（通信与信息系统专业论文）网络编码及协作通信关键技术研究.pdf

摘要 随着现代社会对无线通信需求的扩大，人们不断追求更高质量的无线传输速 率和服务质量。但无线通信中信号传输的多经衰落效应始终是困扰传输速率和服 务质量提高的最大问题。利用多天线( m 蹦o ) 技术进行信息传输，不仅可以获 得传输分集，有效抵抗多经衰落的影响，提高通信质量，而且还可以极大地提高 无线通信容量。但是无线通信系统中的许多用户终端由于受到体积、重量、成本 等因素的限制，并不适于多天线技术。协作通信中，单天线用户问通过协作，共 享天线，可以实现虚拟的多天线，获得分集增益。网络编码技术从根本上打破了 传统通信网络中网络节点对输入信息的处理方式，可有效地增加网络系统的吞吐 率和可靠性。当网络编码技术应用于无线协作通信网络时，可进一步改善系统的 频谱效率。 本文对网络编码、协作通信以及网络编码与协作通信相结合等技术问题进行 了深入研究，获得了一些成果。主要内容包括： 1 针对多播网络的链路失败恢复问题，从纠删码的编译码思想出发，提出 了一种基于网络编码的可靠多播网络系统的构造方法。同时根据网络编 码多播的信息流分解方法，给出了一种在较小的编码符号域上构造网络 码字的方法，简化网络编码的复杂度。 2 设计了一种基于t u r b o 乘积码的编码协作通信方案。给出了二维t u r b o 乘积码在两用户协作网络下的码字构造方式，以及用户和基站的编译码 方法，分析了该协作方案在瑞利慢衰落信道下的性能。 3 提出了一种基于网络编码的自适应编码协作传输分集方案。用户信息在 协作用户协助下以不同的码字形式发送给目的基站，通过基站对用户信 息译码结果的有限反馈，协作用户对本地信息和中继信息选择性地采用 物理层网络编码即信号重叠调制方式进行处理，使得用户发送功率可以 在本地信号和中继信号间得到有效的分配。基站对接收到的叠加调制信 号采用多用户联合检测和译码。 4 针对多址接入中继网络下的无线编码协作，提出了一种基于网络编码的 协作混合重传请求( h a r q ) 协议。中继节点响应基站对两用户信息的 重传请求。当两用户的信息都需要重传时，中继节点采用物理层网络编 码方式对两用户的增加冗余帧进行合并处理，然后重传给基站。与传统 的非网络编码协作h a r q 协议相比，该协议需要较少的硬件和带宽资源。 关键词： 协作通信网络编码t u r b o 乘机码重叠调制 混合灿 a b s t r a c t 、矾t l lt h ei n c r e a s i n gd e m a n d so fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns e r v i c e si nt h em o d e ms o c i e t y , h i g h e rt r a n s m i s s i o ns p e e da n dq o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) a r ec o n t i n u o u s l yp u r s u e d h o w e v e r , m u l t i - p a t hf a d i n ge f f e c t sa r ea l w a y st h eb i g g e s tp r o b l e m so fi m p r o v i n gt h et r a n s m i s s i o ns p e e da n d q o si nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s m u l t i p l ea n t e n n at e c h n i q u e s ( m i m o ) c a nn o to n l ya c h i e v e t r a n s m i td i v e r s i t y , w h i c hi sw i d e l ya c c e p t e da so n eo ft h em o s te f f e c t i v ew a y st oc o m b a tm u l t i - p a t h f a d i n gi m p a i r m e n t so v e rw i r e l e s sc h a n n e l s ，b u ta l s oi m p r o v ec o m m u n i c a t i o nq u a l i t ya n di n c r e a s e t h es y s t e mc a p a c i t y h o w e v e r , d u et os u c hf a c t o r sa ss i z e ，c o s t , h a r d w a r ea n ds oo n , m u l t i p l e a n t e n n a sc a nh a r d l yb ei m p l e m e n t e do nas m a l lp l a t f o r m , f o re x a m p l e ，am