戴麗妮，周 婷，徐 景

（1.中國科學院 上海微系統(tǒng)與信息技術研究所，上海200050；2.上海無線通信研究中心，上海200335；3.中國科學院 無線傳感網(wǎng)與通信重點實驗室，上海200050）

0 引 言

無線中繼［1］（relay）作為一種低功率、低成本的網(wǎng)絡節(jié)點被引入到LTE－Advanced系統(tǒng)中，其具有拓撲靈活的優(yōu)點，能夠有效提高系統(tǒng)頻譜效率、拓展網(wǎng)絡覆蓋。而協(xié)作中繼技術［2－3］的引入使得系統(tǒng)能夠獲得分集增益，進一步提高了中繼系統(tǒng)的性能。最典型的協(xié)作協(xié)議［4－5］有放大轉(zhuǎn)發(fā)（amplify－and－forward，AF）傳輸協(xié)議和解碼轉(zhuǎn)發(fā) （decodeand forward，DF）傳輸協(xié)議。

大容量文件傳輸和多媒體的應用越來越廣泛，使得降低網(wǎng)絡能源消耗、增加網(wǎng)絡吞吐量成為研究的重點，網(wǎng)絡編碼理論由此產(chǎn)生［6－7］。網(wǎng)絡編碼的核心思想是網(wǎng)絡中參與傳輸?shù)墓?jié)點上輸出的數(shù)據(jù)，可以通過該節(jié)點對多條輸入鏈路上接收的數(shù)據(jù)的某種線性或非線性變換而得到，且參與傳輸?shù)乃泄?jié)點對數(shù)據(jù)的變換操作可以保證最終所有接收節(jié)點正確恢復出信源所發(fā)送的所有信息。

在傳統(tǒng)的網(wǎng)絡中，作為中繼的節(jié)點只能對接收到的各個信號進行分別處理和各自轉(zhuǎn)發(fā)，這對于網(wǎng)絡資源有時候是一種浪費。網(wǎng)絡編碼技術打破了這種限制，它允許中繼節(jié)點對接收到的信息進行編碼，并將接收到的多個數(shù)據(jù)包按照某種特定算法重新組合再發(fā)送出去。利用協(xié)作中繼可以提高網(wǎng)絡的傳輸可靠性，而網(wǎng)絡編碼可以提高網(wǎng)絡的吞吐量，將網(wǎng)絡編碼與協(xié)作中繼相結(jié)合的傳輸模式可以進一步提高網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸速率［8－11］。

在現(xiàn)有的協(xié)作中繼中使用網(wǎng)絡編碼的傳輸方法中，如果出現(xiàn)中繼譯碼錯誤會造成誤碼擴散，從而影響系統(tǒng)性能。為了克服這一缺點，本文提出了一種基于軟信息的網(wǎng)絡編碼和估計轉(zhuǎn)發(fā)的解決方案。該方案能夠最大限度地保留軟信息同時可以獲得解碼增益。

1 網(wǎng)絡編碼應用于協(xié)作中繼傳輸

1.1 系統(tǒng)模型

圖1為協(xié)作中繼傳輸模型，一路信號由源節(jié)點A直接傳輸?shù)侥康墓?jié)點C，另一路信號則由源節(jié)點A經(jīng)過中繼節(jié)點B再傳輸?shù)侥康墓?jié)點C。然后通過目的節(jié)點C處的分集接收合并從而提高接收信號的信噪比。

圖1 協(xié)作中繼傳輸模型

圖2 為本文研究的系統(tǒng)模型，它將網(wǎng)絡編碼理論應用于圖1所示的協(xié)作中繼傳輸方案中。數(shù)據(jù)傳輸在3個時隙內(nèi)完成：T1內(nèi)：A－＞B，A－＞C；T2內(nèi)：C－＞B，C－＞A；T3內(nèi)：B－＞A，B－＞C。為簡化分析，本文中假設上下行鏈路都是對稱的。

