李 旭，梁亞楠

(北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100044)

無(wú)線(xiàn)協(xié)同通信協(xié)議與應(yīng)用前景綜述

李 旭，梁亞楠

(北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100044)

無(wú)線(xiàn)協(xié)同通信具有自組織組網(wǎng)、快速部署、無(wú)需基礎(chǔ)設(shè)施支持、高可靠、高抗毀、網(wǎng)絡(luò)自恢復(fù)、動(dòng)態(tài)靈活等特點(diǎn)，在未來(lái)具有廣闊的應(yīng)用前景。按照控制方式和應(yīng)用模式的不同，無(wú)線(xiàn)協(xié)同通信組網(wǎng)方式可以分為集中式、分布式和混合式。對(duì)以上3種組網(wǎng)方式的特點(diǎn)進(jìn)行了分析和比較，概述了現(xiàn)有無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中集中式、分布式單跳及多跳組網(wǎng)協(xié)議，最后對(duì)無(wú)線(xiàn)協(xié)同通信在軍事與應(yīng)急通信、5G超密集組網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、星載組網(wǎng)以及軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用前景進(jìn)行展望。

無(wú)線(xiàn)通信；協(xié)同通信；混合式組網(wǎng)；應(yīng)用前景

0 引言

現(xiàn)有無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)主要采用3GPP/3GPP2系列標(biāo)準(zhǔn)或IEEE系列標(biāo)準(zhǔn)。3GPP/3GPP2系列標(biāo)準(zhǔn)包括第二代蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)(2G)全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(Global System for Mobile Communication，GSM)以及通用分組無(wú)線(xiàn)服務(wù)技術(shù)(General Packet Radio Service，GPRS)；第三代蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)(3G)時(shí)分同步碼分多址(Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access，TD-SCDMA)、碼分多址2000(Code Division Multiple Access 2000，CDMA2000)、寬帶碼分多址(Wideband Code Division Multiple Access，WCDMA)；第四代蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)(4G)協(xié)議長(zhǎng)期演進(jìn)技術(shù)升級(jí)版(Long Term Evolution-Advanced，LTE-A)等。IEEE系列標(biāo)準(zhǔn)主要包括IEEE 802.11無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)(Wireless Local Area Network，WLAN)、IEEE 802.16 全球微波互聯(lián)接入(Worldwide Interoperability for Microwave Access，WiMAX)、IEEE 802.15.4 Zigbee、IEEE 802.15.1 Bluetooth等。采用上述標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的不同可以分為單跳無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和多跳協(xié)作網(wǎng)絡(luò)；根據(jù)組網(wǎng)方式的不同又可以分為集中式和分布式網(wǎng)絡(luò)。現(xiàn)有研究中較少?gòu)慕M網(wǎng)角度對(duì)現(xiàn)有無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行概述。此外，無(wú)線(xiàn)多跳協(xié)同通信具有自組織組網(wǎng)、快速部署、無(wú)需基礎(chǔ)設(shè)施支持、高可靠、高抗毀、網(wǎng)絡(luò)自恢復(fù)、動(dòng)態(tài)靈活等特點(diǎn)，在未來(lái)具有廣闊的應(yīng)用前景。本文首先介紹無(wú)線(xiàn)協(xié)同通信各種組網(wǎng)方式的特點(diǎn)，其次對(duì)現(xiàn)有無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)協(xié)議進(jìn)行分類(lèi)概述，最后展望無(wú)線(xiàn)協(xié)同通信的應(yīng)用前景。

1 無(wú)線(xiàn)協(xié)同通信組網(wǎng)方式概述

按照控制方式和應(yīng)用模式的不同，無(wú)線(xiàn)協(xié)同通信組網(wǎng)方式可以分為集中式、分布式和混合式。

1.1 集中式組網(wǎng)

集中式組網(wǎng)示意圖如圖1所示。其優(yōu)點(diǎn)在于控制穩(wěn)定，互相的沖突相對(duì)較小，從而性能較好,并且采用資源復(fù)用等方式可使資源利用率較高，缺點(diǎn)是在跳數(shù)增加后實(shí)現(xiàn)速度較慢，導(dǎo)致性能惡化與資源利用率降低。

圖1 集中式組網(wǎng)示意圖

1.2 分布式組網(wǎng)

與集中式組網(wǎng)方式相反，分布式組網(wǎng)的可拓展性好、僅需知道局部信息(不需要大范圍成網(wǎng)技術(shù))、不需要網(wǎng)絡(luò)設(shè)置中心點(diǎn)，缺點(diǎn)是彼此間協(xié)調(diào)起來(lái)很困難，跳數(shù)增加后系統(tǒng)性能惡化。分布式組網(wǎng)示意圖如圖2所示。

