（信号与信息处理专业论文）协作通信中物理层网络编码技术的研究.pdf

research on physical layer network coding in cooperation communication thesis submitted to nanjing university of posts and telecommunications for the degree of master of engineering by liu shasha supervisor: prof. mei zhonghui february 2013 南京邮电大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本人学位论文及涉及相关资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 南京邮电大学学位论文使用授权声明 本人授权南京邮电大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文 档；允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索； 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。本文电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。论文的公布（包括刊登）授权南京邮电大学研究生院办理。 涉密学位论文在解密后适用本授权书。 研究生签名：_ 日期：_ 研究生签名：_ 导师签名：_ 日期：_ i 摘要摘要摘要摘要 协作通信是一种能利用虚拟天线技术获得分集增益的技术，其三种基本协作模式已经被 研究证明能够提高通信系统的性能。网络编码作为一种新兴的技术本身包含了协作思想，利 用中间节点对信息进行处理，能提高系统的吞吐量，降低系统的中断概率。信道编码的研究 已经趋于成熟，也广泛的应用在通信系统中来降低系统的误码率，提高系统的链路可靠性。 将信道编码和网络编码相结合应用在协作通信系统中也成为一个新的研究方向和热点。 本论文在协作通信的背景下，首先对协作方案进行了基本的研究和分析，推导其中断概 率表达式，介绍两种改进的协作方案并将协作通信系统的信道模型从三节点推广到多节点， 并分析了其信道容量。在协作通信系统的基础上使用网络编码，并对系统模型的中断概率进 行公式推导并进行结果的仿真和分析，将协作通信中的网络编码方案从二进制推广到非二进 制网络编码方案，并将其应用推广到多用户协作系统模型中，进行系统性能分析和仿真，结 果表明，协作通信系统中使用网络编码比直接协作具有更为优越的性能，非二进制网络编码 能进一步提高系统性能。对可应用于协作通信的 ldpc 码进行深入学习研究，将其与编码协 作相结合进行分析，并对其性能进行仿真；在无线协作通信网络的基础上充分利用 ldpc 码 的优势与网络编码相结合并进行仿真验证，最后对联合网络信道迭代译码方案进行了研究， 结果表明联合编码以及联合迭代译码方案都具有良好的性能。 关键词关键词关键词关键词：协作通信, 网络编码, ldpc 码, 联合网络信道编码, 联合迭代译码 ii abstract collaborative communication is a new technology using virtual antenna technology to gain diversity. its three basic cooperative models have been proven that they can improve the performance of system. network coding is a new technology which contains the cooperation method, using the relay node processing the message can improve the performance of system. channel coding has been used in the communication systems to reduce the bit error rate and improve the link reliability. joint network coding and channel coding is a new research spot. in the background of the cooperative communication, this paper researches and analysis the basic cooperation scheme, presents two improved cooperation scheme and promote the channel model of communication system from three nodes to multiple nodes and analysis the channel capacity. on the base of cooperative communication using