協作通信網絡中的合作編碼技術

摘要：未來寬帶無線通信系統要支持高達1 Gb/s的峰值無線傳輸速率，就必須考慮利用協作通信技術，充分復用頻率、時間、空間等多維資源，改善網絡覆蓋性能。合作編碼將協作信號處理和信道編碼技術有機地結合在一起，是實現高性能合作通信的重要保障，合作編碼將成為未來寬帶無線通信技術的一項關鍵技術。合作編碼技術必須適應節點的雙工或半雙工通信方式，采用適應不同的協同通信網絡環境要求的合作編碼技術方案。未來的合作編碼技術的發展方向是自適應的合作編碼技術和網絡編碼協作技術。

關鍵詞：寬帶無線通信；協作通信網絡；合作編碼；自適應合作編碼；網絡編碼協作

Abstract: In order to support the high data rate up to 1Gb/s in the future broadband wireless communication system, collaborative communication should be employed to improve the effective network coverage by fully reusing the limited multidimensional resources such as the frequency, time and spatial resources. As a reasonable combination of the collaborative signal processing and the error control coding technology, coded cooperation could be utilized to secure the collaborative communication with high reliability, and therefore is one of the most important enabling techniques for the broadband wireless communications in the near future. It is shown in this paper that the practical implementation of some specific coded cooperation scheme is dependent on either the full duplex communication or the half-duplex communication is used. Moreover, the choice of the coded cooperation schemes should be suitable for the specific network communication model and environment. It is concluded that adaptive coded cooperation and network coded cooperation are two promising deployment settings in the future applications.

Key words: broadband wireless communication; collaborative communication network; coded cooperation; adaptive coded cooperation; network coded cooperation

2003年，ITU-R制訂完成了下一代移動通信系統的綱領性文件M.1645，其中明確要求，下一代移動通信系統支持低速用戶100 Mb/s，高速用戶1 Gb/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，實現大范圍網絡覆蓋，支持更高速率的無線數據傳輸，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。多用戶協作通信技術可以通過用戶間的協作，提高無線頻譜資源利用率和系統功率效率，實現對無線通信系統的頻率、時間、空間等多維資源的有效復用，進而實現和支撐更高速率、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。

作為一類重要的協作通信技術，合作編碼極大地拓展了協作通信的內涵，它將協作分集技術中多用戶間單純物理層面的協作信號傳輸和/或協作信號處理拓展到了數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作效能。本文針對協作通信網絡中的合作編碼技術研究現狀進行概述，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，揭示不同的協同通信網絡環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作技術的未來發展方向。

1 合作編碼技術

近年來，以協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，它能夠實現所謂“虛擬天線陣列”(AVV)的功能，極大地改善無線通信系統抗衰落的性能，提高資源效率和系統容量[1-2]。

基于協作分集技術的協作通信可以采用編碼技術進一步提升系統性能[3]。

在檢測轉發協作策略的基礎之上，結合編碼思想，協作(或中繼)節點可以根據檢測結果決定是否參與協作，這有力地保障了協作通信的有效性，避免了錯誤檢測條件下的差錯傳播。總而言之，合作編碼機制是信道編碼思想和協作通信思想有機融合的產物。

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

首先，源節點數據經過糾錯編碼后再發送，可以有效提高中繼節點及目標節點正確接收數據的概率。

其次，為了避免在中繼節點能錯誤解碼條件下對協作通信的干擾和破壞，在中繼節點處通常應對解碼數據進行錯誤校驗(例如通過循環冗余校驗)，只在中繼節點正確解碼的條件下啟動協作通信機制。由于中繼節點的參與，通過合理選擇協作節點以確保有效的協作，并在中繼節點處采用與源節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，協作編碼可以在充分利用協作空間分集增益的基礎上，獲取額外的編碼增益，取得更好的協作通信性能。

2 全雙工與半雙工通信方式下的合作編碼

協作通信環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，節點在不同時隙或通過不同的頻帶接收和傳輸數據，但節點不能同時收發數據；而在全雙工模式下，節點可以同時收發數據。在實際的協作通信環境中，半雙工通信方式的節點較全雙工通信方式的節點實現更簡單，對應的協作編碼方案實現更容易，復雜度較低，但全雙工通信系統比半雙工系統有更高的系統容量[4]。

