面向5G協(xié)作通信系統(tǒng)的資源分配技術(shù)綜述

徐勇軍,彭 瑤,余曉磊,陳前斌

(1.重慶郵電大學(xué) 移動(dòng)通信技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065；2.重慶市醫(yī)用電子與信息技術(shù)工程研究中心，重慶 400065)

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，下一代無(wú)線通信面臨著爆炸性的流量增長(zhǎng)以及成倍的設(shè)備接入問(wèn)題，5G移動(dòng)通信的商用性迫在眉睫。未來(lái)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場(chǎng)景決定5G通信相對(duì)于4G具有更加豐富的工程需求。未來(lái)5G移動(dòng)通信將應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實(shí)、智能家居、超密集網(wǎng)絡(luò)、智能交通等場(chǎng)景，這要求5G通信網(wǎng)絡(luò)的總數(shù)據(jù)速率至少要達(dá)到4G(4G用戶峰值速率可達(dá)100 Mbit/s至1 Gbit/s)的1 000倍，而5G移動(dòng)通信邊緣的速率則至少是4G的100倍[1-2]。不僅如此，未來(lái)5G移動(dòng)通信應(yīng)用于緊急救援、戰(zhàn)爭(zhēng)等場(chǎng)景，超低時(shí)延同樣是5G移動(dòng)通信中極為重要的性能指標(biāo)之一。除此之外，如在高鐵、飛機(jī)等高速移動(dòng)的交通應(yīng)用中，需要保證移動(dòng)通信的超可靠性。更為重要的是，在越來(lái)越重視綠色能源的今天，5G移動(dòng)通信需要滿足低能耗的要求，因此，能量效率也是極為重要的性能指標(biāo)之一。

遠(yuǎn)距離傳輸通信中的感知、數(shù)據(jù)與信息交換是非常困難的，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)作通信(cooperation communication or relay communication)是一種通過(guò)中繼節(jié)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行輔助傳輸從而提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍和系統(tǒng)容量的技術(shù)，一直以來(lái)以其輔助傳輸?shù)奶攸c(diǎn)受到工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。在中繼節(jié)點(diǎn)處采用新型多天線傳輸技術(shù)，可以提供大規(guī)模并發(fā)數(shù)據(jù)流從而提升系統(tǒng)的容量，滿足5G通信的海量用戶需求，基于新型多天線傳輸技術(shù)是5G協(xié)作通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)。除此之外，系統(tǒng)中多對(duì)用戶使用同一中繼，會(huì)產(chǎn)生用戶對(duì)之間的干擾，而新型多天線傳輸技術(shù)可以通過(guò)簡(jiǎn)單的線性處理獲得極強(qiáng)的干擾抑制[3]，因此，將中繼與新型多天線傳輸技術(shù)結(jié)合不僅可以提升系統(tǒng)容量還可以抑制中繼網(wǎng)絡(luò)的對(duì)間干擾。近年來(lái)，基于非正交多址接入(non-orthogonal multiple a-ccess, NOMA)技術(shù)的5G協(xié)作通信系統(tǒng)受到廣泛關(guān)注[4-5]。不同于4G協(xié)作通信系統(tǒng)，5G協(xié)作通信系統(tǒng)采用NOMA，多個(gè)用戶在同一子頻帶上傳輸，極大地提高了頻譜利用率，但同時(shí)也產(chǎn)生了同頻干擾的問(wèn)題，可采用串行干擾消除(successive interference cancellation, SIC)技術(shù)以有效消除這一干擾。在傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，為提高系統(tǒng)的吞吐量同時(shí)減少能耗提出了微小區(qū)的概念，伴隨而來(lái)的是不可避免的更密集的異構(gòu)蜂窩部署[6]，更為復(fù)雜的無(wú)線干擾環(huán)境，可選擇的架構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)逐漸擴(kuò)大覆蓋區(qū)域有著極為重要的意義。中繼系統(tǒng)模型通過(guò)輔助傳輸?shù)奶攸c(diǎn)協(xié)助小區(qū)邊緣用戶傳輸，并可以通過(guò)減小發(fā)射功率來(lái)減小層與層之間的干擾。文獻(xiàn)[7]發(fā)現(xiàn)隨著移動(dòng)性的增強(qiáng)，5G超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的性能逐漸降低，中繼協(xié)作(相鄰微小區(qū)基站作為中繼)來(lái)協(xié)助傳輸回程業(yè)務(wù)以保證系統(tǒng)的性能。除此之外，在傳統(tǒng)蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)中，只有部分信道狀態(tài)較好的用戶可以直接從基站獲取服務(wù)。使用設(shè)備間通信(device to device, D2D)短距離傳輸技術(shù)，信道狀態(tài)較好的用戶作為中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行短距離傳輸，使信道狀態(tài)較差的用戶獲取服務(wù)，基于設(shè)備間通信的協(xié)作傳輸提高了系統(tǒng)頻譜利用率和服務(wù)質(zhì)量，同時(shí)減輕了基站的負(fù)擔(dān)和功耗[8-9]。同時(shí)，5G協(xié)作通信系統(tǒng)需要高數(shù)據(jù)速率來(lái)支持新興應(yīng)用的不斷增長(zhǎng)的流量需求，因此，中繼節(jié)點(diǎn)采用同時(shí)同頻全雙工技術(shù)來(lái)滿足這一需求[10]。

5G協(xié)作通信系統(tǒng)具有海量接入、異構(gòu)性、多樣性、干擾環(huán)境復(fù)雜以及能耗高的特點(diǎn)，產(chǎn)生了許多傳統(tǒng)協(xié)作通信系統(tǒng)所沒有的難題，例如，更為靈活的中繼選擇、緩存優(yōu)化、任務(wù)卸載、節(jié)點(diǎn)選擇、網(wǎng)絡(luò)安全等。資源分配技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)干擾管理、合理的資源調(diào)度以及用戶匹配。因此，對(duì)5G協(xié)作通信系統(tǒng)核心技術(shù)之一的資源分配技術(shù)的研究是十分有意義的。

本文對(duì)5G移動(dòng)通信研究現(xiàn)狀和中繼協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)的資源分配問(wèn)題進(jìn)行了綜述。首先，從不同維度對(duì)協(xié)作通信系統(tǒng)進(jìn)行了分類并細(xì)致闡明了幾類常見的中繼網(wǎng)絡(luò)模型；其次，詳細(xì)介紹了5G的應(yīng)用場(chǎng)景、關(guān)鍵技術(shù)及其所存在的問(wèn)題；再次，對(duì)這幾種協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)模型下的中繼選擇、功率分配等資源分配問(wèn)題進(jìn)行了總結(jié)；最后，指出目前發(fā)展所存在的問(wèn)題并對(duì)基于5G的中繼協(xié)作未來(lái)的研究方向進(jìn)行了展望。

