無(wú)線(xiàn)通信聯(lián)合網(wǎng)絡(luò )編碼技術(shù)綜述

標簽：無(wú)線(xiàn)通信 網(wǎng)絡(luò )編碼

網(wǎng)絡(luò )編碼是指在網(wǎng)絡(luò )中繼節點(diǎn)處對網(wǎng)絡(luò )信息流進(jìn)行存儲轉發(fā)的基礎上實(shí)行編碼操作，從而提高網(wǎng)絡(luò )吞吐量，節省網(wǎng)絡(luò )帶寬等。

在無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò )編碼作為關(guān)鍵技術(shù)之一，可以在一定程度上節省網(wǎng)絡(luò )資源消耗，提高頻譜資源利用率，并在有限的頻譜資源中盡可能多地傳輸數據，增加信道的傳輸容量。

同時(shí)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )自身一些不同于有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的傳輸特性，也使網(wǎng)絡(luò )編碼帶來(lái)了新的效益，它可以改善網(wǎng)絡(luò )性能，結構和協(xié)議。

目前，大多數方案都是基于隨機線(xiàn)性網(wǎng)絡(luò )編碼，如何在多徑衰落這種不利條件下，設計網(wǎng)絡(luò )編碼方案，使其在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中同樣有效是一個(gè)具有挑戰性的問(wèn)題。

很多國內外學(xué)者以及科研機構都致力于對網(wǎng)絡(luò )編碼的研究，從最初的網(wǎng)絡(luò )信息流到分別與協(xié)作分集技術(shù)、MIMO技術(shù)相結合的現在。

本文通過(guò)從物理層角度對無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中網(wǎng)絡(luò )編碼與其他應用技術(shù)相聯(lián)合進(jìn)行分析，如將其與MIMO等相結合，充分利用冗余度，提高系統吞吐量，并根據未來(lái)網(wǎng)絡(luò )的復雜環(huán)境闡述了其進(jìn)一步的研究方向。

1、聯(lián)合網(wǎng)絡(luò )編碼

隨著(zhù)研究的深入，網(wǎng)絡(luò )編碼的很多優(yōu)點(diǎn)也逐漸體現出來(lái)，如能獲得很好的網(wǎng)絡(luò )吞吐量，均衡網(wǎng)絡(luò )負載、提升帶寬利用率等優(yōu)勢。同時(shí)在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中應用網(wǎng)絡(luò )編碼也面臨著(zhù)許多問(wèn)題，如果將網(wǎng)絡(luò )編碼與其它應用技術(shù)相結合，則更能大大提升該應用系統的相關(guān)性能。

1.1網(wǎng)絡(luò )編碼與信道編譯碼的聯(lián)合

網(wǎng)絡(luò )編碼同信道的編譯碼技術(shù)相結合的核心思想就是利用網(wǎng)絡(luò )編碼的冗余信息協(xié)助信道編碼，從而獲得好的抗噪性能，達到最大的信道容量;

通過(guò)利用中繼傳輸的冗余度來(lái)獲得分集增?；赥urbo碼和LDPC碼的聯(lián)合編碼已經(jīng)被廣泛研究，并在多址中繼信道、時(shí)分復用雙向中繼信道[和BSC中與傳統的網(wǎng)絡(luò )編碼方案進(jìn)行了比較，充分顯示了聯(lián)合編碼在能量消耗、信道容量、誤碼率等方面的優(yōu)勢，有效降低了編碼復雜度以及由信道噪聲帶來(lái)的失真。

1.2網(wǎng)絡(luò )編碼與協(xié)作分集技術(shù)的聯(lián)合

協(xié)作分集技術(shù)，即在多用戶(hù)環(huán)境下，每個(gè)天線(xiàn)用戶(hù)在發(fā)送自身信息時(shí)也為其協(xié)作伙伴發(fā)送信息，通過(guò)節點(diǎn)間的協(xié)作，形成虛擬天線(xiàn)系統，以獲得較大的分集增益，克服無(wú)線(xiàn)信道衰落。

另外，在協(xié)作分集的基礎上進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )編碼可以同時(shí)獲得分集增益和網(wǎng)絡(luò )編碼增益。在協(xié)作傳輸過(guò)程中，通過(guò)在信源節點(diǎn)和終端節點(diǎn)放置中繼可進(jìn)一步提高數據傳輸速率，改善無(wú)線(xiàn)通信系統抗衰落性能，提高資源效率和系統容量。

協(xié)作網(wǎng)絡(luò )編碼是當前無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信系統的研究熱點(diǎn)之一，特別是基于物理層網(wǎng)絡(luò )編碼的無(wú)線(xiàn)協(xié)作通信系統，對于雙信源、雙信宿無(wú)線(xiàn)通信系統，假設信源SI和S都要將各自的信息廣播到兩個(gè)信宿dl和。

由于發(fā)射功率的限制，d，將超出S()的傳輸范圍，S和S，將通過(guò)共享的中繼來(lái)實(shí)現傳輸范圍的擴大。在傳統協(xié)作中繼系統中由于要保證信號在正交信道上能夠傳輸，完成這一過(guò)程需要4個(gè)時(shí)隙，而采用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )編碼后僅需要2個(gè)時(shí)隙。分別為：