圖2 網(wǎng)絡編碼應用于協(xié)作中繼傳輸模型

1.2 傳統(tǒng)的網(wǎng)絡編碼應用于協(xié)作中繼傳輸方案

傳統(tǒng)的網(wǎng)絡編碼應用于協(xié)作中繼傳輸方案是基于解碼轉(zhuǎn)發(fā) （DF）的方式 （network coding－decode and forward，NC－DF），具體過程如下：第一時隙，節(jié)點A發(fā)送數(shù)據(jù)包到節(jié)點C和中繼節(jié)點B；第二時隙，節(jié)點C發(fā)送數(shù)據(jù)包到節(jié)點A和中繼節(jié)點B；中繼節(jié)點B將接收到的來自A、C的信號分別解碼和判決恢復出兩路信息比特，將兩路信息比特流進行基于異或XOR的網(wǎng)絡編碼［12］，再將異或后的比特流進行重新信道編碼、符號調(diào)制，形成數(shù)據(jù)符號流，并在第三時隙內(nèi)將其廣播發(fā)送給節(jié)點A和C。節(jié)點A （或C）將收到節(jié)點B和第二時隙中節(jié)點C（或第一時隙中節(jié)點A）發(fā)來的數(shù)據(jù)符號分別進行解調(diào)，得到兩路LLR軟信息。將解調(diào)自節(jié)點B的網(wǎng)絡編碼軟信息利用自己本地的準確信息比特進行解異或處理，獲得未知的屬于節(jié)點C（或節(jié)點A）的軟信息，再將其與另一直達鏈路的軟信息合并，解碼后得到節(jié)點C（或節(jié)點A）發(fā)出的數(shù)據(jù)比特流。

1.3 新的網(wǎng)絡編碼應用于協(xié)作中繼傳輸方案

新的網(wǎng)絡編碼應用于協(xié)作中繼傳輸方案叫做軟輸入軟輸出網(wǎng)絡編碼與軟符號估計轉(zhuǎn)發(fā)方案 （soft－input－soft－output network coding and soft symbol estimate－and－forward scheme，SNC－SEF）。

采用SNC－SEF方案的中繼節(jié)點B首先將接收到的來自節(jié)點A、C的信號解碼得到源比特流的LLR值。然后節(jié)點B使用軟輸入軟輸出 （SISO）信道編碼器將得到的軟信息（LLR值）分別編碼，SISO編碼器類似于SISO解碼器并且通過使用BCJR算法容易實現(xiàn)［13］。將兩串編碼后的軟信息進行 “軟”的異或得到網(wǎng)絡編碼后的軟信息。最后將其進行軟符號調(diào)制，調(diào)制后的符號同時發(fā)送給節(jié)點A和C。

下面給出方案的具體實現(xiàn)算法。

1.3.1 異或信息的似然比

假設系統(tǒng)模型中各個信道為參數(shù)相同的高斯信道，中繼節(jié)點B收到的來自節(jié)點A和C的數(shù)據(jù)包分別為

式中：nAB、nCB——均值為0、方差為σ2in的高斯白噪聲。數(shù)據(jù)包分別經(jīng)過解調(diào)器、SISO譯碼器和SISO編碼器，得到SISO編碼后的軟信息LLR（rAB，j），LLR（rCB，j）。 其 中rAB，j表示節(jié)點B將yAB解調(diào)譯碼再編碼后的第i個比特，rCB，j表示節(jié)點B將yCB解調(diào)譯碼再編碼后的第j個比特。節(jié)點B根據(jù)得到的似然比信息計算出異或信息bn的似然比值：

若

則

為了后面推導方便，這里把對應于異或信息比特流b＝［b0，b1，…，bn，…］經(jīng)m階調(diào)制后得到符號流記為：r＝［r0，r1，…，rk，…］。

1.3.2 軟調(diào)制

新方案的難點是如何將得到的網(wǎng)絡編碼的軟信息調(diào)制為所選調(diào)制方式的符號。本文提出使用最大似然算法來估計編碼比特軟信息經(jīng)調(diào)制后的軟符號，同時給出了次優(yōu)的實現(xiàn)方案。