the network coding and derivate the formula of system models outage and simulate the result. promote the scheme of network coding of cooperative communication form binary to non-binary and promote in the multiple users cooperative models, analysis and simulate the performance, result proves that using network coding in the cooperative communication system has better performance than direct using cooperation, binary network coding performance better than non-binary network coding. research the ldpc code which can using in the cooperative communication, research joint coding cooperation and channel coding and simulate the performance. on the base of wireless cooperative communication use the joint ldpc code and network coding, analysis and simulate the performance and results. last this paper research the joint channel network iterative decoding, the result proves that joint coding scheme and joint iterative decoding scheme have good performances. key words: cooperative communication, network coding, ldpc code, joint network channel coding, joint iterative decoding iii 目录目录目录目录 第一章 绪论. 1 1.1 论文选题背景和意义. 1 1.2 网络编码及协作通信的发展现状 . 2 1.3 论文的研究内容及结构安排 . 3 第二章 协作通信技术. 4 2.1 协作通信技术. 4 2.1.1 按协作的接入方式分类 . 5 2.1.2 按信号处理方式分类 . 6 2.2 中断概率分析. 8 2.2.1 af 方式的中断概率. 9 2.2.2 df 方式的中断概率. 10 2.2.3 cc 模式的中断概率. 11 2.3 改进的协作方式. 12 2.3.1 选择中继方案（select relay，sr）. 12 2.3.2 增强型中继(incremental relaying,ir) . 13 2.4 多节点高斯接入信道. 14 2.5 本章小结. 16 第三章 协作通信中的物理层网络编码 . 17 3.1 网络编码技术及其基本原理 . 17 3.2 物理层网络编码. 20 3.2.1 物理层网络编码分类 . 20 3.2.2 物理层网络编码方案 . 21 3.3 协作网络编码. 23 3.3.1 中继协作网络. 23 3.3.2 用户协作网络. 27 3.4 多源网络编码. 29 3.4.1 两源两宿模型. 30 3.4.2 多源单宿网络. 33 3.4.3 非二进制网络编码的推广 . 37 3.5 本章小结. 39 第四章 协作通信中的联合信道-网络编码. 40 4.1 ldpc 码的基本原理. 40 4.2 协作 ldpc. 42 4.2.1 放大转发协作 ldpc. 42 4.2.2 译码转发协作 ldpc. 43 4.2.3 编码协作 ldpc. 44 4.3 联合信道和物理层网络编码 . 48 4.3.1 传统联合编码. 48 4.3.2 广义联合编码. 50 4.4 二进制联合迭代译码. 55 4.4.1 整体联合译码. 56 4.4.2 独立信道网络译码 . 57 4.4.3 联合信道网络译码 . 58 4.4.4 仿真结果分析. 59 iv 4.5 非二进制联合译码. 60 4.5.1 三种方案的 per 和 ger. 63 4.5.2 仿真分析. 64 4.6 本章小结. 64 第五章 总结与展望. 66 5.1 全文总结. 66 5.2 展望. 66 参考文献. 68 附录 1 攻读硕士学位期间撰写的论文 . 71 致谢. 72 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 1 第一章第一章第一章第一章 绪论绪论绪论绪论 1.1 论文选题背景和意义论文选题背景和意义论文选题背景和意义论文选题背景和意义 随着移动通信技术的发展，人们的生活方式发生了翻天覆地的改变。从最初的模拟通信 技术发展到现今的3g技术，以及未来的ngn技术，都正在或者即将给人们的生活带来极大的 便利，给社会和经济带来了深刻的影响。