（通信与信息系统专业论文）自适应网络编码合作方案研究.pdf

摘要 摘要 自适应网络编码合作方案，将网络编码和跨层设计的概念引入到了用户合作 中来，并利用了低密度奇偶校验码的编码结构，改善了无线通信系统的性能。本 文从低密度奇偶校验码的校验矩阵结构出发，分析了传统自适应网络编码合作方 案的特点，找到了在合作过程中可以利用的信息，并在此基础上提出了改进的自 适应网络编码合作方案，实现了性能的提升。 本文首先简要介绍了分集技术的基本思想及分类。然后介绍了本文关注的方 向，即中继的概念，以及分布式通信系统中常用的中继模式以及合作分集协议。 本文接着引入了自适应网络编码合作方案的基本概念：在大规模无线网络环 境下，它将网络编码和跨层设计的概念引入到用户合作中来，并利用了低密度奇 偶校验码的编码结构，改善了无线通信系统的性能。同时，本文给出了详细的背 景技术和基本算法介绍。 在了解了基本概念的前提下，本文接着给出了自适应网络编码合作方案与传 统合作方案的性能比较。并在原有方案的前提下，找到了自适应网络编码合作方 案与传统编码的区别。文章从低密度奇偶校验码的校验矩阵结构出发，通过充分 利用中继过程中各个用户得到的信息，改良了接收端所形成的编码校验矩阵的结 构，从而提出了一种新型自适应网络编码合作方案。性能分析和仿真结果表明， 在基本不提高系统开销的前提下，该方法实现了性能的进一步提升。 在已有改进的前提下，本文又通过分析自适应网络编码合作方案的时分特 点，加入反馈机制，从而充分利用了接收端的已知信息，进一步优化了合作中形 成的校验矩阵的结构。性能分析和仿真结果表明，该方案实现了进一步的性能提 升。 本论文的研究结果可以为无线移动通信系统的设计提供良好的参考。 关键词：自适应网络编码合作，合作通信，低密度奇偶校验码，网络编码 第1 页共7 5 页 a b s t r a c t a b s t r a c t a n c c ( a d a p t i v en e t w o r kc o d e dc o o p e r a t i o n ) i n t r o d u c e st h ec o n c e p t s o f n e t w o r kc o d i n ga n dc r o s s - l a y e rd e s i g ni n t ou s e rc o o p e r a t i o n ，a n dm a p sn e t w o r k t o p o l o g yt ot h ec o d i n gs t r u c t u r eo fl d p c ( l o w - d e n s i t yp a r i t y c h e c k ) c o d e s i t a c h i e v e sp e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n ti nl a r g ew i r e l e s sr e l a yn e t w o r k i nt h i sp a p e r , w e a n a l y z et h es t r u c t u r eo fl d p cc o d e si nt h eo r i g i n a ls t r a t e g ya n df i n d o u tt h e d e f i c i e n c i e si n t h i sp a r i t ym a t r i x a c c o r d i n gt ot h i s ，w ep r o p o s ean e wa d a p t i v e n e t w o r kc o d e dc o o p e r a t i o ns t r a t e g y t h es t r a t e g yo v e r c o m e st h ed e f i c i e n c yi nt h e p a r i t ym a t r i xo fl d p cc o d e sb yt a k i n gf u l la d v a n t a g eo fi n f o r m a t i o nf r o mr e l a yu s e r s a n dt h ed e s t i n a t i o nu s e r t h et h e s i sf i r s ti n t r o d u c e st h ec o n c e p to fd i v e r s i t y , a n dt h ed i r e c t i o n ，t h ec o n c e p t o fr e l a y , w h i c ht h et h e s i sf o c u s e so n t h et h e s i sa l s oi n t r o d u c e st h er e l a ym o d e c o m m o n l yu s e di nd i s t r i b u t e