（信号与信息处理专业论文）中继蜂窝网络中的协作分集研究.pdf

i 1 |1j ， 一l 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本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，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论 本人签名： 处，本人承担一切相关责任。 日期：叵：! ! ! ； 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电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北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位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、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位 本人签名： 导师签名： 适用本授权书。 日期： 冱胆! 二f 三 日期：丝1 2 ：主：! 主 k。，i0 卜f j p!ir 中继蜂窝网络中的协作分集研究 中继蜂窝网络中的协作分集研究 摘要 传输的可靠性和有效性是衡量无线通信系统性能好坏的两大指 标。协作分集技术能够克服多径衰落，有效的改善系统传输的可靠性。 网络编码可以提高无线通信系统的资源利用率。因此，如果能够有效 的结合协作分集技术和网络编码技术，将可以改善无线通信系统的总 体性能。 本文主要探讨了在蜂窝网络系统中，如何有效的结合协作分集和 网络编码的优点，在获得分集增益的同时也能获得网络编码增益。首 先提出适用于上行链路的网络编码协作分集方案，核心思想就是赋予 中继具有对来自不同用户的信息进行网络编码的功能。我们给出具体 的接收端译码方法，并且对中断行为进行了分析。仿真结果表明，和 传统的译码协作分集相比，在高信噪比下，网络编码协作分集可以使 用更少的频谱资源，获得更低的中断概率。 接下来，针对下行链路的特点，本文提出多中继的网络编码协作 分集和增强型的网络编码协作分集方案。多中继的网络编码协作分集 方案中，相邻中继对重叠区域内的用户，联合进行网络编码。增强型 的网络编码协作分集方案中，中继节点根据源节点和目的节点以及源 节点和中继节点之间的链路状况，决定是否进行协作通信和协助转发 数据的方式是网络编码转发、译码转发或者放大转发。该方案结合了 网络编码和增强性中继的优点，能进一步提高无线通信系统的可靠性 和有效性。 最后，本文提出基于网络编码协作分集技术的切换方案。在方案 中，我们充分利用网络编码协作分集技术的特点，以增加不多的时隙 资源来完成扇区之间的切换，能够大大降低系统资源和性能指标之间 的矛盾。 关键字：协作分集网络编码中继蜂窝网络切换 北京邮电大学硕士学位论文中继蜂窝网络中的协作分集研究 i l 1 一 ! j 1 l 一 北京邮电大学硕士学位论文 中继蜂窝网络中的协作分集研究 r e s e a r c ho nc o o p e r a t ed i v e r s i t y i nr e l a yc e l l a rn e t w o r k a bs t r a c t t r a n s m i s s i o nr e l i a b i l i t ya n de f f i c i e n c ya r et w ot a r g e t so ft h ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e m c o o p e r a t i v ed i v e r s i t yt e c h n o l o g yc a no v e r c o m e t h e m u l t i p a t hf a d i n g a n di m p r o v et h ee f f e c t i v e n e s so f s y s t e m t r a n s m i s s i o n n e t w o r k c o d i n g c a n i m p r o v et h e u t i l i z a t i o nr a t eo f s p e c t r u m i nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h ec o m b i n a t i o no f c o o p e r a t i v ed i v e r s i t ya n dn e t w o r kc o d i n gc a ni m p r o v et h eo v e r