圖2 分布式組網(wǎng)示意圖

1.3 混合式組網(wǎng)

為滿(mǎn)足規(guī)模組網(wǎng)需求，混合式(有效融合集中式與分布式)組網(wǎng)逐漸成為研究的重點(diǎn)?；旌鲜浇M網(wǎng)兼有集中式和分布式2種組網(wǎng)方式的優(yōu)點(diǎn)，但設(shè)計(jì)困難。從實(shí)現(xiàn)方式上劃分，混合式組網(wǎng)可以分為模式轉(zhuǎn)換、資源劃分和分級(jí)組網(wǎng)三種形式。

(1)基于模式轉(zhuǎn)換的混合式組網(wǎng)

基于模式轉(zhuǎn)換的混合式組網(wǎng)可視應(yīng)用需求采用集中式或分布式調(diào)度機(jī)制，整個(gè)系統(tǒng)可在2種組網(wǎng)模式間轉(zhuǎn)換。

(2)基于資源劃分的混合式組網(wǎng)

基于資源劃分的混合式組網(wǎng)將網(wǎng)絡(luò)中可用資源劃分為2個(gè)部分，分別提供給集中式和分布式2種模式使用，這樣就可以同時(shí)進(jìn)行2種模式的并行運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展組網(wǎng)。

(3)基于分級(jí)組網(wǎng)的混合式組網(wǎng)

分級(jí)、分簇組網(wǎng)是規(guī)模組網(wǎng)的有效方式之一。分級(jí)組網(wǎng)包括2級(jí)和多級(jí)組網(wǎng)模式，同時(shí)包括集中式調(diào)度+集中式調(diào)度、集中式調(diào)度+分布式調(diào)度、分布式調(diào)度+分布式調(diào)度以及多級(jí)組合等多種形式。

2 集中式組網(wǎng)協(xié)議綜述

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的不同，集中式組網(wǎng)協(xié)議可以分為集中式單跳組網(wǎng)協(xié)議和集中式多跳組網(wǎng)協(xié)議。

2.1 集中式單跳組網(wǎng)協(xié)議

典型的集中式單跳組網(wǎng)協(xié)議包括GSM/CDMA/LTE-A等蜂窩網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、IEEE 802.11協(xié)議點(diǎn)協(xié)調(diào)功能(Point Coordinator Function，PCF)模式、IEEE 802.16協(xié)議PMP模式以及IEEE 802.15.4協(xié)議星型組網(wǎng)模式。

2.1.1 GSM/CDMA/LTE-A蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

現(xiàn)有蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中無(wú)線(xiàn)接口部分均采用集中式單跳控制，即基站(2G/3G中指基站收發(fā)機(jī)(Base Transceiver Station，BTS)，4G中指演進(jìn)型Node B(Evolved Node B，eNB))與用戶(hù)設(shè)備(User Equipment，UE)之間組成集中式單跳網(wǎng)絡(luò)。

2.1.2 IEEE 802.11 PCF

IEEE 802.11 PCF 模式[1]一般應(yīng)用于有基礎(chǔ)設(shè)施的WLAN中，以無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)(Access Point，AP)為中心，具有無(wú)線(xiàn)接口的無(wú)線(xiàn)終端與AP建立單跳無(wú)線(xiàn)連接。AP擔(dān)任點(diǎn)協(xié)調(diào)器(Point Coordinator，PC)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行輪詢(xún)，集中控制介質(zhì)的訪問(wèn)。

2.1.3 IEEE 802.16 PMP

在IEEE 802.16協(xié)議[2]中，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)分為基站和用戶(hù)站。在PMP模式中，基站(Base Station，BS)與用戶(hù)站(Subscriber Station，SS)之間可以進(jìn)行通信，用戶(hù)站之間不可以進(jìn)行通信。網(wǎng)絡(luò)中用戶(hù)站需要進(jìn)行通信時(shí)，必須經(jīng)過(guò)基站進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，基站在網(wǎng)絡(luò)中相當(dāng)于路由器的作用。

2.1.4 IEEE 802.15.4星型組網(wǎng)

根據(jù)應(yīng)用的需求，運(yùn)行IEEE 802.15.4協(xié)議[3]的網(wǎng)絡(luò)基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有2種：星型網(wǎng)絡(luò)與對(duì)等網(wǎng)絡(luò)。其中星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用集中式單跳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 IEEE 802.15.4星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由主協(xié)調(diào)器(Coordinator)和多個(gè)從設(shè)備組成[4]，其中主協(xié)調(diào)器是全功能設(shè)備(Full Function Device，F(xiàn)FD)，從設(shè)備可以為FFD，也可以為縮減功能設(shè)備(Reduced Function Device，RFD)。從設(shè)備之間不可直接通信，需通過(guò)主協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信。

