（通信与信息系统专业论文）无线中继网络中网络编码与信道编码的联合设计.pdf

摘要 本文对两源节点共用一个中继节点的无线通信网络作深入的研究，探讨了在 无线中继网络中网络编码与信道编码的联合设计问题。文章首先简述了中继信道 编码，网络编码的发展历程和联合网络信道编码，讨论了现有的一些典型的编码 策略，然后提出了两种网络编码和信道编码的联合设计方案：中继软信息编码和 中继的l d p c 码设计。 对于软信息编码，本文研究了软编码器的工作原理、软编码器的性质和软编 码器不能采用反馈型编码器的原因。在软编码译码时，重点探讨了接收端似然比 的计算方法。从多个方面将软编码器与普通的硬判决编码器作对比，得出硬编码 器是软编码器的特例，软编码能消除错误平层等结论。 对于中继信道的l d p c 码设计，固定两源节点使用的l d p c 码，设计中继节 点上的编码方式，以寻找与源节点l d p c 码相匹配的最佳中继编码。详细的讲述 了其译码过程，并利用已有的l d p c 码的密度进化理论，推导出联合译码过程中 外信息概率密度的变化过程，建立了与其相应的高斯近似理论。我们以寻找高码 率、低复杂度的码为宗旨，利用高斯近似和非线性规划设计中继编码的度分布， 通过一种有效地搜索算法，找到了大量高效率的码，这些码仅使用了少量的校验 元就使整个系统获得了很好的性能。大量的仿真工作证实了该算法的正确性。 关键字：中继信道网络编码软信息编码密度进化高斯近似 ab s t r a c t t h i st h e s i ss t u d i e si nd e p t ho nt h ew i r e l e s sn e t w o r km o d e lo ft w os o u r c e ss h a r i n g o n er e l a y w ee x p l o r et h ej o i n td e s i g no fn e t w o r kc o d i n ga n dc h a n n e lc o d i n g a f t e ra n i n t r o d u c t i o no fr e l a yc o d i n g ，n e t w o r kc o d i n ga n dj o i n tn e t w o r k - c 1 1 l a n n e lc o d i n g , s o m e t y p i c a lc o d i n gs t r a t e g i e sa r ep r e s e n t e d t h e nt w on e wc o d i n gs c h e m e si e r e l a ys o f t i n f o r m a t i o nc o d i n ga n dr e l a yc o d i n gd e s i g nu s i n gl d p cc o d ea r ep r o p o s e d f o rt h es o f ti n f o r m a t i o ne n c o d e r , t h i st h e s i sd e s c r i b e si t sc h a r a c t e r i s t i c s ，o p e r a t i o n p r i n c i p l e ，a n dw h y i tc a n n o ta d o p tt h ef e e d b a c ke n c o d e r f o rt h ed e c o d i n gp r o c e s s ，w e f o c u so nt h es p e c i a lc a l c u l a t i o no fl i k e l i h o o dr a t i o sa tt h er e c e i v e r a f t e rc o m p a r i s o n b e t w e e nt h es o f t e re n c o d e ra n dt h eo r d i n a r yh a r d d e c i s i o ne n c o d e r , w ec o n c l u d et h a tt h e l a t t e ri sas p e c i a lc a s eo ft h ef o r m e r , a n dt h a ts o f te n c o d i n gc a r le l i m i n a t et h ee r r o rf l o o r o nt h ed e s i g no fl d p cc o d e su n d e rr e l a yc h a n n e l s ，w ef i xt h el d p cc o d e su s e da t t h et w os o u r c e s ，a n dd e s i g nt h eo n eu s e da tt h er e l a y , i no r d e rt of i n dt h eo p t i m u m l d p cc o d et h a tm a t c h e sl d p