1 協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)的基本概念

協(xié)作通信是指用戶之間通過(guò)相互協(xié)作來(lái)傳輸信息，源節(jié)點(diǎn)不僅傳送信息給目的節(jié)點(diǎn)同時(shí)也將信息傳送給中繼節(jié)點(diǎn)，再由中繼節(jié)點(diǎn)通過(guò)不同的中繼傳輸協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)給下一中繼節(jié)點(diǎn)或目的節(jié)點(diǎn)。目的節(jié)點(diǎn)將源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的信息進(jìn)行合并處理來(lái)獲得原始信息。

中繼節(jié)點(diǎn)采用的中繼傳輸協(xié)議分為以下3種常見方式:放大轉(zhuǎn)發(fā) (amplify forward, AF)、解碼轉(zhuǎn)發(fā)(decode and forward, DF)和編碼協(xié)作(coded cooperative, CC)。

2 協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)分類

相對(duì)于傳統(tǒng)中繼網(wǎng)絡(luò)，用戶的多樣性、網(wǎng)絡(luò)的密集性和異構(gòu)性，使得5G協(xié)作通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。為了形象地展示5G協(xié)作通信的分類，圖1包含了不同種類的5G協(xié)作通信系統(tǒng)。主要從中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)量、信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)方式、收發(fā)機(jī)分集增益幾個(gè)方面進(jìn)行分類。

圖1 5G協(xié)作通信系統(tǒng)分類Fig.1 Classification of 5G cooperation communication system

2.1 中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)量

從引入的中繼節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)來(lái)講，中繼協(xié)作通信可分為單中繼協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)和多中繼協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)。

在單中繼協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)中，只有一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行信息的轉(zhuǎn)發(fā)。該網(wǎng)絡(luò)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，信息傳輸效率有限的特點(diǎn)。通常應(yīng)用在一個(gè)直傳無(wú)法實(shí)現(xiàn)的近距離通信系統(tǒng)中，是一個(gè)兩跳通信系統(tǒng)。單中繼協(xié)作通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)模型示意圖如圖2所示。

圖2 單中繼協(xié)作通信系統(tǒng)Fig.2 Single relay cooperation communication system

從圖2中可以看出，源節(jié)點(diǎn)無(wú)法直接將有效信息傳輸給目的節(jié)點(diǎn)，需要借助中繼節(jié)點(diǎn)通過(guò)兩跳的方式來(lái)進(jìn)行通信。從而可以清晰地發(fā)現(xiàn)，源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的信息可以看成接收機(jī)端的有害干擾。

在多中繼協(xié)作通信系統(tǒng)中，有多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息轉(zhuǎn)發(fā)與重傳，以實(shí)現(xiàn)高可靠通信與遠(yuǎn)覆蓋范圍傳輸。然而，在該類型的網(wǎng)絡(luò)模型中，多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)間也可能進(jìn)行信息的傳遞，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)傳輸場(chǎng)景尤為復(fù)雜，使得在進(jìn)行中繼選擇、信道分配、功率分配方面變得靈活、多變。從信息中轉(zhuǎn)傳輸角度來(lái)講，多中繼協(xié)作通信系統(tǒng)可以分為基于兩跳的多中繼協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)和基于多跳的多中繼協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)。在兩跳協(xié)作通信系統(tǒng)中，從信號(hào)的傳輸方式可以分為時(shí)分系統(tǒng)與頻分系統(tǒng)傳輸，如圖3所示。在時(shí)分系統(tǒng)場(chǎng)景中，信息通過(guò)不同的時(shí)隙來(lái)實(shí)現(xiàn)中繼傳輸最終到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)。在同一時(shí)刻只允許一路信號(hào)進(jìn)行傳輸。在頻分系統(tǒng)場(chǎng)景中，信號(hào)可以在同一時(shí)間在不同子頻帶上傳輸，從而有效提高了信號(hào)的傳輸效率。

在多跳多中繼協(xié)作通信系統(tǒng)中(中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)量不小于2)，源節(jié)點(diǎn)的信息通過(guò)多次中繼節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)最終到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)。一種方式是無(wú)中繼選擇的多中繼串行傳輸模式(接力棒模式，如圖4a 所示)。多中繼串行傳輸方式則是讓每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)都將此前所有中繼節(jié)點(diǎn)和源節(jié)點(diǎn)信號(hào)進(jìn)行合并，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，時(shí)延較大；另外一種是基于信道選擇的多中繼傳輸方式。它可以通過(guò)中繼節(jié)點(diǎn)的信道狀態(tài)來(lái)判斷決定第一跳或第二跳選擇的傳輸鏈路，該傳輸方式可以有效地利用信道衰落特性，每次挑選信道狀態(tài)最好的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳輸，如圖4b所示。從圖4中可以發(fā)現(xiàn)，多中繼協(xié)作通信相對(duì)于單中繼協(xié)作通信可以獲得分集增益，但系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)復(fù)雜度會(huì)很高。因此，中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)量的選擇需要很好地優(yōu)化與設(shè)計(jì)。

圖3 兩跳多中繼協(xié)作通信Fig.3 Two-way cooperation communication system

圖4 多中繼協(xié)作通信系統(tǒng)Fig.4 Multi-relay cooperation communication system

2.2 信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)方式

從中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)方式分類，目前可分為放大轉(zhuǎn)發(fā)、解碼轉(zhuǎn)發(fā)以及編碼協(xié)作，其中，前兩者方式較為常見。系統(tǒng)原理圖如圖5所示。

圖5 基于不同轉(zhuǎn)發(fā)方式的協(xié)作通信Fig.5 Forward methods of cooperation communication

放大轉(zhuǎn)發(fā)(AF)：指中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)從源節(jié)點(diǎn)接收到的信號(hào)進(jìn)行功率放大，以補(bǔ)充傳輸中的功率損耗，再將信號(hào)傳送給下一個(gè)節(jié)點(diǎn)。

解碼轉(zhuǎn)發(fā)(DF)：指中繼節(jié)點(diǎn)先要對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)、解碼和判決，然后再將判決后的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼調(diào)制后傳輸給下一個(gè)節(jié)點(diǎn)。若中繼節(jié)點(diǎn)不能正確譯碼，則會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)性能急劇下降，故解碼轉(zhuǎn)發(fā)適用于SR(source-relay)信道較好的情況。

編碼協(xié)作(CC)：信源同時(shí)向中繼節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，中繼節(jié)點(diǎn)將從源節(jié)點(diǎn)接收信息譯碼后重新編碼發(fā)送至目的節(jié)點(diǎn)，目的節(jié)點(diǎn)將從源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)接收到的信息合并，并進(jìn)行譯碼判決。各種轉(zhuǎn)發(fā)方式的特點(diǎn)對(duì)比如表1所示。

表1 協(xié)作通信與非協(xié)作通信對(duì)比Tab.1 Cooperation communication vs non-cooperative communication

2.3 收發(fā)機(jī)分集增益

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，多天線技術(shù)可以增強(qiáng)接收端的有效信號(hào)，并使得其獲得較大的分集增益，從而被廣泛地應(yīng)用到協(xié)作通信領(lǐng)域。上述討論的單天線協(xié)作通信系統(tǒng)，即發(fā)射端、中繼節(jié)點(diǎn)和接收端都僅有單根天線的系統(tǒng)，該系統(tǒng)一次只能發(fā)送或接收一個(gè)通信信號(hào)，它需要使用復(fù)雜的調(diào)制解調(diào)技術(shù)和大量的頻譜資源來(lái)實(shí)現(xiàn)在任意條件信道上的高質(zhì)量通信。

