（通信与信息系统专业论文）基于网络编码的协作通信策略研究.pdf

摘 要 i 摘摘 要要 协作通信技术利用无线网络中不同节点信道的独立性以及无线信道的广播 特性，通过通信节点共享资源、协作转发数据来获得分集增益，能够有效提高无 线通信系统的可靠性。 网络编码技术对来自不同源节点的数据或者同一个源节点 的不同数据进行统一的编解码处理， 能够有效改善网络的鲁棒性、 吞吐量等性能。 如何将网络编码的思想融入到协作通信技术中， 从而提高协作通信系统的整体性 能是当前的一个研究热点，也是本文的主要研究内容。 针对多用户协作通信网络， 本文提出了一种基于高阶域网络编码的协作通信 策略，以进一步提高协作传输的可靠性。一方面，节点转发的数据包是第一个传 输阶段自身发送的数据和监听接收到的来自于其它节点的数据通过网络编码后 的产物，丰富了单个数据包所包含的信息，降低了单个数据包接收失败对系统整 体性能带来的影响。另一方面，该策略采用高阶域上的网络编码，丰富了编码系 数的选择范围，并给出了编码矩阵的构造准则以及搜寻算法，相比于传统的采用 模二加形式网络编码的协作通信策略， 能够有效提高接收端所构造的解码方程组 的可解性，从而使系统获得更高的分集增益。 针对高频通信网络中不存在源节点与目的节点之间直达径的场景， 本文对结 合网络编码的协作通信策略进行了研究， 以期在获得满分集增益的同时提高协作 传输的效率。首先，在这种场景中引入了结合物理层网络编码的协作通信策略， 该策略利用无线信道的广播特性， 通过多个通信节点同时发送数据来进行天然的 物理层网络编码, 从而使得中继节点得以同时服务于多个源节点。理论分析和计 算机仿真表明，该策略在获得满分集增益的同时，可以一定程度上提高协作传输 的效率。随后，考虑到结合物理层网络编码的协作通信策略虽然传输效率有所改 善，但还不能实现完全的全速率传输，本文从多中继轮番协作转发的角度出发， 提出了一种全速率放大转发策略并对其进行了性能分析。 该策略利用多个协作中 继节点轮番监听、转发数据，从而保证了源节点数据的持续不间断发送。同时， 结合网络编码对数据进行交叉融合的思想， 在源节点预先对将要发送的数据进行 编码混合，提高了系统对抗传输衰落的能力，并避免了可能出现的奇偶时隙数据 差错率的不平衡。该策略在获得满分集增益的同时，实现了全速率协作传输。 关键词：关键词：无线通信网络 协作通信 网络编码 中断概率 全速率传输 abstract iii abstract cooperative communication makes the relay node forward data of source node to obtain diversity gain and can improve the reliability of the wireless communication system effectively. on the other hand, network coding makes the data packets from different sources or the different data packets from single node coded together. it can improve the robustness and throughput of the system. how to integrate the thought of network coding into the cooperative communication technology is the focus of the research. we propose a cooperative communication strategy with network coding in gf(2n) in the multi-users cooperative communication network. it makes the user node code the data of itself and the data received at the first phase together, and then forward it out at the second phase. the receiver node constructs the decoding set of equations and solves it to obtain the users data. because the