楊延平，陳 巍，可 珂，李 鷗

（1.清華大學(xué)電子工程系 北京 100084；2.國家數(shù)字交換系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心 鄭州 450011）

1 引言

移動通信網(wǎng)絡(luò)的高速發(fā)展為用戶提供了多樣的信息服務(wù)，種類和制式多樣的無線通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成了日趨復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。微基站、室內(nèi)覆蓋、中繼站、家庭基站等同制式的無線接入網(wǎng)與WiMAX、2G/3G/LTE網(wǎng)絡(luò)、無線局域網(wǎng)（WLAN）等不同制式的無線接入網(wǎng)共存于高校、商場等城市密集區(qū)域，多種類型無線網(wǎng)絡(luò)的共存形成了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)（heterogeneous network），而各種不同類型網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)特性導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)間互聯(lián)、協(xié)作融合的研究問題已成為現(xiàn)階段通信領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，宏基站和微基站、小區(qū)間的負(fù)載分布、頻譜資源分配、功率資源分配、系統(tǒng)間的干擾協(xié)調(diào)和保密通信等十分復(fù)雜和關(guān)鍵。從制式上講，多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間需要統(tǒng)一的管理機(jī)制和相應(yīng)的功能模塊來解決復(fù)雜的接入問題；從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和實(shí)際設(shè)計上講，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)需要結(jié)合成本和能源消耗探索合適的技術(shù)。

認(rèn)知協(xié)同通信是具備自主感知、自適應(yīng)和頻譜資源管理能力的無線電技術(shù)，能夠有效地分析和學(xué)習(xí)周圍的無線環(huán)境和用戶行為，通過調(diào)整系統(tǒng)的參數(shù)來選擇最佳狀態(tài)以適應(yīng)周圍環(huán)境，從而提高頻譜利用率和服務(wù)質(zhì)量。中繼技術(shù)是認(rèn)知協(xié)同通信技術(shù)中最重要的技術(shù)之一，是經(jīng)濟(jì)便捷的網(wǎng)絡(luò)覆蓋方案，目前3GPP在LTE-Advanced已經(jīng)啟動了中繼技術(shù)的研究工作，作為蜂窩網(wǎng)絡(luò)的增強(qiáng)覆蓋技術(shù)。中繼技術(shù)具有以下特點(diǎn)：

·相比光纖等有線網(wǎng)絡(luò)，其具有低成本、安裝方便快捷、控制容易等特點(diǎn)；

·易與宏基站結(jié)合，協(xié)同的中繼為弱覆蓋區(qū)域提供更高的速率，改善宏基站的資源利用率，增加整個系統(tǒng)的容量；

·在微蜂窩/微微蜂窩、家庭基站和中繼協(xié)作等蜂窩網(wǎng)增強(qiáng)方案中，前兩種技術(shù)依賴固定的回傳通道，有著站址選擇和回傳鏈路等限制，無法完全解決小區(qū)邊界和陰影區(qū)域覆蓋問題。此外，微蜂窩需要額外的光纖/微波回路資源，因而布置成本相對較高，家庭基站自由化程度大，管理難度高。而協(xié)作中繼不僅部署靈活、成本低，且具有很強(qiáng)的組網(wǎng)靈活性。

為此，有必要深入挖掘中繼協(xié)作傳輸技術(shù)的潛力，拓展中繼協(xié)作的應(yīng)用場景，如異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合?；趨f(xié)同通信和無線中繼技術(shù)的異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)融合方案，通過集中式的管理和技術(shù)把各種無線網(wǎng)無線融合在一起，能夠充分滿足大部分網(wǎng)絡(luò)和用戶的需求[1]。將中繼技術(shù)作為異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合方案有一些問題尚待解決：

·中繼技術(shù)的優(yōu)勢在于解決覆蓋問題和提升可靠性，在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合中對于增加網(wǎng)絡(luò)容量來講，相比微基站、家庭基站沒有明顯優(yōu)勢；

·中繼在異構(gòu)網(wǎng)中存在鏈路選擇、干擾抑制、自組織自適應(yīng)功能問題，有待進(jìn)一步研究；

·異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)本身規(guī)模大，構(gòu)成復(fù)雜，具有異構(gòu)性、獨(dú)立性、多變性特點(diǎn)，不同類型的業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)的要求不同，因此異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的接入設(shè)計、資源管理、路由、用戶QoS需求以及認(rèn)證和安全技術(shù)等都是待解決的關(guān)鍵問題。

