（通信与信息系统专业论文）turbo码在无线双向中继信道的应用.pdf

摘要 无线中继网络的物理层网络编码技术，可以在不损失分集增益的前提下提高 协作通信的频谱效率和网络容量。为了进一步改进系统的误比特性能，本文将 t u r b o 码应用于无线双向中继信道模型中，研究了t u r b o 码与物理层网络编码联合 设计的方法。 本文首先构造了t u r b o 码与物理层网络编码在无线双向中继信道的应用模型。 为了实现中继的t u r b o 多用户译码，设计了虚拟t u r b o 编码器，并基于虚拟t u r b o 编码器，给出了多用户t u r b o 码的最大后验概率译码方法。仿真结果显示，联合 t u r b o 译码物理层网络编码方案比基于最小均方误差的物理层网络编码方案有 0 6 d b 的性能增益。 根据虚拟t u r b o 码t r e l l i s 图的特点，提出了对称状态的概念，通过合并对称 状态构造了虚拟t u r b o 码的虚拟简化t r e l l i s 图。仿真结果显示，基于简化t r e l l i s 图的多用户t u r b o 译码可在不损失性能的基础上有效降低中继的译码复杂度。 通过仿真讨论了a w g n 信道下，无线双向中继信道的源节点t u r b o 码的选码 原则：源节点采用相同的t u r b o 编码器，t u r b o 码分量码的反馈多项式尽可能选用 本原多项式。 针对源节点的多阶调制模型，讨论了中继节点物理层网络编码的一般映射准 则和q a m 调制的映射和解映射方法，并具体给出了源节点采用q p s k 调制的映射 方案和中继节点的解调方案。仿真结果显示，基于g r a y 映射的q p s k 调制方案比 基于一般映射的q p s k 调制方案具有更好的性能。 关键词：中继网络物理层网络编码t u r b o 码虚拟编码器 a b s t r a c t c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n si nr e l a yn e t w o r k s ，w h i c hc a np r o v i d ea d d i t i o n a l s p a c ed i v e r s i t yg a i n , h a v ea t t r a c t e de x t e n s i v ea t t e n t i o n s p h y s i c a ln e t w o r kc o d i n gc a n e f f e c t i v e l yi m p r o v et h et r a n s m i s s i o nr a t ea n dt h r o u g h p u to fc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n w i t h o u tl o s so f d i v e r s i t yg a i n i no r d e r t oi m p r o v et h eb e r p e r f o r m a n c eo ft h et w o w a y r e l a yc h a n n e l ，t h ej o i n tt u r b o - p h y s i c a ln e t w o r kc o d ei sd e s i g n e di nt h i sp a p e r w ef i r s tc o n s t r u c tt h em o d e lo ft u r b oc o d ea n dp h y s i c a ln e t w o r kc o d i n gi nt w o w a yr e l a yc h a n n e l av i r t u a lt u r b oe n c o d e ri sc o n s t r u c t e d ，b a s e do nw h i c ht h em a 菇m u n l a p o s t e r i o r id e c o d i n ga l g o r i t h mi sd e r i v e d s i m u l a t i o ns h o w st h i sa l g o r i t h mh a s0 6 d b g a i n t h a nt h em i n i m u mm e a n s q u a r e de r r o rn e t w o r k c o d i n g t od e c r e a s et h ed e c o d i n gc o m p l e x i t y ，w ep r o p o s et h ec o n c e p to fs y m m e t r i c a l s t a t e sa n ds i m p l i f yt r e l l i ss t a t e sf o rv i r t u a