dc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，a sw e l la sc o m m o nc o o p e r a t i v e d i v e r s i t yp r o t o c o l s t h es e c o n dp a r to ft h et h e s i si n t r o d u c e st h ec o n c e p to fa d a p t i v en e t w o r kc o d e d c o o p e r a t i o ns t r a t e g y ：i ti n t r o d u c e st h ec o n c e p t so fn e t w o r kc o d i n ga n dc r o s s l a y e r d e s i g ni n t ou s e rc o o p e r a t i o n ，a n dm a p sn e t w o r kt o p o l o g yt ot h ec o d i n gs t r u c t u r eo f l d p c ( 1 0 w d e n s i t yp a r i t y - c h e c k ) c o d e s i ta c h i e v e sp e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n ti n l a r g e w i r e l e s sr e l a yn e t w o r k i nt h es a m ec h a p t e r , t h et h e s i sa l s od e t a i l s t h e b a c k g r o u n dt e c h n o l o g ya n db a s i ca l g o r i t h mi n v o l v e di na n c cs t r a t e g y a f t e ru n d e r s t a n d i n gt h eb a s i cc o n c e p to fa n c cs t r a t e g y , w ec o m p a r et h eb e r p e r f o r m a n c eb e t w e e na n c cs t r a t e g ya n dt r a d i t i o n a lu s e rc o o p e r a t i o ns t r a t e g y i n l a r g ew i r e l e s sn e t w o r k i nt h i st h e s i s ，w ea n a l y z et h es t r u c t u r eo fl d p c c o d e si n a n c cs t r a t e g ya n df i n do u tt h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h ec h a n n e lc o d i n ga n dt h i s s t r a t e g y a c c o r d i n gt ot h i s ，w ep r o p o s ean e wa d a p t i v en e t w o r kc o d e dc o o p e r a t i o n s t r a t e g yw h i c ho v e r c o m e st h ed e f i c i e n c y i nt h eo r i g i n a ls t r a t e g yb yt a k i n gf u l l a d v a n t a g eo fi n f o r m a t i o nf r o mv a r i o u su s e r s ( r e l a yn o d e s ) 。p e r f o r m a n c ea n a l y s i sa n d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h i sn e ws t r a t e g ya c h i e v e sp e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n t w i t h o u ta n ya d d i t i o n a ls y s t e mc o n s u m p t i o no v e ro r i g i n a ls t r a t e g y w i t ht h eb a s i so ft h en e wa n c cs t r a t e g y , t h et h e s i sa n a l y z e st h et i m e - d i v i s i o n f e a t u r eo ft h en e wa n c cs t r a