協(xié)作通信網絡中的合作編碼技術

2003年，ITU-R制訂完成了下一代移動通信系統(tǒng)的綱領性文件M.1645，其中明確要求，下一代移動通信系統(tǒng)支持低速用戶100Mb/s，高速用戶1Gb/s的傳輸速率。由于頻譜資源緊張，如何在占用有限的頻帶資源的條件下，實現(xiàn)大范圍網絡覆蓋，支持更高速率的無線數(shù)據傳輸，這是未來移動通信網絡必須設法解決的基本問題。而近年來的研究表明，分布式無線通信技術將有望成為解決高速數(shù)據傳輸和大范圍網絡覆蓋的關鍵技術。

　　分布式無線通信除了將協(xié)議控制功能分散到蜂窩內的多個控制終端(例如中繼站)，實現(xiàn)頻譜、時間、空間等多維資源以更小的覆蓋單位進行充分復用而外，還允許移動終端間不通過基站或控制終端直接進行通信。多用戶協(xié)作通信技術可以通過用戶間的協(xié)作，提高無線頻譜資源利用率和系統(tǒng)功率效率，實現(xiàn)對無線通信系統(tǒng)的頻率、時間、空間等多維資源的有效復用，進而實現(xiàn)和支撐更高速率、更高帶寬的無線傳輸，改善網絡覆蓋性能。由此可見，分布式無線通信技術的應用，不僅僅會影響蜂窩網協(xié)議設計，還將對基本的無線通信手段乃至通信方式產生根本而深刻的影響。

　　具備協(xié)作通信能力無疑是未來無線通信網絡終端、中繼站乃至基站的基本技術特征之一。

　　作為一類重要的協(xié)作通信技術，合作編碼極大地拓展了協(xié)作通信的內涵，它將協(xié)作分集技術中多用戶間單純物理層面的協(xié)作信號傳輸和/或協(xié)作信號處理拓展到了數(shù)據鏈路層面的糾錯編譯碼，有助于進一步提升和改進通信性能和協(xié)作效能。本文針對協(xié)作通信網絡中的合作編碼技術研究現(xiàn)狀進行概述，說明終端和中繼站工作方式對合作編碼技術方案的影響，介紹經典中繼通信模型下基于不同糾錯編碼技術的合作編碼方案，揭示不同的協(xié)同通信網絡環(huán)境對合作編碼技術方案的影響，并討論完善合作編碼技術所面臨的問題，以及基于自適應的合作編碼技術和網絡編碼協(xié)作技術的未來發(fā)展方向。

1合作編碼技術

　　近年來，以協(xié)作分集為代表的多用戶合作通信技術成為分布式無線通信的研究重點。多用戶合作分集是一種使各用戶共享天線，通過不同的合作方式以及相應的信號處理來獲得空間分集增益的新型通信體制，它能夠實現(xiàn)所謂“虛擬天線陣列”(AVV)的功能，極大地改善無線通信系統(tǒng)抗衰落的性能，提高資源效率和系統(tǒng)容量[1-2]。

　　基于協(xié)作分集技術的協(xié)作通信可以采用編碼技術進一步提升系統(tǒng)性能[3]。

　　在檢測轉發(fā)協(xié)作策略的基礎之上，結合編碼思想，協(xié)作(或中繼)節(jié)點可以根據檢測結果決定是否參與協(xié)作，這有力地保障了協(xié)作通信的有效性，避免了錯誤檢測條件下的差錯傳播?？偠灾献骶幋a機制是信道編碼思想和協(xié)作通信思想有機融合的產物。

　　與協(xié)作分集最大的區(qū)別在于，在合作編碼中，協(xié)作(中繼)結點的數(shù)據處理步驟包括先解碼、再編碼、轉發(fā)的3個基本步驟：源節(jié)點的數(shù)據通過糾錯編碼后廣播發(fā)送；中繼節(jié)點在收到源節(jié)點的數(shù)據時，先進行糾錯譯碼接收來自源節(jié)點數(shù)據后，重新編碼后轉發(fā)給目標節(jié)點；目標節(jié)點將分別接收到來自源節(jié)點和中繼節(jié)點的碼字經過合并處理后，譯碼恢復出來自源節(jié)點信息。

