IMT-Advanced协作中继的网络编码技术

基金项目：国家科技重大专项(2010ZX03003-003-03)；国家自然科学基金项目(61072064)

    在IMT-Advanced(IMT-A)的标准化进程中，业界提出了Type1和Type2两种协作中继方式，用于提高网络容量，获得额外分集增益，改善小区边缘覆盖。但是，当多个用户同时接入一个中继节点时，若采用传统的中继转发模式(如放大转发、译码转发等)为每个用户逐一转发数据，会导致中继节点转发效率大幅度降低，成为影响系统传输效率的重要“瓶颈”之一。

    为了解决上述问题，人们提出将网络编码技术引入到IMT-A系统中。事实上，在IMT-A系统中采用网络编码技术，一般在物理层上实现，可至少获得两方面的增益：一方面，由于网络编码技术的本质是在中间节点上对多条输入链路上的数据信息进行线性或非线性处理合并(编码)，因此可帮助多个用户同时转发数据，有效提高中继转发效率；另一方面，中继节点采用网络编码技术为多个用户转发数据时，只需保证网络编码结果是正确的，而不要求中继节点正确解出所有用户的数据，因此，可利用这一特点，与用户调度和资源管理策略相结合，设计基于网络编码的干扰利用传输策略，以降低资源消耗，提高小区可容纳的用户数量。

1 适用于多址接入中继的网络编码策略
    多址接入中继信道(MARC)的模型如图1所示。在上行传输中，两个用户UE-A和UE-B在中继站RN的协作下与基站eNB进行通信。分两个时隙完成一次通信：第一个时隙，UE-A和UE-B向基站eNB和中继站RN广播发送信号；第二个时隙，中继站RN根据译码结果，采用相应的网络编码转发策略，帮助两个用户转发数据。目前，常用的网络编码策略有两类：一类是基于异或操作(XOR)的物理层网络编码策略，另一类是网络编码与信道编码的中继站协作下与基站eNB的联合设计策略。

1.1 适用于MARC的物理层网络编码策略
    文献[1-4]是早期针对LTE-A提出的物理层网络编码策略。

    文献[1-2]分别讨论了在协作中继和组播重传中应用网络编码的可行性。

    文献[3-4]则针对传统网络编码方法，即多址接入中继信道下采用异或操作网络编码，分析了各段链路损耗和应用场景，并进一步从不同角度出发，研究了相应的软合并网络解码算法。

    文献[1-4]所述网络编码策略的重点是RN对译码数据直接进行XOR网络编码转发，具有实现简单的优点。但由于中继转发的数据帧长度与用户端发送的数据长度一致，导致中继转发效率也随之固定。为进一步提高中继转发效率，人们提出了一种联合网络-信道编码策略，其基本原理是中继站RN对译码数据进行联合网络-信道编码，并根据中继站RN的译码结果、UE到eNB以及RN到eNB的链路质量，调整中继转发数据量，以实现中继转发效率和eNB接收性能的有效折衷。

1.2 适用于MARC的联合网络-信道编码策略
    基于Turbo码的联合网络-信道编码原理如图2所示。在第一个时隙，两个UE向中继站RN和基站eNB广播信息；在第二个时隙，中继节点对译码得到的两个UE的估计数据序列进行加和网络编码，并选择部分数据转发至基站。基站则根据第一个时隙收到的两个UE的信号和第二个时隙收到的中继转发信号，进行联合译码，得到两个UE的估计数据信息。

    根据LTE-A中的Turbo码标准规范，我们设计了一种加和网络Turbo码，其中Turbo码的交织器长度为3 136，中继到目的节点的信噪比固定为3 dB，两个UE到目的节点的信道相同，而且假设中继可以正确译出两个UE的原始数据。图3给出了中继RN采用不同中继传输策略时的性能比较。

    由图3可以看出：中继节点转发的数据量对接收端的性能有直接影响，而转发数据类型对接收端性能的影响相对较小，且随着中继转发数据量的增加，接收端的性能也随之改善。当中继按照“s+p1+p2”的方式进行转发时，接收端的性能比不采用协作中继的情形有接近5 dB的编码增益，与之前不采用网络编码的4个数据帧相比，吞吐量提高了25%；如果中继按照“p1+p2”的方式进行转发，接收端的性能比不采用协作中继的情形有超过3 dB的编码增益，且与不采用网络编码的4个数据帧相比，吞吐量提高了近1/3。

    因此，在实际系统中，可采用速率匹配的网络Turbo传输策略，即信道条件较好时，降低中继对用户转发的数据量，以实现在一个数据帧中容纳更多用户；在信道条件较差时，增加中继转发的数据量，以保证接收端的性能，以通过调整中继节点的转发数据量获取接收端性能与转发效率之间的有效折衷。

