一種網(wǎng)絡(luò )編碼和信道編碼的聯(lián)合設計

摘要：網(wǎng)絡(luò )編碼技術(shù)可以大幅度提高網(wǎng)絡(luò )的吞吐量和魯棒性，因此已成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。在研究無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中物理層網(wǎng)絡(luò )編碼技術(shù)的基礎上，提出了多址信道中一種聯(lián)合網(wǎng)絡(luò )編碼和信道編碼的設計方案。該設計利用LDPC碼和網(wǎng)絡(luò )編碼的線(xiàn)性特性以及軟輸入軟輸出模塊設計，不僅減少了編譯碼的復雜度，而且在高的信噪比情況下可以獲得良好的性能。仿真結果表明，該設計方案不僅容易實(shí)現，而且性能接近網(wǎng)絡(luò )信道容量的上限，相比傳統的設計技術(shù)至少能夠提高1．6倍的增益。
關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )；物理層網(wǎng)絡(luò )編碼；信道編碼；多址信道；LDPC多用戶(hù)檢測器

0 引言
網(wǎng)絡(luò )編碼(Network Coding)是2000年由香港中文大學(xué)R．Ahlswede等人基于網(wǎng)絡(luò )信息流的概念首次提出的。通過(guò)允許網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)進(jìn)行編碼，可以獲得網(wǎng)絡(luò )多播速率的最大流限，即網(wǎng)絡(luò )資源利用的理論上限，而通過(guò)傳統的路由和復制并不一定能夠獲得該最大流限。繼R．Ahlswede等人提出網(wǎng)絡(luò )編碼的概念后，網(wǎng)絡(luò )編碼便被廣泛應用到通信網(wǎng)絡(luò )的各個(gè)方面。
在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中，由于物理層的廣播特性，節點(diǎn)發(fā)送的數據包能夠同時(shí)被其他幾個(gè)節點(diǎn)檢測并接收到，因此網(wǎng)絡(luò )編碼更多地應用到無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中。文獻表明，結合網(wǎng)絡(luò )編碼不僅可以降低復雜性，而且可以設計節能的路由算法；文獻表明，在不斷變化的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )環(huán)境中采用機會(huì )網(wǎng)絡(luò )編碼(ONC)可以大大提高網(wǎng)絡(luò )的吞吐量。物理層網(wǎng)絡(luò )編碼利用同時(shí)到達的電磁波的疊加特性，從理論層面進(jìn)一步提高了網(wǎng)絡(luò )的吞吐量。文獻表明，在雙向無(wú)線(xiàn)中繼信道中利用網(wǎng)絡(luò )編碼的優(yōu)勢。文獻描述了直接應用網(wǎng)絡(luò )編碼的方法。文獻表明，在雙向中繼信道和多址中繼信道中采
用網(wǎng)絡(luò )編碼和信道編碼的聯(lián)合設計獲得了額外的分集增益。文獻是基于二進(jìn)制對稱(chēng)信道的硬判決物理層網(wǎng)絡(luò )編碼與信道編碼的聯(lián)合設計。
相比較之前的工作，本文提出了一種新型的物理層網(wǎng)絡(luò )編碼和信道編碼的聯(lián)合設計方案，并分析了物理層網(wǎng)絡(luò )編碼的信道容量。通過(guò)仿真實(shí)驗表明，提出的機制能夠接近信道的容量極限。

1 網(wǎng)絡(luò )編碼系統模型
網(wǎng)絡(luò )編碼典型的系統模型如圖1所示，節點(diǎn)n1和n2是兩個(gè)獨立的源節點(diǎn)，節點(diǎn)n3是中繼節點(diǎn)。首先節點(diǎn)n1和n2同時(shí)分別發(fā)送數據包U1和U2到中繼節點(diǎn)n3，X1和X2分別是數據包U1和U2經(jīng)過(guò)信道編碼和調制之后的信號，假設網(wǎng)絡(luò )編碼的系統模型是完全同步的，信號為等功率發(fā)送，同時(shí)考慮傳輸信道中的加性高斯白噪聲，均值為0，再假設加性高斯白噪聲方差為σ2，則多址信道的輸出Y=X1+X2+N，中繼節點(diǎn)n3對接收到的信號進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )編碼，輸出信號為，網(wǎng)絡(luò )編碼采用的是比特之間的異或操作。中繼節點(diǎn)通過(guò)對接收到的數據進(jìn)行異或運算，進(jìn)行信息合并，實(shí)現中繼節點(diǎn)的數據壓縮。

2 網(wǎng)絡(luò )編碼和信道編碼的聯(lián)合設計
本文提出的網(wǎng)絡(luò )編碼和信道編碼的聯(lián)合設計如圖2所示，不同于傳統的網(wǎng)絡(luò )編碼方案，該設計采用混合編碼方式，實(shí)現了聯(lián)合網(wǎng)絡(luò )信道編碼，它基于物理層網(wǎng)絡(luò )編碼和信道編碼(LDPC碼)，解碼器采用軟輸入軟輸出系統，信道為加性高斯白噪聲信道。

圖2中，Ui=[ui,0，ui,1，ui,2，…，ui,N-1]表示節點(diǎn)ni發(fā)送的數據包，其中i=1，2。