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基于网络编码的协作通信研究 摘要 随着人们对网络传输质量要求的不断提高，如何提高现有网络资源利 用率和数据速率，降低网络中断概率己成为当今无线网络通信研究的重要 课题之一。协作通信是近几年发展起来的能够有效对抗衰落和提高频谱效 率容量增强技术，正受到学术界的广泛关注。由于无线链路的不可靠性和 物理层广播特性非常适合采用网络编码，网络编码能显著提高网络吞吐量， 达到网络容量的最大化。在协作通信技术中引入网络编码可以降低系统中 断概率，提高传输可靠性。本文以降低无线系统中断概率，提高分集增益 为目标，研究基于网络编码的协作分集系统和协作发送协议，取得一些有 意义的研究成果，主要工作如下： ( 1 ) 针对多入多出技术中移动终端在体积、重量和功耗的限制，提出含 有辅助天线的分布式天线系统，并在此基础上，引入网络编码技术，形成 基于网络编码的分布式天线系统( d i s t r i b u t e da n t e n n as y s t e m ，d a s ) 。仿真 结果表明，相比简单d a s ，基于网络编码的d a s 节约硬件成本，中断概率 平均降低0 0 1 6 4 ，提高了系统容量。 ( 2 ) 根据分布式天线系统需要安装辅助天线，存在硬件成本高和频谱效 率低的缺点，提出一种无辅助天线的用户协作分集系统方案。该方案能在 无辅助天线的情况下，节约了硬件成本和频谱资源，获得较好的系统性能。 仿真实验表明，当系统信噪比大于4 5 d b 时，2 用户协作机制下，相比传统 协作通信，基于网络编码机制的平均中断概率降低1 3 1 4 ，提高系统性能。 ( 3 ) 针对用户协作系统只发生在信源中继信道可靠的前提下，提出一种 更具普遍意义的协作机制一协作发送协议。静态协议机制能够达到全分集。 理论分析和实验仿真得到：协作发送协议优于直接发送性能；当信源中继 信道可靠时，适合采用基于网络编码的静态协议，而当信源中继信道不稳 定时，适合采用基于网络编码的自适应协作发送协议：同时，通过提高在 协作分集第1 时间段的能量分配比例卢值，显著提高系统性能。 关键词：协作通信网络编码分布式天线系统中断概率协作发送协议 r e s e a r c ho nc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o nb a s e d o nn e t w o r kc o d i n g a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n gr e q u i r e m e n to fn e t w o r kt r a n s m i s s i o nq u a l i t y , h o wt o i m p r o v ed a t ar a t ea n dt h eu t i l i z a t i o no fe x i s t i n gn e t w o r kr e s o u r c e sa n dr e d u c e o u t a g ep r o b a b i l i t yh a sb e e no n eo fm o s ti m p o r t a n tt o p i c si nt h ec u r r e n tn e t w o r k c o m m u n i c a t i o nr e s e a r c h c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o ni sac a p a b l et e h i q u e w h i c hc a ne f f e c t i v e l yc o m b a tf a d i n ga n di m p r o v et h es p e c t r u me f f i c i e n c y m o r e o v e r , c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n h a s w i d e l y d r a w na t t e n t i o no f r e s e a r c h e r sf o rt h ep a s tf e wy e a r s t h ew i r e l e s sm e d i u md o e sp r o v i d es o m e d e s i r a b l ec h a r a c t e r i s t i c ss u c ha su n r e l i a b i l i t yo fw i r e l e s sl i n k sa n db r o a d c a s t i n g o fp h y s i c a ll a y e r , w h i c hf a c i l i t a t et h ea p p l i c a t i o no fn e t w o r kc o d i n gt h a tc a n s