a l ls y s t e m p e r f o r m a n c ed r a m a t i c a l l y t h i sa r t i c l er e s e a r c h e st h a th o wt oa p p l yt h en e t w o r kc o d i n gt h e o r yi n c o o p e r a t i v ed i v e r s i t yt e c h n o l o g y t o a c q u i r e t h e d i v e r s i t yg a i na n d n e t w o r k - - c o d i n gg a i ns i m u l t a n e o u s l y f i r s t l y , w ep r o p o s ean e t w o r k - - c o d e d c o o p e r a t i v ed i v e r s i t yp l a no nu p l i n k ，w h o s ec o r ei d e a i st og i v et h e n e t w o r kc o d i n gf u n c t i o nt or e l a yn o d e w eg i v eo u tt h ec o n c r e t ed e c o d i n g m e t h o da n da n a l y s i st h ei n t e r r u p t i o nb e h a v i o r s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w s t h a tc o m p a r e dt ot r a d i t i o n a lw a y , n e t w o r k c o d e dc o o p e r a t i v ed i v e r s i t y t e c h n o l o g yu s e sl e s ss p e c t r u mr e s o u r c e sa n da c q u i r e sl o w e ri n t e r r u p t i o n p r o b a b i l i t yi n h i g hs i g n a ln o i s er a t e ( s n r ) n e x t ，w ep r o p o s eam u l t i r e l a yn e t w o r k - c o d e dc o o p e r a t i v ed i v e r s i t y p l a na n da ne n h a n c e dn e t w o r k - c o d e dc o o p e r a t i v ed i v e r s i t yp l a n i nt h e f i r s tp l a n ，n e i g h b o r i n gr e l a y si nt h ei n t e r l e a v e da r e am a k ejo i n tn e t w o r k c o d i n gw i t hi n f o r m a t i o n i nt h el a t e rp l a n ，r e l a y sd e c i d ew h e t h e rt o c o m m u n i c a t i o nc o o r d i n a t e l ya n dw h i c hf o r w a r dm o d ew i l lb eu s e d ， n e t w o r k c o d i n gf o r w a r d ，d e c o d i n gf o r w a r do ra m p l i f yf o r w a r d t h i sp l a n c o m b i n e st h ea d v a n t a g eo fn e t w o r kc o d i n ga n de n h a n c e dr e l a y , w h i c hc a n i m p r o v et h er e l i a b i l i t ya n de f f i c i e n c yo f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m l a s t l y , w ep r o p o s e ah a n d o v e r p l a n b a s e do nn e t w o r k c o d e d c o o p e r a t i v ed i v e r s i t yt e c h n o l o g y i nt h en e wp l a n ，w em a k eb e s tu s eo f t h ea d v a n t a g e so fn e t w o r k - c o d e dc o o p e r a t i v ed i v e r s i t y , a n da d dm o r e t i m es l o tr e s o u r c e st of u l f i l lt h eh a n d o v e rp r o c e s sb e t w e e ns e c t o r s ，s ow e i i i !