無(wú)線中繼網(wǎng)絡(luò)中的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼

王 鋼，王海龍，劉榮寬，許 堯

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 通信技術(shù)研究所，黑龍江 哈爾濱 150001)

無(wú)線中繼網(wǎng)絡(luò)中的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼

王 鋼，王海龍，劉榮寬，許 堯

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 通信技術(shù)研究所，黑龍江 哈爾濱 150001)

針對(duì)無(wú)線中繼網(wǎng)絡(luò)中物理層網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)的應(yīng)用，分析驗(yàn)證了其所帶來(lái)可觀的吞吐量性能提升。總結(jié)了當(dāng)前物理層網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)的相關(guān)研究方向，歸納了通信理論研究、信息理論研究和網(wǎng)絡(luò)理論研究三個(gè)方面。介紹了物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)物理層網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)在實(shí)際信道條件下的性能分析及改進(jìn)、采用高階調(diào)制時(shí)的檢測(cè)模糊及改進(jìn)、基于嵌套格碼的計(jì)算-轉(zhuǎn)發(fā)策略和結(jié)合緩沖中繼協(xié)議設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入探討。以期放寬物理層網(wǎng)絡(luò)編碼對(duì)信道模型的限制，拓展其適用條件，同時(shí)在保障通信過(guò)程可靠性的前提下充分發(fā)揮該技術(shù)對(duì)通信有效性的提升，從而推進(jìn)物理層網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)在實(shí)際無(wú)線中繼通信系統(tǒng)中的應(yīng)用。

物理層網(wǎng)絡(luò)編碼；無(wú)線中繼網(wǎng)絡(luò)；計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)；緩沖中繼

0 引言

多媒體技術(shù)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，要求無(wú)線通信系統(tǒng)承載更高的傳輸速率。當(dāng)前無(wú)線通信系統(tǒng)受頻率資源和功率限制，通過(guò)增加傳輸帶寬和采用先進(jìn)寬帶信號(hào)處理技術(shù)難以滿足未來(lái)業(yè)務(wù)需求。為此，如何進(jìn)一步提高頻譜利用率和傳輸效率以提升系統(tǒng)有效性仍是迫切需要攻克的難題。近些年，網(wǎng)絡(luò)編碼理論[1]和物理層網(wǎng)絡(luò)編碼(Physical-layer Network Coding，PNC)技術(shù)[2-3]的提出為解決以上難題提供了新的思路。

無(wú)線通信的傳輸媒介是電磁波。由于電磁波具有廣播性質(zhì)，因此在多個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中，某一發(fā)射端的信號(hào)可以同時(shí)到達(dá)多個(gè)接收端；同理，多個(gè)發(fā)射端的信號(hào)可以同時(shí)被一個(gè)接收端收到。這一性質(zhì)導(dǎo)致了無(wú)線信號(hào)的互相干擾，影響了所需信號(hào)的正常接收。在傳統(tǒng)無(wú)線通信系統(tǒng)中為了避免干擾，多個(gè)信源采用時(shí)分的方式分別在不同的時(shí)間發(fā)送信號(hào)；或者把干擾信源的疊加信號(hào)進(jìn)行抑制。物理層網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)則與傳統(tǒng)處理方法不同，其核心思想是對(duì)天然疊加在一起的電磁波加以利用。具體說(shuō)來(lái)，由于電磁波的疊加滿足特定的規(guī)律，對(duì)多個(gè)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行設(shè)計(jì)使其疊加后也滿足一定的運(yùn)算規(guī)則，則只需要將疊加信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)給目標(biāo)用戶；目標(biāo)用戶接收到此疊加信號(hào)后，結(jié)合自身信息、前序疊加信號(hào)中恢復(fù)出的信息或其他邊信息，再利用一定的運(yùn)算規(guī)則將所需信息恢復(fù)出來(lái)。借助于網(wǎng)絡(luò)編解碼操作，實(shí)現(xiàn)了同一時(shí)間允許多個(gè)信源發(fā)送信息，節(jié)省的時(shí)間便可以傳輸更多的信息，因此物理層網(wǎng)絡(luò)編碼可以提高無(wú)線中繼系統(tǒng)的系統(tǒng)容量。