o b i l eh a n d s e to ra w i r e l e s ss e n s o rn o d e i nac o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m , s i n g l e - a n t e n n au s e r sc r e a t eav i r t u a l m i m os y s t e mt h r o u g hs h a r i n gt h e i ro w na n t e n n a ss oa st oo b t a i nt r a n s m i td i v e r s i t yg a i n n e t w o r k c o d i n gi san e wt e c h n o l o g y , w h i c hb r e a k st h ei n p u ti n f o r m a t i o np r o c e s s i n gm e t h o d so fn o d e si n t r a d i t i o n a lc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s t h i st e c h n o l o g yc a ne f f e c t i v e l yi m p r o v et h et h r o u g h p u ta n d r e l i a b i l i t yo fn e t w o r ks y s t e m s w h e nn e t w o r kc o d i n gi sa p p l i e dt oc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n s ， s y s t e ms p e c t r a le f f i c i e n c yc a nb ei m p r o v e df u r t h e r i nt h i sd i s s e r t a t i o n , s o m ek e yt e c h n o l o g i e so fn e t w o r k c o d i n ga n dc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n a 陀s t u d i e d s e v e r a lr e s u l t sa g oo b t a i n e d t h e ya r e i p r o b l e m so nl i n kf a i l u r er e c o v e r yi nm u l t i c a s tn e t w o r k sa r ec o n s i d e r e d f r o mt h ei d e ao f e r a s u r ec o d e s ，aw a yt oc o n s t r u c tar e l i a b l em u l t i c a s ts y s t e mb a s e do nn e t w o r kc o d i n gi s p r e s e n t e d b a s e do nt h ei n f o r m a t i o nf l o wd e c o m p o s i t i o no fn e t w o r kc o d i n g , aw a yt o c o n s t r u c tt h en e t w o r kc o d e si nas m a l l e rf i e l di s p r o p o s e d , w h i c hc a l ld e c r e a s et h e c o m p l e x i t yo fn e t w o r kc o d i n g 2 an o v e lc o d e dc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o ns c h e m ei nt h eu s eo ft u r b op r o d u c tc o d e ( 1 1 p c ) i sp r e s e n t e d ac o n s t r u c t i o nm e t h o do ft p cc o d e w o r d sf o r t h e t w o - u s e r c o o p e r a t i v en e t w o r ka n dt h ee n c o d i n ga n dd e c o d i n gm e t h o d so ft h eu s e r sa n db a s e s t a t i o na r eg i v e n t h es y s t e mp e r f o r m a n c ei ss i m u l a t e da n da n a l y z e do nf l a tr a y l e i g h f a d i n gc