網(wǎng)絡(luò)編碼在IMT-Advanced協(xié)作中繼中的應(yīng)用

趙明峰

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司四川分公司，成都 610041）

網(wǎng)絡(luò)編碼在IMT-Advanced協(xié)作中繼中的應(yīng)用

趙明峰

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司四川分公司，成都 610041）

在IMT-Advanced協(xié)作中繼中引入網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)，它可以進(jìn)一步提升網(wǎng)絡(luò)吞吐量、負(fù)載均衡、安全性和頑健性。針對(duì)多用戶的上行多址接入中繼信道模型，給出了基于網(wǎng)絡(luò)編碼的傳輸策略，在此基礎(chǔ)上，分析了該策略下的系統(tǒng)可達(dá)速率及中斷概率，并與傳統(tǒng)機(jī)制進(jìn)行了比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，網(wǎng)絡(luò)編碼可有效提升系統(tǒng)性能并節(jié)約無(wú)線鏈路資源，從而表明了網(wǎng)絡(luò)編碼在IMT-Advanced協(xié)作中繼中應(yīng)用的巨大潛力和優(yōu)勢(shì)。

網(wǎng)絡(luò)編碼；可達(dá)速率；中斷概率

1 引言

由于無(wú)線通信環(huán)境下有限的頻譜資源及已有資源占用情況，下一代無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)將采用更高的頻率作為傳輸媒介。然而較高的頻率穿透損耗較大導(dǎo)致覆蓋范圍進(jìn)一步收縮，進(jìn)一步地考慮到無(wú)線通信用戶突發(fā)劇增帶來(lái)的呼吸效應(yīng)所帶來(lái)的覆蓋范圍收縮。這兩個(gè)方面的因素?zé)o疑加劇了基站覆蓋范圍的顯著收縮，從而增加了基站部署數(shù)量和建設(shè)的成本及后期維護(hù)開(kāi)銷。為此，3GPP在下一代寬帶蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)IMT-Advanced中一方面考慮采用傳統(tǒng)的無(wú)線中繼技術(shù)來(lái)擴(kuò)展覆蓋范圍，同時(shí)也在考慮采用協(xié)作中繼技術(shù)進(jìn)一步提供額外的分集增益，從而提高覆蓋范圍和節(jié)約建站開(kāi)銷。然而，無(wú)論是傳統(tǒng)的中繼技術(shù)還是協(xié)作中繼技術(shù)，這兩種方式都需要為中繼鏈路提供額外的資源。尤其未來(lái)4G將采用更大帶寬（如TD-LTE采用20 MHz）進(jìn)行同頻組網(wǎng)，若采用中繼技術(shù)在提升覆蓋及容量的同時(shí)也會(huì)帶來(lái)較低的頻譜資源利用率和較大的鏈路開(kāi)銷。

為了解決引入中繼技術(shù)所帶來(lái)的固有缺陷，需要在現(xiàn)有中繼技術(shù)基礎(chǔ)上引入新的技術(shù)以改善其引入所帶來(lái)的開(kāi)銷，并解決其固有缺陷。網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)[1]的提出及在無(wú)線場(chǎng)景中的應(yīng)用無(wú)疑為中繼技術(shù)應(yīng)用于IMTAdvanced成為可能。由于網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)允許中間節(jié)點(diǎn)對(duì)接收到的不同路徑的信息進(jìn)行編碼處理后再進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，且目標(biāo)接收節(jié)點(diǎn)能夠完整地恢復(fù)出這些編碼后的信息，理論上達(dá)到了通信網(wǎng)絡(luò)容量的極限，從而有效增強(qiáng)無(wú)線中繼傳輸?shù)男阅堋?/p>

為此，為了分析網(wǎng)絡(luò)編碼在IMT-Advanced協(xié)作中繼通信中應(yīng)用的可行性及性能，本文將針對(duì)多源點(diǎn)——單中繼——單基站的上行協(xié)作傳輸場(chǎng)景，討論引入網(wǎng)絡(luò)編碼后的系統(tǒng)性能，并與傳統(tǒng)的放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼機(jī)制、解碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼機(jī)制及直傳機(jī)制進(jìn)行比較。最后，仿真驗(yàn)證基于網(wǎng)絡(luò)編碼的協(xié)作傳輸機(jī)制較傳統(tǒng)機(jī)制的巨大優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用潛力。

