（通信与信息系统专业论文）mimo中继信道的网络编码技术.pdf

摘要 未来移动通信在传输速率、系统性能和系统业务容量等方面对无线通信系统 提出了更高的要求。为了满足上述要求，我们在m i m o 通信系统中引入了网络编码 技术。 网络编码技术是网络通信研究领域中的一项重要突破，网络的中间节点不再 是简单的信号存储转发，而是将经过其节点的信息进行编码后再发送，从而提高 了整个网络的传输效率、容量和鲁棒性。本文主要针对m i m o 中继信道和双向中继 信道进行研究，分别提出了网络预编码方案和基于最小均方误差( m m s e ) 的联 合网络编码一波束成型方案。 m i m o 信道利用中继帮助移动用户转发数据，可获得额外的分集增益，改善 接收端的b e r 性能，是提高移动用户在小区边缘通话质量的有效手段之一。传统 中继方案( 包括单天线增益和m i m o 中继) 需要为每个源节点逐个转发数据，使 传输效率随着网络规模的增加而大幅度下降，本文提出了一种网络预编码方案， 在中继节点实现网络编码和预编码技术的联合设计，不仅可使网络吞吐量灵活变 化，还可进一步提高系统性能。 对于无线双向中继信道( t w r c ) ，两个源节点在中继节点的协助下完成信息 交换，源节点通过利用模拟网络编码( a n c ) ，从接收到的信号中消除自身干扰 译出希望得到的信息，本文研究中继节点基于a n c 的波束成型方案，提出了 m m s e 联合网络编码波束成型方案，与最优波束成型方案相比降低了算法的复 杂度，同时性能较次优波束成型方案有了较大改善。 关键词：m i m o 网络编码网络预编码波束成型双向中继信道 a b s t r a c t f u t u r em o b i l ec o m m u n i c a t i o n r e q u i r e sh i g h e r t r a n s m i s s i o n s p e e d , b e t t e r p e r f o r m a n c ea n dh i g h e rs y s t e mb u s i n e s sc a p a c i t y i n o r d e rt om e e tt h ea b o v e r e q u i r e m e n t s ，w ei n t r o d u c e dn e t w o r kc o d i n gt e c h n i q u ei nt h em i m oc o m m u n i c a t i o n s y s t e m n e t w o r k c o d i n gt e c h n i q u ei s 锄i m p o r t a n tb r e a k t h r o u g h i nn e t w o r k c o m m u n i c a t i o na n dd e v e l o p m e n t t h ei n t e r m e d i a t en o d e si nn e t w o r kn o to n l yf o c u so n s i m p l es t o r e a n d f o r w a r d ，b u ta l s oe n c o d et h ei n f o r m a t i o nt h a tp a s s e sb y t h e r e f o r e ，t h e c o d i n gh a se n l a r g e dt h ec a p a c i t ya n ds t a b i l i t yo fe n t i r en e t w o r k i nt h i sp a p e r , f o rt h e m i m or e l a yc h a n n e la n dt w o w a yr e l a yc h a n n e l ，w es e p a r a t e l yp r o p o s e dn e t w o r k p r e c o d i n gs c h e m ea n dt h em i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r ( m m s e ) b a s e dn e t w o r k c o d i n g - b e a m f o r m i n gc o m b i n a t i o ns c h e m e f o rm i m oc h a n n e l ，u s e i n gr e l a yt oh e l pm o b i l eu s e r st ot r a n s m i td a t a , a c h i e v i n g t h ea d d i t i o n a ld i v e r s i t yg a i n , i m p r o v i n gt h eb e rp e r f o r m a n c eo ft h er e c