物理层网络编码研究进展.pdf

收稿日期: 2011 02 28; 修回日期: 2011 05 03。 基金项目: 国家 “111 计划” 项目( B08004 ) ; “新一代宽带无线移动通信网” 国家科技重大专项( 2010ZX03003- 003- 01) 。 作者简介: 赵明峰( 1981 ) ， 男， 四川南充人， 博士研究生， 主要研究方向: Petri 网、 信息安全、 网络编码; 周亚建( 1971 ) ， 男， 陕西镇安人， 副教授， 博士， 主要研究方向: 移动通信、 信息安全; 原泉( 1982 ) ， 男， 陕西宝鸡人， 博士研究生， 主要研究方向: 信息安全、 网络编码; 杨义先( 1961 ) ， 男， 四川 绵阳人， 教授， 博士生导师， 主要研究方向: 密码学、 网络安全。 文章编号: 1001 9081( 2011) 08 02015 06doi: 10 3724/SP J 1087 2011 02015 物理层网络编码研究进展 赵明峰1， 2， 周亚建2 ， 原 泉2， 杨义先1， 2 ( 1 电子科技大学 计算机科学与工程学院， 成都 610054; 2 北京邮电大学 信息安全中心， 北京 100876) ( zhaomingfeng81 gmail com) 摘要: 在无线协作环境下， 充分利用无线电磁波的广播特性进行物理层网络编码( PLNC) 可获得更大的吞吐量 和频谱利用率。在物理层网络编码基本思想的基础上， 首先着重介绍三类物理层网络编码技术 有限域上的物理 层网络编码、 模拟网络编码和复数域上的网络编码， 给出它们相关理论的研究现状， 并对与此相结合的新技术进行了 介绍; 然后论述目前物理层网络编码应用实现的现状; 最后对物理层网络编码相关理论及其应用实现的发展趋势进 行了分析与展望。物理层网络编码理论的进一步完善， 相关安全性的研究， 以及与协作通信理论， 如信道编码与调制、 中继选择、 调度及资源分配等进一步紧密结合等， 将是其研究的重要趋势。 关键词: 物理层网络编码; 有限域物理层网络编码; 模拟网络编码; 复数域网络编码 中图分类号:TN919 31;TP393 4文献标志码: A Research survey on physical layer network coding ZHAO Ming- feng1，2， ZHOU Ya- jian2， YUAN Quan2， YANG Yi- xian1，2 (1 School of Computer Science and Engineering， University of Electronic Science and Technology of China， Chengdu Sichuan 610054， China; 2 Information Security Center， Beijing University of Posts and Telecommunications， Beijing 100876， China) Abstract: It has been proved that Physical Layer Network Coding ( PLNC) can also improve the system throughput and spectral efficiency by taking the advantage of the broadcast nature of electromagnetic waves in wireless cooperative environments In this paper， the basic idea of the PLNC was introduced and its benefit over traditional forward and straight- forward network coding under the two- way relay scenario was illustrated Firstly， three types of physical layer network codingPhysical Network Coding over Finite Field ( PNCF) ， Analog Network Coding ( ANC) and Complex Field