協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)中的合作編碼技術(shù)

2003年，ITU-R制訂完成了下一代移動通信系統(tǒng)的綱領(lǐng)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(wǎng)絡(luò)覆蓋，支持更高速率的無線數(shù)據(jù)傳輸，這是未來移動通信網(wǎng)絡(luò)必須設(shè)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(shù)將有望成為解決高速數(shù)據(jù)傳輸和大范圍網(wǎng)絡(luò)覆蓋的關(guān)鍵技術(shù)。

　　分布式無線通信除了將協(xié)議控制功能分散到蜂窩內(nèi)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(jìn)行充分復(fù)用而外，還允許移動終端間不通過基站或控制終端直接進(jìn)行通信。多用戶協(xié)作通信技術(shù)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(fù)用，進(jìn)而實現(xiàn)和支撐更高速率、更高帶寬的無線傳輸，改善網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能。由此可見，分布式無線通信技術(shù)的應(yīng)用，不僅僅會影響蜂窩網(wǎng)協(xié)議設(shè)計，還將對基本的無線通信手段乃至通信方式產(chǎn)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(wǎng)絡(luò)終端、中繼站乃至基站的基本技術(shù)特征之一。

　　作為一類重要的協(xié)作通信技術(shù)，合作編碼極大地拓展了協(xié)作通信的內(nèi)涵，它將協(xié)作分集技術(shù)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(jù)鏈路層面的糾錯編譯碼，有助于進(jìn)一步提升和改進(jìn)通信性能和協(xié)作效能。本文針對協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)中的合作編碼技術(shù)研究現(xiàn)狀進(jìn)行概述，說明終端和中繼站工作方式對合作編碼技術(shù)方案的影響，介紹經(jīng)典中繼通信模型下基于不同糾錯編碼技術(shù)的合作編碼方案，揭示不同的協(xié)同通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境對合作編碼技術(shù)方案的影響，并討論完善合作編碼技術(shù)所面臨的問題，以及基于自適應(yīng)的合作編碼技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)編碼協(xié)作技術(shù)的未來發(fā)展方向。

1合作編碼技術(shù)

　　近年來，以協(xié)作分集為代表的多用戶合作通信技術(shù)成為分布式無線通信的研究重點(diǎn)。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(yīng)的信號處理來獲得空間分集增益的新型通信體制，它能夠?qū)崿F(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(shù)的協(xié)作通信可以采用編碼技術(shù)進(jìn)一步提升系統(tǒng)性能[3]。

　　在檢測轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作策略的基礎(chǔ)之上，結(jié)合編碼思想，協(xié)作(或中繼)節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)檢測結(jié)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。總而言之，合作編碼機(jī)制是信道編碼思想和協(xié)作通信思想有機(jī)融合的產(chǎn)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(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理步驟包括先解碼、再編碼、轉(zhuǎn)發(fā)的3個基本步驟：源節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通過糾錯編碼后廣播發(fā)送；中繼節(jié)點(diǎn)在收到源節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)時，先進(jìn)行糾錯譯碼接收來自源節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)后，重新編碼后轉(zhuǎn)發(fā)給目標(biāo)節(jié)點(diǎn)；目標(biāo)節(jié)點(diǎn)將分別接收到來自源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)的碼字經(jīng)過合并處理后，譯碼恢復(fù)出來自源節(jié)點(diǎn)信息。

　　首先，源節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)經(jīng)過糾錯編碼后再發(fā)送，可以有效提高中繼節(jié)點(diǎn)及目標(biāo)節(jié)點(diǎn)正確接收數(shù)據(jù)的概率。

　　其次，為了避免在中繼節(jié)點(diǎn)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(diǎn)處通常應(yīng)對解碼數(shù)據(jù)進(jìn)行錯誤校驗(例如通過循環(huán)冗余校驗)，只在中繼節(jié)點(diǎn)正確解碼的條件下啟動協(xié)作通信機(jī)制。由于中繼節(jié)點(diǎn)的參與，通過合理選擇協(xié)作節(jié)點(diǎn)以確保有效的協(xié)作，并在中繼節(jié)點(diǎn)處采用與源節(jié)點(diǎn)編碼方式和手段相互呼應(yīng)、互為補(bǔ)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(chǔ)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(diǎn)在不同時隙或通過不同的頻帶接收和傳輸數(shù)據(jù)，但節(jié)點(diǎn)不能同時收發(fā)數(shù)據(jù)；而在全雙工模式下，節(jié)點(diǎn)可以同時收發(fā)數(shù)據(jù)。在實際的協(xié)作通信環(huán)境中，半雙工通信方式的節(jié)點(diǎn)較全雙工通信方式的節(jié)點(diǎn)實現(xiàn)更簡單，對應(yīng)的協(xié)作編碼方案實現(xiàn)更容易，復(fù)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(shè)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(diǎn)、協(xié)作(中繼)結(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理步驟一般可以設(shè)計為：在第一個時隙，源節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)而中繼節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)，中繼節(jié)點(diǎn)對接收到的數(shù)據(jù)譯碼；在第二個時隙，源節(jié)點(diǎn)不發(fā)送數(shù)據(jù)，而由中繼節(jié)點(diǎn)將解碼恢復(fù)的數(shù)據(jù)經(jīng)重新編碼后轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點(diǎn)，與此同時，目的節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)在上一個時隙所接收到來自源節(jié)點(diǎn)的編碼數(shù)據(jù)，以及當(dāng)前時隙中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的編碼數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，設(shè)法恢復(fù)出來自源節(jié)點(diǎn)的原始數(shù)據(jù)。整個用戶間合作協(xié)作協(xié)議設(shè)計較為容易。最近的研究表明，為了進(jìn)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(diǎn)也應(yīng)向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送額外的編碼冗余信息，此時，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)需要采用重疊符號干擾檢測技術(shù)區(qū)分來自源節(jié)點(diǎn)編碼數(shù)據(jù)和來自中繼節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)編碼數(shù)據(jù)。