在多天線協(xié)作通信系統(tǒng)中，多根天線可以分布在源節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)以及目的節(jié)點(diǎn)的任意位置。也就是說(shuō)發(fā)射端、中繼節(jié)點(diǎn)和接收端三者之中任意一個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)具有多根天線的系統(tǒng)，該系統(tǒng)一次能同時(shí)發(fā)送或接收多個(gè)通信信號(hào)，較單天線協(xié)作通信系統(tǒng)而言，它不僅減小了接收端設(shè)備的處理復(fù)雜度和體積，而且能夠有效地抑制信道衰落，增加無(wú)線系統(tǒng)的覆蓋范圍，提高頻譜利用率，因此，受到了研究者的廣泛關(guān)注。不同天線數(shù)下的協(xié)作通信系統(tǒng)模型如圖6所示。

圖6 單天線協(xié)作通信系統(tǒng)和多天線協(xié)作通信系統(tǒng)Fig.6 Single-antenna and multi-antenna cooperationcommunication system

3 基于中繼協(xié)作的5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)模型

在5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中引入?yún)f(xié)作通信將進(jìn)一步提升系統(tǒng)性能，滿足5G應(yīng)用場(chǎng)景的通信需求。5G網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵技術(shù)包括頻譜共享、新型多天線傳輸、NOMA、超密集網(wǎng)絡(luò)、D2D等。下面將具體闡述中繼協(xié)作技術(shù)與5G中關(guān)鍵技術(shù)的結(jié)合對(duì)系統(tǒng)性能的改善并給出具體的網(wǎng)絡(luò)模型。

1)頻譜共享。隨著無(wú)線通信業(yè)務(wù)需求的增長(zhǎng)，可用頻譜變得極為珍貴與稀缺。然而，許多已分配的頻譜僅用于特定的地區(qū)或特定的時(shí)隙，這種分配政策造成大量頻譜資源的浪費(fèi)。極低的頻譜利用率嚴(yán)重制約了通信事業(yè)的發(fā)展，為了改善這一現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)任何時(shí)間任何地點(diǎn)的超可靠通信、高效利用頻譜資源，人們利用先進(jìn)的通信技術(shù)和理論試圖實(shí)現(xiàn)對(duì)不可再生頻譜資源的共享，認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)(cognitive radio, CR)應(yīng)運(yùn)而生。

5G移動(dòng)通信中的海量設(shè)備接入需要足夠的頻譜資源，固定的頻譜分配已不能滿足現(xiàn)實(shí)中對(duì)頻譜資源的需求，CR可以根據(jù)不同多媒體設(shè)備的需求調(diào)整不同的傳輸系數(shù)動(dòng)態(tài)分配頻譜[11]，因此，CR在5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中的多媒體應(yīng)用備受關(guān)注。其次，在傳統(tǒng)認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中，次用戶不能同時(shí)感知與傳送信息，這限制了次用戶網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。隨著自干擾抑制技術(shù)的提高，基于同時(shí)同頻全雙工的認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)可同時(shí)進(jìn)行頻譜感知與傳輸能提高系統(tǒng)的吞吐量[12]。5G超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的用戶種類復(fù)雜性決定了其資源分配問(wèn)題的復(fù)雜性，文獻(xiàn)[13]基于異構(gòu)-MIMO(multiple input and multiple output, MIMO)認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，采用優(yōu)先安排的動(dòng)態(tài)資源分配策略，提高了系統(tǒng)的可靠性和傳輸效率。

頻譜共享是滿足5G發(fā)展需求的另一種新手段。而CR則是頻譜共享的核心技術(shù)，CR技術(shù)與協(xié)作通信、D2D、大規(guī)模MIMO等技術(shù)融合于5G移動(dòng)通信中將更好地改善網(wǎng)絡(luò)性能?；谥欣^協(xié)作的認(rèn)知系統(tǒng)的典型模型如圖7所示。

圖7 基于中繼協(xié)作的認(rèn)知系統(tǒng)Fig.7 Cognitive relay system

2)新型多天線傳輸。頻譜資源的有限性以及對(duì)數(shù)據(jù)速率需求的增加，使得提高頻譜效率成為重中之重的問(wèn)題，新型多天線技術(shù)通過(guò)多根天線在同一頻譜上傳輸數(shù)據(jù)，極大地提高頻譜效率。Telatar[14]在文獻(xiàn)中指出當(dāng)MIMO中發(fā)送端天線數(shù)量足夠多時(shí)，可有效消除信道中快衰落的影響。近年來(lái)大規(guī)模MIMO的概念受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注，目前，大規(guī)模MIMO已經(jīng)成為新型多天線傳輸中最重要的技術(shù)之一。

增大天線矩陣不僅可以提高系統(tǒng)的容量還可以節(jié)省發(fā)射功率并增大能效。但是，大規(guī)模MIMO仍存在需要解決的問(wèn)題，大規(guī)模MIMO系統(tǒng)容量提升受限于其他小區(qū)使用同頻段用戶的干擾，即導(dǎo)頻污染，中繼協(xié)作技術(shù)可有效消除大規(guī)模天線造成的導(dǎo)頻污染；文獻(xiàn)[15]證明大規(guī)模MIMO網(wǎng)絡(luò)中的相鄰小區(qū)之間的協(xié)作將大幅改善小區(qū)邊緣用戶的性能；同時(shí)，文獻(xiàn)[16]中指出，大規(guī)模MIMO可有效消除全雙工中繼系統(tǒng)中的環(huán)路干擾問(wèn)題。因此，將中繼協(xié)作與大規(guī)模MIMO的結(jié)合將極大地改善系統(tǒng)性能?；谥欣^協(xié)作的大規(guī)模MIMO模型如圖8所示。

圖8 基于中繼協(xié)作的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)Fig.8 Massive MIMO relay system

3)NOMA。4G技術(shù)中采用的正交頻分多址接入(orthogonal frequency division multiplexing access, OFDMA)技術(shù)中一個(gè)正交資源只允許接入一個(gè)用戶，極大地限制了系統(tǒng)容量和頻譜利用率。非正交多址接入技術(shù)引入新的維度，發(fā)送端進(jìn)行非正交的疊加傳輸，主動(dòng)引入干擾信息，同時(shí)接收端通過(guò)SIC技術(shù)實(shí)現(xiàn)正確解調(diào)。NOMA技術(shù)通過(guò)提高接收機(jī)復(fù)雜度來(lái)獲取更高的頻譜效率，因此，被認(rèn)為是5G移動(dòng)通信中最有可能的接入技術(shù)。將大規(guī)模MIMO和NOMA結(jié)合會(huì)更好地提高頻譜效率，但NOMA的實(shí)際應(yīng)用也面臨著一些難題，如系統(tǒng)復(fù)雜度較高、功率分配算法的不匹配、大規(guī)模MIMO和NOMA技術(shù)的兼容性等問(wèn)題。NOMA的一個(gè)關(guān)鍵特征是具有更好信道鏈路質(zhì)量的用戶具有其他用戶設(shè)備的消息的冗余副本。這種冗余技術(shù)被應(yīng)用于協(xié)作NOMA中來(lái)增加傳輸可靠性和傳輸速率，即信道狀態(tài)好的用戶作為中繼轉(zhuǎn)發(fā)信道差的用戶的信息來(lái)增強(qiáng)信道差的用戶的接收可靠性，但是信道好的用戶需要在沒有任何幫助的情況下檢索自己的數(shù)據(jù)?；谥欣^協(xié)作的NOMA模型如圖9所示。

