（通信与信息系统专业论文）网络编码的功率分配和自适应传输研究.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 在频谱资源日益紧张的今天，如何充分利用空间资源来提高系统的吞吐量已 经成为研究热点，多天线技术和中继技术是两种有效的解决方案。传统中继技术 将信息通过中继节点进行转发，从而扩大信息的传输半径，但是中继节点简单的 转发无法实现网络的最大流传输，成为了网络通信的主要传输瓶颈。为了解决这 个问题，基于有线通信的网络编码( n e 似o r kc o d i n g ，n c ) 机制被提出来，以实现网 络的最大流传输。尽管网络编码最早是应用于有线网络的，但是无线网络的广播 特性，使得网络编码在无线网络中能够发挥更大的作用。不仅能够减少带宽的占 用，还能降低传输功率和减少延迟。因此，无线网络编码已经成为研究的热点。 本文的研究内容如下： 从网络编码基本原理出发，介绍了网络编码在无线网络中的应用，以及网 络编码研究的最新进展。然后研究了中继协作机制。最后，讨论了网络编码技术 在中继协作系统里的应用。 为利用功率优化提升双向多跳中继协作网络的性能，提出两种在瑞利衰落 环境中基于物理层网络编码( p h y s i c a l l a y e r n e 铆o r kc o d i n g ，p n c ) 的最优功率分 配方案。两方案分别以最小化系统中断概率和最小化系统总功率为目标，利用凸 优化理论得到各个节点的分配功率。仿真结果显示，相比传统的等功率分配方案， 本文提出的两种方案的中断概率和功率消耗性能均有较大提升，并且随着节点数 目的增多，提升越大。 为了提升双向中继协作网络的吞吐量性能，提出了一种在瑞利衰落信道中 基于网络编码的自适应传输方案。该方案根据信道状态信息计算各网络编码方案 的吞吐量，选择使得吞吐量最大的网络编码方案作为传输方案。仿真结果显示， 相比各种网络编码方案，自适应传输方案在整个信噪比区域上具有最大的吞吐量； 在低信噪比区域上误比特率接近具有最低误比特率的传统中继方案；高信噪比时 相比传统中继方案的误比特率有一定的衰减，但是比模拟网络编码( a n a l o g n e t 、v o r kc o d i n g ，a n c ) 方案的误比特率要低。 关键词：网络编码，中继协作，物理层网络编码，功率分配，自适应传输 a b s t r a c t d u et om es c a r c es p c c 协m 1r e s o u r c e ，h o wt ou s em e s p a c er e s o u r c et oi i l c r e a s et h e t l l i d u g h p u tb e c o m e sar e s e a r c hf o c u sw h e r em i m o ( m u l t i p l e - 1 1 1 p u tm u l t i p l e o u 印u t ) a 1 1 dr e l a yt e c h n o l o g ya r ee 恐c t i v es o l u t i o n s i n 妇d i t i o n a lr e l a yt e c l l l l o l o 既i n f o m a t i o n i sf o n 莉e d b ym er e l a yt o e 1 1 l a r g em e 仃a n s l l l i s s i o nr a d i u s h o w e v e r t 1 1 es i m p l e f o 删i i l gc a nn o ta c l l i e v e 廿l em ) 【i m u mn o w 仃a 1 1 s 血s s i o n ，w 1 1 i c hi sm em a j n d r a w b a c ko fn e t w o r kc o m 删c a t i o n t bs 0 1 v em i sp r o b l e m ，w i r e dc o m m u i l i c a t i o n b a s e dn e t 、帕r kc o d i n g ( n c ) 、v a sp r o p o s e d a l m o u 曲p r o p o s e di i lw i r e dn e t w o r k ，n ci s m o r eu s e m li nw i l e l e s sn e t w o r kb e c a u s eo fi t s b r o a d c a s tn a t l l r e a p p l y i i l gn ci n w n l e s sn e t 、o r ki m p r o v e sm es p e c 饥吼e 伍c i e n c yw h n e r e d u c i i l gn 锄s i i l i s s i o np o w e r a i l dd e l a y t h e r e f b r e ，丽r e l e s sn ch a sb e c o m eo n eo f l er e c e n tr e s e