Network Coding ( CFNC) were presented， the theory research development of the three kinds of PLNC were overviewed and new theory and technology related to it were introduced Secondly， the application and implementation for the ANC scheme in the real wireless cooperative environments were overviewed Finally， the opening issues and challenges for PLNC concerning both theory and implementation in near future were proposed It is an important trend to improve the theory and implementation of PLNC， research the security of PLNC， and combine PLNC with other technologies， such as channel coding and modulation， relay choice， effective scheduling and resource allocation Key words: Physical Layer Network Coding ( PLNC) ; Physical Network Coding over Finite Field ( PNCF) ; Analog Network Coding ( ANC) ; Complex Field Network Coding ( CFNC) 0引言 网络编码( Network Coding) 是 Ahlswede 等人 1 于2000 年 所提出的， 并从理论上证明对于组播网络中的某些节点附加 额外的编码操作能够使得组播传输达到最大流最小割定理所 确定的最大理论传输容量， 而现有通信网络中的路由机制认 为网络中传输的信息不能进行处理， 只能存储和转发， 现有的 算法均无法使组播传输达到最大理论传输容量。网络编码主 要思想在于网络中的协作节点不仅参与数据的转发， 还参与 数据的处理。网络编码已成为提高网络吞吐量、 鲁棒性、 负载 均衡和安全性等的有效方法。网络编码技术被认为是本世纪 通信领域中的一项重大突破， 它受到了国际学术界和科研机 构的广泛关注， 并在此基础上获得了大量的理论及应用研究 成果。 目前， 网络编码在有线网络环境中无论是在理论还是实 际应用上都取得了非常重要的成果2 4 。然而在无线协作通 信网络中， 现有的研究成果基本上都是借鉴有线中的网络编 码原理和方法以获得性能增益。比如在无线 Mesh 网络、 传感 器网络及 Ad Hoc 网络等多跳无线网络中引入网络编码可以 显著提升相应的性能5 8 ， 但它们并没有考虑无线频谱资源 的进一步有效利用， 即如何降低传输的资源开销、 提高系统传 输的吞吐量及频谱效率等问题。在传统无线协作通信网络 中， 对接收者来说， 当在同一个时隙收到多个源点发送的信号 时， 如何处理相互之间的干扰是一个巨大的挑战。传统的方 式一般采用接收端的良好设计或者介质访问控制( Media Access Control，MAC) 子层调度策略尽量减少或者避免干扰 的出现， 即将干扰作为一种有害方式加以摒弃。比如， 在传统 无线 802 11 网络中， 在载波监听范围内， 任意时刻载波监听 第 31 卷第 8 期 2011 年 8 月 计算机应用 Journal of Computer Applications Vol 31 No 8 Aug 2011 机制至多允许单源发送或者接收信号。显然， 当多源有数据 要发送时， 现有的方法效率相当低。特别是在多跳 Ad Hoc 网 络中， 干扰导致的系统吞吐量下降非常显著， 大约只有理论最 大容量的 1/49 。尽管网络编码的兼容能力以及提取信息的 能力使得有效利用无线网络中的干扰成为可能， 但一直没有 有效的解决办法。