e i v e r , i so n eo f t h ee f f e c t i v em e a n st oi m p r o v et h eq u a l i t yo f c o n n e c t i o no fm o b i l eu s e r si nt h ee d g eo f c e l l t r a d i t i o n a lr e l a ys c h e m e ( i n c l u d i n gs i n g l e a n t e n n ag a i na n dm i m or e l a y ) n e e dt o r e t r a n s m i tt h ed a t af o re a c hs o u r c en o d e ，s ot h a tt h et r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c ys u b s t a n t i a l d e c l i n e 、玑mt h ei n c r e a s eo ft h en e t w o r ks i z e i nt h i sp a p e r , p r o p o s e dn e t w o r k p r e c o d i n gs c h e m ea c h i e v e sn e t w o r kc o d i n ga n dp r e c o d i n gt e c h n o l o g yt oj o i n td e s i g n i nt h er e l a yn o d e s ，n o to n l ya l l o w sf l e x i b l ec h a n g e si nn e t w o r kt h r o u g h p u t , b u ta l s o f u r t h e ri m p r o v e ss y s t e mp e r f o r m a n c e f o rt h ew i r e l e s st w o w a yr e l a yc h a n n e l ( t w r c ) ，w h e r et w os o u r c en o d e s e x c h a n g ei n f o r m a t i o nt h r o u g ha na s s i s t i n gr e l a yn o d e b ya p p l y i n gt h ea n a l o g u e n e t w o r kc o d i n g ( a n c ) ，e a c ho fs o u r c en o d e sc a n c e l st h es o - c a l l e d s e l f - i n t e r f e r e n c e ” i nt h er e c e i v e ds i g n a la n dt h e nd e c o d e st h ed e s i r e dm e s s a g e t h i sp a p e ra n a l y z e st h e a n c b a s e db e a m f o r m i n ga tr e l a y w ep r e s e n tt h em m s eb a s e dn e t w o r k c o d i n g - b e a m f o r m i n gc o m b i n a t i o ns t r u c t u r e ，w h i c hr e d u c e st h ec o m p l e x i t yc o m p a r e d 、i mt h eo p t i m a lb e a m _ f o r m i n gp r o g r a m s ，a n di m p r o v e ss y s t e mp e r f o r m a n c ec o m p a r e d 诵t hs u b - o p t i m a lb c a m f o r m i n g k e y w o r d s ：m i m o n e t w o r k c o d i n g n e t w o r k p r e c o d i n g b e a m f o r m i n g t w o - w a yr e l a yc h a n n e l 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，本人承担一切相关责任。 本人签名：釜瘦趣 魄 鲨丝：三：! 