沙特国王大学学报5G及以后网络的协作通信资源分配策略：架构、挑战和机遇Wanying Guoa，Nawab Muhammad Faseeh Qureshib，Isma Farah Siddiquic，Dong Ryeol Shinaa大韩民国水原成均馆大学电子和计算机工程系b大韩民国首尔成均馆大学计算机教育系c巴基斯坦贾姆肖罗的梅拉尼娅工程技术大学软件工程系阿提奇莱因福奥文章历史记录：收到2022年2022年6月23日修订2022年7月23日接受2022年8月12日在线提供保留字：5G协作通信资源分配中继部A B S T R A C T第五代移动网络（5G）支持物联网（IoT）设备，并通过移动设备处理大规模数据量。利用该设备，我们发现了一种新的协作通信概念，通过移动设备之间的高信号覆盖和容量来管理大量信道可访问性、异构网络、复杂干扰环境和高能耗介质。协作通信系统的核心是资源分配技术，实现了鲁棒的干扰管理、资源调度和用户匹配。为此，我们找到了几种策略，讨论合作通信分配技术从各个技术方面。本文综述了所有这些策略，并在更广泛的范围内讨论了合作通信资源分配技术。首先，根据中继节点数目、信号转发方式和收发分集增益对协作通信过程进行了分类。然后讨论了协作通信的核心技术，包括信道复用、中继选择、功率分配等。在此基础上，讨论了具有频谱共享、新天线技术和NOMA的5G协作通信系统的网络模型，并给出了几个应用案例。此外，本文还从信道状态确定和不确定两个方面简要介绍了5G协作通信系统的资源分配算法。最后，我们总结了当前5G协作通信资源分配的应用架构以及挑战，机遇和开放问题。©2022作者（S）。由爱思唯尔公司出版代表沙特国王大学这是一个开放的访问CC BY-NC-ND许可证下的文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。内容1.介绍80562.什么是协作通信网络？..................................................................................................................................................................................................................................80572.1.基本概念80572.2.协作通信在8058移动通信网中的应用2.2.1.在正常的移动通信中2.2.2.紧急移动通信80583.协作通信网络的分类80583.1.中继节点数3.2.信号转发方法80593.3.收发器分集增益80604.协同通信8060中的关键技术4.1.继电器选择80624.1.1.按通道状态分类8062*通讯作者。电子邮件地址：faseeh@skku.edu（N.M.F. 库雷希）。https://doi.org/10.1016/j.jksuci.2022.07.0191319-1578/©2022作者。由爱思唯尔公司出版代表沙特国王大学这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表沙特国王大学学报杂志首页：www.sciencedirect.comW. Guo，N.M.F.库雷希，I.F. Siddiqui等人沙特国王大学学报80554.1.2.根据有无中央控制节点8062进行分类4.2.功率分配80634.2.1.根据目标函数分类80634.2.2.根据信道状态信息的分类80634.2.3.根据有无中央控制节点8064进行分类4.2.4.根据继电器数量80645.一种基于中继协作8064的5G移动通信网络模型5.1.频谱共享80645.2.新的多天线传输80645.3.NOMA 80655.4.超密集网络80665.5.设备到设备（D2D）80675.6.同频同时全双工80675.7.毫米波80685.8.智能反射面80685.9.中继辅助切换80696.协作通信网络资源分配模型80717.5G协作通信网络资源分配算法80717.1.基于确定信道状态的资源分配算法80717.1.1.基于认知中继网络80717.1.2.基于MassiveMIMO 80727.1.3.基于NOMA中继网络80727.1.4.基于Ud-HetNet 8073的资源分配算法7.1.5.