物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的重要應(yīng)用場(chǎng)景是無(wú)線中繼網(wǎng)絡(luò)。無(wú)線中繼通信是當(dāng)前無(wú)線通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，具有廣闊的應(yīng)用范圍。例如，對(duì)第五代(5G)移動(dòng)通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，小小區(qū)(Small Cell)技術(shù)和D2D(Device-to-Device)技術(shù)都將是其關(guān)鍵的組成部分[4]，而這些技術(shù)的重要基礎(chǔ)即無(wú)線中繼通信技術(shù)。此外，在衛(wèi)星通信以及諸多軍事通信應(yīng)用場(chǎng)景中，中繼傳輸也一直是其重要的通信方式。

綜上，對(duì)物理層網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)以及將其應(yīng)用于無(wú)線中繼通信方案的研究，具有廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景和實(shí)用價(jià)值。當(dāng)前對(duì)該技術(shù)的研究仍過(guò)多地停留理論框架內(nèi)，尚未充分考慮實(shí)際環(huán)境對(duì)該技術(shù)的不良影響，更沒(méi)有研究制定有效的手段來(lái)消除或降低這些不良影響[5]。本文對(duì)物理層網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)以及在實(shí)際無(wú)線中繼網(wǎng)絡(luò)的有效應(yīng)用進(jìn)行相關(guān)介紹，以期推動(dòng)該技術(shù)往實(shí)際應(yīng)用的轉(zhuǎn)化。

1 物理層網(wǎng)絡(luò)編碼簡(jiǎn)述

自物理層網(wǎng)絡(luò)編碼提出以來(lái)，該技術(shù)的典型應(yīng)用場(chǎng)景是雙向中繼信道(Two-way Relay Channel，TWRC)[2]。該信道模型在無(wú)線中繼網(wǎng)絡(luò)中非常具有代表性。借助這一模型，不僅可以驗(yàn)證物理層網(wǎng)絡(luò)編碼所帶來(lái)的可觀的吞吐量性能提升，還可以揭示其關(guān)鍵技術(shù)。

由3個(gè)用戶(或稱節(jié)點(diǎn))構(gòu)成的雙向中繼通信系統(tǒng)模型如圖1所示。其中源節(jié)點(diǎn)N1和源節(jié)點(diǎn)N2分別有信息要發(fā)送給對(duì)方，但兩者之間沒(méi)有直達(dá)鏈路，需要通過(guò)中繼節(jié)點(diǎn)R的中繼實(shí)現(xiàn)雙向通信。

圖1 雙向中繼通信系統(tǒng)模型

假設(shè)以上雙向通信工作在半雙工模式下。若采用傳統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，為了避免干擾不允許多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)射信號(hào)，于是采用多跳的方式、占用4個(gè)時(shí)隙來(lái)分別完成圖1中所示的4條通信鏈路，才能完成一次信息互換(即一次雙向中繼通信)。若采用物理層網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)，完成同樣的一次雙向中繼通信只需要2個(gè)時(shí)隙，傳輸過(guò)程如圖2所示。

圖2 采用物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的TWRC系統(tǒng)模型

時(shí)隙1：源節(jié)點(diǎn)N1和N2把包含各自信息s1和s2的信號(hào)x1和x2同時(shí)發(fā)送給中繼節(jié)點(diǎn)R。經(jīng)過(guò)電磁波的疊加，中繼將接收到2個(gè)信號(hào)的混合信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行處理(如解調(diào)和映射等操作)，得到sR=s1?s2，稱sR為網(wǎng)絡(luò)編碼信息矢量；

經(jīng)過(guò)以上2個(gè)時(shí)隙的通信過(guò)程，完成一次完整的雙向中繼通信。其中時(shí)隙1稱為PNC的上行階段(對(duì)應(yīng)多址接入信道模型)，時(shí)隙2稱為PNC的下行階段(對(duì)應(yīng)廣播信道模型)。

文獻(xiàn)[6]對(duì)雙向中繼信道模型下傳統(tǒng)多跳方案和物理層網(wǎng)絡(luò)編碼方案的誤碼率進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析。此處概述其結(jié)論：與傳統(tǒng)多跳方案相比，物理層網(wǎng)絡(luò)編碼方案的誤碼率性能略差，但十分接近。然而考慮到該方案只需占用2個(gè)時(shí)隙就能完成一次完整的雙向數(shù)據(jù)傳輸，其通信效率比傳統(tǒng)多跳方案提高了100%。

2 物理層網(wǎng)絡(luò)編碼研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)