直到 2006 年， Zhang 等人 10 首次提出了物 理层网络编码( Physical Layer Network Coding，PLNC) 的概念， 它可以有效地将无线电磁波信号的叠加映射到伽罗华域 ( GF( 2) ) 上的数据比特流运算， 使得干扰变成网络编码中算 法操作的一部分。该概念一提出， 迅速引起了学术界和工业 界的广泛关注和重视。特别地， 下一代宽带蜂窝移动通信系 统将协作中继技术作为一种备选方案来提供额外的空间分集 增益， 提高传输覆盖范围和系统的频谱效率。而物理层网络 编码正好可以与协作中继技术相结合， 进一步提升系统性能， 相关的提案也受到了国际标准组织的关注11 13 。为此， 物理 层网络编码相关的理论及应用成为近几年来的研究热点。 基于此， 本文将围绕物理层网络编码的基本原理、 最新研 究进展以及具体实现展开论述， 以期能够进一步推动国内对 物理层网络编码这一新型的结合通信、 信号处理、 计算机技术 等领域的研究与应用。首先介绍三类物理层网络编码技 术 有限域上的物理层网络编码( Physical Network Coding over Finite Field，PNCF) 、 模 拟 网 络 编 码 ( Analog Network Coding，ANC) 、 复 数 域 网 络 编 码 ( Complex Field Network Coding，CFNC) ， 并给出相应的研究现状; 然后给出 PLNC 具 体实现的研究现状; 最后对 PLNC 理论及其应用研究的发展 趋势进行了分析与展望。 1物理层网络编码理论 1 1有限域上的物理层网络编码 根据编码域的大小来区分是否属于有限域上的物理层网 络编码。若编码的域是有限的， 则称为 PNCF; 否则， 称为无限 域上的物理层网络编码14 。文献 14中所给出的编解码机 制建立在 GF( 2) 上的物理层网络编码， 显然属于 PNCF。针 对一般无线网络来说， 其节点资源是有限的， 所以几乎所有文 献中讨论的都是在有限域上展开。为了更直观地理解 PNCF， 本文以一个简单的三节点双向协作中继的信息交互场 景为例， 如图 1 所示。源点 Alice( A) 和 Bob( B) 之间希望交 互信息， 但其传输距离超出了发射机的覆盖范围， 因此不能直 接通信， 而需通过一个中继器 R( 或称之为路由器) 来完成相 互之间的信息传递。在传统方式下， A 传送数据包到 R， R 转 发给 B， 这样需两个时隙完成 A 到 B 的数据包传输， 同理， B 到 A 的数据包传输也需要 2 个时隙完成。因此， 整个一轮数 据包交互需经历 4 个时隙才能完成， 吞吐量是 1/4 符号/信 源/时隙( Sym/S/TS) ， 如图 1( a) 所示。 当采用网络编码方式时， 同样是基于传统方式下干扰避 免的方式， 即传统数字网络编码15 ， 也称为直接网络编码 ( Straight- forward Network Coding) 16 ， 为此 R 必须在不同的时 隙接收 A 与 B 发送来的数据包， 然后对收到的数据包进行编 码后再广播出去， 源点根据自身发送的数据包与编码的包进 行 XOR 运算， 从而得到对方的数据包， 整个一轮数据包交互 只需3 个时隙便可完成， 吞吐量可达1/3 Sym/S/TS， 较传统方 式提高了 33%， 如图 1( b) 所示。 当采用 PNCF 时， 中继 R 属于解码转发类型。由于 R 可 在相同的时隙接收 A 与 B 发来的数据包， 将干扰变成一种网 络编码运算， 并在下一个时隙广播经过 PNCF 的数据包， A 与 B 接收到编码的数据包后， 根据第一个时隙发送的已知数据 包， 经过解码便可得对方发送的数据包， 整个一轮数据包交互 只需2 个时隙便可实现， 吞吐量可达1/2 Sym/S/TS， 较直接网 络编码方式提高了 50%， 而较传统方式提高了 100%， 如 图 1( c) 所示。 图 1双向协作中继下的三类模型 根据上述比较， 可以得出 PNCF 能够获得最大的吞吐量， 使得频谱利用率达到最大化。正是由于其显著的性能优势， 使得物理层网络编码成为近几年的研究热点。目前， 针对有 限域上的物理层网络编码这一新概念， 在特定的无线协作网 络场景下， 主要集中在以下几个方面展开。 1) 同步问题。 由于 PNCF 要求源点同时发送， 物理信号的时变等特性 以及 PNCF 的调制解调映射思想， 这对同步要求相应较高。 为此， 相关的文献主要讨论同步对整个性能的具体影响。 