基于D2 D/V2 V 8073的鲁棒资源分配算法7.2.基于不确定信道状态的资源分配算法80737.2.1.基于认知中继网络8073的7.2.2.基于MassiveMIMO 8074的7.2.3.基于Ud-HetNet 8074的鲁棒资源分配算法7.2.4.基于D2 D/V2 V 8074的鲁棒资源分配算法8.未来的问题和挑战80749.结论8075参考文献8076命名法缩略语5G第五代移动网络AF放大转发AP接入点自适应调制编码基站CC编码合作CCFD同频同时全双工CMC蜂窝和移动通信CR认知无线电CSI信道状态信息 CRC循环冗余校验D2D设备到设备DF解码转发eMBB增强型移动宽带HetNet异构网络IoT物联网IRS智能反射面 LAN局域网LTE长期演进LOS视距MIMO多输入多输出MISO多输入单输出mMTC大型机器类型通信毫米波毫米波多进制相移键控最大比合并MRT最大传动比NAF非正交放大转发NCC网络编码协作非正交多址接入正交频分多址OPA最优功率分配QoS服务质量RB资源块RE资源元素符号错误率连续干扰消除SIMO单输入多输出SINR信干噪比SISO单输入单输出SNR信噪比空时编码协作TDMA时分多址无人机Ud-HetNet超密集异构网络UDN超密集网络uRLLC超可靠低延迟V2V车对车通信V-MIMO虚拟多输入多输出WANET无线自组织网络ZFT迫零传动W. Guo，N.M.F.库雷希，I.F. Siddiqui等人沙特国王大学学报80561. 介绍随着物联网的快速发展和大数据的急剧增长设备接入问题倍增，5G面临巨大增长需求。5G通信网络的总传输速率在理论上远高于4G/LTE网络（Chen et al.， 2020年）。 这种极其尖锐的业务和多样性服务对电信行业造成了巨大的挑战（Mahmoud等人，2021年）。如图1所示，我们可以清楚地看到无线网络在不同时间段的演进（Rost等人，2016年;多个，2019年）。基于这些，与4G相比，5G通信的应用场景有着更加丰富的工程需求。如图2所示，基于5G的三个重要应用场景，eMBB（增强型移动宽带）、uRLLC（超可靠低延迟通信）和mMTC（大规模机器类型通信）（Feng等人，2021; Popovski等人，2018年）基于5G有许多实际应用，如VR（虚拟现实），无人机（无人机），智能家居，AIoT等。不仅如此，5G移动通信还用于战争等军事场景的紧急救援。 更重要的是，现在我们越来越重视绿色能源的概念，5G移动通信需要满足低能耗的要求（Ni et al.，2019; Fan等人，2020年）。因此，能源效率也可以是最重要的系统性能指标之一。实际上，要实现感知、数据和长距离传输通信中信息交换（Li等人，2021年）。由于无线信道的多径衰落特性和噪声，以及节点的移动和传输功率，无线网络系统难以获得令人满意的数据传输速率和通信质量（Ullah等人，2012年）。无线通信技术面临着巨大的挑战。传统的点对点无线通信技术已经接近香农极限（Chi等人，2018年），必须探索新的技术和解决方案。在探索过程中，研究人员提出了合作通信（或中继通信）技术。该技术起源于Cover T和Gamal A的研究E在20世纪70年代（Cover和Gamal，1979）对中继信道的信息论特性进行了研究，其基本思想是通过部分资源共享来最大化系统吞吐量。Fig. 1. 无线网络技术的演进。无线通信系统中的节点 协作通信技术集成了中继传输技术和协作分集技术，可应用于WANET（无线自组织网络）、CMC（蜂窝和移动通信）系统、无线LAN（局域网）和WSN（无线传感器网络）（Malik等人， 2020年）。传统网络中的协作通信是通过中继节点进行辅助传输，从而提高网络覆盖和系统容量的技术（Malik例如，2020年）。它以其辅助传播的特点引起了工业界和学术界的广泛关注。在中继节点处使用新的多天线传输技术可以提供大规模并发数据流，从而增强系统容量并满足5G通信的大量用户需求（Ji等人， 2021年）。大规模MIMO（Multi-Input，Multi-Output，多输入多输出）可以被视为5G协作通信系统中的核心技术该技术主要用于改善网络覆盖、用户体验和系统容量的作用（Jijo等人， 2021年）。目前，该技术已广泛应用于无线通信领域。例如，通信网络和WiFi热点在4G时代主要用于人们的日常生活。