2 系統(tǒng)模型和網(wǎng)絡(luò)編碼機(jī)制

在討論多源——單中繼——單基站的多用戶上行協(xié)作傳輸通信場(chǎng)景前，我們首先給出相應(yīng)的模型定義及參數(shù)設(shè)定。假定存在n個(gè)用戶的源節(jié)點(diǎn)S1，…， Sn在單中繼節(jié)點(diǎn)R的協(xié)作下進(jìn)行上行協(xié)作傳輸?shù)交緀Node B節(jié)點(diǎn)D，其中D與R均處于源節(jié)點(diǎn)S1，…，Sn的覆蓋范圍內(nèi)，R位于源節(jié)點(diǎn)S1，…，Sn與節(jié)點(diǎn)D之間。各個(gè)節(jié)點(diǎn)都采用半雙工方式，路徑衰減因子為4，信道系數(shù)的平方存在這樣的關(guān)系：， 其中duv表示節(jié)點(diǎn)v與節(jié)點(diǎn)v之間的距離，所有無(wú)線鏈路的信道都是近似為瑞利平坦衰落。x1，…，xn分別表示用戶源節(jié)點(diǎn)S1，…， Sn所承載碼元的信號(hào)，對(duì)應(yīng)場(chǎng)景如圖1所示。

圖1 多用戶上行協(xié)作傳輸

在網(wǎng)絡(luò)編碼的多用戶上行協(xié)作傳輸場(chǎng)景中，首先，節(jié)點(diǎn)D接收到n個(gè)源在n個(gè)不同時(shí)隙或n個(gè)正交信道（統(tǒng)稱為n個(gè)資源塊）發(fā)來(lái)的直傳鏈路信號(hào)，中繼節(jié)點(diǎn)R接收并解碼源節(jié)點(diǎn)所發(fā)送的信號(hào)后并不急于轉(zhuǎn)發(fā)給節(jié)點(diǎn)D，而是接收到n個(gè)源所發(fā)送的信號(hào)x1，…xn后，采用網(wǎng)絡(luò)編碼XOR編碼運(yùn)算[2]，將其編碼合并為疊加信號(hào)再轉(zhuǎn)發(fā)給節(jié)點(diǎn)D，也稱之為直接網(wǎng)絡(luò)編碼（Direct Network Coding，DNC）。節(jié)點(diǎn)D利用已接收的各源節(jié)點(diǎn)的信號(hào)，可對(duì)疊加信號(hào)進(jìn)行解碼以實(shí)現(xiàn)疊加信號(hào)的分離，從而恢復(fù)出所有源節(jié)點(diǎn)經(jīng)過(guò)中繼節(jié)點(diǎn)所轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)來(lái)的信號(hào)。對(duì)節(jié)點(diǎn)D來(lái)說(shuō)，它可獲得2階的接收分集增益，從而提高系統(tǒng)的可靠性。對(duì)整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，n個(gè)用戶在基于網(wǎng)絡(luò)編碼的協(xié)作傳輸機(jī)制下完成一輪信息的傳輸僅需n＋1塊資源，而傳統(tǒng)的中繼協(xié)作機(jī)制則需2n塊資源，其對(duì)應(yīng)幀結(jié)構(gòu)分別等價(jià)表示為圖2和圖3[3]。因此，采用網(wǎng)絡(luò)編碼的協(xié)作傳輸機(jī)制可以顯著節(jié)約時(shí)隙資源開(kāi)銷，提升資源利用效率，降低引入中繼技術(shù)所帶來(lái)的額外開(kāi)銷，為中繼技術(shù)應(yīng)用于IMT-Advanced奠定良好的理論基礎(chǔ)。

圖2 傳統(tǒng)中繼協(xié)作機(jī)制的幀結(jié)構(gòu)

圖3 基于網(wǎng)絡(luò)編碼協(xié)作機(jī)制的幀結(jié)構(gòu)

