（通信与信息系统专业论文）网络编码协作通信系统研究.pdf

国内图书分类号：tn911.22 学校代码：10213 国际图书分类号：621.39 密级：公开 工工学硕学硕士学士学位论文位论文 网络编码协作通信系统研究 硕 士 研 究 生 ： 翟少华 导 师 ： 王学东教授 申 请 学 位 ： 工学硕士 学科 ： 通信与信息系统 所 在 单 位 ： 电子与信息工程学院 答 辩 日 期 ： 2011 年 6 月 授予学位单位 ： 哈尔滨工业大学 classified index: tn911.22 u.d.c: 621.39 dissertation for the masters degree in engineering research on network coding cooperative communication system candidate: zhai shaohua supervisor: prof. wang xuedong academic degree applied for: master of engineering specialty: information and communication engineering affiliation: school of electronics and information engineering date of defence: june, 2011 degree-conferring-institution: harbin institute of technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - - i 摘 要 无线信道的衰落特性是对无线通信的一项重大挑战。分集技术是无线通 信中一种有效的对抗衰落的技术。但是传统的分集技术，如时间分集、频率 分集，需要占用额外的系统资源，空间分集虽然不需要额外的资源，但是在 硬件上难于实现。协作通信通过节点协作地发送其伙伴的信息来获得分集增 益，对抗无线信道的衰落。但是用户之间的协作关系将导致节点需要消耗额 外的能量来传送其协作伙伴的信息，这将导致系统吞吐量的损失。基于网络 编码的协作通信系统，将网络编码引入到协作通信，可以在不消耗额外资源 的情况下获得分集增益。 首先，本文介绍了协作通信的基本原理和三种常见的协作协议，并对网 络编码的基本原理进行了介绍。在此基础上，对网络编码应用于协作通信的 方案进行了研究分析。 其次，本文将协作通信、网络编码和信道编码进行联合设计，研究了两 种网络编码协作通信系统：基于卷积码的网络编码协作通信系统和基于双二 元 turbo 码的网络编码协作通信系统，建立了系统模型，研究了它们的译码 算法。 最后在 matlab 仿真平台上建立了加性高斯白噪声信道下的误码率仿真 系统，对上述两种系统的误码率进行了仿真分析。仿真时两种系统分别采用 维特比译码算法和 max-log-map 译码算法。结果表明，两种系统显著提高 了系统的误码率性能，特别是基于双二元 turbo 码的网络编码协作通信系 统，由于采用了软输入-软输出(soft in soft out，siso)的迭代译码算法，两 个用户的性能都得到了明显改善。 关键词关键词：协作通信；网络编码；卷积码；双二元 turbo 码 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - - ii abstract the fading characteristic of wireless channel is a major challenge for wireless communications. diversity is an effective technology to fight against the decline of the fading channel. however, the traditional diversity techniques, such as time diversity and frequency diversity, take up extra system resources. although space diversity needs no additional resources, it is difficult to achieve in hardware. cooperative communication