針對協(xié)同中繼技術(shù)和異網(wǎng)融合結(jié)合的相關(guān)技術(shù)難點(diǎn)和需求，以解決異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合中一些重要問題為目的，提出了一種以多向中繼為基礎(chǔ)，以網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)為核心的融合方案，結(jié)合自適應(yīng)調(diào)制、QoS機(jī)制、高效信道編碼等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的非對稱傳輸機(jī)制，提高網(wǎng)絡(luò)的容量和服務(wù)質(zhì)量，并簡化網(wǎng)絡(luò)融合的設(shè)計，為上述問題提供可能的解決方案。

2 認(rèn)知中繼的異構(gòu)網(wǎng)融合：理論到實(shí)踐

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的一般定義為“不同的接入技術(shù)、不同的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、不同的傳輸方案或不同覆蓋范圍的接入點(diǎn)所構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)”。城市密集立體覆蓋網(wǎng)絡(luò)為典型的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)場景，如圖1所示。圖1(a)表示典型的高層建筑室內(nèi)通信高密度異構(gòu)小基站網(wǎng)絡(luò)[2]。此網(wǎng)絡(luò)中主要包含蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)和無線局域網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)面臨的問題主要包括非對稱遮擋、干擾和異網(wǎng)融合等，如圖1(b)所示。中繼基站在此類網(wǎng)絡(luò)中作為同網(wǎng)內(nèi)部和同異網(wǎng)之間銜接的橋梁，起著增加網(wǎng)絡(luò)覆蓋、承載非對稱數(shù)據(jù)交換、網(wǎng)絡(luò)切換、提升服務(wù)質(zhì)量的關(guān)鍵作用。

中繼協(xié)作在擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)覆蓋和提高網(wǎng)絡(luò)可靠性上的優(yōu)勢十分明顯，并且已經(jīng)被產(chǎn)業(yè)界廣泛應(yīng)用，如IEEE 802.16j/m和3GPP、LTE-Advanced等標(biāo)準(zhǔn)都傾向于采用多載波中繼協(xié)作技術(shù)來改善網(wǎng)絡(luò)的覆蓋性和可靠性。中繼協(xié)作的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合是解決無線通信發(fā)展問題的一個重要突破點(diǎn)，以圖1為出發(fā)點(diǎn)，著重分析了該異構(gòu)網(wǎng)融合中的以下幾個關(guān)鍵技術(shù)問題。

圖1 高層建筑室內(nèi)通信高密度異構(gòu)小基站網(wǎng)絡(luò)

·協(xié)同中繼的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合模型設(shè)計。模型設(shè)計之后才能合理地選擇接口，形成可靠的商用異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)。

·異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間的容量低。和中繼以時分雙工方式輪流地進(jìn)行接收和發(fā)送，犧牲了一定的傳輸時間資源，其容量往往低于無中繼的點(diǎn)對點(diǎn)直傳。

·干擾問題十分復(fù)雜。中繼會引入干擾，如基站與中繼，中繼之間的干擾都會降低系統(tǒng)性能，因此需要采用干擾抑制技術(shù)。

·資源分配問題。異構(gòu)網(wǎng)不同用戶的業(yè)務(wù)需求不同,導(dǎo)致了傳輸速率、質(zhì)量要求不同，網(wǎng)絡(luò)資源合理配置和維護(hù)不同特性業(yè)務(wù)的傳輸質(zhì)量等研究十分重要。

·安全性問題。用戶實(shí)現(xiàn)異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)條件下信息的安全傳輸，其前提條件是必須先在異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)鑒權(quán)、認(rèn)證、安全，而無線網(wǎng)絡(luò)自身存在安全缺陷，和異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)時產(chǎn)生安全問題。

·環(huán)境感知、抗衰落和服務(wù)質(zhì)量問題。為了降低部署難度以及提升系統(tǒng)的整體性能，中繼節(jié)點(diǎn)需要具有自適應(yīng)功能。期望中的中繼應(yīng)該是可以降低人工維護(hù)成本、具備感知環(huán)境自優(yōu)化、整體性能有顯著提高的設(shè)備。

