（信号与信息处理专业论文）蜂窝网中基于协作网络编码的功率分配方案研究.pdf

雌 学位论文版权使用授权书 l i f f lli lf rr fi ll r l r lifi y 19 615 5 9 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 讨香花 导师签名： 毒1 、 蓉z 之 签字日期：劢j1 年口6 月7 , , o n 签字日期：弘l 1 年l 月加日 中图分类号： u d c ： 学校代码：1 0 0 0 4 密级： 北京交通大学 硕士学位论文 蜂窝网中基于协作网络编码的功率分配方案研究 p o w e ra l l o c a t i o ns c h e m ef o rc e l l u l a rn e t w o r kw i t hc o o p e r a t i v e n e t w o r kc o d i n g 作者姓名：付秀花 导师姓名：裘正定 学位类别：工学 学科专业：信号与信息处理 学号：0 9 1 2 0 4 1 4 职称：教授 学位级别：硕士 研究方向：无线通信 北京交通大学 2 0 11 年6 月 致谢 裘正定教授的悉心指导下完成的，裘正定教授严 给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 裘老师对我的关心和指导。 王升辉老师悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向王老师表示衷心的谢意。 熊珂师兄对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心 的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，刘军博士、刘海伦博士等同学对我论文中的 研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人和好友，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我 的学业。 中文摘要 数据传输速率 能提升的主要 因素。协作分集技术通过用户协同形成虚拟的m i m o 系统，从而可以获得空间分 集，达到有效对抗多径衰落影响的目的。但是，协作分集技术会降低系统的频谱 效率。而网络编码技术可以在不降低频谱效率的前提下提供额外的分集增益，因 此把协作分集和网络编码结合起来的研究开始引起人们的关注。协作网络编码通 信系统中信息的传输是由信源和中继节点共同完成的，信源和中继节点传输信息 都需要消耗功率，分集增益和编码增益的获得是以信源和中继节点消耗的功率之 和为代价的。因此，对信源和中继节点之间的功率分配有着极其重要的现实意义。 本文针对蜂窝网中采用协作网络编码技术的m a r c 通信系统，以系统容量和 中断概率为优化目标进行了功率分配方案的研究。主要内容有： 1 ) 在信源总功率一定的条件下，以系统容量最大化为优化目标，研究分析中 继分别采用数字网络编码协议或模拟网络编码协议时的信源功率分配方案，并在 此基础上采用m o n t ec a r l o 仿真比较了两种网络编码协议对系统容量的影响。 2 ) 在信源和中继总功率一定的条件下，以中断概率最小化为优化目标，研究 了中继分别采用复制重传策略、确定性网络编码策略和机会式网络编码策略时的 信源和中继节点功率分配方案，通过基于凸优化的迭代搜索算法求出了3 种中继 策略下的最优功率分配因子，并仿真比较了3 种中继策略对系统中断概率的影响。 论文还结合机会式网络编码策略下的中断概率分析，提出一种最小化中断概率的 移动中继选择方案。 关键词：协作网络编码；功率分配；系统容量；中断概率；中继选择； 分类号：【请输入分类号( 1 - 2 ) ，以分号分隔。】 a bs t r a c t a b s t r a c t ：p r o v i d i n gc o m m u n i c a t i o nr e l i a b i l i t ya n dh i g hd a t at r a n s f e rr a t e sf o r al a r g ea m o u n to fm o b i l eu s e r si sac h a l l e n g ef o rt h e n e x t - g e n e r a t i o nm o b i l e c o m m u n i c a t i o n s s y s t e m i nw i r e l e s sc e l l u l a rn e t w o r k , m u l t i p a t hf a d i n gi m p a c to n c o m m u n i c a t i o np e r f o r m a n c es i g n i f i c a n t l y c o o p e r a t i v ed