（通信与信息系统专业论文）基于网络编码的协作通信系统研究.pdf

摘要 协作通信系统通过中继协作发送信息，可以获得更高的系统分集增益。和传 统的多输入多输出( m 蹦o ) 系统不同，协作通信系统对通信设备的天线数目没有 要求，而是通过搜集网络中的空闲节点作为中继形成虚拟m m o 系统，从而实现 空间分集。另外，对于多源多宿的多播网络而言，在中继节点实施无线网络编码 还可以提高系统的吞吐量。本文从网络编码与协作通信系统的结合方案入手，对 各种方案的系统性能进行了研究分析。 本文的主要工作：研究了线性网络编码在协作通信系统中的应用。首先介绍 了协作通信系统和网络编码的基础理论；在此基础上对有限域网络编码以及复数 域网络编码应用于协作通信系统的方案的性能进行了研究分析；之后重点对双源 双宿单中继的多播网络模型进行研究。仿真结果表明：在双源双宿单中继系统中， 采用复数域网络编码可以在系统中断概率只有稍微降低的前提下，相对于未采用 网络编码的协作通信系统，系统吞吐量可以有一倍的提高。最后，对下一步的工 作做了展望。 关键词：协作通信网络编码系统中断概率系统吞吐量 a b s t r a c t t h ec o o p e r a t i v ec o m m 血c a t i o ns y s t e mc a na c h i e v em 曲e rd i v e r s i t ) ，g 出w i 也m e h e l po fm er e l a y ss e n d i n gm e s s a g e s u 1 1 1 墩e 臼们i t i o n a lm i m os y s t e m ，c 0 0 p e r a t i v e c o m m 砌c a t i o ns y s t e mh 2 l sn or e q u i r e dt 0a n t e m l aa m o u n t so fm ec o m m u n i c a t i o n e q u i p m e 吣t 0a 出e v es p a c ed i v e r s 咄c 0 0 p e 斌i v e 黝u i l i c 撕0 ns y s t e ms e 砌e s 也e i d l en 咖，0 r kn o d e st of o m l 也ev i m l a lm o o nm eo 也e rh a n 也f o r 也em u l t i s o u r c e m m t i d e s t i i l a t i o nm u l t i c a s tn e 觚。如a p i p l y i n g 也ew i 】- e l e s sn e 阳，o r kc o d 证gt 0 也er e l a y s c a nh e l pt 0 础啪c et h en 娟o r kt h r o u g h p 毗s 蛐g 谢m 也ec 0 m b 洒崦m e 也o d so f n 咖o r kc 0 d i l l g 锄dc o o p e m t i v ec 0 砌 n u l l i c 撕0 ns y s t e 玛也i sm e s i sa i l 乱y s e st 1 1 e p d f o m a n c eo fa l lm em e m o d s n em a 瑚yw o r ! k si 1 1 c l u d e ：r e s e 鲫c h0 nt h ea p p l i c 撕0 no f l i i l e 缸n 印o r kc 0 d i n gi i l c o o p 剃v e c 0 舢m 血c a t i o n s y s t e m f i r 鲥y ， 也eb 商ct h e 0 d ，o fc 0 0 p e 枷v e c 0 舢叭血c 撕o ns y s t e ma n dn 咖o r kc o d i i l ga r e 如d u c e d o nt h i sb a s i s ，w e 删y s e 也ep e 响m a n c eo ft 1 1 es y s t e ma p p l y i n gg a l o i sf i e l dn 的o r kc o 幽鸣嬲w e u 船 c o m p l e xf i e l dn 咖，0 r kc o d j l l g a f 【i 贸t h 吐w ep a yo u ra t i | e r i t i o nt 0m em 山t i c a s t n e t w o r k 谢t hd u a j - s o u r c e ，d u m d e s t j n a t i o na n ds i l l 酉e r e l a 弘s i r i l u l a 垃o nr e s l l l t ss h o w 吐l j 也i i ld u a l - s 0 u r c ed 脚一d e s t i n 撕o ns 证g l e - r e l a ys y s t e 弛c o m p a r e d 、) l ，i 也也es y s t e m 晰也 n on 咖o r kc