張語(yǔ)昕

（河南大學(xué)歐亞國(guó)際學(xué)院，河南 鄭州 450000）

0 引 言

在信息技術(shù)快速發(fā)展的時(shí)代背景下，信息安全問(wèn)題日益得到社會(huì)大眾的廣泛關(guān)注。如何在應(yīng)用移動(dòng)設(shè)備與通信網(wǎng)絡(luò)的同時(shí)強(qiáng)化個(gè)人信息的安全使用成為一個(gè)重要問(wèn)題。要避免信息網(wǎng)絡(luò)中存儲(chǔ)的有效資源與重要信息遭到破壞與威脅，需細(xì)致了解并分析協(xié)作通信這一高效的通信運(yùn)行模式，并采用適宜的應(yīng)用手段發(fā)揮其潛在的通信優(yōu)勢(shì)。

1 協(xié)作通信的基本概述

利用通信網(wǎng)絡(luò)中處于閑置狀態(tài)的天線資源作為信源中繼進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)信息的協(xié)助，是協(xié)作通信技術(shù)的具體應(yīng)用。要實(shí)現(xiàn)空間分集的工作目的，可以利用不同天線進(jìn)行相同數(shù)據(jù)的傳輸。這樣的運(yùn)行模式可以有效提高移動(dòng)通信系統(tǒng)的安全性能，是無(wú)線通信領(lǐng)域內(nèi)在多輸入多輸出天線技術(shù)之后的重要前沿性研究課題。在通信節(jié)點(diǎn)的天線數(shù)目方面，協(xié)作通信技術(shù)并沒(méi)有嚴(yán)格要求，通過(guò)搜索與收集移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中的閑置天線，構(gòu)建分布式虛擬天線的傳輸陣列，以協(xié)作的方式傳輸數(shù)據(jù)，因此具有高效的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。在移動(dòng)通信系統(tǒng)中融入?yún)f(xié)作通信技術(shù)，則是一種更有效的方法。

對(duì)于上行的協(xié)作通信來(lái)說(shuō)，上行信號(hào)會(huì)由用戶終端發(fā)送，再由多個(gè)移動(dòng)通信基站進(jìn)行信號(hào)接收。這樣的運(yùn)行機(jī)制中，基站處對(duì)用戶發(fā)射的通信信號(hào)的實(shí)際接收與處理過(guò)程，終端用戶并不需要明確了解，只需要了解下行信令與上行信號(hào)存在密切的聯(lián)系，知道如何提供信號(hào)即可[1]。

1.1 協(xié)作通信的相關(guān)背景

中繼信道的信息論特征是協(xié)作通信基本結(jié)構(gòu)思想的主要發(fā)展源頭。三節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)是指具有一個(gè)源頭節(jié)點(diǎn)、一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)與一個(gè)目的節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)式網(wǎng)絡(luò)。對(duì)三節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)容量進(jìn)行具體分析，將所有節(jié)點(diǎn)的工作頻帶設(shè)為一致，這樣網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)便可以視為由一個(gè)多址信道和一個(gè)廣播信道組成。在協(xié)作通信中，需要考慮的結(jié)構(gòu)特性與運(yùn)行模式與中繼信道不完全相同。如何產(chǎn)生克服通信衰落的網(wǎng)絡(luò)分集，是當(dāng)前協(xié)作通信的研究重點(diǎn)。同時(shí)，在中繼信道方面，幫助主信道的良好運(yùn)行是中繼的基本目的。在協(xié)作通信工作模式下，整個(gè)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的總體資源是固定化的，通信用戶不但是信息源，還是一位中繼者。

在協(xié)作通信運(yùn)行系統(tǒng)中，用戶需要發(fā)送個(gè)人數(shù)據(jù)，但每一位用戶也是其他用戶的協(xié)作式代理。這種協(xié)作運(yùn)行機(jī)制帶來(lái)的是發(fā)射功率和碼速率的相對(duì)折衷。對(duì)于發(fā)射功率來(lái)說(shuō)，在協(xié)作通信中，每一位用戶需要發(fā)射自身的數(shù)據(jù)，同時(shí)中繼其他用戶的數(shù)據(jù)，這樣的工作模式需要更高的發(fā)射功率。另一層面看，協(xié)作通信有效產(chǎn)生了分集式增益，因此每一用戶的基本發(fā)射功率可以適當(dāng)縮減。同樣，在速率方面也存在這樣的問(wèn)題。每一用戶既承擔(dān)著發(fā)送個(gè)人數(shù)據(jù)的作用，也承擔(dān)著中繼他人數(shù)據(jù)的功能，因而有人會(huì)認(rèn)為協(xié)作通信運(yùn)行方式會(huì)使系統(tǒng)的碼速率遭到損失。但是，這樣的運(yùn)行模式也會(huì)產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的協(xié)作分集，改善每一位用戶的譜效率，顯著提高通信信道的碼速率，實(shí)現(xiàn)兩者的有效折衷[2]。