cc o d e sa tt h es o u r c e s a f t e rad e t a i l e di n t r o d u c t i o no fi t s d e c o d i n gp r o c e s s ，a i le v o l u t i o np r o c e s so ft h ee x t r i n s i ci n f o r m a t i o n sp r o b a b i l i t yd e n s i t y f u n c t i o ni sd e d u c e do nt h eb a s i so ft h ee x t a n td e n s i t ye v o l u t i o nt h e o r yo fl d p cc o d e w ea l s od e v e l o pi t sr e l a t e dg a u s s i a na p p r o x i m a t i o nt h e o r y a i m i n ga th i 出r a t ea n d l o w c o m p l e x i t yc o d e s ，w ed e s i g nt h ed e g r e ed i s t r i b u t i o no fr e l a yc o d eu s i n gg a u s s i a n a p p r o x i m a t i o na n dn o n - l i n e a rp r o g r a m m i n g t h r o u g ha ne f f e c t i v es e a r c h i n ga l g o r i t h m ， m a n ye f f i c i e n tc o d e sa r ef o u n d , w h i c hi m p r o v et h ep e r f o 肌a n c eo ft h es y s t e m s i g n i f i c a n t l y 、加n 1l i m i t e dc h e c kb i t s e x t e n s i v es i m u l a t i o n sp r o v et h ec o r r e c t n e s so f t h e p r o p o s e ds e a r c h i n ga l g o r i t h m k e y w o r d s ：r e l a yc h a n n e l n e t w o r kc o d i n gs o f ti n f o r m a t i o nc o d i n g d e n s i t y e v o l u t i o nt h e o r y g a u s s i a na p p r o x i m a t i o n 创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师指 导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所 罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果：也不包含为获得 西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名塞燮至 日期： 加! z 生姐幽 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕业离校后，发 表论文和使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学校有权保留送交论 文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采 用影印、缩印或其它复印手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题 再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。( 保密的论文在解密后遵循此规定) 本人签名：玺塾鉴 日期 导师签名：日期 2 嘶3 7 7 t 第一章绪论 第一章绪论 本章首先提出无线多用户通信所面临的问题，然后简述了传统的协作分集技 术，目前中继信道上的编码技术和网络编码技术，最后给出了本文的研究内容与 安排。 1 1 引言 无线通信发展至今，人们对无线传输的数据速率和服务质量的要求不断提高。 与以提供语音业务为主的前两代移动通信系统不同，下一代无线移动通信将更多 地提供高速率的多媒体业务和数据业务，因此要求系统必须采用更先进的技术来 进一步扩大信道容量，提高信息传输速率，改善通信质量。但是众所周知，无线 信道具有的多径衰落特性是阻碍信道容量增加，影响无线通信传输速率与质量的 重要瓶颈，如何克服多径效应便成为提高通信质量要解决的首要问题。 利用中继节点进行协作通信，可为移动用户提供额外的空域分集增益来对抗多 径衰落的影响，是近年来的研究热点。