由前一節(jié)可知，由于允許多個(gè)發(fā)射端同時(shí)發(fā)送信號(hào)，采用物理層網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)能夠大幅提高無(wú)線中繼通信系統(tǒng)的有效性。因此從提出至今吸引了大量研究人員的關(guān)注，并取得了眾多有重要價(jià)值的研究成果。對(duì)于這些研究成果，根據(jù)其側(cè)重點(diǎn)和研究目標(biāo)的不同可以分成3類，分別是針對(duì)通信方案設(shè)計(jì)的通信理論研究、針對(duì)信道容量推導(dǎo)的信息理論研究和針對(duì)跨層設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)理論研究。

2.1 物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的通信理論研究

物理層網(wǎng)絡(luò)編碼中的通信理論研究是3個(gè)研究分類中成果最豐富的一個(gè)，具有多個(gè)研究重點(diǎn)，如中繼節(jié)點(diǎn)處的PNC映射關(guān)系、信道估計(jì)、系統(tǒng)非完美同步的影響及對(duì)策、信道編碼的應(yīng)用等等。

① 中繼節(jié)點(diǎn)處的PNC映射關(guān)系。本文第1節(jié)介紹的是基于異或的PNC映射，除此之外還有很多其他方法。根據(jù)映射函數(shù)取值范圍所構(gòu)成的集合是否是有線集，可以將PNC分成兩類：有限域PNC和無(wú)限域PNC[7]。文獻(xiàn)[8]中研究了兩個(gè)源節(jié)點(diǎn)均采用正交相移鍵控調(diào)制(QPSK)的情形，且論證了在中繼節(jié)點(diǎn)處至少需要5個(gè)星座點(diǎn)的映射關(guān)系(如5QAM)才能保證下行階段目的節(jié)點(diǎn)能夠正確解碼，這一方法屬于有限域PNC。而在文獻(xiàn)[9]中提出的模擬網(wǎng)絡(luò)編碼(Analog Network Coding，ANC)，本質(zhì)上也屬于物理層網(wǎng)絡(luò)編碼，中繼對(duì)于接收到的疊加信號(hào)采用放大轉(zhuǎn)發(fā)策略，在下行階段廣播給目的節(jié)點(diǎn)。該方法則屬于無(wú)線域PNC，具有易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)；但噪聲也會(huì)隨信號(hào)一起被放大，對(duì)于多級(jí)中繼網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)會(huì)造成錯(cuò)誤累積，影響整個(gè)系統(tǒng)的誤碼率性能。

② PNC的同步問(wèn)題。前述理論分析中均假設(shè)了完美的同步關(guān)系，而實(shí)際通信環(huán)境中難以實(shí)現(xiàn)，因此有必要分析各種非完美同步對(duì)性能的影響。文獻(xiàn)[9]中考慮了載波相位偏移、頻率偏移以及符號(hào)偏移的影響，結(jié)果表明所造成的性能損失分別不超過(guò)3 dB、0.6 dB和2.2 dB。但該文獻(xiàn)中采用了次優(yōu)的采樣算法，文獻(xiàn)[11]對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)，研究表明當(dāng)采用最優(yōu)的基于置信傳播的最大似然解碼算法時(shí)，載波相位偏移和符號(hào)偏移所造成的性能損失會(huì)有所降低；而當(dāng)符號(hào)偏移為0.5個(gè)符號(hào)周期時(shí)，這種異步的處理方式甚至?xí)?lái)增益。該文獻(xiàn)系統(tǒng)地論述了異步物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的相關(guān)內(nèi)容。

③ 信道估計(jì)和載波頻率估計(jì)。這一內(nèi)容也是PNC和ANC系統(tǒng)中重要的課題之一。對(duì)于ANC，文獻(xiàn)[12]研究了TWRC中端節(jié)點(diǎn)的信道估計(jì)和載波頻率偏移估計(jì)方法；文獻(xiàn)[13]則設(shè)計(jì)了一種兩階段的信道估計(jì)方案，并結(jié)合功率分配來(lái)降低中繼節(jié)點(diǎn)處接收信號(hào)的噪聲，使得端節(jié)點(diǎn)的估計(jì)更加準(zhǔn)確。

