1、南京邮电大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本人学位论文及涉及相关资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。研究生签名：_ 日期：_南京邮电大学学位论文使用授权声明本人授权南京邮电大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档；允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入
2、有关数据库进行检索；可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。本文电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。论文的公布（包括刊登）授权南京邮电大学研究生院（筹）办理。涉密学位论文在解密后适用本授权书。研究生签名：_ 导师签名：_ 日期：_南京邮电大学硕士学位论文摘要学科、专业： 工学 信号与信息处理研 究 方 向：通信信号处理作 者： 2009 级研究生 孟海芳指导老师： 梅中辉 副教授题 目 ：基于编码的协作通信技术的研究英文题目 ：Cooperative Communication Based on Coding主 题 词：协作通信；放大转发；译码转发；编码协作；网络编码；重复累
3、加码Keywords: Cooperative Communication; Amplify-and-Forward; Decode-and-Forword; Coded Cooperation; Netwok Coding; Repeat-AccumulateCodes南京邮电大学硕士研究生学位论文摘 要摘要协作通信技术是一种新型的空间分集技术，用户节点在传输信息的过程中，利用协作伙伴的信道，彼此共享天线，形成虚拟 MIMO 阵列，从而获取分集增益，有效提高系统性能。网络编码技术通过在中继节点对信号进行处理来提高无线链路链接可靠性和网络吞吐量，为解决多跳无线网络中的中继传输瓶颈提供了有效途径
4、，将协作通信和网络编码二者综合考虑是一件很自然的事情。同时，现在已有大量的较为成熟的信道编译码技术可以直接应用，进而可以提高无线链路的链接可靠性，因而将不同的信道编译码理论与协作通信技术结合也引起了广泛关注。本文首先对协作通信技术及基本模型进行分析，介绍协作通信技术的概念，三种经典的协作通信模型：放大转发(AF)、译码转发(DF)和编码协作(CC)，并进行中断概率分析，另外介绍了三种常见的改进增强中继模型，并对协作通信中的热点问题之一中继选择策略进行了研究。其次介绍网络编码技术基本原理，详细分析了几种不同的协作网络编码模型，对不同模型的性能进行分析，并与传统的中继转发方式和协作模型进行对比。在
5、双向转发的协作网络编码模型中，提出了一种新的中继分配方案，此方案以最小误比特率性能为目标，在考虑用户间直传链路的情况下，能很好改善系统性能，并将此方案与随机分配和已有的中继分配方案进行对比分析，通过仿真证实此方案能有效提高系统性能，并且该方案具有较低的计算复杂度。最后研究基于重复累积码(RA)的协作通信。RA 码作为一种“Turbo-like”码被提出，兼具编码简单和迭代译码算法简单的优点，将 RA 码应用于协作通信中，分别在不同模型下进行仿真分析，并将 RA 码和网络编码技术联合应用于协作通信中，给出了系统模型并进行仿真分析。关键词： 协作通信；放大转发；译码转发；编码协作；网络编码；重复累
6、加码I南京邮电大学硕士研究生学位论文 ABSTRACTABSTRACTCooperative communication is a new type of space diversity techniques. During theinformation transmission process, the user nodes shares the antenna of each other, and then formthe virtual MIMO array to obtain some diversity gain by the channels of paternership.Coo
7、perative communication can improve the performance of the communication systemeffectively. Network coding improves the reliability and throughput of the wirelesscommunication system through processing the signal at relay nodes. It provides an effectivemeans of transmission bottlenecks in the multi-h
8、op wireless relay network. Thus, thecollaboration of cooperative communication and network coding is a very comprehensiveconsideration. At the same time, there has been already a large number of more mature channelcode technology applied directly. Then, the collaboration of different channel coding