兰 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： 彦缛琵 日期 导师签名：乡参象友 日期 砂肜，；c 1 7 第一章绪论 第一章绪论 本文首先阐述了无线通信的发展现状以及无线通信中的一些关键技术，然后 介绍了网络编码在m i m o 中继传输中的应用，其次讨论了传统的无线双向信道传 输方案，最后给出了本文的主要工作和以后章节的安排 1 1 引言 进入2 l 世纪以来，随着无线移动用户数的急剧增加、用户对各种实时多媒体 业务需求的不断增长、以及互联网技术和各种尖端无线通信技术的迅猛进步，无 线通信以前所未有的速度向前发展。截至2 0 0 9 年5 月，仅中国就有超过6 8 亿移动电 话业务，而在全世界范围内，移动电话数目已经远远超过固定电话数目。目前， 无线通信己经成为世界上最具活力的产业之一，无线通信产业的迅速增长驱动了 无线通信技术的发展和创新，到目前为止，人类已经开发出许多的无线通信系统， 例如，卫星通信系统、蜂窝通信系统、无线寻呼系统、短波通信系统、微波通信 系统等。 相对传统的无线通信系统，4 g 无线通信系统对数据传输能力提出了更高的要 求，普遍的共识认为，4 g 无线通信系统的峰值传输速率在用户高速移动时可达到 1 0 0 m b i t s ，在用户静止或低速移动时可达虱 1 g b i t s s 。然而，频谱资源总是有限的， 如何高效地利用有限的无线频谱资源，提供高速率、高性能的数据传输能力是4 g 系统设计中必须解决的一项关键而艰巨的任务。 多输入多输出( m i m o ) 技术作为近年来无线通信领域中一项突破性的技术， 在无线通信系统收发两侧同时配置多个天线，通过充分利用信道的空间特性，可 以在不增加频谱和发送功率的条件下，显著地提高系统容量【l 】及通信质量，已经吸 引了人们广泛的研究兴趣。在m i m o 提出后的短短几年时间内，随着贝尔实验室基 于b l a s t e l l 3 1 ( 贝尔实验室分层空时) 技术m i m o 系统的演示成功、及其在各种无 线通信国际标准中不断地崭露头角，人们有足够的理由相信，该项技术将成为下 一代无线通信系统中的一项关键技术。 近年来兴起的网络编码技术在无线通信中具有较好的应用前景，网络编码思 想突破了传统数据传输的固定模式，除了提高可达传输速率外，还在资源消耗、 负载均衡、管理、网络健壮性等方面带来了好处。特别是在中继传输方案中，在 网络编码技术基础上能够提出更多更好的中继传输方案，进一步提高系统性能。 本论文结合西安电子科技大学在国家“8 6 3 计划中所承担的“多播网络传输 2 m i m o 中继信道的网络编码技术 中的网络编码技术研究 课题任务，对其中与m i m o 中继信道有关的关键技术进行 分析和研究。 1 2 网络编码在m i m o 中继传输中的应用 在现有通信网络中，网络节点只是对接收到的信息进行存储和转发，扮演着 转发器的角色。但是从信息理论的观点可知，网络节点可以通过对多条输入链路 上收到的数据信息进行一定的线性或非线性处理( 编码) ，来提高网络的吞吐量， 网络编码正是基于这种思想而提出的。 1 2 1 网络编码的概念 2 0 0 0 年，香港中文大学的r a h l s w e d e 等人在i e e et r a n s i t 上发表了一篇题为 “网络信息流”1 4 1 的文章，这篇文章为我们提高网络的传输容量指明了一个新的发展 方向，他们从信息论的角度出发，严格证明了：网络编码可以帮助我们达到通信 网络的最大容量，从而最大限度的利用网络的现有资源。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式，它现在己是通信网络研究领域中的一 个新的研究热点。 像很多基本的概念一样，网络编码1 4 1 也是基于一个很简单的思想，即在网络的 中间节点上对接收到的信息进行一定形式的编码处理，然后再传输出去，信宿节 点通过一定的处理方式，译出信源所发的信息。网络编码不但可以用在组播通信 网络中而且还可以用在非组播网络中以提高网络容量【5 j 。另一方面，网络编码在提 高网络的通信容量的同时，在负载均衡【6 j 、降低能量消耗等方面也有不容忽视的作 用。 图1 1 是网络编码中经典的网络图。图中箭头代表有向链路，假设每条链路容 量为“l ”，信源节点s 向接收节点y 和z 同时发送两个比特信息b l 和b 2 ，图1 1 ( a ) 中采 用传统的广播技术，节点s 分别向节点t 和u 发送b l 和b 2 ，节点t 和节点u 再分别将接 收到的数据转发给其他节点。图1 1 ( b ) 则采用了网络编码技术，中间节点w 将两条 输入链路上收到的信息b l 和b 2 进行线性编码，得到b lo6 2 ，然后送出。在接收节 点y 处根据接收到的b 1 和b l a b 2 ，即可恢复出来b 2 。同样在接收节点z 处也可以恢 复出b l 。由于不需要排队，每个接收节点在单位时间可以收n 2 个比特，即此时的 编码增益为3 3 ，并达到了广播的最大流量。 第一章绪论 图1 1 网络编码原理图 根据网络中所有节点是否对其输入信息进行线性操作分为线性网络编码t 7 1 1 8 1 和非线性网络编码；根据网络节点对信息进行操作的系数是否是随机选取的分为 随机网络编码t g t 1o 】和确定性网络编码【1 1 1 。 