o d 证g ，s y s t 锄t h r o u g h p u tc 纽b e 证c 嬲e dt 0d o u b l e 谢t 1 1c o m p l e x6 e 】d n 咖o r kc o d i l l g ，b u ts y s t e mo u t a g ep i 、d b a b n i 哆i so n l ys 1 i 曲廿yr e d u c e d f i i l a l l y ，r e s e a r c l l o u t l o o kf o r 矗】_ t i l r ew o r kj sc a n j e do u t k e y 怕r d s ：c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n n e t w or _ kc o d i n g 蹈s t e mo u t a g ep r o b a b i l i 椤眄s t e mt h 阳u g h p u t 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 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已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，本人承担一切的法律责任。 本人签名：盛。缝 日期塑里：! ：! 西安电子科技大学 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。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、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 本人签名：丝 导师签名。懈 日期丝! ：型竺 日期丝i 全：f - 啦 第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文的研究背景及意义 过去十年中，各种无线网络的应用为通信产业的发展带来了前所未有的机遇； 同时，一系列新型传输技术和体系结构的出现也让通信系统的设计者们面临巨大 的挑战。未来的无线通信系统与网络将是无所不在的，将能实现任何人在任何时 间、任何地点，能够向任何其他人传送任何业务，能提供不同q o s 、高速率的p 多媒体业务。 为了满足高速率多媒体通信的要求，下一代无线系统必须采用更先进的技术， 不仅要能提高数据速率，还要使系统能确保不同媒体所要求的服务质量。为了达 到这一目标，人们已经进行了大量的研究，包括先进的信号处理技术、针对无线 环境的编码和调制技术、检测技术以及各种分集技术，其中分集技术显得至关重 要，这也是由无线信道的本质特性决定的。 与有线信道相比，无线信道是一个多径信道，其中特有的衰落现象会对信号 的传输产生很大影响。由于多径信号不同的传播路径长度产生了不同的传播时延， 所以多径衰落是导致无线通信接收信号不稳定的主要原因。按照多径信号到达接 收机相位的不同，它们可能相加，也可能相互抵消，使得接收信号被严重恶化， 要恢复接收信号存在很大困难。早期的研究n 3 已使人们认识到利用分集可以改善无 线衰落信道的有效接收信噪比( s n r ) 。目前无线通信中抗衰落的显分集技术包括空 间、时间、频率、角度和极化分集等，抗衰落的隐分集技术包括交织编码、跳频 和直接序列扩频等。 分集技术是通过有效的传输和处理同一信号各不相关的传输副本，达到补偿 衰落损耗的目的。近几年来，空间分集成为研究热点。因为无线通信中，空间略 有变动就可能出现较大的场强变化。当使用多个传输信道时，它们受到的衰落影 响是互相独立或者相关性很小的，且多个信道在同一时刻处于深衰落的可能性极 小。因此，如果能使用多个传输信道发送信息，在若干个支路上接收相关性很小 的载有同一消息的信号，然后对各个支路的信号做适当的合并处理，便可在接收 端大大降低衰落的影响，改善传输的可靠性，这就是空间分集的意义所在。空间 分集是利用场强随空间的随机变化实现的，空间距离越大，多径传播的差异就越 大，而接收场强的相关性就越小。 分集能大大提高传输的可靠性，但发送同一信号的多个副本会降低通信的有 效性。由于无线频谱资源十分匮乏，下一代无线通信系统还必须具有更高的频谱 效率。从目前的技术发展来看，提高无线通信中频谱效率的方法是通过采用更高 2基于网络编码的协作通信系统研究 阶的调制技术和更优良的信道编码方法，实现尽可能逼近现有的单输入单输出 ( s i s o ) 天线系统的信道容量。不过，在无线衰落环境中，要在有限带宽的情况下尽 可能地逼近信道容量，技术难度比较大，而且系统本身的信道容量也有限。如何 才能既克服多径衰落的不良影响，又大幅度提高频谱的利用率，在通信的有效性 和可靠性两方面取得平衡呢? 多输入多输出( m 蹦o ) 的天线系统担3 在这样的背景下 诞生了。m m o 技术可以在不增加带宽的前提下提高系统的信道容量，同时利用 收发分集和空时编码提高传输的可靠性，是下一代无线通信系统建议采用的必选 技术之一。 