协同网络中的中继节点及其行为

下面开始概括介绍不同中继节点的行为特点，以及在已有的中继协议中中继节点是怎样处理消息的，可以用图1.14进行总结。

图1.14 中继节点的分类及定义

1.6.1.1 节点行为

在协同网络中，中继/协同节点扮演了一个很重要的角色。它们的行为对系统性能有着重要的影响，图1.15给出了一些典型的节点行为，在对称的情况下（左），节点可以是辅助或协同的。非对称结构中（右），此时应选择较好的节点提供帮助。在图1-15所示的例子中，节点行为被分成以下几类：

●自我行为（无帮助）：这是现今无线通信系统中最典型的节点行为。如果节点有数据要传输，它会和基站进行通信；如果该节点自己没有要传输的数据，它就会转为空闲状态，并不会帮助其他有数据传输的节点。其他节点可以视为其竞争者，这是因为分配给某一节点资源的增加意味着分配给其他节点资源的减少。采用这种设计方式的网络中，处于较好无线信道条件下的节点会获得较高的速率，而处于较差信道条件下的节点的通信速率会比较低。

●辅助行为（非直接帮助）：这种节点行为在ad hoc通信中很常见，源节点的数据会通过中继节点到达目的节点，而中继节点本身没有数据要传输。基于辅助中继的思想已经在蜂窝系统得到了应用，例如在LTE和WiMAX中。很显然，在这种情况下，中继节点不会获得性能增益——因为它只是在帮助源节点。然而从长期的角度看，该中继节点也是可以从其他中继节点的协助中受益的。

●协同行为（相互帮助）：真正的协同行为是通过多节点的相互帮助来体现的，所有涉及到的节点都有数据要传输，而且会尽量使传输成功。协同节点的系统设计还有很长的路要走。协同通信使信道条件差的节点获得了可接受的信道质量和足够的通信速率。

图1.15 典型的节点行为

未来网络会综合这三种不同行为的节点。总而言之，协同程度越高，获得的性能就越好，当然这种机制的建立和维持也会越复杂。

1.6.1.2 透明中继协议

在此方面，已有大量的文献阐述了各种各样的中继方法。这些方法大致可分为两类，透明中继协议和再生中继协议。

使用透明中继协议时，中继并没对接收信号所携带的消息进行修改，而只是进行了非常简单的操作，例如放大、相位旋转等。因为对信号没有进行数字处理，所以只是从一个频段接收模拟信号，然后放大后在另一个频段进行重传。属于透明中继协议的有：

●放大与转发（AF）：作为一种简单而且普遍的中继方法，中继接收信号后在数字域进行放大，然后移到另外一个频段重新发送。这里会用到不同的放大因子，关于这部分内容将在下面的章节进行讨论。

●线性处理与转发（LF）：这种中继方法包含了一些对放大后的模拟信号简单的线性操作。比如进行相位偏移，以便于实现分布式波束成型。

●非线性处理与转发（nLF）：这种方法目前还不成熟，它是在重传接收到的模拟信号之前，先进行非线性的操作。一个应用例子是对接收的信号进行非线性放大，以达到减少端到端之间的错误率^[79，80]。

中继传输协议的一个重要设计点便是中继放大因子的选择，可以有以下几种不同的考虑：

●恒定输出功率：中继传输节点会以恒定的功率进行传输，该功率是在节点设计时就设定好的。这是中继传输的最简单的一种实现方法，和固定/可变增益放大方法相比，这是一种次优的方法。

●固定增益放大：中继节点会在一定时间段内，根据信道的长期统计值来设置固定增益值。例如，最典型的做法就是把增益因子设为源节点与中继节点间信道平均增益的倒数。在信道条件较差时，可采用较大的增益因子，以产生较高的输出功率。同时，因为中继也有最大传输功率的限制，因此放大过程中可能会对转发信号产生限幅效应。(www.xing528.com)

●可变增益放大：增益因子根据信道的瞬时变化随时进行调整，这一点和固定增益放大不同。例如：增益因子设为源和中继节点间信道瞬时增益的倒数。这种情况下可能产生大的增益因子并带来限幅效应。本书第3章将讨论到，为了实现分集增益，必须采用可变增益放大的设计方法。

1.6.1.3 再生中继协议

在再生中继协议中，信息（比特）和波形（采样值）均进行了调整，而这种调整需要数字基带处理和更强大的硬件支持。因此再生中继一般情况下要优于透明中继方法。一些典型的再生中继的例子有：