a r c hf o c u s e s t h er e s e a r c ho ft 1 1 i st h e s i si n c l u d e sm ef o l l o 、讥n gp o i n t s ： f i r s t ，m e 缸1 d 锄e n t a lt h e o 巧o fn ci se x p l a i n e d t l l e n ，m ea p p l i c a t i o no fn c i nw i r e l e s sn e 锕o r ka i l di t sl a t e s t p r o g r e s sa r ei i l 仃o d u c e d i na d d i t i o n ，m er e l a y c o o p e r a t i v et e c l l l l o l o g yi s咖d i e d f i n a l l y ，t h ea p p l i c a t i o no fn ci i lt 1 1 er e l a y c o o p e r a t i v et e c l l i l o l o g yi sd i s c u s s e d t be i m a n c em ep e r f b 肋a n c eo fb i d i r e c t i o n a lm u l t i h o | pr e l a yc o l l a b o r a t i v e n e 铆o r k ，铆op n cb a s e do p t i m a lp o w e ra l l o c a t i o ns c h e m e sa r ep r o p o s e di n l er a y l e i 曲 f i a d i l l gc h a n n e l b yu s i n g 1 ec o n v e xo p t i m i z a t i o n 廿1 e o r y ，p o w e ra l l o c a t i o ns c h e m e sa r e o b t a i l l e dt o1 1 1 i 1 1 i i i l i z em e ：s y s t e mo u t a g ep r o b a b i l 毋a i l ds y s t e mp o w e rc o m s u i i l p t i o n r e s p e c t i v e l y n u m e r i c a lr e s u l t ss h o wt l l a tt h eo u t a g ep r o b a b i l i t ) ra n dp o w e rc o n s m n p t i o n o ft h ep r o p o s e ds c h e m e sa r er e d u c e d c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a l lu n i f o mp o w e r a l l o c a t i o ns c h e m e f 1 l n b e m ：1 0 】e ， 谢t l lm ei n c r e a s e m e n to fn o d en 啪b e r t h e p e r f l o m l a i l c ee 1 1 1 1 a i l c e m e mi sm o r eo b v i o u s t oi n c r e a s et l l et 1 1 r o u g h p u to fb i d i r e c t i o m lr e l a yc o l l a b o r a t i v en e t w o r k ，a i l a d a p t i v e 仃a 1 1 s i i l i s s i o ns c h e m eb a s e do nn ci sp r o p o s e d r a y l e i 曲f - a d i n gi sc o n s i d e r e d i na l ll i r 止s f i r s t ，1 e 1 r o u g h p u t so fs e v e m ln e t 、o r kc o d i i l gs c h e m e sa r ec o m p u t e di n t e m so f 吐1 ec h a l l l l e ls t a t ei i l f i o 加a t i o n t h e n ，m es c h e i n e 谢t 1 1m em a ) 【i m 啪t 1 1 r o u g h p u t i ss e l e c t e da st h e 咖l s i l l i s s i o ns c h e m e n 啪e r i c a lr e s u l t ss h o w l a tt h et l l r o u g h p u to f m ep r o p o s e ds c h e m ei st h e1 1 i g h e s ta m o n gt t l