9、andcooperative communication has attracted wide attention.First, this thesis analyzes the basic models of cooperative communication, and thenintroduces the concept of cooperative communication. Three classic cooperative communicationmodels AF, DF, CC and the outage probability are analyzed, and the
10、other three commonenhanced relay models are described. Then, as one of the hot topics, relay selection strategies incooperative communication are studied.Then, the basic principles of network coding are introduced. In this thesis, we study severaldifferent models of cooperative communication with ne
11、twork coding and the performance of themwith comparation between them and the traditional models of cooperative communication.Focusing on the bi-directional wireless relaying channels with network coding，we propose a newrelay assignment scheme. This scheme with the minimum bit error rate performance
12、 as the goal,taking into account the direct link between every pair of users, could better improves the systemperformance and has lower complexity, compared to the random assignment scheme and the otherexisting relay assignments through simulation.Finally, we study the cooperative communication base
13、d on Repeat-Accumulate Codes. RAcode is presented as a “Turbo-like” code with the advantages of encoding and decoding simply.We study the cooperative communication based on Repeat-Accumulate Codes in different models.And then, RA codes and network coding are combined in cooperative communication. An
14、d weII南京邮电大学硕士研究生学位论文 ABSTRACTmake different simulations and analysis.Keywords:Cooperative Communication；Amplify-and-Forward；Decode-and-Forward；CodedCooperation；Netwok Coding；Repeat- Accumulate CodesIII南京邮电大学硕士研究生学位论文目 录目录摘 要. IABSTRACT.II目 录.IV第一章 绪 论. 11.1 研究背景和意义. 11.2 论文的研究内容. 21.3 论文的结构安排. 2第二章
15、 协作通信及中继选择方案.42.1 协作通信技术. 42.2 协作通信传输机制. 52.2.1 基本转发模式. 52.2.2 中断分析. 82.2.3 改进模型. 112.3 协作通信中的中继选择方案. 132.3.1 基于平均 SNR 的中继选择方案. 142.3.2 基于瞬时信道信息的机会中继选择方案. 152.3.3 基于信道增益调和平均值的中继节点选择方案. 162.4 本章小结. 16第三章 基于网络编码的协作通信.173.1 引言. 173.2 网络编码技术. 173.2.1 网络编码基本原理. 173.2.2 物理层网络编码. 193.3 协作网络编码. 223.3.1 单向协作
16、网络编码. 22IV南京邮电大学硕士研究生学位论文 目录3.3.2 双向协作网络编码. 253.3.3 多源多中继协作网络编码. 283.4 协作网络中的中继分配策略. 303.4.1 系统模型. 313.4.2 算法描述. 333.4.3 性能对比. 353.5 本章小节. 37第四章 基于信道编码 RA 码协作通信. 394.1 引言. 394.2 RA 码编译码基本原理. 394.2.1 规则 RA 码的编码. 404.2.2 规则 RA 码的译码算法. 404.2.3 RA 码编译码的优点. 414.3 基于 RA 码的协作通信 . 424.3.1 AF 模式下的编码协作. 424.3