i v e r s i t ya l l o w sa c o l l e c t i o no f r a d i ot e r m i n a l sw h i c hr e l a ys i g n a l sf o re a c ho t h e rt oe m u l a t ea l la n t e n n aa r r a ya n d e x p l o i ts p a t i a ld i v e r s i t y t oc o m b a tm u l t i p a t h f a d i n g h o w e v e r , m o r ef r e q u e n c y r e s o u r c e sh a v et ob eu s e d a sa r e s u l t , n e t w o r kc o d i n gt e c h n i q u ei su s e dt ou t i l i z e c o o p e r a t i v er e l a y sm o r ee f f i c i e n t l y c o o p e r a t i v en e t w o r k c o d i n gh a sd r a w ns i g n i f i c a n t a t t e n t i o n s r e c e n t l y i n c o o p e r a t i v en e t w o r k - c o d i n gs y s t e m , t h ed i v e r s i t yg a i na n d n e t w o r kc o d i i l gg a i ni sa c h i e v e da tt h ec o s to ft h et o t a lp o w e rc o n s u m p t i o no fs o u r c e a n dr e l a yn o d e s s o ，i ti sm e a n i n g f u lt oc o n s i d e rt h ep o w e ra l l o c a t i o np r o b l e mb e t w e e n s o u r c e sa n dr e l a yn o d e s i nt h i s p a p e r , t h eo p t i m a lp o w e ra l l o c a t i o ns c h e m e sf o r c o o p e r a t i v e n e t w o r k - c o d i n gs y s t e mt h a tm a x i m i z et h es y s t e mc a p a c i t yo rm i n i m i z et h es y s t e m o u t a g ep r o b a b i l i t ya r em a i n l ys t u d i e d f i r s t l y , w i t hc o n s t r a i n to ft h et o t a lp o w e ro fs o u r c en o d e s ，t h ep a p e rd i s c u s sa n d a n a l y s i st h ep o w e ra l l o c a t i o ns c h e m et om a x i m i z es y s t e mc a p a c i t y , w h e nd i e j t a l n e t w o r kc o d i n g ( d n c ) p r o t o c o lo ra n a l o gn e t w o r kc o d i n g ( a n c ) p r o t o c o li su s e di nt h e r e l a y t h e n , t h ec a p a c i t yp e r f o r m a n c eo fd n ca n da n ci sc o m p a r e dt h r o u g hm o n t e c a r l os i m u l a t i o n s e c o n d l y , w i t hc o n s t r a i n to f t h et o t a lp o w e ro fs o u r c ea n dr e l a yn o d e s ，t h r e ep o w e r a l l o c a t i o ns c h e m e st om j n i m i z et h es y s t e mo u t a g ep r o b a b i l i t ya r es t u d i e di nd e t a i l ， w h e nt h er e l a yn o d ea p p l yr