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无线协同通信、网络编码

        无线通信应用的迅速发展,导致现有的无线频谱资源处于相对稀缺状态,包括无线协同通信、无线网络编码、认知无线电等新技术的出现,为提高无线频谱利用率提供了相关的技术支撑。本节介绍相关的新技术原理。
1. 无线协同通信
       无线通信中最初提出协同通信(Cooperative Communication)技术时,主要是为了解决如何利用多个单天线用户进行相互的配合实现多天线发射带来的性能增益,或者更具体地说,即实现多天线发射时由于不同天线到接收机的衰落的独立特性带来的分集增益,在此基础上提升系统传输信息的可靠性或者覆盖等性能指标。而这其中隐含着两个条件,一个是这些相互协同的用户或终端自身无法支持多天线,其原因可能是尺寸受限,或硬件复杂度受限.或者系统整体成本受限等原因;另一个条件则是这些相互协同的用户或终端到接收机的信道衰落特性应该尽量独立,同时彼此之间可以相互通信。根据上面的这些描述,无线协同的典型应用场景主要是传感器网络或者自组织(Ad Hoc)网,这些网络中通常终端配置简单;当然,目前在蜂窝移动通信系统中,比如在移动台到基站的上行链路中,两个或多个单天线移动台也可以相互协同组成一个虚拟的多天线阵列实现M1MO的有关功能。这又称为Virtual MIMO。
   (1)协同通信基本原理和分类
       首先介绍一下协同通信技术的基本模型,以两用户的协同为例,如图33所示,这个基本模型可以扩展到更多用户之间的协同。
两用户协同通信
图33     两用户协同通信
       在这个模型中,移动台MS1和移动台MS2之间相互协同,使得它们自身除了可以有一条直接通向基站BS的链路之外,还可以通过对方将发射的信号进行某种形式的转发(中继),获得另一条链路传输带来的分集增益。这里涉及另一个重要的概念,即中继(Relay)的概念,虽然实际上协同的概念从某种程度上说起源于中继.但协同与中继还是有一定的区别的。典型的中继系统模型如图34所示,两者对比可以看出,中继系统中的中继节点通常只有单一的中继功能,而不像上面所说的协同通信中,两个移动台既是信源,也同时是对方的中继,两者平等、相互配合。至于MIMO协同中继这个概念,则通常指将单一的中继替换为多个相互协同配合的中继站群,从而实现一个虚拟的多天线中继站的功能,以进一步挖掘系统的潜力。
两用户中继通信系统
图34   两用户中继通信系统
       当然,在分析协同通信的问题时,可以在一定条件下将其分解成中继的问题,根据协同方对发送源信息的处理方式不同,通常可以把协同的方式分为基本的三类:放大转发(AF,非再生方式),解码转发(DF,再生方式)和编码协同(CC)。放大转发即协同方把发送源的信号接收下来后(其中包含了噪声),直接放大发往接收机。解码转发则是协同方把发送源的信息接收下来后进行判决和译码(降低了噪声的影响但其中仍有可能出错),然后再发往接收机。编码协同则是将信道编码与协同结合,以典型的情况举例,相当于将原始信息进行信道编码后,不同的编码后的信息(校验信息)将根据情况在不同的链路上发往接收机,从而获得增益。
(2) 协同通信主要特点及应用
       大多数研究表明,上述三种方式在衰落信道条件下信噪比较高的时候,能够获得比不使用协同更好的差错性能,而其中编码性能虽然复杂度最高,但其性能最好.且随信噪比恶化的程度较轻;而放大转发方式最为简单,但性能相对而言最差。虽然协同通信需要更多的发射机参与进来,但在充分利用信道的分集效果后,可以从整体上降低功率的消耗,提高频谱效率和可靠性。
协同通信
       协同通信方面,目前研究得比较多的是如何进行信道编码的设计(针对编码协同)以及如何对通信的不同环节公平分配合适的资源(例如功率、频率、时隙等)以达到性能的优化。另外如何判断哪些用户间可以进行协同以及用户组如何更新,也是很重要的。干扰问题也是协同通信中需要面对的。多跳中继网络下的协同通信也是研究的热点之一。对于蜂窝系统而言,设备本身的局限也必须考虑,拿上行链路来说,协同通信要求手机之间可以直接通信,这个对于传统的网络架构而言是不支持的。而相应的信令的设计以及信道信息的测量和报告机制也是现实中需要仔细研究的,否则系统的效率将与理论值有很大差距。
