無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中利用中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行協(xié)作通信可為移動(dòng)用戶提供額外的空域分集增益，在對(duì)抗多徑衰落，容量增益以及覆蓋面擴(kuò)展等方面帶來(lái)優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)，網(wǎng)絡(luò)編碼機(jī)制[1,2]被用于中繼協(xié)作通信，中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)從多條路徑接收到的信息進(jìn)行編碼轉(zhuǎn)發(fā)，接收節(jié)點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)解碼以獲得原始信息，以此顯著提高了無(wú)線中繼網(wǎng)絡(luò)的吞吐量、魯棒性和安全性等[3,4]。
    但是，由于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化以及鏈路的時(shí)變性，使得無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中難以提供可靠的恒定速率的信息傳輸服務(wù)。對(duì)此，有人提出了速率適配的網(wǎng)絡(luò)編碼方案[6]，通過(guò)降低節(jié)點(diǎn)瞬時(shí)發(fā)送速率來(lái)增加數(shù)據(jù)包被串聽(tīng)(overheard)的范圍，以此增加網(wǎng)絡(luò)編碼機(jī)會(huì)并進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。先前網(wǎng)絡(luò)編碼[3,5,7]在TWRC（雙向無(wú)線中繼信道）中的設(shè)計(jì)需要在中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)接收到的來(lái)自兩個(gè)端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行正確的信道譯碼，但是由于信道衰落的時(shí)變性，不可能總是假設(shè)接收到的數(shù)據(jù)包被正確譯碼，而且信道譯碼處理會(huì)消耗過(guò)多的功率。
    針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出一種速率自適應(yīng)的軟網(wǎng)絡(luò)編碼傳輸方案，該方案的關(guān)鍵特征包括兩個(gè)方面：相比于傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)編碼方案，中繼節(jié)點(diǎn)不需要信道譯碼和重新編碼，大大減少了中繼節(jié)點(diǎn)的計(jì)算復(fù)雜度和功率消耗；根據(jù)節(jié)點(diǎn)之間的信道信噪比估值，源節(jié)點(diǎn)自適應(yīng)調(diào)整物理層發(fā)送速率響應(yīng)信道變化，進(jìn)一步提升系統(tǒng)吞吐性能。
1 軟網(wǎng)絡(luò)編碼的基本思想
    傳統(tǒng)的直接網(wǎng)絡(luò)編碼SNC(Straightforward Network Coding)在TWRC的設(shè)計(jì)如圖1所示,來(lái)自兩個(gè)端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包在中繼節(jié)點(diǎn)被正確譯碼之后才進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編碼合并,這就限制了其吞吐量;由于信道衰落的時(shí)變性,不能確保接收到的數(shù)據(jù)包總是被正確譯碼;信道譯碼處理(尤其是Turbo、LDPC這樣高級(jí)的編碼方式)會(huì)消耗過(guò)多功率,增加計(jì)算復(fù)雜度。

    軟網(wǎng)絡(luò)編碼方案中,中繼節(jié)點(diǎn)不需要進(jìn)行信道譯碼和重新編碼操作,如圖2所示。信道編解碼是在端對(duì)端的基礎(chǔ)上,也就是說(shuō)只在端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信道編碼和相應(yīng)解碼。

    由于Turbo碼、LDPC等信道編碼的線性性質(zhì)，即相同長(zhǎng)度的兩個(gè)碼字可以進(jìn)行線性合并,而網(wǎng)絡(luò)編碼實(shí)際上也是線性映射,因此,對(duì)于碼字也能夠進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編碼合并。
    為分析簡(jiǎn)單起見(jiàn),假設(shè)兩個(gè)端節(jié)點(diǎn)使用同樣的編碼方式和BPSK調(diào)制,以及相同的數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度和碼字長(zhǎng)度。本文中,定義包括信道編碼和調(diào)制過(guò)程，信息數(shù)據(jù)包Ui和要發(fā)送的BPSK信號(hào)Xi之間的關(guān)系為:

    可見(jiàn),SNC需要兩個(gè)信道譯碼器和一個(gè)信道編碼器;軟網(wǎng)絡(luò)編碼機(jī)制中,中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)接收到的兩路信號(hào)的軟判決信息進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編碼,而不需要任何信道譯碼,節(jié)省了基帶信號(hào)處理的功耗,提高了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中繼節(jié)點(diǎn)的功率效率。
     上述對(duì)軟網(wǎng)絡(luò)編碼的討論是建立在假設(shè)兩個(gè)終端節(jié)點(diǎn)使用相同的信道編碼結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,但是可以看出,當(dāng)兩個(gè)終端節(jié)點(diǎn)采用不同的信道編碼結(jié)構(gòu)時(shí),軟網(wǎng)絡(luò)編碼設(shè)計(jì)依然適用。這就為下一步的自適應(yīng)編碼調(diào)制提供了必要的條件。
2 速率自適應(yīng)策略
    不同的編碼調(diào)制方式抗噪能力不同,所以,在滿足一定誤碼率的前提下,可根據(jù)實(shí)際信道擇優(yōu)選擇編碼調(diào)制方案:當(dāng)用戶處于有利通信地點(diǎn)時(shí)(如靠近基站或存在視距鏈路)，對(duì)用戶的傳輸數(shù)據(jù)可以采用較高階的調(diào)制方式和較高碼率的信道編碼方式(即高信息率傳輸模式),提高系統(tǒng)總吞吐量;而當(dāng)用戶處于不利的通信地點(diǎn)時(shí)(如位于小區(qū)邊緣或者信道處于深衰落),則選取較低階的調(diào)制方式和較低碼率的信道編碼方式(即低信息率傳輸模式),保證系統(tǒng)BER需求。
    首先將不同碼率的Turbo編碼和不同階數(shù)的調(diào)制方式形成N=6種不同數(shù)據(jù)率的組合Zi,具體為:信道停用,不傳數(shù)據(jù);1/2 Turbo碼+BPSK;1/2Turbo碼+QPSK;3/4Turbo碼+QPSK;1/2 Turbo碼+16QAM;1/2Turbo碼+32QAM;3/4
Turbo碼+16QAM。其對(duì)應(yīng)吞吐量bi分別為0,0.5,1,1.5,2,2.5和3(b·s-1·Hz-1)。將信道信噪比范圍劃分為分別對(duì)應(yīng)于N種編碼調(diào)制組合方式的N個(gè)子集Di,根據(jù)系統(tǒng)所要求的BER大小來(lái)確定信噪比的閾值集合,使得系統(tǒng)吞吐性能達(dá)到最大;發(fā)送端根據(jù)反饋回來(lái)的信噪比信息確定所處的閾值區(qū)間,選擇相應(yīng)的調(diào)制方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,并將編碼調(diào)制參數(shù)通過(guò)一定的方式通知接收端。
    在TWRC中,使用速率自適應(yīng)的傳輸策略可以根據(jù)信道狀態(tài)動(dòng)態(tài)調(diào)整發(fā)送速率,適應(yīng)信道變化,在保證通信質(zhì)量的前提下,得以最大限度地傳輸信息,提高小區(qū)的平均吞吐量。
    參考文獻(xiàn)[4]研究表明,即使很簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?聯(lián)合速率適配和網(wǎng)絡(luò)編碼的最優(yōu)策略是一個(gè)NP-hard問(wèn)題,作者提供了一個(gè)啟發(fā)式算法找到一個(gè)次優(yōu)的速率適配和編碼方案,而且證明了發(fā)送速率不能隨意降低,否則會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能的惡化。
3 方案設(shè)計(jì)描述
    TWRC中速率自適應(yīng)的軟網(wǎng)絡(luò)編碼傳輸方案如圖3所示,兩個(gè)端節(jié)點(diǎn)N1和N2在中繼節(jié)點(diǎn)N3的協(xié)作下相互交換信息。假設(shè)3個(gè)節(jié)點(diǎn)都工作在半雙工方式。由于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)自身的廣播特性,任一節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包能夠被其他兩個(gè)節(jié)點(diǎn)接收。時(shí)隙1,N1發(fā)送數(shù)據(jù)包給N2和N3;時(shí)隙2,N2發(fā)送數(shù)據(jù)包給N1和N3;時(shí)隙3,N3進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編碼操作,合并前兩時(shí)隙接收到的兩個(gè)數(shù)據(jù)包并且將處理過(guò)的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給兩個(gè)端節(jié)點(diǎn)。

    i、Ki、Mi(i=1,2)分別表示節(jié)點(diǎn)處的信道編碼調(diào)制映射函數(shù)、信息數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度和發(fā)送數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度。假設(shè)不同節(jié)點(diǎn)i和Ki都不同,Mi相同(當(dāng)兩個(gè)端節(jié)點(diǎn)的碼字長(zhǎng)度不同,就在較短碼包的末尾添0補(bǔ)齊)。端節(jié)點(diǎn)AMC模塊根據(jù)信道估計(jì)結(jié)果,采用AMC算法進(jìn)行編碼調(diào)制方式的選取,并將編碼調(diào)制參數(shù)通知給另一個(gè)端節(jié)點(diǎn)。
　　假設(shè)節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間是復(fù)高斯廣播信道,則有：
  