从理论上讲，天线的数量直接影响通信系统的频率效率、传输速率和可靠性（Saleh和Hasoon，2018）。为保证通信服务质量大规模MIMO技术可以将通信波数集中在规划覆盖区域中（Aviale Alimi等人， 2019），有效避免不同小区之间的信号干扰，降低通信行为的传输功率（Sharma和Jha，2021）。此外，用户在系统中大多使用相同的中继，造成用户对之间的而新的多天线传输技术可以通过简单的线性处理获得较强的干扰抑制。因此，将中继与新的多天线传输技术相结合，不仅可以提高系统容量，还可以抑制中继网络的对间干扰（Li和Baduge，2020）。近来，NOMA（非正交多址）技术引发了人们对5G的担忧。与我们在4G协作通信系统中熟悉的OFDMA（正交频分多址）不同，5G协作通信使用NOMA（Ligwa和Balyan，2022）。多个用户在同一子频带上传输信号，极大地提高了频谱利用率，但也产生了同频干扰问题。然而，可以使用SIC（连续干扰消除）来有效地消除这种干扰（Zhang等人，2020年）。由于NOMA技术的出现，有望满足未来大规模连接的mMTC应用场景中超低成本、超低功耗以及海量数据包的需求（Tanwar et al.，2019），并满足eMBB和uRLLC应用场景中小数据包随机突发下的真实组织和低延迟和功耗要求（Sharma和Wang，2019）。在传统的蜂窝网络中，为了在降低能耗的情况下增加系统吞吐量，提出了微小区的概念（Gui等人，2020），这在更密集的异构小区部署和更复杂的无线干扰环境下是不可避免的。可选架构设计对于逐渐扩大的覆盖范围至关重要。中继系统模型利用辅助传输的特性辅助小区边缘用户传输，并且可以通过降低发射功率来降低层间干扰（Mao等人，2017年）。参考文献（Ge等人， 2016）提出，随着流动性的增强，W. Guo，N.M.F.库雷希，I.F. Siddiqui等人沙特国王大学学报8057图二.三大5G应用场景--特点与挑战。5G超密集异构网络的性能逐渐下降，中继协作（相邻微小区基站作为中继）协作传输回程业务以保证系统性能。在传统的蜂窝通信网络中，只有部分信道状态良好的用户才能直接从基站获得服务 使用D2D（设备到设备）短距离传输技术，信道状态良好的用户作为中继节点进 行 短 距 离 传 输 ， 使 得 信 道 状 态 差 的 用 户 能 够 接 入 服 务（Maraqa et al.，2020年）。基于设备间通信的协作传输提高了系统频谱利用率和服务质量，同时降低了基站的负担和功耗（Jameel等人， 2018年）。 同时，5G协作通信系统需要高数据速率以支持新兴应用的不断增长的业务需求（Chien等人， 2020），因此中继节点采用CCFD（同频同时全双工）技术来满足这一需求。5G协作通信系统具有大规模接入、异构、多样性、干扰环境复杂、能耗高的特点（Vaigandla和Venu，2021; Ni等人，2018; Gkonis等人，2020）提出了一种新的协作通信系统，它带来了许多传统协作通信系统所没有的问题，如更灵活的中继选择、缓存优化、任务卸载、节点选择、网络安全等。本文综述了5G移动通信的研究现状首先对协作通信系统进行了不同维度的分类，然后详细介绍了几种常见的中继网络模型其次，详细介绍了应用场景、关键技术和存在的问题。然后，对这些模型下的资源分配问题--终极选择和权力分配问题进行了总结.最后，指出了当前发展中存在的问题，并对5G未来的研究方向进行了2. 什么是协作通信网络？2.1. 基本概念协作通信是指用户之间通过相互协作进行的传输源节点不仅将信号发送到目的地节点，而且还将信号发送到中继节点。然后，中继节点通过不同的中继传输协议（Hossain等人， 2019年）。它是一种使用移动中继节点来增加特定用户容量的技术该原理意味着系统可以被划分为三种类型的节点：源节点（基站）、目的节点（特定用户的节点）和中继节点（其他用户终端）（Peng等人，2011年）。在该系统中，所有的中继节点将被视为特定用户节点的发送和接收天线。因此，我们可以将网络视为与多输入多输出（MIMO）天线系统相同的网络，称为虚拟多输入多输出天线（V-MIMO ） 系 统 ， 它 可 以保 证 特 定 用 户 的特 定 容 量 （ Kothari 和Ragavendran，2021）。概括起来，我们称这种技术为在正常情况下，大多数协作通信系统包括两个传输阶段：阶段I：在该阶段中，用户将与目的地或其他用户共享源数据以及控制消息（Hong等人， 2010年）。