針對上述問題，將在第3節(jié)研究基于網(wǎng)絡(luò)編碼和協(xié)同中繼技術(shù)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合，并結(jié)合自適應(yīng)調(diào)制、ARQ跨層設(shè)計、信道編碼等技術(shù)，逐層遞進(jìn)，為上述關(guān)鍵技術(shù)問題提供可能的解決方案，并對相應(yīng)方案進(jìn)行仿真分析驗(yàn)證。

3 認(rèn)知協(xié)同的多向中繼技術(shù)

認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)協(xié)同通信能夠?qū)χ車鸁o線環(huán)境進(jìn)行感知并通過重構(gòu)設(shè)備參數(shù)（調(diào)制方式、發(fā)射功率、工作頻率等），使得網(wǎng)絡(luò)吞吐量、覆蓋范圍、能量有效性等諸多性能顯著提高。研究新的中繼技術(shù)在認(rèn)知協(xié)同通信上有著十分廣闊的應(yīng)用前景，主要提出了基于網(wǎng)絡(luò)編碼的中繼技術(shù)在雙向/多向中繼中的資源分配優(yōu)化方案：首先分析了網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)結(jié)合中繼有效提升網(wǎng)絡(luò)的覆蓋性和可靠性，然后分析了結(jié)合自適應(yīng)技術(shù)、ARQ技術(shù)、信道編碼技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)編碼調(diào)制方案，相應(yīng)解決抗衰落、服務(wù)質(zhì)量、吞吐量問題，為第2節(jié)的技術(shù)問題提供可能的解決方案。

網(wǎng)絡(luò)編碼（network coding）最早由Ahlewde R和YeungR W等人提出，其基本思想是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不僅參與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，還參與數(shù)據(jù)處理，從而大幅提高網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男省⑷萘亢皖B健性。認(rèn)知協(xié)同中繼通信的核心思想是：無線網(wǎng)絡(luò)利用多個中繼節(jié)點(diǎn)完成源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)間的通信。多向中繼網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)發(fā)方式有解碼轉(zhuǎn)發(fā)（DF）和放大轉(zhuǎn)發(fā)（AF），基于中繼的網(wǎng)絡(luò)編碼由于需要在節(jié)點(diǎn)對數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼和從新編碼獲得編碼增益，因此采用DF方式，以最基本的三時隙DF雙向中繼（DF-TWR）模型為基礎(chǔ)，如圖2所示。包含一個中繼節(jié)點(diǎn)和兩用戶，分時隙傳輸，在第一、二時隙兩用戶分別將信息傳輸至中繼節(jié)點(diǎn)，中繼節(jié)點(diǎn)對其進(jìn)行解碼和網(wǎng)絡(luò)編碼，在第三時隙將信息廣播至兩用戶，最后用戶節(jié)點(diǎn)利用自己原有的先驗(yàn)信息解調(diào)出來其需要的信息。

圖2 三時隙解碼轉(zhuǎn)發(fā)雙向中繼模型

3.1 異構(gòu)網(wǎng)的雙/多向中繼技術(shù)

兩用戶單中繼模型是最基本的中繼場景模型，在用戶密集的實(shí)際場景中，往往難以布置太多中繼節(jié)點(diǎn)，因此基本模型的應(yīng)用在用戶數(shù)相對較少的場景能夠應(yīng)對，而在密集區(qū)域的應(yīng)用有限。以兩用戶雙向中繼為基礎(chǔ)，此模型進(jìn)一步可擴(kuò)展為多對用戶的雙向中繼模型，參考文獻(xiàn)[3]通過采用蓋爾芳德平斯克編碼和網(wǎng)絡(luò)編碼相結(jié)合，解決了多個成對用戶的信息互傳問題，參考文獻(xiàn)[4]進(jìn)一步研究了三用戶的多向中繼網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)。由此可見，基于協(xié)同中繼的網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)能夠很好地解決異構(gòu)密集網(wǎng)絡(luò)中的覆蓋問題。

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)決定了用戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流往往是不對等的，如視頻流需要的速度和連續(xù)性要高，而語音服務(wù)對速率要求低但對QoS要求高。網(wǎng)絡(luò)編碼調(diào)制技術(shù)的引入能夠很好地解決非對稱傳輸問題[5]，從而將異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的信息交換簡化為在同一中繼節(jié)點(diǎn)對數(shù)據(jù)流和數(shù)據(jù)分組的操作，實(shí)現(xiàn)基本的融合。