h a n n e l s 3 a na d a p t i v ec o d e dc o o p e r a t i v ed i v e r s i t ys c h e m eb a s e d0 1 1n e t w o r kc o d i n gi sp r e s e n t e d a u s e r sd a t ai st r a n s m i t t e dt ot h eb a s es t a t i o nw i t l lt h eh e l po fa n o t h e rc o o p e r a t i v eu s e ro n d i f f e r e n tc o d e w o r d s b a s e do nt h el i m i t e df e e d b a c ko ft h eb a s es t a t i o n , c o o p e r a t i v eu s e r s p r o c e s st h er e l a ya n dl o c a ls i g n a l sw i t hp h y s i c a l l a y e rn e t w o r kc o d i n gi e s i g n a l s u p e r p o s i t i o nm o d u l a t i o n , w h i c hm a k e st h ep o w e ra l l o c a t e db e t w e e nt h er e l a ya n dl o c a l s i g n a l se f f e c t i v e l y m u l t i u s e rj o i n t d e t e c t i o ni sa d o p t e da tt h eb a s es t a t i o nb e f o r e d e c o d i n gt h er e c e i v e ds u p e r p o s i t i o ns i g n a l s f o fam u l t i p l ea g c c s sr e l a yn e t w o r lan e t w o r kc o d e dc o o p e r a t i v eh y b r i d - a r qp r o t o c o l i sp r e s e n t e d t h er e l a yn o d er e s p o n d st ot h er e p e a t e dr e q u e s to ft h eb a s es t a t i o n w h e n b o t l lu s e r s ，d a t af - r a f f l e sn e e dt ob er e t r a n s m i t t e d , t h er e l a yn o d ep r o c e s s e st w ou s e r s i n c r e m e n t a lr e d u n d a n c yf r a m e sw i t hp h y s i c a l - l a y e rn e t w o r kc o d i n g ，a n dt h e nt r a n s m i t s l ec o d e df r a m et ot h eb a s es t a t i o n c o m p a r e dw i t hc o o p e r a t i v eh y b r i d - a r qp r o t o c o l w i t h o u tn e t w o r kc o d i n g , o u rp r o t o c o lr e q u i r e sf e w e rh a r d w a r ea n db a n d w i d t hr e s o u r c e s k e y w o r d s ：c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n n e t w o r kc o d i n g t u r b op r o d u c tc o d e s u p e r p o s i t i o nm o d u l a t i o n h y b r i d a r q 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 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做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：日期 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 本人签名： 导师签名： 日期 日期 第一章绪论 第一章绪论 本章首先介绍了本文研究的背景知识，即无线通信发展存在的主要困难， 以及克服这些困难的一些关键技术，然后介绍了无线协作通信技术、网络编码 技术和基于网络编码的协作通信技术的发展和研究现状。