聯合信道網絡編碼研究綜述*

鐘景川，祁 杰，李保申，陳奮曉，屠晨峰，張 萌*

(1.東南大學國家專用集成電路工程中心，南京210096;2.哈維馬德學院，美國)

聯合信道網絡編碼研究綜述*

鐘景川1，祁 杰1，李保申1，陳奮曉2，屠晨峰1，張 萌1*

(1.東南大學國家專用集成電路工程中心，南京210096;2.哈維馬德學院，美國)

網絡編碼技術可以提高網絡吞吐量和傳輸性能，均衡網絡負載。在無線傳感器網絡中，應用網絡編碼和信道編碼聯合編碼技術可以降低節點數據處理復雜度，大幅提升系統整體性能?；趥鹘y網絡編碼模型，在節點中加入數據調制功能，可以實現網絡編碼和信道編碼的聯合編碼，信道編碼則采用各方面性能較好的Turbo碼和LDPC碼。結果表明，在10-4誤碼率下，聯合編碼方案的信噪比相比于傳統編碼方案有1.5 dB的節省。

無線傳感器網絡;聯合信道網絡編碼;Turbo碼;LDPC碼;

網絡編碼由香港中文大學Ahlswede，R等人于2000年提出，它是一種基于信息處理轉發思想的新型編碼技術。網絡編碼通過在中間節點引入數據處理和信息加工功能，使中間節點對其接收到的信息進行線性或非線性的處理，再轉發至后續節點。Ahlswede，R等人從信息論的角度，證明了通過這種方式，可以達到通信網絡的最大容量［1］。

網絡編碼技術改變了傳統通信網絡中信息處理和傳輸的方式，提高了網絡吞吐量、負載均衡、魯棒性、信息傳輸效率和安全性等。研究發現，中繼節點的處理不僅可以獲得分集增益，還可以通過傳遞譯碼輔助信息來對抗信道衰落和噪聲干擾。因此，在網絡編碼的大背景下，將信道編譯碼技術與網絡編碼技術相結合(聯合信道網絡編碼)應用于各個網絡模型成為當前無線網絡中的一個研究熱點。

本文首先概括了網絡編碼的基本原理及其優缺點，并總結了一些改進方案。在網絡編碼基礎上，特別討論了信道編碼與網絡編碼的聯合編碼技術(聯合信道網絡編碼)，并對一些具體的實現方案給予分析與評價。最后，展望了聯合信道網絡編碼的研究發展方向。

1 網絡編碼概述

1.1 網絡編碼基本原理

在傳統網絡中，中間節點只進行信息的分組存儲和轉發。網絡編碼技術中，中間節點對接收到的數據進行加工處理再轉發出去，如圖1所示。

圖1 二源單信宿數據傳輸網絡

網絡編碼技術中，中間節點T對原信號x1和x2進行編碼融合后形成數據f(x1，x2)，即為y。中間節點輸入邊和輸出邊之間存在映射:F2m［2］，同時，目的節點對接收到的數據進行解碼，故在編碼數據和原始數據之間也存在一種映射通過這種特定的運算之后，再進行數據的傳輸和解碼。

1.2 網絡編碼的優缺點

網絡編碼是基于組播技術而提出的。組播技術中，源主機只發送一份數據，組播中的所有接收者都可接收到同樣的數據拷貝，但只有組播內的主機可以接收該數據，網絡中的其他主機則不能接收到。

傳統組播網絡中，中繼節點需要分別花費2個時隙來接收和發送信息。在網絡編碼模型中在中繼節點對兩路信息進行編碼則只需分別花費1個時隙即可完成，其信息傳輸速率達到了組播中的最大流量。

由此可以看出，利用網絡編碼可以顯著提高網絡的信息傳輸速率。通過改進網絡編碼的編碼算法可以達到更加優異的性能。文獻［3］提出了一種網絡編碼算法:將線性網絡編碼和擴散算法二者結合起來，再結合相應的無線傳感器路由算法，實現了網絡吞吐量的提升，同時通過建立控制參量與網絡最大流的關系，實現了網絡容量自適應調節。此外，在保證傳感器網絡一定節點密度的前提下，還可以運用分布式隨機網絡編碼策略來提升網絡信息流的傳輸速率［4］。除了基于傳感網的網絡編碼優化算法之外，還可以通過利用優化吞吐量的路由算法使得網絡層和物理層的鏈路帶寬需求得到平衡，從而提升吞吐量［5］。另外，可以只對進入中繼節點的鏈路進行網絡編碼，而對進入目的節點的鏈路則采用路由策略，這樣在提高吞吐量的同時也降低了網絡的復雜度［6］。

