楊延平　陳巍　李鷗

研究了室內(nèi)密集立體覆蓋非對(duì)稱、多向中繼自組織網(wǎng)絡(luò)中利用節(jié)點(diǎn)先驗(yàn)信息，在中繼端聯(lián)合信道編碼、網(wǎng)絡(luò)編碼、自適應(yīng)調(diào)制等技術(shù)進(jìn)行干擾消除的傳輸方案。重點(diǎn)針對(duì)單中繼兩用戶互傳、單中繼多對(duì)用戶互傳模型的下行信道，分別提出了自適應(yīng)-網(wǎng)絡(luò)編碼調(diào)制、信道編碼-網(wǎng)絡(luò)編碼2種聯(lián)合設(shè)計(jì)方案。具體分別提出了變功率-速率自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)編碼相移鍵控調(diào)制（NC-PSK）方案和聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)-臟紙編碼方案，并推導(dǎo)出2種方案下行廣播信道可達(dá)速率的閉式解。仿真結(jié)果表明2種方案能夠提高中繼網(wǎng)絡(luò)的頻譜利用率，同時(shí)有效對(duì)抗信道衰落和干擾。

密集立體覆蓋；多向中繼技術(shù)；網(wǎng)絡(luò)編碼調(diào)制；自適應(yīng)調(diào)制；信道編碼；臟紙編碼

移動(dòng)通信飛速發(fā)展深刻地改變了人們的生活方式和工作方式，成為信息化網(wǎng)絡(luò)中最為重要的紐帶之一。然而，用戶密集化、業(yè)務(wù)海量化的數(shù)據(jù)需求[1]激增與移動(dòng)通信日益稀缺的頻譜資源之間的矛盾成為未來移動(dòng)通信發(fā)展的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。密集立體覆蓋[2]，作為適應(yīng)于未來“立體化城市”、“海量化信息”、“智能化認(rèn)知”、“多層次協(xié)同”的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)新構(gòu)架，有望利用“平面之外的第三個(gè)維度”實(shí)現(xiàn)全新的頻譜復(fù)用方式，大幅度提升移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的頻譜效率。本文依托城市密集立體化的發(fā)展趨勢(shì)，著眼于典型的高層建筑內(nèi)部高密度異構(gòu)小基站通信，研究基于多向中繼的自組織無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，系統(tǒng)模型如圖1所示。

基于高層建筑室內(nèi)密集立體覆蓋的高密度異構(gòu)多向中繼場(chǎng)景，其通信特點(diǎn)為：

（1）室內(nèi)通信業(yè)務(wù)呈現(xiàn)多樣性，無(wú)線異構(gòu)自組織網(wǎng)絡(luò)面向不同應(yīng)用場(chǎng)景和目標(biāo)用戶。

（2）同一建筑內(nèi)部用戶的共性信息需求導(dǎo)致了大量數(shù)據(jù)的室內(nèi)共享，用戶擁有先驗(yàn)信息，但本地業(yè)務(wù)多樣的路由狀態(tài)導(dǎo)致用戶先驗(yàn)信息不成對(duì)，而傳統(tǒng)對(duì)傳場(chǎng)景不適用。

（3）高層建筑室內(nèi)通信各用戶遮擋情況不同，導(dǎo)致各鏈路信噪比迥異，傳統(tǒng)對(duì)稱情景不適用。

（4）需闡明非對(duì)稱、單中繼多向傳輸情況下基于節(jié)點(diǎn)先驗(yàn)信息的干擾消除方法。

根據(jù)高層室內(nèi)的通信特點(diǎn)，研究異構(gòu)小基站立體自組織網(wǎng)絡(luò)下多向中繼技術(shù)，實(shí)現(xiàn)干擾消除和提高頻譜利用率，其核心難點(diǎn)在于：

（1）逼近非對(duì)稱容量的傳輸策略如何實(shí)現(xiàn)。

（2）對(duì)多個(gè)時(shí)變信道如何最佳自適應(yīng)耦合的功率和速率。

（3）成對(duì)、非成對(duì)先驗(yàn)信息下如何逼近容量域。

根據(jù)構(gòu)建模型的通信特點(diǎn)及研究問題的核心難點(diǎn)，本文擬初步研究密集立體覆蓋移動(dòng)通信中，圍繞高層建筑室內(nèi)通信的靜態(tài)信道建模和動(dòng)態(tài)信道建模，研究高密度異構(gòu)小基站立體自組織網(wǎng)絡(luò)的多向中繼技術(shù)。通過探索在中繼小基站進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編碼、信道編碼、自適應(yīng)調(diào)制以及多種技術(shù)的聯(lián)合設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)立體交互的先驗(yàn)干擾消除，同時(shí)提高中繼信道傳輸?shù)念l譜利用率。本文提出兩點(diǎn)突破方向：

