無線通信聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)綜述

標(biāo)簽：無線通信 網(wǎng)絡(luò)編碼

網(wǎng)絡(luò)編碼是指在網(wǎng)絡(luò)中繼節(jié)點(diǎn)處對(duì)網(wǎng)絡(luò)信息流進(jìn)行存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)的基礎(chǔ)上實(shí)行編碼操作，從而提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬等。

在無線通信網(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(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(shí)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(jī)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(jì)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(gè)具有挑戰(zhàn)性的問題。

很多國(guó)內(nèi)外學(xué)者以及科研機(jī)構(gòu)都致力于對(duì)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(jié)合的現(xiàn)在。

本文通過從物理層角度對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)編碼與其他應(yīng)用技術(shù)相聯(lián)合進(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、聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)編碼

隨著研究的深入，網(wǎng)絡(luò)編碼的很多優(yōu)點(diǎn)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(shì)。同時(shí)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聯(lián)合

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(shí)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(shì)，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(gè)天線用戶在發(fā)送自身信息時(shí)也為其協(xié)作伙伴發(fā)送信息，通過節(jié)點(diǎn)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(shí)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(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)放置中繼可進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)傳輸速率，改善無線通信系統(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(dòng)通信系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)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(duì)于雙信源、雙信宿無線通信系統(tǒng)，假設(shè)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，將通過共享的中繼來實(shí)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(hào)在正交信道上能夠傳輸，完成這一過程需要4個(gè)時(shí)隙，而采用無線網(wǎng)絡(luò)編碼后僅需要2個(gè)時(shí)隙。分別為：

(1)將信號(hào)廣播至和;同時(shí)將其信號(hào)廣播至R和;

(2)R對(duì)二者疊加信號(hào)進(jìn)行物理層網(wǎng)絡(luò)編碼，并將編碼后的信號(hào)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(jié)束時(shí)，d，可以從編碼后的信號(hào)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(duì)較低的錯(cuò)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(shí)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(duì)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?yàn)槎嗳硕喑鍪轻槍?duì)多徑無線信道來說的，傳輸信息流經(jīng)過空時(shí)編碼形成M個(gè)信息子流，filM個(gè)天線發(fā)射出去，經(jīng)空間信道后由N個(gè)接收天線接收。在接收端通過檢測(cè)譯碼，將接收到的符號(hào)矢量利用空時(shí)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(hào)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(cè)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(gè)節(jié)點(diǎn)生成的信息單元被存入緩存器中，然后對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編碼，產(chǎn)生編碼包，并用Gabis~號(hào)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(jì)，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(jì)矩陣。

為了在接收端正確獲得信源的發(fā)送信息，節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)器中至少要有等量的獨(dú)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(huì)很低。所以當(dāng)能夠進(jìn)行譯碼時(shí)，節(jié)點(diǎn)開始檢測(cè)接收到的數(shù)據(jù)包數(shù)目，同時(shí)確定中繼節(jié)點(diǎn)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(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(chǔ)編碼系數(shù)，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)，而在譯碼過程中采用自適MIMO-NC技術(shù)，就是為了改善傳輸速率，降低錯(cuò)誤概率，但同時(shí)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(gè)編碼包的頭部包含的編碼系數(shù)，{bn.b椰}指的是Galois~號(hào)所對(duì)應(yīng)的調(diào)制后的矢量s。…Y指的是在不同時(shí)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(gè)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(diǎn)接收相同信息的優(yōu)勢(shì)。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。