網(wǎng)絡(luò)編碼中繼算法研究

高翔，王黎明

（海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢430033）

網(wǎng)絡(luò)編碼中繼算法研究

高翔，王黎明

（海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢430033）

中繼技術(shù)作為一種能夠有效提高系統(tǒng)傳輸性能的技術(shù)，在無線通信領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在無線傳輸系統(tǒng)中采用中繼技術(shù)可以獲得信息傳輸相應(yīng)的分集增益，而結(jié)合網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)可以在保證低誤碼率的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)編碼方案的傳輸速率。在分析無線通信系統(tǒng)中中繼技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)的使用的基礎(chǔ)上，給出了一種進(jìn)行中繼選擇和網(wǎng)絡(luò)編碼的算法，同時(shí)對(duì)無線系統(tǒng)使用中繼的性能進(jìn)行了理論分析和仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提方法是正確的和有效的。

無線通信系統(tǒng)中繼網(wǎng)絡(luò)編碼傳輸速率算法

0　引言

協(xié)同通信技術(shù)可以通過引進(jìn)空間分集增益來提高無線傳輸?shù)男阅?。已?jīng)引起了學(xué)術(shù)界和業(yè)界的廣泛關(guān)注［1-4］。中繼傳輸可以提高無線通信系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)能夠提升無線通信系統(tǒng)的覆蓋能力和傳輸容量，因此在最近十年里學(xué)者們對(duì)中繼技術(shù)進(jìn)行了大量的研究［5-11］。

在一個(gè)多中繼網(wǎng)絡(luò)中，中繼節(jié)點(diǎn)幫助一個(gè)源節(jié)點(diǎn)向目的節(jié)點(diǎn)傳輸信息，可以提高能效和帶寬利用率，同時(shí)簡化網(wǎng)絡(luò)部署。學(xué)者們已經(jīng)提出了許多單中繼節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)姆桨?，這些方案都是中繼節(jié)點(diǎn)在第一個(gè)時(shí)隙接收到源節(jié)點(diǎn)的信息，然后在下一個(gè)節(jié)點(diǎn)將信息轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點(diǎn)。在一個(gè)中繼系統(tǒng)中，信道狀態(tài)信息（Channelstate Information，CSI）對(duì)于提升網(wǎng)絡(luò)性能具有重大的影響。而無線通信系統(tǒng)中的每個(gè)通信節(jié)點(diǎn)為了獲得相應(yīng)的信道狀態(tài)信息，需要發(fā)送訓(xùn)練序列來進(jìn)行信道估計(jì)和預(yù)測(cè)。中繼轉(zhuǎn)發(fā)又分為編碼轉(zhuǎn)發(fā)（decode-and-forward，DF）和放大轉(zhuǎn)發(fā)（amplify-and-forward，AF）兩種。中繼選擇策略對(duì)于一個(gè)多中繼網(wǎng)絡(luò)的性能具有至關(guān)重要的影響。編碼作為一種新的技術(shù)在寬帶無線自組織網(wǎng)絡(luò)中有很好的應(yīng)用，通過網(wǎng)絡(luò)編碼，中間節(jié)點(diǎn)可以將接收信息進(jìn)行編碼并發(fā)送出去，提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐量和健壯性。為不對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的軟硬件設(shè)備和相應(yīng)的協(xié)議做很大的修改，可以選擇在高層實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)編碼。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、無線格狀網(wǎng)（Mesh）等無線自組織網(wǎng)絡(luò)都可以使用網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)顯著提高多跳鏈路的傳輸性能。

目前網(wǎng)絡(luò)編碼的研究熱點(diǎn)集中在網(wǎng)絡(luò)編碼節(jié)點(diǎn)選取方案、網(wǎng)絡(luò)編碼算法的設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)編碼復(fù)雜度分析、網(wǎng)絡(luò)編碼的性能分析、網(wǎng)絡(luò)編碼與系統(tǒng)安全性分析、網(wǎng)絡(luò)編碼在無線分布式網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用等方面。

寬帶無線多跳通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是在充分利用有限的無線網(wǎng)絡(luò)資源的前提下，使各接收節(jié)點(diǎn)能快速收到完整信息。如何提高多跳自組織無線網(wǎng)絡(luò)的性能，一直是業(yè)界研究和關(guān)注的重點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)編碼（Network coding）從廣義上來講，是網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)將接收到的信息進(jìn)行編碼后再轉(zhuǎn)發(fā)出去的多點(diǎn)傳送（Multicast）技術(shù)。多點(diǎn)傳送（也稱組播）是網(wǎng)絡(luò)中的一種重要的通信方式。當(dāng)一個(gè)或幾個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向若干個(gè)其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，往往要借助其他節(jié)點(diǎn)的傳遞。

在傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)中，作為中繼的節(jié)點(diǎn)只能對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行復(fù)制、放大和轉(zhuǎn)發(fā)，這對(duì)于網(wǎng)絡(luò)資源有時(shí)候是一種浪費(fèi)。網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)打破了這種限制，它允許中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)接收到的信息進(jìn)行編碼，并將接收到的多個(gè)數(shù)據(jù)包按照某種特定算法重新組合再發(fā)送出去。

1　系統(tǒng)模型

圖1為選取中繼點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編碼。在無線通信場(chǎng)景中，源節(jié)點(diǎn)S向目的節(jié)點(diǎn)D發(fā)送信號(hào)，我們可以選取基站、移動(dòng)用戶或者其他設(shè)備如圖1中R來作為中繼進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編碼，使用網(wǎng)絡(luò)編碼之后，用戶的性能要好于不使用網(wǎng)絡(luò)編碼的情況。

圖1　選取中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編碼

2　中繼傳輸理論分析

圖2為網(wǎng)絡(luò)編碼時(shí)隙圖。在時(shí)隙1，源節(jié)點(diǎn)S向目的節(jié)點(diǎn)D和中繼節(jié)點(diǎn)R廣播自己的信息，在時(shí)隙2，中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行放到轉(zhuǎn)發(fā)至目的節(jié)點(diǎn)D，這樣目的節(jié)點(diǎn)就收到了來自于源節(jié)點(diǎn)S和中繼節(jié)點(diǎn)R的信號(hào)，通過最大比合并可以提高分集增益。

圖2　網(wǎng)絡(luò)編碼（兩跳中繼）時(shí)隙

時(shí)隙1：

其中ysd是源節(jié)點(diǎn)S到目的節(jié)點(diǎn)D的信號(hào)，ysd是源節(jié)點(diǎn)S到中繼節(jié)點(diǎn)R的信號(hào)。

時(shí)隙2：

中繼將收到的信號(hào)ysr進(jìn)行歸一化處理，作放大轉(zhuǎn)發(fā)，然后再發(fā)射出去。

對(duì)于三節(jié)點(diǎn)協(xié)作通信模型AAF方式，其信道容量為：

其中，Γsd和?！浞謩e代表從源節(jié)點(diǎn)直接到目的節(jié)點(diǎn)和從中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點(diǎn)的信號(hào)的信干噪比，其計(jì)算推導(dǎo)過程如下。

源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的直傳鏈路的信干噪比為：

Γ′為信號(hào)通過中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)的信干噪比，推導(dǎo)過程如下：

將式（5）和式（8）代入（4）即可得到相應(yīng)的CAAF。是否在D2D中采用網(wǎng)絡(luò)編碼也是和CAAF的值息息相關(guān)，如果該值大于直傳鏈路的容量，則采用網(wǎng)絡(luò)編碼來提升性能。

3　中繼選擇算法

該算法主要分為以下三個(gè)步驟。

1）節(jié)點(diǎn)分為三類

源節(jié)點(diǎn)：源節(jié)點(diǎn)是信息源，需要向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，

監(jiān)聽節(jié)點(diǎn)：在無線通信中部分的節(jié)點(diǎn)可以作為源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間的監(jiān)聽節(jié)點(diǎn)，監(jiān)聽節(jié)點(diǎn)在監(jiān)聽節(jié)點(diǎn)接受來自于源節(jié)點(diǎn)的信息，通過接受到的信息對(duì)信道條件進(jìn)行判斷；

目的節(jié)點(diǎn)：目的節(jié)點(diǎn)，就是源節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息的對(duì)象，在監(jiān)聽階段，目的節(jié)點(diǎn)也是監(jiān)聽節(jié)點(diǎn)，需要接受由源節(jié)點(diǎn)和監(jiān)聽節(jié)點(diǎn)發(fā)送而來的信息，從而判斷相應(yīng)的信道條件。

2）節(jié)點(diǎn)探知自己和目的節(jié)點(diǎn)之間的信道條件

階段一：源節(jié)點(diǎn)向目的節(jié)點(diǎn)和監(jiān)聽節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，目的節(jié)點(diǎn)和監(jiān)聽節(jié)點(diǎn)通過接收到的源節(jié)點(diǎn)信息，對(duì)信道條件hsd和hsr進(jìn)行信道估計(jì)，對(duì)SINR進(jìn)行記錄；