4)超密集異構(gòu)中繼網(wǎng)絡(luò)。未來(lái)的5G通信網(wǎng)絡(luò)正朝著多元化、寬帶化、綜合化、智能化的方向演進(jìn)。隨著各種終端設(shè)備的普及，數(shù)據(jù)流量將出現(xiàn)井噴式增長(zhǎng)，在需求極大流量的同時(shí)極低的功率消耗也是極為重要的。不同于傳統(tǒng)的基站部署策略，未來(lái)將采用減小小區(qū)半徑、增加節(jié)點(diǎn)數(shù)量網(wǎng)絡(luò)方案來(lái)滿足流量增長(zhǎng)的需求，也就是利用超密集網(wǎng)絡(luò)來(lái)滿足以上需求。超密集網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)在于相鄰網(wǎng)絡(luò)間有更多的協(xié)作機(jī)會(huì)，系統(tǒng)將獲得更多的協(xié)作增益。同時(shí)超密集網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用也伴隨著相應(yīng)的挑戰(zhàn)，密集的不規(guī)則小區(qū)部署也使得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓訌?fù)雜，小區(qū)間的干擾也將更加復(fù)雜，對(duì)移動(dòng)性的管理也因小區(qū)覆蓋面積減小的頻繁切換而變得困難。文獻(xiàn)[17]在異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中引入小型蜂窩網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行中繼協(xié)作以進(jìn)一步增大系統(tǒng)容量，然而這種協(xié)作受限于相鄰小區(qū)間的干擾和相鄰小區(qū)和小區(qū)內(nèi)的切換。為了解決以上問(wèn)題，文獻(xiàn)[18]提出基站間可以進(jìn)行中繼協(xié)作來(lái)減少切換率?；谥欣^協(xié)作的超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)如圖10所示。

圖9 基于中繼協(xié)作的NOMA系統(tǒng)模型Fig.9 Cooperative NOMA system

圖10 基于中繼協(xié)作的超密集異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)Fig.10 Relay aided UDN-HetCNet system

5)D2D。不同于傳統(tǒng)蜂窩通信，D2D技術(shù)無(wú)需借助基站的幫助就能夠直接實(shí)現(xiàn)短距離設(shè)備終端間的通信。終端設(shè)備數(shù)量的爆炸性增長(zhǎng)以及物聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展會(huì)使得通信中心設(shè)備無(wú)力承載，D2D的應(yīng)用既可以減輕基站的負(fù)擔(dān)提高頻譜利用率又可以具有數(shù)據(jù)速率高、可靠性強(qiáng)、功耗低、時(shí)延低的優(yōu)點(diǎn)，D2D將成為未來(lái)5G中實(shí)現(xiàn)近距離通信的主要方式。然而，由于無(wú)線傳輸鏈路的動(dòng)態(tài)性，很難保證D2D直傳鏈路的可靠性，因此，我們將中繼節(jié)點(diǎn)引入D2D以降低網(wǎng)絡(luò)中斷概率。網(wǎng)絡(luò)模型如圖11所示。

圖11 基于中繼協(xié)作的D2D系統(tǒng)Fig.11 Cooperative D2D system

6)同時(shí)同頻全雙工。同時(shí)同頻全雙工技術(shù)是在相同的頻譜上，通信的雙方同時(shí)接收與發(fā)送消息。理論上使用這一技術(shù)可以使頻譜的利用率提高一倍，并且將頻譜資源的利用變得更加靈活。在5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中，中繼節(jié)點(diǎn)往往采用同時(shí)同頻全雙工轉(zhuǎn)發(fā)方式，然而全雙工系統(tǒng)中會(huì)存在環(huán)路干擾問(wèn)題，因此，對(duì)這一技術(shù)的應(yīng)用還需進(jìn)一步解決環(huán)路干擾的問(wèn)題。同時(shí)同頻全雙工技術(shù)可與CR，NOMA，大規(guī)模MIMO等技術(shù)結(jié)合，具體網(wǎng)絡(luò)模型如圖12所示。

圖12 基于中繼協(xié)作的同時(shí)同頻全雙工通信系統(tǒng)Fig.12 Cooperative co-frequency co-time full duplex communication system

4 協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)資源分配模型

在協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)中，不同的資源分配方案會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)性能不同。為了更好地優(yōu)化系統(tǒng)性能，中繼協(xié)作網(wǎng)絡(luò)的中繼選擇、資源分配、協(xié)作分集信號(hào)設(shè)計(jì)等問(wèn)題一直以來(lái)都是研究的熱點(diǎn)。系統(tǒng)性能的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)可以從系統(tǒng)的中斷概率、平均吞吐量和誤碼率等來(lái)判斷。本節(jié)主要對(duì)第3節(jié)5G中不同類型的中繼協(xié)作網(wǎng)絡(luò)的功率分配、中繼選擇問(wèn)題進(jìn)行討論。

如今移動(dòng)應(yīng)用終端廣為普及，由于綠色通信概念的提出且受限于移動(dòng)終端的電池容量，提高能量效率是十分必要的。優(yōu)化移動(dòng)用戶終端的功率分配可以提高能量利用率，增長(zhǎng)移動(dòng)終端的壽命。在實(shí)際的協(xié)作通信研究過(guò)程中，可能同時(shí)存在多個(gè)可供選擇的中繼節(jié)點(diǎn)。中繼選擇的目的就是在這些中繼節(jié)點(diǎn)中選擇最合適的節(jié)點(diǎn)參與協(xié)作。中繼節(jié)點(diǎn)的合理選取不僅能擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，還能有效地提高系統(tǒng)容量，改善用戶的服務(wù)質(zhì)量，并節(jié)約功率。所以，中繼選擇和功率分配近年來(lái)一直是協(xié)作通信資源分配問(wèn)題的研究熱點(diǎn)之一。

針對(duì)不同優(yōu)化目標(biāo)將不同場(chǎng)景、模型下的基于中繼網(wǎng)絡(luò)的資源分配問(wèn)題進(jìn)行總結(jié)，并在表2中做出對(duì)比。

