协同通信系统的分类与应用场景

本章概要性地介绍了协同通信系统，并对其进行了分类。在本章里我们讨论了以下内容：

（1）基本问题

首先，协同通信能获得路径损耗增益、分集增益和复用增益，其中路径损耗增益通常比其他两个增益大一个数量级。为了充分利用这些增益，我们研究适合于协同通信的物理层技术，并分析无线信道如何影响这些技术的性能，以及如何采用适合的硬件平台来实现这些技术。所有这些都是写作本书的出发点。

由于目前缺少对协同通信的通用分类，我们引入了一些经典的系统架构作为本书所研究的协同通信系统的基础。对这些拓扑结构进行适当组合就可方便地构建具有不同结构的协同通信系统。协同协议设计时首先需确定是采用透明中继方式还是再生中继方式，其中透明中继方式下中继对接收信号进行简单的放大并转发，而再生中继方式下中继将对接收信号进行数字域的处理。由于对中继方式进行选择是十分重要的环节，因此我们在对本书结构进行设计时，将各章的内容按两种中继方式分别进行阐述。本书结构设计的另一个重要因素是根据系统采用传统中继结构还是空时处理中继结构来进行分析，其中传统中继结构通过若干串行和/或并行中继实现，而空时传输处理中继结构则通过若干节点实施某种类型的分布式空时处理来实现。此外还考虑了一些重要的参数，例如直传链路是否存在、协同度等。

本章给出了一些应用场景的实例，包括蜂窝系统、WLAN和WSN系统。可以看到，采用协同通信技术后，蜂窝系统和WLAN系统可提高覆盖率和/或容量，而WSN系统和嵌入式系统通常只提高了覆盖性能。

（2）协同技术的利弊

我们进一步讨论了无线通信网络引入协同所带来的系统层面的利弊。总体来说，引入协同能获得性能增益，能提供更好的和更公平的全网服务质量，能够实现更灵活的部署，同时大幅节约成本。但是引入协同也将带来若干不便，比如更复杂的调度算法、系统负荷的增加、快速寻找合适的中继协同伙伴节点的困难性、额外的中继流量、端到端时延的增加、更多的系统同步需求等。因此，我们不得不探讨在这两方面因素间折中的问题，诸如覆盖和系统容量，算法和硬件实现复杂度，干扰、部署费用及难度和系统性能之间的折中。(www.xing528.com)

我们在香农信息论意义上定量分析协同通信的性能增益，即考察各态遍历信道的信道容量和非遍历信道的中断概率。从分析结果中同样可看出协同不仅提升了系统速率容限，而且降低了系统中断的概率，从而为实际的物理层协议设计提供了信息理论方面的支持。本章还进一步探讨了协同系统中的分集复用折中技术，结果表明协同引入的分集增益可转化为系统速率的提升，反之亦然。

（3）分类体系

协同通信系统的分类是本章的重点内容之一，分类方法与中继节点本身、中继前一跳节点的接入方式，以及整体组网方式有关。关于节点类型，主要考虑节点的属性（独立节点、辅助节点或协同节点），透明中继机制（AF、LF等），再生中继机制（EF、CF、DF等）等因素；在这些因素中，我们着重考虑最重要的设计参数。关于接入方式类型，主要考虑点对点链路的双工方式（FDD、TDD和全新提出的DFD），中继链路的双工方式（FDR、TDR和DFR），接入协议（TDMA，FDMA，CDMA，CSMA等），资源分配的策略（基于时间、频率、码字等）等。关于协同组网类型，主要依照信息流链路类型（直传链路、串行链路、空时传输链路以及上述的混合链路）进行分类，同时着重考虑组网方面相关的重要设计参数。最后我们对系统进行分析与综合，指出哪些参数通常比较重要，如何分析和综合考虑这些参数。多元参数的综合分析对于系统设计者来说尤为重要。

（4）发展的里程碑

本章的剩余部分主要介绍支持中继、协同中继、分布式空时中继领域的发展历史中的里程碑事件。尽管中继协议几乎一个世纪前就广为工程师们所熟知，但是近几年来Cover、Ga-mal和Laneman等学者在信息理论方面的重要研究成果让协同通信理论重焕新机。

本章内容为后续关于信道建模、物理层协议和硬件实现等各章的铺垫。