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物理层网络编码的研究


网络编码的应用研究
(凡新雷 2011 通信与信息系统 学号:112201149) 摘 要:介绍网络编码在无线中继网络中应用的研究进展,指出其2个典型应用场景是双向对 传网络和组播重传网络。阐述研究中需要解决的关键问题:(1)设计具体的实现协议;(2)在 实际网络条件下,采用网络编码后的网络容量及可达该容量的传输策略;(3)针对物理层网 络编码,从混合信号中分离出需要的

信号。 关键词:网络编码;无线中继网络;吞吐量

Applications Research of Network Coding
Abstract:This paper introduces an overview of the applications of network coding in wireless relaying networks. Two typical scenarios of wireless network coding are two-way relay networks and multicast retransmission networks. Some key problems of network coding in wireless relaying networks are as follows: (1)Design implementations of wireless network coding; (2)Analyze the capacity of network coding and the corresponding transmission schemes in actual network environments; (3)Investigate how to separate the required signal from the mixed signal for physical layer network coding. Future work on network coding is also summarized. Key words:network coding; wireless relay networks; throughput

1 概述
网络编码[1]的核心思想是突破传统网络中只允许中继节点转发数据的限制,允许中继 节点对接收到的数据包进行组合、 编码等智能化处理。 这种处理通常以编码的方式在网络层 实现,因此,被称为网络编码。网络编码的优势是能有效提高网络的吞吐量,使有线组播网 络的吞吐量达到其理论上界——网络的最大流最小割容量。 目前,网络编码已成为网络领域、信息论领域以及编码领域最受关注的研究课题之一,其应 用范围也从有线网络向无线网络, 尤其是无线中继网络扩展。 无线信道具有广播特性, 因此, 在无线网络中的信息传输存在大量的数据冗余。 使用网络编码技术能减少冗余数据并进行数 据压缩, 从而提高网络的总吞吐量, 达到提高频率资源利用效率和提高能量利用效率的目的。 此外,在无线网络中,网络编码的思想还可以应用在物理层,这种技术被称为物理层网络编 码技术。 利用物理层网络编码技术可以在一定条件下解决节点间相互干扰的问题, 进一步提 高网络吞吐量,以及无线频谱资源的利用效率。 目前国内已有大量关于网络编码的研究,如文献[2-3]等。本文以网络编码的应用为重点,综 述无线网络编码技术的最新研究进展以及在研究中需要解决的关键问题。

2 网络编码的基本概念
首先[1]以“蝶形图”为例,解释了网络编码的基本原理。如图1 所示,S是源节点,R1 和R2是2个目的节点。各链路的信道容量均为1。根据最大流最小割定理,S到R1或R2的最 大流为2。如果采用转发技术,传输过程如图1(a)所示。其中,2条传输路径在链路(3, 4)交迭, 节点3无法在单位时间内传送2bit数据a和b, 使用转发技术无法达到网络的理论容量。 如果采 用网络编码技术,允许中继节点对信息进行编码处理,传输过程如图1(b)所示。节点3对数 据a和b进行编码处理,得到a+b,并在一个单位时间内将a+b发送出去。于是,R1接收到a和 a+b后,通过解码得到b。类似的,R2可以得到比特a和b。于是,S在单位时间内向2个目的 节点发送了2bit信息,信息传输速率达到网络流量的理论上限。该例说明了网络编码技术能 充分利用信息流的特性, 有效提高有线网络的吞吐量。 下文将重点介绍网络编码在无线中继

网络中的应用。

图1 蝶形图

3 网络层网络编码
为区别物理层网络编码, 在网络层进行操作的网络编码技术称为网络层网络编码。 网络 层网络编码技术的一个典型应用是无线双向中继网络。图2显示了一个三节点的无线双向中 继网络。节点S1和S2需要互相发送数据,节点X为中继节点。如果采用传统的转发技术,整 个过程需要4个时隙,如图2(a)所示。如果采用网络编码技术,整个过程需要3个时隙,如图 2(b)所示,其关键在于,在时隙3,节点X利用网络编码技术,对数据a和b进行编码操作得到 数据a+b,然后将编码后的数据广播给S1和S2。