can get diversity gain by letting nodes send the information of their partners. however, this may cost additional energy consumption, which will results in the loss of system throughput. integrating network coding into cooperative diversity, the network coding cooperative communication system consumes no additional resources, meanwhile, the system ber performance was improved. at first, this dissertation introduced the basic principles of cooperative communication and its collaboration agreements. the basic principles of network coding were also introduced. on this basis, the dissertation studied several schemes of network coding applying to cooperative communication. then the dissertation combined cooperative communication, network coding and channel coding, proposed two different kinds of network coding cooperative communication systems: one based on convolutional codes and the other based on double binary turbo codes, created their system model and introduced their decoding algorithms. finally, matlab simulation platform was built based on the additive white gaussian noise channel to simulate the ber performance of both systems.the two systems are using viterbi decoding algorithm and max-log-map decoding algorithm separately. simulation results show that the ber performance of network coding cooperative communication system is obviously improved, especially the second one because the soft-in-soft-out iterative decoding algorithm was used. keywords: cooperative diversity, network coding, convolutional codes, double- binary turbo codes 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - - iv 目 录 摘 要 .i abstract . ii 第 1 章 绪论 . 1 1.1 研究背景及意义 . 1 1.2 国内外发展现状 . 2 1.2.1 协作通信的历史及发展现状 . 2 1.2.2 网络编码的提出 . 3 1.2.3 网络编码协作通信的研究现状 . 4 1.3 论文的主要研究问题及结构 . 5 第 2 章 网络编码协作通信原理. 7 2.1 协作通信原理 . 7 2.1.1 译码转发方式 . 8 2.1.2 放大转发方式 . 8 2.1.3 编码协作方式 . 9 2.1.4 各种协作方式的比较 . 10 2.2 网络编码原理 . 10 2.3 网络编码应用于协作通信. 