階段二：監(jiān)聽節(jié)點(diǎn)向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，目的節(jié)點(diǎn)通過接收到的監(jiān)聽節(jié)點(diǎn)的信息，對(duì)信道條件hrd進(jìn)行信道估計(jì)，對(duì)SINR進(jìn)行記錄；

3）對(duì)中繼節(jié)點(diǎn)的中繼優(yōu)先度進(jìn)行排序

在正式傳輸數(shù)據(jù)之前，需要對(duì)信道條件進(jìn)行評(píng)估，根據(jù)評(píng)估結(jié)果，看是否需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編碼。在傳輸數(shù)據(jù)之前，源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)要發(fā)送測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)信道進(jìn)行估計(jì)，監(jiān)聽節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)需要對(duì)源節(jié)點(diǎn)到監(jiān)聽節(jié)點(diǎn)、監(jiān)聽節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)間的信道進(jìn)行估計(jì)，記錄下每條信道下的

SINR。判斷是否滿足條件：

對(duì)滿足條件的監(jiān)聽節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分級(jí)，分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為：

CAAF值越大的，其優(yōu)先級(jí)越高，最后選取CAAF最大的監(jiān)聽節(jié)點(diǎn)作為中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編碼，可以提升最多的增益。

上述算法的三步流程如圖3所示。

圖3　無線通信網(wǎng)絡(luò)編碼（兩跳中繼）算法流程圖

4　性能仿真

本文在利用MATLAB搭建的4G LTE系統(tǒng)中進(jìn)行了仿真，分別對(duì)終端通過基站進(jìn)行通信、終端直接進(jìn)行通信和終端進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編碼通信進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果如圖4所示，橫坐標(biāo)代表無線通信的兩個(gè)終端之間的距離，縱坐標(biāo)代表頻譜利用效率，其中黑色曲線是終端通過基站進(jìn)行通信，紅色曲線是終端直接進(jìn)行通信，藍(lán)色曲線是終端通過一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編碼，然后和直通信號(hào)進(jìn)行最大比合并。

仿真結(jié)果表明隨著距離的增大，在終端直接通信場(chǎng)景下使用網(wǎng)絡(luò)編碼，可以提升用戶的頻譜利用率。在一定的距離范圍內(nèi)，終端通過基站進(jìn)行通信對(duì)通信質(zhì)量影響不大，紅色曲線和藍(lán)色曲線存在一個(gè)交點(diǎn)，說明存在一個(gè)距離閾值，即為是否采用網(wǎng)絡(luò)編碼的標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)然我們也可以看到，隨著距離的繼續(xù)增大，終端直接通信的性能就大幅下降，這時(shí)候我們就不再適宜選取終端直接進(jìn)行通信了，這時(shí)候終端通過基站進(jìn)行通信顯然是更為明智的選擇。

5　結(jié)論

本文針對(duì)在使用中繼進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)編碼的場(chǎng)景，提出了一種如何選擇中繼進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編碼轉(zhuǎn)發(fā)的算法。通過中繼進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，提高了傳輸?shù)耐掏铝亢涂煽啃裕瑥亩軌虼蠓岣邿o線直通通信的傳輸距離。

在實(shí)際的通信系統(tǒng)中，我們需要終端來充當(dāng)中繼的角色，這就對(duì)終端處理數(shù)據(jù)的能力提出了更大的要求。終端的復(fù)雜度和功耗都會(huì)增加。隨著技術(shù)的發(fā)展，我們相信再不久的未來，MIMO和中繼網(wǎng)絡(luò)編碼等技術(shù)一定可以集成到終端中，從而大幅提高通信性能。

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Research on Time Relayingselecting Algorithm for Network Decoding

Gao Xiang，Wang Liming
（Electrical Engineering College，Naval University of Engineering，Wuhan430033，China）

Time relaying technology to effectively improve transmission performance is widely used in the area of wireless communication.Gain ofsignal transmission can be obtained by using time relaying technology in thesystem of wireless communication,and the transmissionspeed can be further improved based on guaranteeing of low probability of wrong decodes.Based on analyzing the time relaying and network decoding technologies of the wireless communicationsystem of,an algorithm regard to time relayingselecting and network decoding is proposed.The performance of wireless communication using time relaying are analyzed and emulated.Simulation results indicate that the proposed method is right and feasible.

wireless communicationsystem;time relaying;network decoding;transmissionspeed;algorithm

TM46

A

1003-4862（2015）10-0037-04

2015-07-22

高翔（1987-），男，碩士研究生。研究方向：智能檢測(cè)技術(shù)。