但是，在一些实际场景中，例如蜂窝系统上行链路，由于自身体积、实现复 杂度与功耗等限制，m 蹦o 技术不容易直接应用于移动用户终端或者网络节点。 在支持更多节点和具有更大覆盖范围的分布式网络中如何提高系统频谱效率的挑 战促使了协作通信技术的产生与发展。用户间协作是其基本思想，它使一个网络 节点可以通过一定的协作方式，合理利用其它节点的资源。由于共享资源的两个 或多个节点上的天线在无线网络中形成了一个虚拟天线阵列拾3 ，因此可以使协作节 点比非协作节点获得更高的传输速率和分集性能。 协作通信不仅是促进m 蹦o 技术实用化的方法之一，还有可能带来新的商机。 例如，协作涉及一个网络资源分配的问题，它能使信道质量好的用户在较小牺牲 甚至不牺牲自身数据率的前提下，协助信道质量差的用户共同达到某个可以接受 的性能指标。这种协作就可能引起资费调整的问题。在多数情况下，由于信道质 量以及业务种类不同，互为协作的用户提供或者得到的帮助并不是对等的。如果 提供帮助较多的用户应该获得某些利益，而获得帮助较多的用户则应该支付一定 的报酬，就有可能会出现专门提供协作服务以获取经济利益的用户，相应地也必 须配有适合的流量计费系统等。因此，协作服务有可能成为一种新的产业。此外， 协作通信的思想还可以应用于抗干扰通信中。抗干扰的基本方法有直接序列扩频、 跳频、跳时以及它们的混合应用，但是这些方法都没有利用空间资源，而协作通 信在某种意义上可以看作是一种空跳。跳频的工作原理是信号的载波频率受伪随 机码或某种特定跳频图案的控制而跳变，跳频增益的大小取决于跳频幅度的大小 和跳频的快慢，而跳时技术在时间上也有类似的结论。协作通信技术从另一个角 度可以看作是根据一定的准则( 某种特定空跳图案) ，用户信息在空间方位上的跳 变，其空跳增益可以根据跳频、跳时的结论推出，随着参与用户数、空跳幅度以 及跳速的提高，空跳增益将会越大。 2 o 年，心鼢蜘e 等基于网络信息流的概念提出了网络编码的思想h 3 。网络 编码( n 鲍v o r kc o d i i l g ) 从广义上来讲，是网络中的节点将接收到的信息进行编码后 再转发出去的多点传送( m u l t i c a s t ) 技术。通过对网络节点进行编码，从而可以获得 网络多播速率的最大流限，即网络资源利用的理论上限，而传统的路由和简单复 第一章绪论3 制转发并不一定能够获得该最大流限。此外通过网络编码可以取得节省网络带宽 资源，平衡链路负载，优化能量受限网络的能量消耗等好处。 继础s w e d e 等提出网络编码概念之后，l i 等人证明了使用线性网络编码已足 够达到网络多播容量。m e d a r d 等提出了网络编码的代数框架哺3 ，并证明了存在满 足多播容量的线性时不变编码。后两者的工作为网络编码的发展准备了必要的理 论条件。随机网络编码 3 是由h o 、m e d a r d 等人在2 0 0 3 年提出的，它的提出拓宽 了网络编码的适用场景，使得网络编码不再局限于确定的网络拓扑和集中式的方 法。c a i 利用分布式网络编码来纠正整个网络中的差错旧，并论述了网络编码在安 全方面的应用强3 ，为网络编码增加了新的应用领域。 目前，由于网络编码对通信系统性能的提升，它已经成为通信网络研究领域 的一个新的研究热点。同时，协作通信也能够有效的改善系统性能。那么如何把 这两种思路进行融合，充分挖掘网络编码在协作通信系统中的潜能，形成一种有 别于传统的协作通信系统，迸一步改善传统协作通信系统的性能便是本文的主要 工作。 1 2 本文内容安排 本文中主要探讨了网络编码对于协作通信系统性能的改善，分析了各种网络 编码对系统性能的影响，并提出了一种符合实际场景的中继协作系统。具体工作 安排如下： 第二章，首先介绍了无线信道的传播特性、无线衰落信道中的分集技术。其 次，详细分析了协作分集的基本原理，并对各种协作分集技术进行了仿真分析。 第三章，本章详细介绍了网络编码的基本思想、基本原理。并在此基础上重 点介绍了线性网络编码和物理层网络编码。 第四章，首先分析了网络编码用于双源单宿单中继的协作系统的情况，并对 其进行了仿真。其次又提出了可以更进一步提高系统吞吐量的双源双宿单中继系 统和蜂窝系统，并通过仿真分析指出这些系统的优势。 第五章总结全文工作，并对进一步的工作做了研究展望。 第二章协作通信系统5 第二章协作通信系统 2 1 无线信道特性 无线通信都是基于电磁波在空间的传播实现信息的传输。由于电磁波传播环 境的复杂和环境干扰，使得无线信道呈现出很强的随机时变性。而电磁波在自由 空间的传播特征在很大程度上决定了无线通信系统的复杂度和性能。因此，对任 何无线通信系统的研究和设计都必须以信道特性为基础。 无线信道对信号传输的影响主要有传播衰减、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。这些传播特征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。 2 1 1 移动信道的时变特性 移动信道是一种时变信道。无线电信号通过移动信道时会遭受来自不同途径 的衰减损耗。