其中，无线信道因其具有灵活性和快捷性深受人们 的青睐。随着无线通信的发展，人们对无线通信的要求越来越高，因而对信道容量也提出了 更高的要求。无线信道的特性很大程度了决定了无线通信质量的好坏。然而由于无线信道是 利用无线电磁波来进行信息的传送，与有线信道相比，无线信道具有衰落现象，如多径衰落、 阴影效应等都会影响信号的传输和无线信道的性能。 分集技术1是一种投入低收益高的可以有效提高无线链路性能的技术，它利用无线传播 环境中高度不相关或独立的多径信号来实现。分集就是为了确保信号的传输质量，在发送端 采取某种方法技术使相互独立的衰落信道传输同一个信号的多个副本，所以能够保证至少有 一个强度足够大的信号副本能被目的接收端识别出来，从而提高接收信号的信噪比。分集技 术是一种能够有效对抗衰落的技术，有三种主要的形式：时间分集、空间分集和频率分集。 时间分集主要是指在不同的时间间隔内发射同一信号的不同样本。空间分集是指利用多天线 技术来发送同一信号的不同样本。频率分集是将信号样本调制到不同的载频上。对于这三种 分集方式来说，在慢衰落情况下，时域交织会造成信号的较大的时延，所以对于时延敏感的 业务来说时间分集不太合适；当传输信号的带宽小于信道的相干带宽时，频率分集显得捉襟 见肘；时域分集和频域分集技术必须使用额外的时间或者频谱资源来引入发射信号的冗余副 本，这会降低频谱效率。空间分集充分利用了系统的空间域，可以在不牺牲信号的频率资源 和时间资源的情况下和保证数据传输速率的同时，空间分集能够获得极大的分集增益，能有 效的降低多径衰落的影响。空间分集发展来的多天线输入多天输出(mimo)技术4是近年来无 线通信技术领域的重大破，研究表明mimo 技术能够有效对抗无线信道中多径衰落和路径损 耗。虽mimo技术被普遍认为是下一代网络的必需技术之一，但是受移动终端尺寸大小、费 用成本和硬件复杂度等因素的影响，安装多个独立天线并不是一种有效的方案。大多情况下 采用单根天线进行信号收发，因此协作通信技术的产生成为必然。 近年来，协作通信23作为一种新兴的通信技术，具有能够有效地克服无线信道衰落和提 高无线信道传输的可靠性和扩大无线网络覆盖范围等优势，越来越受到广大相关研究人员的 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 2 关注，相关的研究成果也如雨后春笋般涌现。协作通信技术以 mimo 技术为基础，通过不同 的通信实体间的相互协作来达到提高通信速率、增强通信可靠性、扩大通信的覆盖范围及通 信的容量等目的的一项新技术。协作可以是基站间协作、用户间协作、中继与用户间协作、 中继之间协作等，其应用范围非常之广阔。 协作通信由中继信道发展而来，与中继信道又有不同之处。在中继信道中中继节点仅仅 是协助用户节点发送信息，在协作通信中各用户也可以作为除自身以外的用户节点的中继节 点协助信源节点发送信息。协作通信主要研究目的是对抗无线通信中的多径衰落，中继信道 主要研究如何提高加性白高斯噪声信道的容量。协作通信的基本原理是用户在传输自身信息 的同时，还能接收到协作伙伴的信息并作为协作伙伴的中继节点帮助协作伙伴传输信息。在 信息的传输过程中，通过协作伙伴共享彼此的信道，形成一个虚拟 mimo 阵列，能够获得一 定的空间分集增益。 与此同时，网络编码技术567也登上了通信领域的舞台，近年来也有了快速的发展。网 络编码的概念最初是在有线网络中提出的，对于不同的网络拓扑使用网络编码能够实现最小 割最大流定理的网络容量上限。随着无线通信技术的发展，研究表明网络编码在无线网络中 更具有应用的潜在价值，无线网络的广播信道很适合网络编码技术的应用。传统的中继方案 仅仅对收到的信息进行放大转发或者解码转发，而网络编码侧重于中继节点对收到的信息能 够进行一定的处理。这种处理并非仅仅只针对一路信号而是针对多路信号的。由于网络编码 突破了传统的信息存储转发的传输模式，中间节点能够对信息进行一定的处理，所能够提高 通信网络的系统吞吐量和带宽利用率以及网络鲁棒性。目前网络编码的主要研究方向有以下 几点：编码方案的设计、网络纠错编码、网络编码与其他技术如信道编码技术8和信源编码 技术等的结合、网络编码的复杂度和网络编码的应用等。 1.2 网络编码及协作通信的发展现状网络编码及协作通信的发展现状网络编码及协作通信的发展现状网络编码及协作通信的发展现状 无线网络的广播性能很适合使用网络编码， 物理层的网络编码和协作通信有着天然的结 合优势。无线网络的衰落特性，节点之间的移动和位置的限制、时间空间的相关性和制约性、 信号传输过程中的衰落和干扰、噪声的随机性等因素使得网络编码在适应无线信道的特性上 具有很大的挑战。 目前对网络编码技术和协作通信技术相结合的研究主要是以理论研究为主，在实际场景 中的应用也是一个研究的热点。 目前， 对于使用网络编码的多接入中继信道(marc)的协作通 信系统一般都只研究了两信源接入单中继或两信源接入多中继的情况。对于实际应用，相应 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 3 的系统模型显然更复杂。研究网络编码与协作网络的结合具有显著的理论和实际意义。目前 对单源、单宿系统模型的研究已经较为广泛和深入，而对于多源、多宿的组播系统模型的研 究还不够深入。