最后总结了作者在攻 读博士学位期间所取得的主要研究成果并给出了论文的内容安排。 1 1 研究背景 无线通信系统从其诞生以来，始终以人们的需求为目标快速发展。随着 移动通信、数据通信和i n t e m e t 的飞速发展和日益融合，传统的以语音和低速 率数据业务为主的无线通信方式已不能满足当今信息社会快速发展的需要。 移动用户对多种业务的需求不断增加的同时，对通信速率的要求也在不断地 提高。数十到数百m b p s 的高速高质量的实时多媒体和非实时的高速数据传 输，多网合一和多种业务融合等都促使人们对未来移动通信技术进行探讨和 研究。国际电信联盟( i t u ：i n t e m a l t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n ) 已经设想 在2 0 1 0 年左右的无线通信系统在高速移动和低速移动条件下应该分别支持高 达1 0 0 m b p s 和1 0 0 0 m b p s 的峰值无线传输速率，这就必须在概念和技术上寻 求创新和突破，采用全新的通信理论和技术，以解决频率资源有限与通信业 务量爆炸式增长的矛盾。为了克服这些困难，人们做了大量的研究工作，包 括各种频谱有效调制技术、先进的信道编码技术( t u r b o 码，l d p c 码) 、各种 自适应均衡技术、多用户检测技术、多载波技术、链路层的优化技术、各种 分集与协作技术、多天线的m i m o 技术以及网络编码技术等。 无线通信的基本问题是无线信道的不可靠性。与传统的有线传输相比， 无线传输不仅受到更高的噪声值、更严厉的相关传输干扰，而且受到传输信 号经由不同的传输路径造成的多径衰落的影响。多径衰落使发送信号变得扭 曲，因此在无线信道上维持一定的服务质量要比在有线信道更具挑战性i l j 。 分集是无线通信中一种有效地抵抗衰落影响的技术。通过若干个支路上接收 相互间相关性很小的载有同一消息的信号，然后通过合并技术再将各个支路 信号合并输出，便可在接收终端上大大降低深衰落的概率，从而提高多径衰 落信道下传输的可靠性，以获得分集增益。目前无线通信中抵抗衰落的显分 集技术主要包括空间、时间、频率、角度和极化分集等，抗衰落的隐分集技 2西安电子科技大学博士学位论文：网络编码及协作通信关键技术研究 术主要包括交织编码、调频和直接序列扩频等。 利用多发送多接收天线阵技术( m i m o ：m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e - o u t p u t ) 进 行信息传输，不仅可以提供空间分集，抵抗多经衰落的影响，提高通信质量， 而且还可以极大地提高无线通信容量。在理想情况下，信噪比、发射功率和 信道带宽都相同时，一个拥有根发射天线和m 根接收天线的m i m o 系统 在准静态衰落信道下可获得的最大分集增益为刎，而在信道复用情况下 m i m o 系统可提供的信道容量最多是单天线系统的r a i n ( m , 加倍。 虽然多天线技术已经得到较为深入的研究，并取得了显著的性能【2 】【3 j ，并 成为下一代无线通信系统中的必选技术，然而实际中，许多无线终端( 如手 机，a dh o c 无线网络和无线传感器网络中的节点等) 由于受到体积、重量、 成本以及硬件复杂度等诸多因素的限制，通常只能采用单根发射天线，而不 适合多天线，因此不能获得多天线系统( m i m o ) 带来的好处。幸运的是在 多用户无线通信网络中，可以采用分布的方式形成一个虚拟的多天线阵列。 这种技术被称作协作分集( c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y ) 【4 】f 2 。利用协作分集的通 信方式一般也称为协作通信( c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n ) 。其基本思想是单 天线用户通过共享自己的天线和其他资源，形成一个虚拟的多天线系统，来 获得分集增益。协作通信主要利用了无线传播媒介的两个基本特性：广播特 性和可以通过独立的信道获得分集的特性。协作分集在无线网络中有着重要 的潜在应用，包括蜂窝网、无线自组织( a dh o c ) 网络、无线m e s h 网络、无 线传感器网络( w s n ：w h e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ) 等【4 】【6 】。它在低成本条件下 是一种高效的无线资源分配解决方案，极有可能成为下一代通信网络中的网 络组成构架。 近些年来用户协作的另一个领域是网络编码技术( n e t w o r kc o d i n g ) 。2 0 0 0 年，香港中文大学的r w y e u n g 等瞄j 首次提出了网络编码技术，其核心思想 是网络中间节点对从多条路径接收到的信息进行一定的线性或非线性处理 ( 编码) ，然后再发送出去，节点起着编码器或信号处理器的作用。作者从信 息论的角度出发，严格证明了在多播网络通信中，通过编码的方式可以使信 息传输率达到网络的最大流限，从而编码的方式优于路由的方式。