網絡編碼可以有效的利用網絡中的傳輸鏈路，從而使數據可以更廣泛地分布于網絡中，這樣可以減少擁塞問題，使得網絡負載得到了有效的均衡，同時也降低了網絡整體的能耗。文獻［7-8］提出了一種針對簡單圓形拓撲和矩形拓撲的網絡編碼算法及其改進方案，該方案可以提高廣播數據的傳遞效率，然而在丟包情況下的節點重新廣播率較高。此外，網絡編碼和分布式流優化結合可以大大提高傳輸效率［9-10］，但是其針對的網絡節點數目比較有限。

從網絡編碼的原理可知，信宿節點依靠接收到的信息解碼出原信息，因此整個網絡對信息傳輸鏈路選擇的依賴程度大大降低，這樣就可以有效的應對節點的動態加入和鏈路失效等問題，網絡的魯棒性得到了有效的提高。文獻［11］提出了一種使得編碼糾錯能力與分組丟失率相匹配的自適應糾錯機制，在提高傳輸速率和魯棒性的同時。此種機制還可以節約通信開銷，從而降低了網絡整體的能耗。文獻［12］提出一種網絡編碼和分布式源編碼的優化算法。在靜態的傳感器網絡模型中，該算法在保證系統魯棒性的前提下，使得網絡的容錯性和可靠性得到了提高。文獻［13］中建立了一種聯合編碼節點數和鏈路數的優化函數，為解決編碼復雜度提出了一種量化方法。

2 聯合信道網絡編碼

在無線信道傳輸中，信道編碼方案必不可少，中繼系統也不例外。一般情況下，信道編碼與網絡編碼均獨立進行操作，通過信道編碼方案引入一定的冗余信息來提高系統傳輸的可靠性，通過網絡編碼方案來提高系統的吞吐量和分集增益。一些簡單的聯合解決方案只是降低中繼節點的處理復雜度，并沒有帶來系統性能的明顯提升，如傳統的異或網絡編碼［14］。

Turbo碼和LDPC碼具有優異的性能，因此這兩種信道編譯碼方案與網絡編碼的聯合得到了較多的關注和研究［15-18］。文獻［19］則采用了卷積碼與網絡編碼聯合。本文提到的聯合信道網絡編碼方案在中繼節點處只傳送編碼信息的校驗比特，即冗余信息。

這種基于聯合網絡編碼與信道編碼的系統方案，即使限定了傳輸次數，也可以獲得較高的分集增益并且提高吞吐量［15］。中繼系統還可以通過其特殊的傳輸結構獲得更多的冗余信息，一些探索性的研究［20-22］中提到了通過中繼節點的處理以傳送冗余信息，在接收端處進行聯合譯碼，可以提高數據傳輸的可靠性。

2.1 聯合Turbo碼與網絡編碼

基于采用二元單信宿網絡模型實現網絡編碼，兩個源節點通過中繼節點來交換信息，Ui表示第i個源節點發送的數據包，其中i=1，2。在兩個源節點處都使用了相同的Turbo編碼器，將兩個節點向中繼節點傳送的信息進行譯碼后先進行異或編碼操作，再進行重新的Turbo編碼，將得到的冗余信息發送到基站即接收節點，并在基站實現信息的譯碼，如圖2所示。由于兩個源節點傳送的信息可能存在相關性，在中繼節點進行異或操作后得到的信息可能會出現很多連續相同的碼字，這樣顯然不利于信道傳輸以及最后的譯碼。因此，在第二個源節點的信息進行Turbo編碼前將原來的信息先進行交織。這樣，中繼節點編碼所需的兩組信息中，一組為直接的Turbo編碼，一組為交織后的Turbo編碼。最后譯碼操作時再對其進行解交織操作。