3.2 網(wǎng)絡(luò)編碼的安全性和干擾消除

有研究認(rèn)為，基于先驗(yàn)信息的網(wǎng)絡(luò)編碼可能引發(fā)對安全的擔(dān)憂，由于竊聽的存在可能導(dǎo)致用戶信息泄露[6]。美國麻省理工學(xué)院的Medard教授在研究網(wǎng)絡(luò)編碼時提出，網(wǎng)絡(luò)編碼在執(zhí)行過程中能夠有效地偽裝和承載數(shù)據(jù)，實(shí)際上增強(qiáng)了信息的安全性，相比在網(wǎng)絡(luò)上傳輸不可破譯的算法流的傳統(tǒng)加密技術(shù)更安全。數(shù)據(jù)分組在進(jìn)行混合時，本身就具備了數(shù)據(jù)隱藏功能，具有先驗(yàn)信息的合法用戶才能通過反操作得到期望信息。此外，網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)還能在點(diǎn)對點(diǎn)（P2P）傳輸中檢測惡意攻擊，并糾正錯誤。

干擾消除技術(shù)有基于干擾重構(gòu)/減去技術(shù)和干擾抑制合并接收技術(shù)。基于網(wǎng)絡(luò)編碼的協(xié)同通信技術(shù)允許中繼節(jié)點(diǎn)對經(jīng)過它的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼和網(wǎng)絡(luò)編碼，因而能夠進(jìn)行干擾消除技術(shù)研究，比如基于IDMA的迭代干擾消除技術(shù)。參考文獻(xiàn)[5]提出的基于歐式距離的最大比合并接收（MRC）技術(shù)是接收機(jī)實(shí)現(xiàn)技術(shù)，能夠提升干擾消除效果。

3.3 自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)編碼調(diào)制（ANCM）

異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)特性和用戶業(yè)務(wù)需求意味著不同網(wǎng)絡(luò)面臨的通信環(huán)境相差可能很大，現(xiàn)有的協(xié)議和應(yīng)用不靈活，容易導(dǎo)致資源利用率低下。自適應(yīng)技術(shù)能夠根據(jù)信道狀態(tài)動態(tài)地調(diào)整傳輸速率、發(fā)送功率、編碼方式等，充分地利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)資源，達(dá)到系統(tǒng)容量最大、功耗最小等目標(biāo)。

在圖2所示系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，基于參考文獻(xiàn)[5]所提出的網(wǎng)絡(luò)編碼調(diào)制（network coded modulation，NCM）和參考文獻(xiàn)[7,8]提出的自適應(yīng)調(diào)制編碼（adaptive modulation and coding，AMC），提出聯(lián)合功率—速率可變的網(wǎng)絡(luò)編碼調(diào)制[9]，對下行衰落信道的信道容量進(jìn)行了研究，并通過仿真驗(yàn)證了系統(tǒng)的性能。

圖3給出了自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)編碼調(diào)制的信道模型，參考文獻(xiàn)[9]提出了速率連續(xù)功率連續(xù)的NCM方案，并給出了其衰落信道下可達(dá)容量的解析解，進(jìn)一步提出了離散速率可變功率的NCM方案，由于離散優(yōu)化問題難以得到閉式解，提出次優(yōu)搜索算法，并仿真驗(yàn)證得到其信道容量。從圖4和圖5（QAM調(diào)制方案）可以看出，基于中繼的自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)編碼方案[9]與點(diǎn)對點(diǎn)傳輸方案[7]的信道容量的差別幾乎可以忽略不計，且和固定功率的自適應(yīng)方案相比，其容量更高，尤其在低信噪比條件下。AMC和NCM結(jié)合方案能夠有效解決資源分配問題和提高頻譜利用率。

圖3 自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)編碼調(diào)制系統(tǒng)和信道模型

