协作通信网络中的合作编码技术

2003年，ITU-R制订完成了下一代移动通信系统的纲领性文件M.1645，其中明确要求，下一代移动通信系统支持低速用户100Mb/s，高速用户1Gb/s的传输速率。由于频谱资源紧张，如何在占用有限的频带资源的条件下，实现大范围网络覆盖，支持更高速率的无线数据传输，这是未来移动通信网络必须设法解决的基本问题。而近年来的研究表明，分布式无线通信技术将有望成为解决高速数据传输和大范围网络覆盖的关键技术。

分布式无线通信除了将协议控制功能分散到蜂窝内的多个控制终端(例如中继站)，实现频谱、时间、空间等多维资源以更小的覆盖单位进行充分复用而外，还允许移动终端间不通过基站或控制终端直接进行通信。多用户协作通信技术可以通过用户间的协作，提高无线频谱资源利用率和系统功率效率，实现对无线通信系统的频率、时间、空间等多维资源的有效复用，进而实现和支撑更高速率、更高带宽的无线传输，改善网络覆盖性能。由此可见，分布式无线通信技术的应用，不仅仅会影响蜂窝网协议设计，还将对基本的无线通信手段乃至通信方式产生根本而深刻的影响。

具备协作通信能力无疑是未来无线通信网络终端、中继站乃至基站的基本技术特征之一。

作为一类重要的协作通信技术，合作编码极大地拓展了协作通信的内涵，它将协作分集技术中多用户间单纯物理层面的协作信号传输和/或协作信号处理拓展到了数据链路层面的纠错编译码，有助于进一步提升和改进通信性能和协作效能。本文针对协作通信网络中的合作编码技术研究现状进行概述，说明终端和中继站工作方式对合作编码技术方案的影响，介绍经典中继通信模型下基于不同纠错编码技术的合作编码方案，揭示不同的协同通信网络环境对合作编码技术方案的影响，并讨论完善合作编码技术所面临的问题，以及基于自适应的合作编码技术和网络编码协作技术的未来发展方向。

1合作编码技术

近年来，以协作分集为代表的多用户合作通信技术成为分布式无线通信的研究重点。多用户合作分集是一种使各用户共享天线，通过不同的合作方式以及相应的信号处理来获得空间分集增益的新型通信体制，它能够实现所谓"虚拟天线阵列"(AVV)的功能，极大地改善无线通信系统抗衰落的性能，提高资源效率和系统容量[1-2]。

基于协作分集技术的协作通信可以采用编码技术进一步提升系统性能[3]。

在检测转发协作策略的基础之上，结合编码思想，协作(或中继)节点可以根据检测结果决定是否参与协作，这有力地保障了协作通信的有效性，避免了错误检测条件下的差错传播。总而言之，合作编码机制是信道编码思想和协作通信思想有机融合的产物。

与协作分集最大的区别在于，在合作编码中，协作(中继)结点的数据处理步骤包括先解码、再编码、转发的3个基本步骤：源节点的数据通过纠错编码后广播发送；中继节点在收到源节点的数据时，先进行纠错译码接收来自源节点数据后，重新编码后转发给目标节点；目标节点将分别接收到来自源节点和中继节点的码字经过合并处理后，译码恢复出来自源节点信息。

首先，源节点数据经过纠错编码后再发送，可以有效提高中继节点及目标节点正确接收数据的概率。

其次，为了避免在中继节点能错误解码条件下对协作通信的干扰和破坏，在中继节点处通常应对解码数据进行错误校验(例如通过循环冗余校验)，只在中继节点正确解码的条件下启动协作通信机制。由于中继节点的参与，通过合理选择协作节点以确保有效的协作，并在中继节点处采用与源节点编码方式和手段相互呼应、互为补充的纠错编码手段和方式，协作编码可以在充分利用协作空间分集增益的基础上，获取额外的编码增益，取得更好的协作通信性能。

2全双工与半双工通信方式下的合作编码

协作通信环境下通信终端有两种基本工作模式，即半双工模式和全双工模式。在半双工模式下，节点在不同时隙或通过不同的频带接收和传输数据，但节点不能同时收发数据；而在全双工模式下，节点可以同时收发数据。在实际的协作通信环境中，半双工通信方式的节点较全双工通信方式的节点实现更简单，对应的协作编码方案实现更容易，复杂度较低，但全双工通信系统比半双工系统有更高的系统容量[4]。

在全双工通信和半双工通信模式下，协作编码方案设计时所面临的问题是有差异的。

对于时分半双工通信而言，合作编码中源节点、协作(中继)结点和目标节点的数据处理步骤一般可以设计为：在第一个时隙，源节点发送数据而中继节点和目标节点接收数据，中继节点对接收到的数据译码；在第二个时隙，源节点不发送数据，而由中继节点将解码恢复的数据经重新编码后转发到目的节点，与此同时，目的节点可以根据在上一个时隙所接收到来自源节点的编码数据，以及当前时隙中继节点转发的编码数据的基础上，设法恢复出来自源节点的原始数据。整个用户间合作协作协议设计较为容易。最近的研究表明，为了进一步提高半双工通信方式下的协作编码性能，在第二个时隙，源节点也应向目标节点发送额外的编码冗余信息，此时，目标节点需要采用重叠符号干扰检测技术区分来自源节点编码数据和来自中继节点的转发编码数据。

在全双工通信方式下，源节点将在每个时隙依次向中继节点和目标节点发送数据；中继节点在接收来自源节点的新的编码数据的同时，将其在上一个时隙接收到来自源节点的编码数据进行解码恢复，并经重新编码后转发到目的节点；在任何一个时隙，目的节点都会同时接收到来自源节点和中继节点对应不同数据的两份编码数据，在采用重叠符号干扰检测技术区分来自当前时隙源节点编码数据和当前时隙来自中继节点的转发编码数据的基础上，结合上一个时隙接收到来自源节点编码数据，依次还原出各个时隙源节点发送的信息数据。显然全双工通信方式下的协作编译码设计要比在半双工通信模式下的协作方案设计更复杂，但全双工通信方式下的协作编码往往具有更好的性能[5]。

3中继通信模型中的合作编码方案

由于有大量的信道编译码技术成果可以直接应用，近年来，围绕经典的中继通信模型，各种不同类型的信道编译码方案在合作编码技术中的应用方案的相关研究十分活跃。

2002年，Todd E Hunter等人较早提出了适合于中继通信模型下基于速率兼容删除卷积码(RCPC)的合作编码方案。基于RCPC码的合作编码方案的优点在于，中继节点可以根据合作通信环境和条件的变化，灵活地选择RCPC编码方案，但缺点在于，由于卷积码自身纠错性能有限，基于RCPC码的合作编码方案所带来的编码增益有限。

作者：陈庆春   来源：通信世界网