杜伟华

摘要：中继（Relay）技术是LTE-A（LTE-Advanced）系统中的关键技术之一，它具有抵抗无线信道衰落、扩大系统容量及覆盖范围等优点，而中继节点（Relay Node，RN）的选择策略则是能否实现中继协作通信的关键。文中主要对两跳中继协作通信中中继节点及其协作方式的选择进行了研究，并在此基础上，结合RN的位置信息提出了一种两跳多RN下基于放大转发（Amplify Forward，AF）与译码转发（Decode Forward，DF）方式的自适应中继协作方案。

关键词：中继；LTE-A；选择策略；协作通信

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）11-0025-02

中继协作通信是指通过发送节点与RN之间的协作来完成数据的传输[1]。它是在结合MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）多天线技术与中继信道的思想后应运而生的，既克服了MIMO系统中移动终端难以安装天线的困难，又提高了系统传输的可靠性，还可获得一定的空间分集增益。中继协作通信中中继节点的选择是实现中继协作通信的关键，也是近年来研究的难点与热点。

1 概述

目前，所研究的RN的选择问题主要为：如何对参与协作的RN进行分配和管理，即RN协作时机的选取问题、参与协作的RN的选择问题以及中继协作方式（中继转发策略）的选择问题等[2]。现阶段所研究的RN的选择问题包括单中继选择（从多个RN中选取最优的一个）和多中继选择（从多个RN中选取多个满足条件的RN）两大类，这两种中继选择各有自己的特点，并在一定程度上都能改善系统的性能。因此，如何合理有效地选择RN及其相应的协作方式来进行数据的传输是一个十分关键的问题。

理论上讲，中继技术可以实现两跳/多跳、协同发送/接收、网格连接等更为复杂的传输模式和网络结构，但在研究的现阶段，由于引入RN后会给原来的通信链路带来一定的延时、干扰以及会占用原来通信链路的资源等问题，因此，目前所研究的中继协作通信技术都是最简单的基于两跳的中继协作。文章也主要对LTE-A系统下行链路基于两跳的多中继并行协作模型下中继节点及其协作方式的选择进行了研究，并根据中继节点的位置信息及其协作方式提出了一种基于AF与DF方式的自适应中继协作方案。

2 两跳多中继节点中继选择策略的研究

中继协作方式按照RN对接收信号处理方法的不同可以分为AF、DF和编码协作（CC）三种。其中AF和DF是中继协作通信中最为常用的两种中继转发策略，但在研究的过程中AF中继协作方式多适用于SNR（Signal to Noise Ratio）取值较大的情形下，并会在接收端给其他的接收信号带来一定的干扰；而DF中继协作方式则适用于中继节点能够正确译码的情况，在RN不能够正确译码的前提下使用DF中继协作方式则会造成资源的白白浪费。目前，所研究的中继转发策略中大多只针对上述两种协作方式中的某一种，较少有综合考虑AF与DF的优缺点去实现两者之间的自适应协作。

目前，所研究的基于两跳的多中继并行协作模型下的中继选择策略主要有：基于平均信道状态信息的中继转发策略、基于瞬时信道状态信息的中继转发策略、基于门限的中继转发策略以及基于位置信息的中继转发策略等[3]。其中常见的基于平均信道信息的中继转发策略又包括基于距离的中继转发策略、基于路径损耗的中继转发策略和基于信号与干扰加噪声比（Signal to Interference plus Noise Ratio，SINR）的中继转发策略三种。

基于门限的中继协作方式的研究中，关键问题是门限的选择，不同衡量指标下门限值的选取不同，则其对应协作方式下中继协作通信的性能也会不同。文献[4]主要研究了协作通信系统中单中继节点下一种基于门限的自适应中继转发策略，该中继转发策略的基本原则为：中继节点通过比较其接收信号的SNR与源节点到中继节点之间链路的平均SNR来决定该中继节点是否作为使用AF（放大转发）方式的中继节点，对不满足使用AF协作方式的中继节点，则使用自适应译码转发方案，即能够正确译码的中继节点采用DF（译码转发）协作方式参与协作，不能正确译码的中继节点则不参与协作。

