无线协作通信中的网络编码—增量中继机制

摘 要:针对以往的网络编码应用于无线通信系统中都是采用固定的中继转发方式，提出了一种新的协作机制：网络编码—增量中继。该方案的中继节点根据两用户直传路径的发送情况来决定是否需要转发：即当两用户发送数据的直传路径都成功或都发送失败时，中继节点不转发数据；当两用户发送数据的直传路径有一个成功、一个失败时，中继节点转发经过网络编码后的数据。经过仿真表明，采用该协作机制，在不影响系统性能的情况下大大节约了时隙、功率、带宽资源。

关键词:协作通信；网络编码；增量中继；中断概率；资源消耗

中图分类号: TP393 文献标志码:A

Abstract: The existing network coding applied to wireless communication system uses a fixed way to relay. Therefore, a new cooperation mechanism was proposed: Network CodingIncremental Relay (NCIR). The relay node decided whether to forward according to the two users’ sending status of the direct passing path. That is, if both of the direct passing paths or neither of them were successful while sending users’ data, the relay node did not forward data, and if only one of the direct passing path were successful while sending users’ data, the relaying node forwarded the data by network coding. The simulation shows that this cooperation mechanism saves a lot of time slot, power and bandwidth resources without affecting the system performance.

Key words: cooperative communication; network coding; incremental relay; outage probability; resource consumption



0 引言

未来无线移动通信要求系统支持高信息传输速率和高服务质量(Quality of Service, QoS)，然而无线信道固有的多径衰落特性成为影响传输速率与质量的瓶颈。因此，如何克服多径效应成为下一代移动通信面临的主要问题之一［1］。多输入多输出(MultipleInput MultipleOutput,MIMO)是解决此问题的关键技术之一，但由于移动终端受到体积、功耗、工艺等多方面的限制，使在其上安装多个天线存在很大的困难。为此，文献［2-3］提出了一项使单天线的移动终端也可以实现空域分集的新技术——协作分集。协作中继通信的核心思想是利用无线网络的广播特性，使源节点在一个或多个中继节点的帮助下，共同完成信息的发送与接收［4］。网络编码(Network Coding, NC)具有增加网络流量、节省带宽、均衡链路负载等优势，且网络编码本身也包含了协作的思想，所以把它与协作中继结合起来研究，对系统的性能会有更大的提高。

1 网络编码

网络编码技术首先由Ahlswede等人提出［5］，用于提升有线网络的容量。网络编码技术支持中间节点在存储转发数据时，对多路数据进行网络编码，从而提升网络吞吐量［6］。网络编码技术可与中继技术相结合，通过中继对不同时隙接收到的来自不同用户的信息进行网络编码及转发，同时实现基于中继分集技术及网络编码增益的系统性能提升。目前，一些研究针对中继技术与网络编码技术的结合，文献［7-8］研究将网络编码分别与中继技术的两种工作机制相结合的传输机制，即网络编码—解码转发(Network CodingDecode and Forward, NCDF) 和网络编码—放大转发(Network CodingAmplify and Forward, NCAF) 。为减小相邻节点间信号的相互干扰,提升网络吞吐量，文献［9］给出了物理层网络编码的概念，对于同时接收到的相互叠加的电磁波，中继节点将其映射为相应数据比特的异或(进行了网络编码)，而不是把它们当做干扰。文献［10］提出一种中继—物理层网络编码(RelayPhysical Network Coding, RPNC)的中继协作传输机制，推导了该协作机制下的上行链路归一化网络吞吐量。文献［11］分析了在不考虑直传链路下3时隙物理层网络编码方案和2时隙物理层网络编码方案在Rayleigh衰落条件下的比特误码率与和速率性能。文献［12］提出了空时网络编码协同传输系统，即将空时编码与线性网络编码相结合，该协作机制相对于传统的网络编码协作降低了系统的误比特率。但是这些研究的中继节点的转发方式都是基于固定的转发。对于两源—单中继—单宿的网络编码协作系统来说，当两用户数据的直传路径都接收正确或都接收错误，如果中继节点再转发经过网络编码后的数据，那么就浪费了系统的资源。因为当两用户的直传路径都接收正确，信宿端无需再通过中继节点的协作传输来恢复信源端的数据；当两用户的直传路径都接收失败时，信宿端也无法通过中继节点的协作传输恢复出信源端的数据。因此，本文提出了网络编码—增量中继。