lt u r b oe n c o d e rb ym e r g i n gt h es y m m e t r i c a l s t a t e s s i m u l a t i o ns h o w sr e l a yd e c o d i n gb a s e do n s i m p l i f i e dt r e l l i sh a sa l m o s tn o p e r f o r m a n c ed e g r a d a t i o n w ed i s c u s st h es e l e c t i o nr u l e so fs o u r c e s e n c o d c ri na w g nc h a n n e lb ys o m e s i m u l a t i o n sa n dt h ec o n c l u s i o n sa r e ：t w os o u r c e su s es a m et u r b oe n c o d e ra n df e e d b a c k p o l y n o m i a lo ft u r b oc o m p o n e n tc o d ei sp r i m i t i v ep o l y n o m i a l f o rh i g h - o r d e rm o d u l a t i o nm o d e l s ，w ef i r s td i s c u s sag e n e r a lp h y s i c a ln e t w o r k c o d i n gd e m a p p i n gc r i t e r i o n t h e n , t h em a p p i n gs c h e m eo fq p s km o d u l a t i o na n d c o r r e s p o n d i n gj o i n td e c o d i n g d e m o d u l a t i o na l g o r i t h mi nr e l a yn o d ea r ed e s i g n e d s i m u l a t i o ns h o w sq p s km o d u l a t i o nb a s e do n g r a ym a p p i n gh a sm u c hb e t t e r p e r f o r m a n c et h a nb a s e do ng e n e r a lm a p p i n g k e y w o r d s ：r e l a yn e t w o r k sp h y s i c a ln e t w o r kc o d i n g t u r b oc o d e v i r t u a le n c o d e r 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：舀b 拥翁 日期： 珈j d 。fi 7 乙 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： 衄 日期 丝f ! ：! ：! 兰 导师签名：三垒缎日期7 咖朋、 第一章绪论 第一章绪论 本章阐述了数字通信中所面临的一些问题以及现有的一些解决办法，介绍了 无线通信中传统的协作分集技术，讨论了网络编码在协作通信中的应用技术，给 出了本文的主要工作和以后章节的安排。 1 1 引言 未来无线通信系统的目标是能够实现随时随地的任何业务的任意接入，提供 不同服务质量和高速率的多媒体业务。为了实现这一目标，下一代无线系统必须 采用更先进的算法和技术，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，而其中分集技术显得至关重要。 无线信道是一个多径信道，其特有的衰落现象会对信号的传输产生很大影响。 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、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需要解决的首要问题。 减轻衰落影响的有效技术之一就是对独立的衰落信号进行分集合并。分集 ( d i v e r s i t y ) 技术 1 0 , 4 3 】是指将信号的多个副本经过独立的衰落路径提供给接收端的一 类方法。由于独立路径在同一时刻经历深衰落的概率很小，因此经过适当合并以 后，接收信号的衰落程度会减小。目前无线通信中抗衰落的显分集技术包括空间 分集、时间分集、频率分集、角度分集和极化分集等，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m 】。 研究表明，作为一种典型的空间分集技术多输入多输, - p , ( m i m o ) 技术【1 4 】 对无线通信性能有很大的改善，它不仅能够提高通信的可靠性还能够提高通信的 有效性。