    最后,N3廣播x3,m給兩個(gè)端節(jié)點(diǎn)。
    通過(guò)上面的分析,可以看出N3的軟網(wǎng)絡(luò)編碼操作實(shí)際上是利用y13,m和y23,m估計(jì)出(x1,m×x2,m),轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)就是對(duì)接收的兩個(gè)碼字進(jìn)行XOR操作得到的比特的軟信息。
    以N2為例簡(jiǎn)述端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理。N2在第一個(gè)時(shí)隙通過(guò)N1和N2之間的直接鏈路接收到信號(hào)y12,m,在第三個(gè)時(shí)隙接收到的信號(hào)為:

    這樣,可以形成一個(gè)輸入為(x1,m×x2,m),輸出為x3,m的等效虛擬信道。則式(11)可以用圖4這樣一個(gè)高斯信道表示,其中hv是實(shí)的信道系數(shù),nv為加性高斯噪聲。

4.1 性能比較
    等效信道的吞吐量即為計(jì)算輸入信號(hào)(x1,m×x2,m)和輸出信號(hào)v3,m之間的互信息,即:

     基于MATLAB環(huán)境仿真比較SNC和軟網(wǎng)絡(luò)編碼兩種方案的信道容量和誤比特性能如圖5所示。仿真條件為:信道編碼為T(mén)urbo 編碼,2個(gè)分量編碼器結(jié)構(gòu)相同,采用由3個(gè)移位寄存器構(gòu)成的遞歸系統(tǒng)卷積碼,生成多項(xiàng)式為(15,17),碼率為1/2,5次譯碼迭代;調(diào)制方式為BPSK;SNC方案中譯碼輸入為兩路軟判決信息的合并信息。所有的鏈路都是噪聲方差相同的AWGN信道。

    從仿真曲線可以看出,與SNC方案相比,軟網(wǎng)絡(luò)編碼方案信道容量稍低,誤比特性能稍差,這是因?yàn)橹欣^節(jié)點(diǎn)的軟合并操作使得噪聲增強(qiáng)、錯(cuò)誤概率相應(yīng)增加,這可以通過(guò)虛擬信道看出。對(duì)應(yīng)于硬信息的XOR操作,對(duì)兩個(gè)軟比特的網(wǎng)絡(luò)編碼操作可以表示為:

    從上式可以看出,虛擬信道輸出的LLR值近似于兩個(gè)輸入LLR值中較小的一個(gè),也即對(duì)應(yīng)著較大的噪聲方差。但是由圖5可以看出,隨著SNR的增加,軟網(wǎng)絡(luò)編碼的性能損失將會(huì)減少。在中上水平的SNR范圍內(nèi),軟網(wǎng)絡(luò)編碼方案有著和SNC幾乎同樣的信道容量。另外,提高編碼速率會(huì)減小兩種方案誤比特性能之間的差距。
4.2 速率自適應(yīng)策略的誤比特性能
    按照6種編碼調(diào)制模式，對(duì)軟網(wǎng)絡(luò)編碼方案進(jìn)行仿真。
    圖6顯示了不同發(fā)送速率下系統(tǒng)的誤比特性能?？梢钥闯?相同信道條件下,不同發(fā)送速率的誤比特性能有所差異,即不同的信道信噪比情況對(duì)應(yīng)不同的最優(yōu)發(fā)送速率。則可以得出:(1)源節(jié)點(diǎn)與中繼節(jié)點(diǎn)之間距離越遠(yuǎn),平均信噪比越低,源節(jié)點(diǎn)采用低吞吐量的編碼調(diào)制參數(shù)有效利用信道容量并且可以獲得很好的誤比特性能;(2)兩者越接近,平均信噪比越高,為了充分利用信道容量必須采用多電平調(diào)制參數(shù),選擇最合適的發(fā)送速率,在保證通信質(zhì)量的前提下,得以最大限度地傳輸信息。

    網(wǎng)絡(luò)編碼被證明能夠顯著提高無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的性能,而無(wú)線信道具有時(shí)變和衰落特性,要想取得更大的無(wú)線信道容量,必須考慮使發(fā)送速率與隨機(jī)信道特性相適應(yīng)。本文針對(duì)TWRC提出了聯(lián)合速率自適應(yīng)和軟網(wǎng)絡(luò)編碼的方案,結(jié)果顯示在中上的信噪比范圍內(nèi)能達(dá)到與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)編碼幾乎相同的信道容量,誤碼性能稍有損失卻可以降低中繼節(jié)點(diǎn)的計(jì)算復(fù)雜度和功耗,而且每個(gè)移動(dòng)源節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)當(dāng)前信道確定合適的編碼調(diào)制方式,能夠適合不同的傳輸質(zhì)量需求,在保持較低的誤比特性能的同時(shí),盡可能提高信道容量,從而使性能得到優(yōu)化。
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