C-RAN平台下信道编码与网络编码的联合算法设计

［余翔　吕世起　曾银强］



C-RAN平台下信道编码与网络编码的联合算法设计

［余翔吕世起曾银强］

摘要协作式集中式云结构的C-RAN平台运用协作通信技术，提高了系统的性能。在C-RAN平台下，基于编码协作通信，将传统的信道编码与网络编码进行联合算法设计：在编码协作第二时隙将自身的校验码字和对方的校验码字经过网络编码后一并发送到目的端，在没有增加额外资源的情况下，多携带了一部分自身信息，为协作系统提供额外的增益。该方案不仅可以提高系统的可靠性，同时加入网络编码可提高系统的有效性。通过matlab仿真对该方案进行验证，证明其现实意义。

关键词：C-RAN 协作通信 网络编码

余翔

重庆邮电大学，1999年于电子科技大学获博士学位，现为教授。主要研究方向为无线通信系统。

吕世起

重庆邮电大学硕士研究生。主要研究方向为无线通信系统。

曾银强

重庆邮电大学硕士研究生。主要研究方向为无线通信系统。

引言

由于移动通信的现实需要，中国移动公司提出了新的无线接入网架构C-RAN［1］。这是一种集中式、协作式的云构架无线接入网。文献［2］明确提出了C-RAN不仅能支持中国移动现有标准的多模需求，还能在不影响C-RAN功能的情况下尽量节省资源，这已经成为多方研究的重点之一。本文的研究重点就是在C-RAN平台下基于协作通信的信道编码与网络编码的联合设计。协作通信［3］即运用协作分集技术的通信，利用中继进行协作通信，在中继站上采用联合信道编码-网络编码的方式，不仅可以获得分集增益和额外的编码增益，即可以保证传输的可靠性，同时显著提高无线通信系统的频谱效率、网络容量以及吞吐量，即提高传输的有效性。如何在协作通信系统中更加有效地利用信道-网络编码技术，使其既能提高传输可靠性，同时保障传输的有效性，已经成为这一领域研究的热点。

1　协作分集技术

协作分集技术是对抗移动通信环境下的多径衰落，改善移动终端上行信道性能的有效方法之一，在各种无线网络中有着广阔的应用前景。按照中继实现方式的不同，协作分集技术可以分为三类［4］：放大转发（Amplify and Forward， AF）、译码转发（Decode and Forward， DF）以及编码协作（Coded Cooperation， CC）。本文的重点研究对象是编码协作技术［5］。本文所使用的编码协作系统由两个用户U1、U2和目的端D组成，如图1所示。首先假设用户的上行信道和用户间信道都彼此独立，同时服从平坦瑞利块衰落信道（flat Rayleigh block fading），即衰落系数在一个数据块内保持不变，不同块之间也相互独立。而对于两用户的编码协作系统而言，用户端需要首先对自身信息进行信道编码［6］，将生成的码字分为两部分N=N1+N2，其中N1比特为信息码字，由用户端广播发送至协作用户处和目的端，N2比特为校验码字，在满足编码协作的条件下由协作用户转发至目的端。

图1　编码协作系统

为了了解编码协作技术的原理，首先假设整个系统采用时分半双工模式，即对每个用户而言，一个时间周期被分为两个时隙，每个用户不能同时发送和接收信号，如图2所示。在第一时隙处，用户1向用户2与目的端广播自身的第一帧数据，即将U1处生成的N1比特码字对应的调制信号发送到目的端和协作用户处，目的端对接收到的信号暂存但不作处理，用户2接收到用户1的第一帧数据后进行译码判决，并重新编码得到用户1的N2比特校验码字（假如能够正确译码）；在第二时隙，用户2向目的端发送用户1的第二帧校验信号，即用户2重新编码生成的关于U1分组的N2比特校验码字所对应的调制信号，目的端在接收到两帧信号后对其进行拼接复用，之后通过译码判决恢复出原始信息。

