多址接入方法1.6.2优化方案

无线传输介质本质上都存在广播的特性，也就是说一个节点发送信息，在一定范围内的其他节点都可以监听到该信号。为了减少干扰以实现两个特定节点之间的通信，需要采用适当的多址接入技术。这些多址接入技术需要考虑如下因素：

●双工方法：传统的双工指的是发送和接收之间的通信方式，就是它们是否能同时通信。协同系统由于使用了中继，传统双工的定义将被更新。

●接入协调：协调是必要的，它可以保证潜在的发射机能接入系统，并且在信息到达接收机的过程中，不会产生干扰或是被干扰。

●资源分配：另一个要考虑的因素是给每个发射机分配什么资源，分配多少资源。现在，我们开始在协同中继系统中详细地讨论这些问题。

1.6.2.1 双工方法

双工起源于有线通信。双工通信系统由两个可以双向通信的设备组成。这些设备既可以同时通信，也可以不同时通信。前者称为全双工系统，如旧的电话系统（POTS），后者称为半双工系统，如公寓的对讲机系统。

将这个定义扩展到无线领域就出现了很多混淆，产生了不同的关于双工的定义。理解全双工系统中“同时”的定义是非常重要的，它基于业务来定义并且比较主观。例如：从工程的角度看POTS是一个全双工系统，但是由于长距离传输产生的信号时延，从用户的角度并不能感受到全双工。因此，只有业务时延保持在一定的范围内，两端的用户才能感觉到“同时”，这就允许了在实践中双工系统可通过不同的技术来模拟。

●频分双工（FDD）：如果两个连接设备在不同的频段进行接收和发送信息流，理论上，允许两端设备同时通信，那么这是真正意义上的全双工工作。然而在实际系统中，接收端通常是在一个频段上译码处理接收到的信息，之后会转到下一个频段进行响应，但这个时延可以忽略。实践中的FDD系统有效地模拟了全双工系统。另一方面，这些频段被称为频率载波，通过频率偏移来区分。一般来讲，如果两端有相同的业务或是信号传播时延较大，系统将会设计成FDD，因为TDD系统需要较长的时间保护带。

●时分双工（TDD）：如果两端的设备在相同的频段上接收和发送信息流，这样，在一个时间上只能有一个设备在通信，那么这就是理论上的半双工。在实际的数字系统中，两个半双工流之间的时延非常小，因而可以有效地模拟一个全双工系统。例如，无绳电话系统工作在TDD下，但也成功地模拟了全双工系统。一般来讲，TDD系统较适用于业务流非常不对等的情况，因为它可为业务多的设备多分配一些通信时间。

●自由双工（DFD）：在有线系统中，两端设备在同一频段上同时进行双向通信已经被广泛采用，但在无线系统中却没有。其中主要的问题在于硬件的实现上，需要防止高功率发射信号影响接收低功率信号的情况^[81]。一种解决方法是将发射天线和接收天线放置得足够远，但这显然不是一个好方案。其他可能的解决方法将在第5章进行介绍。与TDD和FDD相比，DFD如果可以真正地实现，则它可以模拟成一个全双工系统，而且有更高的频谱利用率。

对于协同中继系统双工过程的介绍将比较复杂，其主要原因是，双工这个词源于只有两个设备被连接的情况。复用这个概念并没有使用，这是因为中继节点并不需要在同一媒质上同时传输多个信号。然而，习惯地认为如果中继可以同时在同一频段上接收并转发信号，则称为全双工中继；假如中继接收与转发只符合同时或同一频段这两个条件之一，那就称为半双工中继^[82]。这与应用于传统链路的双工概念是不同的，因为后者并不要求同时转发。类似于链路级双工的具体实现，我们在中继上也使用如下关于双工的定义：

●时分复用中继（TDR）：协同中继的输入和输出数据流是通过时间来区分的，它们被分配到不同的时隙上，因此实现了一个半双工系统。输入和输出数据流不一定要在同一频段上。这就预留了足够的时间来处理一个时隙或包的信息。因此，TDR在再生中继协议中的使用非常普遍。需要注意的是，接收和转发的时隙长度并不一定要相等。例如，如果从源节点到中继节点的信道条件较中继节点到目的节点的条件差，DF协议可以在第二跳采用更高的调制方式，因此可使用更少的时隙长度来转发一个分组包。另外，在接收和转发帧之间会有一个小的时间间隔，这主要是考虑分组的处理时延以及射频电路从接收到发送的转换时间。

●频分复用中继（FDR）：接收和转发中继流是在不同频段上传输的，因此是一个半双工中继的实现。输入和输出流可以不在同一时间进行传输。如果在同一时间，这就转化成大家熟知的带外/信道外中继^[83]。FDR既适用于再生中继协议，也适用于透明中继协议。同样，接收和中继转发所用的频带和分组持续的时间也不要求一样。