圖2 聯合Turbo碼—網絡編碼機制

優缺點分析:將聯合信道網絡編碼、網絡編碼和直傳方案進行比較可以發現，聯合信道網絡編碼方案可以獲得更好的誤碼率性能。由于在中繼節點向基站轉發信息只需花費一個時隙，系統可以獲得更高的吞吐量。并且中繼節點向基站發送不同的信息，可以獲得充分的分集增益。將Turbo編碼與網絡編碼結合可以獲得很高的誤碼率性能，在10-4誤碼率下，此種方案的信噪比比傳統異或編碼方案有1.5 dB的節省，比直傳鏈路有5.3 dB的節省。而且聯合信道網絡編碼技術中，中繼節點只發送比特編碼的冗余信息，而傳統異或網絡編碼方案需要傳送異或后完整的信息。因此相比于傳統的網絡編碼，聯合信道Turbo編碼網絡編碼無論從誤碼率、吞吐量還是能耗開銷方面都是一種比較優越的方案。

但是此種網絡編碼方案也有一定的缺點:(1)在中繼節點處采用網絡編碼和信道編碼技術，需要額外的編譯碼設備，增加了中繼節點處理的復雜度。(2)信道條件會存在衰落和路徑損耗的問題，在信道衰落條件有變化的情況下，通過中繼節點傳遞的冗余信息對譯碼的幫助很小。所以在特定的信道系統下，聯合信道網絡編碼有其局限性。

文獻［23］提出了一種分布式Turbo碼其網絡模型。首先信源節點直接向中繼節點和終端廣播一個遞歸卷積碼。中繼節點在譯碼后、交織、重新編碼，然后發送給終端。由于終端收到了兩個并行碼字，這就構成了一個Turbo碼，終端利用兩個碼字進行迭代譯碼。結果證明，即使利用簡單的分量碼也可獲得可觀的編碼增益和分集增益。在此基礎上，文獻［24］中提出了軟中繼的分布式Turbo碼，中繼在譯碼之后不做判決，可以在高信噪比時獲得良好的效果。在文獻［25］提出了一種分布式Turbo編碼方法，將N長的碼C分成兩部分C1與C2碼長分別為N1和N2，信源通過廣播形式發送C1信息到中繼節點與終端，中繼節點在接收到C1碼字后通過譯碼可以得到碼字C2，再通過信道編碼對C2進行編碼后向終端傳送C2信息。因此終端將會收到經過不同信道的兩組信息，一個來自信源，一個來自中繼。終端將兩組合并，然后進行最后的譯碼。

2.2 聯合LDPC碼網絡編碼

聯合LDPC碼網絡編碼與聯合Turbo碼網絡編碼類似，兩個信源節點分別向中繼節點與基站傳送信息。中繼節點對接收到的信息進行網絡編碼后再進行重新的LDPC編碼，并將編碼后的信息傳送到基站進行譯碼。具體結構如圖3所示。

優缺點分析:由于網絡編碼在中繼節點處需要額外的一套或者兩套譯碼器，這就會增加中繼節點的復雜度。LDPC碼可以采用部分并行譯碼，從而在譯碼復雜度和吞吐量上取得一個折中，并且其誤碼率性能與Turbo碼相近。聯合LDPC信道網絡編碼相比直傳或者直接異或網絡編碼方案取得更好的誤碼率性能以及更高的吞吐量，同時可以減少中繼節點的譯碼復雜度，提高網絡編碼性能。

圖3 聯合LDPC碼網絡編碼結構

在文獻［26］中提出一種LDPC乘積碼。該方案中，兩個信源節點用LDPC乘積碼的方式向基站和中繼節點傳送數據包，需要注意的是這種乘積碼的方式僅僅只做了行向量的編碼。中繼節點在接收到兩個信源節點的數據包后進行譯碼操作，并把譯碼后的信息分為上下兩個矩陣排列起來。然后合并為一個矩陣，并對這個矩陣做列向量的編碼。最后把在中繼節點獲得的編碼冗余信息傳送給基站。基站再把從兩個信源節點和中繼節點得到的三個數據包組合起來再通過譯碼即可得到兩個信源的信息。

該方案中，中繼節點接收到兩個信源的信息并解碼，再將兩個信源信息進行LDPC乘積碼編碼。因此該方案亦可看作是雙層LDPC編碼方案。在中繼節點進行編碼后，僅僅只向基站傳送編碼得到的冗余信息，基站得到兩個信源節點與基站傳來的冗余信息后再進行譯碼。