協(xié)作通信特殊的運(yùn)行模式帶有帶寬與功率進(jìn)行零與博弈的濃厚色彩。借由用戶發(fā)射功率與帶寬的特殊分配策略，改善移動(dòng)通信系統(tǒng)的工作性能，是協(xié)作通信的基本前提。在協(xié)作分配通信資源工作模式下，每一位網(wǎng)絡(luò)用戶都需要充當(dāng)其他用戶數(shù)據(jù)發(fā)送的傳遞者。

1.2 協(xié)作通信的檢測(cè)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制

協(xié)作通信的檢測(cè)轉(zhuǎn)發(fā)與傳統(tǒng)的中繼信道方法存在類似之處。在這一通信方法中，用戶可以嘗試先檢測(cè)其他用戶發(fā)射的數(shù)據(jù)比特，再將通過(guò)檢測(cè)得到的比特結(jié)果進(jìn)行二次發(fā)送。通過(guò)通信基站或其他通信技術(shù)，其他用戶可以進(jìn)行特殊指定。在檢測(cè)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制下，需要考慮兩位用戶伙伴進(jìn)行相互協(xié)作通信的情況。在實(shí)際工作過(guò)程中，用戶與用戶之間形成協(xié)作關(guān)系，每一位用戶都會(huì)有其他伙伴為其數(shù)據(jù)的發(fā)送提供第二條路徑，形成了分集的概念。協(xié)作用戶伙伴的分配方式是當(dāng)前移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)研究中的一項(xiàng)熱門(mén)課題。

譯碼與轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作機(jī)制在通信專著中存在許多實(shí)例，各種應(yīng)用探究為當(dāng)前的協(xié)作通信發(fā)展帶來(lái)了許多啟迪與靈感。例如，在碼分多址系統(tǒng)下，存在一項(xiàng)兩位用戶以成對(duì)的模式進(jìn)行協(xié)同協(xié)作的譯碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作機(jī)制。在這一運(yùn)行機(jī)制中，每一位用戶會(huì)擁有各自的兩項(xiàng)擴(kuò)頻碼，用戶在第一時(shí)間與第二時(shí)間的中間間隔內(nèi)發(fā)送自己的比特信息，每一位用戶也可以檢測(cè)其他用戶的第二比特。這樣在第三時(shí)間間隔內(nèi)，兩位協(xié)同協(xié)作的用戶會(huì)發(fā)送自己第二比特與伙伴第二比特形成的線性組合。第一時(shí)間間隔、第二時(shí)間間隔與第三時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)送的功率可以變化，結(jié)合用戶通信信道與上行之間的具體條件，相關(guān)的發(fā)射功率可以有針對(duì)性地進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，具有較高的適應(yīng)能力，能夠適應(yīng)信道的各種狀態(tài)。

1.3 協(xié)作通信的放大轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制

與檢測(cè)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制相比，放大轉(zhuǎn)發(fā)方法是一種較為簡(jiǎn)單的協(xié)作信號(hào)處理方法。在放大轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制中，每一位用戶會(huì)接收到帶有噪音的通過(guò)其他伙伴發(fā)送而來(lái)的通信信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行放大處理。處理完畢后，將帶有噪音的放大版信號(hào)重新進(jìn)行發(fā)送。用戶與其伙伴共同傳輸?shù)男盘?hào)數(shù)據(jù)由通信基站統(tǒng)一接收，基站對(duì)信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步合并判決。雖然用戶協(xié)作者放大信號(hào)的同時(shí)也放大了噪音，但基站接收到的兩個(gè)衰落信號(hào)相對(duì)獨(dú)立，因而能在最后階段明確判決信號(hào)。