④ PNC中信道編碼的應(yīng)用。與傳統(tǒng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信一樣，PNC中也可以采用各種性能優(yōu)異的信道編碼，如Turbo碼、LDPC碼等。文獻(xiàn)[14]針對(duì)該問(wèn)題展開(kāi)了研究，在中繼處將信道解碼與網(wǎng)絡(luò)編碼聯(lián)合在一起，直接得到映射后的結(jié)果。文獻(xiàn)[15]則提出了另一種同時(shí)應(yīng)對(duì)信道解碼和PNC映射的方法，即先直接進(jìn)行映射比特的估計(jì)，然后再進(jìn)行信道解碼。鑒于其中的估計(jì)過(guò)程會(huì)損失部分有用信息，因此是一種次優(yōu)的算法。文獻(xiàn)[16]則將網(wǎng)格碼(Lattice Code)應(yīng)用在了PNC中。其研究結(jié)果表明，采用網(wǎng)格碼之后，在高信噪比區(qū)域可以趨近TWRC信道容量，但在低信噪比區(qū)域的性能則較為一般。

除了以上幾個(gè)領(lǐng)域，物理層網(wǎng)絡(luò)編碼還可與當(dāng)前廣泛應(yīng)用的正交頻分復(fù)用(OFDM)[17]和多輸入多輸出(MIMO)相結(jié)合[18]。以上討論中大多考慮的是雙向中繼信道模型，但物理層網(wǎng)絡(luò)編碼也可以應(yīng)用到其他網(wǎng)絡(luò)模型中，如一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)連接多個(gè)源節(jié)點(diǎn)對(duì)的情況[19]，或一般化的無(wú)線中繼網(wǎng)絡(luò)[20]。

2.2 物理層網(wǎng)絡(luò)編碼中的信息理論研究

該部分研究?jī)?nèi)容主要考慮在無(wú)線中繼網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用了物理層網(wǎng)絡(luò)編碼方案后，其中的雙向中繼信道或其他中繼信道模型下所能達(dá)到的信道容量。

對(duì)于雙向中繼信道模型，文獻(xiàn)[21]給出了該信道模型的容量上限，并且對(duì)比了采用物理層網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)后，同時(shí)應(yīng)用信道編解碼和不應(yīng)用信道編解碼的TWRC信道容量。文獻(xiàn)[22]則結(jié)合了MIMO技術(shù)，其中假設(shè)兩個(gè)端節(jié)點(diǎn)配置單天線、中繼節(jié)點(diǎn)配置多天線，分析了采用ANC方案的系統(tǒng)容量。文獻(xiàn)[23-24]中假設(shè)了中繼節(jié)點(diǎn)應(yīng)用多接入檢測(cè)方式，可以分別獲得兩個(gè)源節(jié)點(diǎn)的源信息，并在此之上進(jìn)行PNC網(wǎng)絡(luò)編碼映射然后在下行階段廣播給源節(jié)點(diǎn)。與文獻(xiàn)[16]中的效果相反，該方案可以在低信噪比區(qū)域取得較好性能，但高信噪比區(qū)域性能表現(xiàn)一般。

對(duì)于雙向中繼信道模型，目前還沒(méi)有一種有效的PNC方案能夠在全信噪比區(qū)域使系統(tǒng)容量接近信道容量的上限；也沒(méi)有足夠的理論分析來(lái)推導(dǎo)存在符號(hào)異步時(shí)的信道容量。此外，PNC技術(shù)的應(yīng)用范圍顯然不局限于三節(jié)點(diǎn)雙向中繼通信中的TWRC信道模型，擴(kuò)展到其他通信模型下的信道容量更有待于進(jìn)一步的研究。

2.3 物理層網(wǎng)絡(luò)編碼中的網(wǎng)絡(luò)理論研究

如前所述，雙向中繼信道模型中包含了兩個(gè)方向相反的數(shù)據(jù)流，實(shí)際應(yīng)用中兩個(gè)方向所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可能并不等量。此外，該模型雖然具有廣闊的應(yīng)用范圍，但并不能完全描述實(shí)際通信中的多種需求，因此有必要考慮將物理層網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)應(yīng)用于存在多個(gè)信息流的一般化網(wǎng)絡(luò)。針對(duì)以上情況，如何對(duì)信息流進(jìn)行安排調(diào)度、路由轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)對(duì)接物理層網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)，并借此提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)容量，都是當(dāng)前面臨的主要問(wèn)題。

