无线协作通信系统中的网络编码系统技术研究

1、无线协作通信系统中的 网络编码技术研究 2012年5月10日 无线协作通信系统中的网络编码系统 技术研究 1 研究背景和意义 2 协作通信系统 3 网络编码 4 基于网络编码的协作系统 5 复数域网络编码 6 总结与展望 概 述 无线协作通信系统中的网络编码系统 技术研究 研究背景和意义 协作通信通过网络节点协作的方式接收转发其他 伙伴的信息到目的端，以获得系统的分集增益， 从而对抗无线信道的各种衰落。 网络编码借助于融合了编码和路由的新思想，通 过允许中间节点对来自不同链路的信息进行编码 组合，利用数据包之间的相关性来解码，从而提 升整个网络的性能 。 无线协作通信系统中的网络编码系统 技术

2、研究 研究背景和意义 结合网络编码思想和协作通信技术，以能 更好的充分发挥网络编码技术在无线协作 通信系统中的应用优势，进一步提高基于 网络编码的无线协作系统性能是本文的主 要工作。 无线协作通信系统中的网络编码系统 技术研究 协作通信系统 协作通信系统模型 源节点S向目的节点D发送信息，中继R协助通信。 无线协作通信系统中的网络编码系统 技术研究 协作通信系统 协作通信分类： 放大转发（AF，Amplify and Forward） 解码转发（DF，Decode and Forward） 编码协作（CC，Cooperation Coded） 无线协作通信系统中的网络编码系统 技术研究 协作通

3、信系统 放大转发（AF） 中继节点不对中继接收天线接收到的信号进行解调和解码，而是直接 将收到的信号进行放大转发处理（该处理为模拟处理方式） 无线协作通信系统中的网络编码系统 技术研究 协作通信系统 解码转发（DF） 中继节点处对接收到的信号进行解调和解码，再通过编码和调制重构 信源的发射信号，从而降低信道高斯白噪声的影响，避免AF协议中的 中继节点对噪声功率的放大。 无线协作通信系统中的网络编码系统 技术研究 协作通信系统 编码协作（CC） CC协议是DF协议的进一步延伸，它改变DF策略的重复编码的方式，通过 两条不同的、相互独立的衰落信道来发送每个用户信息码字的不同部分， 从而提供更多的编

4、码增益。 各个节点把各自的数据块经过编码产生一个码字，将每个码字分成两部 分，即数据部分和校验部分。两个节点相互传输数据部分，如果成功接 收，则传输这些数据所决定的校验部分。如果不能成功接收，则让它自 己传送它的校验部分。 无线协作通信系统中的网络编码系统 技术研究 协作通信系统 三种协作方式比较 AF和DF简单、中继节点复杂度低。信道质量较差的情况下，AF会 将噪声放大；DF中继节点无法正确解码。AF和DF都是信息的重复 传输，信道利用率不高，造成资源浪费。 CC的在协作通信中提供比重复码更高效的编码方式，从而带来更 多的编码增益。但是，协作节点的复杂度及其对接收信号处理的 复杂性都是最高的

5、，由于在中继节点要先解码再编码，这又会导 致中继节点信号处理时延的增大，减低了传输的时效性。 无线协作通信系统中的网络编码系统 技术研究 网络编码 网络编码原理 无线协作通信系统中的网络编码系统 技术研究 网络编码 网络编码研究概况 无线协作通信系统中的网络编码系统 技术研究 网络编码 无线网络编码分类 网络层网络编码 物理层网络编码 无线协作通信系统中的网络编码系统 技术研究 网络编码 网络层网络编码 针对网络层网络编码技术，目前的一个研究重点是考虑在实际网 络条件下(如各条链路的信道容量不相等、存在信道衰落等)，采 用网络编码后的网络容量，以及可以达到网络容量的传输策略 无线协作通信系统中

6、的网络编码系统 技术研究 网络编码 物理层网络编码 物理层网络编码技术在一定程度上解决了模拟信号冲突的问题， 提高了无线频谱资源的利用率。物理层网络编码技术目前的研究 重点是怎样有效的从混合信号中分离出需要的信号。 无线协作通信系统中的网络编码系统 技术研究 基于网络编码的协作通信系统 传统中继方式的协作通信系统 传输时隙传输时隙信息传输方向信息传输方向传输信息传输信息简要说明简要说明 时隙1（直传）S1R、Dx1S1传送信息x1到R和D 时隙2（协作）RDX1 R将收到的S1的信息x1转发 给D 时隙3（直传）S2R、DX2S2传送信息x2到R和D 时隙4（协作）RDX2 R将收到的S2的信

