协作通信网络中的合作编码技术

由于具有优异的差错控制性能，基于Turbo码和低密度稀疏检验矩阵码(LDPC)的合作编码技术成为了合作编码技术应用方案的研究热点。

2003年，ZHAO Bin[6]等较早研究了半双工通信模式下适合于中继通信模型的分布式Turbo编译码方案：源节点的数据通过一个递归系统卷积编码器进行编码后发送；中继节点在收到源节点的数据后，先进行维特比译码，若译码结果经循环冗余校验(CRC)正确，则将恢复出来的来自源节点信息经交织后，送递归系统卷积编码器重新编码后发送；目标节点将在两个不同的时隙内分别接收到来自源节点和合作(中继)节点的两个分量递归系统卷积编码码字，因而可以采用迭代译码算法更加可靠地从所接收到的完整Turbo码码字恢复出来自源节点的信息。

ZHANG Zheng等[4-5]分别提出了适用于全双工通信和时分半双工通信模式下逼近中继通信系统容量限的改进合作Turbo编译码方案，与前述的分布式Turbo编译码方案所不同的是，为了提升合作编码性能，改进的合作Turbo编译码方案中，源节点采用完整的Turbo编码器，中继节点采用Turbo译码器。此外，改进的合作Turbo编译码方案中采用了源节点尽可能多地传输数据的策略与机制，以提升合作Turbo编译码系统的信息传输能力。概述起来，基于Turbo编译码的合作编码大致可以采用如下3种方案，即源节点和中继节点分别采用Turbo编解码的协作Turbo编码方案，源节点和中继节点采用Turbo分量编解码的分布式Turbo编码方案。研究表明，基于穿孔Turbo码的协作Turbo编码方案性能较好。此外，在协作Turbo编码方案中，中继节点只需向目标节点转发校验位数据而无需重复发送数据信息。类似的，LI Yonghui等[7]提出了一种基于软信息中继的分布式Turbo编译码方案(DTC-SIR)。在DTC-SIR方案中，由中继节点根据信息比特的后验概率计算出校验符号的后验概率软信息，并转发给目标节点。基于软信息中继的分布式Turbo编译码方案能够在很大程度上有效缓解中继解码出错对合作编码的不利影响。

2007年HU Jun[8]等给出了适用于全双工通信和时分半双工通信模式下逼近系统容量限的协作LDPC编译码方案。在全双工通信模式下，源节点和中继节点可以采用相同的LDPC编码，也可以采用不同的LDPC编码方案。源节点的数据通过一个LDPC编码器进行编码后发送；源节点可以采用穿孔技术调整LDPC码编码码率，为了更好地帮助中继节点解码源节点数据，推荐在穿孔中尽可能保留系统信息比特；中继节点在收到源节点的数据后，先进行译码，并在解码数据的基础上，重新采用LDPC编码，并将编码码字转发给目标节点；目标节点将根据所接收到的源节点和合作(中继)节点的两部分LDPC码码字完成译码，还原出源节点数据。与逼近系统容量限的合作Turbo编解码方案类似，为了提升合作Turbo编译码系统的信息传输能力，在合作LDPC编译码方案中也采用了源节点尽可能多地传输数据的策略与机制。这要求目标节点同样需要在LDPC译码处理前，采用干扰符号检测技术。相关研究结果表明，在合理设置LDPC译码器迭代译码次数以及干扰符号检测及LDPC译码联合迭代次数时，基于不规则LDPC码的合作LDPC编码方案在源节点和目标节点采用不同LDPC编码方案条件下可以获得优于改进的合作Turbo编码方案性能。

由于无线通信系统中多用户彼此共享天线和其他资源，构成虚拟天线阵列，由此获得空间分集增益。2004年，Janani等结合空时编码思想，研究了协作空时RCPC码和Turbo码的空时传输方案及其译码机制，研究结果表明：通过调整协作传输时间所占比例即可方便实现对协作度的灵活调整；在协作度不为1的条件下，慢衰落信道条件下的协作编码空时传输方案可以实现满分集，而快衰落信道条件下的分集阶数则取决于相关合作编码的最小汉明距离之和[9]。