（1）聯(lián)合設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)編碼和調(diào)制，以功率速率優(yōu)化遍歷容量加權(quán)和。

（2）針對(duì)成對(duì)用戶互傳先驗(yàn)信息已知場(chǎng)景的干擾消除，創(chuàng)新編譯碼構(gòu)架以逼近信道容量。

綜上闡述，本文在引言部分闡明了多用戶先驗(yàn)干擾消除技術(shù)的若干挑戰(zhàn)及可能的應(yīng)對(duì)方法。第1章節(jié)研究中繼端網(wǎng)絡(luò)編碼、信道編碼、自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)以及它們的聯(lián)合設(shè)計(jì)等若干問題。第2章節(jié)將從兩用戶雙向中繼場(chǎng)景入手，重點(diǎn)研究自適應(yīng)調(diào)制和網(wǎng)絡(luò)編碼調(diào)制的聯(lián)合設(shè)計(jì)，提出了變功率-速率自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)編碼相移鍵控調(diào)制（NC-PSK）方案。第3章節(jié)進(jìn)一步擴(kuò)展兩用戶到多對(duì)用戶信息交換場(chǎng)景，提出了聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)-臟紙編碼（JNDPC）技術(shù)，進(jìn)一步提高下行信道容量。

1 室內(nèi)密集覆蓋網(wǎng)絡(luò)多向

中繼通信傳輸技術(shù)

本章節(jié)分別研究無(wú)線多向中繼的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)、自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)和信道編碼技術(shù)，以及這些技術(shù)的聯(lián)合設(shè)計(jì)，是第2章、第3章節(jié)研究的理論依據(jù)。

1.1 物理層網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)

無(wú)線中繼網(wǎng)絡(luò)的廣播特性非常適合網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)的應(yīng)用。線性網(wǎng)絡(luò)編碼概念[3-4]指出對(duì)組播網(wǎng)絡(luò)中的某些節(jié)點(diǎn)附加編碼處理能夠使源與組播成員間達(dá)到最大流最小割的組播速率。網(wǎng)絡(luò)編碼的提出引發(fā)了一系列關(guān)于網(wǎng)絡(luò)編碼的研究[5-11]，Wu等最早研究將網(wǎng)絡(luò)編碼與物理層廣播相結(jié)合[5]；Wu和Xie等從信息論角度研究了非對(duì)稱解碼轉(zhuǎn)發(fā)雙向中繼下行信道的容量[5-6]；從實(shí)際應(yīng)用角度出發(fā)，Chen等研究了基于認(rèn)知的網(wǎng)絡(luò)編碼[7-8]，闡明利用先驗(yàn)信息能夠提高非對(duì)稱中繼的吞吐量；Chen等研究分區(qū)理論[9]和解碼轉(zhuǎn)發(fā)雙向中繼（DF-TWR）編碼方案[11]，提出了網(wǎng)絡(luò)編碼調(diào)制（NCM）和基于網(wǎng)絡(luò)編碼的最大比合并方案[9-10]，在提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量的同時(shí)能夠以低復(fù)雜度算法獲得分集增益。此外，Chen等還提出了變功率恒定速率自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)編碼調(diào)制方案[9]，這一方案啟發(fā)我們進(jìn)一步研究變功率變速率自適應(yīng)-網(wǎng)絡(luò)編碼調(diào)制在衰落信道下傳輸方案的可行性和性能分析。

從集合分割思想出發(fā)，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用廣泛的QAM和相移鍵控（PSK）調(diào)制，Chen等提出的NC-QAM/PSK能夠最大化符號(hào)間的歐氏距離[9]，保證誤碼率的同時(shí)提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐量。解碼-轉(zhuǎn)發(fā)雙向中繼場(chǎng)景中，NC-QAM/PSK方案在發(fā)端對(duì)兩路映射后的信號(hào)進(jìn)行幅值（QAM調(diào)制取模1）或角度（PSK調(diào)制取模2*π）操作[9]，產(chǎn)生和信號(hào)經(jīng)衰落信道廣播至用戶。在接收端，不同用戶根據(jù)自身的先驗(yàn)信息旋轉(zhuǎn)判決域（解模操作）解調(diào)出所需信息。網(wǎng)絡(luò)編碼調(diào)制及網(wǎng)絡(luò)編碼是第2章節(jié)和第3章節(jié)的理論基礎(chǔ)。

1.2 自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)

