網(wǎng)絡(luò)編碼在無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用知識(shí)

網(wǎng)絡(luò)編碼在無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用知識(shí)

?研究顯示，網(wǎng)絡(luò)編碼是可以逼近網(wǎng)絡(luò)容量理論傳輸極限的有效方法，具有確定拓?fù)涞挠芯€(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)編碼受到了廣泛關(guān)注。由于無(wú)線(xiàn)鏈路的不可靠性和物理層廣播特性非常適合采用網(wǎng)絡(luò)編碼，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境應(yīng)該是網(wǎng)絡(luò)編碼首先被應(yīng)用的領(lǐng)域。目前，基于網(wǎng)絡(luò)編碼的中繼技術(shù)、協(xié)作分集技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)編碼和信道編碼的聯(lián)合設(shè)計(jì)技術(shù)，已經(jīng)引起了人們的廣泛關(guān)注，有了大量的研究成果。

??? 1網(wǎng)絡(luò)編碼在中繼網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

??? 1.1異或運(yùn)算

??? 中繼節(jié)點(diǎn)通過(guò)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行異或(XOR)運(yùn)算完成信息合并，實(shí)現(xiàn)中繼節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)壓縮，這是網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)應(yīng)用于無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)的最直接的一種形式。文獻(xiàn)[2]和[3]研究了Two-way中繼網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的基于XOR運(yùn)算的信息交換，文獻(xiàn)[4]和[5]研究了基于網(wǎng)絡(luò)編碼的無(wú)線(xiàn)Mesh網(wǎng)演示平臺(tái)。

??? 1.2置信傳播算法

??? 網(wǎng)絡(luò)編碼應(yīng)用于無(wú)線(xiàn)中繼網(wǎng)絡(luò)[6]的另一種形式是采用軟信息合并，如圖1(a)所示的無(wú)線(xiàn)中繼網(wǎng)絡(luò)模型，信源節(jié)點(diǎn)S1、S2到中繼節(jié)點(diǎn)R的信道存在噪聲和信號(hào)衰落。中繼節(jié)點(diǎn)R采用置信傳播算法計(jì)算網(wǎng)絡(luò)編碼信息(即異或結(jié)果)的對(duì)數(shù)似然比(LLR)，并發(fā)送到目的節(jié)點(diǎn)，如圖1(b)所示。假設(shè)信源S1和S2和是兩個(gè)獨(dú)立的二進(jìn)制隨機(jī)信源，具有相同的0、1分布，信道為高斯信道，且從信源到中繼節(jié)點(diǎn)的兩個(gè)信道狀態(tài)相同，從信源到目的節(jié)點(diǎn)兩個(gè)信道狀態(tài)也相同。采用卷積編碼對(duì)信息進(jìn)行編碼，中繼節(jié)點(diǎn)R需進(jìn)行如下操作：

??? 首先，中繼節(jié)點(diǎn)采用BCJR算法對(duì)信源信息進(jìn)行譯碼，得到其LLR；

??? 然后，對(duì)信源S2碼字的LLR信息進(jìn)行交織操作，減少目的節(jié)點(diǎn)D接收到的3個(gè)不同信息之間的依賴(lài)性；信息的LLR值。

??? 圖1(b)中，u1和u2分別表示信源S1和S2信道編碼器的輸入信息，x1和x2分別表示信源S1和S2信道編碼器的輸出編碼信息。NSR表示信源到中繼節(jié)點(diǎn)鏈路上的噪聲。中繼節(jié)點(diǎn)采用BCJR算法分別對(duì)信源S1和S2編碼信息進(jìn)行譯碼，得到其LLR值L 1和L 2。對(duì)L 2進(jìn)行交織操作，且與L 1進(jìn)行異或運(yùn)算，得到x1?茌x'2的LLR。NSD表示信源到目的節(jié)點(diǎn)鏈路上的噪聲，NRD表示中繼節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)上的噪聲。y1和y2分別表示目的節(jié)點(diǎn)接收到的來(lái)自信源S1和S2的信息，而yR表示目的節(jié)點(diǎn)接收到的來(lái)自中繼節(jié)點(diǎn)R的信息。

??? 如果中繼信道條件很差，上述譯碼器成為兩個(gè)獨(dú)立的卷積譯碼器；否則，當(dāng)中繼信道條件和網(wǎng)絡(luò)編碼信息的LLR很好時(shí)，該譯碼器成為一個(gè)簡(jiǎn)單的Turbo碼譯碼器。

??? 1.3復(fù)數(shù)域網(wǎng)絡(luò)編碼

??? 在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中，傳統(tǒng)中繼方式降低了頻譜的有效性，為進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，文獻(xiàn)[7]提出了復(fù)數(shù)域網(wǎng)絡(luò)編碼(CFNC)的概念，不僅能夠獲得1/2符號(hào)/信源/時(shí)隙(Sym/S/TS)的吞吐量，還可獲得完全分集增益。另一方面，CFNC還可實(shí)現(xiàn)多個(gè)信源之間的信息交換。