5 5G協(xié)作通信系統(tǒng)的資源分配綜述

本文所討論的5G協(xié)作通信系統(tǒng)資源分配算法歸納總結(jié)如圖13所示。根據(jù)不同的系統(tǒng)模型，從完美信道和不確定信道狀態(tài)對(duì)資源分配算法進(jìn)行總結(jié)討論。

5.1 基于完美信道狀態(tài)下的資源分配算法

5.1.1 基于認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)的資源分配算法

將協(xié)作通信技術(shù)引入認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，認(rèn)知用戶(次用戶)與主用戶共享頻帶從而提高頻譜利用率，但同時(shí)主用戶與次用戶之間產(chǎn)生的干擾，使得協(xié)作認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)的功率分配問(wèn)題比傳統(tǒng)中繼網(wǎng)絡(luò)更為復(fù)雜。Li等[19]考慮含一個(gè)主用戶、一個(gè)3節(jié)點(diǎn)的次用戶中繼認(rèn)知系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型，在主用戶干擾功率的約束下，提出了一種聯(lián)合考慮中繼選擇和功率分配資源分配方案，該方案在實(shí)現(xiàn)吞吐量最大化的同時(shí)具有較低的復(fù)雜度。Ma等[20]針對(duì)認(rèn)知多中繼網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，考慮一個(gè)主用戶系統(tǒng)和一個(gè)次用戶系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，在主用戶干擾和次用戶總功率的限制下，提出一種用凸優(yōu)化理論和Karush-Kuhn-Tucher (KKT) 條件來(lái)獲得最優(yōu)功率分配解析表達(dá)式的最優(yōu)功率分配算法，使得系統(tǒng)吞吐量最大化。文獻(xiàn)[21]針對(duì)采用DF轉(zhuǎn)發(fā)策略的下墊式兩跳MIMO認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)，以多中繼次用戶網(wǎng)絡(luò)對(duì)一個(gè)主用戶網(wǎng)絡(luò)的干擾門限為約束條件，用一種迭代方法提出一種功率分配方案，該方案可最大化每時(shí)分中的總速率。

針對(duì)中繼選擇問(wèn)題，文獻(xiàn)[22]基于最大傳輸速率提出了一種能夠在傳輸功率和主用戶干擾約束下最大化吞吐量的聯(lián)合中繼選擇和功率分配方案。仿真結(jié)果表明，在等功率分配情況下，該方案較隨機(jī)中繼選擇方案收益率更高。針對(duì)多收發(fā)機(jī)多中繼節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)模型，文獻(xiàn)[23]聯(lián)合考慮了中繼選擇問(wèn)題和信道分配問(wèn)題，以最大化總的源-目的節(jié)點(diǎn)間的最小傳輸速率為目標(biāo)，提出了一種可以獲得高頻譜效率的中繼選擇算法，此算法同樣適用于解碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議網(wǎng)絡(luò)。針對(duì)單收發(fā)機(jī)多中繼節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)模型，聯(lián)合考慮次發(fā)射機(jī)和次用戶中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)主用戶的干擾，文獻(xiàn)[24]針對(duì)兩跳DF網(wǎng)絡(luò)提出了一種能夠在滿足主用戶服務(wù)質(zhì)量約束的同時(shí)提高次發(fā)射機(jī)傳輸速率的中繼選擇方案。

針對(duì)兩跳AF網(wǎng)絡(luò)模型，文獻(xiàn)[25]以提高系統(tǒng)整體性能為目標(biāo)，提出了一種基于瞬時(shí)增益和預(yù)期增益的最優(yōu)停止策略，以協(xié)助中繼選擇，仿真結(jié)果表明，該策略可以通過(guò)調(diào)整相應(yīng)的系統(tǒng)參數(shù)來(lái)滿足不同的系統(tǒng)需求。為了提高能源效率，使中繼選擇和功率分配在服務(wù)質(zhì)量的要求下同時(shí)最優(yōu)化，一種基于貪婪算法的中繼選擇方案在文獻(xiàn)[26]中被提出。

5.1.2 基于大規(guī)模MIMO中繼網(wǎng)絡(luò)的資源分配算法

文獻(xiàn)[27]考慮大規(guī)模MIMO網(wǎng)絡(luò)中下行鏈路基站之間相互協(xié)作傳輸，采用簡(jiǎn)單的迫零(zero-forcing， ZF)波束發(fā)射器，分別在基站的總功率限制和單個(gè)基站的功率限制以及最小發(fā)射SINR(signal to interference plus noise ratio)門限的約束條件下，提出2種功率分配方案來(lái)最小化系統(tǒng)總傳輸功率。文獻(xiàn)[28]考慮中繼站和基站均擁有大規(guī)模MIMO，同時(shí)考慮上行和下行傳輸鏈路，文章發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率可以通過(guò)天線數(shù)量因子消減而不削弱系統(tǒng)性能。在得到上行和下行鏈路的閉合形式的鏈路的遍歷頻譜效率下界的情況下，提出功率分配方案以最大化系統(tǒng)頻譜效率。相較于以上文獻(xiàn)，文獻(xiàn)[29]考慮AF多跳中繼大規(guī)模MIMO系統(tǒng)，在總傳輸功率以及服務(wù)質(zhì)量的約束下，提出以最大化系統(tǒng)能效為目標(biāo)的資源分配優(yōu)化算法，并且采用雙重迭代方法來(lái)解決非凸優(yōu)化問(wèn)題?？紤]相同網(wǎng)絡(luò)模型，文獻(xiàn)[16]在中繼節(jié)點(diǎn)處采用同時(shí)同頻全雙工技術(shù)，通過(guò)將優(yōu)化問(wèn)題近似為偽凹問(wèn)題來(lái)最大化能量效率，然后使用經(jīng)典的Dinkelbach方法求解。相對(duì)于半雙工系統(tǒng)全雙工系統(tǒng)的性能顯著提高。

圖13 5G協(xié)作通信系統(tǒng)資源分配算法總結(jié)Fig.13 Summary on resource allocation algorithms in 5G communication system

針對(duì)中繼選擇問(wèn)題，文獻(xiàn)[30]考慮認(rèn)知大規(guī)模MIMO中繼網(wǎng)絡(luò)，其中主用戶和次用戶均存在大規(guī)模天線矩陣，接收與發(fā)送均采用ZF方式，在主用戶的干擾門限的約束下提出最優(yōu)功率分配方案。由于在使用大規(guī)模MIMO時(shí)，SINR和速率將僅取決于信道的路徑損耗系數(shù)和平均噪聲水平，因此，中繼選擇可以在部署階段選擇速率最大的中繼節(jié)點(diǎn)，大部分情況下最優(yōu)中繼為天線數(shù)量最多的中繼節(jié)點(diǎn)。