network coding is processed in gf(2n), there is more extensive range to select coding coefficients compared to the conventional network-coding cooperation. we propose the construction rule of the network coding matrix and searching algorithm of it. the coding matrix which meets this rule can guarantee that all users data can be got so long as the number of correctly received data packets is not fewer than the number of users. the solvability of the set of equations formed at receiver node is improved effectively. so this strategy can make the system obtain higher diversity gain. in the wireless communication networks without direct path between source node and destination node, we do some research to the cooperative communication strategy with the thought of network coding. firstly, we introduce the cooperative communication strategy with network coding in physical layer into this scenery. this strategy utilizes the trait of broadcast of the wireless channel to code the data naturally. the theory analysis and simulation result demonstrate that it can improve the transmission efficiency and obtain the diversity gain at the same time. secondly, we propose a new full-rate cooperative communication strategy. this strategy utilizes multiple relay nodes to take turns to amplify and forward data package for the transmitter at different time slot. thus the source node could continue sending without cessation. on the other hand, considering the thought of network coding to combine the data, prevailing linear constellation precoding process is adopted at the source abstract iv node. by this method, the ability of the system to resist fading is improved and the imbalance of the error performance of the data sent at odd and even time slots is avoided. the theory analysis and simulation result demonstrate that this strategy could achieve full-rate cooperative transmission with full diversity gain obtained. key words： wireless communication networks, cooperative communication, network coding, outage probability, full-rate transmission. 