7、息x2转发 给D 无线协作通信系统中的网络编码系统 技术研究 基于网络编码的协作通信系统 传统中继方式的协作通信系统 111 222 111 222 R,S1S R1S R R,S2S R1S R D,S1S D1S D D,S2S D2S D 1R R 1D D yPhxn yP hxn yPhxn yP hxn 时隙 ， 端： 时隙3， 端： 时隙 ， 端： 时隙3， 端： 1 2 D,RSRRD1RD D,RSRRD2RD 2D D yP hxn yP hxn 时隙 ， 端： 时隙4， 端： 111 22 1D,S1S D1D,RSRRD1 argminxyPhxyP h x 无线协作通

8、信系统中的网络编码系统 技术研究 基于网络编码的协作通信系统 有限域网络编码的协作通信系统 传输时隙传输时隙信息传输方向信息传输方向传输信息传输信息简要说明简要说明 时隙1（直传）S1R、DX1S1传送信息x1到R和D 时隙2（直传）S2R、DX2S2传送信息x2到R和D 时隙3（协作）RD R将收到的信息进行编码后 转发给D 12 xx D,RRRDRRD 3yP hyn时隙 ： 无线协作通信系统中的网络编码系统 技术研究 基于网络编码的协作通信系统 复数域网络编码的协作通信系统 传输时隙传输时隙信息传输方向信息传输方向传输信息传输信息简要说明简要说明 时隙1（直传） S1R、D S2R、D

9、 S1传送信息到R和D S2传送信息到R和D 时隙2（协作）RD R将收到的信息进行编码 后转发给D 1 122 +xx 1 1 22 x x 1212 R1S R1 12S R22S RS R 1yPhxP hxnn时隙 ： D,RRRD1 122RD 2()yP hxxn时隙 ： 无线协作通信系统中的网络编码系统 技术研究 复数域网络编码预编码设计 源端预编码设计 无线协作通信系统中的网络编码系统 技术研究 复数域网络编码预编码设计 源端预编码设计（方案A） 在高SNR的情况下，方案A的平均PEP可以表示为 其编码增益为 12 11 22 AS RS R1 3RD1 3 12()lnPLL

10、bb LObb 12 RD A S RS R 4 3() L C LL 无线协作通信系统中的网络编码系统 技术研究 复数域网络编码预编码设计 源端预编码设计（方案B） 在高SNR的情况下，方案B的平均PEP可以表示为 最优预编码的封闭解 最佳编码增益为 12 1 2112 BS RS R312RD312 12()()ln()PLLa aa LO aaa 1 1 33 sin 6 21 /2 12 /12 ， ， 12 RD B S RS R 21 (1) 3()3 L C LL 无线协作通信系统中的网络编码系统 技术研究 复数域网络编码预编码设计 源端预编码设计仿真分析 预编码方式1：戈登编码

11、 1 2 1+ 5 1 2 , 5 15 2 1+ 5 1 2 , 5 15 2 jj 预编码方式2：空时编码 /4 1 /4 /4/12 2 /4 11 , 12 1 12 j j jj j e e ee e 1 1 33 sin 6 21 /2 12 /12 预编码方式3： 无线协作通信系统中的网络编码系统 技术研究 复数域网络编码预编码设计 1012141618202224262830 10 -5 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 0 SNR(dB) 成对差错概率 速 率 1/2 速 率 2/3,预 编 码 方 式 3 成对差错概率（成对差错概率（PEP）分析）分析

12、比较：比较： 为了展示不同方案之间的分 集增益，绘出了方案A和方 案B采用预编码方式3的PEP 曲线，可以看出在高信噪比 下，两种方案的PEP曲线基 本呈现平行趋势，表明这两 种方案实现了相同的分集增 益，并且在相同的PEP下方 案B比方案A高出2 dB的信噪 比增益。 无线协作通信系统中的网络编码系统 技术研究 复数域网络编码预编码设计 误比特率（误比特率（BER）分析比较：）分析比较： 绘出了方案B采用三种不同 预编码方式的BER曲线，并 对照给出了方案A的BER曲 线。文中提出的预编码方式， 比照MIMO系统中通常被视 为最好的戈登编码方式，在 双源单宿单中继系统中具有 相似的性能。 1

13、012141618202224262830 10 -6 10 -5 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 SNR(dB) BER 速 率 1/2,无 预 编 码 速 率 2/3,预 编 码 方 式 1 速 率 2/3,预 编 码 方 式 2 速 率 2/3,预 编 码 方 式 3 无线协作通信系统中的网络编码系统 技术研究 复数域网络编码预编码设计 吞吐量比较：吞吐量比较： 绘出了系统吞吐量的曲线图， 吞吐量表示每个用户获得总 传输符号中正确传输符号数 的平均比例，是通过随机信 道来实现。仿真结果表明， 方案B可以获得方案A相似的 错误性能，但却有30%左右 的吞吐量提高。 8101