1 2 2 基于网络编码的中继传输技术 本小节介绍网络编码在中继网络中的研究现状，首先介绍噪声中继中的网络 编码算法，然后介绍物理层网络编码( p h y s i c a l l a y e rn e t w o r kc o d i n g ，p n c ) 算 法，该算法不同于数字比特流上的网络编码算法，中继节点将接收到的已调电磁 波在不解调的情况下，直接进行编码( 加和) 操作，提高网络吞吐量，减少信息 传输时间；其次介绍了可进一步提高网络吞吐量的复数域网络编码( c o m p l e xf i e l d n e t w o r kc o d i n g ，c f n c ) ，并指出基于c f n c 的中继传输能够获得完全分集增益， 且不受信噪比以及所采用的调制方式的限制。 1 2 2 1 噪声中继中的网络编码 噪声中继节点的网络编码操作类似置信传播中的信息处理方法，向目的节点 发送网络编码信息的对数似然比( l l r ) 。考虑如图1 2 所示的无线中继网络模型， 中继节点r 采用网络编码，信源节点墨，s 2n 黼r 的信道存在噪声和信号 衰落。中继节点r 不对信源信息直接进行译码操作，而是采用置信传播算法计算 网络编码信息的l l r ，并发送到目的节点。基本原理如图1 3 所示。 3 4m i m o 中继信道的网络编码技术 ( a )( b ) 图1 2 噪声中继采用置信传播算法实现网络编码 假设信源s 和岛是两个独立的二进制随机信源，具有相同的0 、1 分布，所有 信道为高斯信道，且网络是对称的：从信源到中继节点的两个信道，具有相同的 信道状态，从信源到目的节点两个信道状态也相同。采用卷积编码对信息进行编 码，中继节点更需进行如下操作： ( 1 ) 中继节点采用b c j r 算法对信源信息进行译码，得到其l l r 。图1 3 所示 系统模型中，厶和厶分别表示来自s 和& 信息的l l r 。 ( 2 ) 对信源s 码字的l l r 信息进行交织操作，从而减少目的节点d 接收到的 3 个不同信息之间的依赖性。 ( 3 ) 采用如下公式计算网络编码信息的l l r 厶_ l 。d 筹】 ( 1 1 ) 图1 3 系统模型 目的节点d 接收到三个不同信息：乃= 妒“) + ，儿= 妒k ) + 以及 非= k + 肋，并采用迭代译码算法进行译码。图1 4 给出了两个卷积译码器之 间信息的迭代译码操作。 第一章绪论 图1 4 卷积译码器之间信息进行迭代译码 如果中继信道条件很差，上述译码器成为两个独立的卷积译码器：否则，当 中继信道条件和网络编码信息的l l r 很好时，该译码器成为一个简单的t u r b o 码 译码器。 1 2 2 2 物理层网络编码 考虑两信源通过中继节点交换信息，在无线网络进行信息交换的网络编码方 法基础上，提出了物理层网络编码( p n c ) 。不同于数字比特流上的网络编码算法， 中继节点将接收到的已调电磁波在不解调的情况下，直接进行编码( 异或) 操作， 提高网络吞吐量，减少信息传输时间。 时隙1一时隙2 图1 5 物理层网络编码 假设节点l 和3 通过中间节点2 交换信息s 和墨。假定所有信号的时间、 载频和相位均同步，所有信号采用q p s k 调制，s 和s 的q p s k 调制信号墨( ，) ， f = 1 ，3 具有相同的相位和频率。根据图1 5 所给原理框图，p n c 按照以下步骤完 成： 首先，节点l 和3 在时隙l 将q p s k 调制信号墨( f ) ，江1 , 3 同时发送到中继 节点，对接收到的两个q p s k 调制信号直接进行加和操作，得到和信号 吒o ) = 置( f ) + 毛o ) = hc o s 缸) + b ls i n ( c o t ) i + ac o s 缸) + 6 3s i i l 似) 】 ( 1 2 ) = h + 口3 ) c o s ( & 玎) + ( 6 l + b 3 ) s i n ( c o t ) 5 6 m i m o 中继信道的网络编码技术 其中a j 和b ，是节点m 的q p s k 调制信息比特，是载波频率。节点，收到两个 信号，同相信号i = 口i + q 和正交信号q = a + 反。 然后，节点2 得到和信号吃o ) = ( 口。+ 口3 ) c o s ( 耐) + 瓴+ b , ) s i n ( t o t ) ，根据表1 1 所给的调制解调映射关系，在时隙2 将信号s ，( f ) ：a 2 c o s ( 矗) + b e s i n ( 耐) 发送到节 点l 和3 。 最后，l 和3 通过q p s k 解调，得到信息比特s 9 ) 和s 夕) 。由于s y = s f 7 ) os ! ， s 罗) = s ：q ) o s 夕) ，l 和3 通过反操作( 异或) 分别得到s ，和，实现信息交换。 p n c 只需两个时隙，比直接网络编码减少一个时隙的时间消耗。 表1 1 给出p n c 采用的具体q p s k 调制解调映射方案，得到节点l 和m 在 g f ( 2 ) 域上的数字比特编码( 异或) 调制结果。