e s en e “d r kc o d i n gs c h e m e s i nt h el o w s n rr e g i o n ，t l l eb e rc u r v eo ft l l ep r o p o s e ds c h e m ea p p r o a c h e s 1 a to ft r a d i t i o n a l s c h e m e 谢t 1 1t 1 1 e1 0 w e s tb e r ；i 1 1n l el l i g hs n r r e g i o n ，m o u g hb e i n gl l i g h e rt h a nt h e i i 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 b e ro ft h e 仃a d i t i o n a ls c h e m e ，t 1 1 eb e ro ft h ep r o p o s e ds c h e m ei sl o w e rm a i l 廿1 a to f a n cs c h e m e k e y w o r d s ：n e t w o r kc o d i n g ，r e l a yc o o p e r a t i o n ，p h y s i c a l - l a y e rn e t 、r kc o d i n g ， p o w e r a l l o c a t i o n ，a d a p t i v e1 y a n s i l l i s s i o n i i i 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 1 课题研究背景和意义 为了支持高数据速率的下一代移动网络，系统必须采用新的技术提升吞吐量， 改善通信质量。目前无线领域的研究多采用多跳中继网络形式，如无线m e s h 网络、 无线传感器网络和无线自组织网络等。在多跳中继网络中，信息可以通过中继节 点转发，从而扩大传输半径，使各接收节点能够正确收到信息。相比传统网络结 构，多跳中继网络能够提供更大的系统容量，更宽的覆盖范围，并且使用更简单 的路由算法以及消耗更少的发射功率。但是中继节点对数据不做任何处理，所以 对整个端到端的通信来说，没有任何增益。 信息论的创始人香农指出了点对点信道的容量极限【1 】，但是没有给出取得这个 极限的方法。2 0 0 0 年，r a 1 1 l s w e d e 等人提出了网络编码【2 】，并且指出，通过在 网络节点处进行编码操作可以提高有线分组网络中端到端的多播吞吐量性能，达 到最大流最小割的多播速率。网络编码的提出从本质上打破了传统网络中数据的 处理方式，它在中继处对数据进行编码转发，这迅速引起了研究人员的注意。类 似协作通信，网络编码引入了节点之间的相互合作，并且将这种节点合作编码应 用到整个网络中，得以较大提高系统性能。l i 等人将线性编码与网络编码相结合 得到了线性网络编码【2 】，应用于组播网络，达到了信息传输速率的最大流界限，这 为网络编码的应用奠定了理论基础。 无线网络的广播特性，使得网络编码在无线网络中有更大的应用。不仅能够 减少带宽的占用，而且能降低传输功率，以及减少延迟。同时，网络编码的计算 复杂度也很低。k a t t i 首先将网络编码应用到无线网络中，提出了c o p e 结构【3 】， 使得即使在网络流量需求未知或者网络状态变化的情况下，仍能有效支持多路单 播流的传输。c h e n 将网络编码分别应用于分布式天线系统和协同通信系统中【4 】， 以较低的硬件代价取得了较大的分集增益。无线信道容易受到干扰，丢包现象比 有线信道更为严重，为了提高无线传输的服务质量，文章 5 ，6 】结合了网络编码和 信道编码，其中，文章 6 将t u 曲。码与网络编码结合，证明了在分布式天线系统 中，相比只使用t u 曲。码的网络，系统获得了更大的分集增益和更低的误码率；文 章5 1 将l d p c 码和网络编码结合，用于协同通信系统，获得了较低的误包率。 但是应用无线网络编码有个前提，即接收机端无干扰。由于无线信道的广播 特性，接收机会收到多个节点同时发来的数据。为了减少或者消除干扰，大多数 方案通过调度接收机或者发射机来实现。例如，8 0 2 1 1 协议利用载波侦听机制来 管理各个节点，以确保同一时刻只有一个节点发或者收。但是当节点数目增加时， 重庆大学硕士学位论文1 绪论 网络效率会大大降低。将网络编码应用到物理层，可以解决上述问题。区别于传 统的干扰消除策略，物理层的网络编码利用节点间干扰来增加网络容量，提高系 统速率。研究人员提出了两种应用于物理层的网络编码，分别是模拟网络编码 ( a n c ) 和物理层网络编码( p n c ) 。 k 撕于2 0 0 7 年提出的模拟网络编码 7 】能够利用节点间干扰增加网络容量。在 应用模拟网络编码的网络中，接收机知道干扰信号，再结合信道信息，就能够从 接收信号中抵消干扰信号以得到有用信号【8 1 0 】。不同于网络编码将数据比特流相异 或，模拟网络编码将调制后的信号相叠加，因此不同的源节点可以利用无线信道 的叠加性质，在同一时刻发送信号，从而增加网络容量。