2.1.5 IEEE 802.15.1協(xié)議

基于IEEE 802.15.1協(xié)議[5]的Bluetooth網(wǎng)絡(luò)可以采用微網(wǎng)和散網(wǎng)2種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，如圖4所示。微網(wǎng)架構(gòu)最多包括8臺(tái)獨(dú)立單元，其中一個(gè)為主單元，其余為從單元，由主單元提供時(shí)鐘、跳頻同步；散網(wǎng)架構(gòu)由多個(gè)獨(dú)立、非同步的微網(wǎng)組成，微網(wǎng)之間通過(guò)橋單元連接，通過(guò)時(shí)鐘、跳頻序列區(qū)分。

圖4 Bluetooth網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2.2 集中式多跳組網(wǎng)協(xié)議

典型的集中式多跳組網(wǎng)協(xié)議包括LTE-A 中繼(Relay)協(xié)議[6]和LTE-A協(xié)作多點(diǎn)傳輸(Coordinated Multi-point，CoMP)協(xié)議[7]、IEEE 802.16協(xié)議MESH集中式控制模式、IEEE 802.15.4協(xié)議MESH組網(wǎng)模式等。另外，在國(guó)家電網(wǎng)智能抄表業(yè)務(wù)采用的低壓電力線(xiàn)載波多頻自組網(wǎng)通信協(xié)議也屬于集中式多跳組網(wǎng)協(xié)議。

2.2.1 LTE-A Relay/CoMP

LTE-A系統(tǒng)中引入了Relay和CoMP技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)集中式控制下的兩跳傳輸。

Relay技術(shù)通過(guò)在基站和UE之間的通信鏈路中加入Relay節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)基站和終端之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，可以有效改善覆蓋和提高容量。2種常見(jiàn)的LTE-A Relay場(chǎng)景為室外中繼和室內(nèi)中繼[6]，如圖5所示。

圖5 LTE-A Relay典型場(chǎng)景

CoMP技術(shù)通過(guò)利用地理位置上分離的多個(gè)傳輸點(diǎn)協(xié)同參與一個(gè)UE數(shù)據(jù)的傳輸或者聯(lián)合接收一個(gè)UE發(fā)送的數(shù)據(jù)[8]，可以有效提高覆蓋質(zhì)量，尤其是小區(qū)邊緣場(chǎng)景。

CoMP技術(shù)可以分為下行CoMP和上行CoMP 2種情形[7]。下行CoMP有2種基本的實(shí)現(xiàn)方式：聯(lián)合處理(Joint Processing，JP)和聯(lián)合調(diào)度/聯(lián)合波束賦形(Coordinated Scheduling/Coordinated Beamforming，CS/CB)，如圖6所示。

在傳統(tǒng)LTE網(wǎng)絡(luò)中，單個(gè)UE可能收到來(lái)自多個(gè)基站的數(shù)據(jù)，這一現(xiàn)象對(duì)于位于小區(qū)邊緣的UE更為明顯。如圖6(a)中UE1將同時(shí)收到來(lái)自eNB1、eNB2和eNB3的數(shù)據(jù)，其中eNB1為服務(wù)基站，則來(lái)自eNB2和eNB3的數(shù)據(jù)都將成為干擾。采用聯(lián)合處理方式，可以對(duì)多個(gè)小區(qū)的總資源進(jìn)行合理分配，從時(shí)頻資源分配的角度進(jìn)行干擾規(guī)避，降低干擾水平；另外參與協(xié)作的基站信號(hào)相互疊加，可以提高UE接收到的信道的功率水平。綜合這2種因素，提高UE的接收信干噪比(Signal-to-noise Ratio，SINR)。

圖6 LTE-A下行CoMP實(shí)現(xiàn)方式

由于各小區(qū)獨(dú)立進(jìn)行調(diào)度和波束賦形，如果位于2個(gè)不同小區(qū)的UE地理位置比較接近，就可能出現(xiàn)2個(gè)UE的信號(hào)相互強(qiáng)烈干擾的情況。如圖6(b)所示，位于小區(qū)邊界的UE1和UE3分別歸屬于eNB1和eNB3控制范圍內(nèi)的小區(qū)，但在各自小區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸給對(duì)方帶來(lái)強(qiáng)烈的干擾。通過(guò)采用聯(lián)合調(diào)度合理分配時(shí)頻資源，或者采用聯(lián)合波束賦形控制波束指向，可以有效實(shí)現(xiàn)干擾抑制。

