網(wǎng)絡(luò)編碼在合作中繼網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用new

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1、第47卷第6期復(fù)旦學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)Vol.47No.62008年12月JournalofFudanUniversity(NaturalScience)Dec.2008文章編號(hào):042727104(2008)0620797206研究簡(jiǎn)報(bào)網(wǎng)絡(luò)編碼在合作中繼網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用吳馨華,包曉晶,方朝曦,劉召偉,王宗欣(復(fù)旦大學(xué)通信科學(xué)與工程系,上海200433)摘要:將網(wǎng)絡(luò)編碼與合作中繼傳輸中的解碼轉(zhuǎn)發(fā)或放大轉(zhuǎn)發(fā)相結(jié)合,提出了2種新的數(shù)據(jù)傳輸方式;推導(dǎo)了這2種傳輸方式下數(shù)據(jù)速率的表達(dá)式;理論推導(dǎo)和仿真結(jié)果表明,與通常的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)及單獨(dú)的網(wǎng)絡(luò)編碼傳輸方式相比較,所提出的這2種傳輸方式可以較

2、大地提高網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸速率.關(guān)鍵詞:存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā);網(wǎng)絡(luò)編碼;合作中繼;放大轉(zhuǎn)發(fā);解碼轉(zhuǎn)發(fā)中圖分類號(hào):TN911.23文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A通常,計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸都采用了存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)(store2and2forward)的機(jī)制.信息由源節(jié)點(diǎn)經(jīng)過(guò)中間節(jié)點(diǎn),傳送到目的節(jié)點(diǎn).除了數(shù)據(jù)復(fù)制以外,一般來(lái)說(shuō),在網(wǎng)絡(luò)的中間節(jié)點(diǎn)并不需要進(jìn)行任何數(shù)據(jù)處理.隨著當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展,大容量文件傳輸和多媒體的應(yīng)用越來(lái)越廣泛;降低網(wǎng)絡(luò)能源消耗、增加網(wǎng)絡(luò)吞吐[124]量成為現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)研究的重點(diǎn),網(wǎng)絡(luò)編碼(networkcoding,NC)理論也由此產(chǎn)生.在無(wú)線移動(dòng)通信中,由于信道的衰落,信號(hào)的傳輸受到影響,采用分

3、集技術(shù)是對(duì)抗衰落的有效方法.合作中繼傳輸把多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的單天線看作發(fā)送用戶的虛擬多天線,利用空間分集來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)的整體性能.文獻(xiàn)[5]中討論了解碼轉(zhuǎn)發(fā)(decode2and2forward,DF)和放大轉(zhuǎn)發(fā)(amplify2and2forward,AF)2種合作中繼[6]方式的傳輸性能.已經(jīng)證明,在2種情況下,采用中繼傳輸都可以提高無(wú)線網(wǎng)絡(luò)整體的吞吐量,以及分集[729]增益.本文將網(wǎng)絡(luò)編碼應(yīng)用于合作中繼傳輸,提出了網(wǎng)絡(luò)編碼與DF相結(jié)合(NC2DF)、網(wǎng)絡(luò)編碼與AF相結(jié)合(NC2AF)2種新的數(shù)據(jù)傳輸方式,推導(dǎo)了這2種傳輸模式的數(shù)據(jù)速率表達(dá)式.理論推導(dǎo)表明這2種傳輸模式都可

