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无线通信中的协同传输技术
徐慧，汪剑锋，郑侃，王文博
北京邮电大学电信工程学院，北京 (100876)
摘 要：协同传输是近年来无线通信领域中的研究热点，它通过多个用户共享彼此的天线获
取空间分集，从而显著提高系统容量和传输的可靠性。本文详尽地介绍了协同传输的原理及
背景，总结了协同传输中几种主要的传输策略，并全面地分析比较了他们的优缺点，在此基
础上分析了双工和多址方式在协同传输的实际应用中带来的影响，最后对目前协同传输的研
究现状及热点进行了总结。
关键词：协同传输，传输策略，双工模式，多址方式
中图分类号：
1．引言
多天线系统蕴藏着巨大的优势，然而如何将多天线系统的优势引入到现有的无线网络
中，如蜂窝系统，WLAN，Ad hoc网络等是一个十分值得思考的话题。协同传输正是考虑到
当无线网络中的移动终端由于大小，成本以及复杂度的限制不具备多天线条件时，利用多个
用户的天线构成虚拟多天线系统，多个用户通过共享它们的天线以及其它资源来开发多天线
系统的优势。更确切地说协同传输通过用户共享天线而实现空间分集，从而达到提高用户的
传输性能和系统总体容量的目的。
协同传输的起源可以追溯到70年代van der Muelen等学者关于中继信道的研究[1,2]。而近
年来有关协同传输的研究则兴起于Sendonaris等的研究工作，他们率先提出了一种适用于
CDMA网络的协同策略，并利用一般化的干扰信道模型开发了协同传输可获得的速率域和中
断概率[3]。协同传输发展到今天，主流的协同策略主要是由Laneman等提出的一系列基于重
复的协同策略和由Hunter等提出的基于冗余的编码协同策略。这些协同策略的理论分析和优
势论证已经被开发得比较充分。本文将在后面详细介绍这些协同策略的实现方法及其优缺
点。
另一方面，协同传输在从理论模型到具体实现的过程中将面临许多实际的问题，如协同
用户的速率损失，对整个网络的干扰，协同终端的分配及切换，系统的公平性等问题。本文
将主要就系统的双工方式和多址方式对协同传输的影响进行重点说明。最后，文章总结了协
同传输目前的研究现状以及研究热点。
2．协同传输的原理
在无线传输中，分集是一种抵抗由多径造成的信道衰落的重要手段，常用的分集有时间
分集，频率分集和空间分集。时间分集通常采用编码交织技术获得，而频率分集的最典型代
表是扩频技术，空间分集则是利用多个天线构成多个独立的衰落信道来实现的。在几种分集
技术中，空间分集不需要占用额外的时间和频率资源，而且在获得分集增益的同时还可以获
得阵列增益，并且能够与其他分集同时使用，因而在无线传输技术中备受关注。然而移动端
由于大小，成本和复杂度的限制通常只有一根天线，即使可以配置多根天线，空间信道也会
由于过小的天线间距而产生很大的相关性。为了在这样的条件下可以引入空间分集的优势，
协同传输的机制应运而生，它是令无线网络中的多个用户共享其天线，构成虚拟的多天线阵
列，从而实现空间分集。文献[3]中证明了多用户协同传输的优势在于不仅可以使系统获得
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更大的可达速率域范围，同时还可以使用户的中断概率更小，即传输的可靠性更高，而系统
容量的增长又可以等效为几乎同比例的小区覆盖范围的增大。
在协同传输中，为了尽量简化网络设计和减少附加资源的利用，通常令每个用户终端既
是信源又是中继，从而不需要引入专门的接入点作为中继。两个用户的协同传输如图1所示，
用户1和用户2互为信源和中继，实线表示信源信号，虚线表示中继信号，两个用户即作为信
源发送自己的信息又作为中继发送对方的信息，接收端将收到的相同信息进行最佳合并，以
充分利用空间分集。两用户的协同传输是最简单的，也是被研究最多的，因此下面都将以两
个用户的协同传输模式进行说明。
注意到在协同传输机制下，用户由于充当中继将耗费更多的发射功率，并降低自身的传
输效率。但另一方面，该用户本身的信息也被他对应的中继协同传输，因此其性能会有所提
高，所需的发射功率会有所降低，频谱效率也将得到提高。因此可以说协同传输实质上存在
着对发射功率和频谱效率的折衷效应[4]。
3．协同传输策略
协同传输策略可以分为基于重复的和基于冗余的，前者是由中继将信源信息以某种形式
重新发送一遍，如放大-转发，译码-转发方式；而后者则是将信源信息分为两部分，由信源
和中继各发一部分，即中继发送了信息冗余部分，其典型代表有编码协同和空时码协同。同
