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無線通信與聯合網絡編碼技術
2014/8/11

     網絡編碼是指在網絡中繼節點處對網絡信息流進行存儲轉發的基礎上實行編碼操作,從而提高網絡吞吐量,節省網絡帶寬等。

    在無線通信網中,網絡編碼作為關鍵技術之一,可以在一定程度上節省網絡資源消耗,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據,增加信道的傳輸容量。

    同時無線網絡自身一些不同于有線網絡的傳輸特性,也使網絡編碼帶來了新的效益,它可以改善網絡性能,結構和協議。

    目前,大多數方案都是基于隨機線性網絡編碼,如何在多徑衰落這種不利條件下,設計網絡編碼方案,使其在無線網絡中同樣有效是一個具有挑戰性的問題。

    很多國內外學者以及科研機構都致力于對網絡編碼的研究,從最初的網絡信息流到分別與協作分集技術、MIMO技術相結合的現在。

    本文通過從物理層角度對無線網絡中網絡編碼與其他應用技術相聯合進行分析,如將其與MIMO等相結合,充分利用冗余度,提高系統吞吐量,并根據未來網絡的復雜環境闡述了其進一步的研究方向。

聯合網絡編碼

     隨著研究的深入,網絡編碼的很多優點也逐漸體現出來,如能獲得很好的網絡吞吐量,均衡網絡負載、提升帶寬利用率等優勢。同時在無線網絡中應用網絡編碼也面臨著許多問題,如果將網絡編碼與其它應用技術相結合,則更能大大提升該應用系統的相關性能。

網絡編碼與信道編譯碼的聯合

     網絡編碼同信道的編譯碼技術相結合的核心思想就是利用網絡編碼的冗余信息協助信道編碼,從而獲得好的抗噪性能,達到最大的信道容量;

     通過利用中繼傳輸的冗余度來獲得分集增;赥urbo碼和LDPC碼的聯合編碼已經被廣泛研究,并在多址中繼信道、時分復用雙向中繼信道[和 BSC中與傳統的網絡編碼方案進行了比較,充分顯示了聯合編碼在能量消耗、信道容量、誤碼率等方面的優勢,有效降低了編碼復雜度以及由信道噪聲帶來的失 真。

網絡編碼與協作分集技術的聯合

      協作分集技術,即在多用戶環境下,每個天線用戶在發送自身信息時也為其協作伙伴發送信息,通過節點間的協作,形成虛擬天線系統,以獲得較大的分集增益,克服無線信道衰落。

      另外,在協作分集的基礎上進行網絡編碼可以同時獲得分集增益和網絡編碼增益。在協作傳輸過程中,通過在信源節點和終端節點放置中繼可進一步提高數據傳輸速率,改善無線通信系統抗衰落性能,提高資源效率和系統容量。

協作網絡編碼是當前無線移動通信系統的研究熱點之一,特別是基于物理層網絡編碼的無線協作通信系統,對于雙信源、雙信宿無線通信系統,假設信源SI和S都要將各自的信息廣播到兩個信宿dl和。

       由于發射功率的限制,d,將超出S()的傳輸范圍,S和S,將通過共享的中繼來實現傳輸范圍的擴大。在傳統協作中繼系統中由于要保證信號在正交信道上能夠傳輸,完成這一過程需要4個時隙,而采用無線網絡編碼后僅需要2個時隙。分別為:

(1)將信號廣播至和;同時將其信號廣播至R和;

(2)R對二者疊加信號進行物理層網絡編碼,并將編碼后的信號廣播至dl和d。由于d,在第1個時隙已經接收到St(S)廣播的信息,因此,在第2個時隙結束時,d,可以從編碼后的信號中提取到的信息。此方案充分利用了網絡資源和分集技術,可獲得相對較低的錯誤概率、中斷概率,以及較高的編碼增益。

     因此,采用物理層網絡編碼的協作中繼系統可以降低傳輸時間損耗,使數據在衰落信道中更好地傳輸。

網絡編碼與MIMO技術的聯合

      MIMO技術利用在發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,以及提高系統容量、頻譜利用率和數據傳輸速率;通常情況下,多徑要引起衰落,致使數據包丟失。對于MIMO系統,多輸入多輸出技術通過利用空間分集來解決這一問題。

     因為多人多出是針對多徑無線信道來說的,傳輸信息流經過空時編碼形成M個信息子流,filM個天線發射出去,經空間信道后由N個接收天線接收。在接收端通過檢測譯碼,將接收到的符號矢量利用空時編碼處理,并解碼這些數據。

     這兩種技術的最終目的都是從接收到的符號矢量中恢復出原始信息,為了能夠充分利用MIMO技術的分集特性和在傳統網絡編碼中并沒有利用到的冗余信息,將網絡編碼和MIMO技術相結合(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:由信源發出的信息,經過信 道編碼輸出信息單元,這些由每個節點生成的信息單元被存入緩存器中,然后對其進行網絡編碼,產生編碼包,并用Gabis~號表示,最后經過轉換調制將相應 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據包進行信道估計,并從其頭部提取出網絡編碼系數,如果頭部損壞就丟棄;反之,則把所有數據包存在緩存器中,并更新網絡估計矩陣。

     為了在接收端正確獲得信源的發送信息,節點存儲器中至少要有等量的獨立的原始數據包,這樣才能解出編碼方程D:GX,若少于要求數,則終端正確恢復 原始信息的概率會很低。所以當能夠進行譯碼時,節點開始檢測接收到的數據包數目,同時確定中繼節點數,最后通過軟譯碼:案恢復出原始信息。

     同樣為了獲得高分集增益,在編碼階段可以在發送端采取用兩個網絡編碼器的方法,這樣就有兩個網絡編碼矩陣G1和G2,頭部存儲編碼系數,并且編碼相同的信息。

     此時的編碼增益會明顯提高,但是以傳輸速率的降低為代價,而在譯碼過程中采用自適MIMO-NC技術,就是為了改善傳輸速率,降低錯誤概率,但同時 復雜度有所增加。具體的編譯碼流程如圖所示:x…指的是經信道編碼后的信息單元,為每個編碼包的頭部包含的編碼系數,{bn.b椰}指的是Galois~ 號所對應的調制后的矢量s。…Y指的是在不同時間接收端收到的來自不同信源的編碼包。

    在傳統的網絡編碼中,每個數據包的解調過程和提取NC系數過程都是分開進行的,其在譯碼階段僅用來成功地接收數據包,因此限制了從不同節點接收相同信息的優勢。MIMO_NC會利用已破損的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。出自:漢信www.twpasak.com

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