阶段II：在该阶段中，用户合作地将消息重新发送到目的地（Hong等人， 2010年）。基本中继系统通常由两个用户向一个普通目的节点发送数据一个用户扮演源节点的角色此外，两个用户都可以在不同的时刻交换他们的角色成为源节点或中继节点（Ibrahim等人， 2008年）。如上所述，在阶段I中，信息将由源节点用户广播到中继节点以及目的地在随后的阶段II中，中继节点可以完成数据自转发或与源节点的协同转发，以提前在目的节点的接收。在协作系统中，协调是极其必要的，因为天线被分布式地提供给不同的终端设备，而不是集中式MIMO系统（You等人，2010年）。过多的额外协调将降低系统带宽，但在高SNR下，该成本将始终由大的分集增益补偿（Hong等人， 2010年）。具体而言，协调不仅可以通过用户与用户之间的直接通信来实现，还可以通过来自目的地的反馈来在协调得到的消息的基础上，合作伙伴计算并发送消息，以降低传输代价或提高接收方的检测能力然而，协作用户的数量会增加协作成本因此，必须设计高效的用户对用户或反馈沟通策略，以实现更有意义的合作（Hong等人，2010;Khan等人， 2018年）。●●W. Guo，N.M.F.库雷希，I.F. Siddiqui等人沙特国王大学学报80582.2. 协作通信在移动通信网络2.2.1. 在正常的移动通信在传统的蜂窝网络系统中，为了有效地提高用户服务质量，一个小区将被重新升级为若干个微小区，并在微小区的中心建立一个基站当在蜂窝通信系统中使用协作通信时，移动台和BS在BS的覆盖范围内连接，并且所有用户可以直接通过BS实现通信行为。而当处于中继站的覆盖范围内时，移动台的通信采用协作方式与附近的基站进行通信，从而形成多跳链路，实现通信行为。在协作通信期间，不仅移动站和BS之间的通信行为可以由中继站实现，而且移动站、BS和中继站之间的协作也可以实现通信行为。关于这一点，最重要的一点是，系统设计集中在降低协作成本或提高技术要求上。在移动通信系统中，利用了协作通信技术。中继站与多个移动站连接，BS与多个中继站连接。整个范围内的资源都在基站的控制之下，而中继站则使用某种函数来控制资源的实际分配。中继站可以使用AF机制，并且中继站可以在一定的时隙和频率上实现从BS发送的信息。如果是这种情况，则中继站可以有效地拓宽BS的覆盖范围。此外，中继站还可以利用编码转发机制，对基站发送的信息先进行编码，然后再进行调制或纠错编码发送出去。从而有效地提高服务质量2.2.2. 在应急移动通信在某些情况下，协作通信可以有效地提高系统的鲁棒性。此外，它有时也支持部分通信行为，如果基站瘫痪.在应急通信中，当基站在某个区域发生故障时，基站就会瘫痪，无法正常通信。如果建立了协作通信系统，即使基站不能正常工作，覆盖范围内的通信用户仍然可以通过中继站（RS，Relay Node）进行通信。此时，RS可以被认为是一个简单的BS.如果区域内的用户想要与区域外的用户进行通信，则可以使用多跳RS，或者使用多跳RS与BS进行通信来实现通信行为。 然而，这种沟通方式也存在着一些不完善之处。就是容量有限，我们只能用优先权去扩张控制保证高优先级用户的通信行为，而相对低优先级的用户只会被放弃。在各种严重自然灾害（如地震）的不同情况下，当地的BS可能会在很大程度上瘫痪。在这种情况下，可以利用RS来保证瘫痪地区与正常地区的通信。通过协同通信系统，可以保证瘫痪区域与外界的通信行为，在抗灾初期就能获得受灾区域的重要信息，保证重要通信的畅通。3. 协作通信网络与传统的中继网络相比，5G协作系统的结构更加复杂，因为用户多样性、网络密度和异构性都很高，如图3所示。然后，我们主要对协作通信网络进行分类，图三. 5G协同通信系统。W. Guo，N.M.F.库雷希，I.F. Siddiqui等人沙特国王大学学报8059几个方面，中继节点的数量，信号转发方法，以及收发器分集增益。3.1. 中继节点数根据中继节点的数量，协作通信网络可以被分类为单中继协作通信网络和多中继协作通信网络（He等人， 2018年）。在单中继协作通信网络中，只有一个中继节点用于转发信号。网络结构简单，信息传输效率有限它是通常应用于没有直接传输的近距离通信系统中的两跳通信系统（Lv等人，2019年，如图4所示。如图4所示，源节点不能直接将有效信息传输到目的节点，需要在中继节点的协助下通过两跳进行通信。此外，从源节点到目的地节点的信息可以被认为是对接收机的有害干扰（Qiao等人， 2012年）。