［余翔　呂世起　曾銀強(qiáng)］

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C-RAN平臺(tái)下信道編碼與網(wǎng)絡(luò)編碼的聯(lián)合算法設(shè)計(jì)

［余翔呂世起曾銀強(qiáng)］

摘要協(xié)作式集中式云結(jié)構(gòu)的C-RAN平臺(tái)運(yùn)用協(xié)作通信技術(shù)，提高了系統(tǒng)的性能。在C-RAN平臺(tái)下，基于編碼協(xié)作通信，將傳統(tǒng)的信道編碼與網(wǎng)絡(luò)編碼進(jìn)行聯(lián)合算法設(shè)計(jì)：在編碼協(xié)作第二時(shí)隙將自身的校驗(yàn)碼字和對(duì)方的校驗(yàn)碼字經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)編碼后一并發(fā)送到目的端，在沒(méi)有增加額外資源的情況下，多攜帶了一部分自身信息，為協(xié)作系統(tǒng)提供額外的增益。該方案不僅可以提高系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)加入網(wǎng)絡(luò)編碼可提高系統(tǒng)的有效性。通過(guò)matlab仿真對(duì)該方案進(jìn)行驗(yàn)證，證明其現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：C-RAN 協(xié)作通信 網(wǎng)絡(luò)編碼

余翔

重慶郵電大學(xué)，1999年于電子科技大學(xué)獲博士學(xué)位，現(xiàn)為教授。主要研究方向?yàn)闊o(wú)線通信系統(tǒng)。

呂世起

重慶郵電大學(xué)碩士研究生。主要研究方向?yàn)闊o(wú)線通信系統(tǒng)。

曾銀強(qiáng)

重慶郵電大學(xué)碩士研究生。主要研究方向?yàn)闊o(wú)線通信系統(tǒng)。

引言

由于移動(dòng)通信的現(xiàn)實(shí)需要，中國(guó)移動(dòng)公司提出了新的無(wú)線接入網(wǎng)架構(gòu)C-RAN［1］。這是一種集中式、協(xié)作式的云構(gòu)架無(wú)線接入網(wǎng)。文獻(xiàn)［2］明確提出了C-RAN不僅能支持中國(guó)移動(dòng)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的多模需求，還能在不影響C-RAN功能的情況下盡量節(jié)省資源，這已經(jīng)成為多方研究的重點(diǎn)之一。本文的研究重點(diǎn)就是在C-RAN平臺(tái)下基于協(xié)作通信的信道編碼與網(wǎng)絡(luò)編碼的聯(lián)合設(shè)計(jì)。協(xié)作通信［3］即運(yùn)用協(xié)作分集技術(shù)的通信，利用中繼進(jìn)行協(xié)作通信，在中繼站上采用聯(lián)合信道編碼-網(wǎng)絡(luò)編碼的方式，不僅可以獲得分集增益和額外的編碼增益，即可以保證傳輸?shù)目煽啃裕瑫r(shí)顯著提高無(wú)線通信系統(tǒng)的頻譜效率、網(wǎng)絡(luò)容量以及吞吐量，即提高傳輸?shù)挠行?。如何在協(xié)作通信系統(tǒng)中更加有效地利用信道-網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)，使其既能提高傳輸可靠性，同時(shí)保障傳輸?shù)挠行裕呀?jīng)成為這一領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。

1　協(xié)作分集技術(shù)