，ij， 北京邮电大学硕士学位论文中继蜂窝网络中的协作分集研究 c a nr e d u c et h ec o n f l i c t sb e t w e e ns y s t e mr e s o u r c ea n dp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y ；n e t w o r kc o d i n g ；r e l a y ；c e l l a r n e t w o r k ；h a n d o v e r i v l ? l 北京邮电大学硕士学位论文中继蜂窝网络中的协作分集研究 目录 第一章 引言1 1 1论文的研究背景l 1 1 1 协作分集的基本原理2 1 1 2 网络编码技术的基本思想3 1 2 论文的选题及意义4 1 3 本文的章节安排一5 第二章网络编码技术在协作分集中的应用6 2 1 传统协作分集机制6 2 1 。1 系统模型6 2 1 2 放大一中继法( a f ) 7 2 1 3 译码一中继法( d f ) 8 2 1 4 编码协作8 2 1 5 空时编码协作1 0 2 2 网络编码技术在协作分集中的应用1 l 2 3 网络编码协作分集技术研究1 2 2 3 1 多源节点与单一目的节点通信的网络编码协作分集1 2 2 3 2 多个传输对系统的网络编码协作分集18 2 4 本章小结2 0 第三章蜂窝网络中上行链路的网络编码协作分集2 2 3 1 系统模型2 2 3 2 上行网络编码协作分集方案设计2 3 3 2 1 集合描述2 3 3 2 2 矩阵描述2 5 3 2 3 接收端译码2 5 3 3 上行链路应用实例：2 5 3 4 中断概率分析2 6 3 5 仿真结果与分析2 9 3 6 本章小结3 1 第四章蜂窝网络中下行链路的网络编码协作分集3 2 4 1 多中继网络编码协作分集3 2 4 1 1 系统模型3 2 4 1 2 多中继网络编码协作分集方案设计3 3 v 北京邮电大学硕士学位论文中继蜂窝网络中的协作分集研究 4 1 3 下行链路应用实例。3 4 4 1 4 仿真结果与分析3 4 4 2 增强型网络编码协作分集3 5 4 2 1 系统模型。3 6 4 2 2 增强型网络编码协作分集方案设计3 7 4 2 3 理论性能分析3 8 4 2 4 仿真结果与分析4 0 4 3 本章小结4 1 第五章网络编码协作分集在切换中的应用4 3 5 1 传统越区切换技术概述4 3 5 1 1 硬切换4 4 5 1 2 软切换和更软切换4 4 5 1 3 接力切换4 4 5 2 基于网络编码协作分集的切换方案描述4 5 5 3 实例分析4 6 5 4 本章小结4 9 第六章总结和展望5 0 6 1 论文工作总结5 0 6 2 下一步工作建议和研究展望51 参考文献5 2 致谢5 7 作者攻读硕士学位期间发表及已投论文5 8 v i 北京邮电大学硕士学位论文 中继蜂窝网络中的协作分集研究 1 1 论文的研究背景 第一章引言 下一代无线移动通信将和以提供语音业务为主的前两代移动通信系统有很 大不同，它将更多的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 用更先进的算法以提高信息传输速率。但是众所周知，无线通道具有的多径衰落 特性是影响无线通信传输速率与质量的重要瓶颈，那么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。 分集技术【1 】可以通过在发射端发射多个信号样本，在接收端合并多个经历独 立衰落的信号样本，以对抗无线信道中的衰落。根据接收信号的样值的结构和统 计特性划分，无线通信中主要有三种分集方式时间分集、频率分集和空间分集。 时间分集利用一个随机衰落信号，当取样点的时间间隔足够大时，两个样点 间的衰落是统计上互不相关的特点，即利用时间上衰落统计特性上的差异来实现 时间选择性衰落的功能。在实现时，需要不同样点的时隙间隔大于信道相干时间， 以保证信号在时域上的独立性。 频率分集利用位于不同频段的信号经衰落信道后在统计特性上的不相关性， 即不同频段衰落统计特性上的差异，来实现频率选择性衰落的功能。在实现时， 需要不同载波之间的间隔大于信道相干带宽，以保证各频率分集信号在频域上的 独立性。 