自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)是一種典型的抗衰落技術(shù)[12-17]。根據(jù)對(duì)信道預(yù)測(cè)的結(jié)果，在不犧牲誤碼率性能的前提下，根據(jù)無(wú)線通信環(huán)境和服務(wù)質(zhì)量（QoS）要求，通過動(dòng)態(tài)地改變發(fā)送端的發(fā)送功率、傳輸速率、編碼方案等資源[12-14]，在較好的無(wú)線信道條件下分配較多的資源，而當(dāng)無(wú)線信道質(zhì)量下降時(shí)，相應(yīng)地降低傳輸速率，最終達(dá)到提高系統(tǒng)資源利用率、獲得較高的系統(tǒng)吞吐量的目的。

針對(duì)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)單信道傳輸場(chǎng)景，A. Goldsmith在信息論意義上[13]和誤碼率基礎(chǔ)[14]上，分別給出了連續(xù)速率連續(xù)功率方案可達(dá)速率的閉式解，并給出離散速率連續(xù)功率QAM方案的數(shù)值解。擴(kuò)展至單中繼多向傳輸場(chǎng)景，需要闡明如何調(diào)整功率速率來適應(yīng)多鏈路信道衰落[15-16]。研究以單基站多向中繼通信的自適應(yīng)調(diào)制需要考慮以下幾個(gè)問題：

（1）下行信道等效于用戶（收端）已知先驗(yàn)信息情況的廣播信道。

（2）發(fā)送端的發(fā)送功率需要適應(yīng)多條信道的信道條件。

（3）多資源分配的自適應(yīng)調(diào)制問題的復(fù)雜度隨收端用戶數(shù)的增加而急劇上升。

聯(lián)合功率-速率自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)將作為第2章節(jié)的基礎(chǔ)。

1.3 信道編碼技術(shù)

信道編碼技術(shù)是保證通信系統(tǒng)可靠性的有效方法。無(wú)線單中繼協(xié)作通信系統(tǒng)中加入信道編碼，雖然增加了中繼節(jié)點(diǎn)的運(yùn)算量，但可改善系統(tǒng)的糾錯(cuò)性能，從而有效抵抗無(wú)線信道時(shí)變性引起的信號(hào)衰落信道干擾的影響。

多向中繼技術(shù)中信道編碼方案選取靈活，系統(tǒng)的信道環(huán)境較好或者對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求較高的情況下可以選用卷積碼、TCM等作編碼方案；而信道環(huán)境較差時(shí)可以選擇高性能信道編碼技術(shù)如Turbo、LDPC等作為信道編碼方案。

1.4 聯(lián)合設(shè)計(jì)方案

單中繼多向傳輸綜合采用信道編碼、網(wǎng)絡(luò)編碼、自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)的聯(lián)合設(shè)計(jì)能夠極大地提高網(wǎng)絡(luò)性能。解碼-轉(zhuǎn)發(fā)中繼協(xié)議由于在中繼端先解碼再編碼轉(zhuǎn)發(fā)，因此更適合單中繼端聯(lián)合多種技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。我們根據(jù)室內(nèi)通信的兩種具體場(chǎng)景將分別研究?jī)煞N實(shí)際的多向中繼協(xié)作通信方案：?jiǎn)沃欣^雙向信道聯(lián)合功率速率自適應(yīng)-網(wǎng)絡(luò)編碼調(diào)制、單中繼多向成對(duì)用戶信息互傳聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)-臟紙編碼。

2 雙向中繼自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)

編碼調(diào)制技術(shù)

解碼-轉(zhuǎn)發(fā)雙向中繼系統(tǒng)模型如圖2所示。假設(shè)中繼端已正確接收并且解碼上行信號(hào)，那么自適應(yīng)-網(wǎng)絡(luò)編碼調(diào)制需研究下行廣播信道的設(shè)計(jì)。

此系統(tǒng)模型中，兩用戶對(duì)傳信息，第一、第二時(shí)隙（避免干擾）源節(jié)點(diǎn)分別將信號(hào)傳至中繼節(jié)點(diǎn)并解碼；第三時(shí)隙中繼節(jié)點(diǎn)完成信號(hào)處理，再編碼后廣播至目的節(jié)點(diǎn)（目的節(jié)點(diǎn)是第一、第二時(shí)隙的源節(jié)點(diǎn)）。目的節(jié)點(diǎn)接收到信號(hào)后通過自身已有的信息解調(diào)出需要信息[9，17]。