但是，由于受到移动终端体积、功率、天线位置设置等因素的限制，m i m o 技术很难直接在实际系统应用。 s e n d o n a r i 等人受到中继信道的启发提出了协作分集【5 6 j 的概念。协作分集中具 有信号处理技术的两个用户通过共享对方的天线来传输数据，因此它在每个用户 只有一根天线的多用户通信系统中也能提供发射分集。利用中继节点进行协作通 信，可为移动用户提供额外的空间分集增益来对抗多径衰落的影响，可解决难以 在移动终端安装多根天线的问题，推进了m i m o 技术的实用化，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 2 t u r b o 码在无线双向中继信道的应用 应用于蜂窝移动通信系统、无线a dh o c 网络、无线局域网以及无线传感器网络等 多种场合。 1 2 传统协作分集技术 在中继协作通信中，中继协作有多种分类方式，除了按照通信环境分类，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 次协作即到达目的节点，而多跳协作则是从源发出的信号经过多个阶段的协作后 才能到达目的节点。按照多址方式或信道的正交方式，中继协作也可以分为码分 多址( c d m a ) 、时分多址( t d m a ) 和频分多址( f d m a ) 等实现方式。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。 本节根据中继节点信号处理方式的不同，介绍了传统的三种协作通信方式： 放大转发模式、解码转发模式和编码协作模式。 1 2 1 放大转发模式 放大转发忉( a m p l i f y a n d f o r w a r di n e t l l o 也a f ) ，是指中继节点对接收到的信号 不进行解调和译码，而是直接对收到的信号进行模拟处理后转发。这是采用最早 的一种协作模式。a f 的原理如图1 1 所示，参与协作的中继节点u e 2 ，称为伙伴 节点，对收到的来自u e l 的信号，直接进行发射幅度( 功率) 调整，然后转发给基 站。 图1 1 放大转发模式 假设源节点u e l 发送的信号为x ( 七) ，k = l ，2 ，刀，伙伴节点u e 2 收到相应 信号为y 肚) ，纠，2 ，拧，并向目的节点转发信号： x r ( k ) = p y r ( k - n ) 七= n + l ，n + 2 ，2 n ( 1 - 1 ) 第一章绪论 其中，肋u e 2 处的功率调整因子( 放大系数) 。为保证伙伴节点的功率受限，脏 满足1 8 】 5 跞 ( 1 - 2 ) p 代表源节点的发送功率。a f 方式可以看成是具有两个发射端的重复码，唯一不 同的是伙伴节点将自身接收到的噪声信号也放大并发送到目的节点了。目的节点 通过合并不同时刻接收到的信号，对源节点的发送信号进行估计。 系统输入和输出之间的最大平均互信息，即a f 模式的信道容量为【8 l ： 1 f = 寺l o g 1 + 姗l b1 2 + f ( s n r i k1 2 ，s n r i 1 2 ) ) ( 1 - 3 ) 其中，厂( x ，y ) = 了型鲁。需要说明的是，( 1 - 3 ) 式的f 是在( 1 - 2 ) 式取等号 “t o1 的情况下得到的，因此该式不包含颇。 文【8 】应用中断概率作为指标分析了t d m a 下两用户采用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 译码转发【5 6 1 ( d e c o d e a n d f o r w a r dm e t h o d ，d f ) ，如图1 2 所示，是指伙伴要 先对接收到的信号进行解调、解码( 视是否编码而定) 和估计，然后将数据进行调制 后传输到目的节点。该模式的设计初衷是在伙伴节点处消去高斯白噪声，从而避 免a f 模式中伙伴对噪声功率的放大。然而，伙伴节点采用的解码往往是对接收信 号的非线性变换，虽然可以降低接收噪声的影响，却也会引入衰落使性能受到限 制。再者，若伙伴节点对数据作出了错误的判决，那么这个错误将被进一步传播。 为了避免这种情况的出现，伙伴节点处可以采用循环冗余校验( c y c l i cr e d u n d a n c y c h e c k , c r c ) 技术，对接收到的数据帧进行检查，如果正确就转发给目的端，错误 就将数据帧丢弃。 4 t u r b o 码在无线双向中继信道的应用 u e 】 解码比特 图1 2 译码转发模式 假设源节点u e l 传输信号x ( d ，k = - i ，2 ，甩，伙伴节点u e 2 收到相应信号 “助，对其进行解码及c r c 校验后，得到一个估计信号毫。伙伴节点可以采用重 复编码方法，传输墨( 七) 给基站： 履广一 x r ( k ) f 苦毫( 七一聆)k = n + l ，甩+ 2 ，2 n ( 1 - 4 ) v s 目的端接收到信号朐( d ，k = - i ，2 ，2 n ，并按照某种分集合并方案将两个长 度为n 的子块进行合并。