　　首先，源節(jié)點數(shù)據經過糾錯編碼后再發(fā)送，可以有效提高中繼節(jié)點及目標節(jié)點正確接收數(shù)據的概率。

　　其次，為了避免在中繼節(jié)點能錯誤解碼條件下對協(xié)作通信的干擾和破壞，在中繼節(jié)點處通常應對解碼數(shù)據進行錯誤校驗(例如通過循環(huán)冗余校驗)，只在中繼節(jié)點正確解碼的條件下啟動協(xié)作通信機制。由于中繼節(jié)點的參與，通過合理選擇協(xié)作節(jié)點以確保有效的協(xié)作，并在中繼節(jié)點處采用與源節(jié)點編碼方式和手段相互呼應、互為補充的糾錯編碼手段和方式，協(xié)作編碼可以在充分利用協(xié)作空間分集增益的基礎上，獲取額外的編碼增益，取得更好的協(xié)作通信性能。

2全雙工與半雙工通信方式下的合作編碼

　　協(xié)作通信環(huán)境下通信終端有兩種基本工作模式，即半雙工模式和全雙工模式。在半雙工模式下，節(jié)點在不同時隙或通過不同的頻帶接收和傳輸數(shù)據，但節(jié)點不能同時收發(fā)數(shù)據；而在全雙工模式下，節(jié)點可以同時收發(fā)數(shù)據。在實際的協(xié)作通信環(huán)境中，半雙工通信方式的節(jié)點較全雙工通信方式的節(jié)點實現(xiàn)更簡單，對應的協(xié)作編碼方案實現(xiàn)更容易，復雜度較低，但全雙工通信系統(tǒng)比半雙工系統(tǒng)有更高的系統(tǒng)容量[4]。

　　在全雙工通信和半雙工通信模式下，協(xié)作編碼方案設計時所面臨的問題是有差異的。

　　對于時分半雙工通信而言，合作編碼中源節(jié)點、協(xié)作(中繼)結點和目標節(jié)點的數(shù)據處理步驟一般可以設計為：在第一個時隙，源節(jié)點發(fā)送數(shù)據而中繼節(jié)點和目標節(jié)點接收數(shù)據，中繼節(jié)點對接收到的數(shù)據譯碼；在第二個時隙，源節(jié)點不發(fā)送數(shù)據，而由中繼節(jié)點將解碼恢復的數(shù)據經重新編碼后轉發(fā)到目的節(jié)點，與此同時，目的節(jié)點可以根據在上一個時隙所接收到來自源節(jié)點的編碼數(shù)據，以及當前時隙中繼節(jié)點轉發(fā)的編碼數(shù)據的基礎上，設法恢復出來自源節(jié)點的原始數(shù)據。整個用戶間合作協(xié)作協(xié)議設計較為容易。最近的研究表明，為了進一步提高半雙工通信方式下的協(xié)作編碼性能，在第二個時隙，源節(jié)點也應向目標節(jié)點發(fā)送額外的編碼冗余信息，此時，目標節(jié)點需要采用重疊符號干擾檢測技術區(qū)分來自源節(jié)點編碼數(shù)據和來自中繼節(jié)點的轉發(fā)編碼數(shù)據。

　　在全雙工通信方式下，源節(jié)點將在每個時隙依次向中繼節(jié)點和目標節(jié)點發(fā)送數(shù)據；中繼節(jié)點在接收來自源節(jié)點的新的編碼數(shù)據的同時，將其在上一個時隙接收到來自源節(jié)點的編碼數(shù)據進行解碼恢復，并經重新編碼后轉發(fā)到目的節(jié)點；在任何一個時隙，目的節(jié)點都會同時接收到來自源節(jié)點和中繼節(jié)點對應不同數(shù)據的兩份編碼數(shù)據，在采用重疊符號干擾檢測技術區(qū)分來自當前時隙源節(jié)點編碼數(shù)據和當前時隙來自中繼節(jié)點的轉發(fā)編碼數(shù)據的基礎上，結合上一個時隙接收到來自源節(jié)點編碼數(shù)據，依次還原出各個時隙源節(jié)點發(fā)送的信息數(shù)據。顯然全雙工通信方式下的協(xié)作編譯碼設計要比在半雙工通信模式下的協(xié)作方案設計更復雜，但全雙工通信方式下的協(xié)作編碼往往具有更好的性能[5]。