14、21416182022242628 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 SNR(dB) 吞吐量（符号/用户/通道） 速 率 1/2 速 率 2/3 无线协作通信系统中的网络编码系统 技术研究 复数域网络编码预编码设计 中继位置不同的比较：中继位置不同的比较： 绘出了中继R接近目的节点D 和中继R远离目的节点D的 BER曲线图，其中距离分别 为和，。图示曲线表明中继 节点距离目的节点越近，则 系统BER性能越好。 1012141618202224262830 10 -7 10 -6 10 -5 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 SNR(d

15、B) BER 速 率 1/2,无 预 编 码 速 率 2/3,预 编 码 方 式 1 速 率 2/3,预 编 码 方 式 2 速 率 2/3,预 编 码 方 式 3 s iR = -10dB s iR = 10dB 无线协作通信系统中的网络编码系统 技术研究 源端预编码设计仿真分析 仿真结果表明：复数域网络编码协作系统中的新型预编码设计， 对比戈登编码（Golden code）-常被视为应用于MIMO系统最好的 空时编码，具有相似或更好的误码性能。此外，方案B提供的新型 预编码设计在误比特率为10-4时，在相同的信噪比下，提供了比空 时编码高约1dB的增益。仿真还说明，使用新型的预编码设计方案

16、， 可以获得与传统的预编码方案相似的误比特性能，却可以获得30% 的吞度量提升。关于中继位置的影响，它表明，中继节点越接近 目的端，则可以获得更低的误比特率。 复数域网络编码预编码设计 无线协作通信系统中的网络编码系统 技术研究 复数域网络编码最大似然解码算法 系统模型 无线协作通信系统中的网络编码系统 技术研究 复数域网络编码最大似然解码算法 基于中继的CFNC协作通信系统中采用传统 ML解码算法的信号处理过程框图 无线协作通信系统中的网络编码系统 技术研究 复数域网络编码最大似然解码算法 传统方法的最大似然解码算法 中继接收到的信号可以表示为 对其进行最大似然解码为 1122 RS R1S

17、S R2SR ( )( )yhxkhxkn 121122 2 SSRS R1SS R2S ( ) ,( )argminxkxkyhxhx 无线协作通信系统中的网络编码系统 技术研究 复数域网络编码最大似然解码算法 传统方法的最大似然解码算法 无线协作通信系统中的网络编码系统 技术研究 复数域网络编码最大似然解码算法 现存改进的最大似然解码算法 由于两个源端到中继的信道增益不同，可以将一端比 较差的信道看成是干扰，直接利用最大似然解码另一 端的信号，当解码出一端的信号之后再来检测信道增 益较小的信号。 无线协作通信系统中的网络编码系统 技术研究 复数域网络编码最大似然解码算法 无线协作通信系统中

18、的网络编码系统 技术研究 复数域网络编码最大似然解码算法 无线协作通信系统中的网络编码系统 技术研究 复数域网络编码最大似然解码算法 现存改进的最大似然解码算法 1211212 S ,S ,RS R1 S ,S R2S RS R ,det( )( )/( )/,( )( ) iii xxykhkxhkhkhk 1222112 S ,S ,RS R2S ,S R1S RS R ,det( )( )/( )/,( )( ) iii xxykhkxhkhkhk 121122 2 SSRS R1 S ,S R2S , ( ) ,( )argmin( )( )( ) ii xkxkykhkxhkx 12

19、1122 2 SSRS R1 S ,S R2S , ( ) ,( )argmin( )( )( ) ii xkxkykhkxhkx 无线协作通信系统中的网络编码系统 技术研究 复数域网络编码最大似然解码算法 本文提出的最大似然解码算法改进方案 首先通过信道估计评估哪一端的信道增益较差，然后 将其发射的信号星座图按照四个象限分组，计算出每 一组的平均星座点，利用这个平均星座点先进行一次 预解码，得到信道较好的一端的符号，然后再返回解 码出信道增益较差的一端的符号 。 无线协作通信系统中的网络编码系统 技术研究 复数域网络编码最大似然解码算法 无线协作通信系统中的网络编码系统 技术研究 复数域网络

20、编码最大似然解码算法 无线协作通信系统中的网络编码系统 技术研究 复数域网络编码最大似然解码算法 本文提出的最大似然解码算法改进方案 2 RS Rpre S16QAM S R ( )argmin m n n m n yhx xkS h 2 RS RS S16QAM S R ( ) ( )argmin nn m m n m yhxk xkS h 无线协作通信系统中的网络编码系统 技术研究 复数域网络编码最大似然解码算法 仿真分析 024681012141618 0 50 100 150 200 250 300 350 Mary Modulation Computational Complexity ML Decision Modefied ML Decision by Min Modefied ML Decision 8PSK O(M2) 16-QAM O(M*4) O(M) 0510152025 10 -3 10 -2 10 -1 10 0 Eb/N0(dB) BER 16QAM-ML Decision 16QAM-Modefied ML Decision by Min