i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h en e t w o r kt h r o u g h p u tw h i l em a x i m i z i n gt h en e t w o r k c a p a c i t y s y s t e mo u t a g ep r o b a b i l i t yc a nb er e d u c e da n dt r a n s m i s s i o nr e l i a b i l i t y c a nb ei m p r o v e db yu s i n gn e t w o r kc o d i n gi nc o o p e r a t i v ec o m m u n l c a t l o n o 一一一 o ，一 r e d u c es y s t e mo u t a g ep r o b a b i l i t ya n di n c r e a s ed i v e r s i t yg a i n ，t h i sd i s s e r t a t i o n s t u d i e sc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o nb a s e do nn e t w o r kc o d i n ga n dc o o p e r a t i v e t r a n s m i s s i o np r o t o c o l s t h em a i nw o r ki sa sf o l l o w s f i r s t l y , d u et ot h er e s t r i c t i o n so fm o b i l et e r m i n a l si nv o l u m e ，w e i g h ta n d p o w e rc o m s u m e i nm u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ，t h i sd i s s e r t a t i o ni n v e s t i g a t e s d i s t r i b u t e da n t e n n as y s t e m ( d a s ) w i t ha s s i s t i n ga n t e n n a sb yi m p l e m e n t i n g n e t w o r kc o d i n g t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a td a sw i t hn e t w o r kc o d i n g s a v e sh a r d w a r ec o s ta n dr e d u c e s o u t a g ep r o b a b i l i t yb y 0 016 4 a v e r a g e l y c o m p a r e d w i t hs i m p l ed a s s e c o n d l y ，b e c a u s eo fh i g hh a r d w a r ec o s ta n dl o ws p e c t r a le f f i c i e n c yo fd a s ， t h i st h e s i sp r o p o s e su s e rc o o p e r a t i v es y s t e ms c h e m ew i t h o u t a s s i s t i n ga n t e n n a s w h i c hs a v e sh a r d w a r ec o s ta n ds p e c t r a lr e s o u r c e sg r e a t l y t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tn e t w o r k c o d e dc o o p e r a t i v e s y s t e m sr e d u c es y s t e m o u t a g ep r o b a b i l i t yb y13 14 c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lt w ou s e rc o o p e r a t i v e c o m m u n i c a t i o n ，w h e ns n r i sg r e a t e rt h a n 一4 5 d b f i n a l l y , s i n c eu s e rc o o p e r a t i v es y s t e mi so n l yu n d e rt h ep r e m i s eo fr e l i a b l e s o u r c e - r e l a yc h a n n e l ，t h i sd i s s e r t a t i o ne l a b o r