12 2.4 卷积码基础 . 14 2.4.1 卷积码简介 . 15 2.4.2 卷积码的表示方法 . 16 2.4.3 卷积码的维特比译码算法 . 17 2.4.4 维特比译码算法的性能 . 19 2.5 双二元 turbo 码 . 19 2.5.1 turbo 码基础 . 19 2.5.2 双二元 turbo 码 . 21 2.5.3 双二元 turbo 码的 map 译码算法 . 22 2.5.4 双二元 turbo 码的 max-log-map 译码算法 . 25 2.6 本章小结 . 28 第 3 章 基于卷积码的网络编码协作通信系统设计与仿真 . 29 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - - v 3.1 基于卷积码的网络编码协作通信系统设计 . 29 3.2 基于卷积码的网络编码协作通信仿真平台设计 . 31 3.3 基于卷积码的网络编码协作通信系统仿真 . 34 3.4 本章小结 . 39 第 4 章 基于双二元 turbo 码的网络编码协作通信系统设计与仿真 . 40 4.1 基于双二元 turbo 码的网络编码协作通信系统设计 . 40 4.2 基于双二元 turbo 码的网络编码协作通信仿真平台设计 . 41 4.3 基于双二元 turbo 码的网络编码协作通信系统仿真 . 43 4.4 本章小结 . 48 结 论 . 49 参考文献 . 50 哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明 . 54 致 谢 . 56 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - - 1 第1章 绪论 1.1 研究背景及意义 当今社会是信息的社会，发达的通信是文明程度的重要标志，也是实现 信息化的基础。通信的最终目标是任何人、任何时间、任何地点、与任何人 都能进行任何形式的通信。从第一代的模拟通信到第二代的数字通信，再到 第三代及其以后的多速率、多业务的多媒体通信，通信极大地改变了人们的 生活方式，对社会和经济发展产生了无可比拟的深刻影响。其中，无线通信 凭借其灵活性和快捷性越来越受到人们的亲睐。随着无线通信的发展，人们 对通信质量的要求越来越高，对信道的容量也提出了更高的要求。 无线通信质量的好坏很大程度上由无线信道的特性决定。无线信道的时 变性和衰落特性严重影响了信号的传输质量。作为一种有效的抗衰落技术， 分集技术1有三种常见的形式：时间分集、频率分集和空间分集。时间分集 是指在不同的时间区间重复发射同一信号的不同样本，为了对抗衰落，要求 发射不同信号样本的时间间隔大于信道相关时间；频率分集是指将信号样本 分别调至到不同的载频上，要求载频间隔大于信道的相关带宽；空间分集是 指在发送端或接收端使用多个天线或者天线阵列来发送和接收同一信号的不 同样本，要求各天线的在空间上的距离大于所发射信号的波长的一半。 在三种分集方式中，空间分集充分利用了空间上的冗余，不需要额外占 用频带资源和额外的时间，在频谱资源越来越宝贵的情况下，受到了广泛认 可，代表了无线通信的发展趋势。做为空间分集技术的一种方式，收发端使 用多天线的 mimo(multi input multi output)技术2,3一经提出就成为新的研 究热点，是近年来无线通信领域的重大突破。mimo 技术充分利用空间资 源，在不增加天线总发射功率和系统带宽的前提下，大大的提高了频谱利用 率。虽然 mimo 技术得到了广泛深入的研究，并且被认为是下一代通信的必 选技术，但是，在现阶段，由于受移动终端尺寸、成本和硬件复杂度的影 响，安装多个独立天线比较困难，一般只能采用单根天线发射和接收，在这 种情况下，协作通信4-6应运而生。 协作通信是指各终端与其协作伙伴按一定的方式共享彼此的天线发送信 息，形成一种虚拟的多天线系统，从而获得分集增益。作为目前通信领域的 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - - 2 研究热点，协作通信不仅能获得更高的分集增益和更低的系统延迟，还能降 低用户的发射功率，因此协作通信必然在未来的无线通信领域广泛应用。 协作通信通过节点协作地发送其伙伴的信息来获得分集增益，从而对抗 无线信道的衰落。用户之间的协作关系将导致节点需要消耗额外的能量来传 送其协作伙伴的信息，这将导致系统吞吐量的损失。