现有研究结果表明：在平衰落环境下，协 作分集可以扩大系统容量，提高网络服务质量，改善系统性能。协作分集和中继 传输是一个崭新的研究领域，可应用于蜂窝移动通信系统、无线a dh o e 网络、无 线局域网以及无线传感器网络等多种场合，在国外刚刚起步，在国内已经引起人 们的广泛关注。 目前，中继节点上的物理层传输技术主要包括中继节点上的信道编码调制技 术、中继节点上的网络编码技术以及中继节点上网络编码和信道编码联合设计技 术。下面，首先简单介绍传统协作分集的几种模式，然后对中继节点上的物理层 传输技术进行归纳总结。 1 2 传统协作分集技术 对于点对点的通信，可以通过编码使信息以接近容量限的速率传输。但网络 信息传输系统中，当多个用户发出不同的通信请求时，要满足每个用户的要求就 变得十分棘手，不再是单纯的点对点通信问题。 为有效的利用网络资源，我们可以让多个用户相互协作，即协作通信，最常 见的两用户协作模型( 如图1 1 ) ，用户l 和用户2 都向终端发送信息，并且都可收 到对方的信息，为了实现协作，则用户1 发送的信号不但要包含自己的信息还要 包含用户2 的信息，用户2 也一样。 中继协作通信中，协作可以有多种分类方式，除了按照通信环境分，还可以 按照网络结构分为双跳协作和多跳协作。双跳协作即从源发出的信号经过一次协 无线中继网络中网络编码与信道编码的联合设计 图1 1 两用户协作模型 作即到达终端，而多跳协作则是从源发出的信号经过多个阶段的协作后才能到达 终端。按照多址方式或信道的正交方式，中继协作也可以分别在码分多址 ( c d m a ) 、时分多址( t d m a ) 和频分多址( f d m a ) 等模式下实现。此外，协作还 可以按照是否要求精确的同步分为同步协作系统和异步协作系统等。本节根据信 号处理方式的不同，介绍放大转发模式( a m p l i f y - a n d - f o r w a r d ，a f ) 译码转发模式 ( d e c o d e a n d f o r w a r d ，d f ) 和编码协作模式( c o d e dc o o p e r a t i o n ，cc ) 。 1 2 1 放大转发模式( a f ) 在放大转发中继下，第l 步中继接收到信源所发射的被噪声污染的数据，并在 第2 步放大并转发这些被噪声污染的数据，终端则以一定的准则合并信源和中继所 发送的信息，形成最终的判决。 在文 1 中，l a n e m a n 应用中断概率作为指标分析了t d m a 下两用户以放大中 继模式协作的性能，分析结果证明了当信噪比较高时，系统可以获得二阶的分集 增益。 尽管在放大转发过程中，噪声也被放大并转发，但由于基站接收到两个独立 衰落的信号，因此可以做出更好的判决和检测，此外，基站端要完成最优检测， 还需要知道信源与中继间信道( i n t e r u s e rc h a n n e l ) 的状态信息。如何采样、存储、 放大并重传模拟信号的技术也是值得研究的问题。 1 2 2 译码转发模式( d f ) 在译码转发模式2 3 ，41 中，中继试图接收并检测信源的比特信息，并在第2 步 重传判决后的比特信息。这种协作方式比较简单，但当信源与中继间信道质量较差 时，中继有可能对信源的信息做出错误判决，此时协作分集传输不能达到完全分 集( f u l ld i v e r s i t y ) 。为了避免这种错误传播的问题，l a n e m a n 等人提出了一种选择 译码转发( s e i e c t i o nd f ) 方案，即当信源与中继间信道的瞬时信噪比较高刚，中继才 第一章绪论 检测并转发信源的数据，而当信源与中继间信道的瞬时信噪比较低时，则转为非协 作模式。 文 6 ，7 的研究表明，当信噪比较高时，选择译码转发不仅可以和放大转发一 样，具有二阶分集增益，还可获得更低的误比特率( b e r ) 和误块率( b l e r ) 。选择转 发( s e l e c t i o nr e l a y ) 可看作是译码转发的延伸，这种方式是根据信源与中继间信道的 状态决定是否进行协作，也可以在放大转发中应用。在以上两种协作模式的基础上， 还有另外一类延伸，即增强转发哺1 ( i n c r e m e n t a lr e l a y i n g ) 。增强中继是根据信源与终 端间的信道质量来决定是否进行中继，一般的实现方式是，终端以广播的形式发 送一个反馈信息，然后信源和中继根据反馈信息决定是否协作。若终端认为信道质 量较好，不需要进行协作，则信源发送下一部分信息，从而提高了频谱效率。 1 2 3 编码协作模式( c c ) 编码协作嘲是将协作技术和信道编码技术相结合的产物，其基本思想是中继 对正确解出的信源信号重新进行编码。在d f 模式下，中继对于信源的信号正确解码 后，使用原来的编码方式在下一时段向终端传送，此时系统性能的改善是通过在不 同空间重复传送冗余获得的，而在编码协作模式下，中继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。 关于编码协作的研究，s t e f a n o v 在文 9 中证明了编码协作在慢衰落环境中性 能卓越。