無線通信聯(lián)合網(wǎng)絡編碼技術綜述

標簽：無線通信  網(wǎng)絡編碼

網(wǎng)絡編碼是指在網(wǎng)絡中繼節(jié)點處對網(wǎng)絡信息流進行存儲轉(zhuǎn)發(fā)的基礎上實行編碼操作，從而提高網(wǎng)絡吞吐量，節(jié)省網(wǎng)絡帶寬等。

在無線通信網(wǎng)中，網(wǎng)絡編碼作為關鍵技術之一，可以在一定程度上節(jié)省網(wǎng)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(shù)據(jù)，增加信道的傳輸容量。

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

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

很多國內(nèi)外學者以及科研機構都致力于對網(wǎng)絡編碼的研究，從最初的網(wǎng)絡信息流到分別與協(xié)作分集技術、MIMO技術相結(jié)合的現(xiàn)在。

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

1、聯(lián)合網(wǎng)絡編碼

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

1.1網(wǎng)絡編碼與信道編譯碼的聯(lián)合

網(wǎng)絡編碼同信道的編譯碼技術相結(jié)合的核心思想就是利用網(wǎng)絡編碼的冗余信息協(xié)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?shù)娜哂喽葋慝@得分集增。基于Turbo碼和LDPC碼的聯(lián)合編碼已經(jīng)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(tǒng)的網(wǎng)絡編碼方案進行了比較，充分顯示了聯(lián)合編碼在能量消耗、信道容量、誤碼率等方面的優(yōu)勢，有效降低了編碼復雜度以及由信道噪聲帶來的失真。

1.2網(wǎng)絡編碼與協(xié)作分集技術的聯(lián)合

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

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

協(xié)作網(wǎng)絡編碼是當前無線移動通信系統(tǒng)的研究熱點之一，特別是基于物理層網(wǎng)絡編碼的無線協(xié)作通信系統(tǒng)，對于雙信源、雙信宿無線通信系統(tǒng)，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(fā)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(xiàn)傳輸范圍的擴大。在傳統(tǒng)協(xié)作中繼系統(tǒng)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(wǎng)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(wǎng)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(jīng)接收到St(S)廣播的信息，因此，在第2個時隙結(jié)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(wǎng)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(wǎng)絡編碼的協(xié)作中繼系統(tǒng)可以降低傳輸時間損耗，使數(shù)據(jù)在衰落信道中更好地傳輸。

1.3網(wǎng)絡編碼與MIMO技術的聯(lián)合

MIMO技術利用在發(fā)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(tǒng)容量、頻譜利用率和數(shù)據(jù)傳輸速率;通常情況下，多徑要引起衰落，致使數(shù)據(jù)包丟失。對于MIMO系統(tǒng)，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(jīng)過空時編碼形成M個信息子流，filM個天線發(fā)射出去，經(jīng)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(shù)據(jù)。

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(tǒng)網(wǎng)絡編碼中并沒有利用到的冗余信息，將網(wǎng)絡編碼和MIMO技術相結(jié)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(fā)出的信息，經(jīng)過信道編碼輸出信息單元，這些由每個節(jié)點生成的信息單元被存入緩存器中，然后對其進行網(wǎng)絡編碼，產(chǎn)生編碼包，并用Gabis~號表示，最后經(jīng)過轉(zhuǎn)換調(diào)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(shù)據(jù)包進行信道估計，并從其頭部提取出網(wǎng)絡編碼系數(shù)，如果頭部損壞就丟棄;反之，則把所有數(shù)據(jù)包存在緩存器中，并更新網(wǎng)絡估計矩陣。

為了在接收端正確獲得信源的發(fā)送信息，節(jié)點存儲器中至少要有等量的獨立的原始數(shù)據(jù)包，這樣才能解出編碼方程D：GX，若少于要求數(shù)，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(jié)點開始檢測接收到的數(shù)據(jù)包數(shù)目，同時確定中繼節(jié)點數(shù)，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(fā)送端采取用兩個網(wǎng)絡編碼器的方法，這樣就有兩個網(wǎng)絡編碼矩陣G1和G2，頭部存儲編碼系數(shù)，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(jīng)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(shù)，{bn.b椰}指的是Galois~號所對應的調(diào)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(tǒng)的網(wǎng)絡編碼中，每個數(shù)據(jù)包的解調(diào)過程和提取NC系數(shù)過程都是分開進行的，其在譯碼階段僅用來成功地接收數(shù)據(jù)包，因此限制了從不同節(jié)點接收相同信息的優(yōu)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。

2、進一步的研究方向

現(xiàn)在網(wǎng)絡編碼的研究已經(jīng)走向多元化，實用化。在LTE—A中通過采用MIMO分集技術，來抑制多徑衰落;改善信道特性，提高系統(tǒng)性能。

新一代無線通信網(wǎng)的網(wǎng)絡架構是復雜的、多變的，其不僅體現(xiàn)在網(wǎng)絡層次、基本構架方面，也體現(xiàn)在復雜的無線場景、傳播環(huán)境和混合的無線小區(qū)結(jié)構上等。如何能在這樣的環(huán)境下進一步滿足提高系統(tǒng)的吞吐量、信道容量，降低誤碼率等要求，是目前的研究熱點。因此在以后的研究過程中我們可以考慮以下幾方面：

(1)網(wǎng)絡編碼是一種協(xié)作通信的模式口，與其他技術相結(jié)合可以優(yōu)化網(wǎng)絡性能，在各種無線傳播環(huán)境下，充分結(jié)合多輸人多輸出天線技術，研究對網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)流傳輸?shù)挠绊?。研究基于協(xié)作分集技術的物理層網(wǎng)絡編碼和信道編碼的聯(lián)合設計方案，以及基于網(wǎng)絡編碼的數(shù)據(jù)傳輸，研究低復雜度、低時延的網(wǎng)絡編碼算法。

(2)在實際無線通信網(wǎng)絡中，信道往往是頻率選擇性衰落的，這種環(huán)境下MIMO網(wǎng)絡編碼的性能分析也是很值得研究的。除了理論研究MIMO網(wǎng)絡編碼技術外，還需要考慮實際的場景，以解決應用過程中遇到的各種問題，如編譯碼復雜度、延時問題對系統(tǒng)性能的影響問題，系統(tǒng)效率、編碼效率和魯棒性的提高問題等。

3、結(jié)語

網(wǎng)絡編碼技術在無線網(wǎng)絡中起到了重要的作用，同時具有很廣闊的應用前景。由于無線通信網(wǎng)中信道的固有特性，在物理層進行網(wǎng)絡編碼并結(jié)合一些相關的檢測技術、糾錯編碼技術、MIMO技術，與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡編碼方式相比，能獲得更好的系統(tǒng)性能。本文主要介紹了網(wǎng)絡編碼分別與協(xié)作分集技術和MIMO技術相聯(lián)合的方案及研究進展，并提出了有待進一步研究的方向。