图2 无线中继网络中的2种传输模式 比较图2(a)和图2(b)可知,采用网络编码技术后传输次数减少1次,网络的平均吞吐量增加了 33%。其原因在于,网络层网络编码技术充分利用了无线信道的广播特性和节点的数据处理 能力。 针对网络层网络编码技术,目前的一个研究重点是考虑在实际网络条件下(如各条链路 的信道容量不相等、存在信道衰落等),采用网络编码技术后的网络容量,以及可以达到网 络容量的传输策略。 在加性高斯白噪声信道下, 图2所示的双向中继网络的容量域和总数据速率, 得到了以下2 个 结论: (1)当C1> C2,R1 << R2或C1<C2, R1 >>R2时,采用网络层网络编码技术的网络吞吐量小于采 用转发技术的网络吞吐量。其中, Ci 代表链路(X, Si)的信道容量, Ri 代表节点Si发送的数 据流量,i=1, 2。 (2)当R1 = R2时,即流量平衡时,网络编码策略相对于转发策略的吞吐量增益最大。上述结 论证明了网络编码的性能并不是始终优于转发策略, 并给出了网络编码的最佳应用条件和不 适用于网络编码的场景。这就为网络编码的实际应用指明了方向。

此外,在实际网络条件下,信道衰落会严重影响网络编码的性能。如何对抗信道衰落、 提高网络编码的性能也是一个重要的问题。 为解决该问题, 可以通过分析如何根据信道状态 调整编码节点的发送功率和发送速率,以补偿信道衰落、提高网络吞吐量[5]。分别针对发送 端可知信道增益以及不可知信道增益的情况,提出了恒定功率传输策略和信道反转传输策 略,并分析计算了节点的最优传输功率以及最优传输数据速率。实验结果证明,这2种传输 策略能有效对抗信道衰落,增大网络吞吐量,提高网络编码的性能。 除了三节点的双向中继网络外,网络编码的另一个典型应用是组播重传的场景。以图3 所示的网络为例,我们研究基于网络编码的组播重传问题。如图3所示,源节点S直接向2个 目的节点D1和D2发送相同的数据。另外,存在一个中继节点R。由于信道衰落等因素的影 响,数据传输中可能会出现误码,源节点需要重传数据。

图3网络编码在组播重传中的应用示例 在该网络中,有3种可行的重传协议:(1)协议A:中继节点不参与重传。(2)协议B:中 继节点以转发的方式参与重传。(3)协议C:中继节点以网络编码的方式参与重传。例如,如 果D1没有成功接收数据1,D2没有成功接收数据2,R成功接收了数据1和2。在这种情况下, R利用网络编码将数据1和数据2编码成一个数据包,再将编码后的数据包广播给D1和D2。 D1和D2收到编码后的数据包后,通过解码得到需要的数据。 对比这3种协议,协议B和协议C的效率更高。因为中继节点R距离其他3个节点较近,由 中继节点R进行重传,成功率比由S直接重传高。此外,相对于协议B,协议C采用了网络编 码技术,可以进一步减少发送次数,提高传输效率[6]。从理论和仿真2个方面可以证明,相 对于协议B和A,采用协议C有明显吞吐量增益,采用网络编码技术可以有效提高网络吞吐 量。

4 物理层网络编码
网络编码的思想也可以应用在物理层, 即把2个混合的模拟信号看作是经过网络编码后 的信号,这种技术称为物理层网络编码。例如,在图2所示的无线中继网络中,如果S1和S2 同时给中继节点X 发送信号a和b,那么X接收到的是一个混合的信号。通常情况下,这2个 信号互为干扰,X无法正确解码。但如果采用物理层网络编码技术,则可将混合的信号看作 是网络编码后的信号a+b。 X可以把混合信号放大并广播出去。 对于S1, 它已知信号a的波形, 因此,可以从混合信号a+b中将b恢复。同样,S2可以从混合信号中恢复信号a。在三节点的 双向中继网络中,物理层网络编码的传输过程如图4所示。