由于k a t t i 提出的模拟网 络编码只适用于窄带系统，而如今无线网络必须能够提供宽带传输，宽带环境下 又必须克服频率选择性衰落问题。所以g a c a i l i n 提出了一种宽带模拟网络编码【l l 】， 并且给出了两种方案，分别是与正交频分复用调制( o m l o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ，o f d m ) 以及单载波频域均衡调制( s i n g l ec a m e rf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ，s c f d e ) 相结合，还分别推导了基于迫零( z f ) 和最小均方误差 ( m m s e ) 的均衡权重，相比没有使用宽带模拟网络编码的系统，取得了更小的误码 率。l i 证明，功率一定的条件下，在高信噪比时，双向中继系统相比单向中继系 统具有更高的网络容量；但是在低信噪比时，单向中继系统的容量更高，因此， 提出了一种自适应选择中继模式的传输方案【l 引，使容量最大化。 w 抽g 提出了另外一种应用于物理层的网络编码，被称作复数域网络编码 ( c o m p l e xf i e l dn e 觚o r kc o d i n g ，c f n c ) 【1 3 16 1 。c f n c 主要应用于协作通信中的多 源单中继单目的节点网络，不仅能够达到和a n c 相同的吞吐量，即1 2 符号每时 隙，还可以用于任何调制方式。 第三种应用于物理层的网络编码是物理层网络编码，由z h a n g 于2 0 0 8 年提出 【l 。类似于模拟网络编码，物理层网络编码也是对信号进行操作。物理层网络编 码通过在中继节点使用恰当的调制解调技术，使得不同源节点发出的电磁波信号 的叠加能被映射到数据b i t 流叠加的高斯域中，最终使干扰变成有用信号。模拟网 络编码在中继处对收到的叠加信号进行简单的转发，而物理层网络编码的中继节 点还要对接收信号进行映射操作并且重新调制再发送出去，这样做不仅能够节省 能量还降低了误码率。物理层网络编码一经提出就成为了研究热剧1 8 之1 1 。z h a l l g 将 信道编码与物理层网络编码相结合【2 2 j ，提出了算术和信道译码网络编码算法，在 发送节点处采用重复累积信道编码，中继处采用对应的译码算法，相比传统的信 道译码和网络译码结合的方案，取得了更低的误码率。y a s a i i l i 分析了在衰落信道 中，信道估计错误对物理层网络编码造成的影响，由此推导出了信道估计误差的 方差下界【2 3 1 。 2 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 另外，合适的功率分配方案使得使用p n c 的中继系统的各方面性能得到有效 提升。文献 2 4 】和 2 5 】在总功率一定的条件下，分别在三节点网络和多节点网络中， 运用最优功率分配方案使得系统速率最大化。文献【2 6 】在总功率一定的条件下，研 究使中继处误码率最小的功率分配方案。中断概率是评价编码系统性能的最重要 的指标之一。z h a o 等人提出一种功率分配方案【2 7 1 ，在中断概率一定的条件下，此 方案使双跳中继网络的总功率最小。 传统中继方案提升传输半径的同时却降低了信道利用率，而利用网络编码可 以不降低信道利用率的同时提高系统吞吐量。因此将网络编码应用于中继网络可 以大幅提高系统性能。研究无线中继协作网络中的网络编码有着巨大的学术意义 和实用意义。 1 3 本文主要工作与内容安排 本文从网络编码和中继协作通信各自的原理入手，研究了两者的结合方案。 然后针对多跳双向中继协作系统，利用凸优化理论，提出了两种最优功率分配方 案，分别最小化系统中断概率和最小化系统总功率，得到各个节点的发射功率。 并且针对三节点的双向中继协作网络，推导分析了瑞利衰落信道下传统中继，网 络编码，模拟网络编码和物理层网络编码这四种方案的吞吐量。最后提出一种使 吞吐量最大的自适应网络编码方案。具体内容安排如下： 第二章从网络编码基本原理出发，介绍了网络编码在无线网络中的应用，以 及网络编码研究的最新进展。然后研究了中继协作机制。最后，讨论了网络编码 技术在中继协作系统里的应用。 第三章首先介绍了物理层网络编码的原理，然后分别提出了基于中断概率最 小化的功率分配策略和基于总功率最小化的功率分配策略。 第四章在推导n c 方案，a n c 方案，p n c 方案和传统中继方案的吞吐量表达 式的基础上，提出了一种使吞吐量最大的自适应网络编码方案。并且分析比较其 与几种网络编码方案的误比特率和吞吐量。 第五章总结了本文所做的工作，并且针对本文的不足之处对未来的工作做进 一步的展望。 重庆大学硕士学位论文 2 网络编码与中继协作通信 2 网络编码与中继协作通信 2 1 引言 网络编码首先在有线网络中被提出，但是无线网络的不可靠性和物理层广播 特性为网络编码提供了更广泛的应用。将网络编码应用于无线网络，经常会涉及 到与中继协作技术相结合。融合后的两种技术不仅提高了吞吐量，还提升了分集 增益。 从网络编码基本原理出发，介绍了网络编码在无线网络中的应用，以及网络 编码研究的最新进展。然后研究了中继协作机制。