2.1 聯(lián)合自適應(yīng)調(diào)制和網(wǎng)絡(luò)編碼調(diào)制

一種衰落信道聯(lián)合功率-速率自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)編碼調(diào)制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖中，[w1，w2]表示兩路解碼后待編碼調(diào)制信息，[x[t]]表示調(diào)制待發(fā)送信號(hào)，t是時(shí)刻參數(shù)，[g1[t]，g2[t]]表示功率增益，[n1[t]，n2[t]]為高斯白噪聲，[w1，w2]表示用戶端解調(diào)出的信號(hào)。

2.2 連續(xù)速率連續(xù)功率自適應(yīng)

NC-PSK

基于誤碼率界，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)變功率變速率自適應(yīng)QAM[14]的頻譜利用率有詳細(xì)推導(dǎo)。同樣基于誤碼率界和PSK實(shí)際調(diào)制技術(shù)，我們構(gòu)建單中繼雙向通信下行信道，聯(lián)合功率-速率自適應(yīng)NC-PSK調(diào)制的優(yōu)化問題表達(dá)如下：

式中[γi，i=1，2]為兩信道信噪比，[p（γi）]表示衰落分布，[S（γ1，γ2）]表示發(fā)送端功率，[R]表示數(shù)據(jù)總傳輸速率，[B]表示傳輸帶寬，[S]為平均功率約束。[R[γ1，γ2，S（γ1，γ2）]]可以由公式（2）給出：

式中[ωi]表示用戶的權(quán)重系數(shù)，[Mi（γi）]表示星座調(diào)制階數(shù)（速率）。此優(yōu)化問題是凸優(yōu)化問題，利用KKT（Karush-Kuhn-Tucker）條件求得連續(xù)功率連續(xù)速率自適應(yīng)NC-PSK的功率分配策略閉式解[17]為：

式中[c1，c2，c3，c4]為PSK誤碼率界參數(shù)[15]，[K1，K2]由誤碼率要求決定，[v*]為互補(bǔ)松弛條件。將公式（1）、（3）帶入公式（2）即得到連續(xù)速率-功率自適應(yīng)NC-PSK方案的頻譜利用率。

2.3 離散速率連續(xù)功率自適應(yīng)

NC-PSK

考慮到上述方案應(yīng)用于實(shí)際通信系統(tǒng)，我們進(jìn)一步提出連續(xù)速率離散化自適應(yīng)NC-PSK方案。將2.2節(jié)連續(xù)星座階數(shù)[Mi（γi）]離散化得到[Mi={2，4，8，16...}]。在連續(xù)方案功率分配策略（2-3）基礎(chǔ)上，構(gòu)建連續(xù)速率離散化方案步驟如下：

（1）通過計(jì)算得到2.2節(jié)連續(xù)方案的[Mi（γi）]，[S（γ1，γ2）]，[υ*]等參數(shù)。

（2）每對(duì)[γi]對(duì)應(yīng)的發(fā)送功率[S（γ1，γ2）]不變，根據(jù)[γi]和[Mi={2，4，8，16...}]劃分信噪比衰落區(qū)間，將原先連續(xù)方案中的[Mi（γi）]按此區(qū)間向下取整，得到整數(shù)階調(diào)制[Mi']。

（3）將[Mi']替代[Mi（γi）]重新帶入公式（2-2），計(jì)算此時(shí)的頻譜利用率。

需要說明的是，步驟（2）中向下取整意味著功率相比于此時(shí)的速率是過足的，也即這種傳輸方案存在了功率損失，或者等效于速率損失。在[S]、[B]等參數(shù)歸一化情況下，最大速率損失小于0.3 bps/Hz。

2.4 性能仿真及結(jié)論分析

本節(jié)仿真驗(yàn)證分析2.2、2.3節(jié)提出的聯(lián)合功率自適應(yīng)-網(wǎng)絡(luò)編碼調(diào)制方案的可行性和有效性。頻譜利用率的數(shù)值結(jié)果如圖4所示。連續(xù)速率連續(xù)功率自適應(yīng)NC-PSK、連續(xù)速率離散化NC-PSK的數(shù)值結(jié)果如圖4（a）、圖4（b）所示。通過統(tǒng)一仿真參數(shù)[17]，對(duì)比分析A. Goldsmith點(diǎn)對(duì)點(diǎn)單鏈路自適應(yīng)方案[13-14]，能夠得到以下結(jié)論：

（1）解碼-轉(zhuǎn)發(fā)雙向中繼采用聯(lián)合功率速率自適應(yīng)-網(wǎng)絡(luò)編碼方案比恒定功率方案的頻譜利用率要高，且高度逼近點(diǎn)對(duì)點(diǎn)單鏈路變功率變速率曲線。