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

在全雙工通信方式下，源節點將在每個時隙依次向中繼節點和目標節點發送數據；中繼節點在接收來自源節點的新的編碼數據的同時，將其在上一個時隙接收到來自源節點的編碼數據進行解碼恢復，并經重新編碼后轉發到目的節點；在任何一個時隙，目的節點都會同時接收到來自源節點和中繼節點對應不同數據的兩份編碼數據，在采用重疊符號干擾檢測技術區分來自當前時隙源節點編碼數據和當前時隙來自中繼節點的轉發編碼數據的基礎上，結合上一個時隙接收到來自源節點編碼數據，依次還原出各個時隙源節點發送的信息數據。顯然全雙工通信方式下的協作編譯碼設計要比在半雙工通信模式下的協作方案設計更復雜，但全雙工通信方式下的協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。基于RCPC碼的合作編碼方案的優點在于，中繼節點可以根據合作通信環境和條件的變化，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：源節點的數據通過一個遞歸系統卷積編碼器進行編碼后發送；中繼節點在收到源節點的數據后，先進行維特比譯碼，若譯碼結果經循環冗余校驗(CRC)正確，則將恢復出來的來自源節點信息經交織后，送遞歸系統卷積編碼器重新編碼后發送；目標節點將在兩個不同的時隙內分別接收到來自源節點和合作(中繼)節點的兩個分量遞歸系統卷積編碼碼字，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，源節點采用完整的Turbo編碼器，中繼節點采用Turbo譯碼器。此外，改進的合作Turbo編譯碼方案中采用了源節點盡可能多地傳輸數據的策略與機制，以提升合作Turbo編譯碼系統的信息傳輸能力。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，即源節點和中繼節點分別采用Turbo編解碼的協作Turbo編碼方案，源節點和中繼節點采用Turbo分量編解碼的分布式Turbo編碼方案。研究表明，基于穿孔Turbo碼的協作Turbo編碼方案性能較好。此外，在協作Turbo編碼方案中，中繼節點只需向目標節點轉發校驗位數據而無需重復發送數據信息。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，并轉發給目標節點。基于軟信息中繼的分布式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容量限的協作LDPC編譯碼方案。在全雙工通信模式下，源節點和中繼節點可以采用相同的LDPC編碼，也可以采用不同的LDPC編碼方案。源節點的數據通過一個LDPC編碼器進行編碼后發送；源節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點解碼源節點數據，推薦在穿孔中盡可能保留系統信息比特；中繼節點在收到源節點的數據后，先進行譯碼，并在解碼數據的基礎上，重新采用LDPC編碼，并將編碼碼字轉發給目標節點；目標節點將根據所接收到的源節點和合作(中繼)節點的兩部分LDPC碼碼字完成譯碼，還原出源節點數據。與逼近系統容量限的合作Turbo編解碼方案類似，為了提升合作Turbo編譯碼系統的信息傳輸能力，在合作LDPC編譯碼方案中也采用了源節點盡可能多地傳輸數據的策略與機制。這要求目標節點同樣需要在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以及干擾符號檢測及LDPC譯碼聯合迭代次數時，基于不規則LDPC碼的合作LDPC編碼方案在源節點和目標節點采用不同LDPC編碼方案條件下可以獲得優于改進的合作Turbo編碼方案性能。

由于無線通信系統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：通過調整協作傳輸時間所占比例即可方便實現對協作度的靈活調整；在協作度不為1的條件下，慢衰落信道條件下的協作編碼空時傳輸方案可以實現滿分集，而快衰落信道條件下的分集階數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、滿分集的優異性能，成為了在MIMO系統條件下實現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展起來的一類新的空時編碼構造方法，鑒于其優異的性能和便于實現的特性，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從信息傳輸的角度，系統地分析了適用于包括兩個協作發射節點和兩個協作接收節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：協作中繼是一種實現復雜度較低的協作通信模型，在合作編碼中應予優先考慮；其次，發射端協作要明顯優于接收端協作，由于接收端協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作接收節點的場景簡化為單接收節點模型。其他網絡通信場景還包括：單個發射節點兩個協作接收節點場景下的合作編碼方案，單個發射節點、兩個協作中繼節點、單個接收節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容量引起了人們的重視。從本質上來講，協作通信和網絡編碼的目標都是通過增強中繼節點處理能力，提升網絡性能，將二者有機整合在一起的網絡編碼協作是合理的技術選擇。在網絡編碼協作技術中，中繼節點可以采用網絡編碼處理來自多個信源的數據，然后再轉發給對應的多個信宿。最近的性能分析表明，網絡編碼協作能更好實現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。編碼協作中的協作區域與協作伙伴的選擇對協作性能有直接的影響。對于協作編碼而言，存在一個由源節點和目的節點的位置決定，以源節點為參照位置的協作區域；為了獲得更好的用戶協作增益，在存在多個協作節點的情況下，應當優選距離源節點更近的節點。2004年，Michael R Souryal等研究了時變瑞利衰落信道下，基于鏈路信道狀態信息CSI的自適應協作Turbo編譯碼方案，相關研究表明，時變衰落條件下協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，合理的選擇中繼節點數、確定合作編碼方案可以大幅度改善協作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小；根據信道條件的變化，在源節點和目標節點間動態選擇中繼節點的自適應協作編碼可以進一步改進協作編碼性能[13]。對于復雜網絡環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作方案，通過碼圖匹配網絡拓撲結構的變化，進而實現自適應的合作編碼，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作節點之間的嚴格同步[14]。