若用公式表示，接收信号功率可表示为 i i n - 一 只力= l 翻叉回厦力式( 2 1 ) il 式中，| - | 表示移动台与基站的距离。式( 2 1 ) 是信道对传输信号作用的一般表 示式，这些作用有三类： i j 打 自由空间传播损耗与弥散，用i 翻表示，其中n 一般为3 4 。 - 阴影衰落，用s ( j ) 表示。这是由于传播环境中的地形起伏、建筑物及其他 障碍物对电波遮蔽所引起的衰落。 多径衰落，用风力表示。这是由于移动传播环境的多径传播而引起的衰落。 多径衰落是移动信道特性中最具有特色的部分。 由上述可以看出，接收信号功率的三部分都与距离有密切关系，并且这三种 效应是表现在不同距离范围内的。 在数十波长的范围内，接收信号场强的瞬时值呈现快速变化的特征，这是 由多径衰落引起的，又称为快衰落。 在数百波长的范围内，信号的段区间中心值出现缓慢变化的特征，这就是 6基于网络编码的协作通信系统研究 阴影衰落。 长区间中心值随距离基站的位置变化而变化，其衰减特征一般服从i 叫的规 律。它表明的是，在以公里计的较大范围内比较接收信号的变化特性。 其中，传播损耗和阴影衰落主要影响到无线区的覆盖，通过合理的设计可以 消除这些不利的影响。而多径衰落严重影响信号传播质量，也是不可避免的，只 有采用一定的抗衰落技术来减小其影响。 2 1 2 移动环境的多径传播 陆地移动信道的主要特征是多径传播。无线电波传播过程中会遇到各种建筑 物、树木、植被以及起伏的地形，都会引起电波的反射。这样，到达移动台天线 的信号不单是单一路径的，而是许多路径来的众多反射波的合成。由于电波通过 各个路径的距离不同，因而各条反射波到达时间不同，相位也就不同。不同相位 的多个信号在接收端叠加，有时同相叠加而增强，有时反相叠加而减弱。这样， 接收信号的幅度将急剧变化，即产生了衰落。这种衰落是由于多径现象所引起的， 称为多径衰落。 通常在移动通信系统中，基站用固定的高天线，移动台用接近地面的低天线。 例如，基站天线通常高3 0 m ，可达9 0 m ；移动台天线通常为2 3 m 以下。移动台 周围的区域称为近端区域，该区域内的物体造成的反射是造成多径效应的主要原 因。离移动台较远的区域称为远端区域，在远端区域，只有高层建筑、较高的山 峰等的反射才能对该移动台构成多径。并且，这些路径要比近端区域中建筑物所 引起的多径的长度要长。 2 2 无线信道特性的改善 无线信道的衰落，将会严重降低通信系统的性能。为了抗快衰落，通常可以 采用多种措施，例如，各种抗衰落的调制解调技术、抗衰落接收技术及扩频技术 等。其中，明显有效且被广泛应用的措施之一，就是分集接收技术。而且通过分 集接收技术，无线信道的衰落特性将能得到明显改善。 分集的概念可以简单解释如下：如果一条无线传播路径中的信号经历了深度 衰落，而另一条相对独立的路径中可能仍包含着较强的信号。因此可以在多径信 号中选择两个或两个以上的信号，这样的好处是它对于接收端的瞬时信噪比和平 均信噪比都有提高。 分集技术( d i v e r s 时融h 1 1 i q u e s ) 主要研究如何利用多径信号来改善系统性能， 这是通信中的一种用相对低廉的投资可以大幅度地改进无线链路性能的强有力的 接收技术。与均衡不同，分集技术不需要训练码，从而节省了开销。而且，分集 第二章协作通信系统 7 技术的使用范围很广，其中有很多非常实用并且能以很低的附加费用对链路性能 进行很好的改进。 分集技术查找和利用自然界无线传播环境中独立的( 或至少是高度不相关的) 多径信号来实现的。它利用多条传输相同信息、且具有近似相等的平均信号强度 和相互独立衰落特性的信号路径，并在接收端对这些信号进行适当的合并 ( c o m b 豳g ) ，以便大大降低多径衰落的影响，从而改善传输的可靠性。 ； 2 2 1 分集技术 为了在接收端得到相互独立的路径，可以通过空域、时域和频域等方法来实 现，具体的方法有如下几种。 1 空间分集( s p a c ed i v e r s 竹) 空间分集，也被称为天线分集，是无线通信中使用最多的分集形式。传统无 线蜂窝系统的发射机和接收机天线是由立得很高的基站天线和贴近于地面的移动 台天线所组成的。在这个系统中，并不能保证在发射机和接收机之间存在一个直 线路径，而且移动台周围物体的大量散射可能导致信号的瑞利衰落( r 丑y l e i 曲 f a d 堍) 。使用空间分集时，在发射端采用一副发射天线，接收端采用多副接收天 线。接收端天线之间的间隔应足够大，以保证各接收天线输出信号的衰落特性是 相互独立的。如果天线间的相隔距离等于或大于半波长，那么从不同的天线上收 到的信号包络将基本上是非相关的。那么在理想情况下，接收天线之间相隔距离 为半波长就足以保证各支路接收的信号是不相关的。但在实际系统中，接收天线 之间的间隔要视地形地物等具体情况而定。例如在蜂窝小区的中心，为了进行分 集接收，装备了多个基站接收天线。但是，由于移动台近于地面，容易产生严重 的信号散射现象，因而在基站处的分集天线之间必须隔得相当远( 通常是波长的 几十倍) 才能实现信号的非相关。对于空间分集而言，分集的支路数m 越大，分 集效果越好。但当m 较大时( 如m 3 ) 分集的复杂性增加，分集增益的增加随着 m 的增大而变得缓慢。 