上行CoMP指物理上行共享信道(Physical Uplink Shared Channel，PUSCH)的聯(lián)合接收，即UE的服務(wù)小區(qū)和協(xié)作小區(qū)同時(shí)接收UE發(fā)送的上行信號(hào)，通過(guò)協(xié)作的方式聯(lián)合做出決策。協(xié)作小區(qū)的處理方式包括3種：① 將接收到的采樣數(shù)據(jù)直接傳輸給服務(wù)小區(qū)；② 對(duì)UE的數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)和解碼，計(jì)算數(shù)據(jù)比特的軟信息，將其傳遞給服務(wù)小區(qū)，服務(wù)小區(qū)對(duì)各個(gè)協(xié)作小區(qū)傳遞來(lái)的軟信息進(jìn)行軟合并；③ 對(duì)UE的數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)和解碼，如果解調(diào)/解碼成功，則將解碼后的數(shù)據(jù)傳遞給服務(wù)小區(qū)[9]。

2.2.2 IEEE 802.16 MESH集中式控制

IEEE 802.16 MESH集中式控制網(wǎng)絡(luò)中同樣包括基站和用戶(hù)站，由基站調(diào)度整個(gè)網(wǎng)絡(luò)并分配資源。與PMP模式不同的是，在集中式調(diào)度中用戶(hù)站之間數(shù)據(jù)可進(jìn)行直接傳輸，不需要基站作為轉(zhuǎn)發(fā)[2]。

2.2.3 IEEE 802.15.4 MESH組網(wǎng)

采用IEEE 802.15.4協(xié)議還可以組成對(duì)等拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[3]，不同于星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，該網(wǎng)絡(luò)中任何一個(gè)設(shè)備都可以與其通信范圍內(nèi)的其他設(shè)備進(jìn)行通信，并且允許任意設(shè)備間進(jìn)行多跳數(shù)據(jù)傳輸[4]。根據(jù)應(yīng)用需要的不同，對(duì)等拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)還可以構(gòu)成更為復(fù)雜的簇狀和網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖7所示，其中路由器(Router)用于主協(xié)調(diào)器之間、從設(shè)備之間以及主協(xié)調(diào)器與從設(shè)備之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

圖7 IEEE 802.15.4 MESH組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

2.2.4 低壓電力線(xiàn)載波多頻自組網(wǎng)通信協(xié)議

國(guó)家電網(wǎng)智能抄表業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)采用低壓電力線(xiàn)載波多頻自組網(wǎng)通信協(xié)議，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖8所示[10]。網(wǎng)絡(luò)中包含3類(lèi)節(jié)點(diǎn)，分別為：中心協(xié)調(diào)器(Central Coordinator，CCO)、代理協(xié)調(diào)器(Proxy Coordinator，PCO)和站點(diǎn)(Station，STA)。其中CCO是通信網(wǎng)絡(luò)中的主站點(diǎn)角色，負(fù)責(zé)完成組網(wǎng)控制、網(wǎng)絡(luò)維護(hù)管理等功能；PCO是CCO與站點(diǎn)或者站點(diǎn)與站點(diǎn)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)的代理站點(diǎn)；STA是通信網(wǎng)絡(luò)中的從站點(diǎn)角色。

圖8 低壓電力線(xiàn)載波多頻自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

3 分布式組網(wǎng)協(xié)議綜述

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的不同，分布式組網(wǎng)協(xié)議可以分為分布式單跳組網(wǎng)協(xié)議和分布式多跳組網(wǎng)協(xié)議。

3.1 分布式單跳組網(wǎng)協(xié)議

現(xiàn)有無(wú)線(xiàn)協(xié)同通信中采用的分布式單跳組網(wǎng)協(xié)議主要是IEEE 802.11協(xié)議分布式協(xié)調(diào)功能(Distributed Coordinator Function，DCF)模式[1]。采用IEEE 802.11 DCF模式的網(wǎng)絡(luò)為無(wú)中心網(wǎng)絡(luò)，由一組具有無(wú)線(xiàn)接口的無(wú)線(xiàn)終端以對(duì)等的方式相互直接連接，進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或者點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信。DCF是載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)/沖突避免(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，CSMA/CA)機(jī)制的基礎(chǔ)，在傳送數(shù)據(jù)之前，它會(huì)先檢查無(wú)線(xiàn)鏈路是否處于空閑狀態(tài)。為避免沖突發(fā)生，在某個(gè)傳送者占據(jù)信道時(shí)，終端會(huì)隨機(jī)選定一段延后時(shí)間。