（1）最大似然算法：假設從中繼節(jié)點B發(fā)出的符號流的軟估計值為z＝ ［z0，z1，…，zk，…］，每個符號zk的模型為

式中：nz——中繼輸出的零均值、等價方差的高斯白噪聲。

z條件下異或信息編碼比特對數(shù)似然比為

異或信息編碼比特的最大后驗概率和相應調(diào)制符號的最大后驗概率關系

式中：S——相關調(diào)制方式的所有星座點的集合，u取值為0或1，i＝0，1，…m－1表示每m個比特調(diào)制為一個相應調(diào)制方式的符號。

則，對數(shù)似然比可表示為

假設P （rk＝v）＝1／ （2m），由Bayes準則我們得到

因此，我們得到

式 （10）即為本文對數(shù)似然算法的表達式。m比特對數(shù)似然比是網(wǎng)絡編碼后的輸出值，由式 （10）我們就能夠估計出每個符號zk的值。

（2）次優(yōu)算法：在高階調(diào)制下，表達式 （10）計算復雜不易執(zhí)行。因此我們選擇最小均方差 （minimum mean square error，MMSE）準則作為次優(yōu)方案，符號估計準則如下

其中

估計符號包含m比特軟信息。式 （11）所得結(jié)果在一定程度上近似一個m階調(diào)制器。不同點在于值可以為任意復數(shù)值而傳統(tǒng)調(diào)制方式有固定的星座點。從信號值的角度來講，所得信號類似AF方式［14］下的信號，還需要進行功率控制

需要指出的是，本方案中中繼B不需要與節(jié)點A、C使用相同的調(diào)制方式，中繼節(jié)點可以根據(jù)信道質(zhì)量獨立地選擇合適的調(diào)制方式然后根據(jù)所選調(diào)制方式計算式 （12）。

（3）中繼輸出SNR的估計：由于在中繼中有解碼增益，的值遠比的值小。因此，我們需要對中繼輸出的噪聲方差進行估計。

對于一個使用BCJR算法的SISO解碼器，解碼器的輸入輸出LLR值的概率密度函數(shù) （PDF）接近高斯分布［15］。

以BPSK調(diào)制方式為例，對于節(jié)點A到中繼節(jié)點B的數(shù)據(jù)包，其信道最大似然比 （LLR）值可表示為

對于節(jié)點C有類似等式

類似的，經(jīng)過BCJR解碼器且經(jīng)過網(wǎng)絡編碼后的中繼軟輸出值，即解碼器LLR值可以表示為

由于rk和中繼輸出的等效噪聲nz是相互獨立的，var我們得到

LLRout節(jié)點B中得出，因此var（LLRout）容易算出，這樣我們可以由式 （16）估計出的值。

對于QPSK和16QAM調(diào)制方式下噪聲方差的估計值可近似為BPSK的估計值。

中繼節(jié)點將估計得到的σ2z值和數(shù)據(jù)包一起轉(zhuǎn)發(fā)出去。

1.3.3 接收節(jié)點中的數(shù)據(jù)處理

以節(jié)點A為例，將接收到的節(jié)點B和節(jié)點C發(fā)來的數(shù)據(jù)符號分別進行解調(diào)，得到兩路LLR軟信息LLRBA，LLRCA；對解調(diào)自節(jié)點B的網(wǎng)絡編碼軟信息LLRBA利用節(jié)點A自己本地的準確信息比特進行解異或處理，假設節(jié)點A中經(jīng)編碼后的比特流為s，

若sk＝1，則

若sk＝0，則

由式 （17）、式 （18）獲得未知的屬于節(jié)點C的軟信息LLRC；將LLRCA與LLRC進行比特級的軟信息合并

由式 （19）得到LLR′C；最后，對合并后的軟信息LLR′C解碼得到節(jié)點C發(fā)出的數(shù)據(jù)比特流。

2 仿真分析

這部分主要通過計算機仿真分析了本文提出的SNCSEF方案的性能，并與傳統(tǒng)的NC－DF方案做比較。仿真中假設多條鏈路中的各跳信噪比都相同，每個節(jié)點中使用的調(diào)制編碼方式都相同。仿真參數(shù)見表1。

表1 仿真參數(shù)設置

此處，中繼節(jié)點中只轉(zhuǎn)發(fā)來自節(jié)點A、B的K個系統(tǒng)比特異或后的值。不管接收到的包解碼是否正確，中繼都會將其轉(zhuǎn)發(fā)。圖3和圖4分別比較了圖2所示協(xié)作中繼系統(tǒng)下NC－DF方案和新的SNC－SEF方案在QPSK和16QAM調(diào)制方式下的性能。