e p e t i t i o nc o o p e r a t i v es t r a t e g y , d e t e r m i n i s t i cn e t w o r k c o d i i l g s t r a t e g ya n do p p o r t u n i s t i cn e t w o r kc o d i n gs t r a t e g y a ni t e r a t i v es e a r c hs t r a t e g yb a s e do n c o n v e xo p t i m i z a t i o nt h e o r yt og e tm e o p t i m a ls e ti su s e da n dt h eo u t a g ep e r f o r m a n c eo f t h r e er e l a ys t r a t e g i e si sc o m p a r e dt h r o u g hm a t l a bs i m u l a t i o n t i l i sp a p e ra l s oa d o p ta n o n - d e d i c a t e dr e l a ys e l e c t i o ns c h e m et h a tm i n i m i z e st h eo u t a g ep r o b a b i l i t yb a s e do nt h e o u t a g ep e r f o r m a n c ea n a l y z eo fo p p o r t u n i s t i cn e t w o r kc o d i n gs t r a t e g y k e y w o r d s ：c o o p e r a t i v en e t w o r kc o d i n g ；p o w e ra l l o c a t i o n ；s y s t e mc a p a c i t y ； o u t a g ep r o b a b i l i t y ；r e l a ys e l e c t i o n c l a s s n o 【请输入分类号，以分号分隔。】 北京交通大学硕士学位论文 目录 目录 中文摘要i i i a 】e ；s t r a c t i v 1绪论1 1 1选题背景及意义。1 1 2研究现状l 1 3本文内容和结构安排3 2 蜂窝网中系统模型概述和网络编码一5 2 1蜂窝网中系统模型5 2 1 1 蜂窝网的特点及发展5 2 1 2 多址接入中继模型7 2 1 3 移动中继协作分集协议1 0 2 2网络编码技术1 1 2 2 1 数字网络编码和模拟网络编码1 2 2 2 2 网络编码优点1 3 2 3蜂窝网中基于协作网络编码的功率分配1 4 2 4本章小结15 3基于容量最大化的功率分配策略1 6 3 1系统模型1 6 3 2协议描述1 7 3 2 1 数字网络编码协议1 7 3 2 2 模拟网络编码协议1 9 3 3系统容量1 9 3 4 最优功率分配方案2 0 3 5 仿真结果与分析2 2 3 6 本章小结2 4 4 基于中断概率最小化的功率分配策略2 5 4 1系统模型2 5 4 2 单信道中断概率2 6 4 3 中继策略及功率分配方案2 7 4 3 1 复制重传策略2 7 4 3 2 确定性网络编码策略。2 9 目录 3 0 3 1 3 3 3 8 5总结与展望4 0 5 1本文工作总结4 0 5 2未来工作展望4l 参考文献4 2 作者简历4 5 独创性声明4 6 学位论文数据集4 7 绪论 1 1 选题背景及意义 近十年来，蜂窝网中移动用户的数量一直在高速增长。从2 0 0 2 年开始，全球 移动用户已经超过了固定电话用户，成为一种主要的通信方式。与此同时，移动 用户在要求蜂窝网提供高质量的语音通话服务之余，对数据业务量的需求也在不 断的增长，例如：无线因特网、多媒体、文件传输和下载业务等。这对蜂窝网系 统提出了新的要求，即增加系统吞吐量并提高频谱利用率。然而，传统蜂窝网结 构表现出不少缺点，主要包括：1 ) 小区覆盖面窄；2 ) 小区边缘用户的信道条件差； 3 ) 受天线数目的限制，用户分集度较低( 误码性能和服务质量受到影响) 等。 为了满足移动通信应用新的需求，众多机构和学者提出了各类技术用来提升 蜂窝通信系统的传输性能：如信号处理技术( 各种干扰消除算法) ，智能天线【l 】技 术和多输入多输出技术，等等。其中基于中继通信的网络编码技术是一项非常有 前景的技术。对蜂窝网而言，所谓中继通信，就是在蜂窝网络中加入中继站，它 被认为可以在不明显改变骨干网络结构的同时显著提高网络传输性能。中继是蜂 窝网络中引入的一个新的元素，是基站与用户之间传输数据的中间媒介。而网络 编码技术 2 1 是一种融合编码和路由的信息交换技术，与现有通信网络中中继节点只 对接收到的信息进行存储转发不同，网络编码允许中继节点对接收的多个数据包 进行编码信息融合，再进行前传，从而增加了单次传输的信息量，达到了提高系 统容量和提高频谱利用率的目的。 