協(xié)作通信的放大轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制由通信專家提出并進(jìn)行系統(tǒng)分析。放大轉(zhuǎn)發(fā)方法的實(shí)驗(yàn)研究表明，當(dāng)通信信號(hào)處于高信噪比時(shí)，以兩個(gè)用戶協(xié)同協(xié)作為例，這一機(jī)制可以得到的分集階數(shù)為2。在放大轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制運(yùn)行模式下，如果用戶間信道系數(shù)已知，最優(yōu)譯碼便可以直接進(jìn)行。因此，必要的信息交換與信道估計(jì)是這一機(jī)制必須進(jìn)行的。對(duì)于模擬信號(hào)的抽樣選取、信道放大與信號(hào)重傳，是放大轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制面臨的另一項(xiàng)挑戰(zhàn)，不再是一項(xiàng)簡(jiǎn)單的通信技術(shù)?？梢?jiàn)，從運(yùn)行模式來(lái)看，放大轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制仍是一項(xiàng)相對(duì)簡(jiǎn)單化的通信協(xié)作機(jī)制，在信號(hào)分析方面具有高度方便性，也有助于進(jìn)一步理解協(xié)作通信系統(tǒng)。

1.4 協(xié)作通信的編碼協(xié)作機(jī)制

協(xié)作通信的編碼協(xié)作機(jī)制充分體現(xiàn)了信道編碼思想與編碼協(xié)作的有機(jī)綜合。借由兩條相對(duì)獨(dú)立的衰落信號(hào)將每位用戶的不同碼字部分進(jìn)行發(fā)送，便是編碼協(xié)作機(jī)制的工作模式[3]。這一機(jī)制的基本思想理念是每位用戶向其他用戶伙伴發(fā)送增加部分的冗余信息。如果用戶與用戶伙伴之間的信道處于較為惡劣的狀態(tài)，編碼協(xié)作機(jī)制會(huì)自動(dòng)恢復(fù)為非協(xié)作的通信模式。通過(guò)信道編碼設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)信道協(xié)作，是編碼協(xié)作機(jī)制的突出特點(diǎn)。

有限信息與循環(huán)性冗余校驗(yàn)信息，是用戶發(fā)送的通信源數(shù)據(jù)的主要組成內(nèi)容。在編碼協(xié)作機(jī)制中，用戶的數(shù)據(jù)發(fā)送周期主要分為兩個(gè)階段。每一階段可以稱為一幀。在第一幀的數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)程中，以N1個(gè)比特概括每位用戶所發(fā)送碼字的總體內(nèi)容。每位用戶可以對(duì)其伙伴發(fā)送的通信數(shù)據(jù)嘗試進(jìn)行正確譯碼，若譯碼結(jié)果顯示正確，在第二幀階段便可以進(jìn)行譯碼計(jì)算，并將伙伴數(shù)據(jù)的第二部分進(jìn)行發(fā)送，這一過(guò)程包含N2個(gè)數(shù)據(jù)比特。若譯碼錯(cuò)誤，在第二幀通信階段用戶只能將自己數(shù)據(jù)的第二部分進(jìn)行傳送，包含的也是N2個(gè)比特。在編碼協(xié)作機(jī)制下，每個(gè)通信周期內(nèi)每位用戶發(fā)送的均是包含N1、N2兩部分比特的數(shù)據(jù)內(nèi)容。協(xié)作水平也可以定義為用戶為其伙伴發(fā)送的比特總數(shù)目與移動(dòng)通信傳輸總比特的比值。一般情況下，編碼協(xié)作網(wǎng)絡(luò)可以吸納各種移動(dòng)通信信道編碼方法的應(yīng)用，如分組碼、卷積碼或兩種碼的結(jié)合都可以存在于整個(gè)碼字。