Zhang 等人 17 18 首先讨论了双向协作中继的同步问题， 主要 研究载波相位及载波频率误差条件和时间同步误差条件这两 个方面非同步对系统性能的影响， 并将一般无线多跳链路下 的非同步问题等价于图 1 中的经典双向协作场景。在四相相 移键控( Quadrature Phase Shift Keying，QPSK) 调制方式下， 两 种情形中的非同步平均功率总损失大约为 3 4 dB， 满足传统 无线网络中规定的最大可容忍的损失 10 dB， 并可获得 100% 的吞吐量增益。Wang 等人 19 提出了一种基于线性卷积码的 信道编码方案， 对同步误差显示出一定的健壮性， 在双向中继 场景中执行 PNCF 的解码操作较为简洁， 降低了解码/解调的 复杂度， 并获得了吞吐量增益。Rossetto 等人 20 针对解码转 发中继的 PNCF， 引入一种基于软输出的解调方法， 可进一步 提升信道解码器的性能以及降低系统的误比特率( Bit Error Rate，BER) 。为了将 PNCF 应用于实际无线协作通信网络 中， 尽可能的同步必然成为首要考虑和解决的问题。 2) PNCF 与协作通信理论相结合。 PNCF 由于是一种结合物理层的信号处理技术， 因此， 一 方面与信道编码相结合可以获得相应的性能提升。文 献 21 22 中均提出了一种网络编码与信道解码相结合的 类似机制， 与传统方式不同， 网络编码操作先于信道解码， 这 样中继点仅仅只需单个信道解码过程， 其解码复杂度降低 50%， 在加性高斯白噪声 ( Additive White Gaussion Noise， AWGN) 信道下， BER 为 10 5 时， 性能损失仅为 0 5 1 dB。 Ao 等人 23 提出了 PNCF 与信道编码的联合设计， 充分利用 Turbo 码与网络编码的线性性直接估计网络编码码字， 与具有 6102计算机应用第 31 卷 Turbo 多用户检测的传统网络编码相比， 在 AWGN 下， 误比特 率为 10 5时， 可获得 2 1 dB 的性能增益。另一方面， 基于现 有协作通信中的相关理论技术， 如何与 PNCF 技术相结合以 提升系统的整体性能也是当前的研究热点。如基于 PNCF 的 中继选择技术及多入多出( Multiple- Input Multiple- Output， MIMO) 技术 24 25 、 不同调制方式下性能影响26 29 、 分集增 益保持性 30 和功率最优控制31 等。由于 PNCF 应用在无线 协作通信中完全采用了一种与传统方式截然不同的方式， 为 此， 需要对两者之间的结合展开研究， 以充分发挥各自的优 势， 进一步提升整体性能。 3) PNCF 的编解码方式。 目前， 大多数讨论都是基于将无线电磁波信号的叠加映 射到 GF( 2) 上的数据比特流运算， 但它仅适合两源信号的叠 加， 也即图 1 中所示的双向协作中继无线网络。为此， Nazer 等人 32 34 将仅适用于特定的双向中继网络的 PNCF 技术扩 展到一般无线协作网络场景。 该方法允许每个中继节点将干 扰信号映射到更大的域 GF( q)上的所传输信息的线性组合， 编码采用划分格( Lattice Partition，LP)的方式， 可使得该映 射变得可靠和高效。 但该方法本质上属于信息论， 并且要求素 域 q和码字长度足够大， 导致效率低下。 由于大多数划分格具 有向量空间结构， 为此， Feng 等人 35 给出了将划分格映射到 向量空间的充分条件， 给出了 PNCF 的一种代数构造方法， 利 用 Smith 标准形构造具体的编码和解码， 结果显示该方法相 对传统方式更简单、 更高效， 实验仿真结果也表明在 9 正交幅 度调制( 9 Quadrature Amplitude Modulation，9QAM) 调制下可 获得约 8 3 dB 增益和最高约 90% 的吞吐率。但为了进一步 提升吞吐率， 还需要相应的精细化设计， 比如文献 36 37 采用低密度格编码( Low Density Lattice Code，LDLC) 方法可 以获得相应的编码增益。但具体如何利用这些方法， 还需要 经过进一步的实验论证以及相应的详细理论分析。 4) PNCF 在相关场景中的性能分析。 PNCF 主要在双向协作中继、 上行多址接入中继等最基 本的模型展开研究。