最后，讨论了网络编码技术在 中继协作系统里的应用。 2 2 网络编码概述 2 2 1 网络编码基本原理 目前无线领域的研究多采用多跳中继网络形式，如无线m e s h 网络、无线传感 器网络和无线自组织网络等。在多跳无线网络中，信息通过中继节点放大和转发， 从而扩大传输半径，使各接收节点能正确收到信息。但是中继节点的转发无法实 现网络的最大流传输。而网络编码的提出正好解决了这个问题。最初，网络编码 被应用于组播通信网络中，它允许在网络的中间节点上对接收到的信息进行一定 的信号处理，然后再发送出去。而在传统网络中中间节点只是进行存储转发，同 时目的节点通过一定的处理方式，译出源节点所发的信息。所以，网络编码能够 通过在中间节点的处理提高系统吞吐量。类似协作通信，网络编码引入了节点之 间的相互合作，并且将这种节点合作编码应用到整个网络中，得以较大提高系统 性能。网络编码的研究结合了多用户信息论，计算机通信网络，组播技术和图论 等很多方面的知识，改变了传统计算机通信网络中的信息处理方式。图2 1 为一三 节点双向中继网络的例子。 为了说明网络编码，将传统传输方案与之对比。在传统方案中，为了避免干 扰，节点a 和节点c 不能在同一时隙向中继节点b 发送数据。节点a 首先发送a 给节点b ，接着节点c 发送c 给b ，然后中继b 分两个时隙将a 和c 分别发送给 节点c 和a 。可见，总共需要4 个时隙来完成双向传输。 文献 2 8 】和 2 9 给出了网络编码的传输方式。如图2 1 所示，第一时隙中，节 点a 发送a 给节点b ，节点b 将a 保存在缓存里。接着在第二时隙，节点c 发送 c 给节点b 。节点b 将a 和c 按照如下方式编码得到b ： 6 = 口o c ( 2 1 ) 4 重庆大学硕士学位论文 2 网络编码与中继协作通信 其中，o 代表对a 和c 整个帧逐比特的异或操作。在第三个时隙里，节点b 将b 广播给节点a 和节点c 。当节点a 收到b 时，结合本地信息a 进行比特异或操作 可以得到c ： c = 口0 6 = 口o ( 口o c )( 2 2 ) 类似的，节点c 可以得到a 。总共只需要3 个时隙，相比传统方案节省了1 个时隙。 时隙一 时隙二 时隙三 时隙四 传统方式 。一书o oo q o a 弋手a 书 。一旬 网络编码 x o r x o r a 图2 1 三节点双向中继网络传统传输方式与网络编码比较 f i g 2 1c o m p a r i s o no ft r a d i t i o n a lt r a j l s m i s s i o na n dn e t 、o r kc o d i n gi nt w o - w a yr e l a yn 咖o r k 网络编码首先是针对组播技术提出来的。组播是指数据包被尽力而为的发送 到网络中的某个确定节点子集。图2 2 是组播的网络图。图中箭头代表有向链路， 假设每条链路容量为1 b i t ，其中s 作为源节点，分别向y 和z 同时发送两个独立 数据比特a 和b 。图2 2 ( a ) 采用传统的组播技术，方法是让s t 、t y 、t w 和w z 链 路发送数据a ，而s u 、u z 、u w 和w y 发送数据b ，这样y 可以收到a ，而z 收 到b 。但是当a 和b 要通过w 进行转发时，由于链路容量为1 b i t ，a 或者b 必须排 队等待一个单位时间。这样y 和z 在单位时间都收到1 5 b i t ，吞吐量是1 5 b p s 。图 2 2 ( b ) 采用了网络编码技术，y 和z 仍旧可以直接收到a 和b ，但是节点w 将a 和 b 作g f ( 2 ) 域异或运算ax o rb 后再转发出去。在接收节点y 处，根据接收到的a 和ax o r b 可以恢复出b ；同理，节点z 恢复出a 。每个接收节点在单位时间内可收 到2 b i t ，吞吐量是2 b p s 。可见，通过使用网络编码，提升了网络吞吐量。另外， 网络编码分布于整个网络，等同于隐藏了信息，提高了网络的健壮性和安全性。 重庆大学硕士学位论文 2 网络编码与中继协作通信 ( a ) ( b ) 图2 2 传统( a ) 的和采用网络编码技术( b ) 的组播网络图 f i g 2 2t i 哥a i t i o n a l ( a ) a i l dn cb a s e d ( b ) m u l t i c a s tn e t w o r k 2 2 2 网络编码在无线网络中的应用 无线网络的不可靠性和物理层广播特性为网络编码提供了更广泛的应用。当 一个节点发送信息给它的一个相邻节点时，在它的发射范围内的其他相邻节点也 会收到这个信息。所以，如果一个邻居节点对某些数据包感兴趣，它可以将这些 数据包编码后再一起发送。这样可以使其所有的相邻节点都收到感兴趣的数据包 并可以节约无线资源。利用网络编码可以实现网络的最大流传输，充分利用发射 范围内的其他相邻节点也会收到这个信息这个特点将网络编码用于带宽有限的无 线网络，可以提高无线网络的吞吐量，如图2 1 三节点双向中继网络所示，无线网 络中当两个节点需要通过一个中继来进行通信时，采用网络编码可以提高双向业 务的网络流量。