图表目录 vii 图表目录图表目录 图 2.1 网络编码基本原理示意图一 . 7 图 2.2 网络编码基本原理示意图二 . 8 图 2.3 无线网络中单播情况下的网络编码 . 9 图 2.4 物理层网络编码原理示意图 . 9 图 2.5 单中继协作通信网络模型 . 10 图 2.6 多中继协作通信网络模型 . 11 图 2.7 对等协作通信网络模型 . 12 图 2.8 放大转发模式 . 13 图 2.9 解码转发模式 . 15 图 2.10 编码协作模式 . 16 图 3.1 多用户协作通信系统模型 . 20 图 3.2 两种网络编码协作策略(n=3) . 22 图 3.3 搜索算法流程图 . 23 图 3.4 n=3 时各策略的性能比较 . 26 图 3.5 n=3,n=5 时各策略的性能比较 . 27 图 3.6 n=5 时用户间信道非理想情况下各策略的性能比较 . 28 图 3.7 n=5 时三种策略的性能与用户间信道传输状况的关系 . 29 图 4.1 一种高频通信网络场景 . 32 图 4.2 结合物理层网络编码的协作通信策略 . 33 图 4.3 l=3 时三种策略的中断概率 . 37 图 4.4 l=3 时三种策略的单位带宽传输速率 . 38 图 4.5 l=3 和 l=5 时各策略的中断概率 . 39 图 4.6 三种策略的性能与备选中继节点数目间的关系 . 39 图 4.7 结合物理层网络编码的策略的性能与源节点数目的关系 . 40 图 4.8 全速率放大转发策略 . 41 图 4.9 l=2 的情况下各策略的中断概率 . 47 图 4.10 l=2 的情况下各策略的单位带宽传输速率. 47 图 4.11 l=4 的情况下各策略的中断概率 . 48 图 4.12 无预编码时全速率放大转发策略的误比特率曲线 . 49 图 4.13 采用预编码时全速率放大转发策略的误比特率曲线 . 49 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文,是本人在导师指导下进行研究工作所取得的 成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或 撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作 了明确的说明。 作者签名：_ 签字日期：_ 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学 拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构 送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入中 国学位论文全文数据库等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内 容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 公开 保密（_年） 作者签名：_ 导师签名：_ 签字日期：_ 签字日期：_ 第一章 绪论 1 第一章 绪论第一章 绪论 1.1 研究背景和意义 无线传输信道作为一种非理想的传输媒介，除了存在叠加性的白噪声之外， 还具有衰落特性。无线信道的衰落特性会导致信号的畸变，降低目的端的信号接 收信噪比(snr：signal noise ratio)，极大的增加接收端恢复出发送端所发送的 信号的难度。而单纯的增大天线发送功率的方法并不能很好的对抗传输衰落，反 而会导致能源的浪费、成本的提高和传输的干扰，影响系统的整体性能和商业部 署。无线分集技术因为考虑到了无线信道的传输特点，有针对性的克服其带来的 传输损耗，在无线通信技术中占有重要的地位。 分集技术在多个不相干的传输支路上传递相同的数据副本， 在接收端对接收 到的数据以最大比合并等方式进行统一的合并处理得到最终的数据。 其基本原理 是：在多个独立的传输信道上（时间、空间、频率） ，传输同一个信息的多个不 相干的数据副本，在接收端，依据各个信道的特性对接收到的数据加以区分后， 按照相应的处理算法加以处理，从而得到最终的接收数据。由于各个独立的传输 信道同时处于深度衰落状况的可能性相当低，因此，针对数据的任意部分，总是 存在着衰落较小、信号强度足够的副本。