高密度异构小基站立体网络的多向中继技术

杨延平　陈巍　李鸥

研究了室内密集立体覆盖非对称、多向中继自组织网络中利用节点先验信息，在中继端联合信道编码、网络编码、自适应调制等技术进行干扰消除的传输方案。重点针对单中继两用户互传、单中继多对用户互传模型的下行信道，分别提出了自适应-网络编码调制、信道编码-网络编码2种联合设计方案。具体分别提出了变功率-速率自适应网络编码相移键控调制（NC-PSK）方案和联合网络-脏纸编码方案，并推导出2种方案下行广播信道可达速率的闭式解。仿真结果表明2种方案能够提高中继网络的频谱利用率，同时有效对抗信道衰落和干扰。

密集立体覆盖；多向中继技术；网络编码调制；自适应调制；信道编码；脏纸编码

移动通信飞速发展深刻地改变了人们的生活方式和工作方式，成为信息化网络中最为重要的纽带之一。然而，用户密集化、业务海量化的数据需求[1]激增与移动通信日益稀缺的频谱资源之间的矛盾成为未来移动通信发展的机遇和挑战。密集立体覆盖[2]，作为适应于未来“立体化城市”、“海量化信息”、“智能化认知”、“多层次协同”的无线网络演进新构架，有望利用“平面之外的第三个维度”实现全新的频谱复用方式，大幅度提升移动通信网络的频谱效率。本文依托城市密集立体化的发展趋势，着眼于典型的高层建筑内部高密度异构小基站通信，研究基于多向中继的自组织无线网络传输技术，系统模型如图1所示。

基于高层建筑室内密集立体覆盖的高密度异构多向中继场景，其通信特点为：

（1）室内通信业务呈现多样性，无线异构自组织网络面向不同应用场景和目标用户。

（2）同一建筑内部用户的共性信息需求导致了大量数据的室内共享，用户拥有先验信息，但本地业务多样的路由状态导致用户先验信息不成对，而传统对传场景不适用。

（3）高层建筑室内通信各用户遮挡情况不同，导致各链路信噪比迥异，传统对称情景不适用。

（4）需阐明非对称、单中继多向传输情况下基于节点先验信息的干扰消除方法。

根据高层室内的通信特点，研究异构小基站立体自组织网络下多向中继技术，实现干扰消除和提高频谱利用率，其核心难点在于：

（1）逼近非对称容量的传输策略如何实现。

（2）对多个时变信道如何最佳自适应耦合的功率和速率。

（3）成对、非成对先验信息下如何逼近容量域。

根据构建模型的通信特点及研究问题的核心难点，本文拟初步研究密集立体覆盖移动通信中，围绕高层建筑室内通信的静态信道建模和动态信道建模，研究高密度异构小基站立体自组织网络的多向中继技术。通过探索在中继小基站进行网络编码、信道编码、自适应调制以及多种技术的联合设计，实现立体交互的先验干扰消除，同时提高中继信道传输的频谱利用率。本文提出两点突破方向：

（1）联合设计网络编码和调制，以功率速率优化遍历容量加权和。

（2）针对成对用户互传先验信息已知场景的干扰消除，创新编译码构架以逼近信道容量。

综上阐述，本文在引言部分阐明了多用户先验干扰消除技术的若干挑战及可能的应对方法。第1章节研究中继端网络编码、信道编码、自适应调制技术以及它们的联合设计等若干问题。第2章节将从两用户双向中继场景入手，重点研究自适应调制和网络编码调制的联合设计，提出了变功率-速率自适应网络编码相移键控调制（NC-PSK）方案。第3章节进一步扩展两用户到多对用户信息交换场景，提出了联合网络-脏纸编码（JNDPC）技术，进一步提高下行信道容量。

1 室内密集覆盖网络多向

中继通信传输技术

本章节分别研究无线多向中继的物理层网络编码技术、自适应调制技术和信道编码技术，以及这些技术的联合设计，是第2章、第3章节研究的理论依据。

1.1 物理层网络编码技术

无线中继网络的广播特性非常适合网络编码技术的应用。线性网络编码概念[3-4]指出对组播网络中的某些节点附加编码处理能够使源与组播成员间达到最大流最小割的组播速率。网络编码的提出引发了一系列关于网络编码的研究[5-11]，Wu等最早研究将网络编码与物理层广播相结合[5]；Wu和Xie等从信息论角度研究了非对称解码转发双向中继下行信道的容量[5-6]；从实际应用角度出发，Chen等研究了基于认知的网络编码[7-8]，阐明利用先验信息能够提高非对称中继的吞吐量；Chen等研究分区理论[9]和解码转发双向中继（DF-TWR）编码方案[11]，提出了网络编码调制（NCM）和基于网络编码的最大比合并方案[9-10]，在提高网络吞吐量的同时能够以低复杂度算法获得分集增益。此外，Chen等还提出了变功率恒定速率自适应网络编码调制方案[9]，这一方案启发我们进一步研究变功率变速率自适应-网络编码调制在衰落信道下传输方案的可行性和性能分析。