3.2 分布式多跳組網(wǎng)協(xié)議

現(xiàn)有無(wú)線(xiàn)協(xié)同通信中采用的分布式多跳組網(wǎng)協(xié)議主要是IEEE 802.16協(xié)議中定義的MESH分布式控制模式[2]。IEEE 802.16 MESH分布式控制網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)地位平等，網(wǎng)絡(luò)中沒(méi)有基站與用戶(hù)站之分，都可看作是用戶(hù)站。各個(gè)用戶(hù)站之間通過(guò)協(xié)商的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，節(jié)點(diǎn)之間消息的傳輸不會(huì)產(chǎn)生碰撞。IEEE 802.16 MESH分布式控制組網(wǎng)協(xié)議主要包括對(duì)控制消息的調(diào)度以及對(duì)數(shù)據(jù)消息的調(diào)度。控制消息調(diào)度采用基于Mesh選舉的隨機(jī)接入機(jī)制，數(shù)據(jù)消息調(diào)度采用“請(qǐng)求-授權(quán)-確認(rèn)”3次握手機(jī)制實(shí)現(xiàn)發(fā)送前的預(yù)約協(xié)商，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部合理分配資源。

4 無(wú)線(xiàn)協(xié)同通信應(yīng)用前景

無(wú)線(xiàn)協(xié)同通信具有自組織組網(wǎng)、快速部署、無(wú)需基礎(chǔ)設(shè)施支持、高可靠、高抗毀、網(wǎng)絡(luò)自恢復(fù)及動(dòng)態(tài)靈活等特點(diǎn)，在軍事與應(yīng)急、5G超密集組網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、星載組網(wǎng)以及軌道交通領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

4.1 軍事與應(yīng)急領(lǐng)域

未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)上的獨(dú)立作戰(zhàn)單元如陸地戰(zhàn)斗班組、特戰(zhàn)分隊(duì)、坦克群、戰(zhàn)斗機(jī)群及戰(zhàn)艦編隊(duì)等需要機(jī)動(dòng)協(xié)作組網(wǎng)通信作為支撐，由于軍事通信將面臨更加復(fù)雜多變的通信環(huán)境，如通信基礎(chǔ)設(shè)施相對(duì)有限、移動(dòng)通信節(jié)點(diǎn)較多、通信覆蓋范圍廣，機(jī)動(dòng)式指揮所要快速部署、各級(jí)之間通信要快速溝通，且存在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)(如單兵或保障要素)隨機(jī)接入的情況，各級(jí)指揮所的陣地位置動(dòng)態(tài)變化等，因此無(wú)線(xiàn)協(xié)同通信在軍事與應(yīng)急通信領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

4.2 5G超密集組網(wǎng)領(lǐng)域

在5G網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用無(wú)線(xiàn)協(xié)同通信，構(gòu)建快速、高效的基站間無(wú)線(xiàn)傳輸網(wǎng)絡(luò)，可以有效提高基站間的協(xié)調(diào)能力和效率，降低基站間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與信令交互的時(shí)延，提供動(dòng)態(tài)、靈活的回傳選擇，進(jìn)一步可支持在多場(chǎng)景下的基站即插即用，有效支持超密集組網(wǎng)。此外，在5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)授權(quán)和控制下，將基站、終端以及各種新型的末端節(jié)點(diǎn)組建成動(dòng)態(tài)自組織網(wǎng)絡(luò)，可以有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)架構(gòu)在組網(wǎng)靈活性方面的不足，降低端到端時(shí)延，提高傳輸可靠性，同時(shí)延伸網(wǎng)絡(luò)覆蓋和接入能力，有效滿(mǎn)足5G網(wǎng)絡(luò)低時(shí)延高可靠、低功耗大連接等典型場(chǎng)景的需求。

4.3 物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域

物聯(lián)網(wǎng)智能工業(yè)、車(chē)聯(lián)網(wǎng)、智能家居及可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域面臨全面爆發(fā)的趨勢(shì)。物聯(lián)網(wǎng)有3個(gè)關(guān)鍵要素：感知、互聯(lián)、智能。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的互聯(lián)目前主要依賴(lài)于互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的連接方式，如3G、4G、WIFI、藍(lán)牙及Zigbee等。伴隨物聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模普及的趨勢(shì)，具有自動(dòng)組網(wǎng)、自行連接、無(wú)需用戶(hù)配置等組網(wǎng)便捷性以及低設(shè)備能耗的無(wú)線(xiàn)協(xié)同通信技術(shù)將是未來(lái)的發(fā)展方向。

在軍事領(lǐng)域，物聯(lián)網(wǎng)被專(zhuān)家稱(chēng)為“一個(gè)未探明儲(chǔ)量的金礦”[11]，它為提高軍隊(duì)作戰(zhàn)能力提供了難得的機(jī)遇，孕育著軍事變革深入發(fā)展的新契機(jī)。例如利用車(chē)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在作戰(zhàn)車(chē)輛上集成車(chē)載終端構(gòu)建無(wú)線(xiàn)協(xié)同網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)在戶(hù)外作戰(zhàn)環(huán)境下的車(chē)輛定位導(dǎo)航、視頻會(huì)議、戰(zhàn)場(chǎng)信息傳輸以及自動(dòng)指揮等功能，可以為軍隊(duì)的野外活動(dòng)提供有力的信息化保證，大大提高單兵作戰(zhàn)的綜合能力。