通过合并处理，接收端可以比较容易的 利用接收到的多个副本恢复出原始发送数据。 分集技术可以有效的对抗无线传输 衰落，根据数据副本提供方式的不同，其主要分为时间分集、频率分集和空间分 集三种。 时间分集和频率分集技术利用信号在时间域、 频率域上的冗余发送来获得分 集增益，将导致频谱利用率的降低。空间分集技术，利用空间域进行信号副本的 冗余发送，可以在不影响带宽的利用效率的基础上获得分集增益。空间分集又叫 做天线分集，通过在发送端或接收端装备多根射频天线实现数据的多路收发，利 用空间域上不同天线对的无线信道之间的不相关特性得到独立的多条传输路径， 进而达到分集的目的。 为了保证不同天线对之间无线信道的衰落系数彼此独立不 相关，配置的各条天线之间应当保证足够的物理间隔1。总的来说，空间分集技 术通过对设备加以改进，以并不稀缺的硬件设备资源换取系统性能的提高，可以 在不占用更多的频谱资源的基础上获得分集增益。 空间分集技术具体分为接收分集技术与发送分集技术两种。 接收分集技术在 接收机装备多根接收天线以接收单天线发射机的信号，构成单输入多输出信道 (simo: single-input multiple-output ), 通过接收端对收到的多个独立信号副本进 第一章 绪论 2 行最强信号挑选或者最大比合并等方式的处理来获得接收分集。 发送分集技术在 发射机装备多根发送天线向单天线接收机发送信号，构成多输入单输出信道 (miso: multiple-input single-output)以获得发送分集增益。在这种情况下，为了 保证分集增益的获得，需要采用空时编码(space-time codes)技术。在此基础上， 将接收分集技术和发送分集技术相融合，多输入多输出(mimo: multiple-input multiple-output)天线技术利用多副发射、接收天线构成多输入多输出信道，可以 更好的改善系统的性能， 该项技术已经成为了第四代蜂窝移动通信系统的必备标 准技术。 随着对 mimo 技术的研究的不断深入，其固有的一些缺点逐步暴露出来。 mimo 技术能够有效的提高系统整体性能是建立在两个前提条件基础之上的。 第 一，采用 mimo 技术的用户设备必须装备多根天线，但是受限于设备的体积、 硬件能力和功耗，很多移动终端并不具备安装多天线的条件。第二，mimo 技术 只有在传输衰落矩阵满秩的情况下才能达到好的效果， 因此受制于信号传输环境。 由于设备的多根天线的距离间隔是固定不可调的， 在某些散射并不是很充分的环 境中，各个天线对的无线信道之间并不具备很好的不相关性，从而严重影响 mimo 技术所能带来的性能提高。 协作通信技术是为了弥补 mimo 技术的上述不足而被提出的一种新的分布 式空间分集技术。传统的无线通信系统是各个节点彼此进行点到点通信的系统， 从另一个角度来看，考虑到无线信道的广播特性，各个节点可以被视为无线通信 系统中的分布式天线，因此可以互相协作进行分布式的数据处理与传输，这就是 协作通信技术的核心思想。sendonaris 等人对协作通信技术进行了初步的研究， 率先提出了协作分集的概念， 并分析了两个用户节点进行协作通信的场景中所能 获得的信道容量以及传输的中断概率4 5 6。在此之后，laneman 等人提出并研 究了三种基本的协作通信策略：固定中继协作(fixed relaying)、选择中继协作 (selective relaying)和增量中继协作(incremental relaying)。并针对两种基本的协 作通信模式：放大转发 (af: amply-and-forward)方式以及解码转发(df: decode-and-forward)方式， 分别分析了几种策略的传输中断概率和所能获得的分 集增益3。另一方面，不同于放大转发方式与解码转发方式，hunter 等人将协作 通信和信道编码相结合，提出了一种称之为编码协作(cc: coded cooperation)的 新的协作通信模式并对其传输中断概率、容量等性能进行了分析7 8 910。该模 式在协作中继节点处对监听接收到的信息加以解码，之后重新进行信道编码，根 据具体传输情况转发编码后的部分校验比特位，而不是单纯的重复转发。在此基 础上，相关研究人员对结合了 ldpc 码、turbo 码、空时编码以及网络编码的 编码协作进行了研究，分析比较了其性能11-15。 第一章 绪论 3 随着对协作通信技术的研究不断深入和拓展， 相关的研究覆盖面也越来越大。 