( 其实从广 义上来看，路由可以看成是一种特殊的编码。) 此发现推翻了在中间节点上对 传输的数据进行加工不会带来任何收益这一传统观点，由此给网络通信带来 了根本性的变革。网络编码在传输效率、可靠性、安全性、鲁棒性、普适性 及低计算复杂性等方面具有无可比拟的优越性，该技术必将被广泛地应用于 各种实际网络中。当网络编码技术应用于无线网络时，在提高网络吞吐量的 同时还可以有效地节省网络的能量消耗。 协作通信通过探讨信号通过直接和中继信道进行传输，来获得传输分集， 第一章绪论 减轻无线信道多径衰落的影响。这种中继传输将消耗额外的带宽资源，这就 意味着采用协作分集将导致系统吞吐率的损失。此外还要额外消耗协作中继 用户的能量。当网络编码技术应用于无线协作网络 2 3 1 - 2 卯，通过在协作中继节 点上对多个用户的接收信息以及自己的信息进行线性或非线性处理( 编码) 后再传输，可进一步提高网络的吞吐率，改善系统的频谱效率，降低网络的 能量消耗。 目前，协作通信技术、网络编码技术以及协作通信与网络编码相结合技 术已在国内外学术界和产业界引起了广泛的关注，并成为研究热点。 1 2 协作通信的发展 协作通信的思想源于中继信道 2 6 1 和多址接入信道 2 7 1 的研究。经典的中继 信道模型类关于三终端的通信信道是由v a nd e rm c u l e n 2 8 1 1 2 9 1 最早 提出和验证的。中继信道模型如图1 1 所示。在该模型中，节点彳发送一个信 号x ，目的节点c 和中继节点b 都可以收到受噪声污染的该信号。中继节点 b 基于它接收到的信号发送另外一个信号蜀给目的节点。这个模型可以分解 为一个广播信道( 彳发送，曰和c 接收) 和一个多址接入信道( 么和b 发送， c 接收) 。c o v e r 和e 1g a m a l 2 6 1 针对离散无记忆中继信道和高斯中继信道， 通过构造不同的随机编码方式获得了中继信道的三个可达码率上界，并发现 其容量受到组成的广播信道和多址接入信道的传输速率的最小值的约束。在 很多情况下，其总的容量要高于节点彳和c 间的单独容量。 广播信道多址接入信道 图1 1 中继信道模型 虽然协作通信在一些情况下类似于中继信道模型，但是协作通信有显著 的不同之处。s e n d o n a r i s 等基于w i l l e m s 早期的工作1 2 7 1 提出了用户协作通信 思想9 】【l o 】，并基于c d m a 实施方法给出了两个用户协作通信的信息理论模型。 4西安电子科技大学博士学位论文：网络编码及协作通信关键技术研究 协作通信中每一无线用户在发送自己数据的同时还要作为另外一个用户的协 作代理。也就是说，协作信号处理协议的设计应使用户在协助其它用户的同 时还能够发送自己的数据。s e n d o n a r i s 是第一个从事协作通信研究的学者，他 的杰出工作促使了该领域当前的发展。在协作通信中，从协作中继节点的工 作模式来看，可分为再生中继( r e g e n e r a t i v er e l a y ) 与非再生中继 ( n o n - r e g e n e r a t i v er e l a y ) 。非再生中继仅对接收到的信号进行功率放大，然 后转发给目的节点，也称作放大转剡1 1 】( a f ：a m p l i f ya n df o r w a r d ) ；而再生 中继对接收到的信号进行解调和译码，获得原始的信息，然后将原始信息重 新编码与调制后转发给目的节点，也称作译码转发【9 】( d f ：d e c o d ea n d f o r w a r d ) 。如果中继重新编码采用不同的信道码字，则称作编码协作【1 6 1 ( c c ： c o d e dc o o p e r a t i o n ) 。 协作通信作为一种新的通信方式，存在以下主要好处： 更高的空间分集增益：通过协作分集，用户可有效抵抗无线信道的小 尺度衰落和阴影衰落。 更高的吞吐率更低的时延：用户通过自适应协作可获得更高的数据 传输速率，同时减少重传次数和降低数据的传输时延。 降低干扰较低的发送功率：蜂窝网和无线局域网( w l a n ) 中的用 户采用协作分集可对频率资源更加有效地再利用，同时可降低用户发 送功率，减小小区间的干扰，扩展网络的覆盖范围。 对网络环境的自适应性：能对网络中的节点能量和带宽资源进行有效 利用和优化再分配，合理地利用网络资源。 现阶段，结合先进的信道编码技术、m i m o 空时编码技术、各种自适应 传输技术、联合译码多用户检测技术、高效联合解调迭代译码技术等，协作 通信技术得到了广泛的研究。根据实际系统的需求性、可靠性和应用场景下 的限制条件，提出了一系列适应蜂窝网络、无线a dh o c 网络和无线传感器网 络的高频谱效率、低复杂度的协作通信方案。由于协作分集的关键在于实现 协作用户间的资源共享，因此任何一种方案都需要占用额外的通信网络资源 ( 如时间、频率、空间、码字和功率等) 。另外，协作通信在本质上也属于跨 层问题，如协作伙伴的选择涉及到物理层、链路层、物理层和介质访问控制 ( m a c ：m e d i a a c c e s sc o n t r 0 1 ) 层等。