4.4 星載組網(wǎng)領(lǐng)域

星載通信網(wǎng)包含星間通信網(wǎng)和星地通信網(wǎng)，其中由低軌衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)結(jié)合所組成的低軌星載網(wǎng)絡(luò)是一種較為常見(jiàn)的星載組網(wǎng)方式[12]，典型的應(yīng)用系統(tǒng)包括銥星系統(tǒng)(Iridium)、全球星系統(tǒng)(Globalstar)和軌道通信系統(tǒng)(ORBCOMM[13])。低軌星載網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)間鏈路基本為無(wú)線(xiàn)鏈路，且大部分都在大氣層內(nèi)部[14](銥星系統(tǒng)軌道高度為780 km、全球星系統(tǒng)軌道高度為1 414 km、軌道通信系統(tǒng)軌道高度為975 km，均在大氣層厚度1 000 km范圍左右)，由于氣象條件與大氣層影響等導(dǎo)致傳輸誤碼率較高；同時(shí)星載通信網(wǎng)的鏈路距離長(zhǎng)，導(dǎo)致星地間往返傳輸時(shí)延較大；低軌衛(wèi)星屬非靜止衛(wèi)星，且地面網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備也具有一定的移動(dòng)性，網(wǎng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度因所處場(chǎng)景與業(yè)務(wù)需求差異而不盡相同，因此星載網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是持續(xù)發(fā)生動(dòng)態(tài)變化的，導(dǎo)致星載通信網(wǎng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)之間的鏈路頻繁地出現(xiàn)中斷現(xiàn)象；星載通信網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟恢碧幱趧?dòng)態(tài)變化之中，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且難以預(yù)測(cè)；星載網(wǎng)絡(luò)衛(wèi)星數(shù)量較地面網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)少，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模受限，星上資源相對(duì)匱乏。針對(duì)上述低軌星載網(wǎng)絡(luò)存在的較長(zhǎng)時(shí)延、高誤碼、高中斷、拓?fù)渥兓约百Y源受限等特點(diǎn)，面向目前星載通信系統(tǒng)存在組網(wǎng)能力弱、可重構(gòu)性低等問(wèn)題，引入高可靠與高可用無(wú)線(xiàn)協(xié)同通信關(guān)鍵技術(shù)，可以有效提高組網(wǎng)的靈活性和可重構(gòu)性，實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備、地面子網(wǎng)絡(luò)與衛(wèi)星子網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)接入和退出，提高星載網(wǎng)絡(luò)的可靠性和可用性，增強(qiáng)其可擴(kuò)展性和抗毀能力；進(jìn)一步降低業(yè)務(wù)的星上處理時(shí)延、轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延與處理復(fù)雜度，并適應(yīng)移動(dòng)單播、多播等多樣化星載業(yè)務(wù)的融合與擴(kuò)展等。

4.5 軌道交通領(lǐng)域

多跳協(xié)作網(wǎng)絡(luò)在軌道交通領(lǐng)域的機(jī)車(chē)重聯(lián)編組、機(jī)車(chē)車(chē)輛檢修、基礎(chǔ)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與異物檢測(cè)、站場(chǎng)可靠魯棒接入與應(yīng)急通信，以及空天車(chē)地信息一體化等方面均有廣闊的應(yīng)用前景。

4.5.1 機(jī)車(chē)重聯(lián)編組

目前機(jī)車(chē)重聯(lián)編組一般采用重聯(lián)電纜實(shí)現(xiàn)[15]，重聯(lián)電纜在機(jī)車(chē)的運(yùn)行中由于振動(dòng)容易斷線(xiàn)損壞，另外在車(chē)輛上面連接和固定重聯(lián)電纜或?qū)⑵洳鹦毒M(fèi)時(shí)費(fèi)力，造成機(jī)務(wù)部門(mén)勞動(dòng)力的浪費(fèi)?，F(xiàn)有方案中還有利用蜂窩網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線(xiàn)機(jī)車(chē)重聯(lián)編組方案[16]，但是該方法依賴(lài)于固定基礎(chǔ)設(shè)施，受環(huán)境因素影響較大。針對(duì)這一問(wèn)題，可以在機(jī)車(chē)上部署無(wú)線(xiàn)協(xié)同通信節(jié)點(diǎn)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)基于無(wú)線(xiàn)多跳的多機(jī)車(chē)組網(wǎng)，有效克服有線(xiàn)重聯(lián)的操作復(fù)雜性以及基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)無(wú)線(xiàn)重聯(lián)方式的依賴(lài)固定基礎(chǔ)設(shè)施與自愈性問(wèn)題[17]，滿(mǎn)足重聯(lián)編組自動(dòng)成網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)維護(hù)、無(wú)碰撞數(shù)據(jù)傳輸以及突發(fā)故障情況下的魯棒組網(wǎng)需求，增強(qiáng)重聯(lián)編組的機(jī)動(dòng)性和可用性，提高編組效率，保證重聯(lián)編組的可靠性和抗毀性。