協(xié)作分集技術(shù)是對(duì)抗移動(dòng)通信環(huán)境下的多徑衰落，改善移動(dòng)終端上行信道性能的有效方法之一，在各種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中有著廣闊的應(yīng)用前景。按照中繼實(shí)現(xiàn)方式的不同，協(xié)作分集技術(shù)可以分為三類［4］：放大轉(zhuǎn)發(fā)（Amplify and Forward， AF）、譯碼轉(zhuǎn)發(fā)（Decode and Forward， DF）以及編碼協(xié)作（Coded Cooperation， CC）。本文的重點(diǎn)研究對(duì)象是編碼協(xié)作技術(shù)［5］。本文所使用的編碼協(xié)作系統(tǒng)由兩個(gè)用戶U1、U2和目的端D組成，如圖1所示。首先假設(shè)用戶的上行信道和用戶間信道都彼此獨(dú)立，同時(shí)服從平坦瑞利塊衰落信道（flat Rayleigh block fading），即衰落系數(shù)在一個(gè)數(shù)據(jù)塊內(nèi)保持不變，不同塊之間也相互獨(dú)立。而對(duì)于兩用戶的編碼協(xié)作系統(tǒng)而言，用戶端需要首先對(duì)自身信息進(jìn)行信道編碼［6］，將生成的碼字分為兩部分N=N1+N2，其中N1比特為信息碼字，由用戶端廣播發(fā)送至協(xié)作用戶處和目的端，N2比特為校驗(yàn)碼字，在滿足編碼協(xié)作的條件下由協(xié)作用戶轉(zhuǎn)發(fā)至目的端。

圖1　編碼協(xié)作系統(tǒng)

為了了解編碼協(xié)作技術(shù)的原理，首先假設(shè)整個(gè)系統(tǒng)采用時(shí)分半雙工模式，即對(duì)每個(gè)用戶而言，一個(gè)時(shí)間周期被分為兩個(gè)時(shí)隙，每個(gè)用戶不能同時(shí)發(fā)送和接收信號(hào)，如圖2所示。在第一時(shí)隙處，用戶1向用戶2與目的端廣播自身的第一幀數(shù)據(jù)，即將U1處生成的N1比特碼字對(duì)應(yīng)的調(diào)制信號(hào)發(fā)送到目的端和協(xié)作用戶處，目的端對(duì)接收到的信號(hào)暫存但不作處理，用戶2接收到用戶1的第一幀數(shù)據(jù)后進(jìn)行譯碼判決，并重新編碼得到用戶1的N2比特校驗(yàn)碼字（假如能夠正確譯碼）；在第二時(shí)隙，用戶2向目的端發(fā)送用戶1的第二幀校驗(yàn)信號(hào)，即用戶2重新編碼生成的關(guān)于U1分組的N2比特校驗(yàn)碼字所對(duì)應(yīng)的調(diào)制信號(hào)，目的端在接收到兩幀信號(hào)后對(duì)其進(jìn)行拼接復(fù)用，之后通過(guò)譯碼判決恢復(fù)出原始信息。

圖2　兩用戶編碼協(xié)作系統(tǒng)工作流程

接收端需要對(duì)協(xié)作用戶對(duì)第一幀信號(hào)的譯碼結(jié)果進(jìn)行CRC校驗(yàn)，并根據(jù)校驗(yàn)結(jié)果正確性確定是否進(jìn)行協(xié)作［7］。若校驗(yàn)結(jié)果正確，即表示接收端可以對(duì)協(xié)作伙伴的信息進(jìn)行正確譯碼，之后會(huì)在第二時(shí)隙重新進(jìn)行信道編碼而后轉(zhuǎn)發(fā)生成的校驗(yàn)比特；而若校驗(yàn)失敗，為避免錯(cuò)誤累計(jì)傳播，則在第二時(shí)隙時(shí)轉(zhuǎn)為非協(xié)作模式，即發(fā)送用戶自身的第二幀信號(hào)。然而由于每個(gè)用戶的獨(dú)立存在性，因而并不知道自身信息是否能被對(duì)方成功譯碼，為此，根據(jù)接收端CRC校驗(yàn)結(jié)果的不同，在第二幀信號(hào)傳輸時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)四種不同的編碼協(xié)作情況，如圖3所示。第一種情況下，兩個(gè)用戶都不能正確譯碼出協(xié)作伙伴的第一幀信號(hào)，因此它們?cè)诘诙r(shí)隙只能發(fā)送自身的第二幀信號(hào)，可以說(shuō)此時(shí)的系統(tǒng)為非協(xié)作模式；第二種情況是半?yún)f(xié)作模式，用戶2能夠正確譯碼出用戶1的第一幀數(shù)據(jù)，而用戶1卻譯碼失敗，那么兩個(gè)用戶在第二時(shí)隙均會(huì)發(fā)送用戶1的第二幀信號(hào)，目的端在接收到這兩個(gè)信號(hào)后進(jìn)行合并之后進(jìn)行譯碼，此時(shí)整個(gè)系統(tǒng)只對(duì)用戶1進(jìn)行了編碼協(xié)作；第三種情況與第二種情況類似，只是將用戶1和用戶2的情況對(duì)調(diào)；在最后一種情況下，兩個(gè)用戶都能夠正確譯碼出對(duì)方的信息，因此在第二時(shí)隙內(nèi)分別發(fā)送對(duì)方的第二幀信號(hào)，即完全協(xié)作情況。目的端為了能夠正確譯碼，必須了解整個(gè)系統(tǒng)屬于以上四種情況中的哪一種，這就需要用戶發(fā)送的第二幀信號(hào)中需要攜帶一個(gè)標(biāo)志位。