圖4 自適應(yīng)QAM網(wǎng)絡(luò)編碼調(diào)制（連續(xù)速率）

圖5 自適應(yīng)QAM網(wǎng)絡(luò)編碼調(diào)制（離散速率）

3.4 結(jié)合ANCM和ARQ的跨層設(shè)計研究

自適應(yīng)調(diào)制編碼技術(shù)靈活多變，對于衰落信道的適應(yīng)能力強(qiáng)，然而實(shí)際應(yīng)用中容易受到信道估計誤差和時延的影響。在之前所研究的自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)編碼調(diào)制中，所采用的假設(shè)與參考文獻(xiàn)[7,8]中類似，即假設(shè)了信道估計誤差為0、時延為0，而這在實(shí)際中需要強(qiáng)糾錯機(jī)制來實(shí)現(xiàn)，實(shí)用性有所降低。另一方面，無線通信系統(tǒng)中，用戶對數(shù)據(jù)速率和服務(wù)質(zhì)量（QoS）的要求在不斷提升，自動重傳請求（ARQ）對信道測量誤差和時延不敏感，而且可以在保證系統(tǒng)可靠性的前提下，提高系統(tǒng)的吞吐量[10]，因此結(jié)合AMC和ARQ的鏈路自適應(yīng)技術(shù)能夠進(jìn)一步改善系統(tǒng)的整體性能。參考文獻(xiàn)[11]創(chuàng)新性地提出了AMC-ARQ的跨層設(shè)計，其性能優(yōu)于AMC系統(tǒng)的性能和采用固定編碼的ARQ系統(tǒng)的性能。

基于Goldsmith在參考文獻(xiàn)[12]中提出的自適應(yīng)調(diào)制方案和Liu等在參考文獻(xiàn)[11]中提出的跨層設(shè)計，提出一種自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)編碼—ARQ結(jié)合的跨層設(shè)計方案，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖6所示，并通過仿真證明了系統(tǒng)性能能夠進(jìn)一步提升，仿真結(jié)果如圖7所示。

3.5 結(jié)合TCM/Turbo和ANCM的編碼調(diào)制

傳統(tǒng)的數(shù)字傳輸系統(tǒng)需要通過糾錯編碼來提高信息傳輸?shù)目煽啃裕m錯編碼會帶來頻帶利用率的下降，為了提高頻帶利用率，同時也希望在不增加信道傳輸帶寬的前提下降低差錯率，提出將編碼和調(diào)制結(jié)合設(shè)計的方法，即網(wǎng)格編碼調(diào)制（TCM），這種方法以犧牲設(shè)備的復(fù)雜化為代價換取編碼增益。Turbo是Berrou C等人在1993年首次提出的一種級聯(lián)碼。基本原理是編碼器通過交織器把兩個分量編碼器進(jìn)行并行級聯(lián)，兩個分量編碼器分別輸出相應(yīng)的校驗(yàn)位比特；譯碼器在兩個分量譯碼器之間進(jìn)行迭代譯碼，分量譯碼器之間傳遞去掉正反饋的外信息，這個方法稱為Turbo碼。Turbo碼具有卓越的糾錯性能，性能接近香農(nóng)限，而且編譯碼的復(fù)雜度不高。

圖6 自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)編碼-ARQ系統(tǒng)信道模型

圖7 截斷式ARQ自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)編碼可達(dá)速率

圖8 自適應(yīng)TCM—網(wǎng)絡(luò)編碼調(diào)制的可達(dá)速率（MQAM,M-{0 4 16 64},ω-0.5,BER-10-3）

[13]提出了自適應(yīng)信道編碼的一般模型，參考文獻(xiàn)[14]提出了自適應(yīng)Turbo編碼，兩種方案均極大地提升了點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的性能?；谏鲜鰞煞N方案，分別提出了結(jié)合TCM和Turbo的自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)編碼調(diào)制方案，以獲得更大的編碼增益，由于TCM碼和Turbo碼具有很強(qiáng)的糾錯性能，結(jié)合方案能夠極大提升衰落信道下的網(wǎng)絡(luò)傳輸效率，同時保證信息傳輸?shù)目煽啃?。圖8分析驗(yàn)證了信道編碼對系統(tǒng)性能的提升。

4 基于多向中繼的蜂窩網(wǎng)和WLAN融合

從上述協(xié)同多向中繼技術(shù)方案中不難看出，協(xié)同中繼在提升網(wǎng)絡(luò)容量、自適應(yīng)自組織、抗干擾抗衰落、提升QoS方面有著巨大的發(fā)展前景。首先分析了異網(wǎng)融合和蜂窩網(wǎng)增強(qiáng)覆蓋技術(shù)，總結(jié)小蜂窩網(wǎng)和中繼的優(yōu)缺點(diǎn)，然后提出了以認(rèn)知協(xié)同中繼替代小蜂窩基站來作為蜂窩網(wǎng)和WLAN融合的方案，并嘗試分析了融合的可行性和關(guān)鍵問題。