4.5.2 機(jī)車(chē)車(chē)輛檢修

機(jī)車(chē)車(chē)輛的零部件在機(jī)車(chē)車(chē)輛使用過(guò)程中會(huì)逐漸磨耗和損傷，為保證車(chē)輛的良好運(yùn)行，確保行車(chē)安全、延長(zhǎng)其使用壽命，須及時(shí)對(duì)機(jī)車(chē)車(chē)輛進(jìn)行檢查和維修。機(jī)車(chē)車(chē)輛檢修是鐵路運(yùn)輸中不可或缺的重要環(huán)節(jié)，是恢復(fù)機(jī)車(chē)受損功能、改善機(jī)車(chē)質(zhì)量的必要手段，對(duì)于安全運(yùn)輸具有舉足輕重的作用。在機(jī)車(chē)車(chē)輛上部署無(wú)線(xiàn)傳感器實(shí)現(xiàn)機(jī)車(chē)車(chē)輛狀態(tài)信息采集，通過(guò)無(wú)線(xiàn)協(xié)同網(wǎng)絡(luò)將信息回傳，具有安裝方便、自組織、高度擴(kuò)充性、高集成度、低功耗以及低成本等優(yōu)勢(shì)，將在機(jī)車(chē)車(chē)輛檢修過(guò)程中發(fā)揮重要的作用。

4.5.3 基礎(chǔ)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與異物檢測(cè)

在軌道交通領(lǐng)域，軌道、橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施的狀態(tài)檢測(cè)以及入侵線(xiàn)路的異物檢測(cè)是列車(chē)安全運(yùn)行的必要保障。目前我國(guó)在軌道線(xiàn)路上大多仍采用人工巡檢的方法，但由于異物出現(xiàn)的時(shí)間具有明顯的突發(fā)性、無(wú)規(guī)律性和不可預(yù)測(cè)性[18]，因此人工巡檢只能保證在巡檢人員巡檢的一段時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)異物而無(wú)法保障線(xiàn)路時(shí)刻安全無(wú)異物，加大降低了人工巡檢的可靠性，增加了漏檢的可能性?；跓o(wú)線(xiàn)協(xié)同通信技術(shù)的基礎(chǔ)狀態(tài)信息監(jiān)測(cè)與異物檢測(cè)系統(tǒng)能夠自動(dòng)采集線(xiàn)路的數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的處理和分析，智能判斷出基礎(chǔ)設(shè)施是否出現(xiàn)故障或線(xiàn)路上是否有異物入侵，具有方便靈活、高效率、高精度及自動(dòng)報(bào)警的優(yōu)勢(shì)。

4.5.4 站場(chǎng)可靠魯棒接入與應(yīng)急通信

隨著鐵路站場(chǎng)業(yè)務(wù)的自動(dòng)化、智能化改造，站場(chǎng)業(yè)務(wù)通信需求逐漸增多。有線(xiàn)傳輸系統(tǒng)的通信資源與傳輸可靠性可以保障，但是組網(wǎng)模式固定、靈活性與抗毀性差，難以支持節(jié)點(diǎn)移動(dòng)，對(duì)于應(yīng)急通信的支持程度有限；無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)制式繁多，但仍可能存在資源緊張、環(huán)境適用性差、可靠性與可用性難以保障等問(wèn)題[19]?；诙嗵越M協(xié)作網(wǎng)絡(luò)的站場(chǎng)可靠魯棒接入及應(yīng)急方案具有不依賴(lài)固定基礎(chǔ)設(shè)施、組網(wǎng)靈活及抗毀性強(qiáng)等特點(diǎn)，可以作為站場(chǎng)現(xiàn)有通信系統(tǒng)的重要補(bǔ)充，有效適應(yīng)未來(lái)鐵路站場(chǎng)業(yè)務(wù)發(fā)展需要及高可靠、高可用通信與應(yīng)急通信需求，提高通信的可靠性及突發(fā)情況下的應(yīng)急能力。