2　信道-網(wǎng)絡(luò)編碼聯(lián)合算法

R.Ahlswede等在2000年提出的網(wǎng)絡(luò)編碼（Network Coding）概念［8］將網(wǎng)絡(luò)編碼同時(shí)融合了編碼和路由的概念，使得網(wǎng)絡(luò)傳輸能夠?qū)崿F(xiàn)理論上的最大傳輸容量，因此將網(wǎng)絡(luò)編碼與協(xié)作分集技術(shù)結(jié)合起來(lái)可以提高協(xié)作系統(tǒng)的有效性［9］。傳統(tǒng)的編碼協(xié)作系統(tǒng)將工作周期分為4個(gè)時(shí)隙，每個(gè)用戶使用其中兩個(gè)時(shí)隙發(fā)送自身的信息碼字和對(duì)方的校驗(yàn)碼字（在完全協(xié)作的情況下）。而本文介紹了一種基于網(wǎng)絡(luò)編碼的編碼協(xié)作算法，用戶在第二時(shí)隙將自身的校驗(yàn)碼字和對(duì)方的校驗(yàn)碼字經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)編碼后一并發(fā)送到目的端，此時(shí)雖然沒(méi)有節(jié)省時(shí)隙，但是在沒(méi)有增加額外資源的情況下，多攜帶了一部分自身信息，可以為協(xié)作系統(tǒng)提供額外的增益。

圖3　四種編碼協(xié)作情況

其中，GS和GP分別表示信息碼字和校驗(yàn)碼字的編碼矩陣。本方案中用戶端編碼時(shí)沒(méi)有加入交織操作，因此直接用）來(lái)表示用戶正U1確譯碼情況下的轉(zhuǎn)發(fā)信息。

為了指示用戶是否正確譯碼，兩個(gè)用戶在各自的第二時(shí)隙發(fā)送的信號(hào)中需要添加一個(gè)標(biāo)志位。

由于接收端接收到對(duì)方第一時(shí)隙的信號(hào)中只包含對(duì)方信息，因此接收端可按照信息碼字的編碼矩陣GS進(jìn)行譯碼即可。而與傳統(tǒng)CC協(xié)議相比，由于用戶端與協(xié)作伙伴對(duì)兩部分信息的校驗(yàn)碼字進(jìn)行疊加，因而在目的端可以額外獲得一部分校驗(yàn)冗余信息，這樣可以獲得一定的編碼增益。

目的端譯碼算法可以根據(jù)編碼協(xié)作情況的不同分為四種情況，假設(shè)完全協(xié)作情況（情況4）對(duì)基于網(wǎng)絡(luò)編碼CC系統(tǒng)的目的端譯碼過(guò)程進(jìn)行分析。

目的端在對(duì)兩個(gè)用戶各時(shí)隙的信號(hào)進(jìn)行組合后，可以得到圖4所示的碼字鏈結(jié)構(gòu)。從圖4可看出，組合后的信號(hào)相當(dāng)于對(duì)U1和U2的本地信息進(jìn)行聯(lián)合編碼，編碼矩陣為，碼率從而提高一倍。以的譯碼為例，目的端可以利用時(shí)間周期t內(nèi)U1和U2的組合信號(hào)進(jìn)行迭代譯碼。步驟如下：

（1）將U1的組合信號(hào)傳遞到譯碼器1中，并將U2前一時(shí)間周期的信息譯碼輸出的軟信息作為先驗(yàn)信息，利用新的編碼矩陣G進(jìn)行譯碼，輸出關(guān)于的外信息