a t e sam o r eg e n e r a lc o o p e r a t i v e m e c h a n i s m - - - c o o p e r a t i v et r a n s m i s s i o np r o t o c o l s i ns t a t i cp r o t o c o l s ，t h es y s t e m c a na c h i e v ef u l ld i v e r s i t y t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t sr e v e a lt h a t c o o p e r a t i v et r a n s m i s s i o np r o t o c o l sa r em u c hb e t t e rt h a nd i r e c tt r a n s m i s s i o n w h e nt h es o u r c e - r e l a yc h a n n e li ss t a b l e ，i ti ss u i t a b l et oa d o p ts t a t i cp r o t o c o l s b a s e do nn e t w o r kc o d i n g ，a n dw h e nt h es o u r c e r e l a yc h a n n e li su n s t a b l e ，i ti s s u i t a b l et oa d o p ta d a p t i v ep r o t o c o l sb a s e do nn e t w o r kc o d i n g ；m e a n w h i l e ，b y a l l o c a t i n gm o r ee n e r g yi nt h ef i r s tt i m es l o tpc a ni m p r o v ep e r f o r m a n c eg r e a t l y k e yw 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 ；d i s t r i b u t e d a n t e n n as y s t e m ；o u t a g ep r o b a b i l i t y ；c o o p e r a t i v et r a n s m i s s i o np r o t o c o l s 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第署名单位发表或使用本论文 的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含 本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集 体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名： 罗会辛 学位论文使用授权说明 纱。7 年二月砰日 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 承口时发布 口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 删一：黔千新签名蹿i 群岬年衫月印廖 广西大掣蛹炙士掌位论文 基于网络编码的协作通信研究 1 1 研究背景与意义 第一章绪论 下一代无线移动通信网络将是无处不在，能实现任何时间、任何地点、任何业务任 意接入，提供高q o s 和高速率的多媒体业务。前两代移动通信系统以提供语音业务 为主，而下一代无线移动通信将以提供高速数据率的多媒体业务和数据业务为目的，因 此，下一代无线移动通信必须采用更先进的技术以提高信息传输速率。但无线信道的多 径衰落特性是影响无线通信传输速率与质量的重要瓶颈，如何克服多径效应便成为提高 通信质量要解决的首要问题【l j 。为了达到这一目标，研究者对无线通信的关键技术做了 大量的理论研究，包括性能更优的信号处理技术、针对无线信道的编解码技术和调制技 术、分集技术以及各种检测技术，其中分集技术至关重要，这是由无线信道的本质特性 决定的。 实际环境中的无线信道通常是时变的，受各种外界干扰及多径衰落因素的影响，其 接收信号强度( 包括相位，幅度等参数) 可能会产生大幅度的变化。移动通信中接收机的 场强衰落分为两种：一是小尺度衰落，描述的是短距离( 几个波长) 或短时间内的接收场 强的快速波动。它表现为信宿出现较大的突发误码，变化快、难以预测，通常采用交织 的处理方法，将突发误码白化，再进行纠错：二是大尺度衰落，表示发射机与接收机之 间长距离( 几百米以上) 的信号变化。表现为在接收端平均误码率相对缓慢的变化，可采 用自适应信道编码使得信道编码效率与实际信道状态保持动态匹配，保证在信道状态差 时能够自动降低信道编码效率，以提高纠错能力：而在信道状态变好时自动提高信道编 码效率，以达到提高传输效率的目的。 