t e g y a c c o r d i n gt ot h i s ，t h et h e s i sa d d sf e e d b a c k m e c h a n i s mt ot a k ef u l la d v a n t a g eo ft h ei n f o r m a t i o nf r o mt h ed e s t i n a t i o nn o d ea n d 第1 i i 页共7 5 页 a b s t r a c t a l s op r o p o s en e wr u l e sf o rt h er e l a yu s e r st oc o n s t r u c tb e t t e rl d p cp a r i t ym a t r i x p e r f o r m a n c ea n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t t h i sn e ws t r a t e g ya c h i e v e f u r t h e rp e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n t ， t h er e s e a r c ho ft h et h e s i sc a np r o v i d es o m eg o o dr e f e r e n c e st ot h ew i r e l e s s m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e md e s i g n k e y w o r d s ：a n c c ；u s e rc o o p e r a t i o n ；l d p c ；n e t w o r kc o d i n g 第1 v 页共7 5 页 插图目录 插图目录 图1 1多用户合作通信原理图5 图2 1自适应网络编码合作方案示意图7 图2 - 2 简单的中继网络模型( a ) 常规中继策略( b ) 网络编码中继策略9 图2 3 有线网络中网络编码的一个规范性模型1 0 图2 4 无线网络编码1l 图2 5 采用网络编码的5 节点简单网络。1 2 图2 - 6 ( 1 0 ，2 ，4 ) l d p c 码的校验矩阵1 4 图2 7 ( 1 0 ，2 ，4 ) 校验矩阵的t a n n e r 图表示。1 5 图2 _ 8b p 译码算法原理图1 6 图2 9l d p c 码的树状示意图2 3 图2 1 0 半高斯近似法下的外信息转移图。2 4 图3 1全部重传方案示意图。2 6 图3 - 2 部分重传方案示意图。2 6 图3 3 空时编码合作方案示意图2 7 图3 4自适应网络编码合作方案示意图2 7 图3 5网络结构图和稀疏编码图的映射( a ) 动态变化的网络拓扑结构图( b ) 与网络拓扑结构相对应的稀疏编码图一2 9 图3 - 6 中继自适应网络编码合作方案示意图2 9 图3 7 中继自适应网络编码合作策略的l d p c 校验矩阵3 0 图3 8 用户数为1 0 0 0 时，各个方案的外信息转移图比较3 2 图3 - 9自适应网络编码合作方案与传统合作方案的性能比较图3 4 图3 1 0 用户数为1 0 0 0 ，q = 9 的a n c c 方案校验矩阵比特节点错误花样3 5 图3 1 1用户数为1 0 0 0 的条件下，中继自适应网络编码合作方案的整体性能 ：；6 图3 1 2 用户数分别是1 0 0 0 与2 0 0 0 时的性能比较3 7 图4 1 充分利用接收端信息的改进自适应网络编码合作方案示意图4 0 图4 2t a n h ( x 1 4 2 图4 3 在f b i 认n c c 方案中选取不同r 时参与迭代的平均信噪比4 4 图4 4 用户数为1 0 0 0 ，f b r a n c c 与r a n c c 的外信息转移图4 5 图4 5 用户数为1 0 0 0 ，r = 0 4 时不同q 下的f b r a n c c 的外信息转移图4 6 第i 页共7 5 页 插幽目录 图4 6 q = 3 的f b r a n c c 在不同r 时的性能曲线4 7 图4 7 q = 4 的f b r a n c c 在不同r 下的性能曲线4 8 图4 8 加入反馈的自适应网络编码合作的性能图4 9 图4 - 9 不同用户数量的f b r a n c c 方案性能比较5 0 第v i i i 页共7 5 页 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写 过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均己在论文中作了明确 的说明。 