文獻(xiàn)[25-26]針對(duì)該問(wèn)題展開(kāi)了研究，詳細(xì)分析了在含有多個(gè)信息流的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用物理層網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)所帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)[27]則將物理層網(wǎng)絡(luò)編碼應(yīng)用在了二維規(guī)則網(wǎng)絡(luò)中，結(jié)果表明當(dāng)系統(tǒng)工作在半雙工模式時(shí)，采用PNC可以接近廣播信道的容量上限。文獻(xiàn)[28]中采用物理層接入模型進(jìn)行分析，證明了PNC與傳統(tǒng)多跳網(wǎng)絡(luò)一樣，并不能減少安排無(wú)線鏈路算法的復(fù)雜度，理論上都是NP問(wèn)題。

除了前述介紹的通信理論、信息理論和網(wǎng)絡(luò)理論研究，關(guān)于物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的具體實(shí)現(xiàn)以及硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)的研究成果尚不豐富。目前有文獻(xiàn)[9]中提出的基于ANC的系統(tǒng)以及文獻(xiàn)[29]利用軟件無(wú)線電實(shí)現(xiàn)的演示系統(tǒng)。由于ANC系統(tǒng)中采用了簡(jiǎn)單的放大轉(zhuǎn)發(fā)方式，本質(zhì)上會(huì)存在噪聲累積，當(dāng)應(yīng)用于多級(jí)中繼傳輸時(shí)會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)抗噪聲性能造成影響。而文獻(xiàn)[29]中的研究?jī)H限于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境條件，并不能很好地體現(xiàn)實(shí)際環(huán)境下的傳輸性能。因此，如何將PNC的高效率傳輸應(yīng)用到實(shí)際無(wú)線中繼通信系統(tǒng)中，也是潛在的研究熱點(diǎn)之一。

3 物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的關(guān)鍵技術(shù)

本節(jié)介紹物理層網(wǎng)絡(luò)編碼應(yīng)用于無(wú)線中繼通信系統(tǒng)的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，包括：應(yīng)用物理層網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)的性能分析與改進(jìn)方案，物理層網(wǎng)絡(luò)編碼中高階調(diào)制方式的改進(jìn)設(shè)計(jì)，采用嵌套格碼的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼性能分析與方案設(shè)計(jì)，以及多源中繼通信系統(tǒng)中采用緩沖中繼技術(shù)的協(xié)議設(shè)計(jì)。

3.1 物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的性能分析及改進(jìn)

在無(wú)線中繼通信系統(tǒng)中，如何定量分析物理層網(wǎng)絡(luò)編碼所能夠帶來(lái)的性能提升、實(shí)際通信環(huán)境對(duì)物理層網(wǎng)絡(luò)編碼性能的影響以及如何降低或避免這些影響，都是非常重要的技術(shù)，直接影響物理層網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用范圍。

首先是驗(yàn)證應(yīng)用物理層網(wǎng)絡(luò)編碼能夠帶來(lái)的通信效率性能提升。關(guān)于此問(wèn)題，在TWRC模型中已有眾多研究結(jié)果，通信方案中節(jié)省時(shí)隙以及相關(guān)信道容量的研究都可以證明PNC能夠顯著地提升通信效率，但會(huì)使系統(tǒng)的誤碼率性能略微變差。但拓展到其他無(wú)線中繼通信模型中的相關(guān)研究則相對(duì)較少。

其次，前述理論研究對(duì)通信條件的研究比較苛刻，如通常假設(shè)了對(duì)稱的信道條件和完美的同步。針對(duì)非對(duì)稱的信道條件，文獻(xiàn)[6]引入了如圖3所示的非對(duì)稱雙向中繼信道模型，其中h、f為信道衰落系數(shù)，且兩者互相獨(dú)立。ai(i=1、2、3、4)是刻畫(huà)非對(duì)稱信道條件的非對(duì)稱因子。

圖3 采用PNC的非對(duì)稱雙向中繼信道模型

根據(jù)ai取值范圍的不同，可以描述4種非對(duì)稱信道條件，并定量分析了對(duì)系統(tǒng)性能的影響。為了克服這些影響，可以考慮引入不同節(jié)點(diǎn)的功率分配策略，以多種優(yōu)化目標(biāo)(如中斷概率、系統(tǒng)和速率等)指定不同的策略，以得到更好的系統(tǒng)性能。