       目前,除了在终端侧的协同夕卜,多点协同(CoMP:CoordinatedMultiPoint)可以看成协同通信在基站侧的一种典型应用,这种技术要求相邻的多个基站相互配合,形成一个多天线阵列,以更好地对处于它们覆盖区域边缘交叠处的用户提供高质量的服务,包括更好的覆盖和更大的吞吐量等,这都是协同通信的基本目标。
2. 无线网络编码
       传统的网络中,网络节点对输入数据的处理仅限于路由、缓冲、转发,然而R.Ahiswede等人提出通过网络编码(Networkcoding;NO,即通过增加网络节点的编码功能,可以在不增加网络带宽消耗下,提高网络流量,并且从理论上阐明网络编码可以实现网络的最大流传输,从而节省带宽资源、平衡链路负载、减少能量消耗。
       早期网络编码研究主要针对链路质量可靠的有线网络,近年来利用无线传输的广播特性和节点侦听能力将网络编码应用于无线协同通信引起广泛关注。例如,网络编码在无线Mesh网、Adhoc网、无线传感器网络以及蜂窝无线通信系统中的实现。为了对现有无线网络的软硬件设备和相应的协议不做大的修改,通常在高层实现网络编码。在无线协同通信中,在物理层实现并与物理层技术相结合的物理层网络编码能进一步提高无线网络的吞吐量。
(1) 网络编码基本原理
       所谓网络编码,就是网络中间节点不仅具有存储、转发与路由功能,同时还具有将接收到的多个信息流进行编码的功能,从而提高传输能力的技术。
       以图35为例说明网络编码的原理。图35(a)中,带箭头直线代表有向链路,假设每条链路的容量为1,节点1欲将缶和缶两个比特分别传送给节点6和7。传统的存储转发方式将在中间节点4和5之间产生排队时延,如采用如图所示的简单网络编码策略可提高带宽效率:节点4将接收的两个比特进行异或操作后再转发,节点6接收到b1和b1+b2,通过异或操作方式的解码即可恢复出b2。同样,节点7也可收到完整信息。
       将其推广到无线领域中,如图35(b)所示,引入传输半径的概念(用以节点为中心的虚线圈表示),节点4进行异或操作形式的网络编码,两个接收节点分别进行网络译码操作,就可接收到完整信息.并提高了传输效率。
网络编码技术从有线网络到无线网络的扩展
图35  网络编码技术从有线网络到无线网络的扩展 
       有效的网络编码方案使接收点从接收到的数据中恢复出原始信息,数据传输时可能经过多次编码。中继节点发送的信息来源于接收到的信息,其信息量不会超过接收到的信息量,即信息嫡是非增的,故须保证接收节点接收到足够多的不相关信息。因此,根据网络拓扑特点,建立节点间的合作机制和设计低复杂度的编码算法是网络编码技术研究的重点。
(2) 网络编码的优缺点
增加网络流量
       对于一个多发多收的多端网络,只考虑其中一个接收端时,对应此接收端有一个传输速率。网络编码的功能在于,当所有的接收端同时接收信息时,每个接收端的速率仍然可以保持,而不用网络编码时,速率一般会小于网络中只有一个接收端时的速率,换言之,当有N个接收端共享网络资源时,每个接收端都可以达到最大的接收速率,整个网络好像是只为这一个接收端所用。因此,网络编码有助于更好地共享网络资源。
网络编码提高网络健壮性
       网络编码后的数据包具有同等的重要性,接收端只要收到足够数量的包就可以进行解码,从而提高网络健壮性和适应性。网络编码分布式地存在于整个网络,而不是仅仅存在于信源,这种特性与典型的分布式网络特性相适应(各节点只知道整个网络拓扑结构的部分信息),使得网络编码可适用于集中式与分布式网络。
网络编码带来时延以及复杂度的提高
       网络编码可以带来吞吐量以及健壮性的提高,在某种程度上提高整个网络的安全性,但付出的代价就是时延和复杂度的增加。对于编码节点而言,需要缓存接收到的信息再编码,从而带来额外的处理延时,同时编码节点采取的编码算法也在某种程度上决定了整个网络运算的复杂性。对于线性网络编码,由于仅采用乘法、加法等线性运算,复杂度不高;如果釆用更加复杂的编码方式,解码复杂度随之增加,故需选择合适的编解码方式。
无线网络编码
(3) 无线网络编码的发展
       由于无线信道的时变衰落特性、广播特性以及噪声的干扰,无线信道不可避免会引入传输误差,此时网络编码技术带来的容量增益将大为降低。最新的研究表明,在物理层实现、并与物理层技术相结合的物理层网络编码技术能进一步提高系统容量。为提高无线信道下网络编码的性能,结合信道编码、中继协同、空时编码、正交频分复用、功率分配、调制等链路级技术的物理层网络编码研究渐入佳境。