因此，考虑使用协作通信技术所带来的 对整个网络总负荷的增加，以及网络现有高层协议之间的友好性，在资源优 化与平衡和系统性能之间取得一个合理的折衷问题也得到了研究。 目前有关协作通信的研究大体可分为以下几个方面： 第一，协作协议的设计及性能分析。无线通信协作协议的设计涉及用户 的多址接入方式、中继转发模式和协作网络模型等。其中多址接入方式包括 第一章绪论 5 时分多址( t d m a ) 、码分多址( t d m a ) 和频分多址( f d m a ) 等。中继转 发模式包括放大转发、译码转发、编码协作等，其它协作方案都是这三种方 案的改进和变形。协作网络模型包括多址接入中继网络、协作中继网络、双 向中继网络、组播中继网络等。协作的网络模型也从简单的单用户单中继单 基站扩展到多用户多中继多基站间的协作框架，中继和基站也从单天线形式 扩展到多根天线的形式。协作系统的工作模式也从半双工模式下的协作扩展 到全双工模式下的协作。此外，通过将协作分集与信道编码【1 6 】【2 、空时编码 【3 0 】- 【3 2 1 、t c m 调制 3 4 1 、o f d m 3 5 1 3 6 、预编码 3 7 1 1 3 8 1 和网络编码【2 3 卜m 等先进 技术的有机结合，形成了许多新的协作方案。系统在获得分集增益的同时还 获得信道编码增益、网络编码增益、系统频谱效率提高等好处，有效地提高 了协作系统的性能。现在，针对不同实际系统的需求、可靠性和应用场景下 的限制条件提出高频谱效率、低复杂度的协作通信方案，仍是协作通信领域 的研究重点。针对协作系统的性能分析则包括不同协作网络模型下不同协作 方案在不同衰落信道( 平衰落和频率选择性衰落) 下错误概率、中断概率、 分集增益、分集与复用的折衷、网络的容量限等。 第二，协作无线资源分配。协作无线网络中，由于需要协作节点辅助进 行信息的传输，这必然导致消耗额外的带宽、时隙和功率等资源，因此与直 接通信相比，协作通信需要更加合理的资源分配算法，以保证较低的复杂度 和较高的资源利用率来获得较好的通信性能。可以依据系统容量最大、传输 能量消耗最小、接收信噪比最大、误比特率最小和中断概率最小等不同准则 对协作系统中源用户和协作用户的发送功率进行优化分配【4 l 】州】。文献【4 5 】研 究了基于t d m a 协作传输的帧资源分配问题。文献【4 6 】研究了功率、时隙和 带宽资源联合分配问题。文献【4 7 】研究了采用o f d m 中继协作系统中节点功 率和子载波的联合分配问题。 第三，协作用户的选择和管理。这里主要研究在网络中如何确定某一用 户和其它用户进行协作，以及多长时间后需要重新进行协作用户的再分配。 对于蜂窝系统，由于所有的用户都要和基站进行通信，所以可以采用集中方 式。假设基站知道所有的用户之间信道的一些状态信息，可以按照某一给定 的性能指标( 网络中所有用户的平均块错误率最d x l 4 引或一定性能指标下能量 消耗最d , , t 4 9 】等) 对协作用户进行分配，使系统得到最优化。但是对于a dh o e 网 络和无线传感器网络来说，网络不存在一个中心控制，这样的系统需要一种 分布式的协作协议【3 0 】【5 0 i 。在该协议中，每一用户在任一时间按照一定的准则 自行决定和谁进行协作。需要特别指出的是，在协作用户的选择过程中可以 将其和用户功率分配联合起来进行优化p 。 第四，跨层设计问题。现代无线通信要求在传统协议栈的不同层提供各 6 西安电子科技大学博士学位论文：网络编码及协作通信关键技术研究 种自适应能力。为了使系统的总体性能最大化，需要不同层的协议能够有效 协作的方案。协作通信的跨层设计主要涉及协作分集和链路层自动重传请求 ( a r q ：a u t o m a t i cr e p e a t - r e q u e s t ) 相结合【5 2 1 。【删，以及协作分集与网络层的路 由相结合研究1 6 5 j 【d 丌。基于协作重传的a r q 技术可以有效减小网络中的重传 次数，从而提高系统的通过率( 频谱效率) 。协作路由可以有效改善多跳网络 中网络容量、用户间干扰和能量受限的影响。 第五，协作中的同步问题。现有的协作通信协议大都假设系统能够准确 同步，即协作节点之间、协作节点和目的节点之间、协作节点和中继节点之 间、中继节点与目的节点之间都是同步的，特别是分布式空时编码协作通信 协议p o j - 【3 2 j ，但是在实际中是很难实现的。在协作分集中如果同一信息由多个 协作用户发往同一目的节点，而多个协作节点到目的节点的时延不同，则协 作节点之间的同步问题与协作节点和目的节点间的同步问题就不能同时解 决。对于蜂窝移动通信系统下的协作通信而言，有可能做到节点间的准同步。 但是对于分布式的自组织网络和无线传感器网络而言，多个用户间的协作同 步就很难实现。文献 6 8 】【7 0 】研究了准同步和异步环境下的协作通信方式，但 是其频谱利用率和性能还不是很理想。 第六，基于协作机理的异构无线网络融合。异构网络融合是未来无线网 络通信发展的必然趋势。4 g 网络的一个主要特征就是能够提供多种不同无线 接入技术之间的互操作，无线局域网( w i ，a n ) 和3 g 网络的融合、a dh o c 网络与蜂窝网络的融合都是无线异构网络融合的重要模式。