在信道状态信息已知或部分已知， 具备 良好的同步， 特定的信道条件， 如平坦衰落信道或者是瑞利衰 减信道等假定条件下讨论 PNCF 引入对系统吞吐率、 误比特 率、 容量、 总可达速率等的影响， 并进一步引入信息论中的两 种度量方法 中断概率( Outage Probability) 和遍历容量 ( Ergodic Capacity) 进行讨论 38 41 。理论分析和实验仿真结 果表明， 与其他方式相比较， 采用 PNCF 的方案能够获得更好 的系统性能和更好的吞吐量。 1 2模拟网络编码 ANC 首先是由 Katti 等人 42 提出， 它建立在 PNCF 基础 之上， 主要出发点仍然是基于双向协作中继场景， 与 PNCF 相 比， 它主要基于放大转发型中继， 充分利用无线电磁波信号的 天然叠加， 将该叠加作为编码的一部分， 而不需要相应的调制 解调与映射机制实现编码与解码。因此， 相对于 PNCF， ANC 只需在中继处做简单处理， 引入相应的功率放大因子， 用以保 障第二个时隙广播的叠加信号在目的点都能够有效接收。因 此， 它的简洁性和高效性受到了极大的关注。目前， 针对 ANC 的主要研究基于以下几个方面。 1) 同步问题。 与 PNCF 类似， ANC 由于利用有效干扰的方式， 中继转发 的是叠加的信号， 目的节点接收机首先需要校正信道畸变， 然 后将已知的自身信号从叠加信号中消除掉， 进而得到对方的 信息， 所以它需要叠加的电磁波信号尽可能地保持同步。基 于此， Li 等人 43 讨论了在双向协作中继场景下的 ANC 机制， 在频率选择性衰减条件下， 两 源 点 采 用 正 交 频 分 复 用 ( Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM) 块， 中继 接收到后经简单处理再广播， 使得叠加的信号具有正交空时 编码块( Orthogonal Space Time Block Code，OSTBC) 或者半正 交空 时 编 码 块 ( Quasi- Orthogonal Space Time Block Code， QOSTBC) 结构， 采用适当的功率分配， 可以获得满空间分集 和快速最大似然( Maximum Likelihood，ML) 译码而无需码元 级同步机制， 实验仿真结果表明， 在该机制下可获得满空间分 集增益。Katti 等人 42 在双向协作中继场景下提出了一种非 完全同步的 ANC 策略， 以及相应的 “干扰” 解码算法， 从而恢 复出有用信息， 实验结果表面， 相对于传统的存储转发中继和 传统的网络编码， 吞吐量得到了进一步提升。显然， 若能保持 良好的同步， 使得信号的叠加尽可能充分， 吞吐量将还会有进 一步的提升。 2) ANC 与协作中继理论结合。 与 PNCF 相比， ANC 在无线协作通信网络中运用的场景 基本一致， 但由于处理方式不一样， 所以相应的着眼点也存在 显著差异。目前主要集中在与中继选择策略、 调制方式以及 智能天线中的波束赋形( Beamforming) 相结合， 理论上证明相 应的性能增益， 并实验仿真进一步验证相应的性能以及对中 断概率的影响。Song 等人 44 提出了采用差分调制的联合中 继选择的双向中继信道 ANC， 结合次优的最小最大化误码 率( Symbol Error Rate，SER) 标准的中继选择， 实验仿真结果 表明， 它可以获得与传统最优中继选择一样的性能， 但方法更 为简洁。Zhang 等人 45 在双向协作中继场景下， 假定两个源 点配置单天线， 中继处配置多天线， 在中继处采用波束赋形的 线性信号处理， 在给定功率限制下讨论其理论容量范围， 提出 最优波束赋形结构， 然后基于凸最优技术， 给出了一种有效计 算最优波束赋形矩阵的算法， 实验结果表明， 与解码转发中继 的双向中继信道相比， 该方法可以获得一定的容量增益。与 此同时， Yao 等人 46 针对两源单中继单目的点的多址接 入高斯信道， 将中继同时接收到的两路叠加信号经处理后转 发过程称为 ANC 映射， 主要讨论了缺乏直传链路下的多址接 入非线性映射机制， 并采用基于阿基米德螺线( Archimedean Spiral) 将两路模拟信号映射为单路的广播信号， 进而讨论存 在直传链路下的多址接入信道， 充分利用直传信道的部分信 息， 采用基于锯齿映射( Sawtooth Mappings) 机制， 实验仿真结 果表明， 与传统方式相比较， 其可达速率范围及总速率可得到 显著提升。 