有的研究专注于在协作通信中如何选择合适的通信节点作为协作中继节点， 以使 得协作传输系统具有最优的整体性能16-19， 有的研究着力解决如何将协作通信技 术与分布式空时编码技术有效结合这一问题35， 有的研究针对协作传输所占用的 传输时隙是直接传输的两倍这一问题， 考虑如何设计出能够全速率传输的协作通 信策略，在保证传输可靠性的同时改善传输的效率38 39 40，还有的研究试图解 决协作通信中各个节点的功率分配问题。在众多关于协作通信的研究方向之中， 结合网络编码的协作通信策略因为能够将网络编码技术和协作通信技术的优势 融合到一起，一经提出即成为了研究的热点26-33。 传统的网络通信观点认为， 网络中对所传递的信息的处理只需要在源节点和 目的节点处进行，在转发节点处处理这些信息不能带来任何的系统性能的提升， 因此中间节点只需要对所收到的信息进行存储和转发即可。恰恰与之相反，网络 编码技术令中间节点对其所接收到的信息进行某种形式的编码处理， 而后再加以 转发，目的节点通过相应的解码算法求解出所需的原始数据。通过这种方式，系 统性能得到了有效的改善。 网络编码技术由 ahlswede 等人首次提出20，其指出决定网络多播容量上限 值的是网络中发送节点与接收节点之间的最小割值，即最大流最小割定理，并严 格证明了网络编码技术可以使网络容量达到上限值， 而传统的传输技术很难做到 这一点。在此之后，robert 等人证明了线性网络编码能够使网络容量达到理论上 限22， 而 chou 等人提出了实用的网络编码方案21, 一些研究者也对结合网络编 码的路由策略进行了研究41。 另外， 对于无线通信网络中网络编码技术的研究也 如火如荼的展开23 24 25。随着研究的逐步深入，现在网络编码已经作为一种思 想为人们所接受， 其意味着对来自不同的源节点的数据包以及同一个源节点的不 同数据包加以统一的编码融合处理， 越来越多的技术与网络编码相结合以期获得 系统性能的提升。 网络编码技术和协作通信技术都能够有效改善通信系统的整体性能， 协作传 输过程本身为网络编码的应用提供了有利的条件， 如何将网络编码的思想引入到 协作通信之中， 给出相结合的协作传输策略以进一步提高协作通信系统的性能是 本文的主要研究内容。 1.2 本文的组织结构以及主要贡献 本文主要对无线通信中结合网络编码的协作通信策略进行了研究， 其组织结 构如下： 第一章 绪论 4 第一章主要介绍了本文的研究背景和研究意义。从无线分集技术出发，逐步 引出协作通信技术， 随后介绍了协作通信技术和网络编码技术的研究现状以及研 究热点，并进一步提炼出了本文的研究点。 第二章介绍了能有效改善系统性能的网络编码技术和作为空间分集的重要 应用之一的协作通信技术。一方面，对网络编码的思想进行了简要的阐述，并简 要介绍了无线通信网络中常见的几种网络编码技术的应用方式。另一方面，对协 作通信技术的基本原理、常见的协作通信网络模型、基本的协作通信转发模式以 及传输策略进行了简要介绍， 并在此基础上对结合网络编码的协作通信策略做了 概述。 第三章对所提出的一种多用户协作通信网络中基于高阶域网络编码的协作 通信策略进行了研究。在多用户协作通信网络中，传统的结合网络编码的协作传 输策略采用的是模二加形式的网络编码，受限于编码系数的选择范围，其并不能 保证编码之后的数据包之间足够的线性无关性，不能充分发挥网络编码的优势。 因此，本文提出了一种基于高阶域网络编码的多用户协作通信策略，可以提高接 收端构造的解码方程组的可解性，从而使系统获得更高的分集增益，改善系统的 整体性能。 第四章对高频通信网络中融合了网络编码思想的协作通信策略进行了研究， 以期在获得满分集增益的同时改善协作传输的效率。 本文主要考虑的是高频通信 网络中不存在源节点与目的节点之间的直达径的场景。首先，将结合了物理层网 络编码的协作通信策略引入到了这种场景中， 对其性能进行了数学分析和计算机 仿真。之后，考虑到结合物理层网络编码的协作通信策略虽然提高了协作传输的 效率， 但还没能实现完全的全速率传输， 本章从多中继轮番协作转发的角度出发， 提出了一种全速率放大转发策略。理论分析和计算机仿真结果表明，该策略能够 在获得满分集增益的同时，实现全速率协作传输。 第五章对全文的研究内容进行了总结， 提出了函待解决的问题和进一步研究 的方向。 本文的主要贡献如下： 1) 提出了一种多用户协作通信网络中基于高阶域网络编码的协作通信策略。该 策略中，各个用户节点对在第一个传输阶段监听接收到的来自于其它用户的 数据和自身所发送的数据进行线性网络编码，而后在第二个传输阶段进行转 发。