蜂窩網(wǎng)絡(luò)目前仍是移動通信的主流硬件架構(gòu)，而蜂窩網(wǎng)作為無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋（GSM/3G/LTE等）的基本形式，依舊存在邊緣區(qū)域通信質(zhì)量差和陰影區(qū)域覆蓋問題。面向進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)容量和邊緣覆蓋的要求，研究具備認(rèn)知能力的宏基站或/和多種小站（小蜂窩基站、家庭基站、WLAN）共存的方案是目前研究的熱點(diǎn)，圖9給出了協(xié)同中繼在拓展網(wǎng)絡(luò)覆蓋和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合上的示意。各用戶網(wǎng)絡(luò)通過中繼協(xié)作通信實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)，在宏蜂窩基站實(shí)現(xiàn)對中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行資源管理優(yōu)化。

圖9 基于協(xié)同多向中繼的蜂窩網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)覆蓋場景

表1對比了作為增強(qiáng)宏蜂窩覆蓋實(shí)現(xiàn)異網(wǎng)融合的可能方案?？梢钥吹剑瑓f(xié)同中繼技術(shù)方法能夠很好地服務(wù)于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合?；诰W(wǎng)絡(luò)編碼的認(rèn)知協(xié)同中繼設(shè)計思路，通過智能管理和自適應(yīng)資源優(yōu)化，能夠彌補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)容量的不足，同時能夠有效消除干擾。提出以認(rèn)知中繼作為宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)的重要附加方案，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合，其融合網(wǎng)絡(luò)場景可包含宏基站、家庭基站、微基站和無線局域網(wǎng)。認(rèn)知異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中基于認(rèn)知感知能力和中繼協(xié)作保證了各種無線網(wǎng)絡(luò)共存、相互補(bǔ)充、協(xié)同工作、支持終端無縫移動的異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)，必將有效地利用各種無線網(wǎng)絡(luò)的接入技術(shù)和各自的優(yōu)勢以取長補(bǔ)短、融合地為用戶提供高質(zhì)量的服務(wù)體驗(yàn)。

4.1 蜂窩網(wǎng)和WLAN融合分析

從IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)頒布以來，由其演變的各種Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)備具有可移動性、傳輸速度快、成本低廉、提供更豐富多彩的高帶寬業(yè)務(wù)等特性,得到廣泛的關(guān)注和應(yīng)用，IEEE 802.11系列標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)成為事實(shí)上的無線局域網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。認(rèn)知Wi-Fi 2.0網(wǎng)絡(luò)是基于認(rèn)知無線電技術(shù)，工作于授權(quán)頻段的類似于傳統(tǒng)Wi-Fi系統(tǒng)的無線局域網(wǎng)。它利用授權(quán)頻段的良好傳播特性，為用戶提供更好的服務(wù)以及更大的覆蓋范圍。在總結(jié)上述蜂窩網(wǎng)和Wi-Fi技術(shù)的基礎(chǔ)上，參考文獻(xiàn)[15]提出了基于認(rèn)知的異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)和無線局域網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)知融合網(wǎng)絡(luò)，能夠充分挖掘異構(gòu)頻譜資源，發(fā)揮其授權(quán)頻段和非授權(quán)頻段的效益。與此同時，此異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)也面臨著前所未有的復(fù)雜干擾問題，網(wǎng)絡(luò)中不同節(jié)點(diǎn)間干擾主要有以下原因。

·部署難以統(tǒng)一規(guī)劃。WLAN往往由用戶自行隨機(jī)部署，使用時間自由，開關(guān)隨意，而運(yùn)營商難以管理此類網(wǎng)絡(luò)。

·接入限制不統(tǒng)一。部分無線局域網(wǎng)由于某些原因?qū)τ脩艚尤胂拗?，宏基站往往有可能因?yàn)槭芟薅鵁o法接入，反而由于資源頻段相近受到干擾。

·功率差異相對較大。宏基站與低功率節(jié)點(diǎn)（WLAN）由于發(fā)射功率相差大，業(yè)務(wù)負(fù)載往往分布不均衡。

·上下行鏈路的層間干擾嚴(yán)重。

解決蜂窩網(wǎng)和WLAN融合的關(guān)鍵在于構(gòu)建認(rèn)知資源管理機(jī)制，要求管理決策能夠?qū)崿F(xiàn)以下方面：自主資源決策實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層間和層內(nèi)干擾的有效抑制；宏基站用戶和WLAN用戶有高效資源保障，滿足QoS要求；實(shí)現(xiàn)有效資源的快速探測和高效利用。