2 基于网络编码的干扰利用策略
    在网络编码传输策略下，中继节点转发的是多个用户的网络编码结果，只需保证网络编码的结果正确即可。因此，在IMT-A的某些特殊场景下，可利用上述特点设计基于网络编码的干扰利用传输策略，以节约时频资源，增加小区可容纳的用户数量。

2.1 基于联合信道译码-网络编码的干扰利用策略
    对于两个UE需要通过eNB或者RN交换数据的场景，为避免干扰，通常做法是基站给UE-A和UE-B分配不同的时频资源块。但是，如果在IMT-A系统中采用网络编码技术，则可根据网络编码的特点，设计一种基于联合信道译码-网络编码的干扰利用策略，从而实现节约小区时频资源的目的。基于联合信道译码-网络编码的干扰利用策略如图4所示。

    基于联合信道译码-网络编码的干扰利用策略包括了MAC层的用户调度及资源管理，以及物理层的联合信道译码-网络编码两部分，本质上是一种跨层传输方案。

    MAC层的处理方法是：eNB根据UE-A和UE-B的通信请求，检测到他们需要交互各自的数据，则通过MAC层的调度和资源管理算法，给UE-A和UE-B分配相同的时频资源块。

    物理层的传输过程中，由于UE-A和UE-B占用相同的时频资源块，因此他们发送的信号同时达到RN。RN根据收到的叠加信号，采用文献[5]给出的联合信道译码-网络编码策略，直接译码得到UE-A和UE-B的网络编码信息，并通过下行链路将该网络编码信息广播发送至UE-A和UE-B。两个用户根据各自的数据恢复出对方数据。

    上述方案可带来两方面的优点：一是只需上下行两个时隙即可完成两个用户之间的通信，可有效提高传输效率；二是同一个小区内需要交换数据的两个用户占用同一个时频资源块，节约下来的时频资源块可以用来传输其他用户的数据，提高了小区可容纳的用户数量。

2.2 基于联合干扰对齐-网络编码的干扰利用策略
    将上述场景进一步扩展，可得到如图5所示的MIMO-Y信道，即每个用户(如用户1)通过中继RN给另外两个用户(如用户2、用户3)发送信息。针对图5所示信道模型，利用干扰对齐、物理层网络编码调制解调映射和干扰预消除技术，文献[6]提出了一种新型的编码转发策略。

    在多址接入阶段采用信号空间对齐策略，即通过波束成形向量的选择，使得相互交换的信息在中继节点对齐到同一信号维度上；在广播阶段采用干扰预消除策略，即中继节点通过检测直接得到互换信息的模2和结果，并通过对波束成形向量的选择来设计干扰预消除策略，消除用户端接收信号间的干扰。

    文献[6]指出，在复高斯MIMO-Y信道中，若中继节点有N根天线，每个用户节点有M根天线，这时当N≥[3M/2]时，各个用户节点的可达自由度为d 21=d 31=d 12=d 32=d 13=d 23=M/2，其中dij表示用户 向用户 发送信息的自由度。

    类似于2.1节的情况，若给需要交互信息的3个用户分配相同的时频资源块，则可利用上述原理设计基于联合干扰对齐-网络编码的干扰利用传输策略，利用用户间的干扰获得最大的自由度，同时可以节约两个用户占用的时频资源。

3 其他场景下的网络编码策略设计
    前面讨论了多个用户需要中继协作转发时的网络编码策略。在实际系统中，常常会出现仅有一个用户需要中继帮助转发信号的场景，如图6所示的UE与eNB可达及不可达的两种情形。

    针对图6(a)所示的场景，一般处理方法是中继RN将当前时隙的接收数据与前一时隙的接收数据进行网络编码操作。此时，即可以采用1.1节介绍的物理层网络编码策略，也可以采用1.2节介绍的联合网络-信道编码传输策略。文献[7]提出了一种多组数据帧组合网络编码以实现多阶分集的传输策略，可以获得更好的性能增益，但也使得系统译码复杂度大幅度增加。

    针对图6(b)所示UE与基站间不可达的场景，eNB无法直接收到UE的信号，网络编码传输策略仅适用于数据重传的场景，即在eNB要求RN重传的情形下，中继节点将当前需重传的数据与前一时隙的数据进行网络编码传输，以便于基站端可以利用两个时隙的接收信号进行联合检测，改善译码性能。

