高密度異構小基站立體網絡的多向中繼技術

楊延平　陳巍　李鷗

研究了室內密集立體覆蓋非對稱、多向中繼自組織網絡中利用節點先驗信息，在中繼端聯合信道編碼、網絡編碼、自適應調制等技術進行干擾消除的傳輸方案。重點針對單中繼兩用戶互傳、單中繼多對用戶互傳模型的下行信道，分別提出了自適應-網絡編碼調制、信道編碼-網絡編碼2種聯合設計方案。具體分別提出了變功率-速率自適應網絡編碼相移鍵控調制（NC-PSK）方案和聯合網絡-臟紙編碼方案，并推導出2種方案下行廣播信道可達速率的閉式解。仿真結果表明2種方案能夠提高中繼網絡的頻譜利用率，同時有效對抗信道衰落和干擾。

密集立體覆蓋；多向中繼技術；網絡編碼調制；自適應調制；信道編碼；臟紙編碼

移動通信飛速發展深刻地改變了人們的生活方式和工作方式，成為信息化網絡中最為重要的紐帶之一。然而，用戶密集化、業務海量化的數據需求[1]激增與移動通信日益稀缺的頻譜資源之間的矛盾成為未來移動通信發展的機遇和挑戰。密集立體覆蓋[2]，作為適應于未來“立體化城市”、“海量化信息”、“智能化認知”、“多層次協同”的無線網絡演進新構架，有望利用“平面之外的第三個維度”實現全新的頻譜復用方式，大幅度提升移動通信網絡的頻譜效率。本文依托城市密集立體化的發展趨勢，著眼于典型的高層建筑內部高密度異構小基站通信，研究基于多向中繼的自組織無線網絡傳輸技術，系統模型如圖1所示。

基于高層建筑室內密集立體覆蓋的高密度異構多向中繼場景，其通信特點為：

（1）室內通信業務呈現多樣性，無線異構自組織網絡面向不同應用場景和目標用戶。

（2）同一建筑內部用戶的共性信息需求導致了大量數據的室內共享，用戶擁有先驗信息，但本地業務多樣的路由狀態導致用戶先驗信息不成對，而傳統對傳場景不適用。

（3）高層建筑室內通信各用戶遮擋情況不同，導致各鏈路信噪比迥異，傳統對稱情景不適用。

（4）需闡明非對稱、單中繼多向傳輸情況下基于節點先驗信息的干擾消除方法。

根據高層室內的通信特點，研究異構小基站立體自組織網絡下多向中繼技術，實現干擾消除和提高頻譜利用率，其核心難點在于：

（1）逼近非對稱容量的傳輸策略如何實現。

（2）對多個時變信道如何最佳自適應耦合的功率和速率。

（3）成對、非成對先驗信息下如何逼近容量域。

根據構建模型的通信特點及研究問題的核心難點，本文擬初步研究密集立體覆蓋移動通信中，圍繞高層建筑室內通信的靜態信道建模和動態信道建模，研究高密度異構小基站立體自組織網絡的多向中繼技術。通過探索在中繼小基站進行網絡編碼、信道編碼、自適應調制以及多種技術的聯合設計，實現立體交互的先驗干擾消除，同時提高中繼信道傳輸的頻譜利用率。本文提出兩點突破方向：

（1）聯合設計網絡編碼和調制，以功率速率優化遍歷容量加權和。

（2）針對成對用戶互傳先驗信息已知場景的干擾消除，創新編譯碼構架以逼近信道容量。

綜上闡述，本文在引言部分闡明了多用戶先驗干擾消除技術的若干挑戰及可能的應對方法。第1章節研究中繼端網絡編碼、信道編碼、自適應調制技術以及它們的聯合設計等若干問題。第2章節將從兩用戶雙向中繼場景入手，重點研究自適應調制和網絡編碼調制的聯合設計，提出了變功率-速率自適應網絡編碼相移鍵控調制（NC-PSK）方案。第3章節進一步擴展兩用戶到多對用戶信息交換場景，提出了聯合網絡-臟紙編碼（JNDPC）技術，進一步提高下行信道容量。