4.2 結(jié)合網(wǎng)絡(luò)編碼的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合

根據(jù)對蜂窩網(wǎng)和WLAN融合的分析，對以網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)為基礎(chǔ)的中繼方案分析其可行性。鏈路層以上網(wǎng)絡(luò)融合的管理機(jī)制和控制技術(shù)在許多文獻(xiàn)中有所研究，參考文獻(xiàn)[16]研究了3G與Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)融合的方案。而從物理層技術(shù)角度出發(fā)，研究基于網(wǎng)絡(luò)編碼的協(xié)同中繼技術(shù)來解決蜂窩與WLAN融合的關(guān)鍵問題是可行的，具體如下。

·易于宏基站的管理，增加中繼節(jié)點(diǎn)自組網(wǎng)和接入機(jī)制的研究能夠有效解決WLAN難以統(tǒng)一的問題，參考文獻(xiàn)[17]對負(fù)載均衡的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)接入選擇和業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)移做了詳細(xì)研究。

·參考文獻(xiàn)[18]利用盲自適應(yīng)頻移濾波器的結(jié)構(gòu)，提出了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中TDD蜂窩和Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)信號互干擾抑制方案；參考文獻(xiàn)[19]系統(tǒng)研究了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源分配和干擾抑制的分布式資源分配方法，尤其研究了基于功率優(yōu)化的資源分配算法，有利于解決異網(wǎng)設(shè)備功率差異大導(dǎo)致的干擾問題。

·參考文獻(xiàn)[17]所提出的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)動態(tài)負(fù)載均衡方案，能夠根據(jù)接入選擇方案把接入任務(wù)均衡地分配到各個中繼基站中，在接入阻塞率、切換掉線率、負(fù)載均衡性、系統(tǒng)利用率上提升系統(tǒng)性能，可以作為輔助的負(fù)載均衡策略。

表1 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合中微基站、家庭基站、中繼基站優(yōu)缺點(diǎn)對比

·基于中繼的網(wǎng)絡(luò)編碼采用時分傳輸，因此能夠避免上下行鏈路干擾。

上述分析從部分角度加以研究，嘗試性地給出一些可能的解決方案。異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)中用戶環(huán)境的多變性、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的異構(gòu)性和業(yè)務(wù)環(huán)境的多樣性，真正實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合仍存在不少問題需要解決，此協(xié)同中繼異構(gòu)網(wǎng)融合方案有著廣闊的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

5 結(jié)束語

在城市密集立體化、業(yè)務(wù)海量化的通信發(fā)展形式下，各種無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大、覆蓋廣、構(gòu)成復(fù)雜、業(yè)務(wù)種類及服務(wù)質(zhì)量要求多樣，且各個網(wǎng)絡(luò)的特征與結(jié)構(gòu)、協(xié)議與設(shè)計方法以及物理層技術(shù)均呈現(xiàn)異構(gòu)化傾向，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合已是大勢所趨。如何探索實(shí)用的技術(shù)來解決異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合問題，進(jìn)一步提升網(wǎng)絡(luò)的資源利用率，是無線與移動通信領(lǐng)域尚待解決的重要問題。

分析了這種趨勢下一種可有效提升頻譜利用率的網(wǎng)絡(luò)融合方案——基于中繼的異構(gòu)協(xié)同網(wǎng)絡(luò)，該方案以中繼為基礎(chǔ)構(gòu)架，以網(wǎng)絡(luò)編碼為核心技術(shù)，利用自適應(yīng)調(diào)制、ARQ以及高效信道編碼來改善中繼技術(shù)的短板，從而提高了系統(tǒng)的可靠性、吞吐量和干擾消除。結(jié)合實(shí)際的蜂窩網(wǎng)絡(luò)和無線局域網(wǎng)，對此異構(gòu)網(wǎng)的融合進(jìn)行了初步分析，嘗試性地總結(jié)和論述了基于網(wǎng)絡(luò)編碼的中繼技術(shù)在融合中的可行性和研究進(jìn)展。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合的相關(guān)研究目前尚處于起步階段，網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)、協(xié)同中繼技術(shù)等將在未來的通信網(wǎng)絡(luò)中融為一體，同時也將面臨著巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)，對異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入研究，必將推動多制式、一體化、智能化移動通信網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)創(chuàng)新，為未來無線城市網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)提供關(guān)鍵支撐。

