趙明峰

（中國移動通信集團設(shè)計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

（中國移動通信集團設(shè)計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)，它可以進一步提升網(wǎng)絡(luò)吞吐量、負載均衡、安全性和頑健性。針對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)可達速率及中斷概率，并與傳統(tǒng)機制進行了比較。實驗結(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。

網(wǎng)絡(luò)編碼；可達速率；中斷概率

1 引言

由于無線通信環(huán)境下有限的頻譜資源及已有資源占用情況，下一代無線移動通信系統(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)致覆蓋范圍進一步收縮，進一步地考慮到無線通信用戶突發(fā)劇增帶來的呼吸效應(yīng)所帶來的覆蓋范圍收縮。這兩個方面的因素無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)的成本及后期維護開銷。為此，3GPP在下一代寬帶蜂窩移動通信系統(tǒng)IMT-Advanced中一方面考慮采用傳統(tǒng)的無線中繼技術(shù)來擴展覆蓋范圍，同時也在考慮采用協(xié)作中繼技術(shù)進一步提供額外的分集增益，從而提高覆蓋范圍和節(jié)約建站開銷。然而，無論是傳統(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4G將采用更大帶寬（如TD-LTE采用20 MHz）進行同頻組網(wǎng)，若采用中繼技術(shù)在提升覆蓋及容量的同時也會帶來較低的頻譜資源利用率和較大的鏈路開銷。

為了解決引入中繼技術(shù)所帶來的固有缺陷，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的開銷，并解決其固有缺陷。網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)[1]的提出及在無線場景中的應(yīng)用無疑為中繼技術(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)點對接收到的不同路徑的信息進行編碼處理后再進行轉(zhuǎn)發(fā)，且目標接收節(jié)點能夠完整地恢復(fù)出這些編碼后的信息，理論上達到了通信網(wǎng)絡(luò)容量的極限，從而有效增強無線中繼傳輸?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，本文將針對多源點——單中繼——單基站的上行協(xié)作傳輸場景，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)中繼機制、解碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼機制及直傳機制進行比較。最后，仿真驗證基于網(wǎng)絡(luò)編碼的協(xié)作傳輸機制較傳統(tǒng)機制的巨大優(yōu)勢和應(yīng)用潛力。

2 系統(tǒng)模型和網(wǎng)絡(luò)編碼機制

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個用戶的源節(jié)點S1，…， Sn在單中繼節(jié)點R的協(xié)作下進行上行協(xié)作傳輸?shù)交緀Node B節(jié)點D，其中D與R均處于源節(jié)點S1，…，Sn的覆蓋范圍內(nèi)，R位于源節(jié)點S1，…，Sn與節(jié)點D之間。各個節(jié)點都采用半雙工方式，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v與節(jié)點v之間的距離，所有無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S1，…， Sn所承載碼元的信號，對應(yīng)場景如圖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)作傳輸場景中，首先，節(jié)點D接收到n個源在n個不同時隙或n個正交信道（統(tǒng)稱為n個資源塊）發(fā)來的直傳鏈路信號，中繼節(jié)點R接收并解碼源節(jié)點所發(fā)送的信號后并不急于轉(zhuǎn)發(fā)給節(jié)點D，而是接收到n個源所發(fā)送的信號x1，…xn后，采用網(wǎng)絡(luò)編碼XOR編碼運算[2]，將其編碼合并為疊加信號再轉(zhuǎn)發(fā)給節(jié)點D，也稱之為直接網(wǎng)絡(luò)編碼（Direct Network Coding，DNC）。節(jié)點D利用已接收的各源節(jié)點的信號，可對疊加信號進行解碼以實現(xiàn)疊加信號的分離，從而恢復(fù)出所有源節(jié)點經(jīng)過中繼節(jié)點所轉(zhuǎn)發(fā)過來的信號。對節(jié)點D來說，它可獲得2階的接收分集增益，從而提高系統(tǒng)的可靠性。對整個系統(tǒng)來說，n個用戶在基于網(wǎng)絡(luò)編碼的協(xié)作傳輸機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)作機制則需2n塊資源，其對應(yīng)幀結(jié)構(gòu)分別等價表示為圖2和圖3[3]。因此，采用網(wǎng)絡(luò)編碼的協(xié)作傳輸機制可以顯著節(jié)約時隙資源開銷，提升資源利用效率，降低引入中繼技術(shù)所帶來的額外開銷，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)作機制的幀結(jié)構(gòu)

