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解析:無線通信與聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)

作者: 時間:2012-11-21 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

是指在中繼節(jié)點處對信息流進(jìn)行存儲轉(zhuǎn)發(fā)的基礎(chǔ)上實行操作,從而提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量,節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬等。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/153716.htm

網(wǎng)中,網(wǎng)絡(luò)作為關(guān)鍵之一,可以在一定程度上節(jié)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(shù)據(jù),增加信道的傳輸容量。

同時無線網(wǎng)絡(luò)自身一些不同于有線網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性,也使網(wǎng)絡(luò)編碼帶來了新的效益,它可以改善網(wǎng)絡(luò)性能,結(jié)構(gòu)和協(xié)議。

目前,大多數(shù)方案都是基于隨機線性網(wǎng)絡(luò)編碼,如何在多徑衰落這種不利條件下,設(shè)計網(wǎng)絡(luò)編碼方案,使其在無線網(wǎng)絡(luò)中同樣有效是一個具有挑戰(zhàn)性的問題。

很多國內(nèi)外學(xué)者以及科研機構(gòu)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、MIMO相結(jié)合的現(xiàn)在。

本文通過從物理層角度對無線網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)編碼與其他應(yīng)用技術(shù)相進(jìn)行分析,如將其與MIMO等相結(jié)合,充分利用冗余度,提高系統(tǒng)吞吐量,并根據(jù)未來網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜環(huán)境闡述了其進(jìn)一步的研究方向。

1、網(wǎng)絡(luò)編碼

隨著研究的深入,網(wǎng)絡(luò)編碼的很多優(yōu)點也逐漸體現(xiàn)出來,如能獲得很好的網(wǎng)絡(luò)吞吐量,均衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、提升帶寬利用率等優(yōu)勢。同時在無線網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)編碼也面臨著許多問題,如果將網(wǎng)絡(luò)編碼與其它應(yīng)用技術(shù)相結(jié)合,則更能大大提升該應(yīng)用系統(tǒng)的相關(guān)性能。

1.1 網(wǎng)絡(luò)編碼與信道編譯碼的

網(wǎng)絡(luò)編碼同信道的編譯碼技術(shù)相結(jié)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(dá)到最大的信道容量;

通過利用中繼傳輸?shù)娜哂喽葋慝@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、時分復(fù)用雙向中繼信道[和BSC中與傳統(tǒng)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(fù)雜度以及由信道噪聲帶來的失真。

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),即在多用戶環(huán)境下,每個天線用戶在發(fā)送自身信息時也為其協(xié)作伙伴發(fā)送信息,通過節(jié)點間的協(xié)作,形成虛擬天線系統(tǒng),以獲得較大的分集增益,克服無線信道衰落。

另外,在協(xié)作分集的基礎(chǔ)上進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編碼可以同時獲得分集增益和網(wǎng)絡(luò)編碼增益。在協(xié)作傳輸過程中,通過在信源節(jié)點和終端節(jié)點放置中繼可進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)傳輸速率,改善系統(tǒng)抗衰落性能,提高資源效率和系統(tǒng)容量。

協(xié)作網(wǎng)絡(luò)編碼是當(dāng)前無線移動通信系統(tǒng)的研究熱點之一,特別是基于物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的無線協(xié)作通信系統(tǒng),對于雙信源、雙信宿系統(tǒng),假設(shè)信源SI和S都要將各自的信息廣播到兩個信宿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,將通過共享的中繼來實現(xiàn)傳輸范圍的擴(kuò)大。在傳統(tǒng)協(xié)作中繼系統(tǒng)中由于要保證信號在正交信道上能夠傳輸,完成這一過程需要4個時隙,而采用無線網(wǎng)絡(luò)編碼后僅需要2個時隙。分別為:

(1)將信號廣播至和;同時將其信號廣播至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個時隙已經(jīng)接收到St(S)廣播的信息,因此,在第2個時隙結(jié)束時,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(tǒng)可以降低傳輸時間損耗,使數(shù)據(jù)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、多通道來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(tǒng)容量、頻譜利用率和數(shù)據(jù)傳輸速率;通常情況下,多徑要引起衰落,致使數(shù)據(jù)包丟失。對于MIMO系統(tǒng),多輸入多輸出技術(shù)通過利用空間分集來解決這一問題。

因為多人多出是針對多徑無線信道來說的,傳輸信息流經(jīng)過空時編碼形成M個信息子流,filM個天線發(fā)射出去,經(jīng)空間信道后由N個接收天線接收。在接收端通過檢測譯碼,將接收到的符號矢量利用空時編碼處理,并解碼這些數(shù)據(jù)。

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(fù)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(tǒng)網(wǎng)絡(luò)編碼中并沒有利用到的冗余信息,將網(wǎng)絡(luò)編碼和MIMO技術(shù)相結(jié)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,完成檢測譯碼過程,獲得高信噪比增益。MIMO—NC方案的編碼過程:由信源發(fā)出的信息,經(jīng)過信道編碼輸出信息單元,這些由每個節(jié)點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)過轉(zhuǎn)換調(diào)制將相應(yīng)波形通過無線信道傳輸出去。

譯碼過程:在接收端將收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行信道估計,并從其頭部提取出網(wǎng)絡(luò)編碼系數(shù),如果頭部損壞就丟棄;反之,則把所有數(shù)據(jù)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(jié)點存儲器中至少要有等量的獨立的原始數(shù)據(jù)包,這樣才能解出編碼方程D:GX,若少于要求數(shù),則終端正確恢復(fù)原始信息的概率會很低。所以當(dāng)能夠進(jìn)行譯碼時,節(jié)點開始檢測接收到的數(shù)據(jù)包數(shù)目,同時確定中繼節(jié)點數(shù),最后通過軟譯碼:案恢復(fù)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)送端采取用兩個網(wǎng)絡(luò)編碼器的方法,這樣就有兩個網(wǎng)絡(luò)編碼矩陣G1和G2,頭部存儲編碼系數(shù),并且編碼相同的信息。

此時的編碼增益會明顯提高,但是以傳輸速率的降低為代價,而在譯碼過程中采用自適MIMO-NC技術(shù),就是為了改善傳輸速率,降低錯誤概率,但同時復(fù)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,為每個編碼包的頭部包含的編碼系數(shù),{bn.b椰}指的是Galois~號所對應(yīng)的調(diào)制后的矢量s。…Y指的是在不同時間接收端收到的來自不同信源的編碼包。

在傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)編碼中,每個數(shù)據(jù)包的解調(diào)過程和提取NC系數(shù)過程都是分開進(jìn)行的,其在譯碼階段僅用來成功地接收數(shù)據(jù)包,因此限制了從不同節(jié)點接收相同信息的優(yōu)勢。MIMO_NC會利用已破損的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。


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