5.1.3 基于NOMA中繼網(wǎng)絡(luò)的資源分配算法

Zhang等[31]針對(duì)單蜂窩NOMA網(wǎng)絡(luò)，考慮采用AF轉(zhuǎn)發(fā)方式的單中繼、源-目的節(jié)點(diǎn)配對(duì)模型，提出最優(yōu)載波分配和功率分配方案，利用窮舉搜索將其轉(zhuǎn)化為非確定性多項(xiàng)式困難問(wèn)題，從延遲接受算法擴(kuò)展出2個(gè)新的用戶頻譜匹配算法來(lái)達(dá)到載波配對(duì)的相對(duì)穩(wěn)定，對(duì)于功率分配方面利用注水算法最大化功率利用效率?？紤]全雙工NOMA認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)，文獻(xiàn)[32]在遠(yuǎn)用戶的速率高于某個(gè)閾值的限制下提出一種聯(lián)合中繼波束成形和中繼功率分配的資源分配方案，該方案可最大化近用戶的速率來(lái)擴(kuò)大遠(yuǎn)-近用戶速率區(qū)域。與上述網(wǎng)絡(luò)模型不同的是，文獻(xiàn)[33]中次用戶基站作為中繼節(jié)點(diǎn)協(xié)助主用戶進(jìn)行傳輸。在滿足主用戶的服務(wù)質(zhì)量前提下，提出一種聯(lián)合主用戶與次用戶網(wǎng)絡(luò)的功率和子載波分配方案，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)總吞吐量的最大化。文獻(xiàn)[34]考慮基于NOMA的協(xié)作通信系統(tǒng)提出一種2級(jí)疊加的傳輸方案，該方案的傳輸速率和遍歷總速率比時(shí)分多址和傳統(tǒng)NOMA方案的傳輸速率和遍歷總速率有著顯著優(yōu)勢(shì)?？紤]多中繼NOMA協(xié)作通信系統(tǒng)，文獻(xiàn)[35]提出最優(yōu)化功率分配算法，采用垂直分解并提出分層算法來(lái)有效地解決最優(yōu)功率分配問(wèn)題，該算法相對(duì)于傳統(tǒng)協(xié)作通信系統(tǒng)可有效增大系統(tǒng)的吞吐量。

針對(duì)中繼選擇問(wèn)題，文獻(xiàn)[36]考慮NOMA中繼網(wǎng)絡(luò)，分別提出最大-最小化兩級(jí)加權(quán)和最大加權(quán)諧波均值2種中繼選擇算法，以最小化系統(tǒng)的中斷概率?？紤]同樣的模型，文獻(xiàn)[37]提出2種單中繼選擇方案，一種考慮固定功率；另一種則考慮動(dòng)態(tài)功率分配，使得系統(tǒng)在不犧牲頻譜效率的同時(shí)具有更低的中斷概率并且實(shí)現(xiàn)完全的分集增益。針對(duì)多中繼NOMA網(wǎng)絡(luò)，文獻(xiàn)[38]中指出采用緩沖(Buffer-Aided)中繼以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性并為中繼選擇提供額外的自由度。

5.1.4 基于超密集異構(gòu)中繼網(wǎng)絡(luò)的資源分配算法

由于光伏板技術(shù)的發(fā)展，可再生綠色能源被廣泛應(yīng)用于5G中繼協(xié)作系統(tǒng)中，文獻(xiàn)[39]考慮異構(gòu)中繼系統(tǒng)，采用可再生能源的中繼，提出中繼選擇功率分配算法，并利用混合整數(shù)線性規(guī)劃選擇太陽(yáng)能中繼和電網(wǎng)供電的中繼，有效地降低系統(tǒng)的能量消耗。在異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，計(jì)算卸載的任務(wù)調(diào)度是最大的挑戰(zhàn)之一，文獻(xiàn)[40]考慮異構(gòu)協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)，利用微小區(qū)用戶設(shè)備來(lái)提供中繼服務(wù)將計(jì)算卸載任務(wù)轉(zhuǎn)化為名為TARCO的2階段拍賣問(wèn)題，有助于最大限度地提高網(wǎng)絡(luò)中賣家和買家的利用率。針對(duì)中繼選擇問(wèn)題，文獻(xiàn)[41]考慮存在多個(gè)小蜂窩的eNodes(SeNBs)和宏蜂窩eNodes(MeNBs)的網(wǎng)絡(luò)模型，為了平衡頻譜效率和能效，考慮在專用和同頻2種案例下進(jìn)行頻譜租用和協(xié)作容量負(fù)載(cooperative capacity offload)的協(xié)作中繼，對(duì)系統(tǒng)的中繼選擇和能量負(fù)載方案進(jìn)行了分析?？紤]超密集小蜂窩網(wǎng)絡(luò)，文獻(xiàn)[17]提出超密集小蜂窩協(xié)作，用戶通過(guò)選擇基于成本-回報(bào)的最優(yōu)協(xié)作通信模式來(lái)實(shí)現(xiàn)最大的凈利潤(rùn)，并且通過(guò)協(xié)作候選小區(qū)的可靠性對(duì)協(xié)作小區(qū)進(jìn)行選擇。

5.1.5 基于D2D/V2V等中繼網(wǎng)絡(luò)的資源分配算法

文獻(xiàn)[42]聯(lián)合考慮中繼選擇和資源分配問(wèn)題，提出一種被稱為NC-D2D的兩級(jí)分散算法以在復(fù)雜的干擾情況下獲得系統(tǒng)的總吞吐量。文獻(xiàn)[43]對(duì)D2D網(wǎng)絡(luò)中的基于信噪比的中繼選擇方案和隨機(jī)中繼選擇方案進(jìn)行了比較，結(jié)果表明，基于信噪比的中繼選擇方案能更好地提高端到端的性能。目前，大多數(shù)工作是基于物理層的中繼選擇，文獻(xiàn)[44]提出一種新奇的節(jié)能中繼選擇方案，同時(shí)考慮物理層和社會(huì)意識(shí)使得更多的移動(dòng)用戶愿意參與中繼協(xié)作，以進(jìn)一步改善系統(tǒng)的總體性能。車輛的高速移動(dòng)性使得其在5G蜂窩網(wǎng)的切換頻率極為頻繁，降低了車聯(lián)網(wǎng)的可靠性，文獻(xiàn)[45]基于微小區(qū)協(xié)作車聯(lián)網(wǎng)，為了平衡車載通信能力和車輛切換率，可以通過(guò)調(diào)整5G協(xié)作小蜂窩網(wǎng)絡(luò)的協(xié)作門限來(lái)實(shí)現(xiàn)最佳的車輛切換比率。文獻(xiàn)[46]針對(duì)采用DF轉(zhuǎn)發(fā)中繼的安全車聯(lián)網(wǎng)，考慮存在竊聽者的情況下提出一種聯(lián)合中繼選擇及載波分配的資源分配算法，該算法將問(wèn)題轉(zhuǎn)化為隨機(jī)二分圖模型，在保證用戶公平性的同時(shí)最小化系統(tǒng)的安全中斷概率。考慮基于D2D的協(xié)作通信系統(tǒng)，文獻(xiàn)[47]提出一種新穎的多歸屬D2D中繼協(xié)作網(wǎng)絡(luò)，其中，多個(gè)歸屬移動(dòng)設(shè)備充當(dāng)普通移動(dòng)設(shè)備的中繼。提出聯(lián)合考慮中繼選擇和帶寬分配的算法，相較于大多數(shù)現(xiàn)有工作中經(jīng)常使用的隨機(jī)方案，此算法能夠?qū)⑵骄?wù)延遲降低25%以上。

