(rèn)知無線電中的應(yīng)用進(jìn)行初步討論和分析。
1、協(xié)作通信
圖 1 是兩個(gè)移動(dòng)臺(tái)與同一基站的通信， 移動(dòng)臺(tái)分別稱為用戶 1 和用戶 2，基站稱為 BS。 每個(gè)移動(dòng)臺(tái)只有單根天線，因此各自無法產(chǎn)生空間分集。 但是，如果某個(gè)移動(dòng)臺(tái)可以接收其他移動(dòng)臺(tái)數(shù)據(jù)，并將得到的數(shù)據(jù)以某種形式隨自身數(shù)據(jù)一起發(fā)送，而來自兩個(gè)移動(dòng)臺(tái)的衰落路徑可以統(tǒng)計(jì)獨(dú)立， 這樣便可以產(chǎn)生空間分集。 在移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的協(xié)作通信中，通過協(xié)作可以明顯改善比特差錯(cuò)率、塊差錯(cuò)率甚至中斷概率等用戶業(yè)務(wù)質(zhì)量問題。 在協(xié)作通信系統(tǒng)中，每個(gè)用戶既要發(fā)送自己的數(shù)據(jù)，同時(shí)也要作為其他用戶的協(xié)作代理（見圖 1）。
圖1.兩個(gè)用戶的協(xié)作通信
圖 1. 兩個(gè)用戶的協(xié)作通信
很明顯，協(xié)作機(jī)制將導(dǎo)致碼速率和發(fā)射功率的折衷。 就功率而言，一方面，在進(jìn)行協(xié)作通信時(shí)，由于每個(gè)用戶既要發(fā)射自身數(shù)據(jù)，又要中繼其他用戶數(shù)據(jù)，所以需要更高功率；另一方面，由于產(chǎn)生了分集增益，每個(gè)用戶基本發(fā)射功率可以適當(dāng)減小。 速率也存在同樣問題，在協(xié)作通信時(shí)，雖然每個(gè)用戶既要發(fā)送自身數(shù)據(jù)，又要中繼其他伙伴數(shù)據(jù)，但由于產(chǎn)生了協(xié)作分集 ，每個(gè)用戶的頻譜效率都得到改善，信道碼速率由此提高。 這也形成了一個(gè)折衷。 有人把協(xié)作通信看作功率和帶寬的聯(lián)合博弈。 協(xié)作前提是對用戶功率和帶寬采取某種分配策略改善系統(tǒng)性能。 在資源協(xié)作分配中，每個(gè)用戶都為其他多個(gè)用戶發(fā)送數(shù)據(jù)[2]。協(xié)作通信基本思想可以追溯到 Cover 和 ELGamaL 關(guān)于中繼信道的信息論特性。 然而，協(xié)作通信在很多方面與中繼信道存在差異。 首先，目前協(xié)作通信的研究集中在如何產(chǎn)生克服衰落的分集，Cover 和 EL GamaL 主要分析在加性白高斯噪聲信道（AWGN）
下的信道容量；其次，中繼信道的中繼目的是為了幫助主信道 ，協(xié)作通信整個(gè)系統(tǒng)資源是固定的，用戶既是信息源又是中繼者。協(xié)作通信中信號處理方法主要有： 檢測轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制、 放大轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制和編碼協(xié)作機(jī)制。
2.認(rèn)知無線電中的協(xié)作通信
認(rèn)知無線電對于有限頻譜資源的利用是一個(gè)新型的選擇 ，允許主要的網(wǎng)絡(luò)和認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò) （次要網(wǎng)絡(luò)） 共享相同的頻譜。 傳統(tǒng)意義上說，認(rèn)知無線電用戶感知無線電環(huán)境，來尋找頻譜空隙（沒有被主要用戶使用的頻段或者時(shí)隙 ），從而開發(fā)出新的傳輸機(jī)會(huì)。 作為基本要求，認(rèn)知無線電用戶不能夠干涉到主要網(wǎng)絡(luò)。換言之，在主要用戶的服務(wù)質(zhì)量（QoS）不受影響的條件下，認(rèn)知無線電用戶就可臨時(shí)占用主要網(wǎng)絡(luò)的頻譜。
2.1 認(rèn)知無線電中的頻譜感知技術(shù)
認(rèn)知無線電一個(gè)基本的認(rèn)知周期要經(jīng)歷如下基本過程 ：感知頻譜環(huán)境、信道識(shí)別、功率控制和頻譜管理[7]。 其中首要任務(wù)是感知頻譜環(huán)境，即空隙頻段的檢測和選擇。 所以，頻譜空隙檢測的可靠方案對于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)是極其重要的。 在認(rèn)知無線電系統(tǒng)中， 認(rèn)知無線電的頻譜感知功能就是感知某個(gè)頻段以判斷該頻段內(nèi)是否有授權(quán)用戶存在， 也即對授權(quán)用戶信號進(jìn)行監(jiān)測。 一般，頻譜感知方法可以歸納為發(fā)射機(jī)檢測、協(xié)作檢測和基于干擾的檢測[8] 。在其中的協(xié)作檢測中， 多個(gè)認(rèn)知無線電用戶將檢測到的信息相互合并，用來檢測授權(quán)用戶。 協(xié)作檢測可以是集中式的，也可以是分布式的。 在集中模式中，認(rèn)知無線電基站負(fù)責(zé)收集各個(gè)認(rèn)知用戶感知到的信息，并檢測頻譜空隙。 相應(yīng)的，分散模式則要求認(rèn)知用戶交互各自的感知信息。 認(rèn)知用戶之間的協(xié)作檢測可以大大減少單個(gè)用戶檢測造成的不確定性， 因此理論上協(xié)作檢測更加準(zhǔn)確[9]。 通常，多徑衰落和遮蔽效應(yīng)是造成檢測性能下降的主要原因， 協(xié)作檢測能夠很大程度上消減多徑衰落和遮蔽效應(yīng)的影響，提高檢測性能。
