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(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�言之，合作編碼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)點的數據時，先進行糾錯譯碼接收來自源節(jié)點數據后，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據，但節(jié)點不能同時收發(fā)數據；而在全雙工模式下，節(jié)點可以同時收發(fā)數據。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)點實現更簡單，對應的協(xié)作編碼方案實現更容易，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)送數據而中繼節(jié)點和目標節(jié)點接收數據，中繼節(jié)點對接收到的數據譯碼；在第二個時隙，源節(jié)點不發(fā)送數據，而由中繼節(jié)點將解碼恢復的數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)點的編碼數據，以及當前時隙中繼節(jié)點轉發(fā)的編碼數據的基礎上，設法恢復出來自源節(jié)點的原始數據。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)點編碼數據和來自中繼節(jié)點的轉發(fā)編碼數據。

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)送數據；中繼節(jié)點在接收來自源節(jié)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(jié)點的編碼數據進行解碼恢復，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)點對應不同數據的兩份編碼數據，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)點編碼數據和當前時隙來自中繼節(jié)點的轉發(fā)編碼數據的基礎上，結合上一個時隙接收到來自源節(jié)點編碼數據，依次還原出各個時隙源節(jié)點發(fā)送的信息數據。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。基于RCPC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。