3) ANC 在相关场景中的性能分析。 ANC 作为一种新的物理层网络编码技术， 其性能分析主 要集中在不同协作中继场景下的遍历容量， 吞吐量的提升， 以 及无线宽带中 ANC 的应用。Maric 等人 47 考虑到 ANC 本身 的缺陷 噪声传播特性， ANC 仅在高信噪比( Signal- to- Noise Ratio，SNR) 条件下才能获得较好性能的特点， 集中在 高 SNR 条件下讨论可达速率， 通过增加功率得到相应的上 界。Sagduyu 等人 48 在单中继多源点多目的点的场景 下， 讨论了传统网络编码与 ANC 策略， 实验结果表明， 与传统 方式相比较， 传统网络编码与 ANC 在该场景下可提升吞吐率 大约分别为 20% 和 50%， 但 ANC 方式下的目的点解码平均 错误概率相对于传统网络编码较高， 延迟较低。Gacanin 等 人 49 提出来了无线宽带 ANC， 在频率选择性衰减的双向协作 7102第 8 期赵明峰等: 物理层网络编码研究进展 宽带信道下， 基于 OFDM 和单载波接入， 采用具有宽带 ANC 的频域均衡方法降低频率选择性衰减的影响， 通过理论及实 验仿真评估该方法对系统的 BER 及遍历容量的影响， 结果表 明， 与传统协作方式相比， 由于接收目的节点缺乏一定的分集 合并( Diversity Combining) 导致获得的系统遍历容量降低。 4) ANC 缺陷与不足。 ANC 除了对同步要求较高外， 其自身的特点决定了其固 有的缺陷与不足。一方面， 由于接收到的是叠加信号， 该叠加 信号包含目的点接收机已发送的信号， 为此需要消耗额外的 功率， 对目的点来说带来了一定的功率损失。为此， Hao 等 人 50 提 出 了 在 ANC 中 引 入 THP ( Tomlinson Harashima Precoding) 策略降低功率放大因子。实验结果表明， 该方法较 ANC 可以获得大约 0 4 0 6 dB 的信噪比增益。另一方面， 由于噪声的传播特性， Sharma 等人 51 研究了多源单中继 多目的点的协作场景， 采用 ANC 方式是否能够较其他方式获 得更好的性能增益， 他将 ANC 整个过程中所带来的额外噪声 定义为 ANC 噪声， 实验结果表明， 在特定的条件下， ANC 获得 的性能甚至比传统的协作中继以及直传方式还差， 并且随着 源与目的点对数的增加， 有效的信噪比显著降低， 从而导致可 达速率显著降低， 进一步证实了 ANC 噪声对协作中继场景性 能的影响。 1 3复数域上的网络编码 CFNC 是由 Wang 等人 52 提出， 它也是建立在 PNCF 基础 之上， 并结合现有无线协作通信理论， 以获得吞吐率的进一步 提升以及满分集增益。PNCF 本质上是通过调制解调及映射 机制将无线信号转化成为比特级上的运算， 而 CFNC 则进一 步应用在物理层码元级上的运算。本文以两源单中继单 目的点为例， 以实例直观地体现 CFNC 的优势。图 2 所示的 无线中继网络中描述了传统中继、 PNCF 中继及 CFNC 三种方 案。在图 2( a) 中， 传统中继为避免相互干扰而采用时分多址 的方式， 整个过程需 4 个时隙完成每信源一个符号的传输， 吞 吐量为 1/4 Sym/S/TS。图 2( b) 为 PNCF 中继方案， 由于存在 直传以及源点之间相互的干扰， PNCF 无法实现两源点同时 发送和在 D 正确解码， 因此源点 S1和 S2也只能采用时分多 址方式， 第三个时隙再利用编码操作将叠加的信号转发给 D。 因此， 它的吞吐量可达1/3 Sym/S/TS， 并可以获得2 阶分集增 益。 图 2( c) 中的 CFNC 可进一步提升吞吐量。在相同的时 隙， 两源点可同时发送信号 1x1和 2x2( 其中 1和 2属于复 数域C) ， R接收到干扰的信号后， 通过ML解调获得叠加的信 号， 并在第二个时隙转发给 D， D 接收到后， 结合第一个时隙 收到的信息， 利用 ML 检测可分离解出对应的信号 x1和 x2 。 因 此， 它的吞吐量可达 1/2 Sym/S/TS， 并也可获得 2 阶分集增 益。 它与 PNCF 的主要区别在于: CFNC 能够实现复数符号序 列和线性叠加之间的一一映射， 但PNCF无法实现。 