圖 4 目的端完全協(xié)作譯碼

3　系統(tǒng)仿真

對(duì)基于網(wǎng)絡(luò)編碼的編碼協(xié)作系統(tǒng)進(jìn)行仿真，將編碼矩陣設(shè)置為GS=［ 2325］，GP=［ 27 33］，用戶端利用GS譯碼，而GP為整體碼字提供校驗(yàn)冗余。同時(shí)假設(shè)所有信道均服從平坦瑞利塊衰落，系統(tǒng)總功率為P，其中用戶U1和U2的發(fā)射功率各為1/ 2P，噪聲服從高斯分布，功率譜密度N0= 1。

圖5比較了基于網(wǎng)絡(luò)編碼的CC模型與傳統(tǒng)CC模型的協(xié)作系統(tǒng)性能，橫坐標(biāo)為系統(tǒng)總功率與噪聲功率譜密度的比值（P/N0），縱坐標(biāo)為誤碼率（BER）或誤幀率（FER）。從圖5中可以看出，基于網(wǎng)絡(luò)編碼的CC系統(tǒng)的協(xié)作分集度略大；與傳統(tǒng)CC模型相比，基于網(wǎng)絡(luò)編碼的CC系統(tǒng)的誤碼率曲線在10-4處有1.8dB左右的增益，誤幀率曲線在10-3處有1.2dB左右的增益，可見(jiàn)將網(wǎng)絡(luò)編碼與編碼協(xié)作協(xié)議結(jié)合起來(lái)，也可以帶來(lái)性能的改善。

圖 5 網(wǎng)絡(luò)編碼CC與傳統(tǒng)編碼CC性能比較

圖6給出了圖5仿真的協(xié)作系統(tǒng)目的端四種譯碼情況的比例分布圖，每組柱狀圖中從左至右依次為情況1～情況4。從圖6可以看出，隨著系統(tǒng)總功率P的增大（N0= 1固定），完全協(xié)作所占的比例迅速增長(zhǎng)，從最初的13%左右增長(zhǎng)到95%，而在P/ N0=20d B處幾乎所有分組都通過(guò)協(xié)作傳輸。這是由于隨著用戶發(fā)射功率的提高，協(xié)作伙伴正確譯碼的概率也隨之增加，從而導(dǎo)致完全協(xié)作情況的比例不斷提高；由此可進(jìn)一步推知，如果用戶間信道狀況改善（即信道衰落減?。?，可以進(jìn)一步提高用戶端的正確譯碼概率，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)作性能。

圖 6 四種協(xié)作情況比例

4　結(jié)束語(yǔ)

在C-RAN平臺(tái)下，基于編碼協(xié)作通信，將傳統(tǒng)的信道編碼與網(wǎng)絡(luò)編碼進(jìn)行聯(lián)合算法設(shè)計(jì)，通過(guò)matlab仿真我們可以發(fā)現(xiàn)該方案完全協(xié)作的情況相較未進(jìn)行編碼協(xié)作的方案，在誤碼率上有較大提高且隨著信道的改善其提高程度有增加的趨勢(shì)，最大可以達(dá)到7.5%左右，同時(shí)信道的改善也提高了完全協(xié)作情況的比例，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的可靠性。因而該方案一方面通過(guò)信道編碼提高系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)加入網(wǎng)絡(luò)編碼可提高系統(tǒng)的有效性。將網(wǎng)絡(luò)編碼引入是在盡量少的系統(tǒng)復(fù)雜度提高的基礎(chǔ)上，提高有效性的最優(yōu)方法之一。本文的設(shè)計(jì)方案在C-RAN平臺(tái)的開(kāi)發(fā)中有一定的應(yīng)用參考價(jià)值。

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DOI：10.3969/j.issn.1006-6403.2016.04.015

基金項(xiàng)目：國(guó)家科技重大專項(xiàng)"新一代寬帶移動(dòng)通信網(wǎng)"課題：面向C-RAN的低功耗通用處理器平臺(tái)研發(fā)（2014ZX03003004-003）

收稿日期：（2016-03-03）