網(wǎng)絡(luò)編碼在無線通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用知識

?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€網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)編碼受到了廣泛關(guān)注。由于無線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，無線網(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異或運算

??? 中繼節(jié)點通過對接收到的數(shù)據(jù)進行異或(XOR)運算完成信息合并，實現(xiàn)中繼節(jié)點的數(shù)據(jù)壓縮，這是網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)應(yīng)用于無線通信網(wǎng)絡(luò)的最直接的一種形式。文獻[2]和[3]研究了Two-way中繼網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的基于XOR運算的信息交換，文獻[4]和[5]研究了基于網(wǎng)絡(luò)編碼的無線Mesh網(wǎng)演示平臺。

??? 1.2置信傳播算法

??? 網(wǎng)絡(luò)編碼應(yīng)用于無線中繼網(wǎng)絡(luò)[6]的另一種形式是采用軟信息合并，如圖1(a)所示的無線中繼網(wǎng)絡(luò)模型，信源節(jié)點S1、S2到中繼節(jié)點R的信道存在噪聲和信號衰落。中繼節(jié)點R采用置信傳播算法計算網(wǎng)絡(luò)編碼信息(即異或結(jié)果)的對數(shù)似然比(LLR)，并發(fā)送到目的節(jié)點，如圖1(b)所示。假設(shè)信源S1和S2和是兩個獨立的二進制隨機信源，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)點的兩個信道狀態(tài)相同，從信源到目的節(jié)點兩個信道狀態(tài)也相同。采用卷積編碼對信息進行編碼，中繼節(jié)點R需進行如下操作：

??? 首先，中繼節(jié)點采用BCJR算法對信源信息進行譯碼，得到其LLR；

??? 然后，對信源S2碼字的LLR信息進行交織操作，減少目的節(jié)點D接收到的3個不同信息之間的依賴性；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)點鏈路上的噪聲。中繼節(jié)點采用BCJR算法分別對信源S1和S2編碼信息進行譯碼，得到其LLR值L 1和L 2。對L 2進行交織操作，且與L 1進行異或運算，得到x1?茌x'2的LLR。NSD表示信源到目的節(jié)點鏈路上的噪聲，NRD表示中繼節(jié)點到目的節(jié)點上的噪聲。y1和y2分別表示目的節(jié)點接收到的來自信源S1和S2的信息，而yR表示目的節(jié)點接收到的來自中繼節(jié)點R的信息。

??? 如果中繼信道條件很差，上述譯碼器成為兩個獨立的卷積譯碼器；否則，當(dāng)中繼信道條件和網(wǎng)絡(luò)編碼信息的LLR很好時，該譯碼器成為一個簡單的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，為進一步提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，文獻[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/信源/時隙(Sym/S/TS)的吞吐量，還可獲得完全分集增益。另一方面，CFNC還可實現(xiàn)多個信源之間的信息交換。

??? 首先考慮如圖2所示的(2,1,1)無線中繼網(wǎng)絡(luò)，每個節(jié)點有一根天線，兩個信源S1和S2直接或者通過中繼節(jié)點R向目的節(jié)點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)點在前兩個時隙對信息x1和x2進行檢測得到x1和x2，在時隙3將有限域上的編碼符號x1?茌x2發(fā)送給目的節(jié)點D。基于有限域網(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。在時隙1，中繼節(jié)點R同時接收來自信源S1和S2的信號θ1 x1和θ2 x2，系數(shù)θ1和θ2屬于復(fù)數(shù)域。在時隙2，中繼節(jié)點將估計信息x1和x2進行復(fù)數(shù)域上的合并，發(fā)送信號θ1x1+θ2x2。文獻[7]分析表明，在無線中繼網(wǎng)絡(luò)采用CFNC不僅可獲得1/2Sym/S/TS的吞吐量，還可以獲得滿分集增益

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

??? 上述幾種方案重點研究了網(wǎng)絡(luò)編碼應(yīng)用于無線中繼網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)方法，但Effros等人在隨機線性編碼討論中，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。目前，信道編碼和網(wǎng)絡(luò)編碼聯(lián)合設(shè)計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)點分別對收到的信息進行編碼，將編碼得到的數(shù)據(jù)進行異或運算后發(fā)送出去，這等價于利用多個獨立子碼構(gòu)成一個超碼。文獻[8]和文獻[9]提出了采用嵌套碼來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)編碼和信道編碼聯(lián)合設(shè)計的思想。

??? 針對兩個源節(jié)點、一個中繼節(jié)點和一個目的節(jié)點的無線通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，文獻[10]和文獻[11]提出在中繼節(jié)點采用混合編碼方式實現(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)點編碼框圖。文獻[12]針對一個源節(jié)點，一個中繼節(jié)點和一個目的節(jié)點的無線通信網(wǎng)絡(luò)，提出了一種雙層LDPC編碼方案。