分集技术作为无线和移动通信中对抗衰落的有效手段之一，以空间分集为基础的多 入多出( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ，m i m o ) 技术已成为b 3 g 4 g 拟采用的重点技术。 所谓m i m o 是利用多根发射天线和多根接收天线进行无线传输的技术。研究表明， m i m o 可以显著提高无线系统的频谱利用率。m i m o 技术作为提高数据传输速率的重要 手段，被认为是新一代无线传输系统的关键技术之一，已得到越来越多人们的关注。但 遗憾的是，从实际工程和商业实现的角度考虑，对于蜂窝通信系统的上行信道而言，对 于尺寸、能耗受限的移动用户来讲，安置多根天线以实现空间分集缺乏实际应用性【z 】。 为解决无线终端实际应用的问题，一种全新的空间分集技术协作分集应运而生p j 。 在一个多用户环境中，每个单天线移动终端都有自己的协作伙伴，协作伙伴在发送自己 信息的同时也帮助系统中其他伙伴发送信息，多用户通过共享彼此之间的天线形成虚拟 的m i m o 子信道，以此来模拟m i m o 系统通信。研究表明，协作通信方式可以达到多 入多出的系统性能，增加信息传输速率，提高了系统的通信质量【4 】。协作分集技术推动 广西大掌硕士掌位落吁 基于网络编码的协作通信a g i l e 了m i m o 技术的实际应用。作为一种全新的空间分集技术，尽管目前国内外对协作分 集技术的研究刚刚起步，还存在很多实际问题，但该技术具有广阔的研究和应用前景， 可用于无线自组织网( a dh o e ) 、无线局域n ( w l a n ) , k 无线传感器网等多种网络，今后 还有可能与其他学科结合起来，形成一种全新的智能网络，引起移动通信领域的重大变 革。 由于处理器技术和芯片技术的飞速发展，交换设备的信息处理能力越来越强，而简 单的存储转发则造成了对日益增长的处理器资源和网络资源的浪费。网络编码【2 】在这种 背景下产生具有非常的现实意义，其设计思想和理论研究已经渗透到通信系统的其它协 议层，广泛应用于计算机通信的各个方面。网络编码技术通过比特流的混叠能极大提高 网络吞吐量，在有线网络中已得到蓬勃发展【5 j 。目前网络编码技术的研究不再局限于理 想的有线信道。作为一种新型的网络传输技术，网络编码的优点不言而喻，它已被国际 学术界和美国军方认定为解决网络问题的重要手段，是国际信息论和网络理论领域所关 注的热点。 随着无线通信技术，特别是无线多跳自组织网络和协作通信技术的深入研究，研究 者意识到传统点到点通信的研究模式虽然有助于提高整个无线网络的吞吐量，但无法达 到网络容量的最大化，因此越来越多的高校和研究机构已开始关注如何将网络编码技术 应于有噪声和衰落的无线网络。 无线链路的不可靠性和物理广播特性非常适合采用网络编码。在无线网络中采用网 络编码，无线网络的一些特性可被挖掘出来并转化为其优势，网络编码的理论在无线网 络应用还有极大地空间可供利用。第一、无线广播特性为网络编码的应用提供了一个很 好的研究点：当节点广播数据包的时候，在其附近至少有一个节点接收到该数据包，那 么接收到该数据包的节点就可作为下一跳来继续转发数据包。这一方法与现有无线网络 设计形成鲜明对比，在现有的无线网络设计方案中，下一跳是单一指定的，如果选定的 下一跳未准确接收到数据包，上一跳就需要重传数据包。第二、无线网络节点的数据冗 余度的特性( 即节点的可用信息之间有重叠) 也为网络编码的应用提供了一个很好的方 向。首先，当某个数据包经过多跳传输时，它所包含的信息对众多节点是已知的。再者， 无线广播放大了冗余度。因为在每一跳，节点发送同样的数据包到无线广播范围内的多 个节点。以上无线网络的三个特性非常好地支持了网络编码在无线链路上的使用。 结合了编码和路由等概念，网络编码通过允许对来自网络中不同链路的信息进行网 络编码组合，使得节点既实现路由功能又实现编码功能【6 l 。在这种全新的体系结构下， 网络性能可达到香农容量极限，该方法己被证明是可以逼近网络容量理论极限的有效方 法。网络编码与协作通信网络相结合，通过将数据编码产生相互独立的多份数据进行传 输，有效地减少了链路失效带来的影响，降低通信系统的中断概率，提高了传输可靠件： 而协作中继通过采用网络编码，对能够正确解码出的协作伙伴的信号重新进行网络编 码，能够极大地提高数据传输率，有效减少重传次数，从而提高了系统分集增益。 2 广西大掌硕士学位论文 基于网络编码的协作通信研究 1 2 协作分集发展现状 关于协作通信技术的研究最早可追朔到2 0 世纪7 0 年代，t h o m a sc o v e r 和e ig a m a l 等人以信息论为理论基础证明了多接入信道、中继信道以及广播信道的系统容量上界 7 1 0 1 ，网络信息论也从这个时候发展起来的。但早期研究方法侧重分析网络拓扑和网络 流，并没有考虑节点在物理实现上的制约( 如：半双工) ，因此容量上限一般很难达到。 真正意义上的协作通信技术则是在m i m o 技术发展到一定程度之后提出的。m i m o 系 统由于移动终端的体积限制，在实践中步履维艰。为打破这种僵局，s e n d o n a r i s 等人于 2 0 0 3 年提出了一种新的空域分集技术，即协作分集技术【1 1 1 。