無線網絡中利用中繼節點進行協作通信可為移動用戶提供額外的空域分集增益，在對抗多徑衰落，容量增益以及覆蓋面擴展等方面帶來優勢。近年來，網絡編碼機制[1,2]被用于中繼協作通信，中繼節點對從多條路徑接收到的信息進行編碼轉發，接收節點進行相應解碼以獲得原始信息，以此顯著提高了無線中繼網絡的吞吐量、魯棒性和安全性等[3,4]。
    但是，由于無線網絡拓撲結構的動態變化以及鏈路的時變性，使得無線網絡中難以提供可靠的恒定速率的信息傳輸服務。對此，有人提出了速率適配的網絡編碼方案[6]，通過降低節點瞬時發送速率來增加數據包被串聽(overheard)的范圍，以此增加網絡編碼機會并進一步提高網絡吞吐量。先前網絡編碼[3,5,7]在TWRC（雙向無線中繼信道）中的設計需要在中繼節點對接收到的來自兩個端節點的數據包進行正確的信道譯碼，但是由于信道衰落的時變性，不可能總是假設接收到的數據包被正確譯碼，而且信道譯碼處理會消耗過多的功率。
    針對以上問題，本文提出一種速率自適應的軟網絡編碼傳輸方案，該方案的關鍵特征包括兩個方面：相比于傳統的網絡編碼方案，中繼節點不需要信道譯碼和重新編碼，大大減少了中繼節點的計算復雜度和功率消耗；根據節點之間的信道信噪比估值，源節點自適應調整物理層發送速率響應信道變化，進一步提升系統吞吐性能。
1 軟網絡編碼的基本思想
    傳統的直接網絡編碼SNC(Straightforward Network Coding)在TWRC的設計如圖1所示,來自兩個端節點的數據包在中繼節點被正確譯碼之后才進行網絡編碼合并,這就限制了其吞吐量;由于信道衰落的時變性,不能確保接收到的數據包總是被正確譯碼;信道譯碼處理(尤其是Turbo、LDPC這樣高級的編碼方式)會消耗過多功率,增加計算復雜度。

    軟網絡編碼方案中,中繼節點不需要進行信道譯碼和重新編碼操作,如圖2所示。信道編解碼是在端對端的基礎上,也就是說只在端節點進行信道編碼和相應解碼。

    由于Turbo碼、LDPC等信道編碼的線性性質，即相同長度的兩個碼字可以進行線性合并,而網絡編碼實際上也是線性映射,因此,對于碼字也能夠進行網絡編碼合并。
    為分析簡單起見,假設兩個端節點使用同樣的編碼方式和BPSK調制,以及相同的數據包長度和碼字長度。本文中,定義包括信道編碼和調制過程，信息數據包Ui和要發送的BPSK信號Xi之間的關系為:

    可見,SNC需要兩個信道譯碼器和一個信道編碼器;軟網絡編碼機制中,中繼節點對接收到的兩路信號的軟判決信息進行網絡編碼,而不需要任何信道譯碼,節省了基帶信號處理的功耗,提高了無線網絡中繼節點的功率效率。
     上述對軟網絡編碼的討論是建立在假設兩個終端節點使用相同的信道編碼結構的基礎上,但是可以看出,當兩個終端節點采用不同的信道編碼結構時,軟網絡編碼設計依然適用。這就為下一步的自適應編碼調制提供了必要的條件。
2 速率自適應策略
    不同的編碼調制方式抗噪能力不同,所以,在滿足一定誤碼率的前提下,可根據實際信道擇優選擇編碼調制方案:當用戶處于有利通信地點時(如靠近基站或存在視距鏈路)，對用戶的傳輸數據可以采用較高階的調制方式和較高碼率的信道編碼方式(即高信息率傳輸模式),提高系統總吞吐量;而當用戶處于不利的通信地點時(如位于小區邊緣或者信道處于深衰落),則選取較低階的調制方式和較低碼率的信道編碼方式(即低信息率傳輸模式),保證系統BER需求。
    首先將不同碼率的Turbo編碼和不同階數的調制方式形成N=6種不同數據率的組合Zi,具體為:信道停用,不傳數據;1/2 Turbo碼+BPSK;1/2Turbo碼+QPSK;3/4Turbo碼+QPSK;1/2 Turbo碼+16QAM;1/2Turbo碼+32QAM;3/4
Turbo碼+16QAM。其對應吞吐量bi分別為0,0.5,1,1.5,2,2.5和3(b·s-1·Hz-1)。將信道信噪比范圍劃分為分別對應于N種編碼調制組合方式的N個子集Di,根據系統所要求的BER大小來確定信噪比的閾值集合,使得系統吞吐性能達到最大;發送端根據反饋回來的信噪比信息確定所處的閾值區間,選擇相應的調制方式進行數據傳輸,并將編碼調制參數通過一定的方式通知接收端。
    在TWRC中,使用速率自適應的傳輸策略可以根據信道狀態動態調整發送速率,適應信道變化,在保證通信質量的前提下,得以最大限度地傳輸信息,提高小區的平均吞吐量。
    參考文獻[4]研究表明,即使很簡單的網絡拓撲,聯合速率適配和網絡編碼的最優策略是一個NP-hard問題,作者提供了一個啟發式算法找到一個次優的速率適配和編碼方案,而且證明了發送速率不能隨意降低,否則會導致網絡性能的惡化。
3 方案設計描述
    TWRC中速率自適應的軟網絡編碼傳輸方案如圖3所示,兩個端節點N1和N2在中繼節點N3的協作下相互交換信息。假設3個節點都工作在半雙工方式。由于無線網絡自身的廣播特性,任一節點發送的數據包能夠被其他兩個節點接收。時隙1,N1發送數據包給N2和N3;時隙2,N2發送數據包給N1和N3;時隙3,N3進行網絡編碼操作,合并前兩時隙接收到的兩個數據包并且將處理過的數據包轉發給兩個端節點。