因而深入研究更具有应用价值的多源多宿系统模型成为众多研究者的研究内 容。 1.3 论文的研究内容及结构安排论文的研究内容及结构安排论文的研究内容及结构安排论文的研究内容及结构安排 在协作通信这个背景下，对协作方案进行深入研究，对已有的成果进行仿真和分析，并 提出新的可行的协作通信模型；在协作通信的模型基础上使用网络编码，并对系统模型的中 断概率进行公式推导并进行结果的仿真和分析；将 ldpc 码应用于协作通信的编码进行深入 学习研究，将其灵活运用并与编码协作相结合进行分析并对其性能进行仿真；在无线协作通 信网络的基础上充分利用 ldpc 码等编码的优势与网络编码相结合并进行仿真验证。 本文主要对协作通信系统模型及其与网络编码、信道编码技术相结合进行了研究，全文 共分为五个部分，内容安排如下： 第一章 介绍了本文的研究背景和意义，引出协作通信和网络编码技术，并说明本文的主 要工作和对内容的安排。 第二章 对协作通信技术的基本原理进行介绍，并对现有的协作模式进行介绍和性能分 析，在不同的协作通信模型下进行性能的分析和优劣对比。 第三章 对网络编码技术的基本原理进行介绍， 并研究网络编码与协作通信相结合的协作 网络编码的几种模型，并提出多源多宿模型，将网络编码应用到提出的模型中，分析和推导 中断概率的近似表达式并进行仿真验证和分析。 第四章 在协作通信系统模型中引入信道编码， 将信道编码和网络编码相结合应用到协作 通信系统中，并进行仿真分析。在协作通信系统的目的接收端引入联合迭代译码方案，分析 二进制迭代译码和非二进制迭代译码的性能，并进行仿真分析。 第五章 对本文工作进行总结，阐述研究中存在的不足和对未来工作的展望。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 协作通信技术 4 第二章第二章第二章第二章 协作通信技术协作通信技术协作通信技术协作通信技术 协作通信的缘由主要有两方面的因素：网络中空余资源的存在和协作通信所能提供的协 作通信增益9。 网络中空余资源的存在： 在某一时间段内通信系统网络中可能只有部分用户有通信需求， 网络中会有一部分用户处于空闲状态，传统的技术将所有用户看成是互不通信的个体而使部 分硬件资源得不到利用被浪费掉。某一时刻有通信需求的用户可能由于受自身资源条件限制 不能进行有效的通信，网络中同时存在大量的空闲资源，部分资源未能得到充分利用。如何 利用这些空余资源来协助有通信需求的用户进行有效的通信便成为一个值得研究的课题9。 协作通信增益：通过分集增益来对抗多径衰落对无线信道的影响。分集增益技术主要有 空间分集增益、时分分集增益和频分分集增益三种形式。协作通信能够利用无线信道的广播 特性，允许用户在多用户环境中共享他们的物理资源来进行通信，形成虚拟天线阵列。参与 协作通信的节点所提供的空间分集增益相当于用户节点具有相应多个独立的发射天线所提供 的空间分集增益9。 2.1 协作通信技术协作通信技术协作通信技术协作通信技术 协作通信从中继通信发展而来，却比中继通信具有更优良的性能。在中继通信中中继节 点作为中间媒介只是简单的转发接收到的用户信息，而不对所接收到的信息进行任何处理， 自身没有信息要传递。在协作通信中，每个用户不仅需要发送自身的信息，还要作为协作伙 伴的中继节点传送协作伙伴的信息。协作通信基本模型10有两种：中继协作模型和用户协作 模型。如图所示。 图2.1 中继通信模型 图2.2 协作中继通信模型 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 协作通信技术 5 图2.3 中继通信模型 图2.4 两用户协作通信模型 2.1.1 按协作的接入方式分类 按照接入方式协作通信策略可以分为正交和非正交协作方式。如图2.5所示，其主要区别 在于协作传输时的接入方式不同。 t1 tx +t2 rxt2 relayt2 tx +t1 rxt1 relay n/4n/4n/4n/4 (a) 正交协同分集 t1 tx +t2 rx t2 tx +t1 rx t2 relay+t1 relay n/4n/4n/4n/4 (b) 非正交协同分集 图2.5 协作接入方式 (1) 正交协作分集传输 如图2.5(a)所示为时分正交协作传输方式，两个用户分别利用整个传输帧时隙的1/4 传输 n/4个符号并接收对方发送来的数据信息，再分别利用1/4个时隙传输对方的数据。在正交协 作分集中每个用户节点都只能传输n/4个数据信息， 用户的数据信息通过两个用户的天线进行 传输，能获得较好的分集增益。对于两用户系统来说可实现码率为1/2的信道编码。 (2) 非正交协作分集传输 如图2.5(b)所示为时分非正交协作方式，两个用户分别利用一个完整传输时段的1/4来传 输n/4个数据信息并接收对方发来的数据信息，然后同时利用剩下的1/2时段发送对方的数据 信息。在剩下的1/2时段内两个用户都已获得对方的数据信息并在同一个时隙上传输，这与具 有两条传输天线和传输n/2个数据信息的mimo系统相似，通过孔氏编码协作来获得相应的分 集增益。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 协作通信技术 6 2.1.2 按信号处理方式分类 按照信号处理的方式通常可以将协作通信策略分为以下几种方式1112：放大转发 (amplify-and-forward, af) 和 解 码 转 (decode-and-forward, df) 和 编 码 协 作 (coded cooperation)。