从集合分割思想出发，结合实际应用广泛的QAM和相移键控（PSK）调制，Chen等提出的NC-QAM/PSK能够最大化符号间的欧氏距离[9]，保证误码率的同时提高了网络吞吐量。解码-转发双向中继场景中，NC-QAM/PSK方案在发端对两路映射后的信号进行幅值（QAM调制取模1）或角度（PSK调制取模2*π）操作[9]，产生和信号经衰落信道广播至用户。在接收端，不同用户根据自身的先验信息旋转判决域（解模操作）解调出所需信息。网络编码调制及网络编码是第2章节和第3章节的理论基础。

1.2 自适应调制技术

自适应调制技术是一种典型的抗衰落技术[12-17]。根据对信道预测的结果，在不牺牲误码率性能的前提下，根据无线通信环境和服务质量（QoS）要求，通过动态地改变发送端的发送功率、传输速率、编码方案等资源[12-14]，在较好的无线信道条件下分配较多的资源，而当无线信道质量下降时，相应地降低传输速率，最终达到提高系统资源利用率、获得较高的系统吞吐量的目的。

针对点对点单信道传输场景，A. Goldsmith在信息论意义上[13]和误码率基础[14]上，分别给出了连续速率连续功率方案可达速率的闭式解，并给出离散速率连续功率QAM方案的数值解。扩展至单中继多向传输场景，需要阐明如何调整功率速率来适应多链路信道衰落[15-16]。研究以单基站多向中继通信的自适应调制需要考虑以下几个问题：

（1）下行信道等效于用户（收端）已知先验信息情况的广播信道。

（2）发送端的发送功率需要适应多条信道的信道条件。

（3）多资源分配的自适应调制问题的复杂度随收端用户数的增加而急剧上升。

联合功率-速率自适应调制技术将作为第2章节的基础。

1.3 信道编码技术

信道编码技术是保证通信系统可靠性的有效方法。无线单中继协作通信系统中加入信道编码，虽然增加了中继节点的运算量，但可改善系统的纠错性能，从而有效抵抗无线信道时变性引起的信号衰落信道干扰的影响。

多向中继技术中信道编码方案选取灵活，系统的信道环境较好或者对系统实时性要求较高的情况下可以选用卷积码、TCM等作编码方案；而信道环境较差时可以选择高性能信道编码技术如Turbo、LDPC等作为信道编码方案。

1.4 联合设计方案

单中继多向传输综合采用信道编码、网络编码、自适应调制技术的联合设计能够极大地提高网络性能。解码-转发中继协议由于在中继端先解码再编码转发，因此更适合单中继端联合多种技术进行设计。我们根据室内通信的两种具体场景将分别研究两种实际的多向中继协作通信方案：单中继双向信道联合功率速率自适应-网络编码调制、单中继多向成对用户信息互传联合网络-脏纸编码。

2 双向中继自适应网络

编码调制技术

解码-转发双向中继系统模型如图2所示。假设中继端已正确接收并且解码上行信号，那么自适应-网络编码调制需研究下行广播信道的设计。

此系统模型中，两用户对传信息，第一、第二时隙（避免干扰）源节点分别将信号传至中继节点并解码；第三时隙中继节点完成信号处理，再编码后广播至目的节点（目的节点是第一、第二时隙的源节点）。目的节点接收到信号后通过自身已有的信息解调出需要信息[9，17]。

2.1 联合自适应调制和网络编码调制

一种衰落信道联合功率-速率自适应网络编码调制的系统结构如图3所示。

图中，[w1，w2]表示两路解码后待编码调制信息，[x[t]]表示调制待发送信号，t是时刻参数，[g1[t]，g2[t]]表示功率增益，[n1[t]，n2[t]]为高斯白噪声，[w1，w2]表示用户端解调出的信号。

2.2 连续速率连续功率自适应

NC-PSK

基于误码率界，点对点变功率变速率自适应QAM[14]的频谱利用率有详细推导。同样基于误码率界和PSK实际调制技术，我们构建单中继双向通信下行信道，联合功率-速率自适应NC-PSK调制的优化问题表达如下：

式中[γi，i=1，2]为两信道信噪比，[p（γi）]表示衰落分布，[S（γ1，γ2）]表示发送端功率，[R]表示数据总传输速率，[B]表示传输带宽，[S]为平均功率约束。[R[γ1，γ2，S（γ1，γ2）]]可以由公式（2）给出：

式中[ωi]表示用户的权重系数，[Mi（γi）]表示星座调制阶数（速率）。此优化问题是凸优化问题，利用KKT（Karush-Kuhn-Tucker）条件求得连续功率连续速率自适应NC-PSK的功率分配策略闭式解[17]为：