參考文獻(xiàn)

1 Landstr?m S,Furusk?r A,Johansson K,et al.Heterogeneous networks-increasing cellular capacity.The Data Boom:Opportunities and Challenges,2011(4)

2 陳巍,王東明,王家恒等.密集立體覆蓋:未來移動通信的機(jī)遇和挑戰(zhàn).電信科學(xué),2013,29(6)Chen W,Wang D M,Wang J H,et al.3-dimensional dense coverage:opportunities and challenges for future mobile communications.Telecommunications Science,2013,29(6)

3 Sima J,Chen W.Joint network and Gelfand-Pinsker coding for 3-receiver gaussian broadcast channels with receiver message side information.Proceedings of IEEE Int Symp Inform Theory(ISIT),HA,USA,2014:81～85

4 Sima J,Chen W.Joint network and dirty-paper coding for multi-way relay networks with pairwise information exchange.Proceedings of IEEE Global Commun Conf,TX,USA,2014:1565～1570

5 Chen W,Cao Z,Hanzo L.Maximum euclidean distance network coded modulation for asymmetric decode-and-forward two-way relaying.IET Communications,2013,7(10):2179～2184

6 Wang D,Bai B,Chen W,et al.Energy efficient secure communication over decode-and-forward relay channels.IEEE Transactions on Communications,2015,63(3):892～905

7 Goldsmith A J,Soon-Ghee C.Variable-rate variable-power MQAM for fading channels.IEEE Transactions on Communications,1997,25(3):1218～1230

8 Hanzo L.Quadrature Amplitude Modulation:From Basics to Adaptive Trellis-Coded,Turbo-Equalised and Space-Time Coded OFDM,CDMA and MC-CDMA Systems.NewYork:Wiley,IEEE Press,2004.

9 Yang Y,Chen W,Li O,et al.Variable-rate,variable-power network-coded-QAM/PSK for bi-directional relaying over fading channels.IEEE Transactions on Communications,2014,62(10):3631～3643

10 夏瑋瑋,沈連豐.異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合中的QoS與通信容量研究.中興通訊技術(shù),2008,14(3):5～8 Xia W W,Shen L F.QoS and communications capacity in heterogeneous networks convergence.ZTE Communications,2008,14(3):5～8

11 Liu Q W,Zhou S L,Giannakis G B.Cross-layer combining of adaptive modulation and coding with truncated ARQ over wireless links.IEEE Transactions on Wireless Communications,2004,3(5):1746～1755

12 Goldsmith A J,Soon-Ghee C.Adaptive coded modulation for fading channels.IEEE Transactions on Communications,1998,46(5):595～602

13 Goldsmith A.Wireless Communications.London:Cambridge University Press,2005

14 Sriram V,Goldsmith A.Adaptive turbo-coded modulation for flat-fading channels.IEEE Transactions on Communications,2003,51(6):964～972

15 3GPP RWS-120010.Requirements,Candidate Solutions &Technology Roadmap for LTE Rel-12 Onward,2012

16 3GPP TR 22.934 V6.2.0.Feasibility Study on 3GPP System to WirelessLocalAreaNetwork(WLAN)Interworking(Release6),2013

17 朱思峰,沈連豐,柴爭義.基于接入選擇和業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)移的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)動態(tài)負(fù)載均衡機(jī)制.高技術(shù)通訊,2014(10):1007～1013 Zhu S F,Shen L F,Chai Z Y.A dynamic load balance forheterogeneous wireless networks based on access selection and calls transfer.Chinese High Technology Letters,2014(10):1007～1013

18 吳名,黃琳,鮑煦等.一種新的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互干擾抑制方案及其收斂性分析.全國第十三屆微波集成電路與移動通信學(xué)術(shù)會議，杭州,2010 Wu M,Huang L,Bao X,et al.A new mutual interference suppression scheme for heterogeneous networks and its convergence analysis.Proceedings of the 13th National Microwave Integrated Circuit and Mobile Communication Academic Conference,Hangzhou,China,2010 19 Liu J,Kawamoto Y,Nishiyama H,et al.Device-to-device communications achieve efficient load balancing in LTE-Advanced networks.IEEE Wireless Communications,2014,21(2):57～65