仿真结果表明，假设用户的传输速率和发射功率不变，系统在信源与中继 间信道非常差的情况下，依然能显著提高误码率性能，并且当中继能成功解码时， 系统可以获得完全分集增益。 h u n t e r 的进一步研究表明n 们，编码协作在快衰落信道情况下会牺牲上行信道 质量相对较好的用户的性能。为了解决这个问题，文 1 1 在编码协作的基础上引入 空时编码的思想，从而提出了空时编码协作方案，它和编码协作的最大不同在于： 编码协作中每个用户只在自己的多址信道发射协作信息，而在空时编码协作中， 每个用户需要同时在自己和伙伴的多址信道发射协作信息。研究结果表明，空时编 码协作在快衰落信道情况下也可以获得完全分集增益，并且不会牺牲上行信道质 量相对较好的用户的性能。由于具有性能出色、接收端不需要用户间信道信息等 优点，而且可以利用现有信道编码研究的大量成果，编码协作分集已经成为当前研 究中最活跃的领域。 4 无线中继网络中网络编码与信道编码的联合设计 1 3 中继节点上的信道编码技术 在一个多用户环境中，单天线的移动用户可以通过中继信道的协作通信来获 得额外的传输分集( t r a n s m i td i v e r s i t y ) 。基于信道编码的协作( c o d e dc o o p e r a t i o n ， c c ) 方式是最简单最有效的方法。下面针对不同网络结构，介绍现有研究成果。 图1 2 ( 1 ，l ，1 ) 无线中继通信网络 ( 1 ，1 ，1 ) 无线通信网络：针对图1 2 所示一个信源节点、一个中继和一个目的节 点的( 1 ，1 ，1 ) 无线通信网络，文【1 2 1 8 】从不同侧重点研究了中继信道上的编码方案。 文【1 2 】和 1 3 】则研究了基于中继信道的t u r b o 编码系统。文【1 4 】将l d p c 码的密度进 化理论改进后应用到中继信道中。文【1 5 】研究了半双工中继信道下的l d p c 码设计 方法，并利用密度进化和高斯近似对度序列分布进行了优化。文【1 6 】研究了全双工 方式下基于l d p c 码的协作中继传输方案，并根据具体传输方案以及在目的节点采 用的迭代译码算法，采用因子图分解和e x i tc h a r t s 给出t l d p c 码设计以及性能分 析。文【1 7 】提出了全双工和半双工两种无线中继信道下的l d p c 编码方案，并利用 e x i tc h a r t s 图优化l d p c 码度分布序列。文【1 8 】研究了压缩转发( c 0 m p r e s s f o r w a r d ) 模式下，信源采用l d p c 编码，中继采用i r a 编码的速率可达区，仿真结果表明所 提算法的性能距理论值1 4 8 1 9 2 d b 。 图1 3 ( 1 ，n ，1 ) 无线中继通信网络 ( 1 凡1 ) 无线通信网络：文 1 9 将正交半正交准则应用到中继信道中，设计了 实用的分布式空时编码方案。多中继条件下，该方案比选择译码传输方案获得更 大的分集增益。文 2 0 提出了一种新的译码全双工传输方案，存在多个中继节点 的情况下，选择中继节点一目的节点信道条件最好的一个来协助源节点发送信息， 同时采用注水定理对中继节点的能量进行分配。该方案可提高系统速率，节约能 量。文 2 1 分析了各中继节点带宽不同条件下的编码调制方案。 第章绪论 141 网络编码 4 中继节点l 的列络编码技术 在现有通信嗍络中，嗍络节点h 是对接收到的信息进 j - 存储和转发，扮演着转 发器的角色。但是从信息理论的观点可知，在网络节点对多条输入链路l 收剑的 数据信息进行一定的线性或非线性处理( 编码) ，r 叮有效提高网络的吞吐量，网络 编码正是基于这种思想而提出的吲吲。图l4 是网络编码中著名的蝶形网络图， 当信源节点s 向接收节点t 和u 同时发送信息时，中间节点m 将两条输入链路 上收到的信息b 。和b 2 进行线性编码( 异或和) ，取代传统的将信息b 。和b 2 进行排 队后逐个发出的路由方法。接收节点t 和u 通过对输入链路上的数据的异或运算即 可恢复出信源发送的信息。 图i - 4 网络编码的经典例子 网络编码思想完破了传统数据传输的同定模式，带来了许多潜在优点： 首先，与传统的路由传输方式相比，刚络编码可提高网络的信息传输速率， 增加阀络的信息流量( t h r o u g h p u t ) 口州”。 其次，网络编码可充分利用嘲络上的信道，使数据传输普适化( u n i v e r s a l ) 。直 观地说，对单信源阿络进行适当的编码，町使每个节点从信源节点所收到的信 息量达到信源仃点到该点的最大流。 第三，网络编码可增加网络通信的鲁棒性( r o b u s t n e s s ) 和可调节性 ( a d a p t a b i l i t y ) 。经适当i 吗络编码的数据具有同等的甭要性，只要j | 户收到了足够 多( 无论来自什么地方) 的编码数据，就可正确地译出信源发送的消息。因此， 即使部分节点处于休眠状态，网络仍可l l ! 常进行通信。 6 无线中继网络中网络编码与信道编码的联合设计 1 4 2 无线中继的网络编码技术 对于无线通信网络，采用网络编码可以提高网络吞吐量、减少数据包的传输 次数、增强网络的容错性和鲁棒性、节约传输所需能量，降低无线节点的能量损 耗、使节点之间在所需能量方面进行折中( t r a d e o f f ) 2 8 - 3 1 】。