空间分集的基本思想是利用空间上分离的多个发射信号样本或多个接收信 号样本( 多个不相关的通道) 来对抗多径衰落。由于空间分集技术不需要占用额外 的时间和频率资源，并且可以很容易的和其它分集方式相结合，因而更具吸引力。 接收分集技术也即合并技术，就是接收端按某种方式，将分集方式得到的多 个衰落特性相互独立的信号合并输出，从而获得分集增益。常用的合并方式有三 种：选择合并、等增益合并以及最大比合并。选择合并是最简单的合并方式，其 选择所有信号中信噪比最大的一路作为输出；等增益合并，顾名思义，就是等加 权系数合并各路信号；在最大比合并中，每路信号的加权系数与信噪比成正比， 信噪比越大，加权系数越大，对合并后信号的贡献也越大。在三种合并方式中， 最大比合并的性能最好，但是在实际应用中需要对通道的衰落系数进行估计。 传统的空间分集技术【2 卅通过在接收端和发射端同时安置多个天线，形成多 入多出( m i m o ) 信道结构，从而充分利用了空间资源，大幅度提高了信道容量。 然而，在很多场景下，由于大小、成本和工艺等的局限，这种利用多天线结构的 北京邮电大学硕士学位论文中继蜂窝网络中的协作分集研究 传统空间分集并不实用。如手持终端、无线传感器网络中的节点等无线收发设备， 其大小和功率一般都不可能配置多根天线。例如，实际的蜂窝网络中，一般只可 能为基站配置多根天线，以提高下行链路的通信容量和质量。 1 1 1 协作分集的基本原理 为了解决m i m o 技术应用中所遇到的问题，一种新的空域分集技术协 作分集应运而生。协作分集技术允许散布在网络中的终端作为中继节点转发接收 到的信息，通过属于不同终端的天线之间的协作，构成分布式虚拟天线数组来获 取空间分集，从而提高无线通信系统的传输可靠性。协作分集不需要终端配备多 根天线，克服了发送端由于受体积、工艺等多方面限制无法安装多根天线的困难。 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一 d e s t i n a t i o n ，。 u s e r z 图1 - 1 协作分集的基本过程 协作分集技术的最初思想源于m e u l e n 5 - 6 在上世纪六、七十年代提出的三终 端( 源节点、中转节点以及目的节点) 基本转发模型。自2 0 0 0 年以来，研究的侧 重点主要考虑在衰落通道下，转发带来的空间分集增益。协作分集技术允许无线 网络中多个分布在不同地理位置的终端之间进行协作，虽然这些终端均只配备单 根天线，但仍然可利用多条独立衰落通道获取空间分集的好处，从而有效对抗无 线媒介中的多径传播所带来的信号衰落【j 7 1 。因为在一个多用户组成的无线网络 中，单天线移动台之间共享它们的天线，相当于通过分布式的传输和信号处理构 建了一个虚拟的m i m o 系统。图1 1 中以“手机”和“基站”为例来显示协作分 集的通信过程。即在每个小区中，每一个用户都有一个或多个“伙伴 ，每对伙 伴除了要传送自己的信号外，还要负责传输接收和检测到的对方的信号。图1 1 中 实线表示传递的是u s e r l 的信号，虚线表示传递的是u s e r 2 的信号。 协作分集的基本过程分为两个通信阶段【8 】：第一阶段，源节点将信息发送至 中继节点和目的节点，如图中的u s e r l 将信号发送至u s e r 2 和d e s t i n a t i o n ；第二 阶段，中继节点将接收到的源节点信号转发给目的节点，如图中实线所示。此过 程中若u s e r 2 除了作为中继转发u s e r l 的信号，还作为源节点发送自己的信号， 2 向q蚶t i 北京邮电大学硕士学位论文中继蜂窝网络中的协作分集研究 并且u s e r l 同样如此，则称此过程为用户协作。 1 1 2 网络编码技术的基本思想 2 0 0 0 年，香港中文大学的r a h l s w e d e 等人从信息论的角度出发，提出了网 络编码的概念，它可以大大提高网络中的传输容量，从而可以实现利用有限的网 络资源传输更多的信息。网络编码通过对网络节点的不同信息流进行编码组合， 可以获得网络组播速率的最大流限，而通过传统的存储和转发一般不能够获得该 最大流限。 s 1s 2s l ( a ) 传统路由( b ) 网络编码 图1 2 蝴蝶网络 网络编码的基本思想【9 】如图1 2 ，图1 2 所示的蝴蝶网络是网络编码实现多 播最大容量的例子。源节点s l 和s 2 分别组播1 比特到目的节点r 1 和r 2 ，假 设各链路的容量为1 。图1 - 2 ( a ) 中采用的是传统路由方法：即节点c 一次只能传 送1 比特到节点d ，节点d 也只能传送1 比特到节点e 和f ，节点c 和d 之间 的链路不得不使用了两次。