如果不采用重复编码方法，伙伴节点可以将源节点的信 息编码，使之成为与源码字相关却不一定相同的码字，例如进行并行信道编码等。 d f 模式中，伙伴节点可以对整个码字进行完全译码，也可以对逐个符号进行 译码。如果伙伴节点是完全译码的，系统输入和输出之间的最大平均互信息为瞪】： 1 = - 专m i n l o g ( 1 + s n r ib1 2 ) ，l o g ( 1 + s n rk1 2 + s n r ik1 2 ) )( 1 5 ) - 其中，r a i n 函数中的第一项为伙伴节点u e 2 能可靠地对“妨进行译码的最大速率， 第二项为目的节点能准确地对源节点发送的重复信号进行译码的最大速率。当伙 伴节点和目的节点都能无差错地对整个码字进行译码时，两个互信息取到最小。 d f 模式中，系统在高s n r 值时并不能提供分集增益，分集阶数为1 。导致这 种现象发生的原因是：d f 模式要求伙伴节点能完全对接收信号进行译码，这使得 系统性能与源节点到伙伴节点之间直接通信的系统性能相同。 当信源与中继问信道质量较差时，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【9 1 ( 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，文【9 】提出了一种选择译码转发( s e l e c t i o nd f ) 方案，即当信源与中继间的信道瞬 时信噪比较高时，中继才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。 州 第一章绪论 1 2 3 编码协作模式 编码协作【l 们( c o d e dc o o p e r a t i o n , c c ) ，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。编码协作的原理 如图l - 3 所示，参与协作的用户u e 2 将从用户u e l 广播来的信号经过译码以后， 使用另一种纠错码重新进行编码，然后转发给基站。 译码转发模式下，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。 重新编码 校验比特 图1 3 编码协作模式 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h 。为了解决这个问题，文【1 2 】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( s t c c ) 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。 研究表明n 羽，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。 关于编码协作的研究，文【1 3 】中证明了编码协作在慢衰落环境中性能卓越。 s t c c 模式则在快衰落环境中更有效，其原因有二：首先，在快衰落环境下，可以 认为用户的上行信道在两帧中是独立衰落的，这就使用户在第二帧中借用伙伴的 上行信道不会获得任何附加增益。引入s t c c 之后，两个用户的第二帧信息就能 实现很好的空域分集。其次，在第二帧中同时传输自己和伙伴的信息，使两个用 州 6 t u r b o 码在无线双向中继信道的应用 户携手共同对抗不利的用户间信道衰落。 1 2 4 传统协作模式的优缺点比较 放大转发( a f ) 模式是最简单的一种协作方法，伙伴节点的运算复杂度最低， 且在高信噪比时，可以达到满分集增益。然而当用户间信道条件较差时，伙伴节 点主要放大的是接收到的噪声，此时的分集增益不明显。 译码转发( d f ) 模式，协作用户可以在转发前消去高斯白噪声，但是通过使用 c r c 校验防止差错传播，是以牺牲频谱效率为代价的，尤其是在低信噪比时，丢 弃帧会损失一定的能量，从而降低信号接收端的信噪比，采用c r c 校验反而会使 系统性能下降，不如不校验。 a f 和d f 模式都存在重复传输，这导致了信道利用率不高【l 卅。而编码协作( c c ) 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。a f 和d f 模式都假设协作双方均知道用户间的信道状态信息( c s i ) ，这意味着 需要使用特定的信道估计方案，而c c 模式无需估计用户间的信道状况，通过编码 来控制第二步协作，尤其是引入空时编码之后，在性能上有很大优势。c c 模式虽 然相对于a f 和d f 在性能上有优势，但伙伴节点的复杂度最高，因为要先解码后 编码，而且伙伴节点处的信号处理也会导致时延增大。 1 3 网络编码在协作通信中的应用 传统的通信网络节点只对接收到的信息进行存储和转发，扮演着转发器的角 色。但是根据网络信息流中的“最大流最小割”理论，没有理由仅让网络节点的 功能局限于存储和转发。