在蜂窝移动通信网络中，由于移动终端发送功率的限制，功率的有效利用是 蜂窝通信系统设计中的关键部分。网络编码技术的引入带来了一系列的优点，同 时也带来了一系列功率分配的新问题。目前有关网络编码技术的研究大都是在假 设节点采用平均功率分配条件下，考虑网络编码策略带来的好处或是网络编码策 略的推进。但是由于系统信道时变性和不同的信道质量的影响，如果各个节点采 用平均功率分配的话，无法充分利用功率，达到最佳的性能。因此，在加入网络 编码的中继蜂窝网上行链路模型中，考虑无线信道衰落因素进行功率分配的研究 将更具有实际意义。 1 2 研究现状 北京交通大学硕士学位论文 绪论 急剧增加的移动通信用户数和宽带业务量，在网络吞吐量、系统容量、小区 边缘覆盖以及通信的可靠性等方面，给未来移动通信带来了巨大挑战 3 1 。随着通信 技术的进步，应对这些挑战的方法也在逐步的推进。 众所周知，蜂窝网中的移动通信是基于电磁波在空间的传播来实现信息传输 的，而传播环境的外界干扰和多径衰落等因素，会使发送的信号产生严重的衰落， 极大的影响接收信号的质量。m i m o ( m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ) 作为一种能够 对抗多径衰落的技术首先被提了出来。m i m o 是利用多根发射天线和多根接收天 线进行无线传输的技术，它可以得到经历独立衰落的各个信号副本，从而获得空 间分集，达到有效地消除多径衰落、提高链路通信质量的目的。然而，由于尺寸、 功率和价格等因素的限制，多天线在蜂窝网终端的应用往往会受到限制。因此， 如何更好的将m i m o 的强大优势和具体实现结合起来一直是一个值得研究的问 题。 c o v e r 和c r a m a l 曾提出中继信道模型1 4 ，s e n d o n a r i s 等人受到中继信道的启发， 首次提出了协同分集【5 j 的概念。系统中的每个移动终端都有一个或多个合作伙伴， 合作伙伴之间有责任在传输自己信息的同时，帮助其伙伴传输信息。这样，每个 终端在传输信息的过程中，既利用了自己的又利用了其合作伙伴的空间信道，从 而形成了虚拟的m i m o 子信道，获得了一定的空间分集增益。s e n d o n a r i s 等人基 于信息论理论对信道容量，中断概率和遍历概率所做的分析显示出协同分集不但 能提高系统的传输速率，还可以有效的降低系统的中断概率【6 】。协作分集技术的提 出推动了m i m o 技术的实际应用。 协作分集的概念提出以后，出现了许多关于协作通信的研究。文献【7 】详细介绍 了一些常用的中继协作方案，如放大转发( a f ) 、解码转发( d f ) 等，并证明了它们能 使得系统中断概率有显著的降低。然而，由于上述传统的中继转发策略频带利用 率低，有研究者提出可以通过把网络编码技术应用于协作分集中来有效提高频带 利用率，也取得了一系列可喜的成果。 c h e n 等探讨了网络编码在分布式天线系统和协作通信系统中的应用，证明了 网络编码的引入带来了分集性能和频率效率的提升【8 】。p e n g 等系统地研究了网络 编码协作通信( n c c ) 的分集复用折中性能以及系统中断概率，证明了n c c 的分集 复用折中要优于单纯的协作通信( c c ) p 】。d u 等研究和分析了模拟网络编码协作 o n c ) 以及数字网络编码( d n c ) 协作所带来的的容量和可靠性增益【l o l 。文献【1 1 】针对 两用户通过一个中继节点向基站传输数据的无线网络环境，分析比较了复制重传 中继策略、确定性网络编码策略和机会式网络编码策略对系统中断概率的影响， 并证明了机会式网络编码的性能优越性。目前网络编码技术还处于理论研究阶段， 距实际应用还有一段的距离，大都使用m a t l a b 进行性能的仿真验证。 2 北京交通大学硕士学位论文绪论 上述的研究大都是基于平均功率分配的假设，考虑网络编码带来的好处。随 着协同网络编码技术研究的推进，人们也开始关注协同网络编码系统中的资源分 配问题。以不同性能参数为优化目标的功率分配方法也相继被提出。文献2 j 在使 用网络编码的前提下，提出了t w o - w a y 1 3 j 中继模式下的优化功率分配策略以提高 系统容量。文献1 1 4 】贝j j 在t w o - w a y 系统中，通过考虑中继节点处的最大似然估测来 获得最佳分配因子，实现功率的优化分配。文献l l5 】针对两中继节点的双路通信链 路模型，以中断概率最小化为目标研究了d f 协议下空时协作网络编码的功率分配 策略。并仿真表明，所提功率优化分配方法与平均功率分配方法相比，使系统的 中断概率和误码率性能均得到有效提升。文献【l6 】假设基于协作网络编码的两用户 的信道条件和发射功率相同，对四节点m a r c ( m u l t i p l ea c c e s sr e l a yc h a n n e l ) 1 1 7 1 模型，以中断概率最小化为目标对用户和中继间的功率分配进行了研究分析。