扩展到多跳无线网络，当两个源节点要进行双向传输时，并且要 交换的数据包具有相同长度，在相邻中继节点间采用轮训的方式，通过最初几步 后，所有的中继节点都缓存了两个方向传送的信息。中继节点将两个方向传送的 数据编码然后广播，这充分利用了无线传输的广播特性，接收节点通过对应的译 码得到所需信息，由此网络吞吐量提升了一倍。网络编码还可以应用于无线m e s h 网络、无线传感器网络和无线自组织网络等多跳无线网络。网络编码是通信网络 传输理论研究的重大突破，具有重要的理论价值和广阔的应用前景，由此网络编 码已被认为是下一代网络关键技术之一。将网络编码技术应用到无线通信系统中 能进一步提高网络吞吐量、节省传输能量、增强鲁棒性和安全性。 2 2 3 网络编码的最新进展 作为一种新型的网络传输技术，网络编码有很多优点。大量文献对其进行了 研究，最新进展主要如下： 网络编码与协同通信技术相结合。将这两种技术相结合，既可以提升空间 分集增益，也可以提升吞吐量，可以说，结合了两种技术的优点。针对多用户协 6 重庆大学硕士学位论文 2 网络编码与中继协作通信 作通信网络，各用户可以根据中断概率准则决定是否作为中继节点进行信息转发， 中继节点采用线性网络编码技术，对多个用户的数据进行处理后发送至接收端， 可有效降低系统中断概率，同时提高网络吞吐量【3 0 】。另外，也可以针对单向多中 继协作系统，根据最小化中断概率或者最大化容量准则选择最佳中继节点，从而 提升相应性能【3 1 1 。 网络编码的具体实现。对网络编码的研究需要在加深理论研究的同时，考 虑实际的应用场景，例如降低编码复杂度，需要考虑系统本身的延时以及网络编 码带来的延时影响。另外，还需要考虑同步、资源分配等等问题。 适合网络编码的路由机制和调度方案研究。传统的路由机制为了减少排队 时延而回避交叉路径，而对于网络编码来说，不用回避交叉路径，可以采用更自 由的路由机制。因此，为了提高节点利用率，可以从路由算法建立之初就故意制 造交叉路径，从而采用较少节点就能达到相同的组播性能效果。另外，调度机制 也需要考虑。传统通信中，发送节点可以再缓存里存有多个数据包，互相之间不 会影响。而在网络编码网络中，由于编码节点的编码特性，数据包必须在一定的 时机进行传输。 网络编码与信道编码的结合设计。网络编码同信道编译码结合的基本思想 就是利用网络编码的冗余支持信道编码从而获得好的抗噪声性能和误码率，达到 最大信道容量，并充分利用中继传输的额外冗余度获得分集增益。网络编码和信 道编码的结合有两种方式，第一种是在源节点和目的节点将两者结合，而中继处 只有网络编码，被称为端到端编码的网络编码；第二种在中继处也有信道编码， 称为链路到链路编码的网络编码。文献 3 2 】将信道编码和p n c 相结合，采用第二 种结合方式，相比传统方案，误码率有较大改进。 2 3 中继协作机制 空间分集是抵抗无线信道下衰落的最有效的方法之一。由此，多输入多输出 ( 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 ，m i m o ) 系统近年来受到了广泛关注。为了取得分集 增益，m i m o 系统需要多个相隔一定距离的天线【3 3 1 。但是，对于具有较小体积的 移动终端来说，很难配备多个天线。于是，为了提供空间分集增益，中继协作技 术被提出。中继协作的原理来自于“虚拟天线阵列”思想，是单路径中继的推广， 在源节点s 和目的节点d 之间可以引入一个或者多个具有共同覆盖区域的节点充 当中继节点r ，目的节点按照某种规则可以合并来自源节点和中继节点的数据。协 同通信技术的起源可以追溯到c o v e r 关于中继信道做的研究工作【3 4 】，c o v e r 的研究 表明，离散无记忆、加性白高斯噪声中继信道的容量大于源节点与目的节点间的 直接信道的容量，并且可以通过随机编码方案得到通信信道的容量下界，奠定了 7 重庆大学硕士学位论文 2 网络编码与中继协作通信 中继通信的基础理论。文献分析了高斯信道中由源节点s 、目的节点d 和中继节 点r 组成的一个三节点网络的容量，如图2 3 所示。在传统中继技术中，中继节点 的作用仅仅是转发信息，而协同通信技术中，中继节点由其他用户充当，既可帮 助源节点转发信息，又可作为源节点发送自己的信息，这样系统便可以分解为一 个广播信道和一个多址信道。 图2 3 中继协作模型 f i g 2 3m o d e lo fr e l a yc o o p e m t i o n 2 3 1 单向中继协作机制 单向中继协作模型最早由d e rm e u l e n 提出，根据中继节点对源节点信息处 理方式的不同，即协作策略的不同，可以将三终端中继协作机制主要分为三种不 同的方案：放大转发( a m p l 毋a j l df o 刑a r d ，a f ) 方案、译码转发( d e c o d e da n d f o m m d ，d f ) 方案和编码协作( c o d e dc o o p e r a t i o n ，c c ) 方案。 放大转发方案 a f 方式由l a l l e m a n 等【3 5 】提出。如图2 4 所示，中继节点只是对信号进行模 拟信号处理，即简单地放大转发收到的信号。在放大转发的过程中，接收信号的 噪声也被放大转发出去，因此存在噪声传播效应。