在多中继协作通信系统中，多个中继节点转发和重传信息以实现高可靠通信和远覆盖传输（Zhang等人， 2019年）。在这种类型的网络模型中，网络传输场景特别复杂，因为信息还在多个中继节点之间传输。它反映在中继选择、信道分布以及功率分布的变化中（Ding等人， 2020年）。从信息传递和传输的角度来看根据信号传输方式的不同，两跳协作通信系统可以分为时分系统和频分系统，如图1所示。 5场演出。在时分系统场景中，信息通过不同的时隙中继传输同时只允许发送一个在频分系统场景中，信号可以同时在不同的子带上发送因此，可以提高信号传输在多跳多中继协作通信系统中（中继节点数大于等于2），来自源节点的信息通过多个中继节点的转发（Liu例如， 2012年）。 一种方法是没有中继选择的多中继串行传输模式，如图1所示。 6（a）显示。多中继串行传输模式是让每个中继节点合并来自所有先前中继和源节点的所有信号。它的网络结构非常复杂，具有很大的时间延迟（Liu et al.， 2009年）。另见图4。 单中继协作通信。图五. 2-跳变多中继协作通信。是一种基于信道选择的多中继传输方式它可以通过中继节点的信道状态来判断和确定第一跳或第二跳所选择的传输链路这种传输方式可以有效地利用信道衰落特性，每次选择信道状态最佳的节点进行传输，如图6（b）所示。在整个图6中可以发现，多中继协作通信可以获得相对于单中继协作通信的分集增益，但是系统的总体设计复杂度将非常高（Lu等人， 2020年）。因此，中继节点数量的选择需要很好的优化和设计。3.2. 信号正演方法如果由源节点发送的信号转发方法由中继节点分类，则其可以分为放大转发（AF）、解码转发（DF）和编码协作（CC）（Khan等人，2018年）。系统示意图如图所示。7.第一次会议。放大转发（AF）：如图7a（1）所示，中继节点的功率放大从源节点接收的信号以补充传输中的功率损耗，然后将信号传输到下一个节点（Sanguinetti等人，2012年）。在众多的AF协议中，非正交AF（NAF）协议在误差方面明显优于其他AF协议●W. Guo，N.M.F.库雷希，I.F. Siddiqui等人沙特国王大学学报8060见图6。 多中继协作通信。性能和容量（Nabar等人，2004年）。为了克服高接收机复杂度，图7a（2）给出了联合线性AF模型，不仅提高了误比特率（BER）性能，而且使两个符号达到相同的分集阶数（Ahmedet al.， 2014年）。解码转发（DF）：中继节点对接收到的信号进行解调、解码和判决，然后对判决数据进行编码并发送给下一个节点。 如果中继节点不能正确解码，将导致系统性能急剧下降，因此解码转发适用于更好的SR（源-中继）信道（Wang et al.， 2007年）。编码协作（CC）：源节点不仅将信息发送到中继节点，还将信息发送到目的节点，目的节点在接收到来自源节点的信息后将其重新编码到目的节点然后，目的地节点合并从源节点和中继节点接收的信息，并执行解码判断（Ba，s aran等人， 2016年）。实际上，AF和DF更常用。这里，AF和DF转发方法的特性如表1所示。根据该表，源节点到中继节点信道的传输特性对DF模式有很大的影响。在没有CRC（循环冗余校验）的情况下，DF的SER（符号错误率）甚至比直接传输更差;有了CRC，DF可以克服这个缺点，并获得比AF稍好的性能。AF模式的复杂度低于DF。如果综合考虑复杂度和性能，AF模式可以在低SNR（信噪比）下使用，DF模式可以在高SNR下使用。具有CRC的DF模式的传输功率分配方案与AF模式类似，并且适用于不具有CRC的DF模式。综上所述，AF和DF各有利弊，认为谁优谁劣的观点过于片面。在实践中，您可以根据不同的优先级进行选择为了提供更好的连接，我们在表2中总结了中继转发的资源问题。从这个表中，中继节点选择和功率分配应该是协作通信中的两个重要问题，我们将在下面的部分讨论3.3. 收发分集增益由于通信技术的飞速进步，多天线技术可以增强接收机的有效信号，获得较大的分集增益。因此，它被广泛应用于协作通信领域。分集增益意味着将同一信号分成多个副本，在不同的时间、不同的频率或空间发送，然后在接收机处合并分集的核心思想是每个信号同步深度衰落的概率真的很低。因此，合成信号的深衰落的概率大大降低，如图2所示。8.第八条。该技术不会提高接收机的平均信干噪比，但可以稳定信干噪比.如上所述，单天线协作通信系统是其中发射机、中继节点和接收机都仅具有单个天线的系统。