17、.2 DF 模式下的编码协作.434.3.3 CC 模式下的编码协作.454.4 联合 RA 码和网络编码的协作通信 . 474.4.1 系统模型. 474.4.2 性能仿真. 494.5 本章小结. 51第五章 总结与展望. 525.1 全文总结. 525.2 工作展望. 52致 谢. 54参考文献. 55攻读硕士学位期间发表的论文.59V南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章 绪 论第一章 绪论1.1 研究背景和意义随着科技的发展，因特网及多媒体技术快速发展，人们早已不满足无线通信业务仅限于语音业务，在追求高速率的无线移动数据业务同时，还要求无线通信系统能够提供更加丰富的业务，如因特网接入、
18、图像传送、视频点播等数据及多媒体业务。第三代移动通信系统(3G)技术的提出，虽然比第二代移动通信系统(2G) 的数据传输速率快上千倍，但仍无法满足未来多媒体的通信要求，于是又提出了后三代移动通信系统(B3G)，希望满足更高的数据速率，进一步满足数据、图像、多媒体等业务发展的需求，同时，寻求进一步提高数据传输速率、扩大信道容量、提高无线频率利用率等改善通信质量的新技术也成为普遍关注的问题1。无线通信是利用无线电磁波进行信息传输，与有线信道相比，无线信道特有的衰落现象，如多径衰落、阴影效应等会对信号的传输产生很大影响，这也成为无线通信中阻碍性能提高的主要原因之一。早期的研究已表明，分集技术可以通过
19、在信源发送多个信号样本，在目的端对经历独立衰落的不同信号按照一定的方式进行合并，从而对抗多径衰落2。常见的分集方式可分为时间分集、频率分集和空间分集等。空间分集也称为天线分集，基本思想是利用空间上分离的多个发射或接收信号(多个不相关信道)得到多条独立的传输路径，从而达到分集目的以对抗多径衰落。多输入多输出(Multiple Input Multiple Output, MIMO)天线技术，就在这样的背景下产生了，MIMO 通过在发射端和接收端安装多根天线，充分利用空间资源，获得分集增益，提高系统的信道容量。但是，在实际应用中，由于无线终端会受到体积、硬件复杂度、功耗等多方面限制，MIMO 技术
20、的实现暴露出了诸多问题，进而提出了一种新的技术即虚拟 MIMO 技术。另外，为了节省功耗和提高数据的传输速率，提出了多节点之间相互进行协作，组成协同 MIMO的策略3。协作通信的基本思想是移动终端在通信系统中有一个或多个协作伙伴，用户在传输自己信息的同时，还作为协作伙伴的中继节点帮助协作伙伴传输其信息，通过这样的方式，在信息传输的过程中，用户节点既利用自己的空间信道也利用协作伙伴的，彼此之间形成虚拟 MIMO 阵列，获取一定的空间分集增益4。协作通信的提出开拓了一个崭新的研究领1南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论域，成为当前研究的一个热点问题。与此同时，一个新的技术网络编码技术也被首
21、次提出5，网络编码打破了以往中继节点只进行简单存储转发的模式，考虑在中继节点对所接收到的数据包进行编码后再进行转发，如最简单的异或操作，从而提高了网络吞吐量及鲁棒性等方面的性能。另外，伴随着信道编码技术理论的不断成熟，Hunter 6等研究了将信道编码与协作通信相结合，提出了编码协作方案(CC)，在协作节点增加信息冗余量，通过不同的独立衰落信道发送每个用户码字的不同部分，进而获得分集增益和编码增益。目前，关于网络编码或信道编码在协作通信中的应用，以及联合信道编码和网络编码在协作通信中的应用研究都是协作通信中的重要研究方向，并且具有很大的意义。已有不少学者将性能接近香农限的 Turbo 码和 L
22、DPC 码与协作通信技术结合进行研究，而 RA 码兼具 Turbo 码和 LDPC 码这两种码的优点，因此我们考虑将 RA 码应用于协作通信系统，将RA 码作为编码协作系统的一种纠错编码便成了一个值得研究的课题。1.2 论文的研究内容本文对现有的协作通信策略进行介绍分析，引入网络编码的思想，详细分析了几种不同的协作网络编码模型，对不同模型的性能进行分析，并与传统的中继转发方式和协作模型进行对比。，在多源多中继模型中，近似推导了在有限域内进行线性网络编码的中断概率公式。在存在多对用户的双向协作网络编码系统中，考虑用户间直传链路状况，在每个中继最多只对一个用户信息进行中继转发的前提下，提出了一种新
23、的中继分配策略，对用户先进行排序再分配中继，此方案以最小误比特率性能为目标，在考虑用户间直传链路的情况下，能很好改善系统性能，并将此方案与随机分配和已有的中继分配方案进行对比分析，通过仿真证实此方案能有效提高系统性能，并且该方案具有较低的计算复杂度。此外，研究基于重复累积码(RA)的协作通信。RA 码作为一种“Turbo-like”码被提出，兼具编码简单和迭代译码算法简单的优点，考虑将 RA 码应用于协作通信中，分别在不同模型下进行仿真分析，并将 RA 码和网络编码技术联合应用于协作通信中，给出了系统模型并进行仿真分析。1.3 论文的结构安排本文主要对协作通信系统及其与网络编码、信道编码技术相
24、结合进行研究，全文共分为2南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论五个部分，内容安排如下：第一章 介绍了本文的研究背景，引出协作分集技术及网络编码技术，说明本文的主要工作以及内容安排。第二章 介绍协作通信技术的基本原理，对现有的几种协作通信转发模式进行介绍，并对几种基本转发模式的性能进行分析。并且，对协作通信中的一个热点问题中继选择策略进行了分类介绍。第三章 对网络编码技术进行介绍，并研究了网络编码与协作通信技术相结合的协作网络编码的几种模型，在多源多中继协同网络中，分析了中断概率的近似表达式。在多对用户的双向协同网络编码中提出了一种排序分配的中继分配方案，并仿真分析，能有效提高系统性能。第四章 在协作通信系统中引入信道编码，给出了 RA 码的编译码过程，将 RA 码应用于协作通信的不同转发机制中，进行仿真分析。考虑将 RA 码和网络编码技术相结合，给出联合编码协作通信模型，并进行 Matlab 仿真分析。第五章 对本文工作进行总结，阐述研究中存在的不足和对未来工作的展望。3