q p s k 信号实际上是两个b p s k 信号 的叠加。表1 1 中，j ( ，) o ，l 表示，节点发送信号的同相信息比特，a _ l ，l 表 示的b p s k 调制信号，a i = 2 $ 一1 。正交信息比特与同相信息比特具有相同 的调制解调映射关系。 节点2 的解调映射 节点l 和3 的调制映射 输出输入 节点2 的调制映射 输入输出 输入输出 霹7)毋)。口2 口l口3口l + 口3 lll201 0l- ll0ll 0110lll 1120100 第一章绪论 c ：强犯：) 一 、- ：强觳：，一 躇黠=r 可寸隙芝t ! 一片隙! 一一r ：时隙2 i 一一 r 一一一一一一一1 ( a ) 传统中继 ( b ) 基于g f 下i c 的中继 ( c ) 基于c f n c 的中继 图1 6 中继传输方案 为进一步提高网络吞吐量，w a n g 提出了复数域网络编码( c f n c ) 的概念。 不同于g f 上的网络编码( g a l o i sf i e l dn e t w o r kc o d i n g , g f n c ) ，c f n c 不仅能够 获得l 2 符号借源时隙( s y m s r r s ) 的吞吐量，还可获得完全分集增益，且不受 信噪比以及所采用调制方式的限制。另一方面，c f n c 不仅可实现多个信源节点 向公共目的节点传输信息，还可实现多个信源之间的信息交换。 首先考虑如图1 6 所示的( 2 ，1 ，1 ) 无线中继网络，每个节点有一根天线，两个信 源s 和墨直接或者通过中继节点r 向目的节点d 发送信息。 为避免冲突，传统的中继传输方案中，信源s 和是采用正交信道( 时分多址 信道) 传输信息，如图1 6 ( a ) 所示，信源s 在时隙l 向中继r 和目的节点d 发送 信息五。中继节点只对而进行检测得到毫，并在时隙2 转发给目的节点d 。类似 地，信源& 在时隙3 和时隙4 分别直接或者通过中继节点尺向目的节点发送信息。 因为每个信源传输一个符号需要4 个时隙，网络吞吐量为1 4s y m s c r s 。由于目的 节点d 两次接收到信息x a 和毛，该中继传输方案获得了2 阶分集增益。 图1 6 ( b ) 给出了基于g f n c 的合作传输模型，中继节点在前两个时隙对信息而 和而进行检测得到毫和龟，在时隙3 将g f 上的编码符号毫。叠：发送给目的节点 d 。容易得到g f n c 的吞吐量为1 3s y m s f f s 。当信道不存在传输错误时，d 在 时隙l 接收到信息五，在时隙2 和3 通过对接收到的符号进行g f 上的x o r 操作 得到而= x 2o ( 五。而) 。类似地经过3 个时隙，节点d 同样得到信息而的两个检 测值，因此基于g f n c 的合作传输方案也获得2 阶分集增益。 基于c f n c 的合作传输方案如图1 6 ( c ) 所示。在时隙l ，中继节点尺同时接收 来自信源s 和s 的信号b 五和良矗，系数0 1 和吼属于复数域。在时隙l ，节点尺和 d 接收到符号 y s r = b r o i x l + k ：r 吼恐+ ，k ( 1 3 ) y s o = b d q 墨+ k j d 见毛+ ，奶 ( 1 4 ) 其中c n ( o ，仃；) 表示信道衰落系数，嘞c n ( o ，o ) 表示高斯噪声。在中继节点 7 8m i m o 中继信道的网络编码技术 尺进行最大似然检测 g ，岛k = a r g ，嚣舞。6 一砖。r q 而一h s z r 岛吃0 2 ( 1 5 ) 中继节点r 采用链路自适应重构( l a r ) ，该方案在分集、复杂性以及功率效率方 面，具有更好的性能。 采用l a r 中继方案，在时隙2 目的节点d 接收到符号 = a p 。毫+ 如之) + ( 1 6 ) 其中c n ( o ，仃乞j ，刀r d c n ( o ，n o ) ，o t 表示链路自适应测量系数，控制中继 节点晨的传输功率。通过链路足寸d 的信道训练，节点d 得到参数口，采用 ( 1 4 ) 和( 1 6 ) 式中的信息进行最大似然检测： g ，五) d = 鹕鹦 i | 一h s i 。1 9 l 而一h s , 。岛屯1 1 2 + l y 肋一k 厄 而+ 吼屯2 ( 1 7 ) 可以看出，( 2 ，l ，1 ) q a 继网络采用c f n c 可以获得1 2s y m s f f s 的吞吐量。c f n c 不 仅能提高网络吞吐量，当信噪比充分大时，c f n c 能够降低符号错误概率。 在复数域网络编码中，存在有序对“，屯) 和“= o , x l + 吼j c 2 之间的一对一映射， 当毛而时，q t 0 2 x 2 q x 2 + d 2 x l 。该映射关系基于 ，实现了对信息x 1 和x 2 的 检测。由于该特性对而和奶的x o r 操作不成立，即五x 2 = x 20 而，g f n c 无法 获得c f n c 所获得的网络吞吐量。 1 3 无线双向中继信道的传输模式 本节详细介绍了基于无线双向中继信道【1 2 1 的几种信息传输模式：传统传输模 式，直接网络编码模式和两时隙传输模式。 