C-RAN平臺下信道編碼與網(wǎng)絡(luò)編碼的聯(lián)合算法設(shè)計

［余翔　呂世起　曾銀強］

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C-RAN平臺下信道編碼與網(wǎng)絡(luò)編碼的聯(lián)合算法設(shè)計

［余翔呂世起曾銀強］

摘要協(xié)作式集中式云結(jié)構(gòu)的C-RAN平臺運用協(xié)作通信技術(shù)，提高了系統(tǒng)的性能。在C-RAN平臺下，基于編碼協(xié)作通信，將傳統(tǒng)的信道編碼與網(wǎng)絡(luò)編碼進行聯(lián)合算法設(shè)計：在編碼協(xié)作第二時隙將自身的校驗碼字和對方的校驗碼字經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)編碼后一并發(fā)送到目的端，在沒有增加額外資源的情況下，多攜帶了一部分自身信息，為協(xié)作系統(tǒng)提供額外的增益。該方案不僅可以提高系統(tǒng)的可靠性，同時加入網(wǎng)絡(luò)編碼可提高系統(tǒng)的有效性。通過matlab仿真對該方案進行驗證，證明其現(xiàn)實意義。

關(guān)鍵詞：C-RAN 協(xié)作通信 網(wǎng)絡(luò)編碼

余翔

重慶郵電大學，1999年于電子科技大學獲博士學位，現(xiàn)為教授。主要研究方向為無線通信系統(tǒng)。

呂世起

重慶郵電大學碩士研究生。主要研究方向為無線通信系統(tǒng)。

曾銀強

重慶郵電大學碩士研究生。主要研究方向為無線通信系統(tǒng)。

引言

由于移動通信的現(xiàn)實需要，中國移動公司提出了新的無線接入網(wǎng)架構(gòu)C-RAN［1］。這是一種集中式、協(xié)作式的云構(gòu)架無線接入網(wǎng)。文獻［2］明確提出了C-RAN不僅能支持中國移動現(xiàn)有標準的多模需求，還能在不影響C-RAN功能的情況下盡量節(jié)省資源，這已經(jīng)成為多方研究的重點之一。本文的研究重點就是在C-RAN平臺下基于協(xié)作通信的信道編碼與網(wǎng)絡(luò)編碼的聯(lián)合設(shè)計。協(xié)作通信［3］即運用協(xié)作分集技術(shù)的通信，利用中繼進行協(xié)作通信，在中繼站上采用聯(lián)合信道編碼-網(wǎng)絡(luò)編碼的方式，不僅可以獲得分集增益和額外的編碼增益，即可以保證傳輸?shù)目煽啃裕瑫r顯著提高無線通信系統(tǒng)的頻譜效率、網(wǎng)絡(luò)容量以及吞吐量，即提高傳輸?shù)挠行?。如何在協(xié)作通信系統(tǒng)中更加有效地利用信道-網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)，使其既能提高傳輸可靠性，同時保障傳輸?shù)挠行?，已?jīng)成為這一領(lǐng)域研究的熱點。

1　協(xié)作分集技術(shù)

協(xié)作分集技術(shù)是對抗移動通信環(huán)境下的多徑衰落，改善移動終端上行信道性能的有效方法之一，在各種無線網(wǎng)絡(luò)中有著廣闊的應用前景。按照中繼實現(xiàn)方式的不同，協(xié)作分集技術(shù)可以分為三類［4］：放大轉(zhuǎn)發(fā)（Amplify and Forward， AF）、譯碼轉(zhuǎn)發(fā)（Decode and Forward， DF）以及編碼協(xié)作（Coded Cooperation， CC）。本文的重點研究對象是編碼協(xié)作技術(shù)［5］。本文所使用的編碼協(xié)作系統(tǒng)由兩個用戶U1、U2和目的端D組成，如圖1所示。首先假設(shè)用戶的上行信道和用戶間信道都彼此獨立，同時服從平坦瑞利塊衰落信道（flat Rayleigh block fading），即衰落系數(shù)在一個數(shù)據(jù)塊內(nèi)保持不變，不同塊之間也相互獨立。而對于兩用戶的編碼協(xié)作系統(tǒng)而言，用戶端需要首先對自身信息進行信道編碼［6］，將生成的碼字分為兩部分N=N1+N2，其中N1比特為信息碼字，由用戶端廣播發(fā)送至協(xié)作用戶處和目的端，N2比特為校驗碼字，在滿足編碼協(xié)作的條件下由協(xié)作用戶轉(zhuǎn)發(fā)至目的端。

圖1　編碼協(xié)作系統(tǒng)