研究表明单天线的移动终 端也可以实现空域分集，扩大系统容量，进而达到改善系统性能的目的。l a n e m a n 等人 给出了多用户协作协议【1 2 1 ，引入空时编码思想到该协议分集中。随后，l a n e m a n 等人在 文献 1 3 】中以中断概率为性能指标分析了a f ( 放大转发) 和d f ( 解码转发) 协议下系统的 分集增益。研究表明，在信噪比足够大时，两种协议均能获得满分集增益。由于无线信 号的广播特性，使得协作通信中信源节点和中继节点的信号在接收端产生混叠。针对此 情况，n a b a r 等人提出了单源、单宿、单中继情况下非正交a f ( n a f ) 协议的三种典型 情况【1 4 , 1 5 j ，并分析了以中断概率作为标准的系统性能。a z a r i a n 等人在文献 1 6 】中首次明 确将m i m o 技术中的分集复用的信息论准贝j j ( d i v e r s i t y - m u l t i p l e x i n gt r a d e o f f ，d m t ) ， 文献 1 7 】用于协作通信系统的性能分析，详细地分析了n a f 协议、协作多接入信道以及 协作广播信道的d m t ，使得协作通信系统的性能分析有了统一的标准。编码协作是协 作通信中另一活跃的领域【1 8 】，其基本思想是将协作分集和信道编码技术相结合，提高系 统性能。现有的研究成果已成功将t u r b o 码和l d p c 码应用到协作通信系统中【l 址2 u ，2 1 | 。 协作分集是一个全新的研究领域，在国内已广泛引起学者的关注。协作分集的思想 具有非常广阔的应用前景，可应用于无线a dh o e 网络、蜂窝移动通信系统、无线局域 网以及无线传感器网络等多种场合。目前研究的热点包括【2 2 1 ：( 1 ) 对几种主要协作信令方 式的研究，如放大一前馈方式、解码一前馈方式、编码协作方式等；( 2 ) 对用户之间协作 协议的研究：( 3 ) 协作用户之间不同信道环境下的研究；( 4 ) 协作通信编码方式的研究。 本文主要研究第二、四两点，研究网络编码技术对协作通信网络性能的影响。 1 3 网络编码发展现状 2 0 0 0 年，由香港大学的a h l s w e d e 教授提出的网络编码【5 1 ( 非网格编码) ，已被证明是 可以逼近网络容量理论传输极限的有效方法，被国际学术界和美国军方认定为解决网络 问题的重要手段。网络编码的最初思想是通过在网络层将信息流进行组合编码来达到数 据的高速传输( 即最大流) ，而传统的信息传输方式只是将信息进行复制、转发( 即路由方 式) ，这一革新引起了学术界的兴趣，大量的理论、方法不断出现，并相应提出了很多 3 基于网络编码的协作通信研究 设想上的应用。 应用网络编码技术能改善网络性能、改变网络结构、改变网络协议设计方法，网络 编码的出现使得现有的网络发生了革命性的变化【6 1 。国外多所著名大学都在积极开展对 网络编码理论和应用的研究，如普林斯顿大学、伊利诺伊大学、麻省理工、加州理工学 院、香港中文大学、微软、加州大学洛杉矶分校等和多家i t 公司的研究中心，包括微 软研究院、贝尔a t & t 实验室、a t & t 的香农信息实验室等。目前国内对该领域的研究 还刚刚起步，有的研究也是在有线网络方面的初步研究，具有确定拓扑有线网络的网络 编码已受到广泛的关注，但网络编码的无线研究和应用还处于探索阶段。 在网络编码理论方面，继2 0 0 0 年a h l s w e d e 等人提出网络编码1 2 j 概念之后，r k o e t t e r 和m 。m e d a r d 于2 0 0 3 年提出用代数框架描述网络编码，并证明了存在线性时不变网络编 码，该方式满足多播容量【2 3 j 。同时，l i 等人于同年证明了采用线性网络编码能达到网络 多播容量【2 4 】。前者的工作为网络编码发展作了必要的理论条件。p s a n d e r s 等人也在2 0 0 3 年提出了一种实现网络编码的多项式时间算法1 2 5 1 ，简化了网络编码的构造方式，将网络 编码构造复杂度降到多项式级。h om e d a r d 等人提出了随机网络编码【2 引，该技术的提出 拓宽了网络编码的适用场景，研究不再局限于确定网络拓扑和集中式算法上1 6 】。 在无线应用方面，无线网络环境是网络编码首先被应用的领域，因为无线链路的不 可靠性和物理层广播特性非常适合使用编码的方法。文献【2 7 】将网络编码应用到无线网 络中，作为一个尝试性的工作，忽略分布式信道编码方法，讨论了基于网络编码的用户 协作系统，证明网络编码能够提高系统性能。但是文献【2 7 】模型仅讨论了b p s k 调制方 式，未讨论多用户协作的不同调制方式下的能量增益和分集增益。文献【2 8 】考虑协作分 集系统中继接收数据的各种情况，将协作发送协议分为静态和自适应协作协议，得出当 信源中继信道不稳定时，适合采用网络编码协议；而当信源中继信道可靠的时候，采用 非网络编码协议。文献【2 8 】给出了能量模型，但是未讨论对协作分集过程中各个时问段 能量分配对协作系统中断概率的影响关系，而仿真表明，通过提高第1 时间段的能量分 配比例，可以降低系统中断概率，提高通信系统性能。 