3中繼通信模型中的合作編碼方案

　　由于有大量的信道編譯碼技術成果可以直接應用，近年來，圍繞經典的中繼通信模型，各種不同類型的信道編譯碼方案在合作編碼技術中的應用方案的相關研究十分活躍。

　　2002年，Todd E Hunter等人較早提出了適合于中繼通信模型下基于速率兼容刪除卷積碼(RCPC)的合作編碼方案?；赗CPC碼的合作編碼方案的優(yōu)點在于，中繼節(jié)點可以根據合作通信環(huán)境和條件的變化，靈活地選擇RCPC編碼方案，但缺點在于，由于卷積碼自身糾錯性能有限，基于RCPC碼的合作編碼方案所帶來的編碼增益有限。

　　由于具有優(yōu)異的差錯控制性能，基于Turbo碼和低密度稀疏檢驗矩陣碼(LDPC)的合作編碼技術成為了合作編碼技術應用方案的研究熱點。

　　2003年，ZHAO Bin[6]等較早研究了半雙工通信模式下適合于中繼通信模型的分布式Turbo編譯碼方案：源節(jié)點的數(shù)據通過一個遞歸系統(tǒng)卷積編碼器進行編碼后發(fā)送；中繼節(jié)點在收到源節(jié)點的數(shù)據后，先進行維特比譯碼，若譯碼結果經循環(huán)冗余校驗(CRC)正確，則將恢復出來的來自源節(jié)點信息經交織后，送遞歸系統(tǒng)卷積編碼器重新編碼后發(fā)送；目標節(jié)點將在兩個不同的時隙內分別接收到來自源節(jié)點和合作(中繼)節(jié)點的兩個分量遞歸系統(tǒng)卷積編碼碼字，因而可以采用迭代譯碼算法更加可靠地從所接收到的完整Turbo碼碼字恢復出來自源節(jié)點的信息。

　　ZHANG Zheng等[4-5]分別提出了適用于全雙工通信和時分半雙工通信模式下逼近中繼通信系統(tǒng)容量限的改進合作Turbo編譯碼方案，與前述的分布式Turbo編譯碼方案所不同的是，為了提升合作編碼性能，改進的合作Turbo編譯碼方案中，源節(jié)點采用完整的Turbo編碼器，中繼節(jié)點采用Turbo譯碼器。此外，改進的合作Turbo編譯碼方案中采用了源節(jié)點盡可能多地傳輸數(shù)據的策略與機制，以提升合作Turbo編譯碼系統(tǒng)的信息傳輸能力。概述起來，基于Turbo編譯碼的合作編碼大致可以采用如下3種方案，即源節(jié)點和中繼節(jié)點分別采用Turbo編解碼的協(xié)作Turbo編碼方案，源節(jié)點和中繼節(jié)點采用Turbo分量編解碼的分布式Turbo編碼方案。研究表明，基于穿孔Turbo碼的協(xié)作Turbo編碼方案性能較好。此外，在協(xié)作Turbo編碼方案中，中繼節(jié)點只需向目標節(jié)點轉發(fā)校驗位數(shù)據而無需重復發(fā)送數(shù)據信息。類似的，LI Yonghui等[7]提出了一種基于軟信息中繼的分布式Turbo編譯碼方案(DTC-SIR)。在DTC-SIR方案中，由中繼節(jié)點根據信息比特的后驗概率計算出校驗符號的后驗概率軟信息，并轉發(fā)給目標節(jié)點?；谲浶畔⒅欣^的分布式Turbo編譯碼方案能夠在很大程度上有效緩解中繼解碼出錯對合作編碼的不利影響。