??? 首先考慮如圖2所示的(2,1,1)無(wú)線(xiàn)中繼網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有一根天線(xiàn)，兩個(gè)信源S1和S2直接或者通過(guò)中繼節(jié)點(diǎn)R向目的節(jié)點(diǎn)D發(fā)送信息。

??? 傳統(tǒng)的中繼傳輸方案如圖2(a)所示，網(wǎng)絡(luò)吞吐量為1/4Sym/S/TS。由于目的節(jié)點(diǎn)兩次接收到信息x1和x2，該中繼傳輸方案獲得了2階分集增益。

??? 圖2(b)給出了基于有限域網(wǎng)絡(luò)編碼的協(xié)作傳輸模型，中繼節(jié)點(diǎn)在前兩個(gè)時(shí)隙對(duì)信息x1和x2進(jìn)行檢測(cè)得到x1和x2，在時(shí)隙3將有限域上的編碼符號(hào)x1?茌x2發(fā)送給目的節(jié)點(diǎn)D?；谟邢抻蚓W(wǎng)絡(luò)編碼的吞吐量為1/3Sym/S/TS，可獲得2階分集增益。

??? 基于CFNC的協(xié)作傳輸方案如圖2(c)所示。在時(shí)隙1，中繼節(jié)點(diǎn)R同時(shí)接收來(lái)自信源S1和S2的信號(hào)θ1 x1和θ2 x2，系數(shù)θ1和θ2屬于復(fù)數(shù)域。在時(shí)隙2，中繼節(jié)點(diǎn)將估計(jì)信息x1和x2進(jìn)行復(fù)數(shù)域上的合并，發(fā)送信號(hào)θ1x1+θ2x2。文獻(xiàn)[7]分析表明，在無(wú)線(xiàn)中繼網(wǎng)絡(luò)采用CFNC不僅可獲得1/2Sym/S/TS的吞吐量，還可以獲得滿(mǎn)分集增益

??? 1.4信道編碼和網(wǎng)絡(luò)編碼聯(lián)合設(shè)計(jì)

??? 上述幾種方案重點(diǎn)研究了網(wǎng)絡(luò)編碼應(yīng)用于無(wú)線(xiàn)中繼網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)方法，但Effros等人在隨機(jī)線(xiàn)性編碼討論中，指出很多情況下，需要考慮信道編碼和網(wǎng)絡(luò)編碼的聯(lián)合設(shè)計(jì)。目前，信道編碼和網(wǎng)絡(luò)編碼聯(lián)合設(shè)計(jì)方案主要有嵌套編碼[8-9]和混合編碼[10-12]兩種形式。

??? 嵌套編碼的基本思想是在中繼節(jié)點(diǎn)分別對(duì)收到的信息進(jìn)行編碼，將編碼得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行異或運(yùn)算后發(fā)送出去，這等價(jià)于利用多個(gè)獨(dú)立子碼構(gòu)成一個(gè)超碼。文獻(xiàn)[8]和文獻(xiàn)[9]提出了采用嵌套碼來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)編碼和信道編碼聯(lián)合設(shè)計(jì)的思想。

??? 針對(duì)兩個(gè)源節(jié)點(diǎn)、一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)和一個(gè)目的節(jié)點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，文獻(xiàn)[10]和文獻(xiàn)[11]提出在中繼節(jié)點(diǎn)采用混合編碼方式實(shí)現(xiàn)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)信道編碼的方案，如圖3(a)所示。相應(yīng)地，圖3(b)給出了采用分離信道和網(wǎng)絡(luò)編碼的中繼節(jié)點(diǎn)編碼框圖。文獻(xiàn)[12]針對(duì)一個(gè)源節(jié)點(diǎn)，一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)和一個(gè)目的節(jié)點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)，提出了一種雙層LDPC編碼方案。

??? 2網(wǎng)絡(luò)編碼在多用戶(hù)協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)中的研究

??? 2006年，文獻(xiàn)[13]在WCNC會(huì)議上首次提出了基于網(wǎng)絡(luò)編碼協(xié)作分集的概念，分別在兩個(gè)系統(tǒng)模型中考慮網(wǎng)絡(luò)編碼協(xié)作分集：分布式天線(xiàn)系統(tǒng)(DAS)和多用戶(hù)協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)。研究結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的DAS相比，基于網(wǎng)絡(luò)編碼的DAS具有更好的分集性能，且具有更低的硬件損耗和更高的頻譜效率。在多用戶(hù)協(xié)作通信情況下，采用網(wǎng)絡(luò)編碼能獲得更高的分集增益。