节点e 和f 总共收到3 比特，网络中组播的平均速 率是1 5 比特单位时间：而图1 - 2 ( b ) 采用网络编码方法：节点c 对输入信息流进 行编码，将编码的结果x 1 和x 2 的异或值( 模2 和) 传送到节点d ，再传送给节点 e 和f 。节点e 根据自身已收到的信息x 1 和x l + x 2 ，可以解码出) 【2 。同样节点f 也能译码出完整的信息，这样所能达到的平均速率是2 比特单位时间。在本例 中，采用网络编码使得每条链路只使用了一次，这样既使得网络负载比较均衡， 又节省了传输次数，同时减小了网络时延，增大了网络吞吐量。 文献【l o 】进一步证明，在单信源多信宿的情况下，应用线性网络编码就可以达 到s h a n n o n 所提到的信息流上界。线性网络编码将原先分立于物理层何网络层的 两个核心概念编码和路由有机的融为一体，彻底改变了交换路由只能 3 北京邮电大学硕士学位论文中继蜂窝网络中的协作分集研究 对信息进行存储转发的传统多播模式，建立起一种全新的网络体系结构以及信息 编码和传输模式。 经过这几年的迅猛发展，网络编码从最初用来达到有线网络中的组播容量， 发展到在有线和无线网络中提高吞吐量【l l - 1 羽、节省能量【1 3 】、增强鲁棒性【1 4 1 和安 全性1 5 1 7 1 ，还与其他技术相机会应用在网络管理【1 8 1 、纠错1 蛆0 1 、路由和交换【2 1 】 等领域。可以说网络编码正在给现有的网络带来革命性的变化。 还有需要指出的是，网络编码和物理层的信道编码是完全不同的概念。网络 编码核心思想是赋予中继节点信息融合的能力，实现网络流量的最大化。信道编 码是指在物理层使用的，提高数据传输效率、降低误码率的手段，其本质是增加 通信的可靠性，其过程是在数据源码流中加插一些码元，从而达到在接收端进行 检错和纠错的目的，这些添加的码元，就是我们通常所说的开销。因为带宽固定 的通道中，最大可支持传输速率是有限的，而信道编码增加了数据量，所以会使 得有用的信息数据传输减少。信道编码的思想就是通过牺牲传输的有效性来换取 可靠性。 1 2 论文的选题及意义 众所周知，传输的可靠性和有效性是通信系统的两大性能指针，对于协作通 信系统来说，也是如此。自从协作分集技术作为克服多径衰落的有效手段引起学 术界的重视，开发设计出在能够有效克服衰落从而提高系统传输的可靠性的同 时，又能够获得较高的频谱效率从而提高传输的有效性的协作分集方案，成为相 关领域学者们孜孜以求得目标，也成为协作分集技术面临的巨大挑战。 由前面小节的描述可知，协作分集技术中，为获得分集增益，目的节点需要 收到来自不同节点且包含同样信息的多个信号样本；网络编码技术中，为了获得 网络编码增益，则需要中间节点将来自多个节点的多个数据流有选择地合并到一 起，目的节点收到多个合并样本后，借助于已知信息通过适当的运算还原出原始 信息。协作分集技术和网络编码技术具有共同的通信特征：多个节点参与并且通 过多次收发完成通信。因此，将网络编码的思想应用于协作分集技术，提高协作 分集系统的有效性和可靠性是很有意义的研究方向。 因此我们在中继蜂窝网络通信系统中，赋予中继节点网络编码功能，使得中 继节点在协助源节点转发数据之前，先对来自不同源节点的信息流进行联合编 码，从而得到更高频谱利用率的协作分集，称之为网络编码协作分集 ( n e t w o r k - c o d e dc o o p e r a t i v ed i v e r s i t y ) 。在相同的资源利用率的同时，获取到更 低的误比特率。反之，为保证相同的误比特率，可以提高系统的频谱效率，最终 实现对传统协作分集系统的性能改善。 4 北京邮电大学硕士学位论文中继蜂窝网络中的协作分集研究 1 3 本文的章节安排 本论文共分为五章。 第一章简要介绍了论文背景，为了对抗多径衰落而提出的协作分集技术的基 本思想，以及网络编码的基本思想；论文的选题及其意义；最后描述了论文的章 节安排。 第二章讨论了现有的协作分集技术。首先描述了传统的协作分集机制，并且 对存在的不足之处进行归纳和总结。随后，介绍已有的网络编码协作分集相关的 研究工作。 第三章提出了蜂窝网络中上行链路的网络编码协作分集方案，包括系统模 型、方案描述和仿真说明。主要特点就是赋予中继节点网络编码的功能，即将来 自不同源节点的信息流进行网络编码，基站对接收到的信息进行联合译码，在获 得分集增益的同时充分利用频谱资源。 第四章首先根据蜂窝网络中下行链路独有的特点，提出了多个中继联合进行 网络编码的协作分集策略。中继节点选择性辅助基站将数据传输给用户，即中继 仅仅辅助自己服务范围内的用户传输数据。然后将网络编码技术和增强性中继有 机结合，提出了增强型网络编码协作分集。针对一个中继和两个用户组成的网络， 推导了单用户的中断概率。 第五章描述了网络编码协作分集在蜂窝网络中扇形区域中切换技术中的应 用。并且将其性能和传统的切换技术进行了比较。 第六章主要是对论文工作中主要成果的总结，然后对进一步研究工作提出一 些初步建议。 