2 极化分集( p o l a r i 2 面o nd i v e r s i 够) 极化分集实际上是空间分集的特殊情况，其分集支路只有两路，但是要求两 路信号的极化方向是正交的。由于只使用两个正交的分集支路，所以天线可以使 用一个。在移动环境下，两个在同一地点极化方向相互正交的天线发出的信号呈 现出不相关衰落特性。利用这一特点，在发射端同一地点分别装上垂直极化天线 和水平极化天线，在接收端同一位置也分别装上垂直极化天线和水平极化天线， 就可得到两路衰落特性不相关的信号。这种方法的优点是结构比较紧凑，节省空 间，缺点是由于发射功率分配到两副天线上，信号功率将有3 d b 的损失。 8 基于网终编码的协作通信系统研究 3 角度分集( a n g l ed i v e r s 时) 由于地形地貌和建筑物等环境的不同，到达接收端的不同路径的信号可能来 自于不同的方向，在接收端，采用方向性天线，分别指向不同的信号到达方向， 则每个方向性天线接收到的多径信号是不相关的。 4 频率分集( f r e q u e n c yd i v e r s 毋) 频率分集方式在多于一个载频上传送信号，将要传输的信息分别以不同的载 频发射出去。这项技术是基于在信道相关带宽之外的频率上不会出现同样的衰落。 只要载频之间的间隔足够大( 大于相关带宽) ，那么在接收端就可以得到衰落特性 不相关的信号。 5 时间分集( n m ed i v e r s 毋) 对于一个随机衰落的信号来说，若对其振幅进行顺序取样，那么在时间上间 隔足够远( 大于相干时间) 的两个样点是互不相关的，这就给我们提供了实现分 集的另一种方法。时间分集是指以超过信道相干时间的时间间隔重复发送信号， 以便让再次收到的信号具有独立的衰落环境，从而产生分集效果。由于相干时间 是与移动台运动速度成反比，因此当移动台处于静止状态时，时间分集基本上是 没有用处的。 以上对分集技术的讨论都是假定各支路的衰落信号是不相关的。然而在很多 场合很难达到这一点。例如在空间分集中，天线的位置不合适；在频率分集中， 两载波的间隔不够大等。因此，在研究分集系统的性能时，应充分考虑到相关性 对分集效果的影响。 2 2 2 合并技术 合并技术通常是应用在空间分集中的。在接收端收到m 条相互独立的支路信 号以后，可以通过合并技术来得到分集增益。对于常用的合并方法有四种：选择 式合并( s e l e c 石0 nc ( 衄b 幽g ) 、最大比合并( m 戤i m a l i d o n a jc o m b 幽g ) 、等增 益合并( e q 血q 血c 锄b j n i l l g ) 和开关式合并( s 诵t c h e dc ( 肋b 幽g ) 。 1 选择式合并 采用选择式合并技术时，n 个接收机的输出信号先送入选择逻辑，选择逻辑 再从n 个接收信号中选择具有最高基带信噪比的基带信号作为输出。每增加一条 分集支路，对选择式分集输出信噪比的贡献仅为总分集支路数的倒数倍。 2 最大比合并 在接收端由多个分集支路，经过相位调整后，按照适当的增益系数，同相相 加，再送入检测器进行检测。在接收端各个不相关的分集支路经过相位校正，并 按适当的可变增益加权再相加后送入检测器进行相干检测。在做的时候可以设定 第二章协作通信系统 9 第i 个支路的可变增益加权系数为该分集支路的信号幅度与噪声功率之比。 3 等增益合并 等增益合并也称为相位均衡，仅仅对信道的相位偏移进行校正而幅度不做校 。正。等增益合并并不是任何意义上的最佳合并方式，只有假设每一路信号的信噪 比相同的情况下，在信噪比最大化的意义上，它才是最佳的。它输出的结果是各 路信号幅值的叠加。对c d m a 系统，它维持了接收信号中各用户间的正交性状态， 即认可衰落在各个通道间造成的差异，也不影响系统的信噪比。当在某些系统中 对接收信号的幅度测量不便时选用e g c 。 4 开关式合并 接收机扫描所有的分集支路，并选择s n r 在特定的预设门限之上的特定分支。 在该信号的s n r 降低到所设的门限值之下之前，选择该信号作为输出信号。当卧取 低于设定的门限时，接收机开始重新扫描并切换到另一分支，该方案也称为扫描 合并。由于开关式合并并非连续选择最好的瞬间信号，因此它比选择式合并可能 要差一些。但是，由于开关式合并不需要同时连续不停的监视所有的分集支路， 因此这种方法要简单得多。 2 - 3 协作通信基本原理 协作通信基本思想可以追溯到c o v e r 和q 吼a 】关于中继信道的信息论特性的 研究。他们分析了一个三节点网络( 源节点s 、目的节点d 和中继节点r ，如图 2 1 所示) 的容量，并假设所有节点的工作频带相同，这样系统便可以分解为一个 广播信道( 从源节点来看) 和一个多址信道( 从目的节点来看) 。他们的研究得出 了几种特殊情况下的中继信道容量和一般情况下的信道容量界，奠定了中继通信 的基础理论，促进了协作通信的发展。 图2 1 三节点协作通信模型 协作通信中，根据中继节点对源节点信息处理方式的不同，即协作策略的不 同，主要有三种不同的方案：前向放大( 6 唧l i f 3 ，卸df o r w a r d ，a f ) 方案、前向 解码( d e c o d e d 锄df o r w a r d ，d f ) 方案和编码协作( c o d e dc 0 0 删i o n ，c c ) 方 案。 