图4 物理层网络编码过程 比较图2和图4可知,采用物理层网络编码只需要2次传输,相对于网络层网络编码,传输次

数进一步减少,从而提高了网络的吞吐量。其原因在于,物理层网络编码技术在一定程度上 解决了信号冲突的问题,更有效地利用了无线频谱资源。 对于物理层网络编码技术,目前的研究重点是如何将需要的信号从混合信号中分离出 来。针对这个问题,主要有2种研究思路: (1) 当中继节点收到混合信号后,中继节点对混合信号进行信道解码、判决等操作,得到编 码后的数据包(实际上就是两个源数据包的算术和),然后再对编码后的数据包进行信道 编码,将其广播出去。对于这种方法,问题的关键在于中继节点如何对混合信号进行信 道解码。因为在混合信号中2个源信号的相位、幅度可能不同,这会对解码造成干扰, 导致误码率升高。为解决该问题,需要对源节点和中继节点的信道编码、解码方式进行 特殊设计。我们对这个问题进行分析研究,并以重复积累编码为基础设计了信道编码、 解码方案。分析结果和仿真结果证明了这种方案在低信噪比和高信噪比的情况下都能够 保持很低的误码率。 (2) 当中继节点X收到混合信号a+b后, 中继节点不进行信道解码。 中继节点将混合信号放大, 然后广播出去。对于S1,它已知信号a的波形,因此,可以从混合信号a+b中将b恢复。 同样,S2可以从混合信号中恢复信号a。对于这种方法,问题的关键是如何准确估计混 合信号中信号a 和b 的相位差和信号幅度。否则就不能将信号a和b从混合信号a+b中准 确分离出来,导致严重误码现象。 节点A需要向节点E发送信息,其传输过程如图5所示。在时隙3,B收到了混合信号a+b, 同时节点B已知a 的波形。为了正确恢复信号b,关键在于如何估计a和b的相位差以及信号 幅度。针对该问题,可以采取如下方案[8]:每个信号,例如a,都是正交序列集合中的一个 序列。 这样只有当2个相位相同的a相乘时, 得到一个信号幅度为 | a |2 的信号; 如果相位不同, 或a与其他信号相乘,得到的信号幅度为0。根据该性质,当B收到混和信号a+b后,B可以不 断调整信号a的相位并与a+b相乘,直到相乘得到的信号幅度非0。此时的相位差就是混合信 号中a和b的相位差。利用这种方法,B可以估计混合信号中a和b的相位差,以及a 的信号幅 度,从而可以准确恢复信号b。这种方法具有良好的性能,系统的误码率几乎与采用转发模 式时的误码率相等。

图5 物理层网络编码在链式网络中的应用示例

5 结束语
本文综述了网络编码在无线中继网络中的应用, 以及在研究中需要解决的主要问题。 目 前,关于网络编码的研究多是基于一些简单的理想模型,得出的结论尚存局限性。因此,未 来网络编码的研究重点是: 针对在实际复杂的网络环境和多业务模式中所面临的问题, 研究 具有普适性的网络编码解决方案和应用策略。 参考文献 [1] Ahlswede R, Cai Ning, Li S Y R, et al. Network InformationFlow[J]. IEEE Trans. on Information Theory, 2000, 46(4): 1204-1216. [2] 钦 健, 杨白薇, 李 鸥. 基于WSN 的随机网络编码跨层研究[J]. 计算机工程, 2010,

36(3): 112-114. [3] 杨宏章, 杨铭熙. 基于网络编码的定向扩散路由协议[J]. 计算机工程, 2010, 36(2): 105-107. [4] Liu Chun-Hung, Xue Feng. Network Coding for Two-way Relaying:Rate Region, Sum Rate and Opportunistic Scheduling[C]//Proc. ofIEEE International Conference on Communications. Beijing,China: IEEE Press, 2008: 1044-1049. [5] Li Wei, Li Jie, Fan Pingyi. Network Coding for Two-way Relaying Networks over Rayleigh Fading Channels[J]. IEEE Trans. On Vehicular Technology, 2010, 59(9): 4476-4488. [6] Fan Pingyi, Chen Zhi, Chen Wei, et al. Reliable Relay AssistedWireless Multicast Using Network Coding[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2009, 27(5): 749-762. [7] Zhang Shengli, Liew S C. Channel Coding and Decoding in a Relay System Operated with Physical-layer Network Coding[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2009, 27(5):788-796. [8] Zhang Jingyao, Letaief B K, FFan Pingyi, et al. Network CodingBased Signal Recovery for Efficient Scheduling in Wireless Networks[J]. IEEE Trans. on Vehicular Technology, 2009, 58(3):1572-1582.


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