5 北京邮电大学硕士学位论文中继蜂窝网络中的协作分集研究 第二章网络编码技术在协作分集中的应用 本章首先介绍传统的协作分集策略。然后利用无线信道的广播特性，阐述将 网络编码的思想应用于协作分集技术，用以提高协作分集系统的有效性和可靠性 的意义。最后介绍已有的网络编码协作分集的研究工作。 2 1 传统协作分集机制 传统的协作分集按中继节点对接收信号的处理的不同方式分为：重复协作分 集【2 2 2 4 l ( r e p e t i t i o n b a s e dc o o p e r a t i o n ) ，编码协作分集【2 9 ( c o d e dc o o p e r a t i o n ) 和空时 编码协作分集【3 0 - 3 4 l ( s p a c e t i m e c o d e dc o o p e r a t i o n ) 。其中重复协作分集可以分为放 大前传模式( a m p l i f y a n d f o r w a r d ，a f ) 和译码前传模式( d e c o d e d - a n d f o r w a r d ，d f ) ； 按多址方式或信道的正交方式分为：码分多址( c d m a ) 、频分多址( f d m a ) 、时 分多址( t d m a ) 等传输方式；按协作用户数量又可以分为：两用户协作和多用户 协作；按工作模式分为：同步模式和异步模式。l a n e m a n 在文献【2 5 j 中将协作分集 基本协议按照选择中继的模式分为：固定型中继、选择型中继和增强型中继三种。 其中，固定型中继指中继不考虑信道状态，始终转发信息。而选择型中继根据源 节点到中继的信道状态有选择地进行转发。增强型中继则根据目的端的接收情况 自适应调整信号发送策略。 2 1 1 系统模型 下面以典型的三终端( 源节点，中继节点和目的节点) 中继系统模型为例，描 述重复协作分集和编码协作分集的过程。图中日，、日耐和日耐分别是源节点一中 继节点链路、中继节点目的节点链路和源节点目的节点的通道增益， z 砧= 1 ，2 ，3 ) 表示源中继链路、中继目的链路和源目的链路的噪声，一般假设 为加性高斯白噪声，功率为。，源节点和中继节点的发送功率分别为只和p ，。 设中继节点采用半双工的工作模式，即中继节点在同一时刻只能接收或只能 发送。在第一阶段，中继节点和目的节点接收源节点的消息，如实线所示，第二 阶段中继节点发送消息给目的节点，因此图2 1 的信道模型可表示为式( 2 1 ) ： y r = hs r xs l + z t 艺l = k l + z 2 式( 2 1 1 ) y d 2 = hs d x s i + hr d xr + z 3 若中继节点发送信号z 是直接对接收信号r r 放大，则该协作方式为放大中 6 北京邮电大学硕士学位论文 中继蜂窝网络中的协作分集研究 继法；若中继节点发送信号墨是对接收信号r 进行判决检测，并按照原来的编 码方式将判决得到的信息重传到目的节点，则该协作方式为译码中继法；若中 继节点发送信号鼍是对接收信号r 进行判决检测，然后以某种编码模式( 信道编 码或空时码) 发送则该协作方式为编码协作。 2 1 2 放大中继法( a f ) 图2 i 典型的中继系统模型 放大中继法是一种简单的协作处理方法，即中继节点接收到加有噪声的源 节点的信号后，将其值放大并转发给目的节点，而放大即为中继端的线性转换过 程。该方式将发送分为等间隔的两块来进行，一块用于源端的发送，另一块用于 中继端的发送。 发送端的发送信号为：k 【k 】k = 1 ，2 ，刀，中继的接收信号为：r k 】 k = 1 ，2 ，刀。则中继节点发送信号为式( 2 2 ) 所示： 墨【尼】- 屏r 嘲，k = l ，2 棚 式( 2 2 ) 其中，为满足功率约束，增益，的取值为式( 2 3 ) ： b fs 本方案可以看作两个相互独立的发送者的重复的传输，不同的是中继在发送 时将自己的接收噪声也进行了放大。 目的节点以一定的准则合并从中继节点以及源节点接收到的两路独立的衰 落信号并对传输的比特进行最终判决。在这种方案中，虽然噪声也被放大了，但 由于分集的作用，最后检测结果的性能还是改善了。文献【7 j 研究表明，在高信噪 比情况下，该机制获得的分集阶数为2 。在放大中继机制中，如果用户间信道系 7 北京邮电大学硕士学位论文 中继蜂窝网络中的协作分集研究 数已知，就可以进行最优译码，所以该机制必须进行必要的信道估计和信息交换。 对该机制而言，另一个挑战是对模拟信号进行抽样、放大和重传，但这种技术并 不简单。总之，该机制还是较简单的协作机制，便于分析，对进一步理解后面的 协作通信系统非常有帮助。 2 1 3 译码中继法( d f ) 译码中继法【2 3 之4 1 的基本思想是中继节点对从源节点接收到的信号进行判决 检测，并将得到的信息重新编码后发送给接收端。