目前的研究成果大致 在以下几个方面： 异或( x o r ) 运算：中继节点通过对接收到的数据进行异或运算【3 玛6 1 ，进行 信息合并，实现中继节点的数据压缩。 基于软信息合并的无线网络编码技术：针对两个源节点、一个中继节点和一 个目的节点的无线通信网络结构，文【3 7 】和【3 8 】分别从不同角度提出一种基于软信 息合并的网络编码方案，文 3 7 】进一步指出，该方法可以降低中继节点的实现复杂 度，但在性能和容量上有所下降。 复数域网络编码：随着网络中信源数量的增加，传统的网络编码应用于无线 通信网络时，采用协作方式只能获得1 ( n + i ) s y m s t s ( 符号每信源每时隙) 的吞 吐量。为解决上述问题，文 3 9 】提出了复数域网络编码( c f n c ) 的思想，每个源节 点将发送数据与复数域上的加权因子相乘，中继节点通过多用户检测算法恢复各 源节点的信息，并通过网络编码转发数据。与传统的伽罗瓦域网络编码相比，作 用于物理层上符号操作的c f n c 可获得1 2 s y r n s 的吞吐量，同时还可获得满分集 增益，更适合无线领域。 网络低密度生成码( l d g m ) ：网络中存在多个中继节点时，文【4 0 】将l d p c 码 的图模型结构与节点的网络编码结构对等考虑，设计了一类网络l d g m 码，可有 效提高系统的分集增益。为消除4 环的影响，b a o 和l i 又在文 4 l 】中提出了广义自 适应网络码协作( g a n c c ) ，可比a n c c 获得更多的增益。文【4 0 】和【4 l 】给我们提出 一个崭新的思路，但没有考虑所设计码字和物理层上采用的信道编码之间的匹配 问题。 基于网络编码的协作传输技术：c h e n g 等最早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1 4 2 1 ，给出了一种基于网络编码的两用户协作传输协议。 x i a o 等利用信道码字在有限域上的代数叠加特性提出了一种基于网络编码的两用 户编码协作分集方式【4 3 1 。文【4 4 】分析了基于网络编码的译码一转发协作传输系统在 非理想用户间信道情况下的中断概率。p e n g 等系统的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 ) 4 5 】。y u 等提出了一种基于网络编码时分复用协作通信方式 m j 。文【4 7 】提出了一种针对多个单播对传输的机会主义网络编码协作方式 ( o n c c ) 。对两个单播对和一个中继节点的无线系统的分析表明，o n c c 可以获 得最优的分集复用折中性能。 第一章绪论7 有关网络编码协作通信的很多问题还有待进一步深入的研究，主要包括： _ 协作通信的第二阶段，节点只进行简单的线性网络编码，没有考虑目的节 点的反馈。 一有关多个用户的网络编码协作通信协议和应用的研究还不是很深入。此外 关于网络编码协作通信的性能分析还仅限于b p s k 调制下。 一多用户协作通信系统中有关协作用户的动态分配、管理以及功率的分配问 题等没有很好的解决。 1 5 中继节点上网络编码和信道编码联合设计 s o n g 、y e u n g 和c a i 在文【4 8 】中指出， 网络编码和信道编码分离定理是成立的， 如果单源网络中的信道是相互独立的， 即网络编码使网络达到最大流界，信道 编码保证每条链路传输的可靠性，二者可分开设计。但在实际网络中，各信道往 往不独立，文 4 9 1 q b ，e f f r o s 等人在随机线性编码讨论中，指出分离性定理在网络 编码中不一定成立。实验表明，在无线多接入网络中，网络编码与信道编码往往 需要联合设计。 ( a ) 联合信道和网络编码 ( b ) 分离信道和网络编码 图1 5 中继节点编码框图 嵌套编码：实现网络编码与信道编码相结合的一种方式是嵌套码，即在中继 节点分别对收到的信息进行编码，将编码得到的数据进行异或运算后发送出去， 这等价于利用多个独立子码构成一个超码，一般称为嵌套码。文【5 0 】和【5 1 】提出了 采用嵌套码来实现网络编码和信道编码联合设计的思想，但没有给出详细的设计 方法和设计准则。 混合编码：实现联合网络编码和信道编码的另一种方式是混合编码。针对两 个源节点、一个中继节点和一个目的节点的无线通信网络结构，如图1 7 ，文 5 2 】 和 5 3 】提出在中继节点采用混合编码方式实现联合网络信道编码的方案，如图1 5 ( a ) 所示。文【5 4 针对一源节点，一个中继节点和一个目的节点的无线通信网络，提出 了一种双层l d p c 编码方案，即根据源节点采用的l d p c 码的特点，中继节点设计 相应的l d p c 码度序列，以保证目的节点进行联合译码时获得逼近信道容量限的性 能。根据这种方法我们提出了应用于两源一中继的编码方案，基本原理如图1 6 。 