2 网络编码—增量中继

2.1 算法原理

针对目前将网络编码应用于无线协作中继网络中都是采用固定的中继转发方式，即中继节点都会参与协作传输，本文在上行链路中提出一种新的协作机制：网络编码—增量中继(Network CodingIncremental Relay, NCIR)。该方案采用普通的网络编码，但中继节点不会固定地转发数据，而会根据实际情况转发，即按需转发。如图1所示，用户A与用户B都需要发送信息到基站D，R为中继节点，A、B、R、D都只有一根天线且工作在半双工模式下，节点不能同时接收和发送数据。为了减少干扰，两个用户不能同时发送数据，否则基站无法正确解码获得用户信息。

在传统的网络编码协作中继系统中，时隙1用户A发送数据，中继节点R和基站D接收到数据；时隙2用户B发送数据，中继节点R和基站D接收到数据；时隙3中继节点将经过网络编码后的数据XA⊕XB发送给基站D。本文采用的机制是根据目的节点在时隙1和时隙2所接收数据的正确与错误情况来决定中继节点是否转发网络编码后的数据。具体情况如下：1)若在时隙1、时隙2基站所接收的数据都正确，由于用户信号都已经接收正确，则中继节点不需要再转发数据；2)若在时隙1、时隙2基站所接收的数据都错误，由于基站根据时隙3接收的中继节点经过网络编码后的数据也无法解码获得两用户信息中的任何一个，则中继节点也不需要再转发数据；3)若在时隙1接收正确、时隙2接收错误或在时隙1接收错误、在时隙2接收正确，基站可以根据在时隙3接收的数据和在时隙1或时隙2接收的正确数据获得在时隙1或时隙2接收错误的数据，即通过XA⊕(XA⊕XB)获得XB或通过XB⊕(XA⊕XB)获得XA,则中继节点需要转发经过网络编码后的数据。该算法在不影响基站接收源节点数据的情况下，可以节约无线通信系统的时隙、功率和带宽资源，这些资源又可以用于传输其他数据，这对于资源有限的无线通信系统来说是至关重要的。

2.2 算法流程

本文算法的流程如下。

1)用户A在时隙1发送数据XA，用户B在时隙2发送数据XB，目的节点和中继节点分别在时隙1、时隙2接收到用户A、用户B的数据。

2)目的节点根据循环冗余校验(Cyclic Redundancy Check,CRC)判断在时隙1、时隙2接收的数据是否正确。

3)目的节点将判断结果广播发送，中继节点将接收到该反馈的结果信息。若反馈的是1，表示目的节点在时隙1、时隙2这两个时隙中，有一个接收时隙正确，一个时隙接收错误；若反馈的是0，表示目的节点在时隙1、时隙2这两个时隙中都接收正确或都接收错误。

4)中继节点判断接收到的反馈结果。若接收到的是1，则中继节点转发经过网络编码后的数据XR=XA⊕XB；若接收到的是0，则中继节点不转发数据。

以下分析各节点的发送和接收情况。假设信道增益和噪声方差均已知，且各噪声均服从均值为0、方差为1的高斯分布：n~CN(0,1)。用户A、B发送信号设为XA、XB，y表示接收信号，源节点和中继节点的传输功率分别为PA、PB、PR。hA,D和hB,D表示用户A、B到基站的信道增益，hA,R和hB,R表示用户A、B到中继的信道增益，hR,D表示中继到基站的信道增益。其中，用户A、B到中继的误码率为PeA,R和PeB,R，用户A、B到基站的误码率为PeA,D和PeB,D，中继到基站的误码率为PeR,D。

本文中继采用解码转发，在时隙1，源节点A广播信息XA给中继和基站；时隙2，源节点B广播信息XB给中继和基站；时隙3，中继节点根据基站的反馈结果决定是否需要转发数据。

第一个时隙，中继节点和基站的接收信号分别为：

yA,R=PAhA,RXA+nA,R

yA,D=PAhA,DXA+nA,D(1)

第二个时隙，中继节点和基站的接收信号分别为：

yB,R=PBhB,RXB+nB,R

yB,D=PBhB,DXB+nB,D(2)

若基站反馈的比特信息为1，则中继节点将经过网络编码后的数据XR=XA⊕XB转发，此时基站在时隙3接收的信号为：

yR,D=PRhR,DXR+nR,D(3)