基于网络编码的协作通 信，将网络编码的思想引入协作通信，用户将协作伙伴的信息和自身信息进 行处理(编码)后再发送到信宿，不仅提高了系统的吞吐量和频谱利用率，同 时还降低了系统的能量消耗。目前，网络编码和协作通信的联合设计已经成 为了一个新的研究热点。 1.2 国内外发展现状 1.2.1 协作通信的历史及发展现状 cover 和 el gamal 对中继信道的研究7是协作通信思想的首次体现。他 们研究了高斯白噪声信道下具有三个节点的无线通信系统的容量，其中三个 节点分别发射节点、接收节点和中继节点。目前，对协作通信的研究基本上 都源于此。目前所研究的协作通信主要有两种方式：固定中继和用户终端协 作。中继方式是指在发射节点和接收节点之间有一个位置固定的中继节点， 它自己没有需要发送的信息，只是对其收到的信息进行转发。接收节点可以 获得来自发射节点和中继节点的两个独立的信号样本，从而获得分集增益。 在用户终端协作方式中，发射节点同时也作为中继节点，它们不仅要发射自 身的信息，还要对协作伙伴的信息进行转发。 最早提出协作通信的是 sendonaris 等人51929-1937。 他们研究了一种两个 用户的协作通信系统，从信息论的角度分析了该系统的容量，提出了运用检 测转发(detect and forward，df)的策略进行协作，并给出了对应的接收机结 构；针对两个用户协作的情况，leneman 等 8提出了放大转发(amply and forward，af)协议，并利用该协议来实现中继协作；文献9提出了增益中 继、固定中继、选择中继三种不同的协作分集协议。文献10将 af 与 df 协 议结合起来，提出了译码放大转发(daf)协议，研究表明，daf 方案优于 af 协议。hunter 等11 提出了编码协作(coded cooperation，cc)协议，把信道编 码的思想引入到了协作通信中。 目前，对协作通信系统的研究有以下几项内容： (1) 协作方案的设计 目前，基本的协作方式包括译码转发、放大转 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - - 3 发、编码协作三种模式。针对不同的系统，根据不同的场景和要求设计出频 谱利用率高、复杂度低的协作方案是协作通信的一个重点的研究方向。另 外，还可以将协作通信和其他技术如 ofdm12、空时编码13和网络编码14等 技术相结合来形成新的协作方案，这样系统不仅可以获得分集增益，还可以 通过其他技术来获得更好的性能。 (2) 协作伙伴的选取和管理 在多用户的网络中，用户间的协作关系 如何设置和实现，哪些用户相互协作及协作伙伴多久需要重新分配都属于协 作伙伴的选择和管理问题。 (3) 功率分配问题 到目前为止，对协作通信的研究都假定用户的发 射功率相同。如果根据用户上行信道的状况和用户间协作信道的状况来调整 各用户的发射功率，则有可能获得更好的性能。在 cdma 系统中，功率控制 还能减少远近效应和用户间干扰。因此，在协作通信中，如何让进行功率分 配有重大的实际意义。 (4) 用户间多址干扰的消除 目前，对协作通信的研究大都假设各用 户的上行信道相互独立，但实际情况并非如此。多用户环境中，多址干扰是 影响系统性能的一个关键因素，在协作通信中也不例外。如何消除多址干扰 是协作通信中一个重要的研究方向。 (5) 系统的同步问题 协作通信中，某一用户的信息是通过不同的路 径发送到信宿的。如果各个协作用户到达信宿的时延不同，则协作伙伴之间 的同步问题和用户到信宿的同步问题是很难解决的。 作为一种高效的无线资源分配方案，协作通信有着广阔的应用前景。它 将在 ad hoc 网络、移动蜂窝系统、无线传感器网络等领域得到广泛应用。 1.2.2 网络编码的提出 2000 年 ahlswede 等人15于提出了网络编码(network coding，nc)的思 想，证明了在采用网络编码技术的单点对多点的通信网络中，信息传输速率 可以达到网络的最大流量。网络编码是今年来通信领域的重大突破，它一经 提出，便引起了国内外的广泛关注，目前已经成为通信领域的一大热点研究 领域。 网络编码突破了传统的基于存储转发的路由模式，在提高通信网络的吞 吐量、提高系统带宽利用率，增强网络鲁棒性等方面具有明显的优越性，并 且可以减小传输延迟，节省节点能耗。鉴于以上优点，网络编码可以应用在 在 ad hoc 网络16、传感器网络17、文件存储18等领域。