2.1基于網(wǎng)絡(luò)編碼的自適應(yīng)譯碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作傳輸方案

??? 在網(wǎng)絡(luò)編碼自適應(yīng)譯碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作傳輸(NC-AdDF)方案中[14]，若用戶(hù)成功譯碼其協(xié)作伙伴的信息，在第二個(gè)階段將自己的信息和協(xié)作伙伴的信息進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編碼，并將編碼后的信息發(fā)送給目的節(jié)點(diǎn)；否則，直接將自己的信息發(fā)送給目的節(jié)點(diǎn)。

??? 圖4給出了NC-AdDF網(wǎng)絡(luò)模型，用戶(hù)A和B分別向目的節(jié)點(diǎn)D廣播信息XA和XB。

??? 用戶(hù)A在第一個(gè)階段傳輸XA，在第二個(gè)階段傳輸XA?茌XB或者XA (依賴(lài)用戶(hù)A是否成功譯碼用戶(hù)B的信息)。同理，用戶(hù)B也分別在兩個(gè)階段傳輸XB和XA?茌XB或者XB。對(duì)NC-AdDF的中斷概率的分析表明，NC-AdDF相對(duì)于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸具有更低的中斷概率。當(dāng)信源到目的節(jié)點(diǎn)的鏈路具有較高信噪比(SNR)或者信息傳輸在第一個(gè)階段分配較大功率時(shí)，用戶(hù)將獲得更低的中斷概率，改善系統(tǒng)性能。

??? 2.2一種新的適用于協(xié)作分集的網(wǎng)絡(luò)編碼算法

??? 基于有限域中信道碼字的代數(shù)迭加(網(wǎng)絡(luò)編碼)思想，文獻(xiàn)[15]提出了一種適用于協(xié)作分集的網(wǎng)絡(luò)編碼算法。圖5給出了兩用戶(hù)進(jìn)行協(xié)作分集的系統(tǒng)模型。兩個(gè)用戶(hù)A和B互為協(xié)作伙伴，向目的節(jié)點(diǎn)D協(xié)作傳輸數(shù)據(jù)包，每個(gè)用戶(hù)傳輸局部信息與中繼信息的代數(shù)和(網(wǎng)絡(luò)編碼和)，用戶(hù)A和用戶(hù)B根據(jù)各自的不同先驗(yàn)信息分別對(duì)得到的碼字進(jìn)行譯碼。目的節(jié)點(diǎn)D根據(jù)來(lái)自?xún)蓚€(gè)用戶(hù)的碼字進(jìn)行迭代譯碼。

??? 與非協(xié)作分集方案相比，協(xié)作分集方案用戶(hù)需要向其協(xié)作伙伴傳輸局部信息，這就導(dǎo)致了更高的碼率或者更低的發(fā)送功率，從而會(huì)引起相對(duì)較高的差錯(cuò)概率，使得用戶(hù)A和B鏈路上數(shù)據(jù)包的差錯(cuò)概率PA,B增加，降低了協(xié)作通信成功的概率。文獻(xiàn)[15]提出一種新的適用于協(xié)作分集的網(wǎng)絡(luò)編碼算法。用戶(hù)傳輸局部信息與中繼信息的網(wǎng)絡(luò)編碼和，并根據(jù)已有的不同先驗(yàn)信息對(duì)得到的碼字進(jìn)行譯碼，目的節(jié)點(diǎn)根據(jù)來(lái)自?xún)蓚€(gè)用戶(hù)的碼字進(jìn)行迭代譯碼。

??? 表1中表示在時(shí)隙t 傳輸?shù)挠脩?hù)A的局部信息向量，表示用戶(hù)A在相同的時(shí)隙內(nèi)傳輸?shù)闹欣^信息向量。類(lèi)似地，對(duì)于用戶(hù)B也可以定義局部信息向量和中繼信息向量。C A(t )和C B(t )分別表示用戶(hù)A和B在時(shí)隙t 發(fā)送的n比特碼字，GL和GR分別表示局部信息比特和中繼信息比特的碼字生成矩陣，而且碼字速率的大小都為k /n。

??? 用戶(hù)節(jié)點(diǎn)上的編碼操作：用戶(hù)A和B的操作基本一致，下面以以用戶(hù)A為例進(jìn)行說(shuō)明。在時(shí)隙t，假定用戶(hù)A成功譯碼中繼用戶(hù)B的信息，則用戶(hù)A首先交織產(chǎn)生中繼信息，將用戶(hù)A局部信息的碼字和用戶(hù)A中繼信息的碼字進(jìn)行異或(XOR)操作，生成碼字C A(t)=iLA(t)