式中[c1，c2，c3，c4]为PSK误码率界参数[15]，[K1，K2]由误码率要求决定，[v*]为互补松弛条件。将公式（1）、（3）带入公式（2）即得到连续速率-功率自适应NC-PSK方案的频谱利用率。

2.3 离散速率连续功率自适应

NC-PSK

考虑到上述方案应用于实际通信系统，我们进一步提出连续速率离散化自适应NC-PSK方案。将2.2节连续星座阶数[Mi（γi）]离散化得到[Mi={2，4，8，16...}]。在连续方案功率分配策略（2-3）基础上，构建连续速率离散化方案步骤如下：

（1）通过计算得到2.2节连续方案的[Mi（γi）]，[S（γ1，γ2）]，[υ*]等参数。

（2）每对[γi]对应的发送功率[S（γ1，γ2）]不变，根据[γi]和[Mi={2，4，8，16...}]划分信噪比衰落区间，将原先连续方案中的[Mi（γi）]按此区间向下取整，得到整数阶调制[Mi']。

（3）将[Mi']替代[Mi（γi）]重新带入公式（2-2），计算此时的频谱利用率。

需要说明的是，步骤（2）中向下取整意味着功率相比于此时的速率是过足的，也即这种传输方案存在了功率损失，或者等效于速率损失。在[S]、[B]等参数归一化情况下，最大速率损失小于0.3 bps/Hz。

2.4 性能仿真及结论分析

本节仿真验证分析2.2、2.3节提出的联合功率自适应-网络编码调制方案的可行性和有效性。频谱利用率的数值结果如图4所示。连续速率连续功率自适应NC-PSK、连续速率离散化NC-PSK的数值结果如图4（a）、图4（b）所示。通过统一仿真参数[17]，对比分析A. Goldsmith点对点单链路自适应方案[13-14]，能够得到以下结论：

（1）解码-转发双向中继采用联合功率速率自适应-网络编码方案比恒定功率方案的频谱利用率要高，且高度逼近点对点单链路变功率变速率曲线。

（2）采用误码率界的方案相比香农界的结果之间的“空隙”由误码率要求所决定，而误码率界方案更具有实际意义。

（3）连续速率离散化自适应NC-PSK传输方案具有实际意义，方案性能接近点对点单链路离散方案，它们性能之间的差距随着信噪比的增大而减小。

结论验证了联合自适应-网络编码调制方案能够在保证误码率一定的情况下，进一步提高双向中继网络吞吐量，有效对抗信道衰落，这一技术在多向中继中会有进一步的发展。

3 多向中继联合网络-脏纸

编码技术

在第2章节双向中继传输模型基础上，我们进一步研究单中继-多对用户信息互传下行广播信道模型下（如图5所示），联合信道编码-网络编码技术的多向中继传输方案。此外，Sima等进一步对3用户间任意信息互传进行了研究[18]。

中继节点接收到多对用户传至的信息，并对信息再次进行信道编码。方案中信道编码采用脏纸编码，作为一个干扰消除编码，被认为是消除认知无线网络用户之间干扰，达到认知无线信道容量的最有效方法。

3.1 成对信息交换的网络-脏纸编码

技术

脏纸编码是在存在干扰的情况下，利用发射机已了解的信道基本情况，通过在发射端处理信号，使接收机在接受信号时可以认为传输不存在干扰，从而增加系统总容量。我们研究将网络编码嵌入到脏纸编码设计中，提出了联合网络-脏纸编码（JNDPC），并在此基础上创新提出了一种顺序网络编码[19]（SNC），其编解码流程如图6（a）所示。

根据图5所示的广播信道，SNC方案的可达容量域由以下公式给出：

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

3.2 性能仿真及结论分析

本节仿真设置等效噪声功率分别为[σ2A1=1，σ2B1=10，σ2A2=4，σ2B2=8，][σ2R=2]，用户的等效功率等于中继功率[PA1=PB1=PA2=PB2=PR=P]，得到功率[P]与合速率的仿真曲线如图6（b）所示。分析仿真结果我们得出结论：

（1）解码-转发双向中继中采用联合信道编码-网络编码方案相比纯物理层网络编码[20]要有更高的频谱利用率。

（2）脏纸编码的对抗干扰特性能够进一步提高通信质量，脏纸编码研究的一大问题在于构造了实用化编码方案，基于联合网络-脏纸编码方案提出的SNC具有实际意义。

4 结束语

多向中继技术作为解决高密度异构立体覆盖网络通信问题的方案之一，其设计方案灵活多变，能够在基站端联合信道编码、网络编码、自适应调制等多种技术进行设计，达到提高频谱利用率和通信质量的目的。本文从室内密集立体覆盖特定模型出发，分析中继基站可采用的中继技术，并具体针对单中继双向通信和单中继多对用户信息交换通信两种场景分别构建了联合设计方案，通过仿真验证分析了方案的有效性，所提方案具有理论和实际双重意义。

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