中继对发送端发送的消息的重 新编码采用与发送端相同的编码方案，译码和编码的过程是对接收信号的非线性 变换，中继端的译码操作可以降低接收噪声的影响，但是衰落带来的影响也会限 制系统的性能。 与a f 相同，d f 中同样将发送分为等间隔的两块进行，中继节点的发送信 号为式( 2 4 ) 所示： 5 - 墨【尼】_ ，詈戈s 【尼】，k = l ，2 ，棚 式( 2 - 4 ) y j 其中，k f 后1 尼= l ，2 ，厅为发送端的发送信号，中继通过自己的接收信号 r k 】后= 1 ，2 ，咒检测得到信号x a ， 尼】，并将x ，【后】进行重新编码。目的节点以 一定的准则合并从中继节点以及源节点接收到的两路独立的衰落信号并对传输 的比特进行最终判决。 若源节点和中继节点之间信道质量较差，中继节点译出的信号x ，f k l 误码率 较高，传输到目的节点反而会影响系统的性能。为避免这种错误传播，可以采用 c r c 校验。中继对译码后的数据进行c r c 校验，如果译码正确，则前传该帧， 甭则不前传，也就是前面所谓的选择中继d f 模式。这种模式，以一定的频谱损 失换取了对错误传播的避免，在高信噪比条件下，其性能优于无c r c 检验的d f 模式。 另外，若源节点和目的节点之间信道质量良好，直接传输已经能够满足用户 需求，此时采用协作分集技术会浪费频谱资源。为了克服这个问题，人们提出了 增强中继( i n c r e m e n t a lr e l a y ) 协作。增强中继模式时，类似于a r q 协议，中继 节点对源节点信号进行译码并且返回1 比特的译码判决信息给源节点，告知源节 点解码是否正确，然后由源节点决定是否进行协作。 2 1 4 编码协作 随后，t e h u n t e r 提出了编码协作( c o d ec o o p e r a t i o n ，c c ) 2 6 之刀的方法，它将 北京邮电大学硕士学位论文中继蜂窝网络中的协作分集研究 协作技术和信道编码技术相结合，由于中继需要对接收信号译码，所以编码协作 本质上属于d f 模式。其设计初衷是改变传统协作中的重复编码方式，提供更加 高效的编码，从而带来更多的编码增益。 编码协作的基本思想就是：每一用户都试图为它的伙伴发送冗余信息，当这 一操作无法实现时自动返回到非编码协作模式。编码协作有效性的关键是：所有 这些操作都在编码设计下自动实现，并且用户间无需传送回馈信息。 系统采用时分半双工模式，每个用户不能同时发送和接收信号。每个用户都 使用一种纠错码。用户先将自己的数据分割成不同的分组，每个分组经过循环冗 余校验( c r c ) 编码后共有k 比特。这样将每个分组经过纠错编码以后，用码率 为r 的n = k r 比特表示。用户将这n 比特码字分成两个连续的帧，在第一帧 码率为r 1 的n 1 = k r 1 比特，第二帧为n 2 = n n 1 比特。以用户l 为例， 第一时隙，用户l 向用户2 和目的端广播自身的第一帧信号，也即u 1 分组的 n 1 比特码字对应的调制信号，目的端对接收信号暂存不作处理，用户2 接收到 用户1 的第一帧信号后对其进行译码判决，并重新编码得到用户l 的n 2 比特校 验码字( 假如能够正确解码) ；第二时隙，用户2 向目的端发送用户1 的第二帧 信号，即用户2 重新编码得到的关于u 1 分组的n 2 比特校验码字对应的调制信 号，目的端对两个时隙接收到的两帧信号进行拼接复用，之后译码判决恢复出原 始信息。关于用户2 的操作与用户1 类似。 1 2 3 4 回圆 回圆 图2 - 2 因第一帧解码结果不同导致的4 种协作情形 用户需要对协作伙伴第一帧信号的译码结果进行c r c 校验，并根据校验结 果确定是否进行协作。若校验正确，即该用户能够对协作伙伴的信息正确译码， 9 北京邮电大学硕士学位论文中继蜂窝网络中的协作分集研究 则在第二时隙转发协作伙伴的第二帧信号；若校验失败，为避免错误累计传播， 则在第二时隙转为非协作模式，发送自身的第二帧信号。用户在第二帧中独立动 作，不知道自己的第一帧是否被正确解码，这样就有4 种可能协作情况，如图2 2 所示。 为了在目的节点正确解码，需要知道每个用户在第二帧中到底传的是谁的比 特信息。一种简单的解决方案就是，目的节点简单地逐次按照每一种可能性译码， 直到正确译码。这种方案在保证系统性能和速率的同时增加了目的端的复杂性。 另一种解决方案是在第二帧的尾部添加1 比特信息，这样在第二帧传输的是 n 2 + l 比特数据，其中0 表示传输的是自己的信息，1 表示传输的是伙伴的信息。 2 1 5 空时编码协作 h u n t e r 在文献【2 8 】中指出，考虑信道快衰落情况时，由于相邻时间间隔上的 通道相关性很小，可为协作分集的两阶段各自使用独立的通道，有时甚至可认为 每个发送符号的信道都相互独立。由于通道的独立性，此时使用前面所述的协作 方式不能获得任何更好的额外增益，由此提出了空时编码分集。