系统一次只能发送或接收一个信号。因此，它需要使用复杂的MODM技术和大量的频谱资源，以实现在任意条件的信道上的高质量通信（Liu等人， 2019年）。在多天线协作通信系统中，多天线天线可以分布在源节点、中继节点和目的节点内的任何位置。也就是说，其中发射机、中继节点和接收机中的任何一个或多个节点具有多个天线的系统（Garg等人，2013年）的报告。该系统可以同时发送或接收多个信号。与单天线协作通信系统相比，它不仅降低了接收机设备的处理复杂度，而且还可以有效地抑 制 信 道 衰 落 ， 增 加 无 线 系 统 的 覆 盖 范 围 ， 并 提 高 频 谱 利 用 率（Rajatheva等人，2020年）。图3示出了不同天线数目的协作通信系统模型。9.第九条。4. 协同通信传统中继通常利用深度阴影衰落区来提高无线覆盖。目前，协作中继传输已经发展成为一种先进的前沿技术. 无线协作通信系统不仅仅是简单的多跳传输，而是可以以低成本网络架构实现无处不在的高数据速率覆盖和业务（Correia等人，2010），这是不同于传统的直接传输系统，需要解决的问题。具体针对：●●W. Guo，N.M.F.库雷希，I.F. Siddiqui等人沙特国王大学学报8061s;rr;dps; rDr;ds;rPMrs;r28rr;d3rs;r.Ps¼3 rR2 2018年12月2日好吧s; rr;d8M4个p32p注意 ：>D¼3 μM-1μM -sinM.s;rDr;d见图7。 信号正演方法的模型。表1AF和DFAF和DFAF DF信号处理方式中继节点只需要对源节点信号进行放大，转发出去它可以被视为模拟信号处理的一种方式（Nguyen等人，2019; Laneman等人，（ 2004年第10期）中继节点需要检测接受的信号并在评估后转发它。它可以被视为一种数字信号处理（Liu et al.，2018; Laneman等人，（2004年第10期）复杂度低高噪声不传输噪声，但容易造成解码错误（阿里例如， 2019年度）传输预期信号，也传输噪声（Ali et al.， 2019年度）配电方案（MPSK光功率放大器调制8>Ps¼rs;rpr28r2P2R>8rs;rs;rqr28C2r22 2
：Pr¼p>P2rs rP方案）3rs;rr2208r2公司简介qs;rr;d：> 3rR28C2r2SER在没有CRC的情况下，DF性能远低于AF。在有CRC的情况下，DF性能略高于AF（Huo等人， 2014年度）在低SNR情况下使用总体AF，而在高SNR情况下使用DF（Popovski等人， 2018年）8>C¼M-1氨基甲酸乙酯2ps;rW. Guo，N.M.F.库雷希，I.F. Siddiqui等人沙特国王大学学报80622个M4pω2p4p而M1/42k. r2是：信道方差（Su等人，（2005年）表2W. Guo，N.M.F.库雷希，I.F. Siddiqui等人沙特国王大学学报8063中继转发的资源分配总结。场景转发方法目标方法单中继多中继2-带天线跳单用户无天线跳two–hopAFDF-CC混合DF最大和速率最大电源效率功率分配时间分配、功率分配two–hop最大总吞吐量最大总速率最大能效最小总功率最小总功率最大吞吐量和功率分配RB分配、功率分配小区选择、功率分配中继选择、功率分配多跳多用户最大和率W. Guo，N.M.F.库雷希，I.F. Siddiqui等人沙特国王大学学报8064见图8。 多样性技术。通道复用问题。中继节点在转发信息时需要占用信道，而预先为中继节点预留信道是不现实的。目前，协作通信多采用时分多址（TDMA）方式，这无疑降低了信道的利用率因此，选择正确的协作时间尤为重要（Spencer et al.， 2004年）。由中继节点处理方式引起的问题。如上所述，AF会导致误差传播噪声增强，并且其前后通道是相关的。 DF会导致错误累积。这将使中继信道不同于传统的无线信道，并增加分析的复杂性（Su等人，2008年）。中继节点的移动性。在现有的协作通信系统中，中继节点经常处于移动状态，如蜂窝网络中的移动电话用户因此，假设中继节点是固定的并不合理，也不符合实际情况，而现有文献很少涉及中继终端移动的情况。因此，选择合适的运动模型非常重要（Tsai和Chan，2015）。中继节点的选择。中继选择类似于协作定时问题。在协作通信系统中，根据一定的参数调整中继集的组成，选择最合适的中继节点进行最优组合参与协作通信，将获得较大的协作增益。