功 率分配被认为是一项能够提高系统性能的重要手段。 文献【1 6 j 为了简化研究，假设两用户的信道条件及发射功率相同，但是在实际 场景中，由于信道噪声、干扰等影响，信道条件是随着系统的拓扑结构随时变化 的，而用户间发射功率的分配对中断概率也有很大的影响。此外，四节点m a r c 模 型是两个用户在只有一个中继节点的网络中同目的节点通信的网络拓扑模型，它 很容易扩展到多用户间的网络编码协作，是蜂窝网中的经典模型。而且，当前应 用的蜂窝网，终端设备大都使用电池供电，是一个资源受限的网络，功率控制分 配机制对于实现系统性能的优化是非常重要的。特别是在一些特殊场景下，如体 育场，演唱会等，通信量会在短时间内急剧增加，需要蜂窝网能提供较高的系统 容量：在手机流媒体业务的需求下，需要蜂窝网能保证较低的中断概率等等。所 以对文献1 1 6 】所研究的内容进行扩展是很有必要及有意义的。基于此，本文针对四 节点m a r c 模型，考虑实际的时变衰落信道，以系统容量和中断概率为优化目标 进行功率分配方案的研究，来达到提升蜂窝网络的资源利用率的目的。 1 3本文内容和结构安排 本论文的主要工作是基于协作网络编码的m a r c 系统的功率分配研究。协作 网络编码不仅具有协作分集技术的抗无线信道衰落、获得分集增益的特性，还具 有网络编码提高系统吞吐量、提高频率利用效率及节省能耗的优点，因而最近引 起了广泛的关注和研究。但是目前大多数的研究都是基于平均功率分配的假设进 行的。如果在中继蜂窝网中采用发射端和中继平均功率分配的方案，实现起来是 比较简单，但是由于系统信道时变性和不同的信道质量的影响，这种方法的应用 不能有效的利用系统资源、降低系统开销。因此，在加入网络编码的中继蜂窝网 北京交通大学硕士学位论文绪论 上行链路模型中，考虑无线信道衰落因素进行功率分配的研究将更具有实际意义。 本论文章节安排如下： 第二章：本章研究了协作网络编码的原理、分类和优点，针对中继蜂窝网中 常见的m a r c 模型，构建了在大尺度路径损耗和瑞利衰落条件下的仿真模型，并以 m a t l a b 作为仿真工具搭建仿真平台，为后续章节的展开作铺垫。 第三章：在信源总功率一定的条件下，以瞬时系统容量最大化为优化目标， 研究分析了中继分别采用数字网络编码和模拟网络编码协议时的功率分配方案， 并在此基础上采用m o n t ec a r l o 仿真比较了两种网络编码协议对系统容量的影响。 仿真结果表明，与数字网络编码策略相比，模拟网络编码在高信噪比状态下能获 得更高的容量增益。 第四章：在信源和中继总功率一定的条件下，以系统中断概率最小化为优化 目标，根据平均信道增益，研究了中继分别采用复制重传、确定性网络编码和机 会式网络编码协议时的功率分配方案，通过基于凸优化的迭代分配算法求出了3 种中继协议下的最优功率分配因子，并仿真比较了3 种中继协议对系统中断概率 的影响。本章还结合机会式网络编码下的中断概率分析，提出一种最小化中断概 率的移动中继选择方案。 第五章：总结和展望，对整个论文进行了总结，剖析了其研究内容中存在的 问题，并对未来的工作进行了展望。 4 述和网络编码 点向目的节点 信，是蜂窝网 中的经典模型。协作通信和网络编码技术相结合的协作网络编码，不仅具有协作 分集技术的抗无线信道衰落、获得分集增益的特性，还具有网络编码提高系统吞 吐量和提高频率利用效率的优点。但是协作网络编码的引入在带来蜂窝网系统性 能提升的同时，也带来了一系列功率分配的新问题。 为了给后面详细的功率分配研究打下基础，本章首先对m a r c 模型，媒质接 入方案和等效信道模型等进行了说明；接着对网络编码技术原理、分类和优点进 行了介绍；最后在此基础上阐述了蜂窝网中基于协作网络编码的功率分配研究的 必要性。 2 1蜂窝网中系统模型 2 1 1蜂窝网的特点及发展 把移动电话的服务区分为一个个正六边形的子区，每个小区设一个基站来对 该小区覆盖范围内的移动台提供无线接入服务，就形成了形状酷似“蜂窝 的网 络，这就是蜂窝网的由来。 对于传统的蜂窝网，虽然能在一个较大的范围内保证移动终端的接入，但系 统容量以及为单个用户提供的有效流量却是比较有限的，在现有的移动用户不断 增多、视频传输和手机上网不断发展的情况下，更是成为了网络的瓶颈。蜂窝网 络可以通过小区分裂的方式来增加小区数量，达到提高无线蜂窝网络的容量和对 用户的服务能力的目的。但是，小区半径越小，也就意味着网络中需要更多的基 站，从而网络覆盖的成本也增加了。 把中继技术融入到传统蜂窝网络而形成的中继蜂窝网络正是在这一背景推动 下产生的0 s l 。中继蜂窝网络指的是通过在传统蜂窝网络内增加若干可以转发其他 用户信号的中继站，从而改进蜂窝网络的服务质量，增加蜂窝网络系统容量【1 9 , 2 0 l 的一种网络结构。在中继蜂窝网络中，移动站既可以直接与基站通信，也可以经 过一个或多个中继站中转后与基站通信。