3 性能分析

為了進(jìn)行性能比較，我們分別給出傳統(tǒng)的放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼機(jī)制、解碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼機(jī)制及直傳機(jī)制及基于網(wǎng)絡(luò)編碼機(jī)制下n個(gè)用戶上行協(xié)作傳輸?shù)南到y(tǒng)可達(dá)速率（Achievable Rate）。為了便于后續(xù)的分析，可達(dá)速率以任意的某個(gè)目的源節(jié)點(diǎn)i(i∈{1，…，n})來(lái)展開(kāi)討論，資源塊以占用時(shí)隙來(lái)表示，定義整個(gè)幀的持續(xù)時(shí)間為t秒，假定不同幀的每個(gè)時(shí)隙有相同的長(zhǎng)度T，系統(tǒng)的有效帶寬為W。所有信道模型均采用瑞利衰落信道（Rayleigh Faded Channel），各接收節(jié)點(diǎn)處的噪聲服從均值為零，方差為N的高斯白噪聲。

3.1 可達(dá)速率

根據(jù)圖3可知，基于網(wǎng)絡(luò)編碼的上行協(xié)作傳輸機(jī)制中任意一個(gè)用戶源點(diǎn)僅需占用t/(n+1)個(gè)時(shí)隙完成一輪信息的傳輸。采用文獻(xiàn)[4]的分析方法，則任一用戶源Si經(jīng)直傳和中繼R編碼轉(zhuǎn)發(fā)到基站節(jié)點(diǎn)D的可達(dá)速率RNDC(Si，R，D)可表示為

若采用傳統(tǒng)的放大轉(zhuǎn)發(fā)型中繼協(xié)作傳輸機(jī)制（AF），則利用文獻(xiàn)[5]的結(jié)論，任一用戶源Si經(jīng)直傳和中繼R放大轉(zhuǎn)發(fā)到基站節(jié)點(diǎn)D的可達(dá)速率RAF(Si，R，D)可表示為

若采用傳統(tǒng)的解碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼協(xié)作傳輸機(jī)制（DF），則利用文獻(xiàn)[6]的結(jié)論，任一用戶源Si經(jīng)直傳和中繼R編碼轉(zhuǎn)發(fā)到基站節(jié)點(diǎn)D的可達(dá)速率RDF(Si，R，D)可表示為

若采用傳統(tǒng)的無(wú)中繼協(xié)作的直傳機(jī)制（DT），則任一用戶源Si經(jīng)直傳至節(jié)點(diǎn)D可達(dá)速率RDT(Si，R，D)可表示為

其中，IDNC、IAF、IDF、IDT分別表示DNC、AF、DF和DT 4類不同機(jī)制下的互信息。SNRDT、、、分別表示直傳鏈路的有效信噪比，經(jīng)中繼直接網(wǎng)絡(luò)編碼轉(zhuǎn)發(fā)的有效信噪比，經(jīng)中繼放大轉(zhuǎn)發(fā)的有效信噪比和經(jīng)中繼解碼轉(zhuǎn)發(fā)的有效信噪比。PSi、PS分別表示源點(diǎn)Si和中繼節(jié)點(diǎn)R的發(fā)射功率，hSiR、hSiD、hRD分別表示各鏈路的信道系數(shù)。

3.2 中斷概率

利用文獻(xiàn)[7]中中斷概率的定義以及3.1節(jié)不同機(jī)制下的可達(dá)速率結(jié)論，基于不同機(jī)制下的所需數(shù)據(jù)速率要求，在準(zhǔn)靜態(tài)衰落信道條件下，模擬運(yùn)行十萬(wàn)次可得任一用戶源Si在不同機(jī)制下的中斷概率。

4 數(shù)值仿真

根據(jù)3.1節(jié)及3.2節(jié)的分析與結(jié)論，本節(jié)將對(duì)多用戶上行協(xié)作傳輸場(chǎng)景下不同機(jī)制的性能進(jìn)行仿真分析，以驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)編碼在無(wú)線協(xié)作中繼中的優(yōu)勢(shì)。為便于分析及仿真驗(yàn)證，現(xiàn)假定系統(tǒng)參數(shù)如下：帶寬W=20 MHz，所有源節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率為1 W，接收節(jié)點(diǎn)處的噪聲方差為10-10W，用戶源點(diǎn)數(shù)n=10，對(duì)應(yīng)的位置關(guān)系如圖4所示。