目前大部分关于网络编码在协作通信中的研究是简单的单源、单宿以及多个中继节 点协作分集的协作通信模型上，但都并未深入研究中继节点的具体行为。因此深入考虑 研究协作通信模型具有重要的理论价值和实际意义。本文研究基于网络编码的协作通信 模型，分析中继的各种发送行为，得出网络编码适用的条件。 1 4 课题研究目标以及内容 1 4 1 研究目标 本论文的研究目的：在协作通信系统中引入网络编码技术，讨论系统容量，分集增 益，能量损耗等现代通信系统的关键性能参数。总体目标是采用线性网络编码技术，将 4 广西大掌硕士掌位论文 基于网络编码的协 t l z 通信研究 其应用在协作分集过程中第2 时间段；建立一个完整的基于网络编码的协作通信系统数 学模型，切实地利用空间资源来达到提高通信系统的性能的目的，包括降低系统的服务 中断概率，提升系统容量、增大数据传输速率、有效对抗衰落，提高系统服务质量和可 靠性等：讨论基于网络编码的协作发送协议，并与其他编码方式的协作协议比较，分析 系统中断概率，得出网络编码适用的条件。 1 4 2 研究内容 论文总结网络编码和协作分集的基本概念和已取得的研究进展，分析了线性网络编 码的编解码过程和实际应用的特点，并讨论分布式天线、协作分集与网络编码相结合后 的中断概率特性。本文的研究内容如下： ( 1 ) 研究无线网络编码技术 网络编码主要有确定性和随机性两种编码方案。对于结构较小的网络，选择比较简 单的确定性算法，而对于大型无线网络则应采用随机编码机制。无线网络中的节点采用 随机网络编码时，涉及到大量的乘法和加法运算，需要大的计算复杂度，所需的符号集 较大。因此本文研究低复杂度的网络编码算法，保证提高网络编码增益。本文重点研究 现有的网络编码技术理论，将其应用到协作通信网络中，研究线性网络编码的编码和解 码过程以及线性组合的选择；侧重解决实际应用中遇到的问题，比如降低编码复杂度， 系统本身的延时以及网络编码带来的延时影响等。 ( 2 ) 基于网络编码的用户协作模型 在无线多址接入技术中，m i m o 技术能够提供一种空间分集增益，但在实际应用中 仍然存在问题，协作分集很好的解决了这一问题。本文提出一种合适的基于网络编码的 用户协作方案，研究基于网络编码的用户协作系统分集增益和系统中断概率性能，以期 达到提高系统容量、增大数据传输速率、有效对抗衰落以及降低系统的服务中断概率， 提高系统的服务质量和可靠性等各项无线通信性能指标。 ( 3 ) 基于网络编码的协作发送协议 协议的简单合理与否对系统处理的时延和中断概率性能有着很大的关系。讨论各种 协作发送协议下，系统信噪比与系统中断概率的关系：在给定协作过程发送总能量的情 况下，讨论第1 时间段和第2 时间段不同的能量比例情况下，分析无线网络编码对协作 发送协议的中断概率性能的影响关系，为在实际环境中选择最佳协作协议提供一种参考 方案。 1 5 论文结构 本论文共由五章组成，第一章是对课题研究背景进行总体概括，主要介绍了网络编 广西大掌硕士掌位论文 基于网络编码的协作通信研究 码在协作通信中应该的研究背景与意义，阐述了网络编码和协作分集的研究现状。在第 二章中主要介绍了网络编码技术，从图的基本概念出发引出网络编码的模型，研究了线 性网络编码的编解码过程以及实际应用中考虑的问题等。 第三章到第五章是论文的核心部分。描述了课题研究内容，系统模型以及仿真结果 等相关内容。其中第三章介绍了分集技术和基于网络编码的分布式天线系统；第四章主 要介绍协作分集的概念，并讨论基于网络编码技术的用户协作通信系统性能；第五章介 绍了基于网络编码的用户协作发送协议。 各章的具体内容安排如下： 第一章：绪论。介绍论文研究的背景和意义、协作分集和网络编码国内外研究现状 以及本论文的研究目标和内容。 第二章：主要研究网络编码技术。介绍了线性网络编码的编码和解码过程，以及网 络编码在实际应用中需要考虑的问题，网络编码的优点以及应用领域等。 第三章：主要研究分集技术和基于网络编码的分布式天线系统。介绍分集技术的原 理、分类和分集合并技术并比较其缺优点；最后结合网络编码技术，给出了基于网络编 码的分布式天线系统方案，理论分析并计算机仿真基于网络编码的分布式天线系统性 能。 第四章：研究协作分集和基于网络编码的用户协作通信系统。介绍协作分集的概念， 阐述了目前主要的几种实现协作通信的方法，将网络编码技术应用到用户协作通信系统 中，研究基于网络编码的协作通信系统的中断概率性能。 第五章：主要研究网络编码在协作分集系统中的应用。结合网络编码技术，从静态 协议和自适应协议两种机制考虑，改进了静态协作发送协议机制，仿真基于网络编码的 协作发送协作协议和基于重复编码的协作发送协议性能，并对实验仿真结果进行讨论。 第六章：总结与展望，总结本文所做的工作，对基于网络编码的协作通信系统提出 一些探讨性的意见，以及下一步的工作建议。 论文最后是参考文献、攻读硕士学位期间发表的论文和参与的科研项目以及致谢。 6 基于网络编码的协 r l z 通信研究 第二章网络编码技术 随着通信网络的发展和网络用户数的增加，使得有限的网络资源越加紧张。如何提 高整个网络的吞吐量，有效的利用网络资源率，成为人们日益关注的问题。网络编码技 术提供了一种新的节约网络资源和提高系统容量的方式【矧。