網(wǎng)絡(luò )編碼的分布式天線(xiàn)系統性能分析

空間分集是一種對抗無(wú)線(xiàn)環(huán)境下衰落的有效方式，它通過(guò)多個(gè)收發(fā)天線(xiàn)的多徑傳輸來(lái)提高系統的抗衰落性能，降低傳輸誤比特率。在移動(dòng)通信系統中，為了達到全分集，需要在終端和基站安裝足夠多的天線(xiàn)并保持在一定的距離范圍內，對于小巧便捷的手機終端來(lái)說(shuō)是不可能實(shí)現的。為了解決實(shí)際應用中碰到的矛盾，文獻[1]提出一種分布式天線(xiàn)系統來(lái)解決。文獻[2]中提出的網(wǎng)絡(luò )編碼技術(shù)融合編碼和路由的概念，通過(guò)允許對來(lái)自不同鏈路的信息進(jìn)行編碼組合，使得網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)既具有路由功能又具有編碼功能。文獻[3]提出一種在無(wú)線(xiàn)mesh網(wǎng)絡(luò )中網(wǎng)絡(luò )編碼的簡(jiǎn)化文件共享模型，基于網(wǎng)絡(luò )編碼轉發(fā)機制顯著(zhù)地降低文件傳輸系統的分發(fā)時(shí)間，從而提高網(wǎng)絡(luò )的吞吐量。

本文采用文獻[1]的分布式天線(xiàn)模型，假設分布式天線(xiàn)系統的終端(輔助天線(xiàn))具有簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò )編碼運算能力，研究網(wǎng)絡(luò )編碼在分布式天線(xiàn)系統的應用。網(wǎng)絡(luò )編碼采用線(xiàn)性網(wǎng)絡(luò )編碼算法，信號調制方式采用脈沖位置調制(PPM)，推導無(wú)輔助天線(xiàn)系統的誤碼率與中斷概率關(guān)系。通過(guò)理論分析及仿真驗證的方法，研究基于網(wǎng)絡(luò )編碼的分布式天線(xiàn)系統可實(shí)現的分集增益。首先，在分析小型無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )(2到3個(gè)節點(diǎn))基礎上，討論系統誤碼率與中斷概率的關(guān)系。中斷概率定義為，當基站不能準確接收來(lái)自任何一個(gè)用戶(hù)的數據，通信中斷或中止出現的概率，與系統的誤比特率和信噪比有關(guān)。然后，將網(wǎng)絡(luò )進(jìn)一步擴大到多用戶(hù)協(xié)作網(wǎng)絡(luò )，分析討論系統的中斷概率，得出一般性結論。最后，計算機仿真得出系統誤碼率與中斷概率的關(guān)系。

1網(wǎng)絡(luò )編碼和分布式天線(xiàn)系統

與傳統的路由相比，網(wǎng)絡(luò )編碼能夠提高系統的傳輸比特率。在傳統路由體系中，節點(diǎn)只是簡(jiǎn)單存儲復制轉發(fā)接收的數據，但中繼節點(diǎn)采用網(wǎng)絡(luò )編碼之后，中繼節點(diǎn)能夠整合(異或)來(lái)自多條鏈路上接收到的數據。網(wǎng)絡(luò )編碼的核心思想是通過(guò)中繼節點(diǎn)簡(jiǎn)單的編碼能力來(lái)達到網(wǎng)路性能的增益。在有線(xiàn)鏈路上通過(guò)編碼能夠獲得巨大的容量增益。目前，很多研究都是關(guān)注在有線(xiàn)網(wǎng)路上，也有部分在無(wú)線(xiàn)環(huán)境下的探索性研究[4]。盡管無(wú)噪聲的假設在無(wú)線(xiàn)介質(zhì)下不可能出現，但無(wú)線(xiàn)媒介提供一些更加好的性能：無(wú)需額外的成本就可廣播信息。本文通過(guò)引入網(wǎng)絡(luò )編碼算法探討無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的分集增益和系統中斷概率性能。