中继站的功能根据不同的需要可以有不 同的设置，但总体来说要比基站简单的多，因此成本也要比基站要少的多。 5 北京交通大学硕士学位论文蜂窝网中系统模型概述和网络编码 中继蜂窝网中的中继站可以是网络已经预设的固定节点，也可以是网络中的 移动台等移动节点。其中，固定中继只为源用户转发数据；而移动中继即是转发 者，又是数据源，这也正是协作分集技术的基础。图2 1 分别给出了基于固定中继 模式和移动中继协作分集模式的蜂窝网模型。 ( a ) 固定中继模式( b ) 移动中继协作模式 图2 1蜂窝中继网络基本结构 f i g u r e2 - 1b a s i cs t r u c t u r eo fr e l a yc e l l u l a rn e t w o r k 图2 1 ( a ) 为一种典型的以固定站点为中继的中继蜂窝网络的典型结构，源节点 选择其中的一个固定站点作为中继与基站进行多跳连接。 图2 1 ( b ) 为移动中继多跳蜂窝网结构。移动台在接入网络的时候可以根据其与 这些不同的接入节点之间的信道条件进行选择，从而提高系统的性能。 上述蜂窝网中的单中继两跳协作模型为源节点和目的节点间建立了两跳独立 的通信链路。在瑞利衰落信道环境下，此模型能获得“2 ”分集阶数，从而有效对 抗信道衰落。 在未来的移动通信中，对系统容量和频谱效率的提高仍是很重要的需求，而 且运营商总是希望以最少的成本来满足系统能力提高的需求。相对于固定中继来 说，移动中继应该是一种更好的方式： 1 ) 大大节约成本。相移动中继由移动台本身来充当，不需要增加基础建设， 可以节约成本。 2 ) 存在较多的选择。在蜂窝网中，小区所覆盖的区域内总是有大量的空闲移 动台。理论上，只要具有较好的无线传输信道，这些移动台都可以作为中继被用 户使用。从而每一个多跳用户都可以有多个中继选择，通过选择找到最优的中继 对系统性能的提高十分有益。而且当存在好几个拥有较好传输质量的移动中继存 在，系统也允许的情况下，移动台还可以同时以这几个移动台作为中继来进行数 6 北京交通人学硕士学位论文蜂窝网中系统模型概述和网络编码 据传输，这样还可以产生m i m 0 传输的效果。这相对于固定中继来说更有效。 3 ) 灵活的拓扑结构。可以以其他移动台作为中继的情况下，移动台接入网络的 节点数量就会大大增加。移动台在选择接入节点时可能有很多不同的选择方式， 如最短路径选择，最小发射功率选择等待。而且，移动台在不同的时刻因为其所 处的无线环境的变化可能有不同的中继选择，从而中继方案更新的同时网络的拓 扑结果也发射一定的变化。所有的中继选择是由基站来决定的，从而通过中继的 选择可以人为地改变网络的拓扑，达到提高网络性能的目的。 目前基于移动中继的协作通信系统的研究开始引起人们的关注，m a r c 模型 就是其中研究的比较多的一种。 2 1 2多址接入中继模型 多址接入中继模型是一种多个用户在只用一个中继节点的网络中同目的节点 通信的网络拓扑模型。这种模型在蜂窝网络中很常见。 为方便后面内容的展开，先对系统模型、媒介接入机制及其等效信道模型作 以简单的介绍。 ( 1 )系统模型 目前研究中继通信采用的比较多的系统模型主要是多址接入中继模型。 图2 2四节点m a r c 模型 f i g u r e2 - 2s t r u c t u r eo fm a r cm o d e l 四终端m a r c 系统模型如图2 - 2 所示。图中，两个源节点a 和b 发送信息 到一个共同的目的节点d ，而且它们共享一个中继节点r 。源节点a 和b 向同一 个接收端d 发送信息的同时，中继节点r 也会接收到所发信息的副本。目的节点 不仅能接收到用户a 和b 通过直达上行链路传输的信号，还能接收到由中继节点 转发的中继信号，从而实现空间分集。 ( 2 )媒质接入方式 为了避免各个用户传输信号间的干扰，用户间的协作可以采用正交方式发射， 如时分多址接入( t i m ed i v i s i o nm u k i p l e x i n ga c c e s s ，t d m a ) 、频分多址接入 7 北京交通大学硕士学位论文蜂窝网中系统模型概述和网络编码 ( f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n ga c c e s s ，f d m a ) 、码分多址接入( c o d ed i v i s i o n m u l t i p l e x i n g a c c e s s ，c d m a ) 等。为了叙述方便，本文采用大多研究中采用的t d m a 策略。本文假设所研究的系统中各节点之间可以实现严格的时间同步。 ( 3 ) 信道模型 在无线通信网络中，数据在传输时会受到诸多因素的影响，如路径衰减、多 径传播引起的频率选择性衰落、收发端相对运动时产生的d o p p l e r 效应引起的时 间选择性衰落以及角度扩展引起的空间选择性衰落等。这些因素也可概括为大尺 度衰落和小尺度衰落。