目前，网络编码已被证明是 可以逼近网络容量理论传输极限的有效方法，已被国际学术界和美国军方认定为解决网 络问题的重要手段。本章重点介绍了线性网络编码技术，线性网络编码和解码过程以及 实际应用中考虑的问题等方面。 2 1 线性网络编码 网络编码通过对信息比特流进行特定操作，比如有限域上的运算、模2 和等，而非 复制转发。根据对其输入信息的操作特点分为：线性网络编码和非线性网络编码。根据 对信息进行操作系数的选取方式分为：随机网络编码和确定性网络编码。 本节以应用较广最为广泛的线性网络编码为例，来说明网络编码的原理。假定流入 节点数据包的包长度均为l b i t ( 位数不够末尾补零) ，如果把这b i t 中每连续的巾i t 映射为 有限域中的一个元素，就可把该数据包看成一个包含三j 个元素向量。从代数学角度上 来分析，数据包之间的编码运算就等同于向量的线性组合，并且线性组合所用到的加法 和乘法，必须遵循有限域的运算法则。有限域必须遵循以下两条原则：( 1 ) 有限域中的元 素个数必须是有限：( 2 ) 对于有限域中的加法和乘法两种运算中，有限域中的元素必须 是封闭的1 3 0 1 。 2 1 1 线性网络编码过程 假设一个或多个信源产生多个源数据包m - 肘“。采用线性网络编码时，每个数据 包与有限域中的编码系数g r 岛结合，即x ：l , g e m ，。具体到各个信息符号的求和， 就是墨= 2 蜀磁，其中磷表示第露个膨。符号，五表示第老个信息序列。例如，有限域 e = o ，1 ) ，用l 比特表示一个信息符号，基站接收到m 1 和m 2 后发送线性组合m + 肘2 。 为简单起见，假设数据包包含编码向量为g = ( g l 岛) ，信息向量为x = 2 蜀m ，接收 节点使用编码向量进行数据解码。例如编码向量岛= ( o ，o 1 o ) 只有第；位置是1 ，意味 着编码向量与m ，等价。运用递归方法进行编码，假设一个节点接收与存储已编码的数 7 基于网络编码的协 i v 通信研究 据包( g ，x ) ( g ”，x ”) ，g j 是第歹个数据包的编码向量，x ，是第个数据包。该节点可能 产生新的编码向量( 9 7 ，x 7 ) ，通过选择一组系数a 以，计算线性组合 x 7 = ：，吃x 。( 二g m 弘( 二g m 铲2 。( 二h l g ) m = ”g l m 。 ( 2 一1 ) 与之相对应的编码向量9 7 并不是h ，因为系数与源数据包m ，肘一有关联，可由公 式彰= 羔。勺彰代数运算可得到编码向量9 7 。网络中的多个节点重复类似的运算求得0 3 。 文献 3 2 】采用随机线性网络编码，编码后的数据包是输入数据包的线性组合，其系数随 机地取自某个有限域f ：g f ( 2 1 6 ) 。 2 1 2 线性网络解码过程 假设节点接收到信息集( ，x 1 ) ”，f ) ，节点根据公式x = ：。g ：m 可恢复出一 个原始数据包m 1 ，m ，即求解以下方程组： x 1 = g ：m 1 + 或m 2 + + 或m ” x 2 = 砰肘+ 爵肘2 + + 簖m ” ( 2 2 ) x n = g ：m 1 + g ：m 。+ + g ：m “ 式中只有m ，是未知的。线性方程中有所个等式，以个未知量。只有当m 刀时，才可能 恢复出所有的数据，接收到的数据包的数目至少应该与源数据包的数目相等。另一方面， 朋刀并不是充分条件，因为一些编码向量之间会存在小概率范围内的线性相关。虽然编 码向量之间的线性相关程度取决于所选取的有限域s 的值，已有理论和实验证明，即使 所选的有限域比较小，例如有限域s 取8 ，编码向量之间出现线性相关的概率也是很小【3 3 。 因此，节点的解码过程是比较简单的i 节点只需要接收到足够数量的线性无关的编码数 据包，就可成功恢复数据。这一解码特性使得网络编码具有很大的应用前景。 2 1 3 线性组合的选择 网络编码设计的主要问题是如何选择每个节点网络性能的线性组合。一个简单的算 法就是使得网络中每个节点都随机地从有限域f = g f ( 2 1 ) 选取系数。对于随机网络编码， 存在一个选择线性独立组合概率，这个概率与有限域f = g f ( 2 。) 的大小s 有关。仿真结果 表明即使是一个很小的有限域( 当s 取8 时) ，编码向量之间出现线性相关的概率也变得可 8 厂西大萼页士学位论文 基于网络编码的协作通信研究 以忽略【3 4 】。 另外一种方法是通过使用一个确定性算法设计网络编码。多播计算中的时间多项式 算法能计算出各个节点的网络编码，并决定每个节点完成的线性组合【2 5 1 。因为每个节点 使用固定的线性系数，仅需承载信息向量。文献 3 5 1 指出在严格的网络编码有限域中存 在确定分布式算法。 2 2 实际应用中考虑的问题 ( 1 ) 如何解码 解码需要解决一组线性公式问题，如2 1 2 部分所述。在实际应用中，可按如下方法 做：节点存储自身的原始数据，同时在收到数据后，存储编码向量，将两组数据通过矩 阵的形式组合成解码矩阵。一开始，该矩阵仅包含非编码的数据包，而无相应的编码向 量。当节点接收到网络编码后的数据时，将该数据插入解码矩阵的最后一行。使用高斯 ( g a u s s i a n ) 消元法将该解码矩阵的系数转化成三角矩阵。