1 3 1 传统传输模式 在传统的无线网络中，一般将同时传输的信号产生的叠加信号认为是干扰信 号，为了避免干扰，两个源节点一般不在同一时隙传输信息。图1 7 是无线双向 中继信道的传统信息转发模式，在这个方案中，两个源节点首先分别占用一个时 隙将信息帧s ，s 发送到中继节点，中继节点然后再分别占用二个时隙将信息s ， s 转发。因此，传统的传输方案需要四个时隙来交换两帧数据，中继转发效率为 r 曲= 屯= 1 4 。可以看出，这种转发模式的效率是比较低的，我们需要寻找新的 中继转发模式。 第一章绪论 时隙1一时隙2 一时隙3 时隙4 图1 7 无线双向中继信道传统传输模式 1 3 。2 直接网络编码模式 由于双向中继信道中网络编码技术的引入，我们可以将传统传输模式中所需 的时隙数减少，在3 个时隙内完成信息的交换，同时无线网络中具有的广播特性 在直接网络编码方案【1 3 】1 1 4 j 中得到了较好应用，它的传输方式如图1 8 所示，在前 两个时隙，两个源节点分别将信息帧s ，是发送到中继节点，中继在接收到信息 帧s ，s 后，将s ，& 的信息进行模二和，得到一个经过网络编码的数据帧s r ， 即& = so & ，并在第三个时隙中继将网络编码信息& 广播给两个源节点。当源 节点口接收到& 后，可以将s r 和本地信息s 进行模二和恢复出源节点6 的信息， 即：& o s = so 墨os = s 2 。用同样的方法，源节点b 可以恢复出信息& 。因 此，直接的网络编码方案需要三个时隙进行交换两帧数据，系统的转发效率为 尺柚= 氏= 1 3 。这个方案比传统的传输方案的网络吞吐量提高了3 3 。但是，这 个方案主要将网络编码应用于上层技术中，而没有考虑诸如调制和信道编码等底 层技术。 。 时隙l ：二：；s 2 ： 一一锦一一- u 一时隙2 一一一时隙3 图l ，8 无线双向中继信道的直接网络编码方案 1 3 3 两时隙传输模式 为了进一步增大中继网络的容量，无线双向中继信道的一些传输方案在两个 时隙内即可完成一次信息的交换，如图1 9 所示。第一个时隙，源节点a ，b 同时 传送信息到中继足；第二个时隙，中继r 将接收的叠加信号转换为两个源节点信 息的网络编码信息，再广播到两个源节点。上文介绍的物理层网络编码i l5 】方案即 为一种两时隙传输模式，另外多址接入【1 6 j 模式同样是一种两时隙传输模式，中继 节点首先根据接收的叠加信号分别译码得到s ，是，再将s ，& 模2 和得到so 进行编码转发。 9 1 0m i m o 中继信道的网络编码技术 时隙1一时隙2 图1 9 无线双向中继信道的两时隙传输方案 1 4 本文研究内容及安排 本文对m i m o 中继信道的网络编码技术进行了研究，主要对基于网络编码， 预编码的中继传输方案进行了研究，分别研究了在m i m o 中继信道模型以及无线 双向中继信道模型下的传输模式，改进了传统中继传输方案，在m i m o 中继信道 下提出了一种新的中继传输方案，即网络预编码方案，在中继节点实现了网络编 码和预编码的联合设计，较好的提高了系统性能；接着针对t w o w a y 系统研究 其在模拟网络编码下中继的波束成型方案，提出了一种新的基于最小均方误差波 束成型的放大转发方案，在保证系统性能损失不大前提下，降低了算法的复杂度。 本文的具体内容安排如下： 第一章首先阐述了无线通信的发展现状以及无线通信中的一些关键技术，然 后介绍了网络编码在m i m o 中继传输中的应用，其次讨论了传统的无线双向信道 传输方案，最后给出了本文的主要工作和以后章节的安排。 第二章介绍了m i m o 预编码技术，首先介绍了信道信息获取及模型，然后分 别对预均衡技术，有限反馈预编码以及t h p 非线性预编码进行简要介绍，指出了 预编码技术对系统性能提高所起到的作用。 第三章针对m i m o 中继信道提出了网络预编码技术并对其进行了研究，分析 了其原理以及具体步骤，并通过仿真验证了其相对于传统中继传输方案的优越性， 比较了它们之间的性能差异。 第四章对无线双向中继信道波束成型技术进行了研究，首先介绍无线双向系 统模型，然后分别介绍了基于模拟网络编码的现有最优及次优联合网络编码一波 束成型方案，并提出了基于最小均方误差联合网络编码一波束成型方案，通过仿 真比较了它们之间的性能，并重点指出了m m s e 联合网络编码一波束成型方案的 优越性。 第五章总结全文，并对下一步还需要做的工作提出意见和建议。 第二章m i m o 预编码技术研究 第二章m i m o 预编码技术研究 在无线通信系统中使用多天线技术能够带来明显的系统增益，如果发射端能 获得信道信息并将要发送的信号进行预编码处理，系统性能将得到更大幅度的提 高1 刀本章介绍了m i m o 预编码技术，首先介绍了信道信息获取及模型，然后分 别对预均衡技术，有限反馈预编码以及t 肿非线性预编码进行简要介绍，指出了 预编码技术对系统性能提高所起到的作用 2 1 信道信息及其建模 由于无线信道经历了复杂的传输环境，无线通信系统中一般存在多径衰落、 多普勒频移等的影响。