同时，中 继 的 移 动 性 也 增 加 了 中 继 选 择 的 难 度 （ Hwang 和 Ko ，2007）。权力分配问题。协作通信在研究之初，大多数研究者考虑的是源节点和中继节点，这种方式虽然简单，但许多研究表明，它显然不是最优的，不能最大化整个系统的性能，因此有必要构建一个有效的功率分配方案（Wang等人，2016年）。● 与其他技术相结合。在协作通信的关键技术中，中继选择和功率分配是最受关注的问题。4.1. 中继选择在当前的多用户协作通信系统中，同时存在多个备选的潜在协作中继节点。中继选择或伙伴选择是这些用户参与协作通信过程并获得最大协作增益的最佳选择。从某种意义上说，中继选择相当于协作时机。中继选择的最佳方案应该根据信道状态信息调整协作中继集的组成，进行最优组合（Lin and Liu，2015），而不是让所有空闲用户都参与协作通信，这样会造成巨大的资源浪费。因此，中继选择是协作通信系统中的一个重要问题，它需要确定与哪些用户协作，协作用户重分配多长时间等。4.1.1. 按渠道状态分类中继选择可以基于瞬时或统计CSI（信道状态信息）来分类。基 于 瞬 时 CSI 的 中 继 选 择 方 案 需 要 知 道 用 户 之 间 的 瞬 时 信 息（Bletsas等人，2006），并且这种瞬时信息是实时变化的，这不仅要求对信道信息进行实时跟踪，而且算法复杂度相当高。因此，它只适用于固定网络上的中继，不实用。基于统计信道传输特性的中继选择方案也可以基于位置信息来考虑;也就是说，需要知道源中继节点和源中继节点之间的距离。在编码协作方法下，Lin et al.（2004）给出了有利于协作用户的区域用户协作区域的概念。在每个移动终端和目的地的位置信息已知的情况下，用户协作区域确定从源节点到目的地节点的距离，并且是以目的地节点。 只有当用户的合作伙伴在这个圈子中时，用户才能从协作中受益;否则，用户不会在协作模式下传输。该方案要求高，规模小.基于位置信息的中继选择方案要求系统具有距离估计结构（例如安装在每个终端处的GPS接收器），这是一个难以解决的问题（Sayed等人， 2005年）。4.1.2. 根据有无中央控制节点根据集中式控制节点的功能，中继选择也可以分为集中式和分布式两种。Nosratinia等人（2004）提出了一种基于贪婪算法的集中式中继选择方案，该方案仅是局部最优的。但这些算法的计算量都很大。目前，分布式中继选择方法很少。Wang等人（2007）给出了一种基于博弈论的分布式中继选择算法。此外，分销的困难在于，●●●●●W. Guo，N.M.F.库雷希，I.F. Siddiqui等人沙特国王大学学报8065见图9。 单天线和多天线协作通信系统模型。如何在不增加额外系统资源的情况下保证所有用户的公平性。需要指出的是，DF方式在继电器选型上具有天然的优势例如，CRC可以被添加到源节点的信息中，并且只有潜在的中继可以正确地解调器可以作为源节点的伙伴转发信息。 该解决方案具有小的复杂性并且可以实现非常好的性能（Kwon等人， 2010年）。4.2. 功率分配功率控制在无线通信系统的资源管理中起着非常重要的作用对于白干扰系统，这个问题更为重要。其目标是为每个用户提供可接受的服务质量水平，同时减少其对其他用户的干扰（Hossain等人，2014年）。4.2.1. 按目标函数分类根据目标函数的不同，协作通信系统中的功率大多数以提高可靠性为目的的功率分配方案都选择中断概率或SER作为目标函数，其算法完全相似，得出的结论也相似。例如，在AF方式中，该功率分配方案仅与中继节点的相关信道传输特性有关，而与源节点信道无关，这表明无论直接传输链路的信道情况如何，中继节点始终参与协作通信过程，而不涉及协作定时问题。如果将速率与误码率性能相比较，前者从信息论的角度分析问题虽然它具有一定的指导意义，但在实际通信系统中不能准确测量编码调制性能从这个角度来看，基于SER性能的功率分配方案更优越。大多数功率分配方案选择最大平均互信息和最大平均遍历容量作为目标函数。与基于可靠性的功率分配方案不同，该方案涉及协作定时问题，中继节点参与协作通信过程当且仅当满足一定的条件该处理方法可以显著提高半双工模式下协同通信的数据传输速率，并有助于提高可靠性。总之，旨在提高有效性的配电方案优于旨在提高可靠性的配电方案（Du和Zhang，2018）。4.2.2. 