4.5.5 空天車(chē)地信息一體化

軌道交通運(yùn)營(yíng)與安全保障對(duì)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可靠性、無(wú)縫覆蓋以及實(shí)時(shí)性等均提出極高要求，目前主要通過(guò)采用地面網(wǎng)絡(luò)密集冗余部署的方式解決，但仍會(huì)存在覆蓋盲區(qū)和網(wǎng)絡(luò)頻繁切換等問(wèn)題。另外，地面網(wǎng)絡(luò)的密集冗余覆蓋會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的信號(hào)干擾，從而降低軌道交通安全運(yùn)營(yíng)的可靠性。為了解決這一系列問(wèn)題，人們把視野轉(zhuǎn)向了電磁環(huán)境較為簡(jiǎn)單的臨近空間。臨近空間平臺(tái)具有來(lái)自高空的獨(dú)特視角，可以有效克服地面網(wǎng)絡(luò)視野和探測(cè)范圍有限、信號(hào)干擾嚴(yán)重等方面的缺點(diǎn)，同時(shí)彌補(bǔ)衛(wèi)星在在分辨率、靈敏度及動(dòng)態(tài)監(jiān)視能力方面的不足。將空間網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有的衛(wèi)星與地面車(chē)載網(wǎng)絡(luò)有機(jī)地融合，實(shí)現(xiàn)空天車(chē)地一體化協(xié)同傳輸與信息有效共享，可以有效滿(mǎn)足軌道交通列車(chē)安全運(yùn)行大范圍、全天候、全覆蓋、全方位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)需求。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)無(wú)線(xiàn)協(xié)同通信集中式、分布式和混合式組網(wǎng)方式進(jìn)行分析與比較，并重點(diǎn)針對(duì)混合式組網(wǎng)模式轉(zhuǎn)換、資源劃分和分級(jí)組網(wǎng)3種實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行闡述。分別概述了現(xiàn)有集中式單跳組網(wǎng)協(xié)議、集中式多跳組網(wǎng)協(xié)議、分布式單跳組網(wǎng)協(xié)議和分布式多跳組網(wǎng)協(xié)議，對(duì)各類(lèi)協(xié)議的實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行了介紹。通過(guò)分析無(wú)線(xiàn)協(xié)同通信在軍事與應(yīng)急、5G超密集組網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、星載組網(wǎng)以及軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用前景，為其后續(xù)研究指明方向。

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Overview of Wireless Cooperative Communication Protocols and Application Prospects

LI Xu，LIANG Ya-nan

(School of Electronic and Information Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China)

Wireless cooperative communication has the characteristics of self-organizing networking，rapid deployment，no infrastructure support，high reliability，high survivability，self-recovery，and flexibility，which has broad application prospects in the future.In accordance with the control and application mode，the wireless cooperative communication network can be divided into centralized networking，distributed networking，and hybrid networking.In this paper，the characteristics of the above three networking modes are analyzed and compared.The centralized and distributed single-hop and multi-hop networking protocols for wireless cooperative communication are summarized.The future application prospects of wireless cooperative communication in military and emergency communication，5G ultra-dense network，The Internet of Things，satellite-borne networking and rail transit areas are proposed.

wireless communication；cooperative communication；hybrid networking；application prospect

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.03.01

李 旭，梁亞楠.無(wú)線(xiàn)協(xié)同通信協(xié)議與應(yīng)用前景綜述[J].無(wú)線(xiàn)電通信技術(shù),2017,43(3):01-07.

[LI Xu，LIANG Ya’nan.Overview of Wireless Cooperative Communication Protocols and Application Prospects [J].Radio Communications Technology，2017，43(3)：01-07.]

2017-02-08

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61371068，61601020)

李 旭(1970—)，女，1997年博士畢業(yè)于東北大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，北京交通大學(xué)教授，北京交通大學(xué)寬帶自組通信實(shí)驗(yàn)室主任，主要研究方向：無(wú)線(xiàn)自組通信與協(xié)同通信；主持、參加多項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基金、863、國(guó)家發(fā)改委產(chǎn)業(yè)化、科技部科技支撐項(xiàng)目，2011年主持 “自組應(yīng)急通信系統(tǒng)” 項(xiàng)目獲得武警科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)；獲批專(zhuān)利60余項(xiàng)、軟件著作權(quán)60余項(xiàng)，完成國(guó)標(biāo)、國(guó)軍標(biāo)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)10余項(xiàng)；發(fā)表論文60余篇，其中被SCI、EI收錄40余篇(含雙檢索)。梁亞楠(1992—)女，博士生，主要研究方向：5G非正交多址技術(shù)、無(wú)線(xiàn)協(xié)同通信關(guān)鍵技術(shù)。

TP391.4

A

1003-3114(2017)03-01-7