1 0 基于网络编码的协作通信系统研究 2 3 1 前向放大方案 a f 方式是协作通信中最为简单的一种方式，它由l a n e m 孤等口叼n 1 最早提出。 在这种模式下，中继节点只是简单地放大转发收到的信号。在放大转发的过程中， 接收信号的噪声部分也被放大转发出去，但是对于基站而言，它收到的还是两个 经过独立衰落的信号，仍然可以用一定的准则合并接收信号，从而做出较好的判 决。在这种模式下，基站要知道信道状态信息以做出最优判决，因此该机制必须 对信道状态信息进行估计。另外，如何对模拟信号进行抽样、放大和重传也是一 个挑战。l 锄e m 跹等人分析了两个移动终端进行协作的性能，结果表明协作系统 可以获得二阶分集增益n 。 考虑只有一个中继节点的情况，如图2 1 所示。假设源节点s 发送信号为仃， 中继节点r 接收到的相应信号为r ，中继节点向目的节点转发的信号为r e 且有如 下的信号形式： 陀= 仅p ，+ 刀式( 2 2 ) 其中，k 为中继节点到目的节点的信道衰落系数，a 为r 处的放大系数，n 为中继节点到目的节点间的信道噪声。为了满足中继节点的功率限制，放大系数a 必须满足： a 式( 2 3 ) 其中，只为源节点的发送功率，只是中继节点的发送功率。该放大系数a 依 赖于源节点和中继节点之间的衰落系数矗。 图2 2 是b p s k 调制在a w g n 信道条件下，采用前向放大方案时误比特率仿真 结果。仿真时假设源节点到中继节点、源节点到目的节点和中继节点到目的节点 之间的距离都相等，这样就意味着三条路径具有相同的损耗和信噪比。从图2 2 可 以看出，采用前向放大协作方案和非协作方案相比，前向放大协作情况下的误比 特率有所下降，系统性能得到了改善。 图2 3 是b p s k 调制在勋y l e i 曲信道条件下，采用前向放大方案时误比特率的 仿真结果。从仿真图中可以看出，采用前向放大协作方案与非协作方案相比，前 向放大系统方案的误比特率有很大的下降。与图2 2 相比，可以看出，在脚l e i g h 信道下，通过协作的好处比a w g n 信道协作带来的好处要大。这是因为在脚l e i 曲 信道下两条路径经历的衰落不相关程度比较大。 第二章协作通信系统 图2 2 a w g n 信道中a f 协作方式仿真曲线 s n r ，d b 图2 3 脚l e i g i l 信道中a f 协作方式仿真曲线 1 2基于网络编码的协作通信系统研究 2 3 2 前向解码方案 前向解码方案最早是由s e n d o 加r i s 等在文献【1 2 】 1 3 】 1 4 中给出的，h 笛n a 等也 将这种中继称为可再生中继( r e g e n e r 撕v er e l a y ) n 习。在这种方案下，源节点对发 送信息进行信道编码，经过调制后进行广播发送。中继节点在收到广播信号后， 会将接收到的信息进行解码，然后再进行重新编码调制发送给目的节点。需要注 意的是，在这种方案中，只有当中继节点可以对源节点发送来的信号进行正确解 码，中继节点才会向目的节点转发信息。如果源节点中继节点信道质量较差，那 么中继节点将不能对接收到的信号进行解码，从而不能起到协作中继的作用，所 以前向解码方案适用于源节点中继节点信道质量较好的环境。 仍然考虑只有一个中继节点的情况，同样假设源节点s 发送信号为位，中继节 点r 接收到的相应信号为r ，中继节点对r 进行解码后采用与源节点相同的方式进 行重新编码调制，之后再发送到目的节点。 图2 4 a w g n 信道中d f 协作方式仿真曲线 图2 4 是b p s k 调制在a w g n 信道条件下，采用前向解码方案时误比特率仿真 结果。仿真时同样假设源节点到中继节点、源节点到目的节点和中继节点到目的 节点之间的距离都相等。从仿真图中可以看出，采用前向解码协作方案和非协作 方案相比，前向解码协作情况下的误比特率有所下降。 第二章协作通信系统 1 3 s n r ，d b 图2 5r a y l e i g h 信道中d f 协作方式仿真曲线 图2 5 是b p s k 调制在叫e i 曲信道条件下，采用前向解码方案时误比特率的 仿真结果图。从仿真图中可以看出，采用前向解码协作方案与非协作方案相比， 前向解码系统方案的误比特率性能有很大改善。与图2 4 相比，同样可以看出，在 i 埘l e i 曲信道下，前向解码协作方案的好处比在a w g n 信道中带来的好处要大。 2 3 3 编码协作方案 编码协作机制是信道编码思想和协作通信理论的综合。编码协作模式通过两 条不同的、相互独立的衰落信道来发送每个用户码字的不同部分。其基本思想是 每个用户都将增加的冗余信息发送给其伙伴。当他们之间的信道条件非常恶劣时， 该机制自动恢复到非协作模式。该机制的突出特点是协作是通过信道编码设计来 实现的，无需用户之间的反馈。 以两用户相互协作为例：每个用户都将信源数据分为若干数据块，每一个数 据块都增加了一个循环冗余校验码( c r c ) 。