时，协同传输策略还可以分为基于信息再生的和非再生的，再生是指中继首先通过译码等操
作得到信源的原始发送信息，再以某种形式再生之后发送给接收端，而非再生则包括其他一
切不需要获得原始信息的策略，上述策略中只有放大-转发属于非再生的。下面就具体介绍
各种策略的实施方法，并对比它们的优缺点。
放大-转发（Amplify-and-Forward, AF）
放大-转发是最简单的一种协同策略。它类似于长途传输中的模拟中继，中继端将接收
到的信号经过放大直接转发出去，不做任何额外的操作。这种方法的不足是会放大噪声，而
且对于接收端来说，为了实现最优译码，需要知道信源和中继之间的信道信息[5]，因此需要
制定额外的机制去估计以及交换信道信息，从而引入额外的复杂度和信令开销。另外，对于
中继端来说，完成对模拟信号的直接采样，放大以及重传都是有一定难度的工作。
译码-转发（Decode-and-Forward, DF）
图 1两个用户的协同传输
Fig1 Cooperative transmission of two users
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译码-转发类似于长途传输中的数字中继，中继端接收到的信号首先被译码回原始信息
比特，然后再重新编码发送出去。然而在无线信道中，由于不能保证中继译码的正确性，错
误的重传会导致这种方法的性能比非协同传输的性能更差。因此，在采用该策略时通常结合
选择性协同，也就是 Laneman提出的选择译码-转发策略。此时，中继通过对接收到的信源
信息的信噪比（SNR）进行检测来判断是否进行协同，当 SNR足够高时（超过某一门限值），
中继对信息进行译码-转发，而当 SNR较低时，传输则转为非协同模式。选择策略基本上消
除了译码-转发的消极影响，可以获得较好的协同性能。然而同放大-转发一样，采用译码-
转发时接收端同样需要知道信源与中继间的信道以便实现最优译码，所以仍会带来额外的复
杂度和信令开销。
编码协同（Coded Cooperation）策略
编码协同的基本思想是将信道编码后的信息符号分为两部分，这里称为两帧，由信源用
户传输第一帧，中继用户接收到之后对其进行译码，如译码正确，则重新编码，得到其第二
帧信息进行发送，此时的传输模式如图2所示。如中继没有正确译码信源信息，则自动退化
为非协同模式，即传输自身信息的第二帧。因此这是一种基于冗余的协同策略，较前面基于
重复的协同策略可以达到更高的传输效率，甚至是相比于非协同系统无损的传输效率。接收
端利用两帧信息进行译码从而获得空间分集。中继判断是否正确译码第一帧可以通过在原始
信息比特前加入循环冗余校验（CRC）码来实现。
根据中继用户成功译码信源信息与否，编码协同可以有三种情况。第一种情况下两个中
继都成功译码信源，因此互发对方的第二帧，即图1所示情况。第二种情况下两个中继都没
能成功译码，因此退化为非协同方式。第三种则是只有一个中继成功译码信源，此时可以看
作是半协同方式，即被成功译码的用户处于协同方式，而没有被成功译码的用户处于非协同
方式。接收端为正确译码必须知道当前时隙两个用户分别处于协同还是非协同状态。这可以
通过每用户增加1比特的信令信息来实现，也可以通过接收端遍历每种情况来自行判断，当
然这会带来一定程度的复杂度增加。
编码协同的优势在于不仅可以实现无损的传输效率，还可以通过灵活地控制两帧的比例
以适应不同的传播环境，从而实现性能的最优化。而采用的信道编码形式和分帧方法都可以
灵活的选择，如分帧可以通过打孔或乘积码的方法实现。并且采用该策略，接收端不需要知
道用户间的信道，信令开销较小。
图 2编码协同与空时码协同策略
Fig2 Coded cooperation and space-time coded cooperation strategies
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空时码协同（Space-Time Coded Cooperation）策略
空时码协同是编码协同的一种改进形式。从编码协同的原理中可以看到，如果信源与接
收端的信道是快衰落的，那么信源本身的两帧信道就是不相关的，此时编码协同相对于非协
同就不会有增益产生。针对这种情况，文献[6]中提出了空时码协同策略，该方案是当中继
成功译码后，在其第二帧中既传输信源的冗余信息也传输自身的冗余信息，并保持第二帧的
总功率不变，即第二帧的功率会在两个用户的冗余信息间进行分配，其原理如图2所示。同
样的，当中继没有成功译码，则自动退化为非协同方式。
