物理层网络编码的研究_王峰

1、物理层网络编码的研究物理层网络编码的研究 姓名： 王峰 学号： 0100349015 大纲大纲一一. . 网络编码概述网络编码概述 二二. . 物理层网络编码介绍物理层网络编码介绍 三三. . 信道编码介绍信道编码介绍 四四. . 四种方案的比较四种方案的比较网络编码概述网络编码概述 一一. .网络编码概述网络编码概述 如图1-1所示，在传统的计算机网络中，每个节点(可以是交换机或路由器)，在存储转发模式下，节点只进行数据分组的路由和复制。而不同与传统网络，具有网络编码功能的节点则会对数据包进行编码/解码运算，交换机输出的信息流是其输入的信息流的函数。传统网络的存储转发模式可看作网络编码的特例

2、。网络编码概述网络编码概述网络编码应用举例网络编码应用举例 下面将以经典的蝴蝶网络为例，来说明网络编码的使用可以使网络通信达到最大流限。图1-2是一个具有两个目的节点的单位容量(每条边的容量为1)多播网络，假设各链路无差错和无时延。则（a）中的传输会出错，而（b）中应该网络编码技术成功传输。 物理层网络编码介绍物理层网络编码介绍二二. .物理层网络编码介绍物理层网络编码介绍 2 2.1.1物理层网络编码的提出物理层网络编码的提出 无线网络与有限网络相比，一个最大的区别就是它的广播特性。在传统的无限网络中，要尽量避免同时收到多个节点发送的信号，因为这些信号会相互干扰，使系统的性能下降。 张胜利等

3、人在2006年提出了通过把同时收到的两个信号的电磁波进行映射可以实现网络编码，从而把相互干扰的信号变成有用信号，提高了系统的吞吐量。这种通过把物理层的叠加后的电磁波进行映射来实现等效的网络编码的过程被称为物理层网络编码（PNC）。物理层网络编码介绍物理层网络编码介绍2 2. .2 2三种传输方案的比较三种传输方案的比较 考虑到如图2-1所示的三节点的线性网络模型。在此模型中节点1和 节点3是需要相互交换信息的节点，节点2是中继。在介绍物理层网络编码传输方案之前，先对传统的传输方案和一般的网络编码方案进行介绍。 物理层网络编码介绍物理层网络编码介绍物理层网络编码介绍物理层网络编码介绍物理层网络编

4、码介绍物理层网络编码介绍物理层网络编码介绍物理层网络编码介绍物理层网络编码介绍物理层网络编码介绍2 2. .3 3物理层网络编码的映射方式物理层网络编码的映射方式 假设所有的节点均采用QPSK（四相相移键控）调制，并且假设符号级和载波相位同步，并运用功率控制，使得从 和 到达 的信号具有相同的幅度和相位。那么在一个符号周期内 收到的带通信号可以表示为： 21311331313( )( )( )()() ()()()()()()r ts ts ta cos wtbsin wta cos wtb sin wtaa cos wtbb sin wt物理层网络编码介绍物理层网络编码介绍 表2-1是物理层

5、网络编码映射方式的表格，此表中左半部分是N1和N3 的调制映射，右半部分是N2的解调和调制映射。 信道编码介绍信道编码介绍三三. .信道编码介绍信道编码介绍 信道编码的实质是通过增加信息的冗余度来换取信息传递的可靠性。信道编码的原理，就是根据要发送的信息比特增加一定数量的冗余比特（也即校验比特），使它们满足一定的约束关系，把信息比特和校验比特组成码字进行发送，而在接收端根据码字中的约束关系进行检错和纠错。 但是，校验比特的加入势必造成原有信息传输速率的降低。如何提高信息传输效率是有效性问题，而降低信息传输的误码率是可靠性问题。一般而言，增加发送信息的冗余度可以提高通信的可靠性，但又会浪费带宽，

6、造成有效性的降低。因此，信道编码研究要在信息传输的有效性和可靠性之间做出平衡，研究给定条件下最合适的技术。信道编码介绍信道编码介绍3.1 LDPC3.1 LDPC码和码和TURBOTURBO码码 LDPC信道编码技术是编码界的重要成果之一。1/2码率的二元LDPC码在AWGN信道下的性能距离信息论中的香农限仅差0.0045dB。LDPC码与高效调制相结合，能满足移动通信高速数据大容量传输的迫切要求。然而，LDPC码面临的一个主要问题是较高的编码复杂度，如果采用普通的编码方式，LDPC码有二次方的编码复杂度，在码长较长时是难以接收的。 Turbo码是一种并行级联卷积码，其关键技术是利用交织器和迭