通过多用户、多 网络间的相互协作以及多网络接口的管理和资源的有效管理分配达到异构网 络间的协同工作，从而提高网络容量、降低能量消耗、增强移动管理、扩大 联通范围，最终实现多种异构网络的互通互联，形成一个全新的泛在化 ( u b i q u i t o u s ) 、智能化的网络瞵j 。 现在，基于中继的蜂窝网络结构已被纳入i e e e ( i n s t i t u t eo f e l e c t r i c a la n d e l e c t r o n i c se n g i n e e r s ) 推出的w i m a x ( w o r l di n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v e a c c e s s ) 标准1 7l j 和欧盟资助的w i n n e r ( w i r e l e s sw o r l di n i t i a t i v en e wr a d i o ) 标准1 7 2 1 ，具有极其广阔的应用前景。3 g p p ( 3 t hg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t ) 提出的l t e a d v a n c e d ( l o n gt e r me v o l u t i o n a d v a n c e d ) 标准【7 3 j 除了对r e l a y 方式进行了详细的规划外，还规划了一种含义更广的协作多点( c o o r d i n a t i v e m u l t i p l ep o i n t ) 传输方式，该方式可看作r e l a y 和c o o p e r a t i v e 方式的结合和 扩展，具体包括用户间、基站间、基站和中继间、用户和中继间的相互协作 等。我国于2 0 0 8 年启动的“新一代宽带无线移动通信网”国家科技重大专项， 并将协作分集技术研究列为一大项内容。今年，重大专项又增设了协作中继 的网络编码技术这研究内容。国内各大高校、研究机构和企业都投入了相 第一章绪论 7 当大的研究力量在该方面进行技术研究，以求推进相关技术的应用和标准化， 形成具有自主知识产权的关键技术。 1 3 网络编码的发展 自从2 0 0 0 年，r w y e u n g 掣2 2 】将编码的通信方式引入到网络通信，提 出了网络编码的概念，同时证明了在单点对多点的网络通信中，利用网络编 码可使信息传输速率达到网络的最大流限，从而使基于网络编码的通信方式 优于基于路由的通信方式，由此给网络通信带来了根本性的变革。考虑到线 性编码的简单性和实用性，s yr l i ，r w y e u n g 和n c a i 在后续工作中 提出了线性网络编码【7 4 】，并构造了码率达到最大流量的线性码，证明了线性 码的最优性。这一工作奠定了网络编码的理论和应用基础，引起了更多人对 网络编码的关注。由于文 7 4 】的杰出贡献，s yr l i ，rw y e u n g 和n c a i 被授予i e e ei n f o r m a t i o nt h e o r ys o c i e t y2 0 0 5 年度最佳论文奖。( 这是三十多年 来第一次由亚洲研究人员获此奖项) 。 网络编码作为一个全新的思想进入网络通信领域，突破了传统数据传输 的固定模式，带来了许多潜在优点： 首先，与传统的路由传输方式相比，网络编码可提高网络的信息传输速 率，增加网络的吞吐量。在有向图网络中，不乏编码比路由更可观地提高流 通量的例子【7 5 1 ，文【7 6 】【7 7 】通过网络拓扑图仿真也表明编码可有效地提高多播 容量。在无向图网络中，网络编码比路由最多能提高两倍的流通量1 7 引。 其次，网络编码可充分利用网络上的信道，使数据传输普适化( u n i v e r s a l ) 。 直观地说，对单信源网络进行适当的编码，可使每一个节点从信源节点所收 到的信息量达到信源节点到该点的最大流。这给我们带来的好处包括： 在构造网络编码及其编码器时不需知道信息接收者在网络中的具体 位置； 即使在从信源到某一节点的最大流量小于信源的信息率的情况下，在 该节点的用户也可以收到信源所产生的消息的部分信息，这样此用户 就可以利用这部分信息对信源消息作满足一定失真标准( d i s t o r t i o n c r i t e r i o n ) 的编码或列表译码( 1 i s td e c o d i n g ) ： 网络编码可使局域网轻易地接入主干网上( b a c k b o n en e t w o r k ) 【7 9 l 【删。 第三，网络编码可增加网络通信的鲁棒性( r o b u s t n e s s ) 和可调节性 ( a d a p t a b i l i 钾) 。经适当网络编码的数据具有同等的重要性，因此只要用户收 到了足够多( 无论来自什么地方) 的编码数据，他都可以从这些数据中正确 8 西安电子科技大学博士学位论文：网络编码及协作通信关键技术研究 地译出所需的消息来。这样，当部分节点处于休眠状态暂时停止发送消息时， 只要有足够的节点在工作，网络通信仍可正常进行。 