4、以較大的提高網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸速率.對(duì)3種傳輸方式:傳統(tǒng)的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)、網(wǎng)絡(luò)編碼、NC2DF/NC2AF,在不同信噪比下的傳輸速率的仿真結(jié)果證明了理論推導(dǎo)的正確性.1網(wǎng)絡(luò)編碼概念在現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)中,信息傳輸都是由源節(jié)點(diǎn)經(jīng)過(guò)中間節(jié)點(diǎn),以存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)的方式傳送到目的節(jié)點(diǎn)的.除了數(shù)據(jù)復(fù)制以外,一般來(lái)說(shuō),在網(wǎng)絡(luò)的中間節(jié)點(diǎn)并不需要做任何數(shù)據(jù)處理.網(wǎng)絡(luò)編碼理論的中心思想是在多播環(huán)境中,允許中間節(jié)點(diǎn)在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)之前,先對(duì)信息進(jìn)行處理.假設(shè)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)有3個(gè)節(jié)點(diǎn),源節(jié)點(diǎn)S和目的節(jié)點(diǎn)D通過(guò)中間節(jié)點(diǎn)R進(jìn)行信息交換,見(jiàn)圖1(a).為了完成S和D之間的信息交換,傳統(tǒng)的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制需要4個(gè)時(shí)隙:T1內(nèi),S→

5、R;T2內(nèi),R→D;T3內(nèi),D→R;T4內(nèi),R→S.如圖1(b)所示.網(wǎng)絡(luò)編碼允許中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理.因此,為了完成上述信息交換,網(wǎng)絡(luò)編碼方式需要3個(gè)時(shí)隙:T1內(nèi),S→R;T2內(nèi),D→R;然后,R將接收到的來(lái)自S和D的信息進(jìn)行異或,在T3內(nèi)同時(shí)傳送給S和D.S和D將自己原來(lái)的數(shù)據(jù)與接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行異或,即可恢復(fù)出原本要接收到的信息,如圖1(c)所示.由以上分析可知,應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)編碼進(jìn)行信息傳輸,可以節(jié)省一個(gè)時(shí)隙,因此能夠提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量.文獻(xiàn)收稿日期:2008203218作者簡(jiǎn)介:吳馨華(1986—),女,碩士研究生;包曉晶(1984—),男,碩士研究生;通訊聯(lián)系人王宗欣,男

6、,教授.798復(fù)旦學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)第47卷[4]中指出,在物理層,如果S和D所發(fā)送的數(shù)據(jù)的復(fù)基帶相互正交,則上述數(shù)據(jù)傳輸只需2個(gè)時(shí)隙:T1內(nèi),S→R,D→R;T2內(nèi),R→D,R→S,如圖1(d)所示.圖1網(wǎng)路編號(hào)與存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)Fig.1Networkcodingandstore2and2forward2合作中繼傳輸在一個(gè)包含多個(gè)節(jié)點(diǎn)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中,通過(guò)中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行合作傳輸可以提高網(wǎng)絡(luò)的整體性能.當(dāng)源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間的一個(gè)或多個(gè)中繼實(shí)際位置確定后,中繼節(jié)點(diǎn)可以首先解碼,然后轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點(diǎn).這種策略被稱為解碼轉(zhuǎn)發(fā)(DF).相對(duì)的,中繼節(jié)點(diǎn)也可以采取一種所謂的放大轉(zhuǎn)發(fā)(AF)的策

7、略,即對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行直接放大后轉(zhuǎn)發(fā).如圖2中的網(wǎng)絡(luò),DF和AF用兩個(gè)時(shí)隙進(jìn)行合作中繼傳輸,此外還有S到D的直接鏈路.在T1內(nèi),兩種中繼策略的S發(fā)送,R和D接收.兩者的不同在于R:在AF方式下,R在T1內(nèi)對(duì)接收到的信圖2合作中繼傳輸號(hào)進(jìn)行放大,并在T2內(nèi)發(fā)送給D;在DF方式下,R對(duì)接收到的信號(hào)Fig.2Cooperativerelaytransmission進(jìn)行解碼,如果解碼成功,則R在T2內(nèi)將它解碼所得的信號(hào)再次進(jìn)行編碼并發(fā)送給D,否則不發(fā)送.3網(wǎng)絡(luò)編碼應(yīng)用于合作中繼傳輸本節(jié)將網(wǎng)絡(luò)編碼的理論應(yīng)用于圖2所示的合作中繼傳輸方案