网络节点可以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，然后再发送出去。在接收节点，通过相应的译码运算恢 复出信源所发的信息。网络编码正是基于这种思想产生的。 1 3 1 网络编码的概念 2 0 0 0 年，文献【1 5 ，1 6 】首次将编码的通信方式引入到网络通信，即网络节点对 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( 网络编码) ，同时证 明了在单点对多点的网络通信中，通过节点编码的方式可使信息传输速率达到网 络的最大流量，这一发现为网络通信带来了根本性的变革。但从信息理论的观点 可知，在网络节点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) ，可有效提高网络的吞吐量。 第一章绪论 7 图1 4 是网络编码研究中著名的蝶形网络图，信源节点s 向接收节点t 和u 同时发送信息，中间节点m 将两条输入链路上收到的信息b l 和b 2 进行线性编码( 异 或和) ，取代传统的将信息b l 和b 2 进行排队后逐个发出的路由方法。接收节点t 和u 通过对输入链路上数据的异或运算即可恢复出信源发送的信息。 根据网络中节点对其输入信息进行操作是否线性分为线性网络编码和非线性 网络编码；根据网络节点对信息进行操作的系数选取是否随机分为随机网络编码 和确定性网络编码。 图1 4 网络编码的经典例子 1 3 2 网络编码在无线网络中的应用 无线链路的不可靠性和物理层广播特性非常适合采用网络编码，无线网络环 境应该是网络编码首先被应用的领域。当一个节点传输一个数据包给它的一个邻 居节点时，它的其它邻居节点也可以接收到这个数据包。因此当一个节点的邻居 节点对不同的数据包感兴趣时可以将这些数据包编码后再一起传输。这样可以使 其所有的邻居节点都收到感兴趣的数据包并可以节约无线资源。 目前，基于网络编码的中继技术、协作分集技术以及网络编码和信道编码的 联合设计技术，已经引起了人们的广泛关注，有了大量的研究成果。网络编码对 无线网络的性能改善主要体现在提高网络编码的吞吐量上，尤其是组播吞吐量。 网络编码在提高网络吞吐量的同时会增加网络的复杂性。不少学者在研究提高无 线网络组播吞吐量技术的同时也努力研究降低采用网络编码带来的复杂度的方法 i l7 1 。在网络状况恶劣的条件下，网络编码和路由之间组播吞吐量的差别不大，网 络编码的优势体现在降低网络复杂性上；在网络状况较好的条件下网络编码相对 于路由方法在很大程度上提高了组播吞吐量，这为根据网络状况动态调整网络编 码算法提供了可能【1 8 】。 应用网络编码还可以解决传统路由跨层设计等技术无法解决的问题，提高网 8 t u r b o 码在无线双向中继信道的应用 络性能。 1 3 3 网络编码在协作通信中的应用 为了进一步提高协作通信的分集增益和频谱效率，利用网络编码的协作通信 方案被提出【1 9 1 ，其系统模型如图1 5 未使用网络编码方案 使用网络编码方案 图1 5 ( a ) 利用中继转发的网络编码的协作通信 图1 5 ( a ) 是两个用户使用固定中继站转发的协作分集方式。假设源节点及其伙 伴分别在彼此正交的信道上传输，两个信道的衰落也是独立的。如果不使用网络 编码，虽然可能获得满分集增益，所需要的带宽却是非协作模式的两倍。另外， 在任意一个给定时刻，每个中继站只能协助一个用户发送信息，若有多个用户同 时请求一个中继站协作，它们只能排队等待，逐一进行。相反，如果使用网络编 码，不仅可以达到满分集增益，而且中继站能同时为两个或多个节点提供协作。 最简单的，使用线性网络编码，节点a 和b 分别发x l 和x 2 给基站，而伙伴节点发 送x l t 鲁) x 2 给基站，o 表示逻辑“异或 。这时，如果节点a 传输失败，基站可以通 过x l o 娩ox 2 恢复x i 。同理，只要x “g x 2 和x l 被正确接收了，也可以恢复耽。 第一章绪论 9 图1 5 ( b ) 用户之间利用网络编码的协作通信 图1 5 利用网络编码的协作通信 图1 5 ( b ) 是两个用户互为伙伴的协作分集方式，其工作原理与图1 5 ( a ) 类似， 此不赘述。研究表明，利用网络编码的协作分集能显著降低系统的中断概率【l 9 1 。 因此，利用网络编码的协作分集可以显著提高频谱利用率，而且容易实现， 不会增加多少复杂度。 1 4 本文的研究工作及内容安排 本文结合国家“8 6 3 项目，采用分析与仿真的方法，对无线中继信道的t u r b o 码编码与物理层网络编码的联合设计进行了研究。本文首先分析了无线中继信道 的几种传输模式，然后主要研究了一种源节点采用t u r b o 编码器的中继联合t u r b o 译码网络编码算法；接着对算法的复杂度进行了简化；最后对源节点采用高阶调 制方法，研究了物理层网络编码的解映射规则，并对源节点采用q p s k 调制，进 行了调制与解调方法研究。 