如果接收到的包增加了该矩阵 的秩，就称为该矩阵为有用矩阵，其包含有用信息。反之，通过高斯( g a u s s i a n ) 消元法 可以得到一组全是0 的矩阵，就表明该数据包是多余的。如果该矩阵包含行列形式是 ( 岛，x ) ，接收端已有跟x 一样的原始数据包材，这种情况发生在接收到n 个线性独立解 码向量。注意到，解码不需要在网络中的所有节点，只需在中继接收节点上执行。 ( 2 ) 延时 在解码数据包的时候，对系统会产生一定的时延。通常在能够解码部分数据包的情 况下，不需要接收全部编码过的包。例如，高斯( g a u s s i a n ) 消元法可能出现行( 够，m ，) ，在 实际应用中，由于需要传输次数的减少，所有网络编码的端到端的时延并不是很大。 ( 3 ) 有限域的运算 网络编码是对有限域( f i n i t ef i e l d ，又称伽罗瓦域) 上f = g f ( 2 ) 包含sb i t s 的符号运 算。在乘法运算中，一个节点解码s b i t s 序列6 0 ，6 1 1 多项式表示为t o + 6 l z + i + 6 l 一z “。 节点接收到一个在有限域上不可约分的多项式( 该多项式很多，在有限域f = g f ( 2 5 ) 上的 r i j n d a e l 表达式为i + z + z 3 + z 4 + z 。) 。乘法通过计算两个多项式模的结果来选择不可约分 的多项式，在e u c l i d i a n 算法中通过除法求得。无论是乘法和除法都可以通过一个有效的 。个符号的移位和相加运算得j u t 3 6 1 。 当j 很小时，一个更快的替代方法是使用离散对数。在一个有限域中，至少存在一 个发生器口，例如口；o x 0 3 ：l + z 是一个有限域上的剐n d a e i 表达式f 3 刀，其中xx f = g f ( 2 ) 是对于任意一个非零元素，可以写成工：o r l ( j ) 的形式，其中，( x ) 称为的对数，由于 9 基于网络编码的协作通信研究 ，( 砂) = ，( x ) + ，( j ，) ，乘法和除法可以通过查找两张从x 到，( x ) 的表。当s 取8 时，有两张长 度为2 5 5 字节的表。 2 3 网络编码应用前景 按其构造方式分，网络编码可分为两种。种是p s a n d e r s 等人在2 0 0 3 年提出一种 多项式时间算法【2 5 , 3 8 】，进一步简化网络编码的构造，将网络编码的复杂度降到了多项式 级。构造方法如下：给定拓扑的情况下，通过最, j , 害- w j 最大流算法找到完成多播所需的路 径集合；然后，在相应的这个集合上，确定各个节点所需要的操作步骤。该方法不但把 网络编码构造的复杂度从指数级降到了多项式级，还大大降低了字母表下限。另一种是 由r k o e t t e r 和m m e d a r d 提出的网络编码的代数构造方式 2 6 , 3 9 1 。构造方式是：给定拓扑 信息的条件，用一个系统转移矩阵描述信源输入信息和信宿节点接收到的信息之间的关 系，并通过构造符合要求的系统转移矩阵来实现网络编码。 上述两种方法的前提都是己知整个网络的拓扑信息情况下，那么，未知网络拓扑信 息条件下又会是如何呢? 于是，有学者于2 0 0 3 年提出了无需网络拓扑信息的随机网络 编码【4 0 , 4 1 和分布式网络编码【4 2 】。随机网络编码与线性网络编码的主要区别就是前者的网 络中间节点从某个规则的有限域内随机选择一个元素作为组合系数。已有研究表明，只 要有限域足够大，随机网络编码的成功率就很高。该方法的不足就是：( 1 ) 有限域上的 多项式是不可约分：( 2 ) 通信网络中的字母表需要很大。因此，该方案有一定的限制性。 当组合系数出现线性相关时，就可能出现解码失败。另外一种无需网络拓扑信息的编码 方式是分布式网络编码，该方法可以在未知网络拓扑信息的情况下实现网络编码，代价 是增加了网络负载 4 2 j 。 还有部分学者做了线性网络编码的研究1 4 3 ，上述的两种构造方法一分布式网络编码 和随机网络编码就属于特殊的线性网络编码。线性网络编码不需要知道网络的拓扑信 息，它能实现所有可解网络的网络编码m 】。 关于无线网络中的网络编码研究也是网络编码研究中的一个热点【4 5 】。如果采用网 络编码技术，无线网络的一些特性便可被利用并转化为优势，网络编码理论在无线网络 应用还有很大的空间可供挖掘。 最初，网络编码提出的目的是增加有线网络中的吞吐量，经过近几年的学术发展， 已经发展到现在的在有线和无线网络中，能显著提高系统容量量、节省能耗和增强安全 性等通信系统关键性指标。基于对网络编码技术未解决问题以及应用网络编码而产生的 新课题的分析和评述，本节讨论今后该领域的研究方向。结合网络编码技术主要研究方 向有以下几个方面： ( 1 ) 如何降低网络编码的复杂性 已有研究证明，采用网络编码技术能够提高网络性能，但以增加系统设计的复杂性 l o 广西大掌硕士学位论文 基于网络编码的协作通信研究 为代价。如何能在不显著增加网络资源的条件下，综合权衡效率和网络性能问题有待于 进一步的研究。 ( 2 ) 网络编码的实现问题 到目前为止，已经有很多种网络编码的实现方法：线性网络编码