1 室內密集覆蓋網絡多向

中繼通信傳輸技術

本章節分別研究無線多向中繼的物理層網絡編碼技術、自適應調制技術和信道編碼技術，以及這些技術的聯合設計，是第2章、第3章節研究的理論依據。

1.1 物理層網絡編碼技術

無線中繼網絡的廣播特性非常適合網絡編碼技術的應用。線性網絡編碼概念[3-4]指出對組播網絡中的某些節點附加編碼處理能夠使源與組播成員間達到最大流最小割的組播速率。網絡編碼的提出引發了一系列關于網絡編碼的研究[5-11]，Wu等最早研究將網絡編碼與物理層廣播相結合[5]；Wu和Xie等從信息論角度研究了非對稱解碼轉發雙向中繼下行信道的容量[5-6]；從實際應用角度出發，Chen等研究了基于認知的網絡編碼[7-8]，闡明利用先驗信息能夠提高非對稱中繼的吞吐量；Chen等研究分區理論[9]和解碼轉發雙向中繼（DF-TWR）編碼方案[11]，提出了網絡編碼調制（NCM）和基于網絡編碼的最大比合并方案[9-10]，在提高網絡吞吐量的同時能夠以低復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網絡編碼調制方案[9]，這一方案啟發我們進一步研究變功率變速率自適應-網絡編碼調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，結合實際應用廣泛的QAM和相移鍵控（PSK）調制，Chen等提出的NC-QAM/PSK能夠最大化符號間的歐氏距離[9]，保證誤碼率的同時提高了網絡吞吐量。解碼-轉發雙向中繼場景中，NC-QAM/PSK方案在發端對兩路映射后的信號進行幅值（QAM調制取模1）或角度（PSK調制取模2*π）操作[9]，產生和信號經衰落信道廣播至用戶。在接收端，不同用戶根據自身的先驗信息旋轉判決域（解模操作）解調出所需信息。網絡編碼調制及網絡編碼是第2章節和第3章節的理論基礎。

1.2 自適應調制技術

自適應調制技術是一種典型的抗衰落技術[12-17]。根據對信道預測的結果，在不犧牲誤碼率性能的前提下，根據無線通信環境和服務質量（QoS）要求，通過動態地改變發送端的發送功率、傳輸速率、編碼方案等資源[12-14]，在較好的無線信道條件下分配較多的資源，而當無線信道質量下降時，相應地降低傳輸速率，最終達到提高系統資源利用率、獲得較高的系統吞吐量的目的。

針對點對點單信道傳輸場景，A. Goldsmith在信息論意義上[13]和誤碼率基礎[14]上，分別給出了連續速率連續功率方案可達速率的閉式解，并給出離散速率連續功率QAM方案的數值解。擴展至單中繼多向傳輸場景，需要闡明如何調整功率速率來適應多鏈路信道衰落[15-16]。研究以單基站多向中繼通信的自適應調制需要考慮以下幾個問題：

（1）下行信道等效于用戶（收端）已知先驗信息情況的廣播信道。

（2）發送端的發送功率需要適應多條信道的信道條件。

（3）多資源分配的自適應調制問題的復雜度隨收端用戶數的增加而急劇上升。

聯合功率-速率自適應調制技術將作為第2章節的基礎。

1.3 信道編碼技術

信道編碼技術是保證通信系統可靠性的有效方法。無線單中繼協作通信系統中加入信道編碼，雖然增加了中繼節點的運算量，但可改善系統的糾錯性能，從而有效抵抗無線信道時變性引起的信號衰落信道干擾的影響。

多向中繼技術中信道編碼方案選取靈活，系統的信道環境較好或者對系統實時性要求較高的情況下可以選用卷積碼、TCM等作編碼方案；而信道環境較差時可以選擇高性能信道編碼技術如Turbo、LDPC等作為信道編碼方案。

1.4 聯合設計方案

單中繼多向傳輸綜合采用信道編碼、網絡編碼、自適應調制技術的聯合設計能夠極大地提高網絡性能。解碼-轉發中繼協議由于在中繼端先解碼再編碼轉發，因此更適合單中繼端聯合多種技術進行設計。我們根據室內通信的兩種具體場景將分別研究兩種實際的多向中繼協作通信方案：單中繼雙向信道聯合功率速率自適應-網絡編碼調制、單中繼多向成對用戶信息互傳聯合網絡-臟紙編碼。

2 雙向中繼自適應網絡

編碼調制技術

解碼-轉發雙向中繼系統模型如圖2所示。假設中繼端已正確接收并且解碼上行信號，那么自適應-網絡編碼調制需研究下行廣播信道的設計。

此系統模型中，兩用戶對傳信息，第一、第二時隙（避免干擾）源節點分別將信號傳至中繼節點并解碼；第三時隙中繼節點完成信號處理，再編碼后廣播至目的節點（目的節點是第一、第二時隙的源節點）。目的節點接收到信號后通過自身已有的信息解調出需要信息[9，17]。

2.1 聯合自適應調制和網絡編碼調制

一種衰落信道聯合功率-速率自適應網絡編碼調制的系統結構如圖3所示。

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

2.2 連續速率連續功率自適應

NC-PSK

基于誤碼率界，點對點變功率變速率自適應QAM[14]的頻譜利用率有詳細推導。同樣基于誤碼率界和PSK實際調制技術，我們構建單中繼雙向通信下行信道，聯合功率-速率自適應NC-PSK調制的優化問題表達如下：