4 基于网络编码的用户调度及资源管理
    根据上述分析，将网络编码技术应用于IMT-A系统中，可有效提高中继转发效率，改善接收端的性能，同时也可利用网络编码特点设计相应的干扰利用传输策略，以节约系统资源。但是，在网络编码技术的标准化过程中，除算法本身之外，还需考虑引入网络编码之后对中继传输协议、控制帧格式以及用户调度等的变化。

    (1)网络编码策略问题
    目前，可用的网络编码传输策略多种多样，具体选用何种策略作为标准化的基础，在哪些场景和信道条件下采用网络编码传输策略更有效，如何选择参与网络编码的用户以及最多可支持几个用户参与网络编码等细节问题，还需要更深入的研究。

    (2)与协作中继模式的融合问题
    IMT-A系统可以支持Type1和Type2两种协作中继方式，网络编码技术在哪一类协作中继方式下更有效，目前还没有公司或高校对此展开详细讨论。

    (3)与MAC层协议的融合问题
    引入网络编码技术之后，控制帧需要指示参与网络编码的用户标示、网络编码方法等一些基本信息，如何将基于网络编码的传输协议与现有协作中继传输协议有效结合，在MAC层上实现融合，目前也没有得到有效解决。

5 结束语
    基于协作中继的网络编码技术，有望改善小区边缘覆盖、提高中继转发效率、实现单小区资源复用等问题，并可在一定程度上抑制中继节点处各用户之间的干扰、改善IMT-A系统的性能。但是，引入网路编码所带来的性能增益与接收端检测复杂度之间的平衡，以及对中继传输协议、控制帧格式以及用户调度和资源管理等方面的影响，目前还没有一个深入系统的研究结论，需进一步深入研究，讨论相应的解决方案，以加快IMT-A中网络编码的标准化进程。

6 参考文献

[1] Alcatel-Lucent Shanghai Bell, Alcatel-Lucent. Applications of network coding in LTE-A [C]//3GPP TSG RAN WG1 55 Meeting, Nov 10-14, 2008, Prague, Czech. 2008: R1-084130.
[2] Alcatel-Lucent Shanghai Bell, Alcatel-Lucent. Joint analog network coding and relay [C]//3GPP TSG RAN WG1 55 Meeting, Nov 10-14, 2008, Prague, Czech. 2008: R1-084133.
[3] Alcatel-Lucent Shanghai Bell, Alcatel-Lucent. Network coded relay and its Chase combining [C]//3GPP TSG RAN WG1 58 Meeting, Aug 24-28, 2009, Shenzhen, China. 2009: R1-093356,
[4] 基于多用户上行中继的网络编码方案研究 [C]//LTE+标准子组第21次会议, 2010年4月,北京. 2010: IMT-A_LTE+_10120.
[5] 联合Turbo译码-网络编码算法 [C]//LTE+子工作组第19次会议, 2009年10月, 北京. 2009: IMT-A_LTE+_09531.
[6] LEE Namyoon, LIM Jong Bu, CHUN Hoohwan. Degree of freedom of the MIMO Y channel: Signal space alignment for network coding [J]. IEEE Transactions on Informating Theory, 2011, 56(7):3332-3342.
[7] 一种可获得多阶分集的网络编码方案研究 [C]//LTE+子工作组第28次会议, 2011年4月,武汉. 2011:IMT-A_LTE+_11142.

收稿日期：2011-07-05

[摘要] 网络编码技术的本质是在中间节点上对多条输入链路的数据信息进行线性或非线性处理转发。网络编码技术应用于IMT-Advanced系统中时，不仅可用于提高中继转发效率，还可用于设计干扰利用传输策略，以节约小区内的时频资源。文章针对多址接入中继信道模型，讨论了几种可提高中继转发效率的网络编码传输策略，研究了基于网络编码的干扰利用传输策略，分析了网络编码标准化过程中所面临的各种问题，指出引入网络编码技术对中继传输协议、控制帧格式以及用户调度和资源管理算法等的影响。

[关键词] 多址接入中继信道；网络编码；联合网络-信道编码；干扰利用

[Abstract] The essence of network coding is that intermediate network nodes combine data from multi-input links by linear or non-linear operations and then forward. Therefore, network coding in an IMT-A system improves relay efficiency and can be used to design interference use schemes that save time-frequency resources in a cell. In this paper, several network coding transmission schemes for the multiple-access relay channel are discussed. Interference use schemes based on network coding are also discussed and some issues in network coding standardization are raised. The effect of network coding on relay transmission, control frame format, user scheduling, and resource management are discussed in conclusion.

[Keywords] multiple-access relay channel; network coding; joint network-channel coding; interference utilization