0、引言
　　目前，隨著無線移動通信技術的快速發展，各種新技術層出不窮。 回顧移動通信發展過程，第一代移動通信系統由于提出了蜂窩小區結構、終端移動管理、漫游與切換等技術，實現了在移動中通信;第二代移動通信系統開始使用數字通信技術,基于數字信號處理技術和專用芯片，實現了設備的小型化和大量用戶接入，使移動通信迅速普及;第三代移動通信充分應用自適應技術實現寬帶高速的要求，調制自適應、編碼自適應、信道自適應、接入自適應、業務自適應等,實現了傳輸鏈路和通信系統的高效率。

　　 在 B3G/4G 移動通信中，若要實現更高寬帶和更高速率，就必須利用一切可能的資源:頻率、時間、編碼、功率、空間等。 其中，空間資源還沒有有效利用，是 4G 可能開發利用的新天地。 充分利用空間地理分布下的分布技術和系統, 將可能成為未來無線移動通信的重要技術特征。 近年發展起來的 MIMO 技術、協作通信(cooperative communications ,CC)技術、認知無線電（cognitive
radio)技 術 等,在資源的充分調度和利用 、處理能力的綜合與提高、傳輸能力性能的改善等方面十分有效和突出，是新興的無線移動通信技術[1]。

　　MIMO 系統可以提供發射分集增益， 因此該技術得到愈來愈廣泛的關注。 在蜂窩移動通信系統基站中，使用該技術可以獲得發射分集增益，但由于受系統設備尺寸、硬件復雜度和成本等限制，移動臺一般僅有單根天線。 為此，我們提出了協作通信技術， 該技術可以使具有單根天線的移動臺獲得類似 MIMO 系統的增益。 其基本思想是在多用戶環境中，具有單根天線的移動臺可以按一定方式共享彼此天線，從而產生虛擬MIMO 系統，獲得發射分集增益[2]。

　　 在 B3G/ 4G 無線通信的上行傳輸系統中，協作通信技術可以克服移動終端的尺寸和成本限制，利用小區內分散的用戶天線協作傳輸相同的信息, 獲得與多天線技術相似的空間分集效果,因而備受關注[3]。認知無線電能夠靈敏地感知周圍環境的變化，通過頻譜感知
功能發現頻譜空隙，使認知無線電能與周圍通信環境相適應[4]。 由于授權用戶網絡沒有義務改變它的結構來與認知無線電網絡共享頻譜，因此，認知無線電只能獨立地通過連續的頻譜感知對授權用戶進行探測。 所以， 頻譜感知是認知無線電的一項核心功能。協作通信有很大的潛力被認知無線電網絡所采用， 并且已經被應用于提高認知無線電網絡頻譜感知的可靠性能[5] [6]。 認知無線電用戶可以彼此中繼收到的主要信號， 從而更加可靠的感知本地的主要活動。 協作通信也可以被應用于認知無線電用戶的數據傳輸，這也許會面對認知無線電環境的新的挑戰。 在本文中我們對協作通信在認知無線電中的應用進行初步討論和分析。
　　1、協作通信
　　圖 1 是兩個移動臺與同一基站的通信， 移動臺分別稱為用戶 1 和用戶 2，基站稱為 BS。 每個移動臺只有單根天線，因此各自無法產生空間分集。 但是，如果某個移動臺可以接收其他移動臺數據，并將得到的數據以某種形式隨自身數據一起發送，而來自兩個移動臺的衰落路徑可以統計獨立， 這樣便可以產生空間分集。 在移動蜂窩網絡的協作通信中，通過協作可以明顯改善比特差錯率、塊差錯率甚至中斷概率等用戶業務質量問題。 在協作通信系統中，每個用戶既要發送自己的數據，同時也要作為其他用戶的協作代理（見圖 1）。

