滤波器转发协作中继技术在双选择性衰落信道中的创新应用

《IEICE Transactions on Communications》：Filter-and-forward cooperative relaying in double selective fading channels

　　本文针对高频段无线通信中信号衰减严重和移动中继带来的多普勒频移问题，提出了一种新型的滤波器转发协作中继方案。研究人员通过在中继节点引入频域滤波处理，实现了仅需两个时隙即可完成基站到终端的多中继传输，显著提升了频谱效率。研究还提出了MAX-SNR选择和分布式选择两种中继选择技术，仿真结果表明该方案能有效抑制多普勒失真，在高速移动场景下保持优越的传输性能。

　　

随着5G/6G时代对传输速率要求的不断提升，无线通信系统面临着前所未有的挑战。在蜂窝网络和无线局域网中，传输速率已提升至数Gbps量级，然而用户设备的爆炸式增长导致网络流量急剧增加。为了应对这一挑战，学术界和工业界提出了多种技术方案，包括MIMO空间复用技术和新频段资源开发。但高频段信号传输面临严重的路径损耗问题，且移动设备的快速移动会引入显著的多普勒频移，导致传统协作中继技术性能急剧恶化。

传统 amplify-and-forward (AF) 和 decode-and-forward (DF) 协作中继方案虽然能改善传输性能，但存在频谱效率低下的固有缺陷。特别是在半双工模式下，中继操作会显著降低频率利用率。更严重的是，大多数现有研究都基于块衰落信道假设，未能充分考虑实际移动场景中时变信道特性对系统性能的影响。

针对这些挑战，日本冈山大学的Satoshi Denno教授团队在《IEICE Transactions on Communications》上发表了一项创新性研究，提出了一种名为"filter-and-forward cooperative relaying"的新型协作中继方案。该方案的核心突破在于能够在保持高频谱效率的前提下，显著提升移动环境下的传输可靠性。

研究团队设计的关键技术方法包括：基于MMSE准则的频域滤波设计、考虑多普勒失真的信道轨迹估计、基于信噪比优化的中继选择机制。具体通过最小均方误差滤波实现信号相位校准，采用线性插值法估计信道冲激响应轨迹，并开发了集中式和分布式两种中继选择策略。

系统模型与设计

研究建立了一个包含单天线基站、多个单天线中继和目的终端的双层频段传输系统。基站首先在3GHz低频段向中继发送OFDM数据包，中继接收后进行频域滤波处理，然后在30GHz高频段同时向目的终端转发处理后的信号。这种双频段设计既利用了低频段的广覆盖特性，又发挥了高频段的大带宽优势。

每个中继节点采用对角权重矩阵W_i进行频域滤波，其元素定义基于MMSE准则，能够有效补偿信道引入的相位偏差。归一化因子g_i确保中继发射功率恒定，避免信号失真。特别值得关注的是，研究团队提出了基于训练序列的信道估计方法，通过在数据包首尾添加导频符号，利用线性插值准确估计时变信道特性。

中继选择技术

研究提出了两种创新的中继选择方案。MAX-SNR选择通过集中式计算各中继组合的信噪比，选择最优中继集合，最大化系统性能。分布式选择则允许各中继基于本地信道信息自主决策，无需额外的信令开销。后者虽然性能略逊于前者，但具有更好的实用性和可扩展性。

性能评估与结果分析

仿真结果表明，在512子载波OFDM-QPSK调制下，MAX-SNR选择在3中继场景中较随机选择有显著性能提升。当速度达到200km/h时，分布式选择在阈值T_H=0dB时仅比MAX-SNR选择低0.3dB，验证了其有效性。

研究还发现，中继与终端距离对性能有重要影响。当距离系数Δd_T,max/d₀从0.1增加到1.0时，性能恶化不足0.5dB，表明方案具有良好的距离适应性。误码率性能分析显示，在速度低于150km/h时，分布式选择与无选择方案性能接近，但在高速场景下选择机制的优势更加明显。

结论与展望

滤波器转发协作中继技术通过创新的信号处理框架，成功解决了传统协作中继在移动环境下面临的挑战。该方案不仅保持了高频谱效率，还通过智能中继选择有效抑制了多普勒失真。研究成果为未来高频段移动通信系统提供了重要的技术支撑，特别是在车联网、高速铁路等高速移动场景中具有广阔的应用前景。

这项工作的重要意义在于首次将滤波器设计思想系统性地引入协作中继领域，建立了完整的理论分析框架和实用化技术路径。随着智能反射表面、人工智能等新技术的融合发展，滤波器转发协作中继有望成为6G网络的关键使能技术之一。