除了非對(duì)稱的信道條件，非完美的同步也會(huì)對(duì)物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的性能造成一定影響，如載波相位偏移、載波頻率偏移和時(shí)間偏移等。為了更好地應(yīng)用物理層網(wǎng)絡(luò)編碼，同樣需要定量分析上述影響并研究相應(yīng)的對(duì)策。圖4為TWRC模型中兩個(gè)源節(jié)點(diǎn)的信號(hào)具有不同相位差時(shí)中繼節(jié)點(diǎn)處的疊加信號(hào)，其中兩個(gè)源節(jié)點(diǎn)均采用了QPSK調(diào)制。

圖4 源節(jié)點(diǎn)信號(hào)不同相位差下中繼節(jié)點(diǎn)處的疊加信號(hào)

從圖中可以看出，隨著相位差的增大，中繼處疊加信號(hào)星座點(diǎn)之間的距離越來(lái)越小，這將對(duì)正確譯碼產(chǎn)生較大的挑戰(zhàn)。

此外，當(dāng)采用更符合實(shí)際的信道模型(如Rayleigh衰落信道、Nakagami-m衰落信道)和常用的調(diào)制方式(如QPSK、M-QAM)下，物理層網(wǎng)絡(luò)編碼帶來(lái)的性能提升效果均需要定量分析以及評(píng)估實(shí)際效果。

如何將物理層網(wǎng)絡(luò)編碼帶來(lái)的通信效率大幅提升應(yīng)用于實(shí)際無(wú)線中繼通信系統(tǒng)是非常重要的方面，但其所帶來(lái)的誤碼率性能的略微惡化同樣需要關(guān)注。對(duì)該不良影響的定量分析以及如何制定相應(yīng)方案來(lái)消除或抑制該影響，以提高系統(tǒng)的抗噪聲性能，同樣是物理層網(wǎng)絡(luò)編碼研究中的關(guān)鍵技術(shù)。以保障在通信傳輸過(guò)程可靠的基礎(chǔ)上，維持物理層網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)帶來(lái)的通信效率提升。

3.2 改進(jìn)高階調(diào)制的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼

由于物理層網(wǎng)絡(luò)編碼利用的是電磁波的自然疊加性質(zhì)，因此無(wú)論應(yīng)用于何種網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，必定存在兩路或多路信號(hào)到達(dá)同一個(gè)接收機(jī)的情況。對(duì)這一混疊信號(hào)的處理是物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的核心和關(guān)鍵所在。當(dāng)采用高階數(shù)字調(diào)制來(lái)進(jìn)一步提高傳輸速率時(shí)，多路信號(hào)混疊在接收機(jī)端將會(huì)產(chǎn)生檢測(cè)模糊問(wèn)題。因此需要設(shè)計(jì)新型處理方式來(lái)解決此問(wèn)題，并控制算法的復(fù)雜度在可接受范圍之內(nèi)。

M-QAM調(diào)制作為一種成熟的調(diào)制方式，得到了廣泛應(yīng)用。但通過(guò)分析可知，在應(yīng)用物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的雙向中繼通信中，即使兩個(gè)源節(jié)點(diǎn)采用16-QAM調(diào)制，中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)混疊信號(hào)的譯碼就將產(chǎn)生檢測(cè)模糊。如圖5所示，2個(gè)源節(jié)點(diǎn)不同的原始信息組合有可能在中繼處對(duì)應(yīng)同一個(gè)疊加后的星座點(diǎn)，如坐標(biāo)(2,2)處，此時(shí)中繼將其恢復(fù)成原始信息組合時(shí)將無(wú)法做出正確選擇。

對(duì)于檢測(cè)模糊的問(wèn)題，需要從理論上分析其產(chǎn)生的原因，并在此基礎(chǔ)上探索如何將M-QAM加以改進(jìn)來(lái)使其順利地應(yīng)用于物理層網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)中。通過(guò)分析可知，產(chǎn)生混疊的星座點(diǎn)與傳統(tǒng)M-QAM調(diào)制星座點(diǎn)的位置相關(guān)。因此，最直接的解決辦法是將傳統(tǒng)M-QAM調(diào)制星座點(diǎn)的位置進(jìn)行改動(dòng)，使原本在中繼節(jié)點(diǎn)處混疊的星座點(diǎn)完全分開(kāi)。針對(duì)這一思路，可以探索如何找到適合物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的最優(yōu)星座點(diǎn)位置，以期望在解決中繼節(jié)點(diǎn)處的檢測(cè)模糊問(wèn)題的前提下，保證改進(jìn)后M-QAM調(diào)制的抗噪聲性能。