??? 上述偽隨機(jī)交織可確保用戶(hù)B的目的節(jié)點(diǎn)譯碼器向用戶(hù)A的節(jié)點(diǎn)譯碼器提供的外信息與其獲得的其他信息相互獨(dú)立，有利于目的節(jié)點(diǎn)的迭代譯碼操作。

??? 如果用戶(hù)A沒(méi)有成功譯碼，用戶(hù)A只對(duì)局部信息向量進(jìn)行編碼

??? 節(jié)點(diǎn)上的譯碼操作(目的節(jié)點(diǎn)D對(duì)進(jìn)行譯碼)：根據(jù)上述編碼方案，碼字C A(t )和C B(t )中均帶有信息，即以局部信息存在于碼字C A(t )中，以中繼信息存在于C B(t)中。C A(t)和C B(t )存在如下4種組合結(jié)構(gòu)：

??? (1)C A(t)=GL，C B(t)=GL，此時(shí)C A(t)和C B(t)只包含了局部信息，利用GL的譯碼器對(duì)進(jìn)行譯碼操作。

??? (2)C A(t)=GL?茌GR，C B(t)=GL，是交織后的中繼信息?？蓮腃 B(t -1)獲得的關(guān)于的外信息作為的先驗(yàn)信息，并使用最大后驗(yàn)概率譯碼對(duì)進(jìn)行譯碼。

??? (3)C A(t )=iGL，C B(t )=GL?茌GR?？稍贑 A(t )和C B(t )的譯碼器之間進(jìn)行迭代譯碼，交換關(guān)于和=π()的外信息。

??? (4)C A(t )=GL?茌GR，C B(t )=GL?茌GR，采用矩陣G=[GL GR]T的軟輸入-軟輸出譯碼器進(jìn)行迭代譯碼。由于=π()已經(jīng)被實(shí)現(xiàn)，從C B(t -1)獲得的外信息作為先驗(yàn)信息處理C A(t)，用0作為先驗(yàn)信息譯碼。C A(t)和C B(t)的軟判決譯碼器交換關(guān)于的外信息。

??? 用戶(hù)B含有中繼信息時(shí)，可利用C B(t )和C A(t +1)對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行譯碼操作，并可迭代譯碼擴(kuò)展到多個(gè)碼字來(lái)改善譯碼性能。以譯碼為例，除了包含的兩個(gè)碼字C A(t)和C B(t)進(jìn)行迭代譯碼，還可以利用碼字C A(t+1)和C B(t+1)，基本原理如圖6所示。

??? 對(duì)非合作傳輸、時(shí)分多址合作傳輸、基于信號(hào)迭加的合作傳輸以及提出的網(wǎng)絡(luò)編碼合作傳輸4種方案比較可知，幾種合作分集方案在高SNR時(shí)具有相同的錯(cuò)誤曲線(xiàn)斜率，但網(wǎng)絡(luò)編碼合作傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)更明顯。

??? 3結(jié)束語(yǔ)

??? 網(wǎng)絡(luò)編碼作為通信網(wǎng)絡(luò)中的信息處理和傳輸理論研究的重大突破，具有重要的理論價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景，已被認(rèn)為是下一代網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)之一。將網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)應(yīng)用到無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中能進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量、節(jié)省傳輸能量、增強(qiáng)魯棒性和安全性。但也存在著如下尚未解決的問(wèn)題，也是未來(lái)的研究方向：

??? 網(wǎng)絡(luò)編碼算法設(shè)計(jì)。目前已提出了很多網(wǎng)絡(luò)編碼算法，有集中式算法、分布式算法、線(xiàn)性以及分布式編碼算法。由于實(shí)際分集網(wǎng)絡(luò)采用網(wǎng)絡(luò)編碼，需要考慮同步、節(jié)點(diǎn)開(kāi)銷(xiāo)等問(wèn)題，設(shè)計(jì)適用于協(xié)作分集的網(wǎng)絡(luò)編碼算法將成為一個(gè)非常有意義的研究方向。

??? 降低網(wǎng)絡(luò)編碼的計(jì)算復(fù)雜度。采用網(wǎng)絡(luò)編碼提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量的同時(shí)，增加了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的編碼操作，提高了其設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度。如何在協(xié)作網(wǎng)絡(luò)不顯著增加節(jié)點(diǎn)開(kāi)銷(xiāo)的情況下，實(shí)現(xiàn)有效的網(wǎng)絡(luò)編碼協(xié)作分集處理，將有待于進(jìn)一步的研究。

??? 頻率選擇性衰落信道下的分集性能研究。目前考慮網(wǎng)絡(luò)編碼在協(xié)作分集中的應(yīng)用，一般都假設(shè)信道是平衰落的，但在實(shí)際移動(dòng)通信系統(tǒng)中，信道往往是頻率選擇性衰落的，這種信道環(huán)境下基于網(wǎng)絡(luò)編碼的協(xié)作分集將成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。