由圖可知，為了使誤碼率達到10－2，在QPSK調(diào)制方式下，新的SNC－SEF方案要比NC－DF方案信噪比降低約1.3dB。在16QAM調(diào)制方式下，新的SNC－SEF方案要比NC－DF方案信噪比低約0.2dB。16QAM性能增益比QPSK小的原因是高階調(diào)制采用了次優(yōu)的解決方案造成了性能損失。

3 結(jié)束語

多跳中繼通信技術拓撲靈活，在提高邊緣小區(qū)的頻譜效率的同時，還可以增大小區(qū)的覆蓋范圍和實現(xiàn)盲區(qū)覆蓋，已經(jīng)成為下一代移動通信系統(tǒng)的候選關鍵技術之一。而網(wǎng)絡編碼的引入使得中繼節(jié)點在完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的同時，通過對多路數(shù)據(jù)的編碼操作實現(xiàn)網(wǎng)絡吞吐量的提升。本文在討論協(xié)作中繼傳輸技術時，根據(jù)已有的網(wǎng)絡編碼應用在協(xié)作中繼中的技術提出了一種軟網(wǎng)絡編碼－軟估計轉(zhuǎn)發(fā)的改進方案。新方案既能夠最大限度地保留軟信息又可以獲得解碼增益，仿真結(jié)果表明該方案比傳統(tǒng)方案取得明顯增益。將網(wǎng)絡編碼應用于協(xié)作中繼的技術還有待進一步的研究和優(yōu)化。

［1］Timo U，Anja K.Applying relay stations with multiple antennas in the one－and two－way relay channel ［C］.Athens，Greece：IEEE PIMRC，2007：1－5.

［2］ZHANG P，TAO X F，ZHANG J H，et al.A vision from the future：Beyond 3GTDD ［J］.IEEE Communication Magazine，2005，43 （1）：38－44.

［3］CLIU P，TAO Z F，LIN Z N，et al.Cooperative wireless communications：A cross－layer approach ［J］.IEEE WirelessCommunications，2006，13 （4）：84－92.

［4］NG T C Y，YU W.Joint optimization of relay strategies and resource allocation in cooperative cellular networks ［J］.IEEE Selected Areas in Communications，2007，25 （2）：328－329.

［5］R1－083657， Hybrid of AF and DF in layer－2－relay ［R］.Prague，Czech Republic：LG Electronics，2008：1－3.

［6］Keshavarz－Haddadt A，Riedi R.Bounds on the benefit of network coding：Throughput and energy saving in wireless networks［C］.Phoenix，AZ：IEEE 27th Conference on Computer Communications，2008：376－384.

［7］ZHI G D，Leung K K，Goeckel D L，et al.On the study of network coding with diversity ［J］.IEEE Transactions on Wireless Communications，2009，8 （3）：1247－1259.

［8］CHEN Y，Kishore S，LI J.Wireless diversity through network coding ［C］.Las Vegas，NV：IEEE WCNC，2006：1－6.

［9］Hausl C，Dupraz P.Joint network－channel coding for the multiple access relay channel［C］.Reston，VA，USA：3rd An－nual IEEE Communications Society onSensor and Ad Hoc Communications and Networks，2006：817－822.

［10］YANG S，Koetter R.Network coding over a noisy relay：A belief propagation approach ［C］.IEEE ISIT，2007：801－804.

［11］WANG Y，HU C，LIU H，et al.Network coding in cooperative relay networks［C］.Cannes，F(xiàn)rance：IEEE PIMRC，2008：1－5.

［12］Katti S，Rahul H，HU W，et al.XORs in the air：Practical wireless network coding ［J］.ACM SIGCOMM，2008，16（3）：497－510.

［13］Sneessens H H，Vandendorpe L.Soft decode and forward improves cooperative communications ［C］.Puerto Vallarta，Mexico：IEEE CAMSAP，2005：157－160.

［14］LI J，HU Z J，WANG Y G.DF／AF cooperative relay in LTE－A ［C］.Taipei：IEEE VTC，2010：1－5.

［15］Regalia P A.Iterative decoding of concatenated codes：A tutorial［J］.EURASIP Journal on Applied Signal Processing，2005 （6）：762－774.