式中[γi，i=1，2]為兩信道信噪比，[p（γi）]表示衰落分布，[S（γ1，γ2）]表示發送端功率，[R]表示數據總傳輸速率，[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]表示用戶的權重系數，[Mi（γi）]表示星座調制階數（速率）。此優化問題是凸優化問題，利用KKT（Karush-Kuhn-Tucker）條件求得連續功率連續速率自適應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[15]，[K1，K2]由誤碼率要求決定，[v*]為互補松弛條件。將公式（1）、（3）帶入公式（2）即得到連續速率-功率自適應NC-PSK方案的頻譜利用率。

2.3 離散速率連續功率自適應

NC-PSK

考慮到上述方案應用于實際通信系統，我們進一步提出連續速率離散化自適應NC-PSK方案。將2.2節連續星座階數[Mi（γi）]離散化得到[Mi={2，4，8，16...}]。在連續方案功率分配策略（2-3）基礎上，構建連續速率離散化方案步驟如下：

（1）通過計算得到2.2節連續方案的[Mi（γi）]，[S（γ1，γ2）]，[υ*]等參數。

（2）每對[γi]對應的發送功率[S（γ1，γ2）]不變，根據[γi]和[Mi={2，4，8，16...}]劃分信噪比衰落區間，將原先連續方案中的[Mi（γi）]按此區間向下取整，得到整數階調制[Mi']。

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

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 性能仿真及結論分析

本節仿真驗證分析2.2、2.3節提出的聯合功率自適應-網絡編碼調制方案的可行性和有效性。頻譜利用率的數值結果如圖4所示。連續速率連續功率自適應NC-PSK、連續速率離散化NC-PSK的數值結果如圖4（a）、圖4（b）所示。通過統一仿真參數[17]，對比分析A. Goldsmith點對點單鏈路自適應方案[13-14]，能夠得到以下結論：

（1）解碼-轉發雙向中繼采用聯合功率速率自適應-網絡編碼方案比恒定功率方案的頻譜利用率要高，且高度逼近點對點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界的結果之間的“空隙”由誤碼率要求所決定，而誤碼率界方案更具有實際意義。

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

結論驗證了聯合自適應-網絡編碼調制方案能夠在保證誤碼率一定的情況下，進一步提高雙向中繼網絡吞吐量，有效對抗信道衰落，這一技術在多向中繼中會有進一步的發展。

3 多向中繼聯合網絡-臟紙

編碼技術

在第2章節雙向中繼傳輸模型基礎上，我們進一步研究單中繼-多對用戶信息互傳下行廣播信道模型下（如圖5所示），聯合信道編碼-網絡編碼技術的多向中繼傳輸方案。此外，Sima等進一步對3用戶間任意信息互傳進行了研究[18]。

中繼節點接收到多對用戶傳至的信息，并對信息再次進行信道編碼。方案中信道編碼采用臟紙編碼，作為一個干擾消除編碼，被認為是消除認知無線網絡用戶之間干擾，達到認知無線信道容量的最有效方法。

3.1 成對信息交換的網絡-臟紙編碼

技術

臟紙編碼是在存在干擾的情況下，利用發射機已了解的信道基本情況，通過在發射端處理信號，使接收機在接受信號時可以認為傳輸不存在干擾，從而增加系統總容量。我們研究將網絡編碼嵌入到臟紙編碼設計中，提出了聯合網絡-臟紙編碼（JNDPC），并在此基礎上創新提出了一種順序網絡編碼[19]（SNC），其編解碼流程如圖6（a）所示。

根據圖5所示的廣播信道，SNC方案的可達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 性能仿真及結論分析

本節仿真設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。分析仿真結果我們得出結論：

（1）解碼-轉發雙向中繼中采用聯合信道編碼-網絡編碼方案相比純物理層網絡編碼[20]要有更高的頻譜利用率。

（2）臟紙編碼的對抗干擾特性能夠進一步提高通信質量，臟紙編碼研究的一大問題在于構造了實用化編碼方案，基于聯合網絡-臟紙編碼方案提出的SNC具有實際意義。

4 結束語

多向中繼技術作為解決高密度異構立體覆蓋網絡通信問題的方案之一，其設計方案靈活多變，能夠在基站端聯合信道編碼、網絡編碼、自適應調制等多種技術進行設計，達到提高頻譜利用率和通信質量的目的。本文從室內密集立體覆蓋特定模型出發，分析中繼基站可采用的中繼技術，并具體針對單中繼雙向通信和單中繼多對用戶信息交換通信兩種場景分別構建了聯合設計方案，通過仿真驗證分析了方案的有效性，所提方案具有理論和實際雙重意義。

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