基于位置信息的中继协作方式源于Z.LIN等人所提出的利用相对距离来选择中继节点的算法。此外，Z.LIN等人在研究编码协作分集的技术中，还提出了用户协作区域（User Cooperation Region）的概念，即通过协作能够降低系统BER的中继节点的地理位置的集合[5]。也就是说，只要有中继节点分布在用户协作区域内，就可以利用该中继节点来参与协作，完成数据的转发，从而降低系统的BER。

3 AF与DF自适应中继协作方案的研究

由上述的研究可知，RN的位置信息对中继的协作性能有一定的影响，而之前所研究的基于门限的中继协作方式中，只考虑了RN位于源节点和目的节点中心位置的情况，却没有考虑RN位置信息变化时给中继协作性能所带来的影响。因此，文章在上述研究的基础上，利用RN的位置信息，提出了一种新的基于门限的自适应中继转发策略。该门限值由RN接收的瞬时SNR和RN的位置信息共同确定。

3.1 自适应中继转发原理

自适应中继协作方案的基本原理为：根据基于位置信息的中继协作方式中SNR的定义，结合基于门限的中继协作方式中门限的选取方法，对用户区域内每个RN所接收到的信号的瞬时SNR与该协作模型下所有源节点到RN链路之间的平均SNR来判断该RN是否是符合采用AF中继协作方式的RN；对不满足以上情况的RN进行第二次的判断，即采用循环冗余校验（CRC）方式，看该RN能否对接收的信号进行正确的译码，作为该RN是否可以采用DF方式参与协作的依据，对均不满足上述条件的RN，则不参与本次通信的协作。

3.2 自适应中继协作方案的协作流程

在自适应中继协作方案的协作流程中，RN按照改进后的门限值做第一次判断，即用户区域内的RN首先根据其接收信号的瞬时SNR与源节点和RN之间链路的平均SNR作对比，若该RN的瞬时SNR大于链路的平均SRN，则该RN作为采用AF中继协作方式的RN参与协作；对不满足上述情况的RN继续进行第二次判断，如果该RN能够从接收到的信号中正确地恢复出原来的信息，则该RN将作为采用DF中继协作方式的RN参与协作，对均不满足上述情况的RN则直接从原有的中继集合中进行删除，并对RN集合里的剩余RN进行依次判断，直到所有RN循环完毕为止，从而完成RN的自适应转发，其具体协作流程如下图所示。

4 小结

文中主要对LTE-A下行链路两跳中继系统中基于门限与基于位置信息的中继协作方式进行了研究与分析。在研究基于门限的中继协作方式的基础上，利用RN的位置信息，提出了两跳多RN并行模型下一种基于AF与DF方式的自适应中继协作方案，并给出了该自适应中继协作方案的协作原理及其协作流程。

参考文献：

[1] S. Parkvall， D. Astely. The evolution of LTE towards IMT-Advanced [J]. J. Communication， 2009， 4（3）： 146-154.

[2] 陈纯锴， 谢红. 改进的协作中继节点选择策略[J]. 哈尔滨工程大学学报， 2012， 33（2）： 240-243.

[3] 宋婧， 葛建华， 李靖. DF协作系统中基于中断概率的功率分配算法[J]. 西安电子科技大学学报， 2011， 38（2）： 1-7.

[4] 陈纯锴， 谢红. 改进的协作中继节点选择策略[J]. 哈尔滨工程大学学报， 2012， 33（2）： 240-243.

[5] Lin Zinan， Erkip E. Cooperative regions and partner choice in coded cooperative systems[J]. IEEE Transactions Communication， 2006， 54（7）：1323-1334.