5.2 基于不完美信道狀態(tài)下的資源分配算法

以上問(wèn)題假設(shè)可以及時(shí)獲取信道狀態(tài)，但在實(shí)際無(wú)線電環(huán)境中，信道狀態(tài)信息是動(dòng)態(tài)變化的，我們很難獲取完美的信道狀態(tài)信息，因此，對(duì)于不完美信道狀態(tài)下的資源分配問(wèn)題的研究是不可或缺的。下面將對(duì)魯棒性資源分配算法進(jìn)行總結(jié)闡述。

5.2.1 基于認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)的魯棒資源分配算法

針對(duì)認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)，文獻(xiàn)[48]考慮多個(gè)次用戶、單個(gè)主用戶網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)吞吐量的最大化，在主用戶干擾門限的約束條件下，提出一種總功率分配算法，該算法將原始概率優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為凸確定形式，并用功率定位的封閉形勢(shì)分析解決。P Ubaidulla等[49]在單中繼協(xié)作網(wǎng)絡(luò)中，提出2種不同優(yōu)化目標(biāo)的功率分配方案：第1種方案優(yōu)化目標(biāo)為提供最小服務(wù)質(zhì)量所需的次用戶中繼節(jié)點(diǎn)的總發(fā)射功率的最小化；第2種方案優(yōu)化目標(biāo)為發(fā)送節(jié)點(diǎn)的總均方誤差的最小化。Li等[50]考慮基于AF的多個(gè)主、次用戶認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)，以主用戶的干擾門限、最大發(fā)送功率和信干噪比的約束條件下，提出一種魯棒功率分配算法，該算法可最小化系統(tǒng)的總誤碼率。

針對(duì)中繼選擇問(wèn)題，文獻(xiàn)[51]聯(lián)合考慮了中繼選擇、信道訪問(wèn)和功率分配問(wèn)題，也提出了一種能源意識(shí)中繼選擇方案，但該方案的目的在于平衡系統(tǒng)容量和能源消耗，最大化系統(tǒng)增益。文獻(xiàn)[48]針對(duì)含多次用戶的認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)，考慮信道的不確定性，將原始概率優(yōu)化問(wèn)題近似并轉(zhuǎn)化為凸確定性形式，并且用于功率分配的封閉形式分析解決方案。并在此基礎(chǔ)上提出基于匈牙利算法的有效的中繼選擇方案。該方案可在主用戶的干擾門限下最大化系統(tǒng)的容量。文獻(xiàn)[52]中的策略是基于保密率和保密中斷概率提出的，H. Sakran等分別針對(duì)單偷聽者、多偷聽者和多個(gè)主用戶的不同情境提出了不同的選擇策略，其目的都是在滿足主用戶的干擾約束條件下最大化可達(dá)保密率。針對(duì)多中繼認(rèn)知協(xié)作系統(tǒng)，文獻(xiàn)[53]的中繼選擇過(guò)程基于次用戶獲得的最大端到端有效容量，在主用戶的干擾約束下，獲取次用戶的最大傳輸功率，并通過(guò)中斷概率和最大有效容量來(lái)判斷系統(tǒng)的性能。隨著綠色通信概念越來(lái)越被重視，能量收集成為新型的熱點(diǎn)技術(shù)。文獻(xiàn)[54]針對(duì)采用DF轉(zhuǎn)發(fā)策略的協(xié)作中繼系統(tǒng)，中繼節(jié)點(diǎn)利用能量收集技術(shù)，在考慮感知不確定性的條件下提出功率分配算法使系統(tǒng)的容量最大化。

5.2.2 基于大規(guī)模MIMO中繼網(wǎng)絡(luò)的魯棒資源分配算法

考慮信道估計(jì)最小均方差，文獻(xiàn)[55]考慮半雙工大規(guī)模MIMO中繼網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中多對(duì)半雙工用戶通過(guò)半雙工大規(guī)模MIMO中繼協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)信息，信道估計(jì)誤差將被體現(xiàn)在大規(guī)模衰落系數(shù)中，通過(guò)得出最大比合并-最大比傳輸預(yù)編碼算法能量效率中繼方案來(lái)最優(yōu)化功率分配?？紤]相同系統(tǒng)模型受限于功率約束，文獻(xiàn)[56]在存在一個(gè)監(jiān)聽者并且不能獲取瞬時(shí)信道狀態(tài)信息的情況下，提出一種最大化保密中斷容量的功率分配方案。相對(duì)于半雙工，全雙工會(huì)增強(qiáng)對(duì)間干擾和自干擾，大規(guī)模MIMO可通過(guò)簡(jiǎn)單的線性傳輸處理如：迫零傳輸(zero-forcing transmission，ZFT)和最大比率傳輸(maximal-ratio transmission,MRT)來(lái)消除這些干擾。考慮信道估計(jì)誤差，文獻(xiàn)[16]針對(duì)全雙工大規(guī)模MIMO中繼網(wǎng)絡(luò)，大規(guī)模MIMO中繼和用戶均為全雙工，將非凸的能效最大化問(wèn)題轉(zhuǎn)變成偽凹問(wèn)題并通過(guò)Dinkelbach算法來(lái)解決此問(wèn)題，此系統(tǒng)相對(duì)于半雙工系統(tǒng)可有效緩解自干擾和用戶間的干擾問(wèn)題。

5.2.3 基于超密集異構(gòu)中繼網(wǎng)絡(luò)的魯棒資源分配算法

針對(duì)中繼選擇問(wèn)題，文獻(xiàn)[57]考慮認(rèn)知異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，研究了不可靠的回程連接對(duì)最佳中繼選擇的影響，在主用戶干擾門限的約束下，對(duì)系統(tǒng)的中斷概率，遍歷容量和誤碼率等性能進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[58]考慮中繼異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，聯(lián)合考慮小區(qū)內(nèi)優(yōu)化問(wèn)題以及功率分配問(wèn)題，提出一種采用梯度調(diào)度和KKT條件的功率分配算法。

5.2.4 基于D2D/V2V中繼網(wǎng)絡(luò)的魯棒資源分配算法

Hasan等[59]考慮D2D異構(gòu)中繼無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，針對(duì)多用戶和多中繼的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，提出一種分布式魯棒功率分配算法，該算法能夠最大化系統(tǒng)吞吐量并且提高頻譜利用率。針對(duì)中繼選擇問(wèn)題，在文獻(xiàn)[60]中考慮D2D網(wǎng)絡(luò)模型，為了在城市地區(qū)功率約束要求下，提出一種基于信道容量、信干噪比、剩余電池電量、緩沖間隔和可靠性的以設(shè)備為中心的最佳中繼選擇策略，此策略不僅可以最小化傳輸延遲、減少網(wǎng)絡(luò)開銷，還能使用戶之間的通信更為有效和可靠。聯(lián)合考慮中繼節(jié)點(diǎn)選擇問(wèn)題和功率分配問(wèn)題，文獻(xiàn)[61]考慮中繼節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性造成的信道不確定性，重點(diǎn)采用匈牙利匹配和穩(wěn)定匹配2種算法來(lái)對(duì)中繼選擇和功率分配問(wèn)題進(jìn)行解決，該算法可有效減小系統(tǒng)消耗總功率。