在m i m o 系统中，收发端之间存在多个链路，信道环境则 表现为矩阵信道，如果发射端能获得信道信息，并加以利用，系统性能将得到很 大幅度的提高。例如，在一个4 发2 收的多天线系统中，若发射端利用信道信息， 能在信噪比为5 d b 时提高一倍信道容量，在信噪比为5 d b 时信道容量能增加 1 5 b p s h z 。本节将对信道信息的获取以及信道建模做简要介绍。 2 1 1 信道信息获取 在传统无线通信过程中，在接收端可以采取信道估计的方式直接获取信道信 息。而信号一旦进入信道，发射端只能通过间接的方式获取该状态下的信道信息。 幸运的是，现在的通信系统为全双工系统，因此发射端可以利用信道的对等性获 得信道信息，或者通过接收端反馈的方式获取。 信道对等的含义是，从天线a 到天线b 与天线b n 天线a 所经历的信道完全或者 近似相同，如图2 1 所示。但由于前向链路与反向链路不可能同时使用同一频率， 使用这种方法只能获得近似相同的信道信息。采用信道对等方式获取信道信息通 常在时分双工( t i m ed i v i s i o nd u p l e x i n g ，t d d ) 的系统中应用。 一一a 乃 发送端接收端 ab 图2 1 采用信道对等方式获取信道信息 另种获取信道信息的方式是通过反馈机制，如图2 2 所示，接收端b 将通过信 1 2 m i m o 中继信道的网络编码技术 道估计方式获得信道信息，并通过反向链路回传给发送端a 。这种方式不受需采用 同种频率和天线空间分布相同等苛刻条件的限制，且所获取的信道信息更加精确 但是会占用一定的反向链路资源，同时还会带来反馈延迟。在频分双工( f r e q u e n c y d i v i s i o nd u p l e x i n g ，t d d ) 系统中通常使用反馈的方式获取信道信息。 发送端h接收端 ab ，反馈 i 2 1 2 信道信息模型 图2 2 采用反馈方式获取信道信息 在本论文中，我们假定接收端采用理想信道估计，可以得到无延迟、无错误 信道矩阵h = 阮j r x 。如。发射端获取的无误、无延迟的信道信息日称为完美信道信 息。 而由于接收端反馈时存在误差和延迟，发射端所获得信道信息詹称为部分信 道信息。 詹= p 日+ ( 1 一p 归( 2 1 ) 其中p 为时间相关因子，是反馈延迟s 和信道多普勒频移厶决定，p = j o ( 2 您f d ) 。j o 为一类零阶贝赛尔函数1 1 3 1 ；h 为错误信息。 2 2m i m o 预编码简介 图2 3 是一个通用的预编码框图。其中，a 为发送符号，信道的输入用x 表示， 预编码操作可以是线性的，也可以是非线性的，f 为接收端进行的额外的处理。 预编码在很多系统中都存在，如o f d m ，m i m o 系统等。 图2 3 通用预编码系统的框图 要进行预编码，首先发送端必须要已知信道状态信息( c s i t ) ，才能进行。 所以预编码并不适用于所有的信道模型。在多址接入信道中( 上行链路) ，各用 第二章m i m o 预编码技术研究 1 3 户不能协同处理，限制了预编码的使用；而在广播信道中( 下行链路) 可使用预 编码方法( 虽然各用户的信号检测方法可能不同) 。 预编码技术本质上是自适应系统的一种特殊情况。m i m o 自适应系统，是指通 信系统的发送端根据不同的c s i ，做出选择不同空时传输技术的策略：如选择 b e a m f o r m i n g ，p r e c o d i n g ，s t b c ，b l a s t 或多者( 如s t b c 与p r e c o d i n g ) 的结合使用 等。选择的标准非常多样，这也构成了发送策略的多样性，最常用的两个标准是 容量标准和b e r 标准。同时，不同的m i m o 传输技术对信道反馈量的要求也不同。 而c s i 的选择需要根据具体的信道条件和传输时要求达到的q o s 来决定。如对于发 送端不知c s i 条件下，会采用s t b c 或v b l a s t 。而到底选择谁，又取决于另一个 标准：此时是为了提高传输的数据率还是为了获得更好的b e r 性能。 预编码传输方案的一个很主要的应用条件是慢衰落信道，即信道变化要慢于 几个符号周期。这样，通过反馈，发送端才能获得准确的c s i t 。当信道变换较快 时，预编码方案会受到很大的折扣，反馈信息的不准确甚至会导致性能的恶化。 此时的选择是反馈很少的信息，使得发送端决定是选择s t b c 还是v b l a s t 。实际 上，目前的很多标准都是如此假设。如在3 g 的w c d m a 标准中，反馈信道的速率 定为1 5 k b p s 。 当c s i t 不可得时( 如用户高速移动中) ，最佳的m i m o 发送方案就只能根据 信道的c s i r ，来选择s t b c 还是v b a l s t 来达到一定的有效性与可靠性的折中。 3 g p p 的r e l 7 中提出对下行链路采用的就是根据接收端的长时s n r ，来选择在发送 端是采用分集还是复用。 