通过这种方式，一个数据包得以包含更多的信息，单个数据包的接收失 败对整个系统性能带来的影响被削弱。另一方面，该策略在高阶域上进行网 络编码，丰富了编码系数的选择范围，并提供了编码矩阵的构造准则以及搜 寻算法，相比于传统的基于模二加形式网络编码的协作通信策略，能够使接 第一章 绪论 5 收端所构造出的解码方程组具有更高的可解性，从而使系统获得更高的分集 增益。 2) 在高频通信网络中不存在源节点与目的节点之间的直达径的场景，对结合物 理层网络编码的协作通信策略进行了研究。该策略利用无线信道的广播特性， 通过物理层网络编码达到了分布式 mimo 系统的效果， 获得了分集增益； 另 一方面，网络编码的采用使得中继节点得以同时服务于所有源节点，提高了 协作传输的效率。 3) 提出了一种在不存在源节点与目的节点间直达径的场景中实现全速率协作 传输的放大转发策略。通过多个协作转发节点轮番监听接收、转发数据，源 节点的数据发送得以持续不间断的进行。同时，结合网络编码对数据加以融 合处理的思想，对源节点所要发送的数据预先编码混合，使系统对抗衰落的 能力有所提高且避免了奇偶时隙数据差错率不平衡的情况的出现。该策略在 获得满分集增益的同时，实现了全速率传输。 第二章 网络编码和协作通信 7 第二章 网络编码和协作通信第二章 网络编码和协作通信 2.1 网络编码技术概述 2.1.1 基本原理 网络编码的核心思想在于对不同的数据包进行统一的一定形式的融合编码 处理之后发送，在接收端以相应的方式解码译出所需数据。我们通过网络编码应 用的经典案例对其基本原理加以介绍。 考虑如图 2.1 所示的蝶形网络结构。其中，s 为发送源节点，y、z 为接收节 点，其余节点为转发节点。图中的各条有向边代表理想的传输信道，具有相同的 数据传输速率，我们假设为单位时间传递单位数据。源节点试图将 12 ,a a两个信 息发送给 y、z 这两个接收节点。 s w yz ut x a1a2 a1 a1 a2 a2 a1或a2 a1或a2 a1或a2 s w yz ut x a1a2 a1 a1 a2 a2 a1+a2 a1+a2 a1+a2 (a) 传统的信息传输方式 (b) 采用网络编码的信息传输方式 图 2.1 网络编码基本原理示意图一 很明显，要达到上述的传输目标，传统的传输方法只能如图 2.1(a)所示。由 于节点 w 与节点 x 之间的链路传输能力的限制， 12 ,a a两个信息每次只能有一个 得到发送，因此要 y、z 都能完全接收到两个信息，必须进行两次发送，占用两 个发送时隙。当网络编码技术被采用，情况就会发生有趣的变化，其传输模式如 第二章 网络编码和协作通信 8 图 2.1(b)所示。节点 w 不再单纯发送单个信息，而是将收到的信息进行叠加处理 后进行转发。由于两个目的节点可以通过其它路径收到其中一个信息，所以可以 从叠加的信息和中解出另外一个，从而获得源节点所发送的所有信息。 cab ab ba cab ab a+ba+b 时隙一 时隙二 时隙三 时隙四 传统传输 网络编码传输 图 2.2 网络编码基本原理示意图二 另一个网络编码应用的经典实例如图 2.2 所示。在该无线网络场景中，节点 a和节点b通过中继节点c互换数据a和b。 传统的传输方式将数据包逐一发送， 因而需要四个传递时隙以保证数据正确的为双方所获得。 而采用网络编码的方式， 中继节点 c 不再逐一转发所接收到的数据包而是将其叠加编码后发送，利用无 线信道的广播特性，节点 a 和节点 b 可以同时收到并解码获得所需结果，总共 只需要三个传输时隙，有效提高了系统的传输效率。 2.1.2 无线通信网络中的网络编码 最早网络编码的提出是基于有线通信网络， 但是无线信道的广播特性为网络 编码在无线通信网络中的应用提供了非常好的条件， 因此无线通信网络中的网络 编码很快成为了研究的热点。 在此我们对常见的几种网络编码在无线通信网络中 的应用做简要的介绍23 24 25。随着研究的深入，网络编码不再以一种单纯的技 术而是一种对不同数据加以融合编码处理的思想为人们所接受， 被结合到各种无 线通信技术之中。本文所研究的基于网络编码的协作通信策略即为其中一类，我 们将其放在随后的章节中加以介绍。 无线信道由于具有广播特性， 所以无线网络中的节点可以监听接收与自己无 关的传输流的信息，这给网络编码技术的应用提供了很好的环境。图 2.3 显示了 在无线网络中多个单播流的情况下利用网络编码技术改善系统整体性能的原理。 图中，节点 a 通过节点 c 向节点 e 发送数据 a1，节点 b 通过节点 c 向节点 d 发 送数据 a2。