其中放大转发和解码转发属于固定中继策略。 (1) 放大转发(af) af是相对简单的中继协作模型，以上图中继通信模型为例来进行分析。其中u为用户节 点，r为中继节点，d为目的节点。在af模式下，r接收到u发送来的信息后将信号简单地进 行放大处理，然后转发至目的节点d。由于af模式对信号的处理简单，因此运行速度快且复 杂度低，其缺点是也使噪声放大了。 假设系统采用时分双工传输模式，用户u发送信息表示为x,发射功率为 u p ，用户节点和 中继节点之间、中继节点和目的节点之间以及用户节点和目的节点之间的信道衰落系数分别 为 1 h , 2 h 和 3 h ，信道之间的噪声分别用 1 z , 2 z 和 3 z 表示，且噪声均为均值为0，方差为n的加性 高斯白噪声。 图2.6 三节点中继模型 第一个时隙内，用户u以广播的方式发送自身的信息，中继节点和目的节点进行接收。中 继节点接收到的信息可以表达为： 11ur yh xz=+ (2.1) 目的节点接收到的信息可以表达为： 30ud yh xz=+ (2.2) 第二个时隙内，中继节点对接收到的信息进行放大后转发给目的节点，假设放大系数为a， 则目的节点接收到的信息表达为： 22rdur yh ayz=+ (2.3) 目的节点接收到中继节点发送来的信号 rd y后，利用分集选择合并策略对接收到的信号 ud y 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 协作通信技术 7 和 rd y进行合并处理。 (2) 译码转发(df) df模式和af模式在第一时隙内的传输方式一样， 在第二个时隙内中继节点对收到的用户 信息进行判决检测，即先对接收到的信息进行译码判决，然后再重新进行编码调制后发送到 目标节点。该策略是能够降低或消除中继处的高斯白噪声，以防中继节点在放大用户信息的 同时也放大了噪声功率的情况出现。该传输策略需要中继节点能正确接收用户发来的信息并 且对其进行正确的解码后再进行编码转发，目的节点对两个时隙内接收到的信号进行一定方 式的合并正确解码出所需信息。如果中继节点不能正确解码接收到的用户信息，则舍弃该信 息。 用x来表示中继节点对接收到的用户信息重新编码后的信息， 则目的节点d接收到的中继 节点发送的信息为： 22 rd yh xz=+ (2.4) df方式能为系统提供更高的数据传输速率和降低系统的误码率。但是当用户节点至中继 节点的信道链路较差时，中继节点可能对用户信息译码错误甚至不能接收到用户信息。 (3) 编码协作(cc) 编码协作机制是结合了协作分集技术和信道编码技术。编码协作使用不同的独立衰落信 道发送用户信息的不同码字，中继对正确解码出的用户信息重新进行编码再转发出去。中继 节点如果能正确译码接收到的用户信息就该信息重新进行编码，然后发送重新编码后的校验 位信息至目的节点。若用户节点到中继节点之间的信道链路较差导致中继节点不能成功接收 用户信息时，系统将自动切换到非协作模式。在df模式下，中继对用户的信息进行正确解码 后仍使用原来的编码方式对解码成功的信息进行编码并在第二时隙发送至目的节点，在不同 空间重复传送冗余信息能够改善系统的性能。在编码协作模式下，中继节点使用不同于原来 的编码方式进行编码，发送的冗余信息也和原来不同，同时获得空间分集增益和编码增益， 达到改善目的节点解码性能的目的13。 图2.7 编码协作模型 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 协作通信技术 8 编码协作模型如图2.7所示，在编码协作机制中，每个用户需要对自身的信息或接收到的 伙伴信息进行两个阶段的编码。用户u1和用户u2的待传输信息分为两个数据块，每一个数据 块都加上crc码，分别包含 1 n和 2 n个数据符号。在发送长度为 1 n的数据块时每个用户都接 收对方的该数据块并对数据块进行检测，如果检测表明数据块无误，则在第二阶段发送其协 作伙伴长度为 2 n的数据块，若不正确，则发送自身的第二个数据块。 每个用户在发送第二个为 2 n长的数据块时都不知道自己的第一块数据块是否被其协作 伙伴正确解码。在第二个时隙内，用户发送的数据块的可能性如表2.1所示。 表2.1 协作模式下两用户的译码情况 u1对u2的译码成功与否 u2对u1的译码成功与否 1 是 是 2 是 否 3 否 是 4 否 否 以上四种情况的处理过程如下： (a) 协作关系下的两个用户均成功解码了对方的信息，则在第二个阶段均发送对方长度为 2 n 的数据块。 (b) u1能正确解码u2的信息，但u2不能正确解码u1的信息，则在第二阶段内u1发送的是u2的 长度为 2 n的数据块，u2发送的是自身的长度为 2 n的数据块，u2的长度为 2 n的数据块在 目的节点被合并检测，此阶段不传送u1长度为 2 n的数据块。 (c) 此种情况与第二种情况相反。u2能正确解码u1的信息，但u1不能正确解码u2的信息，则 在第二阶段内u2发送的是u1的长度为 2 n的数据块，u1发送的是自身的长度为 2 n的数据 块，u1的长度为 2 n的数据块在目的节点被合并检测， 此