作者签名：签字日期：蝉 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥 有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人 提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 、留公开口保密( 年) 作者签名：二嬉 导师签名： 签字日期：签字日期： 匦邀雪 j 掣 第l 章绪论 1 章绪论 本章首先简要介绍了无线通信系统的现状和发展，并从这种发展中看到需求 与资源之间日益严重的矛盾和无线通信系统发展中遇到的挑战。而本文关注的合 作分集技术领域，正是为了解决上述矛盾而发展出来的。 1 1 无线通信系统的历史与发展 无线通信技术是当前最热门的技术之一，是技术发展与商用结合最紧密的领 域之一，也同样是与我们的日常生活联系得最密切的技术之一。而为了满足人们 日常生活的需求，新的无线技术层出不穷，通信系统的体制也在日新月异的变化 着。 在人们的日常生活中，出现了越来越多的无线产品，越来越多的无线应用， 从手机到广播，从无线键盘到无线路由器，无线通信技术无处不在，它正在一点 一点地改变着我们的生活方式。而这些改变不是一朝一夕就能形成的，这里我们 先简要回顾一下无线通信系统的发展史。 上世纪9 0 年代，数字技术被应用到无线通信系统中来，丽借助数字技术的 优势而产生的就是以g s m 为代表的第2 代蜂窝移动通信系统和以数字视频广播 数字音讯广播( d v b d a b ) 为代表的数字广播系纠1 1 。这无疑是无线通信史上 的一次飞跃，但也要看到这样的无线通信系统只能满足基本的通话和短信业务， 根本无法满足视频通信以及无线上网等应用的要求。 为了解决上述问题，i t u ( i n t e r n a 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 ) 提出了以 i t u 2 0 0 0 标准为标志的第3 代移动通信系统。这实际上就是现在我国在大力宣 传的3 g 移动通信系统。3 g 移动通信系统目前主要有三大标准：电信主推的 c d m a 2 0 0 0 标准，联通主推的w c d m a 标准和移动主推的t d s c d m a 标准。其 中t d s c d m a 标准是由我国完全自主知识产权的标准。第3 代移动通信系统无 论从传输速率，通信质量都相比于原有系统有了大幅度的提升，但这仍然满足不 了人们的日常需要，例如其在车载环境下的传输速率仅为1 4 4 k b p s ，无法满足许 多实时应用的要求。 为了解决上述问题，研究人员把目光又都集中在了下一代移动通信系统 ( 4 g ) 上。它无论在业务上、功能上、频带上相对于第三代移动通信系统，都 进行了大量的改进，用到了很多新技术，它利用了宽带接入( b r o a d b a n da c c e s s ) 和分布式网络技术，具有非对称的超过2 m b p s 的数据传输能力，并且与i n t e r n e t 第l 页共7 5 页 第l 章绪论 网络有高度兼容性和很高的频谱利用效率。 可以看到为了实现人们的需求，许多新技术许多概念涌现出来，一步一步地 解决了无线通信发展中遇到的问题与瓶颈。当然这些还远远不是终点，随着人类 社会的不断进步，人们对无线通信的要求会越来越高。可以看到人们日趋膨胀的 无线需求与有限的无线资源之间的矛盾、日益增长的通信性能要求和复杂的无线 传输信道环境之间的矛盾是制约着无线通信发展的两大主要矛盾，同时也是推进 通信技术不断向前发展的主要动力。为了实现更高的频谱效率、更高的传输速率、 更低的能源消耗，许多技术成为了现在的研究热点，例如o f d m ( 正交频分复 用) 技术、m i m o ( 多输入多输出) 、分布式思想以及合作通信思想等等。其中， 合作通信正是本文的研究领域。 1 2 分集技术 在介绍合作通信之前，先来了解一下分集的基本概念。 对于m i m o ( 多输入多输出) 技术来说，它的一个重要组成部分就是分集技 术，这种技术通过补偿信道衰落损耗，保证了无线信道环境下的可靠传输【2 】【3 1 。 其基本思想就是通过某种技术使接收端可以收到相同信号的多个独立副本，由于 这些副本经历的衰落是相互独立的，使得所有这些副本信号同时低于给定判决门 限值的概率要比单个信号低于判决门限值的概率小得多，再利用一定的合并技 术，从而获得了性能的增益。 分集技术根据获得独立信号的方法方面来说，主要可分为时间分集、频率分 集和空间分集三类。 时间分集主要是通过在不同的时隙上发送相同的信息来实现的，顾名思义这 种分集技术是利用了信道时间上的独立性。接收机正是利用这种独立性在多个时 隙中接收同一信息的多个不相干的衰落信号，为了达到这样的目的就要求时间分 集的最小时间间隔要大于信道的相干时间。在数字通信系统中，差错控制编码就 是最重要的时间分集技术。这其实是利用了差错控制编码带来的时域冗余1 4 】，它 已经不是简单的副本重传，而是使各自独立的信号间具有了相关性，从而达到提 升性能的目的。另外，在使用差错控制编码时经常会同时使用交织技术，它是为 了降低信号间的相关性，从而保证信息的不同副本的衰落独立，但是它会引起译 码一定的延迟，所以不适合在一些对时延非常敏感的移动无线系统中使用。