一種網(wǎng)絡(luò)編碼和信道編碼的聯(lián)合設(shè)計(jì)

摘要：網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)可以大幅度提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量和魯棒性，因此已成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。在研究無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中物理層網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了多址信道中一種聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)編碼和信道編碼的設(shè)計(jì)方案。該設(shè)計(jì)利用LDPC碼和網(wǎng)絡(luò)編碼的線性特性以及軟輸入軟輸出模塊設(shè)計(jì)，不僅減少了編譯碼的復(fù)雜度，而且在高的信噪比情況下可以獲得良好的性能。仿真結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)方案不僅容易實(shí)現(xiàn)，而且性能接近網(wǎng)絡(luò)信道容量的上限，相比傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)至少能夠提高1．6倍的增益。
關(guān)鍵詞：無(wú)線網(wǎng)絡(luò)；物理層網(wǎng)絡(luò)編碼；信道編碼；多址信道；LDPC多用戶檢測(cè)器

0 引言
網(wǎng)絡(luò)編碼(Network Coding)是2000年由香港中文大學(xué)R．Ahlswede等人基于網(wǎng)絡(luò)信息流的概念首次提出的。通過(guò)允許網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編碼，可以獲得網(wǎng)絡(luò)多播速率的最大流限，即網(wǎng)絡(luò)資源利用的理論上限，而通過(guò)傳統(tǒng)的路由和復(fù)制并不一定能夠獲得該最大流限。繼R．Ahlswede等人提出網(wǎng)絡(luò)編碼的概念后，網(wǎng)絡(luò)編碼便被廣泛應(yīng)用到通信網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)方面。
在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，由于物理層的廣播特性，節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包能夠同時(shí)被其他幾個(gè)節(jié)點(diǎn)檢測(cè)并接收到，因此網(wǎng)絡(luò)編碼更多地應(yīng)用到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中。文獻(xiàn)表明，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)編碼不僅可以降低復(fù)雜性，而且可以設(shè)計(jì)節(jié)能的路由算法；文獻(xiàn)表明，在不斷變化的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中采用機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)編碼(ONC)可以大大提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。物理層網(wǎng)絡(luò)編碼利用同時(shí)到達(dá)的電磁波的疊加特性，從理論層面進(jìn)一步提高了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。文獻(xiàn)表明，在雙向無(wú)線中繼信道中利用網(wǎng)絡(luò)編碼的優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)描述了直接應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)編碼的方法。文獻(xiàn)表明，在雙向中繼信道和多址中繼信道中采
用網(wǎng)絡(luò)編碼和信道編碼的聯(lián)合設(shè)計(jì)獲得了額外的分集增益。文獻(xiàn)是基于二進(jìn)制對(duì)稱信道的硬判決物理層網(wǎng)絡(luò)編碼與信道編碼的聯(lián)合設(shè)計(jì)。
相比較之前的工作，本文提出了一種新型的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼和信道編碼的聯(lián)合設(shè)計(jì)方案，并分析了物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的信道容量。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)表明，提出的機(jī)制能夠接近信道的容量極限。

1 網(wǎng)絡(luò)編碼系統(tǒng)模型
網(wǎng)絡(luò)編碼典型的系統(tǒng)模型如圖1所示，節(jié)點(diǎn)n1和n2是兩個(gè)獨(dú)立的源節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)n3是中繼節(jié)點(diǎn)。首先節(jié)點(diǎn)n1和n2同時(shí)分別發(fā)送數(shù)據(jù)包U1和U2到中繼節(jié)點(diǎn)n3，X1和X2分別是數(shù)據(jù)包U1和U2經(jīng)過(guò)信道編碼和調(diào)制之后的信號(hào)，假設(shè)網(wǎng)絡(luò)編碼的系統(tǒng)模型是完全同步的，信號(hào)為等功率發(fā)送，同時(shí)考慮傳輸信道中的加性高斯白噪聲，均值為0，再假設(shè)加性高斯白噪聲方差為σ2，則多址信道的輸出Y=X1+X2+N，中繼節(jié)點(diǎn)n3對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編碼，輸出信號(hào)為，網(wǎng)絡(luò)編碼采用的是比特之間的異或操作。中繼節(jié)點(diǎn)通過(guò)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行異或運(yùn)算，進(jìn)行信息合并，實(shí)現(xiàn)中繼節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)壓縮。

2 網(wǎng)絡(luò)編碼和信道編碼的聯(lián)合設(shè)計(jì)
本文提出的網(wǎng)絡(luò)編碼和信道編碼的聯(lián)合設(shè)計(jì)如圖2所示，不同于傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)編碼方案，該設(shè)計(jì)采用混合編碼方式，實(shí)現(xiàn)了聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)信道編碼，它基于物理層網(wǎng)絡(luò)編碼和信道編碼(LDPC碼)，解碼器采用軟輸入軟輸出系統(tǒng)，信道為加性高斯白噪聲信道。

圖2中，Ui=[ui,0，ui,1，ui,2，…，ui,N-1]表示節(jié)點(diǎn)ni發(fā)送的數(shù)據(jù)包，其中i=1，2。