2.2 基于協(xié)作中繼的認(rèn)知無線電通信
在這部分中，我們討論基于協(xié)作中繼的認(rèn)知無線電通信。
我們針對一個(gè)主次網(wǎng)絡(luò)共存的系統(tǒng)進(jìn)行研究，假設(shè)主要網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)基于時(shí)分多址的蜂窩網(wǎng)絡(luò)， 其基站在不同的時(shí)隙傳輸數(shù)據(jù)到主要用戶 PU。 一個(gè)未獲得頻譜許可的次要網(wǎng)絡(luò)位于主要網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，并且其中的認(rèn)知無線電用戶（例如 CU1）正試圖尋找機(jī)會(huì)接入到次要接入點(diǎn)（AP）中。
主從認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)共存的系統(tǒng)模型
認(rèn)知無線電的一個(gè)重要特征是其可以感知周圍的無線環(huán)境。當(dāng)基站在一個(gè)時(shí)隙中向 PU 傳輸數(shù)據(jù)時(shí)， CU1 可以在其產(chǎn)生的對 PU 的干擾小于干擾溫度的前提下，臨時(shí)占用此時(shí)隙向 AP 傳輸數(shù)據(jù)。 需要注意的是，AP 同時(shí)接收了來自基站的主要信號，其對認(rèn)知無線電鏈路產(chǎn)生干擾。 根據(jù)認(rèn)知無線電
的特征， 我們假設(shè)從基站接收的主要干擾信號可以在 AP 端和認(rèn)知無線電用戶端被完全消除。 顯然，一旦一個(gè)認(rèn)知無線電用戶使用一個(gè)時(shí)隙進(jìn)行傳輸， 那么其將使用最大的允許功率來發(fā)送
數(shù)據(jù)，從而得到最大的吞吐量。 然而，當(dāng)對主要用戶的干擾約束嚴(yán)格存在時(shí)，認(rèn)知無線電用戶的可用傳輸功率將受到很大限制，從而影響吞吐量。CU0 接近于主要網(wǎng)絡(luò)的接收用戶 PU，他與 AP 之間的鏈路由于傳輸功率的約束將無法獲得較高的吞吐量。 CU0 可以通過周圍的認(rèn)知無線電用戶來協(xié)助他進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，比如，CU2 被選中來協(xié)助 CU0 進(jìn)行傳輸。 對于直接認(rèn)知鏈路，主要鏈路使用的
整個(gè)時(shí)隙均被占用。 然而對于基于協(xié)作的認(rèn)知鏈路，整個(gè)時(shí)隙被分為兩個(gè)均等的部分。 在第一部分中，認(rèn)知用戶 CU0 發(fā)送數(shù)據(jù)到 AP 和選擇的中繼 CU2，在第二部分中，中繼 CU2 再次傳輸數(shù)據(jù)到 AP。 最終，AP 結(jié)合在這兩個(gè)時(shí)間間隔中接受到的信號。 在認(rèn)知無線電中繼中 ，我們考慮放 大 和 轉(zhuǎn)發(fā)（AF）模式的協(xié)作 ，也就是說，中繼放大并重發(fā)了第一個(gè)時(shí)間間隔中接收到的數(shù)據(jù)。
3.仿真及性能分析
我們用一個(gè)二維分配模型來做為仿真模型，如圖 3 所示。認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò) AP，認(rèn)知無線電傳輸用戶 CU0，和主要網(wǎng)絡(luò)接收者 PU 分別位于坐標(biāo) (0,0)，(D,0) 和 (D,D/2)。兩個(gè)潛在的認(rèn)知 無 線 電 中 繼 ，CU1 和 CU2, 分 別 位 于 坐 標(biāo)（D/2,D/4）和（D/2,-D/4）。 圖 4 顯示了直接鏈路和基于協(xié)作的鏈路傳輸速率的性能。 很明顯， 通過協(xié)作可以得到較高的傳輸速率。 需要注意的是，如果沒有干擾約束，CU1 和 CU2 在到 CU0 和AP 的鏈路相同時(shí)，可以提供同樣的協(xié)作增益。 但是因?yàn)?CU2 距離 PU 較遠(yuǎn)，可以獲得較大的傳輸功率，來自 CU2 的協(xié)作可以提供比 CU1 更高的增益。
圖 3. 仿真模型
圖3仿真模型
圖 4. 直接鏈路和基于協(xié)作的鏈路傳輸速率比較
4、結(jié)束語