协同策略的分析与比较
相比于编码协同和空时码协同，基于重复的协同策略存在着传输效率低，容易造成噪声
放大，使用不灵活，接收端需要知道信源与中继信道信息以进行最优检测，硬件实现难度大
等不足。当然，基于重复的协同策略也有其简单的优势，例如可以方便的扩展到多用户协同，
易于和空时编码相结合从而获得更好的性能等。另外，基于重复的协同策略也可以引入类似
于ACK/NACK的1比特反馈信息用来告知中继是否需要协同，以此来提高传输效率，如果接
收端已成功译码，则不需要，反之则需要。
从性能角度来说，除了简单的译码-转发方式之外，其它几种协同策略都可以获得满分
集增益，即n个用户进行协同传输时可以获得n维分集增益[7]。但是，放大-转发和（选择）
译码-转发由于其近似于重复码的特性，当SNR较低或传输速率较高时，其性能甚至要差于
非协同方式，而这对于编码协同和空时码协同来说是不可能出现的。在慢衰落信道下，编码
协同具有最优的性能，而在快衰落信道下则是编码协同的改进形式—空时码协同策略具有最
优的性能[8]。因此无论从可靠性，有效性，还是实现的灵活性方面，编码协同都是有着显著
优势的一种策略。
值得说明的是，无论采用哪种协同策略，协同传输都具有使网络中的用户性能趋于一致
的趋势，即当两个协同用户相对于接收端的信道质量一样时（称为对称），协同传输对两个
用户有相同的改善程度；而当两个协同用户相对接收端的信道质量不对称时，协同传输对较
差用户的改善更为显著。这种趋势有利于网络整体性能的提高，因此协同传输也可以看作是
一种网络资源的有效分配方式。
4．协同传输的实现
协同传输涉及到用户间的通信，因此与系统的双工方式和多址方式有着密切的关系。对
于全双工系统来说，用户可以在发信的同时接收其他用户的信息，因而具有最高的效率，但
在实际系统中，因为严重的信道衰落（这将导致终端的发射信号高于接受信号100dB-150dB）
和收发电路间不充分的电磁分离，全双工通常是很难实现的。因此，对协同的研究大部分集
中于半双工方式下。
在半双工前提下，为了保证接收端可以区分信源用户和中继用户的信号，信源和中继必
须采用正交信道传输，如TDMA，FDMA，CDMA信道等。由于限定了用户处于半双工方式，
因此信源和中继必须在不同时隙发送以保证接受对方的信息。设采用传输效率最高的编码协
同策略，对于TDMA系统，用户可以实现与非协同方式一样的传输效率；但对于FDMA和
CDMA系统，信源和中继分时隙的传输将导致传输效率的损失，如图3所示。然而由于协同
传输提高了传输的可靠性，进而提高了频谱效率，于是两种因素的共同作用导致了传输效率
的折衷。
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不论采用哪种多址方式，中继和信源在发信时都可以只操作在自身的多址接入信道上，
CDMA用户也可以同时使用多个多址接入信道。对于蜂窝系统来说，由于上下行采用不同的
频段，因此用户终端要在上行频段接收信号就需要添加额外的硬件设备。但这对于上下行操
作在相同频段的Ad hoc网络来说则不是问题。
5．协同传输的研究现状及热点
对协同传输领域的研究是近年来的研究热点。就基础研究来说，针对协同传输中不同策
略的性能分析，包括分集度，中断概率，误码率性能等理论已基本成熟[7,8,9,10,11]。最优化问
题在协同传输系统中仍扮演了重要的角色，如编码协同中两帧的比例最优化，空时码协同中
功率分配的最优化等，文献[12]对这方面进行了系统地总结。同时协同传输因其特殊性还引
发了许多基于位置的研究，如文献[13]和[14]分别给出了协同作用的有效区域和协同用户的有
效范围。协同传输与其他先进技术的结合也是其发展的一个方向，如分层调制技术[17]，空
时编码[18]，多载波调制技术，如OFDM[19,20]等。
在实际应用方面，协同传输也正在被多家标准化组织考虑应用于不同的无线传输系统当
中，其中最主要的是标准化小组的讨论[21,22]和感知网络的应用[23,24]，另外，文献[25]
中提出了将协同传输引入到无线Mesh网络中以提高系统的吞吐量，而文献[26]给出了一种应
用于Ad hoc网络的协同传输机制。与此同时，有关各种实际应用的信道模型开发也成为了目
前研究的一个热点[27,28]。
最后，列举几个在协同传输中正在研究以及还有待开发的领域。首先，多用户系统中的
中继选择策略是协同传输中要面临的首要问题，它包括适用于蜂窝系统的集中式选择和适用
于Ad hoc或感知网络中的分布式选择，目前提出的选择策略有基于空间分布的[14]和基于一定
