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，給出了一種進行中繼選擇和網(wǎng)絡(luò)編碼的算法，同時對無線系統(tǒng)使用中繼的性能進行了理論分析和仿真驗證。仿真結(jié)果驗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)者們對中繼技術(shù)進行了大量的研究［5-11］。

在一個多中繼網(wǎng)絡(luò)中，中繼節(jié)點幫助一個源節(jié)點向目的節(jié)點傳輸信息，可以提高能效和帶寬利用率，同時簡化網(wǎng)絡(luò)部署。學(xué)者們已經(jīng)提出了許多單中繼節(jié)點傳輸?shù)姆桨?，這些方案都是中繼節(jié)點在第一個時隙接收到源節(jié)點的信息，然后在下一個節(jié)點將信息轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點。在一個中繼系統(tǒng)中，信道狀態(tài)信息（Channelstate Information，CSI）對于提升網(wǎng)絡(luò)性能具有重大的影響。而無線通信系統(tǒng)中的每個通信節(jié)點為了獲得相應(yīng)的信道狀態(tài)信息，需要發(fā)送訓(xùn)練序列來進行信道估計和預(yù)測。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。中繼選擇策略對于一個多中繼網(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)點可以將接收信息進行編碼并發(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)編碼的研究熱點集中在網(wǎng)絡(luò)編碼節(jié)點選取方案、網(wǎng)絡(luò)編碼算法的設(shè)計、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)計目標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。網(wǎng)絡(luò)編碼（Network coding）從廣義上來講，是網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點將接收到的信息進行編碼后再轉(zhuǎn)發(fā)出去的多點傳送（Multicast）技術(shù)。多點傳送（也稱組播）是網(wǎng)絡(luò)中的一種重要的通信方式。當(dāng)一個或幾個節(jié)點同時向若干個其他節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時，往往要借助其他節(jié)點的傳遞。

在傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)中，作為中繼的節(jié)點只能對接收到的信號進行復(fù)制、放大和轉(zhuǎn)發(fā)，這對于網(wǎng)絡(luò)資源有時候是一種浪費。網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)打破了這種限制，它允許中繼節(jié)點對接收到的信息進行編碼，并將接收到的多個數(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為選取中繼點進行網(wǎng)絡(luò)編碼。在無線通信場景中，源節(jié)點S向目的節(jié)點D發(fā)送信號，我們可以選取基站、移動用戶或者其他設(shè)備如圖1中R來作為中繼進行網(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)點進行網(wǎng)絡(luò)編碼

2　中繼傳輸理論分析

圖2為網(wǎng)絡(luò)編碼時隙圖。在時隙1，源節(jié)點S向目的節(jié)點D和中繼節(jié)點R廣播自己的信息，在時隙2，中繼節(jié)點對接收到的信號進行放到轉(zhuǎn)發(fā)至目的節(jié)點D，這樣目的節(jié)點就收到了來自于源節(jié)點S和中繼節(jié)點R的信號，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）時隙

時隙1：

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

時隙2：

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

對于三節(jié)點協(xié)作通信模型AAF方式，其信道容量為：

其中，Γsd和Γ′分別代表從源節(jié)點直接到目的節(jié)點和從中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點的信號的信干噪比，其計算推導(dǎo)過程如下。

源節(jié)點到目的節(jié)點的直傳鏈路的信干噪比為：

?！錇樾盘柾ㄟ^中繼節(jié)點進行轉(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步驟。

1）節(jié)點分為三類

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

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

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

2）節(jié)點探知自己和目的節(jié)點之間的信道條件

階段一：源節(jié)點向目的節(jié)點和監(jiān)聽節(jié)點發(fā)送信息，目的節(jié)點和監(jiān)聽節(jié)點通過接收到的源節(jié)點信息，對信道條件hsd和hsr進行信道估計，對SINR進行記錄；

階段二：監(jiān)聽節(jié)點向目的節(jié)點發(fā)送信息，目的節(jié)點通過接收到的監(jiān)聽節(jié)點的信息，對信道條件hrd進行信道估計，對SINR進行記錄；

3）對中繼節(jié)點的中繼優(yōu)先度進行排序

在正式傳輸數(shù)據(jù)之前，需要對信道條件進行評估，根據(jù)評估結(jié)果，看是否需要進行網(wǎng)絡(luò)編碼。在傳輸數(shù)據(jù)之前，源節(jié)點和目的節(jié)點要發(fā)送測試數(shù)據(jù)，對信道進行估計，監(jiān)聽節(jié)點和目的節(jié)點需要對源節(jié)點到監(jiān)聽節(jié)點、監(jiān)聽節(jié)點到目的節(jié)點間的信道進行估計，記錄下每條信道下的

SINR。判斷是否滿足條件：

對滿足條件的監(jiān)聽節(jié)點進行分級，分級標準為：

CAAF值越大的，其優(yōu)先級越高，最后選取CAAF最大的監(jiān)聽節(jié)點作為中繼節(jié)點進行網(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)中進行了仿真，分別對終端通過基站進行通信、終端直接進行通信和終端進行網(wǎng)絡(luò)編碼通信進行了仿真。仿真結(jié)果如圖4所示，橫坐標代表無線通信的兩個終端之間的距離，縱坐標代表頻譜利用效率，其中黑色曲線是終端通過基站進行通信，紅色曲線是終端直接進行通信，藍色曲線是終端通過一個中繼節(jié)點進行網(wǎng)絡(luò)編碼，然后和直通信號進行最大比合并。

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)，終端通過基站進行通信對通信質(zhì)量影響不大，紅色曲線和藍色曲線存在一個交點，說明存在一個距離閾值，即為是否采用網(wǎng)絡(luò)編碼的標準。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，這時候我們就不再適宜選取終端直接進行通信了，這時候終端通過基站進行通信顯然是更為明智的選擇。

5　結(jié)論

本文針對在使用中繼進行無線網(wǎng)絡(luò)編碼的場景，提出了一種如何選擇中繼進行網(wǎng)絡(luò)編碼轉(zhuǎn)發(fā)的算法。通過中繼進行轉(zhuǎn)發(fā)，提高了傳輸?shù)耐掏铝亢涂煽啃?，從而能夠大幅提高無線直通通信的傳輸距離。

在實際的通信系統(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：智能檢測技術(shù)。