根据信道状态信息分类根据信道传输特性的不同，协作通信系统中的功率分配方案可以分为基于瞬态或统计信道传输特性的两类。基于瞬时CSI的功率分配方案的目标函数可以选择为最大平均互信息、瞬时接收信干噪比等。通过信道估计算法和独立的反馈信道，源节点和中继节点可以获得每个传输时隙中第一跳和第二跳的信道信息，如路径损耗和衰落因子等。这样，系统将充分了解信道状态，并能在每个信号传输时隙调整源节点和中继节点的发射功率，使系统始终处于最佳状态（Cai et al. 2008年）。可以看出，基于瞬时CSI的方案将具有最好的系统性能，以及最高的系统复杂度。W. Guo，N.M.F.库雷希，I.F. Siddiqui等人沙特国王大学学报8066基于统计CSI的功率分配方案的目标函数可以选择为穿越容量、平均接收SNR、中断概率、SER性能等。由于在实际通信中难以实时获得瞬时CSI，因此可以对一个时间段内的信道信息进行统计分析，获得信道的统计特性，例如信道衰落的均值和方差，并将信道的统计信息作为资源分配的参数，使信道具有平均意义上的最佳性能。该方案的算法复杂度和信道估计复杂度都比基于瞬时CSI的方案低得多，而且系统性能也不基于瞬时CSI，两者差别不大，易于实现。总之，综合考虑系统性能和算法复杂度，基于统计信道状态信息（CSI）的功率分配方案优于基于瞬时信道状态信息的功率分配方案（Wang等人， 2017年）。4.2.3. 根据有无中央控制节点根据中心控制节点在网络中的作用，协作通信系统中的功率分配方案可以分为集中式和分布式（Youssef et al.， 2019年）。集中式功率分配方案仅适用于具有中央控制节点的网络，诸如计算功率分配因子然后使用反馈信道通知源节点和中继节点的蜂窝网络。该方案会得到系统性能的最优解，但无疑会增加中央控制节点的负担，容易造成网络的脆弱性（Wanget al. 2008年）。因此，该方法仅适用于理论分析，也可为分布式电源分配策略提供理论指导。现有协作通信中的功率分配大多是集中式的。分布式功率分配策略是灵活的，同样适用于网络中是否有一个中央控制节点。然而，此时，功率分配因子不再由中心控制节点计算，而是由源节点和每个中继节点自己计算，这比集中式方案需要的信息少得多，但也正因为如此，其算法时间比集中式节点长分布式方案更适合于实际的通信情况，但对协作通信的研究还处于起步阶段。Wang等人（2008）给出了一个利用博弈论的分布式方案，给了我们很好的启发。现在，更多的深度学习正在这里使用。大多数集中式功率分配方案作为最优的理论分析，只能指导分布式方案，并不适合实际的通信系统。然而，分布式方案还处于起步阶段，应该努力构造更理想的算法。4.2.4. 根据继电器的根据协作通信网络中中继器的数量，可以将其分为基于具有单个中继器的系统和具有多个中继器的系统的功率分配方案（Huang等人， 2008年）。这两种方案本质上是相同的，但后者的复杂程度比前者高得多。在研究的早期，大多数仅限于只有一个继电器的系统。目前，多中继系统中的配电方案大多基于源节点和中继节点之间的点对点通信，缺乏多用户网络，这仍然是一个未解决的问题。5. 一种基于中继协作的5G移动通信网络模型在5G移动通信网络中引入协作通信，将进一步提升系统的整体性能，满足5G应用场景的通信需求。5G网络中的关键技术包括频谱共享、新的多天线传输、NOMA（非正交多址）、超密集网络和D2D（设备到设备）（Jijo等人， 2021）等。下面将详细介绍中继协作技术和关键5G技术的组合5.1. 频谱共享随着无线通信业务需求的增长，可用频谱变得极其稀缺。然而，许多已经分配的频谱仅用于特定区域或特定时隙，并且这种分配策略造成频谱资源的大量浪费频谱利用率极低为了改善这一现状，实现随时随地的超可靠通信，人们运用先进的通信技术和理论，试图实现不可再生频谱资源的共享，认知无线电（CR）技术应运而生。图10给出了一个简单的原理图。上行频带利用预留的空白RE（Resource Element，资源元素）资源和采样环境信号来识别上行频带中的干扰信号，在与终端的上行通信中阻断干扰频谱，充分利用未受干扰频谱的RB（Resource Block，资源块）资源。在存在下行链路干扰的情况下，基站从终端接收信道质量反馈，并且不再使用严重干扰的子带。在剩余的子带中，采用灵活的调度策略，在终端通信质量上，在终端数量上，保证了
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