假设每一个数据块包含k 比特的信息 ( 包括c r c 的位信息) ，然后每一个数据块进行码率为r 的纠错编码，则一个数 据块就有n = 勋r 比特的信息。两个协作用户将含有n 比特码字的数据的发送周期 分为两个时隙，这里称每个时隙为一帧。在第一帧中，每一个用户发送一个包含 n l 比特信息的码字，每一个用户都接收并尝试对伙伴的数据进行正确的译码。如 1 4 基于网络编码的协作通信系统研究 果译码正确( 由c r c 决定) ，则在第二帧中，用户将计算并发送其伙伴的第二部 分，包括n 2 比特。否则用户将在第二帧传送自己的第二部分，也是n 2 比特。这 样每个用户每个周期都是发送n n 1 + n 2 比特。 每个用户在第二帧中的行为是独立的，并不知道他们自己的第一帧是否被成 功译码。因此，在第二帧的传输中有四种可能的协作情况，如图2 6 所示。第一种 情况，在第一帧时两个用户都成功地检测到对方，所以在第二帧中它们都传输其 伙伴的n 2 比特信息，可以达到完全增益。第二种情况，在第一帧时，两个用户都 不能成功地检测到对方，系统此时返回到非协作模式。第三种情况，第一帧时用 户2 可以成功地检测到用户1 ，但用户l 不能成功检测到用户2 。从而在第二帧时， 两个用户都传输用户l 的n 2 比特信息，用户2 的n 2 比特则不能传输。用户1 两 个独立的n l 和n 2 比特译码前在接收端可以得到最优的合并。第四种情况和第三 种情况相反，只是把用户1 和用户2 的位置调换。 匝三丑圈 用户l 的n 1 b i t l 用户2 的k 2 b i t j n 应垂i 重 用户2 的n 1 b n j 用户l 的n 2 b i t 匝三丑囝 佗应雯i 重 i 用户2 的n 1 b i t l 用户2 的n 2 b i t j 匝三丑囝 宦垂i 宣 匝堕丑圊 h 童垂i 虱 i 用户2 的n l m t i 用户2 的n 2 b j t i 图2 6 第二帧的四种可能协作方案 关于编码协作的研究，s t e 细v 等在文献【1 6 中证明了编码协作在慢衰落环境 中性能卓越。假设用户的传输功率和发射功率不变，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。h u n t e r 的进一步研究表明，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， 文献【1 8 】【1 9 】 2 0 】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，如图2 7 所示，它和普通编码协作的最大不同在于：普通编码协作中每 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 第二章协作通信系统 1 5 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，空时编码协作分集已经成为当前研究中 最活跃的领域。 第一帧第二帧 第一帧第二帧 第一帧 第二帧 第一帧第二帧 图2 7 空时编码协作第二帧的四种可能协作方案 2 3 4 各种协作方案分析比较 前向放大方案和前向解码方案是几种协作协议中最简单的，中继节点的复杂 度最低。然而，在用户间信道状况较差时，前向放大方案中，中继节点放大的信 号也包含较大的噪声，此时，协作带来的分集效果不明显；与此类似，前向解码 方案中，在用户问信道状况较差时，中继节点无法正确对接收信息进行解码，也 会降低分集的效果。且前向放大方案和前向解码方案都是信息的重复传输，这也 导致信道利用率不高。编码协作的设计初衷是在协作中提供比重复码更高效的编 码方式，从而带来更多的编码增益。前向放大和前向解码方案都假设用户间信道 状况对协作双方都是已知的，这就需要采用一定的信道估计方案。而编码协作方 案，通过编码来控制第二步的协作，尤其是空时协作编码引入以后，在性能上有 很大的优势。但是，在编码协作方案中，伙伴节点的复杂度最高，因为在中继节 点要先解码再编码，会增加中继节点的信号处理复杂度，这样又会导致中继节点 信号处理时延的增大。 】6基于网络编码的协作通信系统研究 2 4 本章小结 本章综述了无线网络中的协作通信。介绍了协作通信的提出背景，描述了协 作通信发展历程中相关的主要技术，并分析比较了协作通信中的几种经典协议。 其中前向放大方案和前向解码方案是几种协作协议中较简单的，中继节点的复杂 度最低。然而，在用户间信道状况较差时，这两种方案会降低分集的效果。而编 码协作方案无需估计用户间的信道状况，在性能上有很大优势，将空时编码协作 引入以后，性能得到了进一步的提升。但是这种性能上的提升是以中继节点的复 杂度增加为代价的。 第三章网络编码技术 1 7 第三章网络编码技术 为了充分利用有限的无线资源，扩大网络覆盖范围和提高系统容量，目前无 线领域的研究多采用多跳传输的形式，如正e e 8 0 2 工作组提出的无线自组织网络、 无线m e s h 网络以及无线传感器网络等。在多跳无线网络中，信息可以通过中间节 点进行复制、放大和转发，从而使各接收节点能够快速收到完整信息。但是中继 节点简单的转发一般无法实现网络的最大流传输。