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - - 4 虽然网络编码已经得到学术界的认可和广泛关注，但是从发展状况来 看，对网络编码的研究尚处于初级阶段，还有大量问题需要解决。目前，对 网络编码的研究有： (1) 编码方案的设计 网络中每个节点都要根据编码方案对其收到的 数据进行编码，目前编码方案分为确定性和随机性两类。所谓确定性网络编 码方案，是指中间节点在对它所收到的各路数据进行组合时，各路数据的加 权系数是确定不变的。相反的，随机性网络编码中的加权系数是随即产生 的，是不断变动的。确定性编码方案适合规模较小的网络。对于实际网络， 由于其规模较大，对组合系数的确定是不容易实现的，宜采用随机性网络编 码。 (2) 网络纠错编码 网络编码对链路的传输错误或者是他人的恶意攻 击十分敏感，这导致了网络纠错码的研究。cai 和 yeung 首先提出了网络纠 错码19,20,21，网络纠错码将传统的纠错编码思想引入到网络编码，在空间 域上引入了冗余，从而获得一定的检错纠错能力。 (3) 网络编码与其他技术的结合 网络编码和信源编码的联合设计 22、网络编码与信道编码的联合设计23、网络编码与分层编码的结合24等都 是很有前景的研究方向。 (4) 网络编码的复杂度 网络编码虽然从各方面提高了系统的性能， 但是由于在节点采用了编码技术，势必增加系统的复杂度。如何在性能和开 销之间进行折中，以最小代价获得最大收益是很有意义的研究方向。 (5) 网络编码的应用 网络编码在实际应用中还有许多问题需要考 虑，如节点的编码处理能力，系统的同步等。 1.2.3 网络编码协作通信的研究现状 从广义上来讲，网络编码是指中间节点对其接收的各路信息进行联合编 码后再转发给各信宿节点。通过网络编码可以获得提高带宽利用率，提高网 络吞吐量等好处。将网络编码应用于协作通信是网络编码领域的一个重要的 研究分支。传统的协作方式消耗额外的网络资源，如时间分集消耗额外的时 间，频率分集消耗额外的频率，空间分集消耗额外的空间等。基于网络编码 的协作通信可以在不消耗额外资源的情况下获得分集增益。 2006 年 chen26首先提出了基于网络编码的协作分集的概念。chen 分别 在分布式天线系统( distributed antenna system，das)和多用户协作通信网络 中考虑了基于网络编码的协作分集。结果表明，基于网络编码的 das 具有比 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - - 5 传统 das 更好的分集性能，基于网络编码的多用户协作分集可以获得更高的 分集增益。文27析了基于网络编码的 df 协作的系统中断概率性能。文28 分析了一种基于网络编码的 af 协作方案的性能，提出了一种中继节点选择 策略，这样可以缩小系统的开销。p.fan 等29分析了一种协作组播方式，该 方式结合了网络编码的思想。e.g larsson 等30研究了一种新的分集方案，该 方案是基于信号重叠调制的。信号重叠调制其实是一种物理层上的网络编 码。文31分析了基于机会式网络编码的两个用户协作通信方案，并分析了 系统的中断概率性能。文献32提出了一种新的网络卷积码协作通信系统， 并分析了系统的误码率性能。文献33在 df 协作模式下，结合机会中继和线 性网络编码，提出了基于多用户的网络编码协作通信方案，并且分析了系统 容量和中断概率。文献34和35提出了一种联合网络-信道编码的中继编码 方案。文献36研究了两个用户的中继协作通信系统，提出了双层 ldpc 码，并将其运用到节点编码方案中，其本质就是联合网络信道编码在协作通 信中的应用。 1.3 论文的主要研究问题及结构 本论文主要研究网络编码在协作通信中的应用。在协作通信中，信宿需 要来自不同独立信道的多个信号样本，然后按照某种机制进行合并恢复出发 端信息；在网络编码中，中间节点对收到的多路信息进行编码操作转发给信 宿，信宿借助已知信息还原出发端原始信息。可见协作通信与网络编码具有 共同的特点：多个节点、按照特定机制、收发多次完成通信。因此，他们具 有结合的基本前提。将网络编码引入协作通信，进一步提高系统性能是个很 有意义的研究课题。 本论文章节安排如下： 第2章首先介绍协作通信基本原理，重点介绍了协作通信的三种方式，包 括放大转发(af)模式、解码转发(df)模式和编码协作(cc)模式；然后介绍了 网络编码及其在协作通信中的应用。最后介绍了卷积码和双二元turbo码的相 关概念和编译码，为后续章节做准备。 第3章研究了基于卷积码的网络编码协作通信系统。