　　在全雙工通信方式下，源節(jié)點(diǎn)將在每個時隙依次向中繼節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)；中繼節(jié)點(diǎn)在接收來自源節(jié)點(diǎn)的新的編碼數(shù)據(jù)的同時，將其在上一個時隙接收到來自源節(jié)點(diǎn)的編碼數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼恢復(fù)，并經(jīng)重新編碼后轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點(diǎn)；在任何一個時隙，目的節(jié)點(diǎn)都會同時接收到來自源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)對應(yīng)不同數(shù)據(jù)的兩份編碼數(shù)據(jù)，在采用重疊符號干擾檢測技術(shù)區(qū)分來自當(dāng)前時隙源節(jié)點(diǎn)編碼數(shù)據(jù)和當(dāng)前時隙來自中繼節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)編碼數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合上一個時隙接收到來自源節(jié)點(diǎn)編碼數(shù)據(jù)，依次還原出各個時隙源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息數(shù)據(jù)。顯然全雙工通信方式下的協(xié)作編譯碼設(shè)計要比在半雙工通信模式下的協(xié)作方案設(shè)計更復(fù)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(shù)成果可以直接應(yīng)用，近年來，圍繞經(jīng)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(shù)中的應(yīng)用方案的相關(guān)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(yōu)點(diǎn)在于，中繼節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)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(diǎn)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(shù)成為了合作編碼技術(shù)應(yīng)用方案的研究熱點(diǎn)。

　　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(diǎn)的數(shù)據(jù)通過一個遞歸系統(tǒng)卷積編碼器進(jìn)行編碼后發(fā)送；中繼節(jié)點(diǎn)在收到源節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)后，先進(jìn)行維特比譯碼，若譯碼結(jié)果經(jīng)循環(huán)冗余校驗(CRC)正確，則將恢復(fù)出來的來自源節(jié)點(diǎn)信息經(jīng)交織后，送遞歸系統(tǒng)卷積編碼器重新編碼后發(fā)送；目標(biāo)節(jié)點(diǎn)將在兩個不同的時隙內(nèi)分別接收到來自源節(jié)點(diǎn)和合作(中繼)節(jié)點(diǎn)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(fù)出來自源節(jié)點(diǎn)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(jìn)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(jìn)的合作Turbo編譯碼方案中，源節(jié)點(diǎn)采用完整的Turbo編碼器，中繼節(jié)點(diǎn)采用Turbo譯碼器。此外，改進(jìn)的合作Turbo編譯碼方案中采用了源節(jié)點(diǎn)盡可能多地傳輸數(shù)據(jù)的策略與機(jī)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(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)分別采用Turbo編解碼的協(xié)作Turbo編碼方案，源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)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(diǎn)只需向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)校驗位數(shù)據(jù)而無需重復(fù)發(fā)送數(shù)據(jù)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(diǎn)根據(jù)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(zhuǎn)發(fā)給目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。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(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(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的數(shù)據(jù)通過一個LDPC編碼器進(jìn)行編碼后發(fā)送；源節(jié)點(diǎn)可以采用穿孔技術(shù)調(diào)整LDPC碼編碼碼率，為了更好地幫助中繼節(jié)點(diǎn)解碼源節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，推薦在穿孔中盡可能保留系統(tǒng)信息比特；中繼節(jié)點(diǎn)在收到源節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)后，先進(jìn)行譯碼，并在解碼數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，重新采用LDPC編碼，并將編碼碼字轉(zhuǎn)發(fā)給目標(biāo)節(jié)點(diǎn)；目標(biāo)節(jié)點(diǎn)將根據(jù)所接收到的源節(jié)點(diǎn)和合作(中繼)節(jié)點(diǎn)的兩部分LDPC碼碼字完成譯碼，還原出源節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)。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(diǎn)盡可能多地傳輸數(shù)據(jù)的策略與機(jī)制。這要求目標(biāo)節(jié)點(diǎn)同樣需要在LDPC譯碼處理前，采用干擾符號檢測技術(shù)。相關(guān)研究結(jié)果表明，在合理設(shè)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(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)采用不同LDPC編碼方案條件下可以獲得優(yōu)于改進(jìn)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(gòu)成虛擬天線陣列，由此獲得空間分集增益。2004年，Janani等結(jié)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(jī)制，研究結(jié)果表明：通過調(diào)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(diào)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(guān)合作編碼的最小漢明距離之和[9]。