圖5 中繼節(jié)點(diǎn)處兩路16-QAM疊加星座圖

3.3 基于嵌套格碼的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼

在高斯型中繼網(wǎng)絡(luò)中，使用嵌套格碼可以顯著提高可達(dá)速率。在雙向中繼通信中，也已有文獻(xiàn)證明了采用嵌套格碼的計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)方式在高信噪比時(shí)更接近信道容量。在中繼無(wú)線傳輸中，傳統(tǒng)的中繼傳輸方式如放大轉(zhuǎn)發(fā)、譯碼轉(zhuǎn)發(fā)和編碼協(xié)作等方式加以改造后也能與物理層網(wǎng)絡(luò)編碼相結(jié)合。近期學(xué)者為物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的應(yīng)用提出了一種新的方式：計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)(Compute and Forward)方式[20]。計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)方式主要利用了編碼理論中的網(wǎng)格(Lattice)理論，尤其是嵌套格碼(Nested Lattice Codes)。

計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)方式的特別之處在于：譯碼時(shí)針對(duì)的是碼字的一個(gè)線性組合，而不是對(duì)單獨(dú)的每個(gè)碼字進(jìn)行譯碼。通過(guò)已有文獻(xiàn)可知，在物理層網(wǎng)絡(luò)編碼中應(yīng)用網(wǎng)格碼，不但可以解決M-QAM下中繼節(jié)點(diǎn)處的解碼問(wèn)題，而且能接近AWGN雙向中繼信道的信道容量。鑒于計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)方式的提出時(shí)間更短，該方式在實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度、具體的格碼構(gòu)造等方面仍有大量問(wèn)題需要解決。圖6和圖7分別介紹了PNC中源節(jié)點(diǎn)可用的一種嵌套格碼以及在中繼節(jié)點(diǎn)處的疊加信號(hào)星座圖。

圖6 PNC中可用的一種嵌套格碼

圖7 中繼節(jié)點(diǎn)的疊加信號(hào)星座圖

計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)方式原創(chuàng)性文獻(xiàn)[20]中，理論分析基于一般化的無(wú)線中繼系統(tǒng)模型，難以對(duì)其性能進(jìn)行準(zhǔn)確的評(píng)估和對(duì)比。為此可將該方法首先應(yīng)用于已有成熟結(jié)果的雙向中繼通信系統(tǒng)，通過(guò)理論推導(dǎo)驗(yàn)證了其可用性。其次，計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)方式的理論分析中通常假設(shè)了實(shí)際場(chǎng)景中難以滿足的近似條件，如理論推導(dǎo)中要求網(wǎng)格碼的維數(shù)為無(wú)窮大，為此實(shí)際調(diào)制方式下的性能效果同樣需要進(jìn)一步評(píng)估。

3.4 無(wú)線中繼通信系統(tǒng)緩沖中繼協(xié)議設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的中繼協(xié)作網(wǎng)絡(luò)中，中繼根據(jù)固定的調(diào)度安排進(jìn)行接收或發(fā)送信號(hào)。由于固定調(diào)度并不能保證利用最佳的接收或發(fā)送信道，因而限制了系統(tǒng)的性能。近期，為了解決該問(wèn)題，一類可以充分利用緩沖中繼附加靈活性的新協(xié)議逐漸走進(jìn)研究者的視野。與傳統(tǒng)中繼協(xié)議相比較，這類緩沖中繼協(xié)議[31-32]可以在吞吐量、分集以及信噪比等方面提供顯著的增益。

傳統(tǒng)協(xié)作中繼通信具備提升系統(tǒng)吞吐量與擴(kuò)展無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋的能力。其基本想法是網(wǎng)絡(luò)中的傳輸節(jié)點(diǎn)相互合作，實(shí)現(xiàn)利用網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)分享的資源。尤其是當(dāng)一個(gè)信源發(fā)送數(shù)據(jù)到一個(gè)信宿時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中的鄰近節(jié)點(diǎn)可以監(jiān)聽(tīng)到該數(shù)據(jù)，處理并轉(zhuǎn)發(fā)它，以達(dá)到輔助傳輸處理的目的。由于協(xié)作通信的優(yōu)越性，現(xiàn)有的或未來(lái)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，如WiMAX和LTE-Advanced，都囊括了簡(jiǎn)單的協(xié)作通信中繼方案。