在节点 a 与节点 b 向节点 c 发送数据的过程中，由于处于相应的覆 盖范围内，节点 d 和节点 e 可以监听接收到相应的数据。因此，节点 c 只需要 第二章 网络编码和协作通信 9 发送一次 a1+a2即可保证节点 d 和节点 e 得到所需数据。所以，无线网络中各个 节点监听收集数据包，并将监听的相关情况告知邻居节点，在节点对外发送数据 前，根据掌握的相关情况对数据包进行相应的网络编码处理后加以发送。这种方 法增加了各个节点监听存储无关数据包的负担， 但是能够有效提高网络整体的传 输效率。 b b c c a e ed d a1 a2 a1+a2 a1+a2 a的覆盖范围b的覆盖范围 c的覆盖范围 图 2.3 无线网络中单播情况下的网络编码 网络编码最早的提出即是基于广播、多播环境，而文件共享是无线网络中的 一项重要业务，网络编码技术在此环境中也有着很好的应用。对于需要共享的文 件，将其划分为 n 个源数据包，在源节点处对 n 个源数据包进行线性的网络编 码叠加处理得到 n 个新的数据包，将其逐一对外广播，编码系数作为参数随数 据包一起传输。此后，网络中的各个节点不断的将新接收到的数据包与已经接收 到的数据包进行线性叠加后转发。当节点正确接收到 n 个数据包的时候即可构 造解码方程组求解出原始数据。这里采用随机系数的线性网络编码。通过这样的 方式，由于一个数据包包含多个原始数据信息，其向节点提供所需信息的能力得 到了提高，整个文件共享过程得以以更高的效率进行。 cab ab a+ba+b 物理层网络编码传输 图 2.4 物理层网络编码原理示意图 第二章 网络编码和协作通信 10 物理层网络编码技术将网络编码从上层带到了底层， 对使网络编码成为一种 广义上的思想为人们所接受起到了极大的推动作用。 其利用无线信道的广播特性 以及衰落特性，在物理层传输的过程中进行天然的网络编码。我们依旧在图 2.2 所述的场景中对其加以说明。如图 2.2 所示，传统的传输方式和网络编码传输方 式各需要四个和三个传输时隙来实现数据的交换。但是在图 2.4 所示的物理层网 络编码传输中，节点 a 与节点 b 同时向节点 c 发送数据，节点 c 将接收到的经 过天然融合编码的数据直接放大转发给另外两个接收节点， 之后节点 a 与节点 b 求解出所需数据，整个过程只需要两个传输时隙，系统的传输效率得到了明显的 提高。 2.2 协作通信技术概述 2.2.1 协作通信网络模型 根据网络拓扑结构和网络中各节点的传输状态， 协作通信网络存在多种传输 模型和多种类型划分方式。在此，我们引入基本的协作通信网络模型，根据承担 数据转发任务的协作中继节点是否需要在转发其它节点数据的同时发送自身的 数据，将协作通信网络分为中继协作通信网络和对等协作通信网络。 2.2.1.1 中继协作通信网络模型 在中继协作通信网络模型中， 协作中继节点在转发其它节点数据的同时没有 自身的数据需要发送，具有发送任务的节点被明确的划分为源节点和中继节点。 r sd 第一时隙 直达径 第一时隙第二时隙 源节点 目的 节点 中继节点 图 2.5 单中继协作通信网络模型 图 2.5 所示为单中继协作通信网络模型，其为最简单最基本的中继协作通信 模型。该模型中只存在三个节点，分别为源节点、目的节点和中继节点。在一次 协作传输过程中，源节点在第一个时隙发送原始数据，目的节点和中继节点加以 第二章 网络编码和协作通信 11 监听接收。由于只存在一个中继节点，不存在复杂的协作通信策略以及备选中继 节点的选择问题。在第二个时隙，中继节点将其接收到的数据按照相应协议转发 给目的节点，目的节点采取相应的策略处理得到原始数据。由于存在源节点与目 的节点之间的直接传输径， 因此是否采用协作的方式传递数据是传输策略中需要 考虑的一个问题。 r1 sd 第一时隙 直达径 第一时隙第二时隙 源节点 目的 节点 中继节点 rn r2 图 2.6 多中继协作通信网络模型 多中继协作通信网络模型如图 2.6 所示。与单中继协作通信网络模型类似， 一次协作传输被分为两个时隙， 不同之处在于存在多个中继节点监听接收源节点 的数据。因此有多种转发方式、传输策略可供选择，比如选择最优的中继节点进 行转发、多个中继节点采用分布式空时编码转发数据等等。因为占用了更多的资 源，多中继协作通信可以获得比单中继协作通信更高的分集增益，更好的系统性 能。 以上我们讨论的两种中继协作网络模型都存在源节点与目的节点之间的直 接传输径。而在很多情况下，比如高频通信网络、传感器网络等，都存在没有这 条直达径的通信场景。此时，中继转发是必须的，不再存在需要考虑是否进行协 作通信的问题。