如图2( c) 中所示， 中继 R 接收到叠加的叠加信号为 u = 1x1 + 2x2 ， 若 1x1 + 2x21x2 + 2x1成立， 当且仅当x1x2。 显然， 对源点 S1和 S2来说， 发送的信号是不同的， 因此有序对( x1，x2)与 u = 1x1+ 2x2之间满足一一映射。 但对 PNCF 来说， 由于 x1 x 2 = x2 x1， 显然不满足一一映射， 故无法实现最终信 号的分离与解码。 目前， 针对 CFNC 的相关讨论相对较少， 主要贡献还是 Wang 等人 52 54 在此基础上的一些扩展场景中的研究与分 析。 文献 53中对一个具有多源( 数目为 NS) 、 多中继( 数目 为 NR)和单接收节点的中继协作网络进行了讨论， 结果表明 CFNC总是能够获得1/2 Sym/S/TS的吞吐量， 而PNCF的吞吐 量仅为 1/( NS+ NR)Sym/S/TS， 传统中继的吞吐量则仅仅是 1/( NS+ ( NR+ 1) )Sym/S/TS。 而且在不考虑 SNR 和星座尺 寸情况下， CFNC 都能够实现满分集增益。 文献 54针对任意 的源与目的点对， 每个源点都可与所有其他目的点通信的 Ad Hoc 无线网络场景， 充分利用 CFNC 可处理 n 个源节点同 时发送信号的特点， 提出了一种针对源点数较多情形下的分 级 CFNC 机制， 在固定的区域范围内， 随源点数 n 的增加获得 渐进的最优二次方容量( Quadratic Capacity) 。Li 等人 55 在 两源点单中继两目的点的协作中继场景下讨论了基于 CFNC 的信号叠加转发机制， 结合功率分配和预编码设计， 并 以系统的误帧率( Frame Error Probability) 衡量系统的性能， 实 验结果表明， 该机制可获得更好的性能。 图 2两源单中继单目的点下的三类模型 尽管 CFNC 在特定的场景下能够进一步提升系统的吞吐 量以及频谱效率， 但相对于其他两类物理层网络编码来说， 需 要更为精细的设计和要求， 包括复数 的选取， 中继处对接收 的叠加信号处理， 目的点如何正确解码， 同时由于必须考虑直 传链路， 所以对链路质量有相当高的要求， 如何保持较好的同 步等， 这些都需要进一步展开研究和讨论。 2物理层网络编码的实现 经过上述分析， 物理层网络编码在无线协作通信中具备 较大的应用潜力， 它可以广泛应用于无线 Ad Hoc 网络、 Mesh 网络、 无线传感网络以及下一代移动协作通信网络中。Zhang 等人 18 将双向协作中继物理层网络编码扩展到一般无线多 跳网络， 并给出相应的同步机制， 为物理层网络编码的实际应 用奠定了坚实的理论基础。在构建实际的验证测试环境中， 存在如下一些难点。1) 由于实际环境中的无线信道特点使 得信号易发生畸变， 这使得源点所发送前的信号与接收到叠 加信号中原自己发送的信号存在不一致， 在采用物理层网络 编码时， 提取出原有信号较为困难， 因此需要对信道的影响采 取相应的补偿措施。2) 由于物理层网络编码对同步要求较 高， 若没有一定的同步机制实现多源所发送信号的充分叠加， 则物理层网络编码的优势荡然无存。但要保障完全的同步却 难以实现， 为此实际设计过程中需考虑非完全同步下的具体 设计方法。3) 由于物理层网络编码机制的实现涉及到通信 理论、 信号检测与处理及计算机科学应用等相关的多学科融 合， 它的引入打破了传统的信号处理方式， 因此需要从物理层 8102计算机应用第 31 卷 到上层设计新的通信系统， 必须深入了解物理层、 调制、 时钟 恢复以及信号处理等技术， 并对原有的相关协议进行较大更 改。 率先将 PLNC 应用于实际无线协作场景是由 MIT 的 Katti 等人 42 所提出的 ANC 机制， 该机制详细论述了 ANC 在双向 协作中继以及两源单中继两目的点场景下的实现细节， 采用软件无线电( Software Radio) 构建了真实测试床， 借助于 最小频移键控( Minimum Shift Keying，MSK) 调制， 在导频序 列中增加一些头部以区分源、 目的及序号等信息， 并给出了相 应的解码算法。实际测试结果表明， 在双向协作中继和两 源单中继两目的点协作中继场景下， 与传统中继转发方 式相比， 吞吐量分别可提升大约 70% 和 65%， 与传统网络编 码方式相比， 吞吐量可提升大约 30% 和 28%， 但所带来的 BER 大约为 4%， 甚至在后一种场景下还要高， 为此， 为了弥 补这一损失， 需要额外的约 8% 的冗余( 即纠错码) 以增强传 输数据的可靠性。 