2007年HU Jun[8]等給出了適用于全雙工通信和時分半雙工通信模式下逼近系統(tǒng)容量限的協(xié)作LDPC編譯碼方案。在全雙工通信模式下，源節(jié)點和中繼節(jié)點可以采用相同的LDPC編碼，也可以采用不同的LDPC編碼方案。源節(jié)點的數(shù)據通過一個LDPC編碼器進行編碼后發(fā)送；源節(jié)點可以采用穿孔技術調整LDPC碼編碼碼率，為了更好地幫助中繼節(jié)點解碼源節(jié)點數(shù)據，推薦在穿孔中盡可能保留系統(tǒng)信息比特；中繼節(jié)點在收到源節(jié)點的數(shù)據后，先進行譯碼，并在解碼數(shù)據的基礎上，重新采用LDPC編碼，并將編碼碼字轉發(fā)給目標節(jié)點；目標節(jié)點將根據所接收到的源節(jié)點和合作(中繼)節(jié)點的兩部分LDPC碼碼字完成譯碼，還原出源節(jié)點數(shù)據。與逼近系統(tǒng)容量限的合作Turbo編解碼方案類似，為了提升合作Turbo編譯碼系統(tǒng)的信息傳輸能力，在合作LDPC編譯碼方案中也采用了源節(jié)點盡可能多地傳輸數(shù)據的策略與機制。這要求目標節(jié)點同樣需要在LDPC譯碼處理前，采用干擾符號檢測技術。相關研究結果表明，在合理設置LDPC譯碼器迭代譯碼次數(shù)以及干擾符號檢測及LDPC譯碼聯(lián)合迭代次數(shù)時，基于不規(guī)則LDPC碼的合作LDPC編碼方案在源節(jié)點和目標節(jié)點采用不同LDPC編碼方案條件下可以獲得優(yōu)于改進的合作Turbo編碼方案性能。

　　由于無線通信系統(tǒng)中多用戶彼此共享天線和其他資源，構成虛擬天線陣列，由此獲得空間分集增益。2004年，Janani等結合空時編碼思想，研究了協(xié)作空時RCPC碼和Turbo碼的空時傳輸方案及其譯碼機制，研究結果表明：通過調整協(xié)作傳輸時間所占比例即可方便實現(xiàn)對協(xié)作度的靈活調整；在協(xié)作度不為1的條件下，慢衰落信道條件下的協(xié)作編碼空時傳輸方案可以實現(xiàn)滿分集，而快衰落信道條件下的分集階數(shù)則取決于相關合作編碼的最小漢明距離之和[9]。

　　近年來的研究進展表明，完備空時碼因其同時具備全速率、滿分集的優(yōu)異性能，成為了在MIMO系統(tǒng)條件下實現(xiàn)空間分集和空間復用最佳折中有效技術手段。但由于完備空時碼是最近幾年才發(fā)展起來的一類新的空時編碼構造方法，鑒于其優(yōu)異的性能和便于實現(xiàn)的特性，基于完備空時碼的合作空時編碼技術無疑是未來合作空時編碼研究的一個重要方向。