（2）采用誤碼率界的方案相比香農(nóng)界的結(jié)果之間的“空隙”由誤碼率要求所決定，而誤碼率界方案更具有實(shí)際意義。

（3）連續(xù)速率離散化自適應(yīng)NC-PSK傳輸方案具有實(shí)際意義，方案性能接近點(diǎn)對(duì)點(diǎn)單鏈路離散方案，它們性能之間的差距隨著信噪比的增大而減小。

結(jié)論驗(yàn)證了聯(lián)合自適應(yīng)-網(wǎng)絡(luò)編碼調(diào)制方案能夠在保證誤碼率一定的情況下，進(jìn)一步提高雙向中繼網(wǎng)絡(luò)吞吐量，有效對(duì)抗信道衰落，這一技術(shù)在多向中繼中會(huì)有進(jìn)一步的發(fā)展。

3 多向中繼聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)-臟紙

編碼技術(shù)

在第2章節(jié)雙向中繼傳輸模型基礎(chǔ)上，我們進(jìn)一步研究單中繼-多對(duì)用戶信息互傳下行廣播信道模型下（如圖5所示），聯(lián)合信道編碼-網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)的多向中繼傳輸方案。此外，Sima等進(jìn)一步對(duì)3用戶間任意信息互傳進(jìn)行了研究[18]。

中繼節(jié)點(diǎn)接收到多對(duì)用戶傳至的信息，并對(duì)信息再次進(jìn)行信道編碼。方案中信道編碼采用臟紙編碼，作為一個(gè)干擾消除編碼，被認(rèn)為是消除認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)用戶之間干擾，達(dá)到認(rèn)知無(wú)線信道容量的最有效方法。

3.1 成對(duì)信息交換的網(wǎng)絡(luò)-臟紙編碼

技術(shù)

臟紙編碼是在存在干擾的情況下，利用發(fā)射機(jī)已了解的信道基本情況，通過在發(fā)射端處理信號(hào)，使接收機(jī)在接受信號(hào)時(shí)可以認(rèn)為傳輸不存在干擾，從而增加系統(tǒng)總?cè)萘?。我們研究將網(wǎng)絡(luò)編碼嵌入到臟紙編碼設(shè)計(jì)中，提出了聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)-臟紙編碼（JNDPC），并在此基礎(chǔ)上創(chuàng)新提出了一種順序網(wǎng)絡(luò)編碼[19]（SNC），其編解碼流程如圖6（a）所示。

根據(jù)圖5所示的廣播信道，SNC方案的可達(dá)容量域由以下公式給出：

[CSNC={RA1，RB1，...，RAK，RBk：RAi≤12log1+Piσ2Bi+m=k+1KPm，RBi≤12log1+Piσ2Ai+m=k+1KPm，m=1KPm=PR}]

3.2 性能仿真及結(jié)論分析

本節(jié)仿真設(shè)置等效噪聲功率分別為[σ2A1=1，σ2B1=10，σ2A2=4，σ2B2=8，][σ2R=2]，用戶的等效功率等于中繼功率[PA1=PB1=PA2=PB2=PR=P]，得到功率[P]與合速率的仿真曲線如圖6（b）所示。分析仿真結(jié)果我們得出結(jié)論：

（1）解碼-轉(zhuǎn)發(fā)雙向中繼中采用聯(lián)合信道編碼-網(wǎng)絡(luò)編碼方案相比純物理層網(wǎng)絡(luò)編碼[20]要有更高的頻譜利用率。

（2）臟紙編碼的對(duì)抗干擾特性能夠進(jìn)一步提高通信質(zhì)量，臟紙編碼研究的一大問題在于構(gòu)造了實(shí)用化編碼方案，基于聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)-臟紙編碼方案提出的SNC具有實(shí)際意義。

4 結(jié)束語(yǔ)

多向中繼技術(shù)作為解決高密度異構(gòu)立體覆蓋網(wǎng)絡(luò)通信問題的方案之一，其設(shè)計(jì)方案靈活多變，能夠在基站端聯(lián)合信道編碼、網(wǎng)絡(luò)編碼、自適應(yīng)調(diào)制等多種技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，達(dá)到提高頻譜利用率和通信質(zhì)量的目的。本文從室內(nèi)密集立體覆蓋特定模型出發(fā)，分析中繼基站可采用的中繼技術(shù)，并具體針對(duì)單中繼雙向通信和單中繼多對(duì)用戶信息交換通信兩種場(chǎng)景分別構(gòu)建了聯(lián)合設(shè)計(jì)方案，通過仿真驗(yàn)證分析了方案的有效性，所提方案具有理論和實(shí)際雙重意義。

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