首先分析了联合网络 -卷积编码的可能性并建立了基于卷积码的网络编码协作通信系统的系统模 型，然后根据信道状态的不同对该系统进行了计算机仿真并分析了仿真结 果。 第4章研究了基于turbo码的网络编码协作通信系统。首先分析了联合网 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - - 6 络-turbo编码的可能性并建立了基于turbo码的网络编码协作通信系统的系统 模型，然后根据信道状态的不同对该系统进行了计算机仿真并分析了仿真结 果。 最后对全文工作进行总结，并且给出下一步的研究方向。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - - 7 第2章 网络编码协作通信原理 2.1 协作通信原理 由于无线信道的时变性和多径衰落的影响，其传输性能极差。多输入-多 输出(mimo)技术可以有效的对抗衰落，但是要求发射端和接受端有多个天 线。由于体积和硬件复杂度的问题，许多无线设备被局限于只能有一个天 线。在这种情况下，协作通信应运而生。协作通信是指在多用户的环境下， 单天线的用户共享其他用户的天线形成一种虚拟的多天线传输，从而实现发 射分集。协作通信使得单天线的移动设备在不增加体积和硬件复杂度的情况 下获得了 mimo 系统的优点。 cover和el gamal对中继信道(relay channel，rc)的研究7是协作通信思 想的首次体现。中继信道模型如2-1所示。a为源节点，b为中继节点，c为目 的节点。在三个节点的工作频带相同的前提下，系统的信道可以被分解为一 个广播信道(节点a广播至节点b和c)和一个多址信道(节点c接受来自a和b的 消息)。后来出现的许多有关协作通信的研究都来源于此。 a b c 信道1 信道2 信道3 x x x1 y y1 广播信道多址信道 图 2-1 中继信道模型 协作通信的原理类似于中继信道，如图2-2所示，为两个用户协作通信的 系统模型。假定节点不能同时发送和接受信号即系统以半双工的方式工作， 并且两个用户的上行信道独立。信息的传递需要两个时隙。第一时隙，用户 a广播 1 x至用户b和信宿c，同时用户b广播 2 x至用户a和信宿c。信宿c暂时 不对收到的信息进行处理。用户a和用户b检测到协作伙伴的信息 1 y和 2 y。第 二时隙，用户a和用户b分别发送 1 y和 2 y至信宿s， 1 y和 2 y由协作方式决定并 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - - 8 包含 1 x和 2 x的信息。第二时隙结束后，信宿对收到的信息进行联合处理， 恢复出发端的信息。 a b c x2 x1 x2 x1 y1 y2 图 2-2 两用户协作通信系统模型 根据节点对协作伙伴消息处理方式的不同，协作通信可以分为译码转发 方式(df)，放大转发方式(af)和编码协作方式(cc)。下面对它们的工作原理 进行简单的介绍。 2.1.1 译码转发方式 译码转发(df)方式最接近传统意义上的中继通信。这种方式下，首先， 节点发送信息给信宿和协作伙伴。信宿暂不对收到的信息进行处理。广播节 点对其收到的协作伙伴的信息进行解码，重新编码后发送到信宿。信宿对其 收到的两路独立的信号样本按照一定的方式进行合并，最终译码恢复发端信 息。 译码转发方式简单易行，对信道状况的适应性强，但是当两个协作伙伴 之间的信道状况较差时，节点可能不能对协作伙伴的信息正确译码，从而威 胁到信宿的最终解码。同时信宿需要知道两协作伙伴间信道的差错特性来实 现最佳译码。 为了避免错误从节点到基站的传播，laneman9294-296等提出了一种改进 方案，即选择译码转发模式。当协作伙伴之间信道信噪比较高时，节点对协 作伙伴的信息进行检测，重新编码后转发给信宿。当协作伙伴之间信道较差 时不进行协作。另一种改进方式为有校验的译码转发(df with crc)。节点收 到协作伙伴信息后进行解码，并进行crc校验，若正确择转发给信宿，否则 抛弃该帧。这两种改进方法都有效的避免了错误传播。 2.1.2 放大转发方式 放大转发(af)方式是另一种简单的协作通信方式。这种方式下，每个用 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - - 9 户收到的是掺杂了噪声的协作伙伴的信号，然后对其进行放大和转发，同时 被放大的还有接收信号的噪声部分。