图2　两用户编码协作系统工作流程

接收端需要对协作用户对第一帧信号的译码结果进行CRC校验，并根据校验结果正确性确定是否进行协作［7］。若校验结果正确，即表示接收端可以对协作伙伴的信息进行正确译码，之后会在第二时隙重新进行信道编码而后转发生成的校验比特；而若校验失败，为避免错误累计传播，则在第二时隙时转为非协作模式，即发送用户自身的第二帧信号。然而由于每个用户的独立存在性，因而并不知道自身信息是否能被对方成功译码，为此，根据接收端CRC校验结果的不同，在第二帧信号传输时可能会出现四种不同的编码协作情况，如图3所示。第一种情况下，两个用户都不能正确译码出协作伙伴的第一帧信号，因此它们在第二时隙只能发送自身的第二帧信号，可以说此时的系统为非协作模式；第二种情况是半协作模式，用户2能够正确译码出用户1的第一帧数据，而用户1却译码失败，那么两个用户在第二时隙均会发送用户1的第二帧信号，目的端在接收到这两个信号后进行合并之后进行译码，此时整个系统只对用户1进行了编码协作；第三种情况与第二种情况类似，只是将用户1和用户2的情况对调；在最后一种情况下，两个用户都能够正确译码出对方的信息，因此在第二时隙内分别发送对方的第二帧信号，即完全协作情况。目的端为了能够正确译码，必须了解整个系统属于以上四种情况中的哪一种，这就需要用户发送的第二帧信号中需要携带一个标志位。

2　信道-网络编码联合算法

R.Ahlswede等在2000年提出的网络编码（Network Coding）概念［8］将网络编码同时融合了编码和路由的概念，使得网络传输能够实现理论上的最大传输容量，因此将网络编码与协作分集技术结合起来可以提高协作系统的有效性［9］。传统的编码协作系统将工作周期分为4个时隙，每个用户使用其中两个时隙发送自身的信息码字和对方的校验码字（在完全协作的情况下）。而本文介绍了一种基于网络编码的编码协作算法，用户在第二时隙将自身的校验码字和对方的校验码字经过网络编码后一并发送到目的端，此时虽然没有节省时隙，但是在没有增加额外资源的情况下，多携带了一部分自身信息，可以为协作系统提供额外的增益。

图3　四种编码协作情况

其中，GS和GP分别表示信息码字和校验码字的编码矩阵。本方案中用户端编码时没有加入交织操作，因此直接用）来表示用户正U1确译码情况下的转发信息。

为了指示用户是否正确译码，两个用户在各自的第二时隙发送的信号中需要添加一个标志位。

由于接收端接收到对方第一时隙的信号中只包含对方信息，因此接收端可按照信息码字的编码矩阵GS进行译码即可。而与传统CC协议相比，由于用户端与协作伙伴对两部分信息的校验码字进行叠加，因而在目的端可以额外获得一部分校验冗余信息，这样可以获得一定的编码增益。

目的端译码算法可以根据编码协作情况的不同分为四种情况，假设完全协作情况（情况4）对基于网络编码CC系统的目的端译码过程进行分析。

目的端在对两个用户各时隙的信号进行组合后，可以得到图4所示的码字链结构。从图4可看出，组合后的信号相当于对U1和U2的本地信息进行联合编码，编码矩阵为，码率从而提高一倍。以的译码为例，目的端可以利用时间周期t内U1和U2的组合信号进行迭代译码。步骤如下：

（1）将U1的组合信号传递到译码器1中，并将U2前一时间周期的信息译码输出的软信息作为先验信息，利用新的编码矩阵G进行译码，输出关于的外信息

图 4 目的端完全协作译码

3　系统仿真

对基于网络编码的编码协作系统进行仿真，将编码矩阵设置为GS=［ 2325］，GP=［ 27 33］，用户端利用GS译码，而GP为整体码字提供校验冗余。同时假设所有信道均服从平坦瑞利块衰落，系统总功率为P，其中用户U1和U2的发射功率各为1/ 2P，噪声服从高斯分布，功率谱密度N0= 1。