●自由复用中继（DFR）：中继的接收和转发是在同一时间、同一频段上，这实现了全双工复用，也被称为带内中继。在蜂窝系统中，这类中继只作为一个简单的转发器以扩展覆盖范围，也被称为同频中继^[84-86]；用于干扰消除系统（ICS）中时，转发器会复杂一些^[87]；广播系统也可采用此类中继，被称为同道转发^[88]。目前这些技术中中继的收发都是采用不同的天线，因而也可以叫做空分中继。但对于外形尺寸较小的中继节点，还是希望采用单天线解决方案。DFR系统通常采用简单的AF协议，这对于硬件的要求不会很高，这会在第5章具体阐述。未来系统也可能会选择译码后再编码这种带有轻微延时的转发方式，当然也就需要选择编译码技术，这将在第4章讨论。

DFR的频谱效率较高，但从技术的角度看要求非常严格。另一方面，TDR和FDR分别需要额外的时隙和频段，从而降低了协同中继系统的频谱利用率。频谱利用率会随着中继数目的增加而降低。在本书后面将阐述频谱效率的损耗可以被协同增益所补偿。

基于FDD/TDD/DFD和FDR/TDR/DFR方式的组合，可以支持真正的全双工、半双工或是模拟的全双工系统，将在后续章节进一步讨论。

1.6.2.2 多址接入协议

系统中如果存在多个用户，或存在至少一个中继，就需要引入适合的多址接入协议，否则它们在传输时相互之间就会产生干扰。典型的信道配置方式如图1.16所示。

图1.16 典型的接入信道：单播、广播、多址接入、干扰信道

●点到点（单播）：并不需要真正的多址接入方法，点到点信道是由源和目的节点之间的直接信道组成的。

●点到多点（广播）：一个源节点以广播方式和多个目的节点进行通信。例如基站和多个移动台进行通信时，可以向所有移动台广播相同的消息，也可向指定的移动台单播不同的消息。

●多点到单点（多址接入）：多个源节点和一个目的节点进行通信，典型的例子是多个用户和一个基站进行通信。

●多点到多点（干扰信道）：这是最常见的情况，多个源节点和多个目的节点进行通信。这也是通常所说的干扰信道，因为来自两个源的信息流在到达两个目的节点时都会相互干扰。

广播、多址接入和干扰信道等实际情况可以通过传统的多址接入协议实现，并可以分为基于预留和基于竞争的协议：前者主要用在集中式系统中，这时资源可以提前预留给一个用户并且业务数据也比较有规律；后者主要用在非集中式系统中，这时信息流是突发性的并且用户需要竞争资源。

基于预留的多址协议的例子如下：

●时分多址接入（TDMA）：不同的用户和中继信息流基于时隙进行调度。例如，源和目的节点之间的直传链路被分配使用第一时隙，中继链路被分配使用第二时隙。

●频分多址接入：不同的用户和中继信息流基于不同的频带进行调度与传输。例如，源和目的节点的直传链路被分配使用一个频带，中继链路用另外一个频带。在实际系统中，这里的频带也被称做频率信道。

●码分多址接入（CDMA）：不同的用户和中继信息采用了不同的扩频序列（理想情况下应该正交）。例如源到目的节点的链路采用一个扩频码，而中继链路使用另外一个。这种方法允许所有信息流在同一频段或是同一时间进行通信，但经常需要进行功率控制，这在分布式协同网络中不太容易实现。

●正交频分多址接入（OFDMA）：不同用户和中继信息流采用不同的频率子载波。例如，一个协同节点的自身信息流和转发信息流分别分配在不同的子载波上进行传输。中继节点可以决定是否将输入信息从原先承载的子载波上搬移到其他子载波上，以最大化端到端的性能。

●多载波CDMA（MC-CDMA）：这种接入方法结合了OFDM和CDMA，当然也可以与OFDMA联合使用。其主要思想是对一个用户或中继的数据——可能在多个频率子载波上或在多个时域符号上，使用唯一的扩频码进行扩频。这种接入方法很灵活但并不容易实现。

在基于竞争的协议中，通常假设用户使用相同的频率、码字和时间资源，这也意味着基于竞争的协议会采用TDD或TDR双工方式。属于这种接入方法的典型例子如下：(www.xing528.com)

●ALOHA：这应该算是第一个基于竞争的协议，它的主导思想是数据在发送端可以被缓存，如果接收端没有收到（由于糟糕的无线信道或是碰撞），数据将在稍后重发。这种方法简单，但是效率相当低。

●CSMA：作为ALOHA的改进，CSMA在发送前会先监听信道。如果检测到信道被占用，它将使用回退算法稍后重试。如果检测到信道空闲，就会进行传输。CSMA的效率优于ALOHA，但是与基于预留的协议相比，效率还是低。