本文的具体内容安排如下： 第二章主要讨论中继网络的几种传输模式，系统地比较了传统传输模式、网 络编码传输模式和两时隙的传输方案性能的优缺点，并对物理层网络编码方法与 信道编码的联合设计进行了介绍。 第三章针对无线双向中继信道的物理层网络编码的传输方案，提出中继节点 t u r b o 译码与物理层网络编码联合设计的方法。首先，基于两个源节点编码器设计 了一种虚拟的t u r b o 编码器。其次，根据设计的虚拟t u r b o 编码器，设计了中继译 码方法。 第四章对于无线双向中继信道两个源节点采用相同t u r b o 码的情况，构造了 虚拟n 曲o 编码器的简化虚拟t r e l l i s 图；最后根据做出的一些仿真结果，得到了 源节点编码器的经验性选码原则。 1 0 t u r b o 码在无线双向中继信道的应用 第五章首先研究物理层网络编码的多阶调制解调准则，然后详细讨论无线中 继信道中，源节点采用q p s k 调制的映射准则和中继节点的联合译码解调方案。 第六章对全文进行总结，并给出了进一步的研究方向。 第二章无线双向中继信道 第二章无线双向中继信道 无线双向中继信道模型是无线网络通信的基本研究模型。本章分析了无线中 继信道的模型，针对此模型研究了几种具体的信息传输模式，比较了各种传输模 式的性能，讨论了信道编码与物理层网络编码在无线中继信道的联合设计的方法 2 1 无线双向中继信道模型 在无线通信中，如果传输端和接收端的距离比较大，或者信道条件比较差， 那么传输错误概率就会增大，总的容量就会减小。为了解决这个问题，在传输端 和接收端之间增加一个中继进行转发的方案被提出以求提高系统性能。 无线双向中继信道【z o 】首先由s h a n n o n 于1 9 6 1 年提出，它可以看做是一个通信 卫星系统，也是看作是组成无线多跳网络的重要单元。无线双向中继信道的模型 如图2 1 所示，它由两个源节点a 、b 和一个中继节点r 构成，源节点a 、b 不在 对方节点的传播范围内，而中继在两个源节点之间并且在两个源节点的传输范围 内。因此，源节点a 、b 需要通过中继r 交换信。gs l ，s 2 。本文假设所有的节点都 是半双工的，也就是说一个节点不能同时发送和接收信号。 图2 1 无线双向中继信道模型 2 2 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。 2 2 1 传统传输模式 传统的无线网络研究中，一般将同时传输的信号所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2 2 所示为无 1 2 t u r b o 码在无线双向中继信道的应用 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 l ，s 2 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 l ，s 2 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 a b 镏b , = 1 4 。 第一时隙一一一一第二时隙 第三时隙 图2 2 无线双向中继信道传统传输模式 2 2 2 直接网络编码方案 第四时隙 直接网络编码方案 2 1 , 2 2 】应用了无线网络的广播特性，其传输次序如图2 3 所 示。前两个时隙，两个源节点分别将信息帧s l ，s 2 发送到中继节点，中继在接收到 信息帧s l ，s 2 后，将s l ，s 2 的信息进行模2 和，得到一个经过网络编码的数据帧s r ， 即s r _ s los 2 ，并在第三个时隙中继将网络编码信息s r 广播给两个源节点。当源节 点a 接收到s r 后，可以将s r 和本地信息s l 进行模2 和恢复出源节点b 的信息，即： s ros i = s ios 2os i - - - - s 2 。同理，源节点b 可以恢复出信息s 2 。 直接网络编码方案需要三个时隙进行两帧数据交换，系统的转发效率为 心b = 如a = 1 3 。这个方案比传统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，没有考虑诸如调制和信道编码等底层技术。 第一时隙一第二时隙 第三时隙 图2 3 无线双向中继信道的直接网络编码方案 2 2 3 两时隙传输模式 为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只需要两 第二章无线双向中继信道 个时隙来完成两个源节点信息的一次交换，如图2 4 所示。第一个时隙，源节点 如b 同时传送信息到中继r ；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。对于第二个时隙中的“中继将 叠加信号转换成网络编码信息”，有多种转换方法，本文介绍两种具体的传输方 案：多址接入方案和物理层网络编码方案。 第一时隙一第二时隙 图2 4 无线双向中继信道的两时隙传输方案 2 2 3 1 多址接入模式 在多址接入模式中，中继节点首先根据接收的叠加信号分别译码得到s l ，s 2 ， 再将s l ，s 2 模2 和得到s los 2 进行编码转发。