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

3 性能分析

為了進行性能比較，我們分別給出傳統(tǒng)的放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼機制、解碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼機制及直傳機制及基于網(wǎng)絡(luò)編碼機制下n個用戶上行協(xié)作傳輸?shù)南到y(tǒng)可達速率（Achievable Rate）。為了便于后續(xù)的分析，可達速率以任意的某個目的源節(jié)點i(i∈{1，…，n})來展開討論，資源塊以占用時隙來表示，定義整個幀的持續(xù)時間為t秒，假定不同幀的每個時隙有相同的長度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)點處的噪聲服從均值為零，方差為N的高斯白噪聲。

3.1 可達速率

根據(jù)圖3可知，基于網(wǎng)絡(luò)編碼的上行協(xié)作傳輸機制中任意一個用戶源點僅需占用t/(n+1)個時隙完成一輪信息的傳輸。采用文獻[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D的可達速率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)作傳輸機制（AF），則利用文獻[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D的可達速率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)作傳輸機制（DF），則利用文獻[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D的可達速率RDF(Si，R，D)可表示為

若采用傳統(tǒng)的無中繼協(xié)作的直傳機制（DT），則任一用戶源Si經(jīng)直傳至節(jié)點D可達速率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Si和中繼節(jié)點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[7]中中斷概率的定義以及3.1節(jié)不同機制下的可達速率結(jié)論，基于不同機制下的所需數(shù)據(jù)速率要求，在準靜態(tài)衰落信道條件下，模擬運行十萬次可得任一用戶源Si在不同機制下的中斷概率。

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)將對多用戶上行協(xié)作傳輸場景下不同機制的性能進行仿真分析，以驗證網(wǎng)絡(luò)編碼在無線協(xié)作中繼中的優(yōu)勢。為便于分析及仿真驗證，現(xiàn)假定系統(tǒng)參數(shù)如下：帶寬W=20 MHz，所有源節(jié)點、中繼節(jié)點的發(fā)射功率為1 W，接收節(jié)點處的噪聲方差為10-10W，用戶源點數(shù)n=10，對應(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S3為例，則對應(yīng)可達速率與協(xié)作用戶數(shù)間的關(guān)系如圖5所示。

圖5 可達速率與用戶數(shù)n間的關(guān)系

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

同樣地，針對S3，我們可以得到4類不同機制下的可達速率如表1所示。

表1 4 種不同機制下的可達速率

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

進一步地，在隨機準靜態(tài)衰落信道條件下，運行10萬次得到S3（300， 350）在該場景下所對應(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S3，DNC機制所獲得的性能明顯優(yōu)于現(xiàn)有的3類機制。因此表明，采用網(wǎng)絡(luò)編碼機制的協(xié)作中繼機制可提升系統(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，進一步提升系統(tǒng)的性能，節(jié)約鏈路資源開銷。

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)點只能存儲轉(zhuǎn)發(fā)的模式，它允許中繼節(jié)點對接收到的不同路徑的信號進行編碼運算處理再進行轉(zhuǎn)發(fā)，同時采用適當?shù)慕獯a機制可以確保接收節(jié)點能夠正確的解碼恢復(fù)出原始信號，有效解決了多跳中繼通信傳輸瓶頸問題，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的固有缺陷問題，使得中繼技術(shù)應(yīng)用于IMT-Advanced成為可能。進一步地，利用網(wǎng)絡(luò)編碼的編碼冗余機制，可顯著增強無線信號傳輸?shù)纳嫘阅芰Γ瑥亩鰪姅?shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院桶踩浴?/p>

[1] Ahlswede R， Cai N， Li S Y R， et al． Network information flow[J]．IEEE Transactions on Information Theory． 2000， 46(4)：1204-1216．

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[7] 彭木根， 王文博． 無線協(xié)同通信原理與應(yīng)用[M]． 北京： 機械工業(yè)出版社， 2008．

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