但是信号还是通过两个独立衰 落的信道到达基站，所以仍然可以用一定的准则合并接收信号，从而做出较好的 判决。在这种模式下，基站要知道信道状态信息以做出最优判决，因此该机制必 须对信道状态信息进行估计。其次，怎样抽样、放大和重传模拟信号也不是简单 的技术。l a n e m a n 证明，a f 方式下系统可以获得二阶分集增益。 8 重庆大学硕士学位论文 2 网络编码与中继协作通信 图2 4a f 协作方式 f i g 2 4a fc o o p e r a t i o nc o m m u n i c a t i o n 译码转发模式 s e n d o n a r i s 在文献 3 6 中提出d f 方式。在这种方式下，源节点首先对发送信 息进行信道编码，然后调制并且广播。中继节点收到广播信号后，进行解调和译 码，然后再进行编码调制转发给基站。相比a f 方式，d f 方式不会带来噪声传播 问题，但是受源节点和中继间的信道影响较大，若编码不采用循环冗余校验码得 不到满分级阶数。但是中继节点对源节点信息解码错误所带来的误差会随着跳数 的增加而不断积累，从而影响到分集效果和中继性能。这表明源节点和中继间的 信道传输特性的好坏对d f 方式的性能有很大影响。为了避免上述错误传播， l a n e m a n 等人还提出了一种译码转发选择方式，当两用户间的瞬时信噪比比较高 时，进行协作，信噪比较低时不进行协作。仿真结果表明，信噪比较较高时，两 用户协作的系统采用译码转发选择方式不仅可以获得二阶的分集增益，还可获得 更低的误码率。 图2 5d f 协作方式 f i g 2 5a fc o o p e m t i o nc o m m u l l i c a t i o n 编码协作模式 在a f 方式和d f 方式中，中继节点总是重复发送源端信息，降低了系统自由 9 重庆大学硕士学位论文 2 网络编码与中继协作通信 度的利用率。h 加t e r 等【”】将信道编码引入协作通信中，提出了编码协作方式( c o d e d c o o p e r a 时o n ，c c ) 。该方式对正确解调的合作伙伴的信号重新进行编码，以传送冗 余信息，从而获得额外的编码增益。另外，该方式通过两条不同的衰落路径发送 每个用户码字的不同部分。在d f 方式下，用户对于其合作伙伴的信号正确解码后 使用原来的编码方式在下一时段向目的端传送。这时系统性能的改善是通过在不 同空间重复发送冗余获得的。而在c c 模式下，用户则通过重新编码传送了不同的 冗余信息，将空间分集与码域分集相结合，使得接收节点的解码性能得到更大提 高。这种方式下，系统的运行完全由事先的编码确定，它不需要协作终端间的信 息反馈，并且中继终端不能正确解码时可自动切换到非协作模式，从而保证了系 统的效率。每个用户的信源数据分为两个部分，每一个部分都有一个循环冗余校 验码( c y c l i cr e d u i l d a n c yc h e c k ，c r c ) ，假设每一部分包含n 比特的信息( 包括c r c 比特信息) ，然后每一个部分进行码率为r 的纠错编码，编码后的每一个数据分 组有i 撇比特的信息。用户将含有u 比特码字的数据分为u 1 、u 2 两部分， 即u - u 1 + i j 2 ，发送分为两个阶段，每一个阶段为一帧。在第一阶段，用户发送一 个u l 比特自己的数据。中继用户接收并尝试正确译码协作伙伴的数据，并通过 c r c 位来判别译码是否正确。如果译码正确，则在第二阶段，中继用户将其伙伴 的译码出来的数据重新编码( 新的编码方式) 生成u 2 比特数据并发送；如果译码 失败，用户恢复到非协作方式，在第二阶段传送自己的u 2 个比特。这样每个用户 都是发送u - u 1 + u 2 个比特。编码协作传输结构图如图2 6 所示。 用户1 用户2 第一帧第二帧 图2 6 编码协作方式 f i g 2 6c cc o o p e r a t i o nc o m m u n i c a t i o n 比较三种协作方式，可以发现，对于a f 方式，协作节点的复杂度最低，且在 高信噪比时可以达到满分集增益。但是在用户间信道条件较差时，分集增益不明 显。对于d f 方式，可以在转发前消除高斯白噪声，使用循环冗余校验校验可以防 l o 曲=备 重庆大学硕士学位论文 2 网络编码与中继协作通信 止差错传播，但是这样做降低了频谱利用率。对于c c 方式，无需估计用户间的信 道状况，通过编码来控制第二步协作，较大的提高了性能，但其协作节点的复杂 度较高。 2 3 2 双向中继协作机制 无线双向中继信道是无线网络的基本研究模型，首先由香农在1 9 6 1 年提出【3 8 1 ， 它可以看做是一个卫星通信系统，也能看作是组成无线多跳网络的重要组成单元。 图2 7 无线双向中继系统模型 f i g 2 7m o d e lo fw i r e l s e s sb i - d i r e c t i o n a lr e l a y e ds y s t e m 三节点的无线双向中继系统模型如图2 7 所示，它是无线双向网络的最基本组 成单元。系统由两个源节点a 、b 和一个中继节点r 构成，源节点a 、b 不在对方 节点的通信半径之内，因此需要一个中继r 来交换信息，中继在两个源节点之问 并且在两个源节点的通信半径之内。