在这种网络模型中，重点需要研究的是协作传输的具体模式、发 送节点间的功率分配等问题。 本文第四章即对该场景下融入网络编码思想的协作 通信策略做了研究。 2.2.1.2 对等协作通信网络模型 与中继协作通信网络相对应， 对等协作通信网络模型并不明确区分源节点与 中继节点，发送节点具有相等的地位。所有的发送节点在协作转发其它节点数据 的同时也发送自身数据。典型的对等协作通信网络模型如图 2.7 所示。 第二章 网络编码和协作通信 12 传输第一阶段传输第二阶段 目的节点目的节点 源节点 源节点 源节点 源节点 图 2.7 对等协作通信网络模型 在传输的第一阶段， 各个源节点在自己的发送时隙发送数据而在空闲时隙监 听接收其它源节点发送的数据。在传输的第二个阶段，各个源节点按照相应的协 作通信策略将数据发送给目的节点， 目的节点依据相应的算法得到各个原始数据。 这种模型通常要求各个源节点组成一个协作传输组进行统一的调度和传输， 多用 户协作通信网络就是一种典型的对等协作通信网络。 本文第三章所提出的基于高 阶域网络编码的协作通信策略即是基于这种类型的网络模型。 2.2.2 基本的协作通信转发模式和传输策略 2.2.2.1 基本的转发模式 协作中继节点采用何种方式对接收到的数据进行转发是协作传输中的重要 问题，其直接影响到协作通信的整体性能。本小节我们对协作通信网络中的转发 模式进行逐一的简要介绍。主要的转发模式有以下三种：放大转发模式(af: amply-and-forward)、解码转发模式(df: decode-and-forward)和编码协作模式 (cc: coded cooperation)。 1. 放大转发 放大转发模式，顾名思义，对信号直接进行放大后加以发送。具体的来说， 协作通信中工作在放大转发模式的协作中继节点对于接收到的数据不进行任何 形式的解码或者解调操作，只对信号做功率归一化处理，而后按照自身的发送功 率将信号放大后转发给目的节点。图 2.8 以单中继协作通信网络为场景，给出了 放大转发模式的基本原理。 第二章 网络编码和协作通信 13 源节点源节点 第二个传输时隙第二个传输时隙第一个传输时隙第一个传输时隙 r s d 协作中继节点协作中继节点 目的节点目的节点 图 2.8 放大转发模式 下面我们在单中继协作通信网络中， 通过数学描述的方式阐述放大转发模式 的工作过程。假设源节点所要发送的数据为 s，经过第一个时隙的传输，协作中 继节点和目的节点所接收到的信号如下： ,s rss rs r yp hsn (2.1) ,s dss ds d yp hsn (2.2) 其中， , , s rs d yy代表中继节点与目的节点的接收信号。 ,s r h和 ,s d h则分别表 示源节点与协作中继节点、 源节点与目的节点之间的信道衰落系数。 ,s r n和 ,s d n表 示无线信道的加性高斯白噪声，其服从均值为零，方差为 0 n的高斯分布。 s p为 源节点的发送功率。 中继节点接收到数据后，对其进行放大处理并转发给目的节点，其数学表达 如下： , / rs r sy (2.3) ,r drr drr d yp hsn (2.4) 其中， r s为归一化处理之后中继节点的待发送信号。 r p代表中继节点的发送功 率。中继节点与目的节点之间的信道的衰落系数和加性噪声分别由 ,r d h和 ,r d n表 示。 ,r d y是目的节点所接收到的信号。归一化因子表达如下： 第二章 网络编码和协作通信 14 2 0,ss r np h (2.5) 由上式可知，归一化因子由源节点发送功率、源节点与中继节点之间的信道衰落 系数和加性噪声的功率谱密度共同决定。 接收节点对所接收到的两个等长数据 ,s r y和 ,s d y按照相应算法进行合并处理 以得到所需数据。分集合并算法有很多种，比如等增益合并、选择式合并、最大 比合并(mrc：maximal ratio combiner)。其中，最大比合并可以使得目的节点 获得最大的接收信噪比，是最常用也是公认最佳的合并方式。其利用各个信号的 接收状况按比例进行合并，经过处理后目的节点所获得的数据如下： 1,2,ds dr d yyy (2.6) 其中， 1 和 2 代表各个信号的合并处理系数，根据最优化理论可以得到 1 和 2 的具体数值如下： * , 1 0 ss d p h n (2.7) * ,2 ,0 2 2 , 02 ,0 1 r ss rr d ss r rr d ss r p p hh p hn p h n p hn (2.8) 以上的描述基于存在直达