无线中继网络中网络编码与信道编码的联合设计 k 2 图1 6 双层l d p c 码编码基本原理 目前，网络编码和信道编码的联合设计还仅停留在原始模型的基础上，很多 问题还有待于进一步深入研究，比如： 子码生成矩阵和校验矩阵的设计：现有结果中，中继节点采用与各源节点相同 的信道编码来构造嵌套码，这在本质上相当于将源节点的编码信息在中继节点 上重复编码发送出去。但从纠错编码的观点看，重复码是纠错能力较弱的一类 码，考虑采用与源节点不同的生成矩阵来构造嵌套码可望获得更佳的性能。 多子码的嵌套码设计：文 5 0 1 和【5 l 】只讨论了两个子码构成嵌套码的情况，但 在较大规模网络中，中继节点接收的信息可能包含多个源节点的信息，如何将 这些信息进行有效的编码，确保保证目的节点的性能，是目前嵌套码需要解决 的另一问题。 基于l i ) p c 码的嵌套码：文【5 0 】虽然采用l d p c 码搭建了嵌套码，但没有给出一 个系统的设计方法。另外，由于嵌套码码率是所有子码的码率之和，一般要求 每个子码的码率至少要小于1 2 。目前，对于l d p c 码在低码率情况下的设计的 文相对还比较少。 多信源多中继的混合l d p c 码设计问题：文 5 4 1 提出了双层l d p c 码的概念，很 好解决了两信源单中继无线通信网络中网络编码和信道编码联合设计问题，但 目前针对多信源多中继的网络编码和信道编码联合设计尚未有相关报道。 1 6 本文的研究内容及安排 本文在前人的基础上，针对两信源共用一中继的网络模型( 如图1 7 ) 的编码进 行了深入的探讨和研究。根据已有的软信息合并的方法，我们提出了中继基于软 信息编码的传输策略，并通过实践证明了我们的想法。 本文的另一核心内容是中继的l d p c 码设计：本文基于现存的应用于单信源 的b i l a y e rl d p c 码【5 4 1 ，提出了适用于多信源的中继编码，并给出了优化中继编码 度分布的详细步骤，得出了大量高效率的码j 第一章绪论 9 图1 7 两源共用一中继模型 文章的具体内容安排如下： 第二章讲述了现在存在的中继协作策略，并且列举了一些有代表性的编码方 案，最后分析并对比了两信源共用一中继模型的三种编码方案，指出了它们存在 的问题。 第三章提出中继采用软信息编码的思想，证明了软编码器所存在的一些性质， 对编译码过程中所遇到的问题，做出了合理的解释。最后结合仿真对比了软编码 和硬编码。 第四章提出中继的l d p c 码设计的问题。利用高斯近似理论优化中继编码的 度分布，给出了优化算法的详细步骤，最后给出了本文的主要结果，并用大量的 仿真来证实算法的正确性。 第五章总结全文，指明了下一步的研究方向。 第二章现有中继编码方案介绍 第二章现有中继编码方案介绍 本章首先列举了现在中继编码协作的一些成果，包括分布式t u r b o 码、自适应 协作编码等各方案的优缺点，重点讨论了逼近中继容量限的编码，包括c o v e r 的 容量定理和b i l a y e rl d p c 码。最后综述了在二源共用一中继模型中人们做的一些 工作，包括软信息合并、硬判决编码、交错编码等。在多信源网络中，中继编码 倾向于结合网络编码和信道编码的联合设计 2 1 中继编码协作方案举例 近三十多年来，出现的中继编码策略很多，本节仅列举了几种有代表性的编 码方案，其中包括：分布式t u r b o 码和自适应中继编码( a n c c 、q 蝌c c ) 希望 能从这些经典的编码策略中得到启示。 2 1 1 分布式t u r b o 码 分布式编码属于编码协作的一种，基本思想是将一个码字分成两部分 c = k 岛1 ，第一时刻信源将码字的第一部分q 广播给中继和终端，然后中继译码 并通过编码获得码字的第二部分g 。在第二个时刻，中继将码字的第二部分发给 终端，终端获得整个码字后进行译码。这样在瑞利信道下，码字经历了两种独立 的信道，可以获得二重分集增益，同时还可以获得编码增益。 b z h a o 在文【5 5 】中提出了分布式t u r b o 码，利用中继传输实现了并行级联码， 如图2 1 所示。首先信源向中继和终端广播一个递归卷积码。中继节点在译 图2 1 分布式t u r b o 码 码、交织、重新编码，然后发送。由于终端收到了两个并行码字，这就构成了一 个t u r b o 码，终端利用两个码字进行迭代译码。结果证明，即使利用简单的分量码 也可获得可观的编码增益和分集增益。这种方法如果应用于多中继，就是一个多 1 2 无线中继网络中网络编码与信道编码的联合设计 维分布式t u r b o 码。对于有反馈的系统则可实现自适应。 在此之后，l i 在文 5 6 1 q b 提出了软中继的分布式t u r b o 码，图2 2 绘出了它的中 继处理过程。我们可以看到中继在译码之后不做判决，得到信息位的后验概率 ( a p p ) ，然后交织，再用信息位的后验概率和编码器的t r e l l i s 图来估计校验位，最 校验位 译码 7 型困 - 软估计 尺 d 图2 2 软中继分布式t u r b o 码 后发送的是校验位的软估计，这样在终端也收到了同一个码的两组校验信息，构 成了分布式t u r b o 码。这种编码在信源到中继的信道不太好时可以有效的抑制错误 传播因为这种编码方式利用了软信息。仿真证明这种编码在高信噪比时可以达到 分布式两跳中继网络的中断概率限。 