此部分關(guān)鍵技術(shù)利用緩沖器帶來(lái)的靈活處理優(yōu)勢(shì)設(shè)計(jì)相應(yīng)的中繼通信協(xié)議。其基本思路是，半雙工中繼可以獲知鏈路即時(shí)信道狀態(tài)信息，并在此基礎(chǔ)上選擇能夠給予系統(tǒng)更多性能改善的傳輸方案。已有文獻(xiàn)指出了三節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中緩沖中繼協(xié)議的優(yōu)越性。同時(shí)研究了雙向緩沖中繼協(xié)議并分析了一種時(shí)分廣播方案(TBDC)，能夠提升系統(tǒng)的吞吐量和頻譜利用率。最后，有研究考慮了延遲受限和延遲不受限兩種情況下，固定速率的雙向緩沖中繼協(xié)議。

4 結(jié)束語(yǔ)

在無(wú)線中繼通信系統(tǒng)中，應(yīng)用物理層網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)能夠帶來(lái)可觀的通信效率提升，但距離該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用仍然需要大量的深入研究。物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的研究成果可以歸結(jié)到三個(gè)研究方面：通信理論研究、信息理論研究和網(wǎng)絡(luò)理論研究，分別討論了將物理層網(wǎng)絡(luò)編碼應(yīng)用于無(wú)線中繼通信系統(tǒng)的通信方案、信道容量以及如何拓展到更豐富的網(wǎng)絡(luò)模型。針對(duì)物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，分別討論了其問(wèn)題產(chǎn)生的來(lái)源及可能的解決思路。關(guān)于物理層網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)，仍需要大量的研究來(lái)改善現(xiàn)有方案，以進(jìn)一步放寬對(duì)信道模型的限制、拓展適用條件，同時(shí)在保障通信過(guò)程可靠性的前提下充分發(fā)揮該技術(shù)對(duì)通信有效性的提升，以推進(jìn)物理層網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)在實(shí)際無(wú)線中繼網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。

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Physical-layerNetworkCodingforWirelessRelayNetworks

WANG Gang,WANG Hai-long,LIU Rong-kuan,XU Yao

(Communication Research Center,Harbin Institute of Technology,Harbin Heilongjiang 150001,China)

Physical-layer network coding (PNC)’s application in wireless relay networks is investigated.The performance gain in network throughput brought by PNC is analyzed and validated.Various researchers’ works have led to many new results in the domains of wireless communication, information theory,and wireless networking.Several related key issues are discussed in detail including the PNC’s performance under practical channel conditions and possible solutions,the decoding ambiguity at the relay node when high-order modulation is applied,the compute-and-forward scheme based on nested lattice codes and possible solution combined with buffer-aided relaying.The possible solutions of the above issues will bring PNC into more realistic and practical scenarios,while high reliability and efficiency of the communication is maintained.

physical-layer network coding;wireless relay networks;compute-and-forward;buffer-aided relay

TN919.23

A

1003-3114(2017)06-01-7

2017-07-08

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61671184,61401118,61371100)；國(guó)家科技重大專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(2015ZX03001041-002)

王 鋼(1962―)，男，教授，博士生導(dǎo)師，現(xiàn)任哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院通信工程系主任，主要研究方向：物理層網(wǎng)絡(luò)編碼、聯(lián)合信源信道編碼技術(shù)、通信網(wǎng)理論與技術(shù)；參加科研項(xiàng)目十多項(xiàng)，其中獲國(guó)家級(jí)科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)2項(xiàng)、三等獎(jiǎng)1項(xiàng)，部級(jí)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)4項(xiàng)、二等獎(jiǎng)2項(xiàng)，參編和翻譯教材5本；結(jié)合教學(xué)與科研工作，先后在國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)會(huì)議和學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表學(xué)術(shù)論文100多篇。王海龍(1988―)，男，博士研究生，主要研究方向：物理層網(wǎng)絡(luò)編碼、5G關(guān)鍵技術(shù)。

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.06.01

王鋼,王海龍,劉榮寬,等.無(wú)線中繼網(wǎng)絡(luò)中的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼[J].無(wú)線電通信技術(shù),2017,43(6):01-07.

[WANG Gang,WANG Hailong,LIU Rongkuan,et al.Physical-layer Network Coding for Wireless Relay Networks[J].Radio Communications Technology,2017,43(6):01-07.]