近年来的研究进展表明，完备空时码因其同时具备全速率、满分集的优异性能，成为了在MIMO系统条件下实现空间分集和空间复用最佳折中有效技术手段。但由于完备空时码是最近几年才发展起来的一类新的空时编码构造方法，鉴于其优异的性能和便于实现的特性，基于完备空时码的合作空时编码技术无疑是未来合作空时编码研究的一个重要方向。

4复杂网络通信模型中的合作编码方案

除了围绕经典的中继通信模型研究与之相适应的合作编译码方案而外，针对其他复杂网络通信模型，研究与之相适应的合作编码技术方案也是合作编码技术研究的重点。

Ameesh Pandya和Greg Pottie从信息传输的角度，系统地分析了适用于包括两个协作发射节点和两个协作接收节点的无线网络通信条件下的合作编码问题[10]。相关研究表明：协作中继是一种实现复杂度较低的协作通信模型，在合作编码中应予优先考虑；其次，发射端协作要明显优于接收端协作，由于接收端协作所带来的性能增益较小，因此在分布式网络通信条件下，在可能的情况下可以将多个协作接收节点的场景简化为单接收节点模型。其他网络通信场景还包括：单个发射节点两个协作接收节点场景下的合作编码方案，单个发射节点、两个协作中继节点、单个接收节点场景下的合作编码方案等[11]。

除了上述复杂网络通信模型下的合作编码研究之外，如何满足任意多信源多信宿无线通信网络的协作编码通信需求，如何将网络编码应用于无线通信网络中以进一步改进网络系统容量引起了人们的重视。从本质上来讲，协作通信和网络编码的目标都是通过增强中继节点处理能力，提升网络性能，将二者有机整合在一起的网络编码协作是合理的技术选择。在网络编码协作技术中，中继节点可以采用网络编码处理来自多个信源的数据，然后再转发给对应的多个信宿。最近的性能分析表明，网络编码协作能更好实现分集增益和复用增益的这种方案，而且需要更少的带宽条件下，具备和协作编码类似的性能[12]。

此外，自适应合作编码研究也开始引起了人们的重视。编码协作中的协作区域与协作伙伴的选择对协作性能有直接的影响。对于协作编码而言，存在一个由源节点和目的节点的位置决定，以源节点为参照位置的协作区域；为了获得更好的用户协作增益，在存在多个协作节点的情况下，应当优选距离源节点更近的节点。2004年，Michael R Souryal等研究了时变瑞利衰落信道下，基于链路信道状态信息CSI的自适应协作Turbo编译码方案，相关研究表明，时变衰落条件下协作编码需要在时间分集和空间分集间进行合理的折中；在慢时变条件下，合理的选择中继节点数、确定合作编码方案可以大幅度改善协作Turbo编译码性能；在快时变条件下，合作编码所带来的空间分集增益逐渐减小；根据信道条件的变化，在源节点和目标节点间动态选择中继节点的自适应协作编码可以进一步改进协作编码性能[13]。对于复杂网络环境下的合作编码问题，BAO Xingkai等提出了一类基于LDGM码和LT-LDPC码的自适应网络编码协作方案，通过码图匹配网络拓扑结构的变化，进而实现自适应的合作编码，同时由于依赖于码图的约束关系，在合作编码过程之中不需要协作节点之间的严格同步[14]。

5结束语

作为一种分布式无线通信网络环境下的编码技术，通过编码可以实现更有效的协作通信，在未来的宽带无线通信网络环境下，可以充分利用现有信道编码、空时编码和网络编码领域的大量研究成果，合作编码技术研究方兴未艾。从技术实现角度，现有的大部分合作编码技术方案都要求协作节点间保持严格的收发同步。为了实现合作编码，除了控制终端外，还需要专门设计对中继的控制信令。未来的自适应合作编译码技术和网络编码协作技术还有大量的理论和技术问题有待于进一步深入。