若基站反馈的比特信息为0，则中继节点不转发数据。

2.3 性能分析

首先分析NCIR协作机制的中断概率。假设用户A、B到中继的误码率为PeA,R和PeB,R，用户A、B到基站的误码率为PeA,D和PeB,D，中继到基站的误码率为PeR,D。网络编码系统的中断概率定义为：A、B用户至少有一个的信息不能被基站正确接收。则NCIR协作机制，系统的通信中断发生在如下3种情况下。

1)在时隙1，用户A的上行直传链路中断，在时隙3，R的上行通信也中断，A的信息无法到达基站，导致中断事件发生。设该事件发生的概率为P1,则：

P1=PeA,DPeR,D(1-PeB,D) (4)

2)在时隙2，用户B的上行直传链路中断，在时隙3，R的上行通信也中断，B的信息无法到达基站，导致中断事件发生。设该事件发生的概率为P2，则：

P2=PeB,DPeR,D(1-PeA,D)(5)

3)在时隙1、时隙2，用户A、B的上行直传链路都中断，A、B的信息都无法到达基站，导致中断事件发生。设该事件发生的概率为P3，则：

P3=PeA,DPeB,D(6)

所以NCIR协作系统的系统中断概率为：

Pe=∑3i=1Pi=PeA,DPeR,D(1-PeB,D)+

PeB,DPeR,D(1-PeA,D)+PeA,DPeB,D(7)

由此看出NCIR协作系统与传统NC协作系统的中断概率是相同的。虽然中断概率相同，但NC、NCIR两个系统发送两个数据包所使用的时隙数、消耗的功率和消耗的带宽不同。

2.3.1 时隙分析

由于传统的网络编码NC在传送两个数据包时会在时隙1、时隙2、时隙3分别发送，NCIR则根据时隙1、时隙2的发送结果来决定是否继续发送，所以NC、NCIR发送两个数据包时使用的时隙数分别如下：

NC协作机制所消耗的时隙数：

SlotNC=3(8)

NCIR协作机制所消耗的时隙数：

SlotNCIR=3PeA,DPeR,D(1-PeB,D)+

3PeB,DPeR,D(1-PeA,D)+2PeA,DPeB,D+

3PeA,D(1-PeR,D)(1-PeB,D)+

3PeB,D(1-PeR,D)(1-PeA,D)+

2(1-PeA,D)(1-PeB,D)(9)

NC、NCIR协作机制所消耗的时隙差：

ΔSlot=SlotNC-SlotNCIR=(1-PeA,D)(1-PeB,D)+

PeA,DPeB,D=1-PeA,D-PeB,D+2PeA,DPeB,D>0(10) 

2.3.2 功率分析

设系统总功率受限，PA+PB+PR=P。不失一般性，设A、B、R的功率平均分配，即PA=PB=PR=P/3，则可得NC协作系统与NCIR协作系统的功率消耗如下：

NC协作机制所消耗的功率：

PNC=P(11)

NCIR协作机制所消耗的功率：

PNCIR=PPeA,DPeR,D(1-PeB,D)+

PPeB,DPeR,D(1-PeA,D)+23PPeA,DPeB,D+

PPeA,D(1-PeR,D)(1-PeB,D)+

PPeB,D(1-PeR,D)(1-PeA,D)+

23P(1-PeA,D)(1-PeB,D)(12)

NC、NCIR协作机制所消耗的时隙差：

ΔP=PNC-PNCIR=

13P(1-PeA,D)(1-PeB,D)+13PPeA,DPeB,D=

13P(1-PeA,D-PeB,D+2PeA,DPeB,D)>0(13)

2.3.3 带宽分析

设系统总带宽受限，WA+WB+WR=W。不失一般性，设A、B、R的带宽平均分配，即WA=WB=WR=W/3，则可得NC协作系统与NCIR协作系统的带宽消耗如下：

NC协作机制所消耗的带宽：

WNC=W(14)

NCIR协作机制所消耗的带宽：

WNCIR=WPeA,DPeR,D(1-PeB,D)+

WPeB,DPeR,D(1-PeA,D)+23WPeA,DPeB,D+

WPeA,D(1-PeR,D)(1-PeB,D)+

WPeB,D(1-PeR,D)(1-PeA,D)+

23W(1-PeA,D)(1-PeB,D)(15)

NC、NCIR协作机制所消耗的带宽差：

ΔW=WNC-WNCIR=13W(1-PeA,D)(1-PeB,D)+

13WPeA,DPeB,D=13W(1-PeA,D-PeB,D+

2PeA,DPeB,D)>0(16)