    i、Ki、Mi(i=1,2)分別表示節點處的信道編碼調制映射函數、信息數據包長度和發送數據包長度。假設不同節點i和Ki都不同,Mi相同(當兩個端節點的碼字長度不同,就在較短碼包的末尾添0補齊)。端節點AMC模塊根據信道估計結果,采用AMC算法進行編碼調制方式的選取,并將編碼調制參數通知給另一個端節點。
　　假設節點與節點之間是復高斯廣播信道,則有：
  
    最后,N3廣播x3,m給兩個端節點。
    通過上面的分析,可以看出N3的軟網絡編碼操作實際上是利用y13,m和y23,m估計出(x1,m×x2,m),轉發信號就是對接收的兩個碼字進行XOR操作得到的比特的軟信息。
    以N2為例簡述端節點的數據處理。N2在第一個時隙通過N1和N2之間的直接鏈路接收到信號y12,m,在第三個時隙接收到的信號為:

    這樣,可以形成一個輸入為(x1,m×x2,m),輸出為x3,m的等效虛擬信道。則式(11)可以用圖4這樣一個高斯信道表示,其中hv是實的信道系數,nv為加性高斯噪聲。

4.1 性能比較
    等效信道的吞吐量即為計算輸入信號(x1,m×x2,m)和輸出信號v3,m之間的互信息,即:

     基于MATLAB環境仿真比較SNC和軟網絡編碼兩種方案的信道容量和誤比特性能如圖5所示。仿真條件為:信道編碼為Turbo 編碼,2個分量編碼器結構相同,采用由3個移位寄存器構成的遞歸系統卷積碼,生成多項式為(15,17),碼率為1/2,5次譯碼迭代;調制方式為BPSK;SNC方案中譯碼輸入為兩路軟判決信息的合并信息。所有的鏈路都是噪聲方差相同的AWGN信道。

    從仿真曲線可以看出,與SNC方案相比,軟網絡編碼方案信道容量稍低,誤比特性能稍差,這是因為中繼節點的軟合并操作使得噪聲增強、錯誤概率相應增加,這可以通過虛擬信道看出。對應于硬信息的XOR操作,對兩個軟比特的網絡編碼操作可以表示為:

    從上式可以看出,虛擬信道輸出的LLR值近似于兩個輸入LLR值中較小的一個,也即對應著較大的噪聲方差。但是由圖5可以看出,隨著SNR的增加,軟網絡編碼的性能損失將會減少。在中上水平的SNR范圍內,軟網絡編碼方案有著和SNC幾乎同樣的信道容量。另外,提高編碼速率會減小兩種方案誤比特性能之間的差距。
4.2 速率自適應策略的誤比特性能
    按照6種編碼調制模式，對軟網絡編碼方案進行仿真。
    圖6顯示了不同發送速率下系統的誤比特性能。可以看出,相同信道條件下,不同發送速率的誤比特性能有所差異,即不同的信道信噪比情況對應不同的最優發送速率。則可以得出:(1)源節點與中繼節點之間距離越遠,平均信噪比越低,源節點采用低吞吐量的編碼調制參數有效利用信道容量并且可以獲得很好的誤比特性能;(2)兩者越接近,平均信噪比越高,為了充分利用信道容量必須采用多電平調制參數,選擇最合適的發送速率,在保證通信質量的前提下,得以最大限度地傳輸信息。

    網絡編碼被證明能夠顯著提高無線網絡的性能,而無線信道具有時變和衰落特性,要想取得更大的無線信道容量,必須考慮使發送速率與隨機信道特性相適應。本文針對TWRC提出了聯合速率自適應和軟網絡編碼的方案,結果顯示在中上的信噪比范圍內能達到與傳統網絡編碼幾乎相同的信道容量,誤碼性能稍有損失卻可以降低中繼節點的計算復雜度和功耗,而且每個移動源節點可以根據當前信道確定合適的編碼調制方式,能夠適合不同的傳輸質量需求,在保持較低的誤比特性能的同時,盡可能提高信道容量,從而使性能得到優化。
參考文獻
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