圖4 多用戶上行協(xié)作傳輸位置關(guān)系

考慮到類似性，我們以其中任一源點(diǎn)S3為例，則對(duì)應(yīng)可達(dá)速率與協(xié)作用戶數(shù)間的關(guān)系如圖5所示。

圖5 可達(dá)速率與用戶數(shù)n間的關(guān)系

從圖5可知， 針對(duì)用戶源點(diǎn)S3，DNC機(jī)制、DT機(jī)制、AF機(jī)制和DF機(jī)制均隨參與協(xié)作用戶源點(diǎn)數(shù)增加，其對(duì)應(yīng)可達(dá)速率逐漸降低。這是由于參與協(xié)作的用戶源點(diǎn)數(shù)越多，所占用的時(shí)隙資源及噪聲累積等將增加從而導(dǎo)致有效信噪比降低，進(jìn)而導(dǎo)致可達(dá)速率降低，但DNC機(jī)制均優(yōu)于現(xiàn)有的其余3類機(jī)制。

同樣地，針對(duì)S3，我們可以得到4類不同機(jī)制下的可達(dá)速率如表1所示。

表1 4 種不同機(jī)制下的可達(dá)速率

從表1可知，與其余3類機(jī)制相比較，DNC機(jī)制下用戶源點(diǎn)S3可獲得明顯最優(yōu)的可達(dá)速率，可以顯著提升速率。

進(jìn)一步地，在隨機(jī)準(zhǔn)靜態(tài)衰落信道條件下，運(yùn)行10萬(wàn)次得到S3（300， 350）在該場(chǎng)景下所對(duì)應(yīng)的中斷概率隨所需數(shù)據(jù)速率變化情況如圖6所示。

圖6 中斷概率與數(shù)據(jù)速率變化關(guān)系

從圖6可知，針對(duì)S3，DNC機(jī)制所獲得的性能明顯優(yōu)于現(xiàn)有的3類機(jī)制。因此表明，采用網(wǎng)絡(luò)編碼機(jī)制的協(xié)作中繼機(jī)制可提升系統(tǒng)的性能，降低中斷發(fā)生的概率。

從以上仿真結(jié)果可知，網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)與中繼技術(shù)的結(jié)合，可有效改善傳統(tǒng)中繼技術(shù)的固有缺陷，進(jìn)一步提升系統(tǒng)的性能，節(jié)約鏈路資源開(kāi)銷。

5 結(jié)論

網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)打破了傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)中中間節(jié)點(diǎn)只能存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)的模式，它允許中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)接收到的不同路徑的信號(hào)進(jìn)行編碼運(yùn)算處理再進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，同時(shí)采用適當(dāng)?shù)慕獯a機(jī)制可以確保接收節(jié)點(diǎn)能夠正確的解碼恢復(fù)出原始信號(hào)，有效解決了多跳中繼通信傳輸瓶頸問(wèn)題，可以大大提升網(wǎng)絡(luò)的容量和吞吐量。它與中繼技術(shù)相結(jié)合較好地解決了引入中繼所帶來(lái)的固有缺陷問(wèn)題，使得中繼技術(shù)應(yīng)用于IMT-Advanced成為可能。進(jìn)一步地，利用網(wǎng)絡(luò)編碼的編碼冗余機(jī)制，可顯著增強(qiáng)無(wú)線信號(hào)傳輸?shù)纳嫘阅芰?，從而增?qiáng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院桶踩浴?/p>

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Application research on network coding in relay-based IMT-Advanced

ZHAO Ming-feng
(China Mobile Group Design Institute Co., Ltd. Sichuan Branch, Chengdu 610041 China)

Research results show that network coding can provide further higher network throughput, robustness, balance the traffic and security in relay-based IMT-Advanced systems. Multiple-access relay channel (MARC) employing direct network coding scheme is investigated. Furthermore, achievable rate and outage probability is analyzed under different schemes in MARC. The experimental results show that direct network coding scheme can effectively improve system performance and save resources of wireless link, thus demonstrating the great potential and advantages in the application of relay-based IMT-Advanced.

networkcoding; achievable rate; outage probability

TN915

A

1008-5599（2013）03-0081-05

2012-09-25