由式(10)、(13)、(16)可知，在相同的中断概率下，NCIR协作机制比NC协作机制所消耗的无线系统的时隙、功率、带宽要少。

系统采用BPSK调制，则上行链路的误码率为:BER=12［1-SNR1+SNR］，其中SNR表示信噪比，当SNR1时，利用泰勒级数展开得：BER≈1/(4SNR)。

由式(1)~(3)可得各上行链路的误码率为:



PeA,D  = 14SNRA,D = 14PAh2A,Dσ2A,D = 14PAh2A,D

PeB,D  = 14SNRB,D = 14PBh2B,Dσ2B,D = 14PBh2B,D 

PeR,D  = 14SNRR,D = 14PRh2R,Dσ2R,D = 14PRh2R,D

PeA,R  = 14SNRA,R = 14PAh2A,Rσ2A,R = 14PAh2A,R 

PeB,R  = 14SNRB,R = 14PBh2B,Rσ2B,R = 14PBh2B,R(17)

将式(17)中各上行链路的误码率代入式(9)、(12)、(15)即可获取在NCIR协作系统下发送两个数据包所使用的时隙数、消耗的功率和消耗的带宽。

2.4 性能仿真

以下利用Matlab对NC、NCIR协作机制的资源消耗进行仿真。图2、图3、图4分别对NC协作机制和NCIR协作机制在时隙、功率、带宽资源消耗进行了对比。仿真环境为：总功率受限PA+PB+PR=P，且A、B、R的功率进行平均分配，即PA=PB=PR=P/3。在图2中，SlotNCIR1满足hA,D1=hB,D1=hA,R1=hB,R1=hR,D1=3，SlotNCIR2满足 hA,D2=hB,D2=3，hA,R2=hB,R2=hR,D2=2，SlotNCIR3满足hA,D3=hB,D3=2，hA,R3=hB,R3=hR,D3=3。由图2可知，在不影响系统性能的情况下，NCIR协作机制比NC协作机制消耗更少的时隙，且随着功率的增大，这种优势更加明显，这是因为随着功率的增加，直传路径的错误概率越小，即成功的概率越大，那么需要中继转发的概率就越小，从而消耗的时隙就越少。从图2还可以看出，SlotNCIR1、SlotNCIR2几乎是重叠的，这是因为hA,D1=hB,D1=hA,D2=hB,D2，那么它们的直传路径的误码率就相同，最终中继需要转发的概率就相同，所以所消耗的时隙相同。在图3中，PNCIR1满足hA,D1=hB,D1=hA,R1=hB,R1=hR,D1=3，PNCIR2满足hA,D2=hB,D2=3，hA,R2=hB,R2=hR,D2=2。由图3可知， PNC曲线的斜率为1，即NC协作机制消耗的功率是系统的总功率P；PNCIR1、PNCIR2曲线的斜率小于1，即NCIR协作机制消耗的功率小于系统总功率，且随着功率的增加，斜率越来越小，消耗的功率占系统总功率的比例越来越小。在图4中，WNCIR1同样满足hA,D1=hB,D1=hA,R1=hB,R1=hR,D1=3，WNCIR2满足hA,D2=hB,D2=3，hA,R2=hB,R2=hR,D2=2，且系统总带宽受限，A、B、R的带宽进行平均分配，即WA+WB+WR=W=2Hz，

WA=WB=WR=W/3。由图4可知，NCIR协作机制比NC协作机制消耗更少的带宽，且随着功率的增加，这种优势也越加明显。所以综上所述，在不影响系统性能的情况下，NCIR协作机制比NC协作机制消耗更少的时隙、功率和带宽资源。

3 结语

协作通信的目的是使得不能通过直传路径到达的用户数据经过中继节点的协作传输能够正确到达信宿端，如果直传路径已经正确到达信宿端，那么就无需中继节点的协作传输。目前将网络编码与协作通信相结合的研究也很多，但这些协作机制中继节点都是采用固定的转发方式。当直传路径都正确传输的情况下，这无疑浪费了系统资源。因此本文提出了的一种新的协作机制——网络编码—增量中继(NCIR)。在该协作机制中，中继节点是进行按需转发，而不是固定转发，在不影响系统性能的情况下大大节约了系统资源。本文只进行了理论分析，具体的系统实现还有待研究。

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