图5比较了基于网络编码的CC模型与传统CC模型的协作系统性能，横坐标为系统总功率与噪声功率谱密度的比值（P/N0），纵坐标为误码率（BER）或误帧率（FER）。从图5中可以看出，基于网络编码的CC系统的协作分集度略大；与传统CC模型相比，基于网络编码的CC系统的误码率曲线在10-4处有1.8dB左右的增益，误帧率曲线在10-3处有1.2dB左右的增益，可见将网络编码与编码协作协议结合起来，也可以带来性能的改善。

图 5 网络编码CC与传统编码CC性能比较

图6给出了图5仿真的协作系统目的端四种译码情况的比例分布图，每组柱状图中从左至右依次为情况1～情况4。从图6可以看出，随着系统总功率P的增大（N0= 1固定），完全协作所占的比例迅速增长，从最初的13%左右增长到95%，而在P/ N0=20d B处几乎所有分组都通过协作传输。这是由于随着用户发射功率的提高，协作伙伴正确译码的概率也随之增加，从而导致完全协作情况的比例不断提高；由此可进一步推知，如果用户间信道状况改善（即信道衰落减小），可以进一步提高用户端的正确译码概率，从而提高整个系统的协作性能。

图 6 四种协作情况比例

4　结束语

在C-RAN平台下，基于编码协作通信，将传统的信道编码与网络编码进行联合算法设计，通过matlab仿真我们可以发现该方案完全协作的情况相较未进行编码协作的方案，在误码率上有较大提高且随着信道的改善其提高程度有增加的趋势，最大可以达到7.5%左右，同时信道的改善也提高了完全协作情况的比例，进一步提高了系统的可靠性。因而该方案一方面通过信道编码提高系统的可靠性，同时加入网络编码可提高系统的有效性。将网络编码引入是在尽量少的系统复杂度提高的基础上，提高有效性的最优方法之一。本文的设计方案在C-RAN平台的开发中有一定的应用参考价值。

参考文献

1China Mobile Research Institute， “C-RAN： The road towards green RAN，” 2011， 1-10

2China Mobile Research Institute. C-RAN White Paper，v2.5［R］ Oct. 2011

3Wang Xiaoyun， Huang Yuhong， Cui Chunfeng， Chen Kuilin，Chen Mo. C-RAN： Evolution toward Green Radio Access Network ， China Communications， vol.3， pp. 107-112， Jan. 2010

4曲莉莉 协作通信系统中Turbo码与网络编码的联合设计［D］.西安：西安电子科技大学，2014

5Hsiao-Hwa Chen， Fellow， IEEE， Yi-Lin Sung， Aldo Morales， Senior Member， IEEE， and Sedig Agili， Senior Member， IEEE： COOPERATIVE COMMUNICATION WITH NETWORK CODING， IEEE Transactions on Wireless Communications， 2012

6吴宇平 无线协作通信中信道编码_网络编码联合方法研究［D］. 哈尔滨：哈尔滨工程大学，2013

7李洪星 无线协作通信中的关键技术研究［D］.上海：上海交通大学，2010

8Sung-I1 Kim， Jun Heo：Performance Analysis of Opportunistic Coded Cooperation in Rayleigh Fading Channels， IEEE Transactions on Wireless Communications，2010

9林一 无线通信中编码协作技术的研究［D］.西安：西安电子科技大学，2009

DOI：10.3969/j.issn.1006-6403.2016.04.015

基金项目：国家科技重大专项"新一代宽带移动通信网"课题：面向C-RAN的低功耗通用处理器平台研发（2014ZX03003004-003）

收稿日期：（2016-03-03）