可以 看到，时间分集带来了很多好处，但由于其在时域上引入了冗余，在带宽的利用 率上会有一定损失。 频率分集则主要是通过使用不同的频率上发射相同的信息来实现性能增益 第2 页共7 5 页 第1 章绪论 的。为了保证每个频率的衰落是独立的，发射频率的间隔必须足够大。发射信号 副本通常按频域冗余的形式到达接收端，为了实现这种频域冗余利用到了直接序 列扩频、多载波调制等技术。在这里对于扩频技术来说，只有当信道的相干带宽 较小时( 小于扩展带宽) ，才能实现频率分集。可以看到，频率分集技术同样由 于引入了频域冗余，也会降低带宽利用率。 而空间分集在当今的无线通信系统中是一项比较常用的技术，典型的空间分 集是通过在发射端或者接收端设置多个天线来实现的。当多根天线在空间上的排 列距离满足一定条件时，各个天线所对应的信道可以看作是互不相关的，而天线 间隔的大小也可以是根据无线通信环境设计的。在空间分集中，发射信号副本是 以空间域冗余的形式到达接收端的。与前面两种分集方式不同的是，空间分集没 有引入时间和频率的冗余，所以不会给带宽利用率带来任何损失。 空间分集技术又可以分为接收分集技术和发射分集技术【5 】两种。接收分集技 术是比较传统的空间分集技术，基本思想是接收机使用多根天线去接收同一信息 的多个假定相互独立的信号，对这些信号采取特定的处理方式，从而达到降低多 径衰落的影响的目的，但是这会使接收机变得异常复杂，与当今便携的发展趋势 产生了无法调和的矛盾。为了解决这样的问题，发射分集技术应运而生。发射分 集技术是在多个天线上发射包含同样信息的信号，从而达到空间分集的效果。发 射分集由于只需要基站端增加天线，实现起来相对简单。而接收端的结构就可以 简化，处理功率也可以降低。另外，发射分集可以和接收分集结合使用，进一步 提高系统性能。 目前，发射分集技术中最主要的是空时编码( s t c ) 技术【6 】i _ 7 】。由于衰落信 道的瞬时信息通常难以捕捉，因此发射端必须采用信道编码技术来中增加信息间 的相关性，从而来中和信道估计的误差，保证获得比较好的性能。如果采用适合 多天线传输的编码技术，同时在接收端进行相应的信号处理，就能获得很大的性 能增益，实现数据的高速传输。空时编码被证明是达到或接近m i m o 系统信道 容量的一种可行有效的办法【6 1 【7 1 。而其本质就是在时间和空间上的两维编码。这 种空时相关的发送方式能够克服m i m o 系统遇到信道衰落，在发射端不需要知 道信道状态信息的前提下，降低了误码率。空时编码就是在不牺牲带宽的情况下 实现了发射分集。 而在实际的通信系统中，为了满足系统的性能要求，经常将多个分集技术结 合起来使用，以实现多维分集 2 1 。例如当今大部分通信系统都在使用多天线的同 时使用差错控制编码，从而实现了空间和时间的多维分集。 第3 页共7 5 页 第l 章绪论 1 3 合作分集技术 尽管m i m o 系统中的发射分集技术在无线通信系统中优点非常突出，但在 某些特定的应用场合中，由于用户终端设备受到尺寸、硬件等各方面的制约，不 适合配备多天线系统而无法实现。基于这些情况，研究人员找到了一种新的方法： 多个用户可以通过合作来构成虚拟的天线阵列，从而实现分布式m i m o 系统， 这种分集技术就是合作分集技术。该技术允许多个单天线用户通过合作来实现多 天线系统的分集增益。其基本思想是利用网络中的多个用户相互共享天线，向目 的节点发送相同信号的不同副本，由于这些用户的空间独立性，导致他们发送的 信号经历了独立的衰落过程，这样接收端就可以获得同一信息的多个独立衰落信 号。简而言之，合作通信是通过一种分布式的方式达到了分集的目的。 下面，本文将简要介绍下在合作分集系统中最常见的两种中继合作模式：放 大前向( a f ) 模式和译码前向( d f ) 模式【8 1 1 9 。 1 3 1 中继合作模式 在分布式合作通信系统中，中继节点需要对接收信号进行一定的处理，然后 再转发出去。根据处理方式的不同，一般有前向放大( a f ) 模式、前向译码( d f ) 模式以及前向压缩( c f ) 模式。这里主要介绍a f 模式和d f 模式。 1 3 1 1 前向放大模式 前向放大( a f ) 模式是中继系统中一种常用的传输模式。在该模式中，每 个中继用户接收经过信道衰落的发送信号，然后对接收到的信号进行放大，并转 发给下一个中继用户或接收端。而接收端会按照一定的合并准则来处理从发送端 和中继节点发来的信息，最后实现判决。尽管该方法在放大信号的同时也放大了 噪声，但经过放大的信号会经历与原信号完全独立的新的衰落过程，这样接收端 就可以接收到多个独立的衰落样本，使其可以更为准确地进行判决。这里需要注 意的是，在a f 模式中，为实现最佳译码，接收端需要了解各用户间的信道状态 信息( c s i ) 。 1 3 1 2 前向译码模式 在前向译码( d f ) 模式中，中继节点在接收到信号后，首先要对其进行检 测译码，通过译码结果来判定下一步的行为：如果译码正确，则对该信息进行重 新编码调制，转发出去。但是d f 模式也存在着隐患，即中继节点不能保证总是 正确译码。