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

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，具有確定拓撲的有線網(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�；�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。