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

??? 2006年，文獻[13]在WCNC會議上首次提出了基于網(wǎng)絡(luò)編碼協(xié)作分集的概念，分別在兩個系統(tǒng)模型中考慮網(wǎng)絡(luò)編碼協(xié)作分集：分布式天線系統(tǒng)(DAS)和多用戶協(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]，若用戶成功譯碼其協(xié)作伙伴的信息，在第二個階段將自己的信息和協(xié)作伙伴的信息進行網(wǎng)絡(luò)編碼，并將編碼后的信息發(fā)送給目的節(jié)點；否則，直接將自己的信息發(fā)送給目的節(jié)點。

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

??? 用戶A在第一個階段傳輸XA，在第二個階段傳輸XA?茌XB或者XA (依賴用戶A是否成功譯碼用戶B的信息)。同理，用戶B也分別在兩個階段傳輸XB和XA?茌XB或者XB。對NC-AdDF的中斷概率的分析表明，NC-AdDF相對于點對點傳輸具有更低的中斷概率。當(dāng)信源到目的節(jié)點的鏈路具有較高信噪比(SNR)或者信息傳輸在第一個階段分配較大功率時，用戶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[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給出了兩用戶進行協(xié)作分集的系統(tǒng)模型。兩個用戶A和B互為協(xié)作伙伴，向目的節(jié)點D協(xié)作傳輸數(shù)據(jù)包，每個用戶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A和用戶B根據(jù)各自的不同先驗信息分別對得到的碼字進行譯碼。目的節(jié)點D根據(jù)來自兩個用戶的碼字進行迭代譯碼。

??? 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，從而會引起相對較高的差錯概率，使得用戶A和B鏈路上數(shù)據(jù)包的差錯概率PA,B增加，降低了協(xié)作通信成功的概率。文獻[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)已有的不同先驗信息對得到的碼字進行譯碼，目的節(jié)點根據(jù)來自兩個用戶的碼字進行迭代譯碼。

??? 表1中表示在時隙t 傳輸?shù)挠脩鬉的局部信息向量，表示用戶A在相同的時隙內(nèi)傳輸?shù)闹欣^信息向量。類似地，對于用戶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A和B在時隙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。

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

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

??? 如果用戶A沒有成功譯碼，用戶A只對局部信息向量進行編碼

??? 節(jié)點上的譯碼操作(目的節(jié)點D對進行譯碼)：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C A(t)和C B(t)只包含了局部信息，利用GL的譯碼器對進行譯碼操作。

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

??? (3)C A(t )=iGL，C B(t )=GL?茌GR。可在C A(t )和C B(t )的譯碼器之間進行迭代譯碼，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-軟輸出譯碼器進行迭代譯碼。由于=π()已經(jīng)被實現(xiàn)，從C B(t -1)獲得的外信息作為先驗信息處理C A(t)，用0作為先驗信息譯碼。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B含有中繼信息時，可利用C B(t )和C A(t +1)對數(shù)據(jù)包進行譯碼操作，并可迭代譯碼擴展到多個碼字來改善譯碼性能。以譯碼為例，除了包含的兩個碼字C A(t)和C B(t)進行迭代譯碼，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。

??? 對非合作傳輸、時分多址合作傳輸、基于信號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時具有相同的錯誤曲線斜率，但網(wǎng)絡(luò)編碼合作傳輸?shù)膬?yōu)勢更明顯。

??? 3結(jié)束語

??? 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)用到無線通信系統(tǒng)中能進一步提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量、節(jié)省傳輸能量、增強魯棒性和安全性。但也存在著如下尚未解決的問題，也是未來的研究方向：

??? 網(wǎng)絡(luò)編碼算法設(shè)計。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、線性以及分布式編碼算法。由于實際分集網(wǎng)絡(luò)采用網(wǎng)絡(luò)編碼，需要考慮同步、節(jié)點開銷等問題，設(shè)計適用于協(xié)作分集的網(wǎng)絡(luò)編碼算法將成為一個非常有意義的研究方向。

??? 降低網(wǎng)絡(luò)編碼的計算復(fù)雜度。采用網(wǎng)絡(luò)編碼提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量的同時，增加了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的編碼操作，提高了其設(shè)計和實現(xiàn)的復(fù)雜度。如何在協(xié)作網(wǎng)絡(luò)不顯著增加節(jié)點開銷的情況下，實現(xiàn)有效的網(wǎng)絡(luò)編碼協(xié)作分集處理，將有待于進一步的研究。

??? 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，但在實際移動通信系統(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)作分集將成為一個研究熱點。