優缺點分析:LDPC乘積碼方案不再使用傳統的異或網絡編碼思想，取而代之的是乘積碼網絡編碼。相比而言，異或網絡編碼存在一定的局限性，它不能應用于多源單中繼單基站的網絡模型中。乘積碼的網絡編碼不僅可以保證網絡編碼增益還可以防止信道的突發錯誤，因為在行向量連續出現錯誤的情況下可以通過列向量的譯碼實現恢復。即使中繼節點只傳冗余信息數據包，系統的吞吐量仍不會降低。因此，乘積碼在雙源節點或者三源節點的情況下實用性較強。然而在多源節點系統中，乘積碼方案使得中繼節點需要更多的譯碼設備，從而使其復雜度更高，所以在源節點較多的情況下乘積碼不具備實用性。

3 聯合信道碼網絡編碼發展方向

聯合信道網絡編碼已經表現出其相比于單獨使用網絡編碼的優越性，它不僅可以提高編碼增益和吞吐量，還可以改善系統的誤碼率性能。在軟判決譯碼的情況下，比傳統網絡編碼少用一套譯碼器，降低了中繼節點的復雜度。本文認為聯合信道網絡編碼的研究發展方向主要為:

(1)應用于更多的網絡模型。前面所介紹的聯合信道網絡編碼方案都是在特定的網絡模型下提出的，無法靈活地轉換到其他網絡模型。實際的網絡信息廣播路徑復雜，只應用于特定的網絡模型顯然不能夠滿足當今無線網絡的發展。

(2)聯合信道網絡編碼中網絡編碼算法和方案的研究。當前大多數應用的異或網絡編碼雖有其優越性，但是局限性也非常大，例如對于多源的多址接入網絡，異或網絡編碼顯然是不適用的。而文獻［27］提出的乘積碼網絡編碼不失為一個新研究方向，更有效的網絡編碼算法可以增加聯合信道網絡編碼在實際工程應用的靈活性。

(3)聯合信道網絡編碼中信道編碼方案的選擇與優化。不同的信道編碼方案有著不同的誤碼率和譯碼復雜度。如何根據性能指標選擇合適的信道編碼方案，以及在不損失系統系能情況下，如何有效地改進編譯碼算法復雜度都是值得進一步研究的問題。現有的信道編碼方案都是基于傳統網絡數據傳輸與處理思想而提出與改進的。因此，在聯合網絡編碼背景下，信道編碼的算法優化問題值得進一步研究。當前，LDPC碼與Turbo碼都是性能接近香農極限的好碼。RA碼是一種基于Turbo碼的簡單編碼結構和LDPC碼迭代譯碼算法的一種信道編碼。本文認為，將RA碼應用于聯合信道網絡編碼中，可使中繼節點的編譯碼復雜度相比于文中提到的幾種方案都有改善，也可使中繼節點復雜度更低。

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鐘景川(1989- )重慶市人，漢族，東南大學電子科學與工程學院在讀碩士，研究方向基帶數字通信技術，zhong_ ayy@163.com;

李保申(1989- )山東菏澤人，漢族，東南大學電子科學與工程學院在讀碩士，研究方向基帶數字通信技術，libaoshen888@163.com;

張 萌(1964- )，男，研究員，主要從事數字信號處理，基帶通信技術，無線傳感器網絡技術等，zmeng@seu. edu.cn。

Review of Joint Coding of Channel Coding and Network Coding*

ZHONG Jingchuan1，QI Jie1，LI Baoshen1，CHEN Fenxiao2，TU Chenfeng1，ZHANG Meng1*
(1.National ASIC System Engineering Research Center，Southeast University，Nanjing 210096，China;2.Harvey Mudd College，USA)

Network coding technology can not only improve the throughput and transmission efficiency of the network system，but also make the load more balanced.By employing the joint coding of network coding and channel coding in the Wireless Sensor Network，it can reduce the complexity of data processing in the node and hugely promote the performance of the whole system.Based on the traditional netwok coding model，joint coding can be realized by employing the modulation in the node.Turbo codes and LDPC codes are among those best performing codes and they have some unique advantages so are preferred in the system.The result shows that under the same circumstance of bit error rate 10-4，the signal to noise ratio can be saved by 1.5 dB.

wireless sensor network;joint coding of channel coding and network coding;Turbo codes;LDPC codes

10.3969/j.issn.1005－9490.2014.02.038

TP393

A

1005－9490(2014)02－0345－05

項目來源:國家自然科學基金項目(61176031);國家重大專項項目(2010ZX03006-003-02);省自然科學重點基金項目(BK2011018)

2013-03-04修改日期:2014-01-08

EEACC:6150P