当c s i t 可得时( 如低速移动的情况) ，就可以通过反馈进行预编码，进一步 改善系统的性能。目前主要的预编码方式都是基于线性的，它是对发送符号作线 性变换。此外，还有非线性的预编码方案，它会对发送符号作非线性变换。 i t x 图2 4m i m o 系统预编码示意图 离散平坦衰落的m i m o 系统线性预编码模型为： y = h f x + 一( 2 2 ) y 为接收端收到的符号向量，x 为发送端的符号向量，日为信道矩阵，f 为 1 4m i m o 中继信道的网络编码技术 预编码矩阵。本章后几节将详细介绍各种m i m o 预编码方案。 此外，将预编码技术进一步推广，可认为天线选择( a n t e n n as e l e c i o n ) 与o f d m 也是一种预编码。 2 3 线性预均衡技术 图2 5 为线性预均衡的结构框图，在发射端等价于线性均衡方法的就是线性预 均衡，是发射端完全已知信道信息下的理想预编码方法。 2 3 1 迫零线性预均衡 图2 5 线性预均衡结构框图 在迫零【1 9 】情况下，其相应的发射为： x = 忍 ( 2 3 ) 且有 f = 胆。1 ( 2 4 ) 于是可以得到： 少- 口+ 言疗 ( 2 5 ) 在接收端。标量卢满足发射功率约束，即 声2 而# 研 肛1 f 蒜桶 亿6 ) 该卢值在接收机端通过自动增益控制机制来实现。对于某些比较恶劣的h ，卢值 可以选择的非常小，这等效于较低的s n r ( 对于s v d 机制，这个因子没有必要， 因为发射处理仅仅包括一个正交矩阵，不会改变发射信号的功率) 。 由于线性预均衡以同样的方式处理所有的子信道，因此子信道增益具有相同 的统计并且该传输系统不能从空间加载中获得增益。对于功率放大因子卢2 的线性 迫零预均衡与噪声增强因子是l p 2 的线性迫零检测，二者的差错率曲线实际上是 一样的。因此虽然消除了信号之间的干扰，但是往往会造成噪声的放大，从而整 第二章m i m o 预编码技术研究 个系统的性能并不很好。为此人们提出了m m s e 预均衡。 2 3 2m m s e 线性预均衡 1 5 类似于m m s e 检测，我们也可以找至t j m m s e 发送滤波器。当然发送滤波器也要 满足一定的功率约束条件。 砧a r g m i n e p ( h f a + 疗) 一刖 ( 2 7 a ) s ”b j e c t t o e l 刊1 2 ：肪： ( 2 7 b ) 标量卢是发射功率保持不变。其最优解为： 户= p f 一 ( 2 8 a ) 瑚p + 甜 ” 声2 而而 ( 2 - 8 c ) 基于m m s e 的线性预均衡算法通过m m s e 准则选取预均衡矩阵f ，与直接采 用信道状态信息矩阵的逆矩阵构成预均衡矩阵的z f 线性预均衡算法比较，预编码 性能有所改进。 线性预均衡不需要对接收信号进行联合处理，因此该方法非常适合用于点到 点系统或者广播系统中。 2 3 3 基于奇异值分解的发射机制 一种比较直接且在信息论意义上是最优的发射机制如图2 6 所示。该机制需要 发射端和接收端进行联合处理，这就意味着该方法只能用于集中系统中，比如点 到点的m i m o 系统。 图2 6 基于奇异值分解的m i m o 传输系统 假设发送端完全已知信道信息，此时最优预编码矩阵为信道的右奇异矩阵， 即对信道矩阵进行奇异值分解可得到： 1 6 m i m o 中继信道的网络编码技术 h = u z v 月 ( 2 9 ) 其中( ，、y 为酉矩阵，为对角矩阵，对角线上的元素为信道矩阵的奇异值，则理 想预编码情况下，预编码矩阵w = v 。 接收端接收到的经过预编码后的信号为： ，= h w s + 拧= - v s + 刀 ( 2 1 0 ) 在接收端检测时乘以矩阵u 得： u h r = u h 骶+ u h n = u h u e v h v s + u h n ：x s + u h n ( 2 1 1 ) 从上面的公式可看出，在理想预编码情况下，经过预编码处理后( 发送端乘 以y ) ，接收端检测时乘以u ，此时信道矩阵日就等效成为，由于为对角矩 阵，也就是说两个数据流之间完全没有干扰。这就说明，在理想预编码情况下， 预编码矩阵与信道特性完全匹配，可以消除空间复用中数据流之间的干扰。与不 采用预编码技术相比，可以有效地提高系统吞吐量。 然而在大多数的实际系统中，发送端一般无法完全已知信道状态信息，而只 能获得部分信道信息，这就需要利用下节介绍的基于部分信道信息的有限反馈预 编码的p m i ( p r e c o d i n gm a t r i xi n d e x ，p m i ，预编码矩阵索引号) 选择算法。 2 4 有限信道反馈的预编码技术 2 4 1 系统模型概述 基于码本的有限比特反馈预编码1 2 0 l 技术的基本思想就是：在收发两端都存储 一个相同的码本集合，接收端根据信道衰落信息和当前接收的信号，按照一定的 准则选择最合适的预编码矩阵，并将该预编码矩阵在码本中的索引号通过反馈链 路传给发送端，发送端根据收