因?yàn)镃SI反饋僅用于功率分配，所以在功率域NOMA中信道反饋的要求將被放寬，對(duì)NOMA系統(tǒng)的研究不需要準(zhǔn)確的瞬時(shí)CSI信息。因此，無(wú)論是支持固定用戶還是移動(dòng)用戶，只要信道不發(fā)生快速變化，具有一定精度的過(guò)期信道反饋與某個(gè)最大不準(zhǔn)確性和延遲相關(guān)，就不會(huì)嚴(yán)重影響可達(dá)到的系統(tǒng)性能。

6 可能存在的問(wèn)題及挑戰(zhàn)

未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)中三大應(yīng)用場(chǎng)景：增強(qiáng)移動(dòng)帶寬(eMBB)、超低時(shí)延超可靠(URLLC)、海量設(shè)備接入(mMTC)，將通過(guò)毫米波、超密集網(wǎng)絡(luò)中小基站的部署與異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)。異構(gòu)性以及超密集特性使得網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率提高，同時(shí)也使得信號(hào)的傳輸距離縮短。協(xié)作傳輸作為一種可有效提高信號(hào)傳輸范圍、提高網(wǎng)絡(luò)可靠性的技術(shù)廣泛應(yīng)用于5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中。因此，對(duì)5G移動(dòng)通信系統(tǒng)中基于中繼協(xié)作的資源分配的研究具有非常重要的理論意義與現(xiàn)實(shí)價(jià)值。雖然在5G移動(dòng)通信系統(tǒng)中基于中繼協(xié)作的資源分配問(wèn)題上，眾多學(xué)者做了很多貢獻(xiàn)，但依然存在以下幾個(gè)方面的問(wèn)題有待進(jìn)一步研究，如表3所示。

表3 基于中繼協(xié)作的5G資源分配研究問(wèn)題及發(fā)展方向Tab.3 Trends and challenges of resourceallocation in 5G cooperation communication system

1)從系統(tǒng)建模角度來(lái)說(shuō)，目前多數(shù)研究基于單中繼2跳系統(tǒng)模型，而未來(lái)5G移動(dòng)通信中網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍較小的特性決定了實(shí)際應(yīng)用中多中繼多跳場(chǎng)景的廣泛存在。因此，需要對(duì)中繼協(xié)作系統(tǒng)模型的可實(shí)踐性加以提高，考慮復(fù)雜的多中繼多跳模型。此外，未來(lái)網(wǎng)絡(luò)的融合特性決定未來(lái)網(wǎng)絡(luò)將由多項(xiàng)技術(shù)結(jié)合場(chǎng)景以改善系統(tǒng)性能，這勢(shì)必會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜度，從而影響系統(tǒng)的性能，如何平衡系統(tǒng)復(fù)雜度與系統(tǒng)性能之間的關(guān)系是當(dāng)前研究中的一個(gè)挑戰(zhàn)性問(wèn)題。

2)從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)角度來(lái)看，未來(lái)5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)朝著異構(gòu)、超密集的方向發(fā)展。如D2D、無(wú)人機(jī)等網(wǎng)絡(luò)的融合，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境更加復(fù)雜多變，網(wǎng)絡(luò)中存在的干擾源也更為豐富，對(duì)干擾管理問(wèn)題的研究成為5G移動(dòng)通信中繼協(xié)作網(wǎng)絡(luò)資源分配算法的一個(gè)重要方向。

3)從算法應(yīng)用角度考慮，對(duì)基于NOMA中繼協(xié)作系統(tǒng)的中繼選擇問(wèn)題、基于不同網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景下對(duì)用戶公平性和安全性的資源分配算法仍是一個(gè)有待解決的問(wèn)題。另外，信道信息不確定性、串行干擾消除殘差、反饋信道不可靠性、帶寬限制、緊缺頻譜資源都對(duì)中繼協(xié)作無(wú)線網(wǎng)絡(luò)資源分配算法的實(shí)際運(yùn)用與設(shè)計(jì)帶來(lái)非常大的挑戰(zhàn)。

4)從能量利用角度來(lái)看，資源的有限性讓人們更加注重能量消耗的減少和利用率的提高。綠色能源概念的提出，使得基于綠色通信以及能量收集等技術(shù)的協(xié)作通信系統(tǒng)的資源分配問(wèn)題成為研究熱點(diǎn)。此外，協(xié)作通信在高速移動(dòng)下的頻繁切換會(huì)造成功率的浪費(fèi)，因此，如何更加有效地解決切換造成的功率浪費(fèi)是研究的熱點(diǎn)之一。

5)智能通信系統(tǒng)協(xié)作通信資源分配是該技術(shù)下的一個(gè)未來(lái)研究趨勢(shì)。隨著人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，給智能協(xié)作通信系統(tǒng)資源分配問(wèn)題帶來(lái)了機(jī)遇與挑戰(zhàn)。如何動(dòng)態(tài)自適應(yīng)地調(diào)節(jié)頻譜資源、信道分配、功率自適應(yīng)調(diào)節(jié)是該技術(shù)背景下的一個(gè)難點(diǎn)和趨勢(shì)。利用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器學(xué)習(xí)、智能分類器是解決該問(wèn)題的有效途徑，在模型轉(zhuǎn)化與算法設(shè)計(jì)上跟傳統(tǒng)優(yōu)化算法相比具有很大的挑戰(zhàn)。

7 總 結(jié)

協(xié)作通信因其獨(dú)特的協(xié)作傳輸特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)受到了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，一直以來(lái)是無(wú)線通信技術(shù)的重要研究領(lǐng)域。而5G時(shí)代，協(xié)作通信仍然發(fā)揮著它的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，與其他5G新型技術(shù)結(jié)合以改善網(wǎng)絡(luò)性能。本文對(duì)5G和協(xié)作通信的一些研究成果進(jìn)行了綜述。首先，介紹了5G發(fā)展概況以及5G中的關(guān)鍵技術(shù)；其次，從中繼節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)、信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)方式、接收機(jī)、發(fā)射機(jī)天線數(shù)量對(duì)中繼協(xié)作網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了分類，闡述了各自的特點(diǎn)，并給出了相對(duì)應(yīng)的模型。最后，對(duì)協(xié)作通信在不同的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景下分類并進(jìn)行論述。資源分配在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中是一個(gè)極為關(guān)鍵的問(wèn)題，本文主要針對(duì)中繼選擇、資源分配問(wèn)題，討論在完美信道和不完美信道的情況下不同優(yōu)化目標(biāo)的資源分配算法。希望本文的研究對(duì)于未來(lái)5G通信技術(shù)發(fā)展中的協(xié)作傳輸有所幫助。