一旦信号检测错误，那么此时的中继信号反而会严重影响接收端的正 确检测。所以为了避免这种错误信号传播，可以考虑在中继节点引入混合检测方 第4 页共7 5 页 第1 章绪论 法。 1 3 2 合作中继原理简介 这里我们通过图1 1 来介绍多用户合作中继的原理。其中，源端t l 和t 2 分别发送各自消息到目的节点t 3 和t 4 ，网络高层协议分配频带、功率资源给各 终端，使两个源终端能把各自的信息传送到相应的目的节点。对于蜂窝网来说， 可以看成是t 3 = t 4 的情况；对于无线局域网，当t 3 = # t 4 可以视为a d h o c 模式， 而t 3 = t 4 则为接入点( a p ) 模式。由于无线环境具有开放、广播等特性，这使得 所发送信号原则上可以被所有用户收到，并检测出来。因此代替t l 和t 2 独立传 送各自信息到相应目的节点，t l 和砣可以采用彼此监听、检测对方信号，相互 合作一直把他们的信息传送到各自的目的端。这样做除了在硬件设备上要增加一 些复杂性外，可以说基本上是免费提供的。而又由于移动台到基站之间的信道衰 落是独立的，从而在接收端形成了分集的效果。研究结果表明，n 用户之间的合 作通信完全可以达到跟使用n 根发射天线一样的分集增益效果。 图1 - 1多用户合作通信原理图 目前对于合作通信技术的应用，已经有关于将合作通信技术引入到c d m a 系统的研究【1 0 i 1 1 l 】以及合作通信技术与o f d m 结合f 1 2 】方面的研究。 1 4 本文的工作及内容安排 本文正是从合作通信的思想出发，研究无线环境中的合作通信方案。本文以 自适应网络编码合作方案为切入点，在此基础上提出了在充分利用中继节点信息 以及目的节点信息前提下的新型自适应网络编码合作方案。本文安排如下： 第一章是本文的绪论，对移动通信的发展历史和趋势做了概貌描述，引入并 简要介绍了合作通信的基本思想。 第二章主要介绍的自适应网络编码合作方案的背景技术和基本思想，并对其 第5 页共7 5 页 第l 章绪论 用到的算法进行了比较详细的介绍。 第三章在原有算法上提出一种新型自适应网络编码合作方案，在充分利用中 继节点信息的基础上达到了提高性能的目的。 第四章在新型自适应网络编码合作方案的基础上，加入反馈机制，进一步利 用目的节点的信息改进已有算法，实现性能的迸一步提升。 第五章为结束语，对本文进行了总结与展望。 第6 页共7 5 页 第2 章自适应网络编码合作方案的基本原理和背景技术 第2 章自适应网络编码合作方案的基本原理和背景技术 2 1 自适应网络编码合作方案的基本原理 自适应网络编码合作方案是一种新型的合作通信方案，它基于前向译码模 式，并且成功地将网络编码和跨层设计的概念引入到了用户合作中来，同时利用 了低密度奇偶校验码的编码结构，从而达到提升无线通信系统性能的目的。 自适应网络编码合作方案很好地解决了传统的合作方案在大规模无线网络 中所遇到的带宽利用率低，同步异常复杂等问题【4 5 】嗍。自适应网络编码合作方 案的合作方式如图2 1 所示。 图2 1自适应网络编码合作方案示意图 整套方案分为两个阶段：首先，广播阶段：每个用户广播自己的用户信息， 同时监听其他用户的信息，并将正确收到的信息保存下来组成自己的备选集。第 二个阶段，中继阶段：每个用户从自己的备选集中随机选出固定数量( 用q 来 表示) 的信息做校验和，然后将得到的校验结果发送给接收端。这里我们假设， 接收端知道各个用户节点选择的是哪些用户的信息来做的校验和( 这完全可以通 过增添信令来实现) 。这样每次传输过程中，接收端收到的信息比特，可以等效 为经过一个全新的码率为i 2 的l d p c 码编码后的比特。该l d p c 码与当前的网 络拓扑结构相对应，再用传统的b p ( b e l i e f p r o p a g a t i o n ) 算法【1 6 】【3 8 】进行译码，从 而实现性能的提升。 在深入分析自适应网络编码合作方案之前，先来了解一下该方案所涉及到的 背景技术和算法。 2 2 自适应网络编码合作方案所涉及的背景技术和基本算法 2 2 1 跨层设计思想 传统的网络协议，如最典型的o s i 模型，把网络协议栈分成若干个子层， 第7 页共7 5 页 第2 章自适应网络编码合作方案的基本原理和背景技术 这些子层之间相互独立，只通过适当的接口来进行相互通信。它的优势主要在于 其结构的灵活性：设计人员可以把精力只集中在他们感兴趣的子层上，同时如果 协议的某个部分进行了改动，只要保持其接口不变，那么其他部分是可以完全不 作任何变动的。这种结构为系统维护和升级提供了很大的便利。 可以看到传统的分层网络协议对于有线网络是非常成功的，这是因为有线网 络物理层，m a c 层和网络层等分工非常明确，相互独立且不相互影响，在这种 情况下分层设计网络协议是非常合理的。然而在无线环境中，情况有本质的不同。 例如在有线网络中，一条传输链路的信息除源节点和目的节点外其他节点是无法 监听的，而在无线网络中每条传输的无线链路都可能被附近的节点监听到，一方 面会对周围这些节点造成干扰，需要通过设计一种m a c 层协议来尽量地减少这 种干扰；而从另一方面来说，也可以利用这种干扰在物理层设计一种合作分集的 方案来提高网络的吞吐量性能。