但是信宿收到的是来自信源和其协作伙 伴的两路独立的信号样本，仍然可以根据一定的规则对接收信号进行合并， 并作出较好的判决。lanenman等人9296-298首先提出并分析了放大转发模式的 协作通信，证明了在两户用的情况下，基于放大转发模式的协作通信在高信 噪比下可以获得2阶分集增益。 在放大转发模式中，协作伙伴需要对其转发的信号进行功率调整，调整 的依据是系统的自动增益控制系统，系数为 0 2 , npa p sr (2-1) 其中， sr a , 为信源与协作伙伴之间的信道的衰落系数，p为信号功率， 0 n为 信源与协作伙伴间信道的噪声功率。 放大转发模式是一种简单的协作方式，它本身易于分析，对协作通信系 统的进一步研究非常有帮助。 2.1.3 编码协作方式 编码协作是一种整合了协作分集和信道编码的协作方式，最早由hunter 提出112688。编码协作通过两个相互独立的信道来传送每个用户的不同的码字 部分。其基本思想是每个用户尝试传送其冗余部分给协作伙伴。如果不成 功，将自动转为非协作模式，这是系统预先设定的，这样可以保证系统的效 率。 在编码协作模式下，每个用户对其源信息进行分组，并且添加crc校验 比特。假设每组长度为k比特，其中包含crc校验信息。然后对每组添加了 crc校验的数据进行纠错编码，编码输出为长度为n比特的码字。n比特码 字被分为两帧，长度分别为 1 n比特和 2 n比特。第一帧内，节点发送码字 1 n。每个用户接收到协作伙伴的第一帧信息后进行解码，然后进行crc校 验，解码成功则在第二帧时计算出协作伙伴的 2 n并发送到信宿，否则返回非 协作模式，在第二帧发送自身的 2 n部分。如果两个用户中只有一个解码成 功，则第二帧发送的是相同的 2 n。在编码协作模式下，信宿需要知道第二帧 是哪个用户的信息，然后才能对收到的信息进行联合处理，这就需要在第二 帧信号中添加一个标志为来帮助信宿进行判决。 编码协作模式在完全协作的情况下可以获得二阶分集增益，同时也可获 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - - 10 得一定的编码增益，但该模式下协作伙伴间信号的处理较为复杂，同时增加 了协作系统的延迟。 2.1.4 各种协作方式的比较 译码转发和放大方式是最简单的协作协议，复杂度也最低。译码转发协 议在用户间信道较差的情况下，节点可能无法对其收到的协作伙伴的信息进 行正确译码，从而引起差错的传播；放大转发不存在这个问题，但是节点接 收到的是掺杂了噪声的信号，对信息信号进行放大的同时不可避免的也会放 大噪声。这两种方式都是通过重复的发送信号样本来实现协作，获得分集增 益，这就造了功率的浪费，同时信道利用率也不高。编码协作在性能上优于 前两种方式，但是复杂度高，节点对信号的处理比较复杂，带来了较大的时 延。 2.2 网络编码原理 ahlswede等人151204于2000年提出了网络编码(network coding，nc)的思 想。网络编码是近年来编码理论的重大突破，在网络编码中，中间节点可以 对其收到的信息进行编码操作，而不是简单的执行存储转发操作。网络编码 极大的提高了系统容量和链路的带宽利用率。 在已有的计算机网络中，每个节点的作用相当于一个开关，它或者将信 息从输入链路转发到输出链路，或者复制从输入链路得到的信息并将其发送 到一定数量的输出链路。从信息论的角度来看，没有任何理由把一个节点的 作用局限于一个类似开关的作用。相反，节点可以作为编码器，它接收来自 不同输入链路的信息，对这些信息进行编码操作，然后发送到输出链路。从 这个角度来看，开关是编码器的一种特例。我们把网络中节点进行的编码操 作称为网络编码。 为了更好的理解网络编码，有必要简绍图论的一些相关知识。 非循环通信网络可以用一个有限的有向图,vg 来表示，其中v是网 络的点的集合，是图g中点的集合，每条边代表通信系统中的一个信道。 从节点a到节点b的边表示为ba,，我们称节点a(节点b)为边ba,的输入节 点(输出节点)，同时我们称边ba,为节点b(节点a)的输入边(输出边)。 在网络中，节点s从字母表z中生成信息序列，其中vs，那么s被称 为源节点。我们称集合z源字母表，称产生的消息为源消息。源消息通过网 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - - 11 络传递到每个节点u，其中uu，u为v的子集，并且u中的每个节点都被 称为信宿。 信道ba,上可以传输的最大符号数用 ba r , 来表示。 