分布式天線(xiàn)系統(DAS)[5]的提出主要為了解決無(wú)線(xiàn)環(huán)境下的路徑損耗、快衰落和陰影衰落，從而改善覆蓋特性，提高系統容量。這種網(wǎng)絡(luò )結構可提高系統無(wú)線(xiàn)信號的覆蓋能力和系統容量，并且可獲得較高的系統功率效率。
2系統模型

本文主要關(guān)注系統的中斷概率性能。根據多輸入多輸出(MIMO)天線(xiàn)的設置模型，假設系統中有一個(gè)輔助天線(xiàn)單元，隨機地分布在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中，用來(lái)增強用戶(hù)和本地基站的通信穩定性，即系統中每個(gè)戶(hù)安裝有一個(gè)輔助天線(xiàn)，可以解調出每個(gè)用戶(hù)的數據。在價(jià)格和實(shí)現復雜度上，相比用戶(hù)終端，輔助天線(xiàn)更具有優(yōu)勢。這種分布式輔助天線(xiàn)作為用戶(hù)終端和基站的中繼，用于增強通信鏈路的穩定性。在最簡(jiǎn)單的配置中，每個(gè)用戶(hù)終端安裝一個(gè)輔助天線(xiàn)，可以處理簡(jiǎn)單編碼和解碼，叫做簡(jiǎn)單DAS，如圖1所示?；境私邮战?jīng)過(guò)中繼的數據，也可接收來(lái)自用戶(hù)終端的信息。

為了節約輔助天線(xiàn)的硬件成本，引入網(wǎng)絡(luò )編碼數據處理方式?；诰W(wǎng)絡(luò )編碼的DAS模型如圖2所示。用戶(hù)1

和用戶(hù)2分別發(fā)送數據x1和x2到基站，由于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的廣播特性，輔助天線(xiàn)單元也將接收到信號x1和x2，

并可同時(shí)發(fā)送數據到基站。輔助天線(xiàn)通過(guò)線(xiàn)性網(wǎng)絡(luò )編碼，不是中繼轉發(fā)數據x1和x2，而是通過(guò)發(fā)送x1和x2

異或后的數據?；局灰邮盏接脩?hù)1或用戶(hù)2的任意一方數據就可以解調出未接收到的數據。

可以看出，通過(guò)應用網(wǎng)絡(luò )編碼算法，節約了硬件資源，并達到提高系統性能的目的。

3分布式天線(xiàn)系統性能分析

3.1理論分析

首先，研究包含兩個(gè)用戶(hù)的簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò )系統，討論基于網(wǎng)絡(luò )編碼的分布式天線(xiàn)系統和無(wú)網(wǎng)絡(luò )編碼的分布式天線(xiàn)系統性能?？紤]公平性，輔助天線(xiàn)單元假設應用在簡(jiǎn)單DAS和基于網(wǎng)絡(luò )編碼DAS中。分集增益通常用分集度來(lái)衡量，基于信噪比(SNR)統計特性的中斷概率是研究協(xié)作方案分集度最常用的方法。為了比較這兩種DAS的性能，定義中斷概率為當基站不能同時(shí)準確接收來(lái)自用戶(hù)A和用戶(hù)B的信息時(shí)所出現的概率，記為PS。并假設用戶(hù)A和用戶(hù)B到基站上行鏈路的誤比特率分別為pA和pB，用戶(hù)A和用戶(hù)B到輔助天線(xiàn)上行鏈路的誤比特率分別為p 1和p 2。簡(jiǎn)單DAS的中斷概率可以表示為：

PSP =pAp'1'(1-pBp 2)+pBp 2(1-pAp 1)+pAp 1pBp 2 =pAp'1+pBp 2-pAp'1pBp 2 (1)

對于基于網(wǎng)絡(luò )編碼的DAS來(lái)說(shuō)，假設輔助天線(xiàn)的誤比特率為pi，可以得到，系統中斷概率為：

PSN=pAp'i(1-pB)+pBpi (1-pA)+pApB (1-pi )+pAp'i pB=pAp'B +pBpi +pApi -2pAp'ipB (2)

如果假設所有的誤比特率相同，并記為p。那么，式(1)和式(2)可以簡(jiǎn)化為：

PSP=2p2-p4～p 2 (3)

PSN=3p2-2p3～p 2 (4)

從(3)和式(4)可以得出，兩個(gè)系統的分集增益都為2。