中继对叠加信号的分别译码实质上是 一个多址接入【2 3 】问题，中继首先将数据帧s 2 当做干扰信号译出一个数据帧s l ，然 后将译出的s l 信号值从s 2 中减去，译出s 2 。因为s l ，s 2 被精确的译出，所以中继 可以直接将译出的信号s l ，s 2 叠加为网络编码信息s lo8 2 。 2 2 3 2 物理层网络编码方案 由于利用中继帮助两个源节点转发数据，并不需要两个源节点的具体信息s l ， s 2 去形成网络编码信息包s los 2 ，而只需要获得网络编码信息s los 2 即可，而且单 独译出两个源节点的信息去获得网络编码信息也会带来一部分的性能损失。因此， 中继可以根据接收的叠加信息译出两个源节点的网络编码信息。 物理层网络编码【2 4 】就是基于此思想设计的，它将网络编码应用于物理层，可 以直接译出源节点信息比特的网络编码信息。物理层网络编码方案的转发策略如 图2 4 所示，在第一个时隙，源节点b 同时传输信息s l ，s 2 到中继。中继将接收 到的叠加信号通过解映射，译为网络编码信息并在第二个时隙广播给两个源节点。 也就是说，直接的网络编码方案的模2 操作可以通过一个物理层网络编码解映射 实现。 以b p s k 为例，中继节点的物理层网络编码的调制解调方法i z 4 j 如表2 1 所示。 源节点发送信号的可能取值为1 ( 产1 ) 或1 ( x - - ：0 ) ，x 为比特信息。假设中继获得的两 1 4 t u r b o 码在无线双向中继信道的应用 个源节点的信号相位和幅度同步，则忽略噪声的接收信号碌 - 1 ，0 ，l 。 中继希望可以直接获得的两个源节点信息的模2 信息。当两个源节点发送的 信号相同的时候，模2 信息为0 ，中继的接收信号为+ 2 或2 ，因此，当接收的信号 幅度为+ 2 或者2 时，将把信号解映射为0 ；同理，当两个源节点发送的信号不同 的时候，模2 信息为1 ，那么当中继接收的信号幅度为0 时，将信号解映射为l 。 表2 1b p s k 调制，物理层网络编码的调制解调映射 x i x 2s 1s 2y rx r o0112o o11l0l 1011 0l l1ll2o 采用物理层网络编码方案两个源节点交换一次数据需要两个时隙，系统的转 发效率为r a b = r b a - 1 2 。可以看出物理层网络编码方案可以有效提高网络的传输速 率，增大网络的吞吐量。 2 2 4 性能比较 下面对传统传输模式，网络编码传输模式，物理层网络编码编码传输模式这 三种方案的误码率进行分析。 假设源节点发送的每比特信号能量为1 ，噪声为方差为0 2 的a w g n 信道噪 声。中继节点r 向两个源节点a ，b 广播信号的传输误比特率和传统的b p s k 调 制的误码率应该相同【2 5 1 ，为见= q ( 厢) ，q ( ) 为均值为0 ，方差为1 的互补累 计分布函数。这个误码率也和传统传输模式的误码率相同。 下面讨论中继节点r 接收信号的误码率。 直接网络编码传输方案的误码率 中继最终接收的数据帧是两个误码率为见= q ( 扼u o ) 的数据帧的结合。值得 注意的是，联合数据帧当且仅当两个源节点数据比特只有一个错误的时候才发生 错误，如果两个源节点的数据比特都发生错误，则经过模二运算以后，这个错误 就纠正回来了。因此，直接的网络编码方案，中继信号经过模二以后的误码率为： 2 0 ( 4 2 n o ) ( 1 一o ( , 2 n o ) ) 。 物理层网络编码的误码率 根据表2 1 ，中继接收的信号为 2 ，0 ，2 ) ，对应的初始概率为2 5 ，5 0 ， 2 5 。应用最大后验概率准, l , l j l 2 6 ，可以获得如下判决准则： 第二章无线双向中继信道 当接收信号小于判决门限乃= 一l 一华h a ( 1 + l g v 心) ，则判决x 1 - ix 2 为2 。 当接收信号大于托= l + 华l n ( 1 + 1 一p v 0 ) ，则判决x l - ix 2 为2 。 其余的判决为0 。 根据表1 ，当s l 如2 _ 一2 或者s l 如2 = 2 时，x r 解映射为1 。因此，中继的误比 特率( b e r ) 为： 麟2 互11 n 丽1 e 嘴_ y 2 m 圭砖e 啾争 仁， + 互1n ， - 丽1 e 私铲肌三脯e x 畔，办 一 图2 5 比较了采用直接网络编码方案，物理层网络编码方案和传统q p s k 映射 方案，中继节点接收信号的性能【2 4 l 。可以看出，物理层网络编码方案比q p s k 方 案的性能略差，但是比直接的网络编码方案好一些。然而，当信噪比大于1 0 d b 的 时候，三个方案的性能差距小于o 1 d b 。因此，为了简化，可以将这些小的性能损 失忽略，假设中继节点采用物理层网络编码方案与传统的调制方案，直接的网络 编码方案具有相同的误码性能。 图2 5 物理层网络编码与传统b p s k 调制的性能比较 下面讨论以上三种方案端到端( 源节点a 到源节点b ) 误比特率。