5 結束語

作為一種分布式無線通信網絡環境下的編碼技術，通過編碼可以實現更有效的協作通信，在未來的寬帶無線通信網絡環境下，可以充分利用現有信道編碼、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。從技術實現角度，現有的大部分合作編碼技術方案都要求協作節點間保持嚴格的收發同步。為了實現合作編碼，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作技術還有大量的理論和技術問題有待于進一步深入。

6 參考文獻

[1] SENDONARIS A, ERKIP E, AAZHANG B. User cooperation diversity, Part I: System description[J]. IEEE Transactions on Communications, 2003, 51(11):1927-1938.

[2] SENDONARIS A, ERKIP E, AAZHANG B. User cooperation diversity, Part II: Implementation aspects and performance analysis[J]. IEEE Transactions on Communications, 2003, 51(11):1939-1948.

[3] HUNTER T, NOSRATINIA A. Cooperative Diversity Through Coding[C]//Proceedings of 2002 IEEE International Symposium on Information Theory (ISIT 2002), Jun 30-Jul 5, 2002, Lausanne, Switzerland. Los Alamitis, CA,USA: IEEE Computer Society, 2002: 220.

[4] ZHANG ZHENG, DUMAN T M. Capacity-approaching turbo coding and iterative decoding for relay channels[J]. IEEE Transactions on Communications, 2005, 53(11): 1895-1905.

[5] ZHANG ZHENG, DUMAN T M. Capacity-approaching turbo coding for half-duplex relaying[J], IEEE Transactions on Communications, 2007, 55(10):1895-1906.

[6] ZHAO BIN, VALENTI M C, Distributed turbo coded diversity for relay channel[J]. Electronics Letters, 2003, 39(10 ):786-787.

[7] LI Yonghui, VUCETIC B, WONG T, et al. Distributed turbo coding with soft information relaying in multi-hop relay networks[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2006, 24(11): 2040-2050.

[8] HU Jun, DUMAN T M. Low density parity check codes over wireless relay channels[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2007, 6(9):3384-3394.

[9] JANANI M, HEDAYAT A, HUNTER T E, et al. Coded cooperation in wireless communications: Space-time transmission and iterative decoding[J].EEE Transactions on Signal Processing, 2004,52(2): 362-371.

[10] PANDYA A, POTTIE G. Bounds on achievable rates for cooperative channel coding[C]//Proceedings of the 38th Asilomar Conference on Signals, Systems and Computers, Nov 7-10, 2004, Pacific Grove, CA,USA. 2004:1077-1081.

[11] MITRA U, SABHARWAL A. Complexity constrained sensor networks: Achievable rates for two relay networks and generalizations[C]//Proceedings of Third International Symposium on Information Processing in Sensor Networks (IPSN'04), Apr 26-27, 2004, Berkeley, CA, USA. 2004:301-310.

[12] PENG Cong, ZHANG Qian, ZHAO Ming, et al. On the peformance analysis of network-coded cooperation in wireless networks[C]// Proceedings of 27th IEEE International Conference on Computer Communications (INFOCOM07), Mar 6-12, 2007, Anchorage, AK,USA, Piscataway, NJ,USA:IEEE,2007:1460-1468.

[13] SOURYAL M R, VOJCIC B R. Cooperative turbo coding with time-varying rayleigh fading channels[C]//Proceedings of IEEE International Conference on Communications(ICC ‘04): Vol 1, Jun 20-24, Paris, France. Piscataway, NJ,USA:IEEE,2004:356-360.

[14] BAO X K, LI J. Adaptive network coded cooperation (ANCC) for wireless relay networks: matching code-on-graph with network-on-graph[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2008, 7(2): 574-583.

收稿日期：2008-11-03

陳慶春，西南交通大學信息科學與技術學院副教授，博士。主要研究領域為無線通信、信息論與編碼、信道估計、無線傳感器網絡。先后主持國家自然科學基金資助項目、教育部和省級科研項目6項，參與完成國家高技術研究發展計劃(“863”計劃)資助項目、國家自然科學基金資助項目3項，先后發表論文30余篇，其中被SCI/EI檢索15篇，獲中國發明專利授權3項。