(1)將信號廣播至和;同時(shí)將其信號廣播至R和;

(2)R對二者疊加信號進(jìn)行物理層網(wǎng)絡(luò )編碼，并將編碼后的信號廣播至dl和d。由于d，在第1個(gè)時(shí)隙已經(jīng)接收到St(S)廣播的信息，因此，在第2個(gè)時(shí)隙結束時(shí)，d，可以從編碼后的信號中提取到的信息。此方案充分利用了網(wǎng)絡(luò )資源和分集技術(shù)，可獲得相對較低的錯誤概率、中斷概率，以及較高的編碼增益。

因此，采用物理層網(wǎng)絡(luò )編碼的協(xié)作中繼系統可以降低傳輸時(shí)間損耗，使數據在衰落信道中更好地傳輸。

1.3網(wǎng)絡(luò )編碼與MIMO技術(shù)的聯(lián)合

MIMO技術(shù)利用在發(fā)射端和接收端均采用多天線(xiàn)、多通道來(lái)獲得高分集增益以改善信道的多徑衰落特性，以及提高系統容量、頻譜利用率和數據傳輸速率;通常情況下，多徑要引起衰落，致使數據包丟失。對于MIMO系統，多輸入多輸出技術(shù)通過(guò)利用空間分集來(lái)解決這一問(wèn)題。

因為多人多出是針對多徑無(wú)線(xiàn)信道來(lái)說(shuō)的，傳輸信息流經(jīng)過(guò)空時(shí)編碼形成M個(gè)信息子流，filM個(gè)天線(xiàn)發(fā)射出去，經(jīng)空間信道后由N個(gè)接收天線(xiàn)接收。在接收端通過(guò)檢測譯碼，將接收到的符號矢量利用空時(shí)編碼處理，并解碼這些數據。

這兩種技術(shù)的最終目的都是從接收到的符號矢量中恢復出原始信息，為了能夠充分利用MIMO技術(shù)的分集特性和在傳統網(wǎng)絡(luò )編碼中并沒(méi)有利用到的冗余信息，將網(wǎng)絡(luò )編碼和MIMO技術(shù)相結合(MIMO—NC)。

最大程度的將收到的信息傳遞給譯碼器，降低丟包率，完成檢測譯碼過(guò)程，獲得高信噪比增益。MIMO—NC方案的編碼過(guò)程：由信源發(fā)出的信息，經(jīng)過(guò)信道編碼輸出信息單元，這些由每個(gè)節點(diǎn)生成的信息單元被存入緩存器中，然后對其進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )編碼，產(chǎn)生編碼包，并用Gabis~號表示，最后經(jīng)過(guò)轉換調制將相應波形通過(guò)無(wú)線(xiàn)信道傳輸出去。

譯碼過(guò)程：在接收端將收到的數據包進(jìn)行信道估計，并從其頭部提取出網(wǎng)絡(luò )編碼系數，如果頭部損壞就丟棄;反之，則把所有數據包存在緩存器中，并更新網(wǎng)絡(luò )估計矩陣。

為了在接收端正確獲得信源的發(fā)送信息，節點(diǎn)存儲器中至少要有等量的獨立的原始數據包，這樣才能解出編碼方程D：GX，若少于要求數，則終端正確恢復原始信息的概率會(huì )很低。所以當能夠進(jìn)行譯碼時(shí)，節點(diǎn)開(kāi)始檢測接收到的數據包數目，同時(shí)確定中繼節點(diǎn)數，最后通過(guò)軟譯碼：案恢復出原始信息。

同樣為了獲得高分集增益，在編碼階段可以在發(fā)送端采取用兩個(gè)網(wǎng)絡(luò )編碼器的方法，這樣就有兩個(gè)網(wǎng)絡(luò )編碼矩陣G1和G2，頭部存儲編碼系數，并且編碼相同的信息。

此時(shí)的編碼增益會(huì )明顯提高，但是以傳輸速率的降低為代價(jià)，而在譯碼過(guò)程中采用自適MIMO-NC技術(shù)，就是為了改善傳輸速率，降低錯誤概率，但同時(shí)復雜度有所增加。具體的編譯碼流程如圖所示：x…指的是經(jīng)信道編碼后的信息單元，為每個(gè)編碼包的頭部包含的編碼系數，{bn.b椰}指的是Galois~號所對應的調制后的矢量s。…Y指的是在不同時(shí)間接收端收到的來(lái)自不同信源的編碼包。

在傳統的網(wǎng)絡(luò )編碼中，每個(gè)數據包的解調過(guò)程和提取NC系數過(guò)程都是分開(kāi)進(jìn)行的，其在譯碼階段僅用來(lái)成功地接收數據包，因此限制了從不同節點(diǎn)接收相同信息的優(yōu)勢。MIMO_NC會(huì )利用已破損的CP，將所有收到的信息傳遞給譯碼器，充分利用冗余信息，改善其性能。