尽管该机制在真实场景下验证了物理层网络编码可以有 效提升吞吐量， 但受制于相应的硬件条件以及实现机制。即 采 用 通 用 软 件 无 线 电 外 设 ( Universal Software Radio Peripheral，USRP) 和 PC 机作为硬件平台， 但 USRP 受制于本 身 USB 接口以及现场可编程门阵列( Field- Programmable Gate Array，FPGA) 处理能力， 再加之 PC 机的处理能力等因素制 约， 难以获得较高的吞吐量， 再加之软件平台建立在开源软件 无线电( GNU Radio) 之上， 导致带来一定的时延， 难以保证尽 可能的同步， 实验结果也充分说明了这些缺陷对性能的影响。 此外， 该机制建立在 MSK 调制基础之上， 效率较低， 并且仅实 现了基于 ANC 的应用。目前， 由于 USRP 已升级为 USRP2 ( 采用千兆以太网接口以及更高的处理能力) 和 PC 处理能力 的提高， 以及微软亚洲研究院所提出的基于 Sora 的软件无线 电平台， 这些能够为物理层网络编码的应用实现提供更有效 的硬件基础。 3结语 物理层网络编码技术已被证明是可以逼近无线网络传输 容量极限的有效方法。目前的研究领域已扩展到与新一代无 线协作通信中的新技术相结合的各个层面， 并且新的理论和 应用场景仍在不断涌现。从目前的发展现状看， 无线网络编 码的理论研究尚处于初级阶段， 具体场景中的实际应用还需 要解决诸多问题， 还有大量技术问题亟待解决。无线网络编 码技术未来的发展方向主要体现在以下几方面。 1) 物理层网络编码理论的进一步完善。现有的物理层 网络编码主要针对简单的双向协作中继以及其他相关的两跳 无线协作通信网络场景， 但在多跳协作通信场景中， 如无线 Mesh 网络、 传感器网络及 Ad Hoc 网络中讨论物理层网络编 码方案及其性能的相关理论及机制还非常有限， 还需要深入 地展开分析与研究， 这样才能为物理层网络编码在一般多跳 无线网络中的实现奠定理论基础。此外， 如何将有线中的网 络编码成果应用到无线协作网络， 且实现性能的鲁棒性、 高效 性以及降低所带来的编解码时延， 这也是一个亟待解决的问 题。 2) 物理层网络编码与其他相关领域的技术结合。包括 与无线协作通信中的中继选择、 功率分配、 协同编码用户配 对、 资源分配、 信道自适应以及数字信号处理等相结合， 这些 都是需要进一步研究的方向。 3) 物理层网络编码的进一步实现。目前， 仅 ANC 在软件 无线电平台下实现了简单的两类场景， 但实际结果与理论值 相差甚远， 还需进一步改进以及设计更为高效的编解码算法， 距离实际应用还有很大的距离。对于有限域的物理层网络编 码及其复数域网络编码的应用实现及性能验证也是未来一个 需要进一步解决的问题。 4) 物理层网络编码的安全性问题。由于物理信号的特 点， 使得信号容易遭受幅度以及能量攻击， 从而导致信号严重 畸变， 破坏其编码条件， 导致物理层网络编码难以实现56 。 因此， 物理层网络编码的安全性也是一个需要研究的新方向。 物理层网络编码作为一项新兴的无线网络应用技术， 从 理论到实际应用都还处于不断完善和丰富的阶段， 为此， 需要 进行详细的研究和设计。上述问题的深入研究必将对物理层 网络编码理论及实现起到极大的促进和推动作用。 参考文献: 1AHLSWEDE R， CAI N， LI S- Y R， et al Network information flow J IEEE Transactions on Information Theory， 2000， 46(4) : 1204 1216 2YEUNG R W， LI S- Y R， CAI N， et al Network coding theory M Boston: Now Publishers， 2006 3National Science FoundationNetwork coding home page EB/ OL (2003 10 29) 2011 01 20 http: / /www network- coding info 4HO T， LUN 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