同时h u n t e r 还 指出，在慢衰落情况时，即使在非平衡用户互交通道模式下，其服务中断概率也 不会受多大损失。但是在快衰落时，很可能出现用户互交通道反置的极端情况， 从而导致协作性能的迅速恶化，而采用空时编码协作分集可以有效避免这种情 况。 信道l 信道2 无协作 普通编码协作空时编码协作 图2 - 3 空时编码分集与普通编码分集以及无协作比较 空时编码分集基本思想：和4 1 节的编码协作的主要区别就是，在第二帧时， 用户继续在自己的子通道上发送自己的n 2 校验比特，但如果它在第一帧时已经 正确译码对方信号，则同时在对方的子通道上帮其发送n 2 校验比特。为保持功 l o 北京邮电大学硕士学位论文 中继蜂窝网络中的协作分集研究 率恒定，用户分给自己的功率比例为。( f 1 ，2 ) ) ，替对方发送的功率比例为 1 - f l 。o l ，2 ) ) 。这种分配仅在用户能正确译码时进行。不能正确译码时，用户 将所有功率用于自己n 2 校验比特的传输。在两用户均能正确译码情况下，空时 编码协作和编码协作的区别如图2 3 所示。 2 2 网络编码技术在协作分集中的应用 尽管提出网络编码技术的初衷是在有线计算机网络中改进多播容量，并且现 在大部分的研究都是基于有线网络的，然而网络编码技术的用途远不止于此。无 线网络的物理层广播特性和业务流的双向性非常适合使用网络编码，有学者考虑 利用网络编码技术来提高无线网络的系统容量【4 8 1 。通过网络编码，中间节点可 以将接收的信息流进行编码并发送出去，这些信息流可以是分组、符号或者物理 信号，它们可以分别看作是分组级、符号级或者信号级的网络编码。 协作分集技术通过节点间的协作，以虚拟天线阵的形式来克服无线通道衰 落，获得分集增益，能够有效降低系统的误比特率，提高无线通信的可靠性。网 络编码的概念最初产生于有线网络，采用网络编码技术可以达到提高系统资源效 率和提升网络吞吐量的目的。对于无线网络来说，一方面，无线通道的广播特性 为网络编码的应用提供了有利条件；另一方面，无线信道衰落、干扰及噪声等因 素又给网络编码的应用带来了新的挑战。 基于克服无线通道衰落以实现通信可靠性、获得较高频谱效率以实现通信有 效性的考虑，本文探讨如何将网络编码理论应用于协作分集系统中，有效地结合 协作分集和网络编码的优点，致力于使得融合了这两种技术的无线通信系统能够 在获得分集增益的同时也能获得网络编码增益。 下面简要的描述协作通信系统中采用网络编码的基本思想： 图2 _ 4 传统多用户协作分集 北京邮电大学硕士学位论文中继蜂窝网络中的协作分集研究 图2 4 中，在四终端模型【4 乳删中，根据2 1 节关于传统协作分集的描述，不 管采用什么协作策略，两个用户都要达到2 重分集，中继需要分别转发信息a 和 b 给目的端。如果每次发送信息需要占用一份相同的资源( 如时隙、子载波等) ， 则整个过程需要占用4 份资源。 图2 5 网络编码协作分集的基本思想 如果将网络编码技术引入到协作分集技术中，如图2 5 所示，中继将接收到 得数据存储起来。当接收到2 个用户信息时，将2 个用户的信息a 和b 进行编码， 最简单的编码方式就是进行异或，发送a o b 给目的端。目的端接收到信息a o b 后，根据已经接收到源端发送的信息a ，就可以获取到另一用户的信息b 。同样 的道理，根据接收到得信息b 可以从a o b 获取到信息a 。这样两个用户都可以 获得2 重分集，但是仅仅需要占用3 份资源。 通过上面的比较，我们可以看到网络编码技术和协作分集技术相结合是相当 值得关注的课题。 2 3 网络编码协作分集技术研究 将网络编码技术和协作分集技术相结合是一个全新的研究领域，已有的网络 编码协作分集3 5 - 4 7 1 ( n e t w o r k c o d i n gc o o p e r a t i o n ) 主要可以分为：多个源节点和一个 目的节点通信系统的网络编码协作分集和多个传输对系统的网络编码协作分集。 2 3 1 多源节点与单一目的节点通信的网络编码协作分集 b a o 和l i 针对多个源节点向同一个目的节点发送信息的无线网络，提出了 一种被称为自适应网络编码协作”i ( a d a p t i v en e t w o r k c o d e dc o o p e r a t i o n ，a n c c ) 的协议。c h e n ，k i s h o r e 和“以简单的分布式天线系统【4 6 1 和允许用户相互协作的 1 2 北京邮电大学硕士学位论文中继蜂窝网络中的协作分集研究 无线网络为例，研究了应用网络编码技术在高信噪比下所能提供的分集增益，核 心思想亦是赋予中继节点以网络编码的功能。t a i r a n w a n g 在文献【3 8 】提出了一种基 于复数域的网络编码，该方案的主要特点就是能够获得很高的吞吐量，可以达到 1 2 符号节点时隙。s a n gw uk i l n 提出了基于多跳网络的网络编码协作分集