算法的[15]，无论哪种方式，简单高效是系统所要实现的最终目标。其次，对于编码协同系
统来说，设计一种符合系统需求的好码是迫切需要的，如文献[16]中设计了一种增加中继接
收可靠性的卷积码，而Turbo码本身的构成方式就十分适用于编码协同策略。推广开来，如
何定义一种编码协同方式下的最优码设计准则是一项更加富有挑战性的工作。另外，空时码
在协同系统中的设计和应用也是目前研究的热点之一，如新型的分集镶嵌空时码[29]的应用。
最后，相关高层协议的制定也是协同中必须考虑的问题之一[30]。
图 3半双工下不同多址方式的协同传输
Fig3 Cooperative transmission with different multiple access methods in half duplex system
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参考文献
[1] E. C. van der Muelen． Three-terminal communication channels［J］． Adv. Appl. Probab, 3:120-154, 1971．
[2] T. M. Cover, A. A. El Gamal．Capacity theorems for the relay channel［J］． IEEE Trans. Inf. Theory, 4:
572-584, ．
[3] A. Sendonaris, , B. Aazhang．User cooperation diversity part I and part II［J］．IEEE Trans. Commun.,
11: 1927-1948, Nov. 2003．
[4] A. Nosratinia, T. E. Hunter, A. Hedayat．Cooperative communication in wireless network［J］．IEEE Commun.
Mag., 42(10): 74-80, ．
[5] J. N. Laneman, G. W. Wornell．Energy-efficient antenna sharing and relaying for wireless networks［A］．Proc.
IEEE WCNC, 7-12, ．
[6] M. Janani, A. Hedayat, T. E. Hunter, ．Coded cooperation in wireless communications: space-time
transmission and iterative decoding［J］．IEEE Trans. Singal Processing, 52(2): 362-371, ．
[7] J. N. Laneman, D. N. C. Tse, G. W. Wornell．Cooperative diversity in wireless networks: efficient protocols
and outage behavior［J］．IEEE Trans. Inf. Theory, 50(12): 3062-3080, ．
[8] T. E. Hunter, S. Sanayei, A. Nosratinia．Outage Analysis of coded cooperation［J］．IEEE Trans. Inf. Theory,
52(2): 375-391, ．
[9] J. N. Laneman, G. W. Wornell．Distributed space-time-coded protocols for exploiting cooperative diversity in
wireless networks［J］．IEEE Trans. Inf. Theory, 49(10): 2415-2425,．
[10] G. Kramer, M. Gastpar, P. Gupta．Cooperative strategies and capacity theorems for relay networks［J］．IEEE
Trans. Inf. Theory, 51(9): 3037-3063, ．
[11] A. H. Madsen, J. Zhang．Capacity bounds and power allocation for wireless relay channels．IEEE Trans. Inf.