m o h a m e de l f i t u r i 在文 5 7 提出了一种分布式t u r b o 编码方法，如图2 - 3 。作者 。 。： f r a m e l， 卷积编码l r c 、= k | n t 一一译码器1 l ， j f，i 口，粥e 上 卷积编码2 译码 s r 如= k n 2 n 限c+ 卷积编码2 r c z = k n lf r a m e 2 j d 图2 3 分布式编码协作方案 将n 长的码c 分成两部分c 1 长为l 和c 长为n 2 ，1 + n 2 = n 。第一个时刻， 信源向中继和终端广播c l ，中继译码后重新编码得到c ，然后发送。在第二个 时刻，终端将会收到经过不同信道的，一个来自信源，一个来自中继。终端利 用m r c 将两个合并，然后进行长为n = 1 + n 2 的v i t e r b i 译码。这种方案在中继 信噪比较高时效果很好并可获得满分集。这种方案也可应用于多中继，也有良好 的效果。 h a r o dh s n e e s s e n s 提出了一种基于分布式t u r b o 中继传输方案侧，并提出了 相应的终端改进式t u r b o 译码算法，有效的抑制了中继错误对译码的影响。它与一 般的分布式t u r b o 码不同的是：当中继不能正确译码时，则在发送中继消息的同时 也将信源到中继的信道状态或者说信道衰落系数向。，发给终端，则终端利用办。，估计 出信源到中继信道上的误码率p 。，否则宣布无错，从而可以利用改进的分布式 第二章现有中继编码方案介绍 t u r b o 译码算法译码。它的译码思想值得我们学习，我们就来详细的看下这个算 法，如图2 4 。 图2 4 改进式t u r b o 译码算法 与一般的t u r b o 译码器不同的是，两个分量码的输出不是直接作为另一个译码 器的先验概率，而是经过一个转移概率，这个转移概率就是珑，即有： p ( lu ) = ：尼；! 三：c 2 ， p ( u ) = p ( u 7u ) p ( u ) ( 2 - 2 ) 可以看出，当信源到中继的信道无错时见= 0 ，则p ( u ) = p ( “) 恰即分量译码器1 的输出直接作为分量译码器2 的先验概率，为普通t u r b o 译码器信息传递模式，可 见该译码算法是更一般的译码算法，普通t u r b o 译码是它的特例。 2 1 2 自适应中继协作编码 以上方法在中继信道条件好时可以获得较好性能，但当中继信道较差或者说中 继信道不如信源到终端的信道好的时候，中继发给终端的是错误码字，则中继的 消息不但不会帮助终端译码还有可能影响译码的性能。所谓自适应就是要根据信 道状态的不同中继选择不同的协作方案。 t o d de h u n t e r 在文【5 9 】中提出了一种协作分集方案，如图2 5 。该模型是两信源 互为中继，在第一个周期两信源分别广播自己的消息f r a m e l ，这时s l 、s 2 都收到 了对方的消息。和一般的协作编码不同的是，如果s l 、s 2 能将对方的消息译出则 在第二个周期发送对方的一个冗余信息f r a m e 2 ，否则发送自己的f r a m e 2 ，这同样 是一种分布式编码。这样可以保证从s l 、s 2 发的消息都是正确的，仿真结果证明： 即使当两信源间的信道很差时，系统也有很大的改善 1 4 无线中继网络中网络编码与信道编码的联合设计 图2 5 自适应协作编码 一个三端网络( 发送、中继、接收) 如图2 6 ，发送节点首先将消息发给中继和接 收节点，中继节点对收到的信息处理后发送到接收节点。整个过程可以看作一个 网络纠错码，发送节点发的是信息位，中继节点发的其实是冗余信息。如果中继 节点只做路由其实就是一个重复码( 口bab ) ，而网络编码则是( ab 口o b ) 。试验 证明网络编码中继较重复码有更大的增益。设想当网络的节点很多时，我们能不 能通过使用更复杂的编码来获得更大的分集增益? s 1d 图2 6a 传统中继 b 网络编码中继 x b a o 在文 4 0 】提出了一种基于网络编码的中继分集策略：自适应网络码协作 ( a n c c ) ，试验表明a n c c 的性能较重复码有几十d b 的增益。其基本思想是：假 设有m 个无线终端，每个终端都有一个分组要发送。分两个阶段进行：第一阶段m 个终端将自己的分组广播出去( 采用时分、频分或码分等正交复用方式) 。第二 阶段每个终端从自己正确接收到的分组( 不一定全部正确接收) 中随机的选取少 数分组( d 个) 做模二和运算作为中继分组发出去。图2 7 绘出了5 用户的a n c c 网 络模型。 如果d 很小，则整个过程构成了一个随机低密度生成矩阵码( l d g m ) ，l d g m 是l d p c 的一种，该码不仅校验矩阵含的l 很少，其生成矩阵含l 也很少。第一个阶 段发送的是信息比特，第二个阶段发送的是校验比特。译码可将整个过程看成一 第二章现有中继编码方案介绍 1 5 个大的l d p c 码进行迭代译码，也可以先网络l d p c 译码然后信道译码。 图2 75 用户a n c c 网络模型 用户个数和d 的大小对系统影响很大，用户很多时则l d g m 的码长很长可获得 的分集增益更大。