●估计转发（EF）：中继利用一些检测算法恢复原始信号，并将它进行放大、下变频到基带，然后将这个被估计的信号重传。例如：EF中继节点估计调制的信号，然后以相同或是不同的调制方案进行重传。

●压缩转发（CF）：这种方法类似于EF协议，只不过它向目的节点转发的是检测到的信息流的压缩版本。这就会涉及到采样信号样值的信源编码的形式。当执行压缩的中继节点距离目的节点较近时，会达到容量和性能的最优。

●译码转发（DF）。这是除透明中继协议外的主流协议，中继检测到信号后首先进行信道译码，再重新进行信道编码，然后重传。我们将在第4章阐述目前已有的DF协议。在大量的应用中，DF方法在错误率等方面都表现出较好的性能。

●消除转发（PF）：现代通信系统经常被设计为干扰受限而不是噪声受限。这种设计原则也可以应用于协同系统。PF协议允许不同中继数据流之间存在干扰，但在每个中继节点处尽可能消除这些干扰。

●聚集转发（GF）：也称为汇集转发。它是CF协议的扩展，它不仅是基于采样值进行信源编码，同时直接对信息本身进行信源编码，但这样就需要将数据累积一段时间后才能进行处理。

表1.2总结了这两大类中继协议，并列出了主要的例子。大部分例子会在本书的后续部分进行阐述。

表1.2 两种中继协议的示例

对于再生中继协议，有大量的参数/因素需要进行优化设计，这些重要的参数/因素如下：

●信道编码的选择：信道编码对通信系统的性能有着深远的影响。实际上它是以增加编译码复杂度和功率来换取编码增益的，编码增益体现为可降低发射功率。若中继不采用信道编码，那么虽然复杂度降低了，但性能也会变差。网络设计者对于信道编码有众多的选择：分组码、网格码、级联码等。分组码能纠正一定数量的错误但不会很多（例如：255 bit的编码块能纠正3 bit错误），网格码能以一定的可能性纠正给定的错误密度（例如：每10 bit一个错误）。

●交织的选择：交织是将输入比特流进行重排后输出，其作用是将连续的错误打散，以便于进行纠正。所以交织主要应用于连续多个符号时间内信道调剂基本不变的衰落环境中。交织的设计应该在性能和存储器需求之间取得平衡，长的交织器可以使错误更加随机化，但也需要大的存储器来存储比特。因此在信道条件较平稳或存储器较小的嵌入式系统条件下，可不使用交织器，或使用简单的行输入列输出的块交织器，或是使用随机重排输入比特的随机交织器。

●波形和调制的选择：中继设计中的一个重要因素是调制方法的选择，具体包括三个方面。第一，系统必须选择是单载波还是多载波调制。前者是传统的调制方法，后者以OFDM为例。多载波调制机制对于功放非线性度是非常敏感的，因此放大器的成本要很高。第二，是用相关调制还是差分调制。前者是对幅度和相位信息进行编码，而后者只是对相位信息进行编码。这对接收机的设计和性能有着深远的影响。相关调制比差分调制性能要好，但这是以接收端配备可靠的信道估计为代价的。差分调制不需要任何的信道估计，因此它比较适用于信道变化较快的环境中。第三，调制阶数是另一个重要因素，高的调制阶数有着较高的频谱利用率，当然对噪声和干扰就更敏感。

●空时处理的选择：采用多天线或是多个中继节点来实现分布式空时中继时，可以选择使用大量的空时处理技术。到目前为止，可以使用的技术有：分布式空时分组码（STBC）、空时网格码（STTC）、分层空时码（LSTC）和波束赋形。其中波束赋形是唯一需要反馈信道的。当然，对于其他技术也可以采用一些基于反馈的方法，例如注水或预编码机制，以提升性能。STBC有分集增益但无编码增益；STTC具有复用增益和分集增益；LSTC只有复用增益。还有许多类的编码可以获得分集和复用增益，这些码字需要强散射的信道环境以充分利用MIMO技术。相反，波束赋形是将能量汇聚到给定的空间方向上进行信息传输，因此更适用于稀疏散射的信道环境。

●功率控制：除此之外，再生中继可能采用自适应放大因子进行功率控制，以达到控制干扰影响的目的。显而易见，大的发射功率可以增大通信范围，同时也会对更多节点产生干扰。

●接收机的选择：如今有很多种类的接收机和检测算法，譬如简单的门限检测器，迫零（ZF）和最小均方误差（MMSE）接收机，复杂的干扰消除接收机等。

与透明中继相比，再生中继的设计具有更大的自由度。再生中继的性能优于透明中继。但再生中继系统的优化是一个十分复杂的过程。