1.6.2.3 资源分配策略

一个系统的双工方式和多址接入协议一旦确定，每个源节点和中继节点会被分配使用频率、时间、码字和功率等形式的资源。以下讨论典型的分配方法：

●时隙：如果一个设备有很多业务要传输，那么就可以为它分配更多的时隙。比如一个设备除了要传输自己的业务还要传输中继业务。

●频带：设备可以被分配一定数目的频带。在系统应用中，需要设计算法选择最优的频带。

●发送功率：另外一个提高信号传输可靠性的方法就是增加传输发送设备的发送功率，但这样实际上对于整个网络是不利的，因为提高发送功率会带来额外的干扰。不过这种方法可以用来提高设备或业务流的优先级。

●码字数目：在CDMA系统中，一个链路如果需要更多的资源就可以为它分配更多的码字。这种方法现在用于3GPP的HSDPA的多码传输中。

●子载波的选择：如果源节点支持子载波的调度，那就允许在信道质量好的子载波上使用高阶调制。中继节点也可以采用这种方法，根据中继到目的节点的信道质量来实现这种子载波的分配。

●持续概率：在基于竞争的协议中，回退算法的持续概率会影响为设备有效地分配资源。这个参数依赖于很多因素，例如竞争业务和节点的数量。在图1.17中总结了所讨论的这些因素。

1.6.2.4 典型的接入配置

协同中继网络中双工方法、接入协议、资源分配算法的选择是非常灵活的。我们将在下面两种场景中阐述一些典型的接入配置，一种场景是中继原先就是系统的一部分，另一种是中继后期加入系统。

●预先加入中继。预先加入中继时对接入机制设计的影响如下：首先，为了减少干扰，系统需要采用功率控制，但这样也使得源和目的节点之间的直传链路不能够存在。这样的优化处理虽然在链路级的效果不是很好，但在系统级会产生很大的增益，在对文献[89]中讨论的基于竞争的MAC协议从容量的角度来分析文献[90]就可以发现这一点；其次，中继可以被视为工作在一个全双工系统中，这里双工并不仅仅针对源节点和目的节点而言，而是指任意两个通信节点之间。这就产生了如图1.18所示的两跳中继的场景示例，该图描述了包含一个基站（BS）、两个移动台（MS）和两个中继站（RS）的接入系统。图中的BS#1down表示从BS传输到RS#1的包，而RS#1-down则表示从RS#1到MS#1的包。从该图可以看出，图中包含了两个上行（up）和下行（down）链路，但在BS和MS之间没有直传链路。

图1.17 有关多址接入解决的分类和定义

图1.18 两跳中继场景示例

在TDD/TDR双工方式下，TDMA、FDMA和CDMA多址接入协议的配置如图1.19所示。显而易见，还存在更多的组合可能，例如：FDMA可以采用更多的频率信道实现；在FDMA和CDMA情况下，用户1上行和用户2下行可同时被调度以降低干扰。采用TDMA、FDMA和CDMA作为多址接入协议的TDD/FDR、FDD/TDR和FDD/FDR系统分别如图1.20～1.22所示。要注意的是，并不是所有的组合都是最佳的，并且这里也并没给出所有的组合。基于DFD和DFR的组合情况可以从上述的帧结构中很容易地获得，这里就不做介绍了。

图1.19 TDMA、FDMA和CDMA作为多址接入协议的TDD/TDR配置

注：TDMA只需要一个频率信道，但是和其他方法相比需要两次持续时间；FDMA的实现需要两个频率信道；CDMA每个用户需要使用半功率来实现对比

图1.20 TDMA、FDMA和CDMA作为多址接入协议的TDD/FDR配置

注：对时延有限制的应用，CDMA显然是最好的选择

●后期加入中继。在一个已经设计好的、具有特定的载波和信道结构的系统中再加入中继，会限制多址接入机制的应用。这是因为在这种情况下源和目的节点间的直传链路是存在的，中继要遵守现有链路的接入和双工准则。假设一个类似于图1.18所示的场景，需要在MS和BS之间增加直传链路与相应的双工方式，那么只有如图1.19～图1.21所示的接入配置可以支持。当然，在这种情况下还有更多的组合可能，在此不一一总结。

图1.21 TDMA、FDMA和CDMA作为多址接入协议的FDD/TDR配置

图1.22 TDMA、FDMA和CDMA作为多址接入协议的FDD/FDR配置。

注：CDMA缩短了传输时延

需要说明的是，在Mesh网络中将原有基于时域的调度算法应用到协同节点之间是很容易实现的，这样就形成了上述TDD、TDR双工方式和TDMA接入方式的组合。