ba r , 也称为边ba,的 容量(从图论的意义上)。定义 barr ba ,: , 。简化起见，我们假设 ba r , 是所有ba,的非负整数。这样，一个网络可以用一个图来描述，在图 中，每条边得容量均为1并且一对节点之间可以有多条边。特别的，如果 1 , rr ba ，我们可以用r条容量为1的边来代表信道ba,，而不是用一条容 量为r的边来表示，记为 rbababa,2,1,。 s 12 3 4 t1t2 11 1 1 1 11 11 s 12 3 4 t1t2 1 b 2 b 1 b 1 b 1 b 1 b 1 b 1 b 2 b 2 b 2 b 1 b, s 12 3 4 t1t2 1 b 2 b 1 b 1 b 1 b 21 bb 2 b 2 b 2 b 21 bb 21 bb , 21 bb ,2 1 bb a) 网络结构b) 传统路由 c)网络编码 图 2-3 “单信源二信宿”蝴蝶网络 r.ahlswede等人15以“蝴蝶网络”作为例子，对网络编码的基本原理进 行了阐述， “蝴蝶网络”如图2-3所示。如图2-3a)所示，s为信源节点， 1 t和 2 t 是两个信宿节点，它们分别是信息传输的始点和终点。1-4为中间节点，它们 在网络中的作用就是对收到的信息存储转发。各链路每个时间单位只能传输1 个单位的信息。由“最大流最小割”定理可知，两个信宿节点 1 t和 2 t的最大 流均为2个单位，换言之，在理论上两个信宿 1 t和 2 t能够同时收到信源s发出 的信息 1 b和 2 b。 图2-3b)表示了传统的路由模式，各节点只是对收到的信息进行简单的存 储和转发。各链路的容量均为1个单位，所以中间节点在一个时隙内只能转发 一份数据 1 b或者 2 b，无论哪种情况，两个信宿节点均不能同时收到 1 b和 2 b。 可见，对于此蝴蝶网络，节点对收到的数据进行存储和转发这两种操作，并 不能实现该网络的理论容量。 图2-3c)所示的是网络编码模式，节点3对输入的信息进行简单的网络编 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - - 12 码操作，这里特指模二加(“”表示模二加)。然后将操作结果 21 bb (称为 编码信息)输出，并最终传送至信宿 1 t和 2 t。信宿 1 t收到的信息是 1 b和网络编 码后的信息 21 bb ，通过简单的译码操作)( 211 bbb即可恢复出 2 b，这样信 宿 1 t相当于同时收到了 1 b和 2 b。同理，信宿 2 t也可同时收到 1 b和 2 b。也就是 说，通过进行简单的网络编码，在理论上实现了系统的传输容量。可见，与 传统方式比起来，网络编码对系统的吞吐量有所提升。 2.3 网络编码应用于协作通信 作为近年来网络通信领域的重大突破，网络编码极大的提高了系统容量 和链路的带宽利用率。网络编码的概念最初是在有线网络中提出的，但是无 线信道的广播特性使得网络编码同样适用于无线网络。同时，无线信道的衰 落特性给网络编码的应用带来了挑战。 在协作通信中，信宿需要来自不同独立信道的多个信号样本，然后按照 某种机制进行合并恢复出发端信息；在网络编码中，中间节点对收到的多路 信息进行编码操作转发给信宿，信宿借助已知信息还原出发端原始信息。可 见协作分集与网络编码具有共同的特点：多个节点、按照特定机制、收发多 次完成通信。因此，他们具有结合的基本前提。 网络编码在协作通信中的应用主要包括以下几个方面： (1) 异或运算 基于异或运算的网络编码协作通信是网络编码应用于 协作通信的最简单、最直接的一种方式，原理如图2-4所示。节点在第一时隙 发送自身数据给信宿和协作伙伴。假设用户之间的协作信道理想，则用户1和 用户2可以准确获得对方的信息。第二时隙节点对接收到的协作伙伴的信息和 自身信息进行异或运算，然后转发给信宿。信宿节点进行联合处理恢复出发 端信息。 11:x t 11:x t 21:x t 21:x t 212 x:xt 212 x:xt 用户1 用户2 基站 图 2-4 基于异或运算的网络编码协作通信 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - - 13 (2) 复数域网络编码 文献25提出了复数域网络编码(complex field network coding，cfnc)。研究表明，复数域网络编码不仅能获得完全分集 增益，进一步带来系统吞吐量得提升，还能实现多个信源信息的相互交换。 基于复数域网络编