无线网络中网络层的多跳路由技术就可以将源节 点和目的节点之间很长的链路分割成若干条较短的多跳路径，这样虽然可以有效 避免了源节点和目的节点之间过强的路径损耗，但从另一方面来说也通过中继扩 大了直接链路的通信范围，会对网络中的其他节点产生更大的干扰，因此路由技 术不止对网络层，对其下面几层的设计也有很大的影响。 通过上面两个简单的例子可以看到，无线网络中如果沿用传统的o s i 模型， 各个子层之间的分工已经不再明确，任何一子层都会对其他层造成很大的影响。 很显然地，如果继续分层独立设计无线网络协议必定不会得到网络最优的性能。 在无线网络中，物理层希望可以根据应用层的需要和当前网络通信状况对传输码 率，发射功率，编码速率进行自适应调整；链路层希望可以根据延时限制，数据 优先级，实际链路和干扰情况进行自适应调整；网络层希望可以根据当前链路， 网络拓扑和数据流量进行自适应调整；应用层则希望提供用户的q o s 约束。由 此可见跨层设计方法( c r o s s 1 a y e rd e s i g n ) 是无线环境中急需的设计方法，它的基本 思想是让网络模型中的每层都不是单独设计的，而是把所有层作为一个整体进行 设计，通常可以让层内部先进行自适应调节，如果还未能解决问题，则把此问题 交给上层解决。显然，层与层之间信息的交互保证了协议能根据应用需求和网络 条件进行全局意义上的自适应，而且每的层协议都应该在系统整体限制和性能要 求下进行综合的优化设计【1 3 】【1 4 1 【b 1 。 2 2 2 网络编码 网络编码目前在宽带无线自组织网络中的一个新的热门技术。它的基本思想 就是让中间节点不再简单重传，而是将接收的信息进行编码后再发送出去，从而 提高了网络吞吐量和健壮性。同时，为不对现有网络的软硬件设备和相应的协议 做很大的修改，一般选择在高层实现网络编码。无线传感器网络、无线格状网 第8 贡1 兵诱1 责 第2 章自适应网络编码合作方案的基本原理和背景技术 ( m e s h ) 等无线自组织网络都可以使用网络编码技术来提高多跳链路的传输性 能。目前网络编码的研究热点主要集中在网络编码节点选取方案、网络编码算法 的设计、网络编码复杂度分析、网络编码的性能分析、网络编码与系统安全性分 析、网络编码在无线分布式网络中的应用等方面。 而在无线环境中，主要的研究热点是宽带无线多跳通信系统，它的设计目标 是在充分利用有限的无线网络资源的前提下，使各接收节点能快速收到完整信 息。如何提高多跳自组织无线网络的性能，一直是研究和关注的重点。 2 2 2 1 网络编码的基本原理 网络编码( n e t w o r kc o d i n g ) 从广义上来讲，是网络中的节点将接收到的信 息进行编码后再转发出去的组播( m u l t i c a s t ) 技术。组播是网络中的一种重要的 通信方式。当一个或几个节点同时向若干个其他节点发送数据时，往往要借助其 他节点的传递。 在传统的网络中，作为中继的节点只能对接收到的信号进行复制、放大和转 发，这对于网络资源有时候是一种浪费。网络编码技术打破了这种限制，它允许 中继节点对接收到的信息进行编码，并将接收到的多个数据包按照某种特定算法 重新组合再发送出去。 s l d s d 图2 - 2 简单的中继网络模型 ( a ) 常规中继策略( b ) 网络编码中继策略 如图2 2 所示。在发送的过程中，我们利用中继节点进行辅助传输以实现性 能的提升。第一种方法比较简单，如图2 2 ( a ) 所示，每一个发送节点都有一 个中继节点进行辅助，中继节点只是将发送节点发送的数据简单地重复转发。第 二种方法，如图2 2 ( b ) 所示，只利用一个中继节点进行辅助，它接收两个发 送节点发送的数据并对其进行编码，用口0 6 表示，再将编码后的数据发送给接 收节点，这种方法就是我们所说的网络编码。可以看到两种方案都使发送节点发 送的数据在接收节点达到2 的分集，但研究表明，网络编码技术在一个较少的带 第9 页共7 5 页 第2 章自适应网络编码合作方案的基本原理和背景技术 宽消耗中实现了更低的中断概率。 2 2 2 2 无线网络中的网络编码 对于网络编码来说，有些人可能认为大多数无线网络的路由选择方案实际只 是在无线网络领域寻求与有线网络选择相似的副本，但实际上无线应用不仅仅是 对有线应用做简单的修改或扩展。因为在无线传输中具有广播、干扰、衰落、可 移动性等特性，很多在有线网络路由建立时的算法和协议无法直接应用。并且在 协议方面，由于对无线传输的特性缺乏必要的认识，会导致有限资源的低利用率， 比如频谱资源和电池寿命资源，还导致在配置方面相当的复杂度。因此，在无线 网络中的网络编码发展初期，为使网络编码能像应用在有线网络中那样应用到无 线环境中，还是有相当多的工作需要去做。 为了说明网络编码在无线网络和有线网络应用上的区别及其相似之处，我们 先举一个简单规范性的案例，如图2 3 所示。假设每条链路为单位容量且无差错， 并且是一条单向链路，不与同一节点上的其他链路相互干扰。