為了了解編碼協(xié)作技術(shù)的原理，首先假設(shè)整個系統(tǒng)采用時分半雙工模式，即對每個用戶而言，一個時間周期被分為兩個時隙，每個用戶不能同時發(fā)送和接收信號，如圖2所示。在第一時隙處，用戶1向用戶2與目的端廣播自身的第一幀數(shù)據(jù)，即將U1處生成的N1比特碼字對應的調(diào)制信號發(fā)送到目的端和協(xié)作用戶處，目的端對接收到的信號暫存但不作處理，用戶2接收到用戶1的第一幀數(shù)據(jù)后進行譯碼判決，并重新編碼得到用戶1的N2比特校驗碼字（假如能夠正確譯碼）；在第二時隙，用戶2向目的端發(fā)送用戶1的第二幀校驗信號，即用戶2重新編碼生成的關(guān)于U1分組的N2比特校驗碼字所對應的調(diào)制信號，目的端在接收到兩幀信號后對其進行拼接復用，之后通過譯碼判決恢復出原始信息。

圖2　兩用戶編碼協(xié)作系統(tǒng)工作流程

接收端需要對協(xié)作用戶對第一幀信號的譯碼結(jié)果進行CRC校驗，并根據(jù)校驗結(jié)果正確性確定是否進行協(xié)作［7］。若校驗結(jié)果正確，即表示接收端可以對協(xié)作伙伴的信息進行正確譯碼，之后會在第二時隙重新進行信道編碼而后轉(zhuǎn)發(fā)生成的校驗比特；而若校驗失敗，為避免錯誤累計傳播，則在第二時隙時轉(zhuǎn)為非協(xié)作模式，即發(fā)送用戶自身的第二幀信號。然而由于每個用戶的獨立存在性，因而并不知道自身信息是否能被對方成功譯碼，為此，根據(jù)接收端CRC校驗結(jié)果的不同，在第二幀信號傳輸時可能會出現(xiàn)四種不同的編碼協(xié)作情況，如圖3所示。第一種情況下，兩個用戶都不能正確譯碼出協(xié)作伙伴的第一幀信號，因此它們在第二時隙只能發(fā)送自身的第二幀信號，可以說此時的系統(tǒng)為非協(xié)作模式；第二種情況是半?yún)f(xié)作模式，用戶2能夠正確譯碼出用戶1的第一幀數(shù)據(jù)，而用戶1卻譯碼失敗，那么兩個用戶在第二時隙均會發(fā)送用戶1的第二幀信號，目的端在接收到這兩個信號后進行合并之后進行譯碼，此時整個系統(tǒng)只對用戶1進行了編碼協(xié)作；第三種情況與第二種情況類似，只是將用戶1和用戶2的情況對調(diào)；在最后一種情況下，兩個用戶都能夠正確譯碼出對方的信息，因此在第二時隙內(nèi)分別發(fā)送對方的第二幀信號，即完全協(xié)作情況。目的端為了能夠正確譯碼，必須了解整個系統(tǒng)屬于以上四種情況中的哪一種，這就需要用戶發(fā)送的第二幀信號中需要攜帶一個標志位。

2　信道-網(wǎng)絡(luò)編碼聯(lián)合算法

R.Ahlswede等在2000年提出的網(wǎng)絡(luò)編碼（Network Coding）概念［8］將網(wǎng)絡(luò)編碼同時融合了編碼和路由的概念，使得網(wǎng)絡(luò)傳輸能夠?qū)崿F(xiàn)理論上的最大傳輸容量，因此將網(wǎng)絡(luò)編碼與協(xié)作分集技術(shù)結(jié)合起來可以提高協(xié)作系統(tǒng)的有效性［9］。傳統(tǒng)的編碼協(xié)作系統(tǒng)將工作周期分為4個時隙，每個用戶使用其中兩個時隙發(fā)送自身的信息碼字和對方的校驗碼字（在完全協(xié)作的情況下）。而本文介紹了一種基于網(wǎng)絡(luò)編碼的編碼協(xié)作算法，用戶在第二時隙將自身的校驗碼字和對方的校驗碼字經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)編碼后一并發(fā)送到目的端，此時雖然沒有節(jié)省時隙，但是在沒有增加額外資源的情況下，多攜帶了一部分自身信息，可以為協(xié)作系統(tǒng)提供額外的增益。

圖3　四種編碼協(xié)作情況

其中，GS和GP分別表示信息碼字和校驗碼字的編碼矩陣。本方案中用戶端編碼時沒有加入交織操作，因此直接用）來表示用戶正U1確譯碼情況下的轉(zhuǎn)發(fā)信息。

為了指示用戶是否正確譯碼，兩個用戶在各自的第二時隙發(fā)送的信號中需要添加一個標志位。

由于接收端接收到對方第一時隙的信號中只包含對方信息，因此接收端可按照信息碼字的編碼矩陣GS進行譯碼即可。而與傳統(tǒng)CC協(xié)議相比，由于用戶端與協(xié)作伙伴對兩部分信息的校驗碼字進行疊加，因而在目的端可以額外獲得一部分校驗冗余信息，這樣可以獲得一定的編碼增益。

