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(dòng)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(dòng)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(shí)現(xiàn)大范圍網(wǎng)絡(luò)覆蓋，支持更高速率的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，這是未來(lái)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)必須設(shè)法解決的基本問(wèn)題。而近年來(lái)的研究表明，分布式無(wú)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(wú)線通信除了將協(xié)議控制功能分散到蜂窩內(nèi)的多個(gè)控制終端(例如中繼站)，實(shí)現(xiàn)頻譜、時(shí)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(dòng)終端間不通過(guò)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(guò)用戶間的協(xié)作，提高無(wú)線頻譜資源利用率和系統(tǒng)功率效率，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線通信系統(tǒng)的頻率、時(shí)間、空間等多維資源的有效復(fù)用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)和支撐更高速率、更高帶寬的無(wú)線傳輸，改善網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能。由此可見(jiàn)，分布式無(wú)線通信技術(shù)的應(yīng)用，不僅僅會(huì)影響蜂窩網(wǎng)協(xié)議設(shè)計(jì)，還將對(duì)基本的無(wú)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(wú)疑是未來(lái)無(wú)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(hào)傳輸和/或協(xié)作信號(hào)處理拓展到了數(shù)據(jù)鏈路層面的糾錯(cuò)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(duì)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(shuō)明終端和中繼站工作方式對(duì)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(cuò)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(duì)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(wèn)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(lái)發(fā)展方向。

1合作編碼技術(shù)

近年來(lái)，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(wú)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(guò)不同的合作方式以及相應(yīng)的信號(hào)處理來(lái)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(wú)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(cè)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(cè)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(cuò)誤檢測(cè)條件下的差錯(cuò)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(gè)基本步驟：源節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通過(guò)糾錯(cuò)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(shí)，先進(jìn)行糾錯(cuò)譯碼接收來(lái)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(lái)自源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)的碼字經(jīng)過(guò)合并處理后，譯碼恢復(fù)出來(lái)自源節(jié)點(diǎn)信息。

首先，源節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)糾錯(cuò)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(cuò)誤解碼條件下對(duì)協(xié)作通信的干擾和破壞，在中繼節(jié)點(diǎn)處通常應(yīng)對(duì)解碼數(shù)據(jù)進(jìn)行錯(cuò)誤校驗(yàn)(例如通過(guò)循環(huán)冗余校驗(yàn))，只在中繼節(jié)點(diǎn)正確解碼的條件下啟動(dòng)協(xié)作通信機(jī)制。由于中繼節(jié)點(diǎn)的參與，通過(guò)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(cuò)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(shí)隙或通過(guò)不同的頻帶接收和傳輸數(shù)據(jù)，但節(jié)點(diǎn)不能同時(shí)收發(fā)數(shù)據(jù)；而在全雙工模式下，節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)收發(fā)數(shù)據(jù)。在實(shí)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(shí)現(xiàn)更簡(jiǎn)單，對(duì)應(yīng)的協(xié)作編碼方案實(shí)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(jì)時(shí)所面臨的問(wèn)題是有差異的。

對(duì)于時(shí)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(jì)為：在第一個(gè)時(shí)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(duì)接收到的數(shù)據(jù)譯碼；在第二個(gè)時(shí)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(shí)，目的節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)在上一個(gè)時(shí)隙所接收到來(lái)自源節(jié)點(diǎn)的編碼數(shù)據(jù)，以及當(dāng)前時(shí)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(lái)自源節(jié)點(diǎn)的原始數(shù)據(jù)。整個(gè)用戶間合作協(xié)作協(xié)議設(shè)計(jì)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(gè)時(shí)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(shí)，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)需要采用重疊符號(hào)干擾檢測(cè)技術(shù)區(qū)分來(lái)自源節(jié)點(diǎn)編碼數(shù)據(jù)和來(lái)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(gè)時(shí)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(lái)自源節(jié)點(diǎn)的新的編碼數(shù)據(jù)的同時(shí)，將其在上一個(gè)時(shí)隙接收到來(lái)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(gè)時(shí)隙，目的節(jié)點(diǎn)都會(huì)同時(shí)接收到來(lái)自源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)不同數(shù)據(jù)的兩份編碼數(shù)據(jù)，在采用重疊符號(hào)干擾檢測(cè)技術(shù)區(qū)分來(lái)自當(dāng)前時(shí)隙源節(jié)點(diǎn)編碼數(shù)據(jù)和當(dāng)前時(shí)隙來(lái)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(gè)時(shí)隙接收到來(lái)自源節(jié)點(diǎn)編碼數(shù)據(jù)，依次還原出各個(gè)時(shí)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(jì)要比在半雙工通信模式下的協(xié)作方案設(shè)計(jì)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(lái)，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(cuò)性能有限，基于RCPC碼的合作編碼方案所帶來(lái)的編碼增益有限。