再生中继物理层协议及性能比较分析

本章介绍再生中继的物理层协议，即中继对接收信号进行再生处理并转发。再生处理主要是指中继改变信号的波形、信息的表示和/或在数字域信息的内容。本章可以分为三部分：再生中继协议、再生分布式空时编码协议以及先进的分布式网络编码。

（1）再生中继协议

主要讨论译码转发（DF）、压缩转发（CF）、软信息转发（SIR）、自适应转发（ARP）以及选择式译码转发（S-DF）等几种中继协议，同时也重新修订了近期的一些研究成果。

对于DF协议，首先引入一个能简化计算的等效单跳通信系统模型，此模型可采用基于最大比合并的近似最优合并技术，当再生中继能正确译码时则为最优合并技术。相比于最大似然译码及其变种类型的译码算法，提出的接收模型大大简化了目的节点的检测复杂度。

对于CF协议，中继与目的节点接收到的信号是同一源信号叠加不同噪声的版本，因而具有相关性，CF协议利用这一相关性压缩接收并转发信号。我们研究基于Wyner-Ziv编码方案的CF协议，Wyner-Ziv编码方案由量化器与索引编码器构成，其中量化器将输入的模拟信号转化为数字信号，索引编码器进而进行压缩编码。在基于Wyner-Ziv的CF协议中主要研究量化器的设计，然后进一步研究了基于Slepian-Wolf编码的CF协议设计，其中Slepi-an-Wolf编码能对两个或多个相关数据流进行压缩，而中继对接收到的信号进行硬判决后直接进行压缩编码。

对于SIR协议，其是针对DF协议存在误判传播缺陷而提出的。DF协议的缺陷在于：中继在译码与重编码过程中，若存在译码错误将产生误判传播，从而极大降低了系统性能。为避免误判传播，中继采用基于软信息的译码与转发方案，而不对传输信号进行硬判决。相比不可靠的硬判信息，中继转发的软信息能为目的节点译码器提供额外的信息量。在这一节中，介绍了SIR的基本原理后，我们详细探讨了若干数学模型，例如基于软符号估计的SIR、基于对数似然比的SIR、中继处信号估计的均方误差的推导等。

●ARP协议则是根据信源、中继、信宿之间的信道条件的变化，自适应地选择DF或AF以利用各自的优点，即根据中继译码的正确性来选择AF或DF协议：当中继不能正确译码时，中继采用AF协议放大接收信号；如果中继能正确译码，则采用DF协议。目的节点将来自中继的转发信号与来自源节点的信号进行合并、译码，从而恢复源信息。在实际系统中，为了判定中继译码的正确性，通常在每个信息块后附上CRC校验比特。这一过程通常比较复杂，为了简化判定过程，可使用Bhattacharyya码参数作为判决门限。在系统配置时，ARP可根据信道质量自适应地在AF和DF协议之间切换，而无需目的节点反馈CSI信息到中继或源节点。这个特性对于实际的中继网络非常重要，尤其是大规模的多跳网络，因为CSI反馈的代价非常大。ARP的另一个重要的特性是其操作与AF、DF协议相同，不会增加额外的复杂度。本节在分析ARP方案的同时，还评估了其性能并与其他多种中继协议进行对比。

●S-DF协议的中继转发策略是：中继译码成功时采用DF协议，译码失败时则保持缄默。S-DF与ARP的不同之处在于译码失败后的策略：S-DF保持缄默不转发任何信息，而ARP则采用AF协议。在此节中定量分析了S-DF协议的性能。

（2）再生分布式空时编码协议

在这一节中详细探讨了分布式空时块码、分布式空时网格码和分布式turbo码，提出了多种原创性的设计方案，并分析了其性能。(www.xing528.com)

对于分布式空时块码，首先介绍了通用VAA中继结构，即所有中继节点在中继阶段都可协同。在详细介绍分布式编解码过程后，推导了Nakagami-m衰落信道下正交STBC方案的误符号率的闭式表达式，此分析结果适用于分布式发射天线与分布式接收天线之间具有任意连接形式和任意衰落因子m的信道。进一步地，本节提出了低复杂度的近似最优资源分配方法，即根据网络的平均衰落条件，每个中继独立决定发射功率、带宽/帧长、调制阶等参数。我们还探讨了VAA中继阶段中的完全协同和部分协同，并论证了所提算法的优越性。

对于分布式空时网格码，假设每个码字划分为两部分，即源节点与中继节点分别发射一部分。相比于诸如AF等协议下中继转发重复的信息的方式，基于增量冗余方式的分布式空时编码方案中源与中继能更灵活地调整发射信号。针对中继无译码误差时的DF协议与中继存在误判的EF协议，分别分析了分布式空时网格码方案，并基于成对错误概率详细介绍了的两种DSTTC的设计方法，提出了编码器结构、慢衰落和准慢衰信道下的误差分析方法、设计准则与码设计方案及其性能分析。

分布式turbo码将传统的LDPC码与turbo码的思想应用到分布式网络之中。本节的最大挑战是中继存在译码误差时如何设计避免误判传播且逼近容量界的分布式编码方案。主要针对DF、SIR与通用分布式turbo码这三种中继协议，探讨了分布式turbo编码器与解码器结构，并通过理论分析与数值仿真详细探讨了其性能。

（3）再生分布式网络编码协议

最后讨论了一种先进的再生分布式空时处理方法——分布式网络编码。首先探讨了单个源-目的节点对场景下的分布式网络编码，然后拓展至具有多个源-目的节点对场景下的网络编码分复用技术。

对于分布式网络-信道编码，其设计思想来源于网络编码通过中继的简单编码与路由操作，能有效地提高网络频谱效率。因此针对存在传输差错的网络，合理设计网络编码协议同样可提供强的纠错性能。由此本节设计了无线中继网络中的分布式网络与信道编码方案，其中信道编码方案是基于通用图码，例如低密度生成矩阵（LDGM）码，低密度奇偶校验（LDPC）码等。为了更好地理解，首先简要介绍了图码及其译码算法，然后详细探讨了基于图码的分布式网络信道编码方案的原理与方案，并通过数值仿真验证其性能与优越性。

对于基于网络编码的多址复用协议，可在获得网络编码与信道编码的编码增益的同时，支持多个源节点与多个目的节点之间相互独立的通信。在讨论的设计方案中，各个中继采用线性网络编码，而在目的节点处合并多个接收信号形成图码。为消除目的节点处的组间干扰，提出了码零陷算法，从而实现了多个源与多个目的节点之间无相互干扰地同时通信。

本章的共同假设是理想同步且其他系统参数不劣于传统的集中式MIMO系统。