端到端的误比 特率近似为源节点发送到中继节点的误码率与中继节点广播到源节点的误码率之 和。因为三个方案，从中继到源节点的误码率相同，所以，三个方案端到端的误 1 6 t u r b o 码在无线双向中继信道的应用 码率仅与源节点到中继节点的误码率相关，他们之间的关系与图2 5 的关系相同。 然而，无线双向中继信道模型中交换一个帧，物理层网络编码只需要两个时 隙，而传统传输模式需要四个时隙，直接的网络编码方式需要三个时隙。因此， 物理层网络编码针对传统传输模式和直接的网络编码方式能够分别提高1 0 0 和 5 0 的无线中继网络容量。 2 3 物理层网络编码 由上节可以看出，在无线中继信道直接应用物理层网络编码是一个很有潜力 的技术。物理层网络编码需要根据接收的叠加信号估计两个源节点信息的模二和， 我们将这种估计技术叫做物理层网络编码估计技术。本节将讨论现有的物理层网 络编码的估计技术和在无线中继信道中联合的信道编码和物理层网络编码技术。 2 3 1 物理层网络编码估计技术 文【2 7 给出了基于有限域的两种物理层网络编码估计技术：基于最大后验概率 ( m a p ) 的物理层网络编码估计和基于最小均方误差( m m s e ) 的物理层网络编码估 计。以下详细讨论了当源节点采用q p s k 调制时，中继节点的两种估计方法。 2 3 1 1 基于m a p 估计的物理层网络编码估计 中继节点用最大后验概率估计【2 6 1 ，得到两个源节点的模2 信息而。岛的估计： 而。鹕而。罢群力魄i 五ox 2 ) p ( x 1 ox 2 ) ( 2 - 2 ) 其中p ( x l0 吃) 代表五ox 2 的先验概率，对于q p s k 调制，先验概率为1 4 ： ( 乃i 五0 吃) 代表信道转移概率，由于o 吃的一个值对应几种可能发送的信号 组合，因此，可以将式( 2 2 ) 写为： x 3 = 口0 6 + ( c o d ) 歹 ( 口，6 ，c ，d ) = a r g p ，g 焉箱l 尸w 聊z + 毁一p ) g ( 一m 如+ 砟( 一口) 州( 一一) + 毁一p x g 一所一万) ) ( 2 - 3 ) p p q 删，p ，g ，m ，刀 + 1 ) 是当毛= p + q ，而= m + n j 时，接收到乃的概率。 在a w g n 信道中， m 一刮乃i x a = p + 胍硼例= 击e x p 芦立等塑型 ( 2 - 4 ) 第二章无线双向中继信道 1 7 2 3 1 2 基于 , 6 t s e 准则的物理层网络编码估计算法 另一种物理层网络编码估计方式为最小均方i 吴差( m m s e ) 估计i z 酬。在中继节点 应用该估计方法，可以得到： x 3 = 占 o 吃i 乃) = t p r ( t y 3 ) ( 2 5 ) s 西0 吃i 乃) 是给定乃，而0 砭的m m s e 估计的概率，为： 如。x 2 y 3 = 硝址办t p 酬胪磊i - l 鬻 f 仕l ，f ，厶工- v 3i ， ，。，0 埘( 2 - 6 ) 一1 f ( 口0 6 + 歹( c o d ) ) 4 口 6 ，惫 l p p 帛。， 2 3 2 联合的信道编码与物理层网络编码设计 文【2 8 】指出将物理层网络编码与信道编码联合设计可以获得更为可靠的通信。 在物理层网络编码中使用信道编码有两种形式：端到端形式和链路形式。 端到端形式是指信道编码只应用于源节点，中继节点不使用信道编码与译码。 链路形式是指在中继节点执行信道编码与译码操作。 文 2 8 1 给出了三种的链路形式信道编码与物理层网络编码设计的方法。 假设两个源节点的消息为s i , s ，经过编码以后的信息为五，x 2 ，中继节点接收 到的信号为) ，骨= 五+ 而+ r 。 第一种方法中继节点首先根据接收到的叠加信号) ，。分别译出两个源节点信息 品，s ，将信息进行模2 和得到网络编码信息s 0 s ，后再进行编码转发，这实际上 也是一种多址接入【2 9 3 0 】的方法。 第二种方法中继节点首先根据接收到的叠加信号y 。得到两个源节点网络编码 信息五0 而的一个估计值【3 l 】，该估计值可以通过2 3 1 节的两种方法得到，再将 五。而直接进行信道译码得到s o s ，。 对于第一种方法，中继没有必要单独译出两个源节点的信息，这会产生“过 度译码 ，损失部分信息。第二种方法，中继对接收信号的估计相当于一个“判 决过程，这也会损失部分有用信息。这些问题都是由于信道译码与网络编码方 法不匹配造成的。 因此，文【2 8 】提出了一种匹配信道译码网络编码( m c n c ) 算法，并基于r a 码 重新设计置信传播译码算法实现匹配的联合信道译码网络编码。m c n c 算法分3 个步骤完成，如图2 6 所示。首先，中继节点将接收到的叠加信号) ，。直接译为两 个源节点的“和信息函+ s ，；然后，将“和”信息解映射为网络编码信息品o s ，； 1 8 t u r b o 码在无线双向中继信道的应用 最后，再将网络编码信息重新编码广播到两个源节点