2 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)作通信應(yīng)用

2.1 協(xié)作通信在一般移動(dòng)通信中的應(yīng)用

在傳統(tǒng)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的蜂窩通信系統(tǒng)中，要有效提高通信服務(wù)質(zhì)量，通用的方法是中心分裂的方式。以小區(qū)通信為例，通常將一個(gè)小區(qū)細(xì)分成微型小區(qū)，將中央部署基站設(shè)置于微型小區(qū)內(nèi)，借助微波通信或有線方式，各個(gè)基站會(huì)與中央基站相連[4]。各個(gè)微型小區(qū)的整個(gè)通信范圍內(nèi)，包含的基站會(huì)與其他多項(xiàng)移動(dòng)臺(tái)連接。實(shí)行移動(dòng)通信前，通過(guò)對(duì)信道資源的控制與分配，基站先告知移動(dòng)通信臺(tái)資源，之后移動(dòng)臺(tái)針對(duì)其分配的信道資源開(kāi)展進(jìn)一步的通信工作。

移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)寫(xiě)作通信模式的有效引入，使得基站可以順利與其他多個(gè)中繼站進(jìn)行關(guān)聯(lián)。微型區(qū)域內(nèi)的中繼站點(diǎn)也可以與多個(gè)移動(dòng)臺(tái)連接，整個(gè)小區(qū)的總體通信資源分配由基站統(tǒng)一控制。借助專門(mén)的功能函數(shù)，中繼站可以具體掌控通信資源的分布。移動(dòng)通信的中繼站還可以采用放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作模式，在接收到來(lái)自基站的特定時(shí)隙與特定頻率的數(shù)據(jù)消息后，中繼站可以隨之進(jìn)行信號(hào)的放大轉(zhuǎn)發(fā)，或采用解碼轉(zhuǎn)發(fā)通信模式，先將基站發(fā)送的消息進(jìn)行解碼，再對(duì)編碼進(jìn)行糾錯(cuò)或調(diào)制，這樣中繼站便可以轉(zhuǎn)發(fā)出信息。這樣的通信工作模式有助于中繼站有效提高通信系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量。中繼站可以應(yīng)用壓縮轉(zhuǎn)發(fā)的通信模式，將接收的數(shù)據(jù)消息進(jìn)行統(tǒng)一壓縮量化，再將完成量化的信息進(jìn)行下一步轉(zhuǎn)發(fā)。在壓縮轉(zhuǎn)發(fā)的通信模式下，協(xié)作通信模式可以大大提升通信系統(tǒng)的運(yùn)行速率。

2.2 協(xié)作通信在應(yīng)急移動(dòng)通信中的應(yīng)用

協(xié)作通信的有效應(yīng)用有助于加強(qiáng)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，因而通信基站處于癱瘓的狀態(tài)下也可以維持部分通信的正常運(yùn)行。

在應(yīng)急移動(dòng)通信中，如果某個(gè)小區(qū)的通信基站由于出現(xiàn)故障引發(fā)宕機(jī)現(xiàn)象，那么在其覆蓋的通信范圍內(nèi)移動(dòng)用戶便不能進(jìn)行移動(dòng)通信。如果基站內(nèi)事先構(gòu)建了協(xié)作通信系統(tǒng)，在基站出現(xiàn)故障宕機(jī)時(shí)，這一通信區(qū)域內(nèi)的移動(dòng)用戶可以借助無(wú)線電臺(tái)進(jìn)行相互聯(lián)系。在這一運(yùn)行狀態(tài)下，無(wú)線電臺(tái)更像是一個(gè)具有精簡(jiǎn)化功能的小型基站。如果該區(qū)域內(nèi)的通信用戶需要與區(qū)域外的用戶進(jìn)行聯(lián)絡(luò)通信，可以采用多跳無(wú)線電臺(tái)的方式開(kāi)展通信活動(dòng)，還可以借助多跳的無(wú)線電臺(tái)與基站建立聯(lián)絡(luò)[5]。這樣的通信方式也存在一些缺點(diǎn)，其中之一是通信容量較為有限，可以借助優(yōu)先級(jí)的方式加以控制。

3 結(jié) 論

對(duì)于傳統(tǒng)的移動(dòng)通信工程來(lái)說(shuō)，移動(dòng)通信企業(yè)往往會(huì)采用將網(wǎng)絡(luò)布置優(yōu)化升級(jí)或增設(shè)基站的方式增強(qiáng)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)安全性和提升系統(tǒng)容量，彌補(bǔ)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)在服務(wù)質(zhì)量與通信傳輸速率方面存在的缺點(diǎn)與不足。但是，這種管理方式意味著在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與后期維護(hù)方面需加大投入，因此只有優(yōu)化移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)性能才能發(fā)揮其實(shí)用價(jià)值。