Theory, 49(10): 2415-2425, ．
[12] S. Valentin, H. S. Lichte, H. Karl, ．Cooperative wireless networking beyond store-and forward:
perspectives for PHY and MAC design［A］．WWRF WG3 WHITEPAPER, 2006．
[13] Z. Lin, E. Erkip, A. Stefanov．An asymptotic analysis on the performance of coded cooperation systems
［A］．IEEE VTC2004-fall, 2: 1333-1337, ．
[14] Z. Lin, E. Erkip, A. Stefanov．Cooperative regions for coded cooperative systems［A］．IEEE Globecom, 11:
21-25, ．
[15] T. E. Hunter, A. Nosratinia．Distributed protocols for user cooperation in multi-user wireless networks
［A］．IEEE Globecom, 6: 3788-3792, ．
[16] A. Stefanov, E. Erkip．Cooperative coding for wireless networks［J］．IEEE Trans. Commun., 52(9):
1470-1476, ．
[17] Q. Zhao, H. Li．Differential modulation for cooperative wireless systems［J］．IEEE Trans. Signal Processing,
55(5): 2273 – 2283, May 2007．
[18] Y. Li, X.-G. Xia．A family of distributed space-time trellis codes with asynchronous cooperative diversity
［J］．IEEE Trans. Commun., 55(4): 790-800, April 2007．
[19] S. Oh-Soon, A. M. Chan, H. T. Kung, ．Design of an OFDM cooperative space-time diversity system
［J］．IEEE Trans. Vehicular Technology, 56(4): 2203-2215, July 2007．
[20] K. Kwanghoon, K. Haelyong, P. Hyuncheol．OFDM channel estimation for the amply-and-forward
cooperative channel［A］．IEEE 65th VTC2007-Spring, 1642-1646, April 2007．
[21] IEEE, Standard for Local and Metropolitan Area Networks--Part 16: Air Interface for
Fixed and Mobile Broadband Wireless Access Systems--Multihop Relay Specification［S］．Aug. 2007．
[22] IEEE, ．System Requirements Document (SRD)［S］．Oct. 2007．
[23] Liu Liang, Ma Huadong, , ．A hierarchical cooperation model for sensor networks supported
cooperative work［A］．10th International Conference on Computer Supported Cooperative Work in Design,
1-6, May 2006．
[24] T.-D. Nguyen, O. Berder, O. Sentieys, Cooperative MIMO schemes optimal selection for wireless sensor
networks［A］．IEEE 65th VTC2007-Spring, 85-89, April 2007．
[25] C. Ibars, Coso, Y. Grunenberger, ．Increasing the throughput of wireless mesh networks with
cooperative techniques［A］．IEEE 16th Mobile and Wireless Communications Summit, 1-5, July 2007．
[26] Z. Qian, C. Qing, Y. Fan, ．Cooperative and opportunistic transmission for wireless ad hoc networks
［J］．IEEE Network, 21(1): 14-20, Jan.-Feb. 2007．
[27] L. Yingbin, V. V. Veeravalli．Cooperative Relay Broadcast Channels［J］．IEEE Trans. Information Theory,
-7-
53(3): 900-928, March 2007．
[28] A. del Coso, U. Spagnolini, C. Ibars．Cooperative Distributed MIMO Channels in Wireless Sensor Networks
［J］．IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 25(2): 402-414, Feb. 2007．
[29] C.-H. Kuo, C. -C. J. Kuo．An Embedded Space-Time Coding (STC) Scheme for Broadcasting［J］．IEEE Trans.
Broadcasting, 53(1): 48-58, March 2007．
[30] T. Korakis, Z. Tao, Y. Slutskiy, ．A Cooperative MAC Protocol for Ad Hoc Wireless Networks［A］．Fifth
Annual IEEE International Conference on Pervasive Computing and Communications Workshops, 532-536,
March 2007．
Cooperative Transmission Technology in Wireless
Communications
Hui Xu，Jianfeng Wang，Kan Zheng，Wenbo Wang
School of Telecommunication Engineering，Beijing University of Posts and Telecommunications，
Beijing (100876)
Abstract
Cooperative transmission is attached a lot of attention in recent wireless communication field, which
can significantly improve system capacity and transmission reliability through sharing antennas
between users. The fundamental theory and background of cooperative transmission is introduced first
in this paper, and then several main cooperative strategies are summarized, along with their advantages
and disadvantages in details. The influence of duplex and multiple access modes on the implement of
cooperation is analyzed. The current status and hot points of research work on cooperation are
concluded at the end.
Keywords：cooperative transmission，cooperative strategies，duplex modes，multiple access modes
作者简介：徐慧，女，1982年生，硕士研究生，主要研究方向是 B3G及 4G无线通信系统
中的物理层关键技术。