大尺度衰落包括路径传播损耗和阴影衰落，反映信号平均 功率随距离和位置的缓慢变化，主要影响无线通信系统的通信距离和覆盖范围。 小尺度衰落表现为多径衰落，主要由传播环境中各种建筑物、障碍物的反射、散 射、绕射及运动引起，反映无线终端在数十个波长范围或极短时间内信号功率的 快速变化，是影响接收机性能的主要因素，是信道建模的重点内容，可以通过 r a y l e i g h 分布，r i c e 分布，n a k a g a m i 分布等来描述。 对这些无线信道的物理特性进行数学描述【2 l 】是进行下一步研究的基础。在本 论文中，作者综合考虑大尺度衰落中的路径传播损耗、小尺度衰落中的瑞利衰落 和加性高斯白噪声( a d d i t i v ew h i t eg a u s s i a n n o i s e , a w g n ) 对信号的影响，其中路径 损耗和瑞利衰落是乘性叠加到信号上的。信道模型见图2 3 。 t r a n s m i t t e r 输入 ： 图2 3信道模型 f i g u r e2 - 3c h a n n e lm o d e l 如上图所示的信道模型，假设输入端经调制后的信号为而，路径损耗为， 多径衰落系数为，加性高斯白噪声为锄，信号经信道后的输出为，那么可以 得到关系表达式 8 蜂窝网中系统模型概述和网络编码 + z 豫 ( 2 - 1 ) 1 ) 路径损耗造成的衰落与信号传输过程中经历的路径长度d 的n 次方成反 比，即 芘d n ( 2 2 ) 式中，n 为路径损耗指数，根据不同的环境，在2 5 之间取值。 2 ) 多径衰落会引起信号幅度的衰减和相位的变化，会严重影响信号质量。在 这里，我们假设多径衰落系数服从( 0 ，万2 ) 的复高斯随机变量，也就是说，到达 接收接收机的电平幅度服从r a y l e i g h 分布，相位目服从( o ，2 万) 的均匀分布。包络概 率密度函数为 口2 ， 2 嘉r 扩吃= 事歹，口 o ( 2 - 3 ) 瑞利分布的概率密度函数曩。，与a 关系，如图2 - 4 所示 图2 - 4瑞利分布的概率密度函数 f i g u r e2 - 4p r o b a b i l i t yd e n s i t yf u n c t i o no fr a y l e i g hd i s t r i b u t i o n 相位概率密度函数为 = 嘉j c o 以：去，。口锄 ( 2 川 3 ) 加性噪声锄服从均值为0 ，方差为的高斯分布，且单边噪声功率满足 9 北京交通大学硕士学位论文蜂窝网中系统模型概述和网络编码 o = 2 。 基于对上面多址接入中继模型、媒质接入方案和信道模型的简单介绍之后， 接着，本文对基于移动中继的协作转发技术进行了探讨。 2 1 3移动中继协作分集协议 根据中继节点对接收信号的处理方式不同，学者们提出了多种中继转发 2 2 1 策 略，包括放大转发( a m p l i f ya n df o r w a r d , a f ) 、译码转发( d e c o d ea n df o r w a r d ，d f ) 和编码协作( c o d e dc o o p e r a t i o n , c c ) 。下面分别介绍这三种协作分集方案。 ( 1 ) 放大转发 放大转发方法) 由l a n e m a n 等首先提出，是协作用户间通信方法中最简单 的一种。在该协议中，中继器接收到用户发来的信号，只是简单地放大该信号， 然后转发出去，目的节点接收来自源节点和中继节点的信号并对其进行合并。在 放大转发的过程中，噪声也不可避免的被放大并转发到接收节点，但是由于基站 能接收到两路经过独立衰落的信号，所以仍然可以采取合适的准则合并接收信号， 从而做出较好的判决，提升系统的性能。 ( 2 ) 译码转发 译码前传是最接近传统中继方法的，其设计初衷是在中继处消除噪声干扰， 避免放大前传方法中对噪声的放大。在这种模式下，中继点对接收到的其合作伙 伴的信号先进行解码，然后再进行编码转发给目的节点，这样就去除了中继产生 的噪声影响。这种模式的优点是对各种信道都有较好的适应性，但问题是当用户 间的信道条件较差时，作为中继的移动终端有可能无法正确解码，从而危害到基 站的最终解码为了解决这个问题，l a n e m a n l 2 3 等提出了一种选择解码中继 ( s e l e c t i o nr e l a y i n g ) 方案，即协作节点根据其与源节点问信道的瞬时信噪比决 定是否参与此次协作( 假定接收节点知道信道的状态信息) 。当用户间信道的瞬时 信噪比较高时，各用户才检测并转发其伙伴的数据，而当用户间信道的瞬时信噪 比较低时，用户则转为非协作模式。研究表明，当信噪比较高时，两用户的选择 解码中继不仅可以和放大中继一样，具有二阶的分集增益，而且可以获得更低的 误比特率( b e r ) 。选择中继可以看作是解码中继的延伸，这种方式是根据用户间信 道的状态决定是否进行协作，也可以在放大中继中。 ( 2 ) 编码协作 编码协作是将协作通信和信道编码技术相结合的产物，其基本思想是对j 下确 解出的合作伙伴的信号重新进行编码。在d f 模式下，用户对于其合作伙伴的信号 正确解码后，使用原来的编码方式在下一时段向目的端传送，此时系统性能的改 1 0 北京交通大学硕士学位论文蜂窝网中系统模型概述和网络编码 善是通过在不同空间重复传送冗余获得的，而在编码协作模式下，用户则通过重 新编码传送了不同的冗余信息，相当于将空域分集与码域分集相结合，从而改善 了目的端的解码性能。改善了目的端的解码性能。关于编码协作的研裂2 4 【2 习， 已 经证明了编码协作在慢衰落环境中性能卓越。在用户的传输速率和传输功率不变， 系统在用户间信道非常差的情况下，依然能显著提高两个用户的误码率性能，并 且当两个用户都能成功解码时，系统可以获得完全分集增益。 各个协作方法的比较如图2 5 ： 重新编码比特 ，一 一。冷 含。 fl 刚 2 2网络编码技术 为了增强无噪有线网络系统的容量，a h l s w e d et ea j 2 在2 0 0 0 年提出了网络编 码的概念。在这篇文章中，网络的中间节点不是进行简单的信号存储转发，而是 巍 曩 逍一 盆 r 盆 一 一 一 一 ，一r j ，一 夕忆 夕 北京交通大学硕士学位论文蜂窝网中系统模型概述和网络编码 将经过节点的信息进行编码后再转发，实现了最大流最小割的容量，从而最大限 度的利用了网络的现有资源。网络编码的提出从本质上打破了通信网络中传统的 信息处理方法，具有降低传播时延、提高带宽资源利用率、降低网络中节点的能 量消耗、均衡负载等优点。目前，有关网络编码理论的研究已经引起了学术界的 高度重视，网络编码已经成为网络信息理论领域最受瞩目的研究热点之一。 网络编码虽然起源于有线网络的多播传输，但是随着研究的不断深入，研究 者们发现，无线网络的广播特性非常有利于网络编码的应用。文献1 2 6 详细讨论了 一个在无线a dh o e 网络中，中继节点通过对接收到的信号进行异或算法的网络编 码运算，有效地提高了系统的容量。文献【2 7 】探讨了自适应网络编码协作通信，研 究表明数据速率和中断概率性能都有一定的提高。 当前对网络编码研究的一个方向是将网络编码应用到各种通信环境下，研究 其对系统性能的影响，比如将网络编码应用到蜂窝网络当中。网络编码的初衷是 权衡中继节点的编码能力来提高系统的性能，本身就包含了协作的思想，因而将 它与协作分集技术结合起来以对抗无线信道固有的衰落特性是非常合理的【2 引。通 过信息论知识和内在的协同特性可知，协同网络编码可以得到传统的中继方案所 造成的频率利用率的损失。 2 2 1数字网络编码和模拟网络编码 随着协作网络编码系统研究的深入，协同通信中的网络编码技术被分为两类： 数字网络编码【2 9 3 川和模拟网络编码【3 1 。3 7 1 。数字网络编码是在比特级对信息内容进 行异或操作或别的处理，而模拟网络编码则是在自由空间进行符号级的信号混合， 它们都可以提高系统的吞吐量，达到提高频率利用率的目的。 ( 1 ) 数字网络编码 数字网络编码是网络编码领域的初始工作。在最初的考虑中，为了不对现有 网络的软硬件设备和相应的协议做很大的修改，通常选择在网络层实现网络编码。 数字网络编码中的中继节点把接收到的信号处理成数字信号，然后进行处理转发。 处理的方式有很多，比如直接采用异或。其中w o l d e g e b r e a l 等人研究了网络编码 在解码转发网络中的应用，并分析了其中断概率性能，并和不采用网络编码的解 码转发协作方式进行比较，指出在用户间信道较差时，采用网络编码的解码转发 协作方式更加有效，当用户问信道较好时，不采用网络编码的解码转发协作方式 的性能更优1 3 8 , 3 9 1 。 由于无线网络的广播特性，可能会导致信号问的彼此干扰，从而对网络产生 负面影响。大多数通信系统的设计都试图减少或避免干扰，比如，通过发送顺序 1 2 述和网络编码 的安排，但实际中不可能完全消除干扰。与其将干扰作为令人讨厌的东西避而远 之，不如充分利用无线信道的这个特性来改善吞吐量性能。模拟网络编码就是在 这种背景下提出的。 ( 2 ) 模拟网络编码 模拟网络编码，同时也被称为物理层网络编码，它依靠电磁波的广播特性在 传输过程中进行符号级的天然叠加，省去了节点的处理，从而使多数据流共享资 源、节省传输时隙1 3 1 1 。z h a n g 3 2 1 等人首先对模拟网络编码进行了说明，他们通过自 己定义的混合信号的映射对电磁信号的接收和调制进行了规定。其它的有关模拟 网络编码的研究也进行了各种各样的扩展，比如，x u e 3 5 1 和n a r a y a n a n 3 6 1 ，他们从 网络全局的角度，进行了模拟网络编码和其它编码策略的综合设计来达到最优的 速率。 2 2 2网络编码优点 相对于非协作通信，协作通信使用了更多的中继节点，在获得空间分集的同 时也造成了更多的频率资源的使用。而网络编码技术的加入使得在保证分集增益 的同时，频率利用率也得到了极大的提高。下面，我们通过四节点m a r c 模型的几