d 很小则可以降低编译码复杂度，也可以避免长度为4 的环，从 而在接收端就可以使用基于置信传播的迭代译码。但是d 的减小会出现严重的错误 平台效应，所以d 要根据具体要求慎重选择。 当噪声很严重时固定路由( 重复码，中继选择一固定分组发送) 的协作效率很 低，自适应动态路由( 选择正确译码的分组发送) 的协作效率大大提高，则a n c c 可获得最高协作效率。这是因为当噪声很大时，中继发送的分组在很大概率上是 错误的。 由于l d g m 码校验矩阵的右半部分是一个单位阵，根据置信传播的迭代译码 的译码过程，这将严重的影响码的性能。所以当采用时分的复用方式时，可以使 用性能更好的下三角低密度校验码( l t l d p c ) 虽然该码的生成矩阵不一定是低密 度的，但该码有着更低的误码率和更小的错误平台效应。 接着x b a o 又将a n c c 推广得到- j g a n c c ( g e n e r a l i z e da d a p t i v en e t w o r kc o d e d c o o p e r a t i o n ) 1 4 。它与a n c c 的区别是在第二阶段每个用户从自己正确接收到的分 组中随机的选取少数分组进行交织( 每个分组所用的交织器不同，为降低每个节点 的存储量使用代数交织，a n c c 中不交织) ，交织不仅可以去除信道的相关性，也 可以减少长度为4 的环。在衰落信道中因为每个分组都进行了充分的交织，每个用 户都作为中继发送信息，所以可以获得时间和空间的分集。实验表明g a n c c 可比 a n c c 获得更多的增益。 1 6 无线中继网络中网络编码与信道编码的联合设计 2 2 逼近中继容量限的编码 本节首先介绍了c o v e r 和e lg a m a l 的容量定理，然后介绍了基于c o v e r 编码 思想的一种中继编码方案b i l a y e rl d p c 码。 2 2 1c o v e r 禾l e lg a m a l 的容量定理 1 9 7 9 年美国科学家c o v e r 和e lg a m a l 给出了退化中继信道的容量域定理，证 明了其逆定理，并给出了逼近退化中继信道容量域的编码方法i 删。 对于一高斯中继信道，如图2 8 ，定义： k = x + z i ( 2 3 ) y = x + 五+ z 2 ( 2 - 4 ) 其中：z l - n ( o ，1 )2 2 n ( 0 ，l + 2 ) 图2 8 高斯中继信道 编码方法是：先把信息集合 1 ，2 ，2 r 划分成大小为2 。n 置i ( 尺 r 。) d r j 2 喝 块，第i 个时刻信源信息为w ，来自于信息集合，中继信息是w h 块号用s ，表示。所 以第i 个时刻中继发送x ( s ，) ，信源发的是： ( 2 5 ) 其中贾( w ) 和墨( t ) 是甩长的高斯随机矢量名( j ) 一n ( 0 ，口尸) ，p x , ( x i ) - n ( 0 ，v 1 ) 第i 个分组的译码过程是：首先中继译出w ；，中继收到的信息是 = x + z t = 膏( w ) +( ) + z l ( 2 6 ) 由于置( _ ) 在中继是已知的，所以中继译出w ，的条件是 刚c 州= 瓢舞) 协7 ， 第二章现有中继编码方案介绍 1 7 终端收到的信号可表示为： y = x + 墨+ z ：= j e ，+ ( + 。) f 五( ) + z 2 ) 终端首先将牙( w ) 当作噪声，译出嵋一。的块号t 。译出的条件是： 磅g f + 皿a p + 囹n ，+ n 21 协8 ) 译出s f 后，减去x ( s f ) ，在+ 1 时刻，终端成功的译出w f 的块号s 川后，则把w 的候选码集的大小限定为2 8 ( n 射，从而在挣l 时刻成功译出的条件是： h 邪；啪) = 扣( 1 + 最 协9 ， 联合( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) 可得到高斯中继信道容量为： r = 呼吐n 丢- 。g ( ，+ 箐 ，圭b g ( - + ! ：兰二曼- = ； 垂乒 c 2 - 。， 特别的当二土或者说信源到中继的信道比中继到接收端的信道好时，口= 1 是 最佳的，即信源不发送与中继协作的信息。 2 。2 。2b i l a y e r l d p c 码 r a z a 曲i 根据c o v e r 的逼近中继容量限的构码思想，构造了b i l a y e rl d p c i 5 4 1 。 他假设信源信源到中继的信道是无误的，这也是退化中继信道的条件。然后中继 将译出的信息重新编码，发送一些校验信息到终端，这是和c o v e r 编码中中继发 送码字的块号相对应。这些校验信息要用一个新的码字进行传输，并且假设在终 端能成功的译出中继的这些校验信息，这也和c o v e r 码终端能够译出块号相对应。 文 5 4 3 的主要工作是：固定信源所使用的码( l d p c 码) ，利用密度进化优化中 继的编码。这种码的t a n n e r 图结构如图2 9 ，其中上半图是一般l d p c 码的结构， 即信源所使用的(