　　近年來的研究進(jìn)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(fù)用最佳折中有效技術(shù)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(gòu)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(shù)無疑是未來合作空時編碼研究的一個重要方向。

4復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)通信模型中的合作編碼方案

　　除了圍繞經(jīng)典的中繼通信模型研究與之相適應(yīng)的合作編譯碼方案而外，針對其他復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)通信模型，研究與之相適應(yīng)的合作編碼技術(shù)方案也是合作編碼技術(shù)研究的重點(diǎn)。

　　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(diǎn)和兩個協(xié)作接收節(jié)點(diǎn)的無線網(wǎng)絡(luò)通信條件下的合作編碼問題[10]。相關(guān)研究表明：協(xié)作中繼是一種實現(xiàn)復(fù)雜度較低的協(xié)作通信模型，在合作編碼中應(yīng)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(wǎng)絡(luò)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(diǎn)的場景簡化為單接收節(jié)點(diǎn)模型。其他網(wǎng)絡(luò)通信場景還包括：單個發(fā)射節(jié)點(diǎn)兩個協(xié)作接收節(jié)點(diǎn)場景下的合作編碼方案，單個發(fā)射節(jié)點(diǎn)、兩個協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)、單個接收節(jié)點(diǎn)場景下的合作編碼方案等[11]。

　　除了上述復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)的協(xié)作編碼通信需求，如何將網(wǎng)絡(luò)編碼應(yīng)用于無線通信網(wǎng)絡(luò)中以進(jìn)一步改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量引起了人們的重視。從本質(zhì)上來講，協(xié)作通信和網(wǎng)絡(luò)編碼的目標(biāo)都是通過增強(qiáng)中繼節(jié)點(diǎn)處理能力，提升網(wǎng)絡(luò)性能，將二者有機(jī)整合在一起的網(wǎng)絡(luò)編碼協(xié)作是合理的技術(shù)選擇。在網(wǎng)絡(luò)編碼協(xié)作技術(shù)中，中繼節(jié)點(diǎn)可以采用網(wǎng)絡(luò)編碼處理來自多個信源的數(shù)據(jù)，然后再轉(zhuǎn)發(fā)給對應(yīng)的多個信宿。最近的性能分析表明，網(wǎng)絡(luò)編碼協(xié)作能更好實現(xiàn)分集增益和復(fù)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(yīng)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(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)的位置決定，以源節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的情況下，應(yīng)當(dāng)優(yōu)選距離源節(jié)點(diǎn)更近的節(jié)點(diǎn)。2004年，Michael R Souryal等研究了時變?nèi)鹄ヂ湫诺老拢阪溌沸诺罓顟B(tài)信息CSI的自適應(yīng)協(xié)作Turbo編譯碼方案，相關(guān)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(jìn)行合理的折中；在慢時變條件下，合理的選擇中繼節(jié)點(diǎn)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小；根據(jù)信道條件的變化，在源節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)間動態(tài)選擇中繼節(jié)點(diǎn)的自適應(yīng)協(xié)作編碼可以進(jìn)一步改進(jìn)協(xié)作編碼性能[13]。對于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)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(yīng)網(wǎng)絡(luò)編碼協(xié)作方案，通過碼圖匹配網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化，進(jìn)而實現(xiàn)自適應(yīng)的合作編碼，同時由于依賴于碼圖的約束關(guān)系，在合作編碼過程之中不需要協(xié)作節(jié)點(diǎn)之間的嚴(yán)格同步[14]。

　　5結(jié)束語

　　作為一種分布式無線通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的編碼技術(shù)，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(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，可以充分利用現(xiàn)有信道編碼、空時編碼和網(wǎng)絡(luò)編碼領(lǐng)域的大量研究成果，合作編碼技術(shù)研究方興未艾。從技術(shù)實現(xiàn)角度，現(xiàn)有的大部分合作編碼技術(shù)方案都要求協(xié)作節(jié)點(diǎn)間保持嚴(yán)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(shè)計對中繼的控制信令。未來的自適應(yīng)合作編譯碼技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)編碼協(xié)作技術(shù)還有大量的理論和技術(shù)問題有待于進(jìn)一步深入。