图中所示的简单编 码提供了一种多播连接示例，它能够从发送节点l 发送2 b i t 信息，即b l 和b 2 ， 到接收节点6 和接收节点7 。这里考虑传送的是b i t 而不是分组包，因为这样能 更清楚地看出b i t 是如何编码分组的。 图2 3 有线网络中网络编码的一个规范性模型 第l o 页共7 5 页 第2 章自适应网络编码合作方案的基本原理和背景技术 图2 - 4 无线网络编码 图2 4 与图2 3 具有相同的拓扑图，但考虑了无线链路共享带宽的特性， 以及每个节点上全向发送天线和全向接收天线的特性，这里用圆弧来代表链路， 并且用圆的半径表示一个发送的范围。由于频谱共享，使同一节点不能同时进行 发送与接收，也不能同时有多个接收。图2 - 4 所示的顺序传输说明了传输时间调 度和其相应范围的一个合理组合，这种方案可以满足我们上面所说的简单无线传 输模型的要求。可以看到网络编码在发送5 处仍适用，它直接由节点4 传送到 节点5 如果不采用网络编码，节点4 和节点5 需要进行两次传输，一次是传送 b l ，一次是传送b 2 。需要说明的是，除了图2 4 所示的情况，采用其他传输半 径和时间调度也是可以的。例如，在发送5 过程中，节点4 可以选择能覆盖节点 6 和节点7 的传输半径，这样仍可采用网络编码。不同传输范围的选择可能会导 致网络编码的失效，例如，若源节点( 节点1 ) 选择的传送范围大到足以同时覆 盖两个接收节点，这样相继发送b l 和b 2 将使网络编码失效。 第1 1 页共7 5 页 第2 章自适应网络编码合作方案的基本原理和背景技术 图2 5 采用网络编码的5 节点简单网络 通过上面的分析，可以看到建立链接依赖于选择合适的传输范围，这使得操 作高度依赖于节点的物理分配情况。图2 - 5 所示的简单例子说明了这种依赖性。 图2 5 所示的拓扑图与图2 3 、图2 4 相似，只是删除了节点l 和节点5 ，这样 b l 与b 2 的源节点分别变为节点2 与节点3 ，传输范围及时间调度的选择与图2 - 4 相同。在这种情况下，节点6 可视为“无意监听”了发送的b l ，同样地，节点7 “无意监听”到b 2 在这种情况下，网络编码就自然是能合并的中继技术。该编 码过程建立了从源节点2 和节点3 到接收节点6 和节点7 的多播传输。这也可用 于b 1 从节点2 到节点7 的单播传输及b 2 从节点3 到节点6 的单播传输。这样， 该编码过程就是由两个单播自然构成的多播的情况。产生这个多播特性的原因是 无线传输本身固有的特性，因为在无线环境中的每个节点都可以无意监听到任意 的通信，虽然这些通信可能还是直接针对它们的，但这使得它们可以推测出信息 的传输。 上述讨论的事例清楚地表明通过使用无线网络编码来改善无线网络性能是 完全可能的。因此，我们希望将这一技术应用起来，而自适应网络编码合作方案 正好满足了这样的要求。 2 2 3 低密度奇偶校验码 2 2 3 1 简介 低密度奇偶校验( l d p c ，l o wd e n s i t yp a r i t yc h e c k ) 码是一种纠错码，最早 第1 2 页共7 5 页 第2 章自适应网络编码合作方案的基本原理和背景技术 是g a l l a g e r 于1 9 6 2 年提出的g a l l a g e r 码的推广【1 6 1 。虽然在这之后，l d p c 码沉 寂了数十年，不过在2 0 世纪9 0 年代的一系列发展，使其重新回到了人们的视野 中来。1 9 9 6 年d j c m a c k a y 和m n e a l 等对其进行重新研究，发现它也具有逼 近香农限的性能f 1 7 】f 1 8 】。文献【1 9 1 中的研究结果显示，对于b i a w g m 信道，码率 为1 2 的非正则l d p c 码具有距容量不到0 0 6 d b 的门限：计算机仿真结果表明， 精心设计的非正则l d p c 码( 码长为1 0 6 ) 可获得在b e r = 1 0 巧时仅偏离容量o 1 3 d b 的性能；理论上极限性能仅仅比香农限高0 0 0 4 5 d b 的非正则码次数分布对也己 经找到- j - t 2 0 1 。l d p c 码的这些优异性能及其在信息可靠传输中的良好应用前景 ( 如深空通信、第4 代移动通信系统、高速与甚高速数字用户线等) ，引起了编码 界的关注，成为通信领域中新的研究热点。 下面我们来简要回顾一下l d p c 发展史中的一些关键节点。t a n n e r 提出的用 因子图( 又称为t a n n e r 图) f 2 1 】来分析极性校验码的方法对l d p c 码的发展起到了很 重要的作用，利用这种方法可以用直观的因子图代替校验矩阵来表示l d p c 码， 也从而可以从图论的角度来分析l d p c 码的距离特性和性能限。l d p c 码在 m a c k a y 于1 9 9 6 年发表的文献 1 7 】后重新得到了人们的重视，许多研究人员都投 入到l d p c 码的研究中。从1 9 9 9 年开始，这方面的研究文献大量出现。经过几 年的研究和发展，人们在各方面都取得了很大的进展，l d p c 码的相关技术也日