本文假设所有的节点都是半双工的，即任何 节点一个时刻只能发或者收。传统的中继网络认为同一个信道中传输的不同信号 是干扰信号，所以为了避免干扰，不同的源节点不能在同一个时刻或者同一个信 道里传输各自的信号。如图2 8 所示，在前两个时隙，两个源节点分别占用一个时 隙将各自的信息s l ，s 2 发送到中继节点r 。在后两个时隙，r 将信息s 1 ，s 2 分别 转发给对应的目的节点。因此，传统的中继传输方案需要四个时隙来完成双向数 据传输。 一时隙一。时隙二一时隙三一一时隙四 图2 8 基于传统中继转发的双向中继协作系统 f i g 2 8t l a d i t i o n a lr e l a y e d 仃i m s m i s s i o nb 嬲e db i - d i r e c t i o n a lc o o p e r a t i v es y s c e m 2 4 基于网络编码的中继协作系统 协作通信可以带来分集增益，但是以大量的中继节点或者以中继处的排队延 时为代价。采用网络编码之后，单个中继节点可以同时为多个源节点服务，从而 减少中继节点数目或者排队延时。 重庆大学硕士学位论文 2 网络编码与中继协作通信 2 4 1 基于网络编码的双向中继协作系统 直接型网络编码 直接型网络编码即论文前面提到的网络编码，第2 2 1 节已经介绍了它的原理。 相比传统方式，网络编码只要3 个时隙即可完成双向数据帧的交换，提高了吞吐 量。为了区别直接型网络编码与其他网络编码，下文均使用直接型网络编码来表 示，而网络编码指的是各种网络编码的总称，包括直接型网络编码、模拟网络编 码、物理层网络编码、复数域网络编码等等。 模拟网络编码 通常认为无线干扰是不利于通信的。因为干扰产生碰撞，使得数据不能被正 确接收，浪费了珍贵的带宽。为了避免干扰，可以使用t d m a 方式将单独的信道 分配给某个节点，或者像8 0 2 1 1 协议一样通过探询信道的空闲与否决定是否发送 数据。上述方式起源于有线网络的干扰避免策略，但是对于无线网络来说未必是 最好的方式p9 。不同于避免干扰，a n c 能够利用特定的干扰来增加网络容量。当 存在多个节点同时发送数据包的时候，数据包会发生碰撞。但是如果从信号层面 去看，两个数据包的碰撞意味着物理层信号经历衰减和时移后的叠加。所以，如 果接收节点事先知道与其目的数据包相干扰的数据包内容，就可以在纠正信道影 响之后，减去相干扰的信号，从而得到目的信号，然后通过译码得到目的数据包。 在无线网络中，数据包一般要经历多跳。数据包会发生碰撞，但是通过缓存之前 已经前传过的数据包，节点知道与其目的数据包相干扰的数据包内容。所以，在 a n c 方案中，如果接收节点能够将缓存的网络层数据包重构成干扰信号，并且可 以从接收信号中抵消这些干扰信号，那么两个发送节点就能同时传输。 在直接型网络编码中，发送节点按照顺序传输数据包给中继，然后中继节点 将网络编码操作( 异或操作) 后的数据包广播出去。但是在a n c 方案中，发送节 点同时发送各自的信号，无线信道的将它们的信号叠加，中继节点也不再将处理 后的数据包广播出去，而是将叠加信号发送出去。由于多个节点共享信道，同时 发送信号，所以a n c 方案增加了网络容量。a n c 方案不同于现存的其它允许同 时传输的方案。例如，只有当干扰不存在时，空间复用才能允许多个节点同时传 输；而a n c 允许多个节点传输，即使存在干扰。c d m a 【4 0 1 、f d m a 【4 1 】等方案允许 多个节点同时发送，但是它们只是简单的将网络容量划分给了几个用户，并没有 增加总的网络容量。对比之下，通过利用更高层的信息，a n c 方案增加了网络容 量。 文献【7 】给出了模拟网络编码的传输方式。这里假设所有节点采用b p s k 调制， 载波和符号都是同步的，并且使用功率控制策略使得到达节点b 的两个帧具有相 同的相位和幅度。模拟网络编码总共只需要2 个时隙就能完成双向传输。 1 2 重庆大学硕士学位论文 2 网络编码与中继协作通信 这里用五表示调制过后的信号帧。如图2 9 所示，不同于直接型网络编码中节 点a 和节点c 在不同时隙发送各自的信号给节点b ，模拟网络编码中节点a 和节 点c 在同一时隙( 第一时隙) 将各自的信号发送给b 。为了更好地说明，这里假 设采用最简单的b p s k 调制。则节点b 收到的叠加信号是 【f ) = ( f ) + ( f ) = c o s ( w f ) + c o s ( w ，) ( 2 3 ) = ( 以+ ) c o s ( w r ) 其中，( f ) 与( f ) 是载波调制后的带通信号，o ) 是节点b 收到的叠加信号，w 是载波频率。所以节点b 经过解调得到的基带信号是z 。+ ，仅仅由x 。+ 不能 分离得到节点a 发来的信号x 。和节点c 发送的信号昂。注意节点b 是中继，所 以只要能把必要的信息发送给节点a 和节点c 就足够了，他们能够提取x 。和斗。 在第二个时隙，节点b 将收到的的叠加信号广播给节点a 和节点c 。a 节点收到 基带信号x 。+ 斗以后减去缓存里的x 。就能得到节点c 发送来的信号昂，同