第四，网络编码可带来一定的安全性和可靠性。当网络中数个链路被窃 听者接入时，如果恰当的对数据进行编码，可保护数据安全；当网络中数个 链路发生错误时，利用编码可以纠正错误。 最后，当网络编码应用于无线通信网络时【8 2 】【蚓，不仅可以提高信息传输 率，节约传输所需能量，而且可以使节点之间在所需能量方面进行折衷 ( t r a d e o f f ) 8 4 1 。值得指出的是，在文【8 6 】中提出了一个在无线a dh o c 网络上 求得最小能量多播( m u l t i c a s t ) 编码的多项式时间算法，而构造这种网络的路 由算法所用的最小能量多播树法( m i n i m u m e n e r g ym u l t i c a s tt r e e ) 是n p h a r d 问题。 此外，t a k un o g u c h i 等【8 7 】指出网络编码还可对整个网络起到负载均衡作 用，可作为流量工程的一种技术加以应用。 综上，由于网络编码在传输效率、可靠性、安全性、鲁棒性、普适性及 低计算复杂性等方面具有无可比拟的优越性，网络编码必将广泛地应用在各 种实际网络上，并可带来传统路由方式无法实现的效益。 早期的网络编码研究主要考虑无环的网络，网络卷积编码【8 8 1 凹1 是处理有 环网络中的信息传输的有力工具。文【8 9 】【9 0 】给出了卷积多播( c o n v o l u t i o n a l m u l t i c a s t ) 编码的一种多项式构造算法。此外，基于网络线性图的子树分解， c f r a g o u l i 等【9 i 】提出了一种方法，可以简化卷积编码器的设计，并利用相关 的矩阵结构和研究方法简化译码复杂度，并且讨论了在二元域上的可实现性。 现在，有关网络编码问题的研究已经成为国际信息领域研究的一个热点， 信息理论、通信理论和工程、网络、应用数学和计算机科学等不同学科或领 域中的研究和工程技术人员纷纷进入网络编码的研究。在网络编码的诞生地， 香港中文大学的w y e u n g 教授和& l i 教授组建了全球首创的网络编码研 究中心，进行网络编码的理论研究和工业推广。 目前有关网络编码的研究主要集中在以下几个方面： 第一，网络编码算法的设计。目前有关网络编码主要有确定性和随机性 两种编码方案，分别应用于不同的网络应用环境和框架。r k o e t t e r 等阱j 提出 了基于代数结构的网络编码算法，他们将有限域上的多项式法用到网络编码 的研究中，为网络编码理论研究提供了有效的代数研究工具。ps a n d e r s 等 9 3 】 和s j a g g i 等【舛】同时在线性网络编码的基础上提出了一种基于网络中信息流 传播的多项式时间构造单信源网络最优的算法。这两类算法的共同点是假设 网络的拓扑结构在构造编码时是已知的，编码是根据这一拓扑结构从总体上 考虑设计的，因而称为中心式编码。然而，在很多网络环境下，网络的拓扑 第一章绪论 9 结构可能是动态的，中心式编码很难应用到这类网络中。为了在动态拓扑的 网络中应用网络编码，t h o 等【9 5 】【蚓提出了分布式随机线性网络编码。其新颖 之处是网络中的节点并不需要知道网络拓扑结构，不用事先构造网络编码， 而是在通信过程中独立地、随机地选取输入链路至输出链路的线性映射。该 方式是分布式的，利用冗余的网络容量来提高成功概率，对拓扑变化或链路 失效具有鲁棒性。然而这种随机编码带来了一定的包头开销和编码失败风险。 此外，其所需的编码符号域较大，增加了编译码运算的复杂度。 第二，网络编码的性能分析。网络编码可以提高网络容量。已经证明： 应用网络编码可以逼近s h a n n o n 限瞄】。网络编码通过编码节点对输入信息线 性或非线性的编码处理，可以在不提高消耗带宽的情况性，使不同的信息同 时通过有限的链路，从而提高网络流量。对于无线网络中的网络编码性能分 析则需要应用网络信息论的知识，建立合适的网络模型来分析。yw u 等冈 研究了无线a dh o e 网络中的网络编码多播的性能，表明其不仅可以提高信息 传输速率，而且还可节约传输所需能量。此外，网络编码还可以使无线网络 节点之间在所需能量方面进行折中烨j 。 第三，基于网络编码的路由机制。目前仅有少数文献研究该内容。p s a n d e r s 等【9 3 】第一次在网络编码中考虑了多播路由问题。k b h a t t a d 等【9 8 】给出 了使用网络编码多播的信息流解释，并提出最小化参与网络编码包数目的集 中式算法，及基于网络编码的有线路由算法( 包括m u l t i c a s t 和u n i c a s t ) 。d s l u n 等唧】提出了在多播网络中建立最小费用多播连接的问题，并将其作为一 个线性规划问题来研究。结果表明，在有线网络中最小费用多播相对于有向 s t e i n e r 树可以节约1 0 3 3 的计算量。a l e e 等i l 叫考虑具有相关源网络的多 播路由选择问题，采用随机网络编码，在网络中进行子图构造，对链路速率 的分配提供一个线性最佳化描述。此方法需要联合分布式源和网络编码，比 独立源具有更低的费用。 第四，网络纠错编码。网络通信中，建立可靠的网络连接一直是人们重 点关心的问题，而基于网络编码