                                                       圖1.兩個用戶的協作通信                                                   

 　　圖 1. 兩個用戶的協作通信
　　很明顯，協作機制將導致碼速率和發射功率的折衷。 就功率而言，一方面，在進行協作通信時，由于每個用戶既要發射自身數據，又要中繼其他用戶數據，所以需要更高功率；另一方面，由于產生了分集增益，每個用戶基本發射功率可以適當減小。 速率也存在同樣問題，在協作通信時，雖然每個用戶既要發送自身數據，又要中繼其他伙伴數據，但由于產生了協作分集 ，每個用戶的頻譜效率都得到改善，信道碼速率由此提高。 這也形成了一個折衷。 有人把協作通信看作功率和帶寬的聯合博弈。 協作前提是對用戶功率和帶寬采取某種分配策略改善系統性能。 在資源協作分配中，每個用戶都為其他多個用戶發送數據[2]。協作通信基本思想可以追溯到 Cover 和 ELGamaL 關于中繼信道的信息論特性。 然而，協作通信在很多方面與中繼信道存在差異。 首先，目前協作通信的研究集中在如何產生克服衰落的分集，Cover 和 EL GamaL 主要分析在加性白高斯噪聲信道（AWGN）
下的信道容量；其次，中繼信道的中繼目的是為了幫助主信道 ，協作通信整個系統資源是固定的，用戶既是信息源又是中繼者。協作通信中信號處理方法主要有： 檢測轉發機制、 放大轉發機制和編碼協作機制。
　　2.認知無線電中的協作通信
認知無線電對于有限頻譜資源的利用是一個新型的選擇 ，允許主要的網絡和認知無線電網絡 （次要網絡） 共享相同的頻譜。 傳統意義上說，認知無線電用戶感知無線電環境，來尋找頻譜空隙（沒有被主要用戶使用的頻段或者時隙 ），從而開發出新的傳輸機會。 作為基本要求，認知無線電用戶不能夠干涉到主要網絡。換言之，在主要用戶的服務質量（QoS）不受影響的條件下，認知無線電用戶就可臨時占用主要網絡的頻譜。
　　2.1 認知無線電中的頻譜感知技術
認知無線電一個基本的認知周期要經歷如下基本過程 ：感知頻譜環境、信道識別、功率控制和頻譜管理[7]。 其中首要任務是感知頻譜環境，即空隙頻段的檢測和選擇。 所以，頻譜空隙檢測的可靠方案對于系統的設計和實現是極其重要的。 在認知無線電系統中， 認知無線電的頻譜感知功能就是感知某個頻段以判斷該頻段內是否有授權用戶存在， 也即對授權用戶信號進行監測。 一般，頻譜感知方法可以歸納為發射機檢測、協作檢測和基于干擾的檢測[8] 。在其中的協作檢測中， 多個認知無線電用戶將檢測到的信息相互合并，用來檢測授權用戶。 協作檢測可以是集中式的，也可以是分布式的。 在集中模式中，認知無線電基站負責收集各個認知用戶感知到的信息，并檢測頻譜空隙。 相應的，分散模式則要求認知用戶交互各自的感知信息。 認知用戶之間的協作檢測可以大大減少單個用戶檢測造成的不確定性， 因此理論上協作檢測更加準確[9]。 通常，多徑衰落和遮蔽效應是造成檢測性能下降的主要原因， 協作檢測能夠很大程度上消減多徑衰落和遮蔽效應的影響，提高檢測性能。
　　2.2 基于協作中繼的認知無線電通信
在這部分中，我們討論基于協作中繼的認知無線電通信。
我們針對一個主次網絡共存的系統進行研究，假設主要網絡是一個基于時分多址的蜂窩網絡， 其基站在不同的時隙傳輸數據到主要用戶 PU。 一個未獲得頻譜許可的次要網絡位于主要網絡的網絡范圍內，并且其中的認知無線電用戶（例如 CU1）正試圖尋找機會接入到次要接入點（AP）中。

　　主從認知無線電網絡共存的系統模型
認知無線電的一個重要特征是其可以感知周圍的無線環境。當基站在一個時隙中向 PU 傳輸數據時， CU1 可以在其產生的對 PU 的干擾小于干擾溫度的前提下，臨時占用此時隙向 AP 傳輸數據。 需要注意的是，AP 同時接收了來自基站的主要信號，其對認知無線電鏈路產生干擾。 根據認知無線電
的特征， 我們假設從基站接收的主要干擾信號可以在 AP 端和認知無線電用戶端被完全消除。 顯然，一旦一個認知無線電用戶使用一個時隙進行傳輸， 那么其將使用最大的允許功率來發送
數據，從而得到最大的吞吐量。 然而，當對主要用戶的干擾約束嚴格存在時，認知無線電用戶的可用傳輸功率將受到很大限制，從而影響吞吐量。CU0 接近于主要網絡的接收用戶 PU，他與 AP 之間的鏈路由于傳輸功率的約束將無法獲得較高的吞吐量。 CU0 可以通過周圍的認知無線電用戶來協助他進行數據傳輸，比如，CU2 被選中來協助 CU0 進行傳輸。 對于直接認知鏈路，主要鏈路使用的
整個時隙均被占用。 然而對于基于協作的認知鏈路，整個時隙被分為兩個均等的部分。 在第一部分中，認知用戶 CU0 發送數據到 AP 和選擇的中繼 CU2，在第二部分中，中繼 CU2 再次傳輸數據到 AP。 最終，AP 結合在這兩個時間間隔中接受到的信號。 在認知無線電中繼中 ，我們考慮放 大 和 轉發（AF）模式的協作 ，也就是說，中繼放大并重發了第一個時間間隔中接收到的數據。
　　3.仿真及性能分析
我們用一個二維分配模型來做為仿真模型，如圖 3 所示。認知無線電網絡 AP，認知無線電傳輸用戶 CU0，和主要網絡接收者 PU 分別位于坐標 (0,0)，(D,0) 和 (D,D/2)。兩個潛在的認知 無 線 電 中 繼 ，CU1 和 CU2, 分 別 位 于 坐 標（D/2,D/4）和（D/2,-D/4）。 圖 4 顯示了直接鏈路和基于協作的鏈路傳輸速率的性能。 很明顯， 通過協作可以得到較高的傳輸速率。 需要注意的是，如果沒有干擾約束，CU1 和 CU2 在到 CU0 和AP 的鏈路相同時，可以提供同樣的協作增益。 但是因為 CU2 距離 PU 較遠，可以獲得較大的傳輸功率，來自 CU2 的協作可以提供比 CU1 更高的增益。

　圖 3. 仿真模型

                                      圖3仿真模型

圖 4. 直接鏈路和基于協作的鏈路傳輸速率比較

4、結束語