目的端譯碼算法可以根據(jù)編碼協(xié)作情況的不同分為四種情況，假設(shè)完全協(xié)作情況（情況4）對基于網(wǎng)絡(luò)編碼CC系統(tǒng)的目的端譯碼過程進行分析。

目的端在對兩個用戶各時隙的信號進行組合后，可以得到圖4所示的碼字鏈結(jié)構(gòu)。從圖4可看出，組合后的信號相當于對U1和U2的本地信息進行聯(lián)合編碼，編碼矩陣為，碼率從而提高一倍。以的譯碼為例，目的端可以利用時間周期t內(nèi)U1和U2的組合信號進行迭代譯碼。步驟如下：

（1）將U1的組合信號傳遞到譯碼器1中，并將U2前一時間周期的信息譯碼輸出的軟信息作為先驗信息，利用新的編碼矩陣G進行譯碼，輸出關(guān)于的外信息

圖 4 目的端完全協(xié)作譯碼

3　系統(tǒng)仿真

對基于網(wǎng)絡(luò)編碼的編碼協(xié)作系統(tǒng)進行仿真，將編碼矩陣設(shè)置為GS=［ 2325］，GP=［ 27 33］，用戶端利用GS譯碼，而GP為整體碼字提供校驗冗余。同時假設(shè)所有信道均服從平坦瑞利塊衰落，系統(tǒng)總功率為P，其中用戶U1和U2的發(fā)射功率各為1/ 2P，噪聲服從高斯分布，功率譜密度N0= 1。

圖5比較了基于網(wǎng)絡(luò)編碼的CC模型與傳統(tǒng)CC模型的協(xié)作系統(tǒng)性能，橫坐標為系統(tǒng)總功率與噪聲功率譜密度的比值（P/N0），縱坐標為誤碼率（BER）或誤幀率（FER）。從圖5中可以看出，基于網(wǎng)絡(luò)編碼的CC系統(tǒng)的協(xié)作分集度略大；與傳統(tǒng)CC模型相比，基于網(wǎng)絡(luò)編碼的CC系統(tǒng)的誤碼率曲線在10-4處有1.8dB左右的增益，誤幀率曲線在10-3處有1.2dB左右的增益，可見將網(wǎng)絡(luò)編碼與編碼協(xié)作協(xié)議結(jié)合起來，也可以帶來性能的改善。

圖 5 網(wǎng)絡(luò)編碼CC與傳統(tǒng)編碼CC性能比較

圖6給出了圖5仿真的協(xié)作系統(tǒng)目的端四種譯碼情況的比例分布圖，每組柱狀圖中從左至右依次為情況1～情況4。從圖6可以看出，隨著系統(tǒng)總功率P的增大（N0= 1固定），完全協(xié)作所占的比例迅速增長，從最初的13%左右增長到95%，而在P/ N0=20d B處幾乎所有分組都通過協(xié)作傳輸。這是由于隨著用戶發(fā)射功率的提高，協(xié)作伙伴正確譯碼的概率也隨之增加，從而導致完全協(xié)作情況的比例不斷提高；由此可進一步推知，如果用戶間信道狀況改善（即信道衰落減?。?，可以進一步提高用戶端的正確譯碼概率，從而提高整個系統(tǒng)的協(xié)作性能。

圖 6 四種協(xié)作情況比例

4　結(jié)束語

在C-RAN平臺下，基于編碼協(xié)作通信，將傳統(tǒng)的信道編碼與網(wǎng)絡(luò)編碼進行聯(lián)合算法設(shè)計，通過matlab仿真我們可以發(fā)現(xiàn)該方案完全協(xié)作的情況相較未進行編碼協(xié)作的方案，在誤碼率上有較大提高且隨著信道的改善其提高程度有增加的趨勢，最大可以達到7.5%左右，同時信道的改善也提高了完全協(xié)作情況的比例，進一步提高了系統(tǒng)的可靠性。因而該方案一方面通過信道編碼提高系統(tǒng)的可靠性，同時加入網(wǎng)絡(luò)編碼可提高系統(tǒng)的有效性。將網(wǎng)絡(luò)編碼引入是在盡量少的系統(tǒng)復雜度提高的基礎(chǔ)上，提高有效性的最優(yōu)方法之一。本文的設(shè)計方案在C-RAN平臺的開發(fā)中有一定的應用參考價值。

參考文獻

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DOI：10.3969/j.issn.1006-6403.2016.04.015

基金項目：國家科技重大專項"新一代寬帶移動通信網(wǎng)"課題：面向C-RAN的低功耗通用處理器平臺研發(fā)（2014ZX03003004-003）

收稿日期：（2016-03-03）