7、代译码实现了信道编码定理指出的随即编码和最大似然译码，译码性能可以逼近香农限。但是Turbo码对交织器的要求很高，实现逼近香农限的难度大。Turbo码编码简单，又具有逼近香农限的性能，但是其译码实现复杂度高，单个译码器很难满足更高的宽带传输，而且多个译码器的并行实现难度大。 信道编码介绍信道编码介绍3.2 3.2 汉明码汉明码 汉明码是一组固定长度的码组，可表示为（n，k）。在汉明码中，监督位被加到信息位之后，形成新的码。在编码时，k个信息位被编为n位码组长度，而n-k个监督位的作用就是实现检错与纠错。下面将以（7，4）汉明码为例，对汉明码进行介绍。 在一个长度为n的码组上，前面的k个位置为信

8、息位的位置，后面的r（r=n-k）个位置为监督位的位置。这r个监督位有2r种组合方式，如果用其中的一种组合表示无错，则其余的2r-1种组合就可以表示1位错码的2r-1种可能位置。如果希望用r个监督位构造监督关系式来指示一位错码的位置，则要求 式（3-1)称为汉明不等式。 信道编码介绍信道编码介绍 图3-1为（7，4）汉明码的16个许用码组。（7，4）汉明码的最小码距为3，所以它能纠正出一个错码或者检出两个错码。汉明码的码率如式（3-2）所示： 当n增大时，随着增大，即可通过增加码长提高编码效率，故汉明码是一类高效码。但是由于式（3-2）是纠正一位错误的汉明码的码率，当码长增加时，两个码位或两个

9、以上码位同时出错的概率会增加，这时无法纠正错误。也就是说码长增加时误码率会变大，所以在选择汉明码时要从码长和误码率这两方面折衷考虑。 1knrrnnn 信道编码介绍信道编码介绍图图3-1 （7，4）汉明码的）汉明码的16个许用码组个许用码组四种方案的比较四种方案的比较四四. .四种方案的比较四种方案的比较 在本章中将对四种传输方案进行分析比较。前两个方案是已有的方案，后两种方案是在自己提出的。下面将从误帧率和吞吐量这两个方面对这四个方案进行评价。我的主要工作在于提出后两种方案以及对四种方案的误帧率进行公式推导和仿真。方案一方案一 传统的物理层网络编码方案传统的物理层网络编码方案 四种方案的比较

10、四种方案的比较四种方案的比较四种方案的比较方案一误帧率公式推导方案一误帧率公式推导四种方案的比较四种方案的比较方案二方案二 网络编码与信道编码方案相结合的DF方案 四种方案的比较四种方案的比较方案二误帧率公式推导方案二误帧率公式推导四种方案的比较四种方案的比较方案三方案三 物理层网络编码与信道编码相结合的方案 四种方案的比较四种方案的比较方案三误帧率公式推导方案三误帧率公式推导四种方案的比较四种方案的比较对方案三的改进对方案三的改进 由于两个（7，4）汉明码的许用码组进行异或之后仍然是一个许用码组，而物理层网络编码也是进行异或，因此可以在物理层网络编码之后进行一次汉明码的解码，从而降低误帧率。四种方案的比较四种方案的比较方案四方案四 改进后的物理层网络编码与信道编码相结合的方案四种方案的比较四种方案的比较方案四误帧率公式推导方案四误帧率公式推导四种方案的比较四种方案的比较四种传输方案的误帧率与归一化信噪比关系曲线四种传输方案的误帧率与归一化信噪比关系曲线四种方案的比较四种方案的比较四种传输方案的误帧率与归一化信噪比的对应表四种方案的比较四种方案的比较仿真结果仿真结果四种方案的比较四种方案的比较仿真得到的误帧率与归一化信噪比的对应表四种方案的比较四种方案的比较对四种方案的评价误帧率 在归一化信噪比相同的条件下，方案一的误帧率最高，方案三的误帧率次之，而方案二与方案四的误帧率非常接