4復雜網絡通信模型中的合作編碼方案

　　除了圍繞經典的中繼通信模型研究與之相適應的合作編譯碼方案而外，針對其他復雜網絡通信模型，研究與之相適應的合作編碼技術方案也是合作編碼技術研究的重點。

　　Ameesh Pandya和Greg Pottie從信息傳輸?shù)慕嵌龋到y(tǒng)地分析了適用于包括兩個協(xié)作發(fā)射節(jié)點和兩個協(xié)作接收節(jié)點的無線網絡通信條件下的合作編碼問題[10]。相關研究表明：協(xié)作中繼是一種實現(xiàn)復雜度較低的協(xié)作通信模型，在合作編碼中應予優(yōu)先考慮；其次，發(fā)射端協(xié)作要明顯優(yōu)于接收端協(xié)作，由于接收端協(xié)作所帶來的性能增益較小，因此在分布式網絡通信條件下，在可能的情況下可以將多個協(xié)作接收節(jié)點的場景簡化為單接收節(jié)點模型。其他網絡通信場景還包括：單個發(fā)射節(jié)點兩個協(xié)作接收節(jié)點場景下的合作編碼方案，單個發(fā)射節(jié)點、兩個協(xié)作中繼節(jié)點、單個接收節(jié)點場景下的合作編碼方案等[11]。

　　除了上述復雜網絡通信模型下的合作編碼研究之外，如何滿足任意多信源多信宿無線通信網絡的協(xié)作編碼通信需求，如何將網絡編碼應用于無線通信網絡中以進一步改進網絡系統(tǒng)容量引起了人們的重視。從本質上來講，協(xié)作通信和網絡編碼的目標都是通過增強中繼節(jié)點處理能力，提升網絡性能，將二者有機整合在一起的網絡編碼協(xié)作是合理的技術選擇。在網絡編碼協(xié)作技術中，中繼節(jié)點可以采用網絡編碼處理來自多個信源的數(shù)據，然后再轉發(fā)給對應的多個信宿。最近的性能分析表明，網絡編碼協(xié)作能更好實現(xiàn)分集增益和復用增益的這種方案，而且需要更少的帶寬條件下，具備和協(xié)作編碼類似的性能[12]。

　　此外，自適應合作編碼研究也開始引起了人們的重視。編碼協(xié)作中的協(xié)作區(qū)域與協(xié)作伙伴的選擇對協(xié)作性能有直接的影響。對于協(xié)作編碼而言，存在一個由源節(jié)點和目的節(jié)點的位置決定，以源節(jié)點為參照位置的協(xié)作區(qū)域；為了獲得更好的用戶協(xié)作增益，在存在多個協(xié)作節(jié)點的情況下，應當優(yōu)選距離源節(jié)點更近的節(jié)點。2004年，Michael R Souryal等研究了時變瑞利衰落信道下，基于鏈路信道狀態(tài)信息CSI的自適應協(xié)作Turbo編譯碼方案，相關研究表明，時變衰落條件下協(xié)作編碼需要在時間分集和空間分集間進行合理的折中；在慢時變條件下，合理的選擇中繼節(jié)點數(shù)、確定合作編碼方案可以大幅度改善協(xié)作Turbo編譯碼性能；在快時變條件下，合作編碼所帶來的空間分集增益逐漸減?。桓鶕诺罈l件的變化，在源節(jié)點和目標節(jié)點間動態(tài)選擇中繼節(jié)點的自適應協(xié)作編碼可以進一步改進協(xié)作編碼性能[13]。對于復雜網絡環(huán)境下的合作編碼問題，BAO Xingkai等提出了一類基于LDGM碼和LT-LDPC碼的自適應網絡編碼協(xié)作方案，通過碼圖匹配網絡拓撲結構的變化，進而實現(xiàn)自適應的合作編碼，同時由于依賴于碼圖的約束關系，在合作編碼過程之中不需要協(xié)作節(jié)點之間的嚴格同步[14]。

　　5結束語

　　作為一種分布式無線通信網絡環(huán)境下的編碼技術，通過編碼可以實現(xiàn)更有效的協(xié)作通信，在未來的寬帶無線通信網絡環(huán)境下，可以充分利用現(xiàn)有信道編碼、空時編碼和網絡編碼領域的大量研究成果，合作編碼技術研究方興未艾。從技術實現(xiàn)角度，現(xiàn)有的大部分合作編碼技術方案都要求協(xié)作節(jié)點間保持嚴格的收發(fā)同步。為了實現(xiàn)合作編碼，除了控制終端外，還需要專門設計對中繼的控制信令。未來的自適應合作編譯碼技術和網絡編碼協(xié)作技術還有大量的理論和技術問題有待于進一步深入。