2 1 世纪初基于有线通信提出的 网络编码机制，理论上可以实现网络的最大流传输，并有效地解决中继节点的传 输瓶颈问题。 网络编码基于一个很简单的思想，即在组播通信网络中，允许在网络的中间 节点上对所接收到的信息进行一定的信号处理，然后再发送出去，而不是像传统 通信网络那样中间节点只是进行存储转发。同时信宿节点通过一定的处理方式， 译出信源所发的信息，整个网络通过额外的信号处理提高了节点的接收速率。 网络编码强调节点之间的相互合作，它是从网络信息论的角度出发，将这种 节点合作编码的概念应用到整个网络中，以提高整体性能。目前，通过网络编码 的理论研究和仿真评估，已经证明网络编码在信息传输中的优势。它不仅可以提 高网络流量，还在信息可靠性、安全性等方面有极大的应用前景。 3 1 网络编码的发展 香农在论文a n o t e0 n 也em a ) ( 蛔啪f l o wn u g han e 咖r k 疆u 中指出：。通 信网络端对端的最大信息流，是由网络有向图的最小割决定的”，但目前传统路由 器的存储转发模式不可能达到香农最大流最小割定理规定的上界。在现有的计算 机通信网络中，信息传输都是由源节点经由中间节点，以存储转发的方式传送到 目的节点。除了数据复制以外，一般来说，网络的中间节点并不需要做任何数据 处理，因为普遍认为，中间节点所进行的数据处理对数据传输过程本身并不会带 来任何增益。 2 0 0 0 年，香港中文大学的碰洲e d e 等人在正e e 上发表了n 咖0 r kh f 0 i m 撕o n n o w ，这篇文章为提高网络的传输容量指明了一个新的发展方向。作者从信息论 的角度出发，严格证明了网络编码通过允许中间节点对从多条路径接收到的信息 进行编码转发，接收节点通过相应的解码获得原始信息，可以达到通信网络的最 大容量，从而最大限度地利用现有的网络资源。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式，它已是通信网络研究领域中的一个新的研究热 点。实际上，香农定理解决了点对点信息的容量极限问题，而网络编码则解决了 如何达到单源到多点以及多源到多点的网络容量的极限问题。 18 基于网络编码的协作通信系统研究 李硕彦、蔡宁等发表的线性网络编码( l m e 越n 咖o r kc o d i i l g ) 哺。解决了线 性范围内达到理论容量极限的问题。他们的研究表明在足够大的有限域内，仅通 过在节点处进行线性网络编码，就可以达到网络组播、广播等机制的理论上限， 这为网络编码的应用奠定了理论基础。 网络编码的后续研究主要侧重于网络编码的构造方式，主要分为两种：一种 是r k 0 e t t e r 和m m e d a r d 给出的网络编码的代数构造方式，它是在已知整个网 络拓扑信息的情况下，用一个系统转移矩阵来描述信源输入信息和信宿接收信息 之间的关系，并通过构造符合要求的系统转移矩阵来实现网络编码；另一种是 s j a g 西等人提出的一种实现网络编码的多项式时间算法，这种方法将网络编码 的构造进一步简化，它也是在己知拓扑的情况下，首先通过最大流最小割算法找 到完成组播所需路径的集合，在找出的这个子图上，再自上而下地确定各个节点 所需要进行的操作，这种方法不但把网络编码构造的复杂度从指数级降到了多项 式级，而且大大降低了网络编码中所采用的字母表的下限。 上述方法都是基于己知整个网络的拓扑信息的情况下提出的，几乎同时有人 又提出了不需网络拓扑信息的分布式网络编码和随机网络编码。分布式网络编码 的实现是通过在网络中传输的每个数据包上预先留出一些位置，以记载此数据包 在前面各个编码节点上所经历的操作，则接收节点可以根据接收到的数据包直接 译出信源所发送的信息。这种方法可以在不知道网络拓扑信息的情况下实现网络 编码，但会增加网络负载。另外一种不需了解网络拓扑的方法是随机网络编码盯3 ， 即网络的中间编码节点对于接收到的信息会在一个有限域内随机选择一个元素作 为组合的系数。研究已经表明只要有限域足够大，随机网络编码不成功的概率就 可以很低。这种方法可以以较大的概率实现正确无误的传输，但需要增大通信网 络中所需字母表的大小。 3 1 1 网络编码的研究现状 作为一种新型的网络传输技术，网络编码有很多优点。但到目前为止，对这 一领域的研究还主要集中在理论方面以及应用中局限性的分析，目前主要的研究 热点有如下几个方面m 1 。 ( 1 ) 网络编码节点选取方案 在确定的网络结构中，并不是所有的节点都需要进行网络编码，而是选取其 中的部分节点，给予编译码功能，对于不需要编译码的节点，只要具有传统的存 储转发功能即可。这样不仅可以降低编码算法的复杂度，也减小了对硬件的要求， 从而使得网络编码的应用更为广泛。文献【2 5 】根据网络拓扑结构，利用一种子树分 解算法来寻找编码节点，该算法以前用于有线网络中，并使用确定的网络编码机 第三章网络编码技术 1 9 制。但对于无线网络，节点之间的连接关系更为复杂，并且节点传输覆盖范围内 的其他节点都可能接收到信息，导致拓扑结构更为紧密，因此应用上述方法选择 编码节点就不太合适。另外，无线网络中主要考虑节点能量及稳定性的影响，选 择编码节点或设计网络拓扑时应