淺談無線通信網(wǎng)絡中網(wǎng)絡編碼與協(xié)作分集技術

李滿平

摘要：網(wǎng)絡編碼技術被引入無線通信中，充分利用了無線通信網(wǎng)絡的廣播特性和數(shù)據(jù)信息業(yè)務的雙向特性，在中繼節(jié)點把不同信源節(jié)點發(fā)送的干擾用編碼關系進行信息融合，提升了無線通信網(wǎng)絡系統(tǒng)的吞吐量和通信效率。無線通信傳輸環(huán)境有很多不確定的因素，為了保證傳輸?shù)目煽啃裕肓朔旨母拍?，通過傳送多個統(tǒng)計獨立的信號以供譯碼。無線通信環(huán)境中，分集技術是_種有效的抗衰落方法。

關鍵詞：無線通信；網(wǎng)絡編碼；協(xié)作分集

1網(wǎng)絡編碼技術概述

網(wǎng)絡編碼技術被引入無線通信中，充分利用了無線通信網(wǎng)絡的廣播特性和數(shù)據(jù)信息業(yè)務的雙向特性，在中繼節(jié)點把不同信源節(jié)點發(fā)送的干擾用編碼關系進行信息融合，提升了無線通信網(wǎng)絡系統(tǒng)的吞吐量和通信效率。無線通信傳輸環(huán)境有很多不確定的因素，為了保證傳輸?shù)目煽啃?，引入了分集的概念，通過傳送多個統(tǒng)計獨立的信號以供譯碼。網(wǎng)絡編碼融合了路由和傳統(tǒng)編碼，用一定代價的編解碼冗余度來獲取更大的通信網(wǎng)絡傳輸容量?，F(xiàn)在網(wǎng)絡編碼在無線通信網(wǎng)絡中的應用主要有：

1.1網(wǎng)絡編碼在無線自組織（Ad.Hoc）網(wǎng)絡中的應用

在無線自組織網(wǎng)絡中，采用網(wǎng)絡層和物理層平衡鏈路帶寬供需的跨層優(yōu)化策略，利用網(wǎng)絡編碼技術來優(yōu)化路由算法，可以提升了無線自組織網(wǎng)絡的多播吞吐量。引入網(wǎng)絡編碼技術，增加了通信網(wǎng)絡的復雜性和成本。

1.2網(wǎng)絡編碼在無線傳感網(wǎng)絡中的應用

傳感器網(wǎng)絡是以數(shù)據(jù)為中心的，在通信節(jié)點能收到多個信號，這樣也利用采用網(wǎng)絡編碼技術。通過隨機網(wǎng)絡編碼技術，通信網(wǎng)絡的中繼節(jié)點獨立地選擇編碼系數(shù)，對輸入的信息比特流進行線性運算，然后將運算后的結果廣播出去。

1.3網(wǎng)絡編碼在P2P網(wǎng)絡中的應用

P2P網(wǎng)絡主要有實時性的P2P流媒體播放和非實時性的P2P文件下載兩種服務。在P2P文件下載中，采用網(wǎng)絡編碼技術可以使得傳輸信息分塊隨機組合，進而使得整個通信網(wǎng)絡負載分布均衡，并且網(wǎng)絡編碼技術能夠適應P2P通信系統(tǒng)的動態(tài)變化特性。

2有限域物理層網(wǎng)絡編碼技術

在無線通信網(wǎng)絡物理層中，所有發(fā)送數(shù)據(jù)都是通過電磁波信號的形式進行傳播的。無線網(wǎng)絡具有有線網(wǎng)絡所沒有的廣播特性，通信網(wǎng)絡中一個發(fā)送節(jié)點發(fā)射出的電磁波信號通常會被多個節(jié)點接收。當然，一個接收端也可能在同一時間收到多個節(jié)點發(fā)送來的信號。信號的疊加往往會造成信號之間的相互干擾。在無線網(wǎng)絡中，人們都認為這種干擾會帶來負面影響，會嚴重減小無線網(wǎng)絡系統(tǒng)的吞吐量。為具體說明物理層網(wǎng)絡編碼帶來的通信增益，下面介紹下傳統(tǒng)的三節(jié)點網(wǎng)絡傳輸方案，以及傳統(tǒng)的網(wǎng)絡編碼通信方案。

2.1非網(wǎng)絡編碼傳輸方案

在現(xiàn)實的通信系統(tǒng)中，通信設備一般都工作在半雙工通信模式，即通信節(jié)點不同時進行信號的接收和發(fā)送。在網(wǎng)絡編碼技術提出之前，源節(jié)點A、B通過中繼節(jié)點R進行信息交互。在第一個時隙源節(jié)點A發(fā)送已調信號至中繼節(jié)點R。第二個時隙，基于解碼轉發(fā)協(xié)議，中繼節(jié)點對接收到的信號進行解碼和信號再生得到轉發(fā)信號，并將其轉發(fā)至源節(jié)點B。第三個時隙輪到源節(jié)點B發(fā)送已調信號至中繼節(jié)點R。類似，中繼節(jié)點進行解碼和信號再生得到轉發(fā)信號，并將其轉發(fā)至源節(jié)點A。這樣，源節(jié)點A、B實現(xiàn)一次信息交互，需要四個時隙。

2.2傳統(tǒng)網(wǎng)絡編碼傳輸方案

引入網(wǎng)絡編碼技術，源節(jié)點A、B需要交互源信息和。在第一個時隙，源節(jié)點A將已調信號發(fā)送至中繼R，中繼節(jié)點解調譯碼得到源節(jié)點A的源信息。在第二時隙，源節(jié)點B將已調信號發(fā)送至中繼，中繼節(jié)點解調譯碼得到源節(jié)點B的源信息。第三時隙，中繼節(jié)點進行網(wǎng)絡編碼得到新的編碼信息，然后編碼調制得到新的信號，最后將其廣播出去。由以上分析可知，有限域物理層網(wǎng)絡編碼傳輸方式用2個時隙就實現(xiàn)了源節(jié)點A、B之間信息的交互，提升了很大的系統(tǒng)吞吐量。

3協(xié)作分集技術

無線通信具有空間的開放性，所以無線通信鏈路常伴有衰落，比如瑞麗衰落，陰影衰落。這些衰落對通信質量有較大的影響，也造成系統(tǒng)功率的損失。為了對抗衰落，在無線通信中引入了分集合并技術。所謂分集，就是在統(tǒng)計獨立的衰落信道上傳輸相同的數(shù)據(jù)，所有獨立路徑同時陷入深衰落的可能性比較小，在接收端通過合并達到抵抗衰落的目的。分集技術主要利用信號的時域分量、頻域分量以及空域分量來實現(xiàn)。在無線通信系統(tǒng)中，最常用的分集技術是時間分集、頻率分集、空間分集和協(xié)作分集。

3.1時間分集

當信號發(fā)送的時間間隔大于相干時間傳輸同一信號N次，則多次發(fā)送的信號的衰落性能彼此獨立，在接收端就可以得到N個獨立的分集信號。

3.2空間分集

不同發(fā)送信號具有空間獨立性，使用多個天線，當相鄰天線的間隔距離時（表示工作波長），各工種天線的信號衰落特性是相互獨立的。

3.3頻率分集

頻率分集是利用多個載波頻率發(fā)送獨立的信號。為了減少多個頻率的相互干擾，保證各分集頻率在頻域上相互獨立，各個載頻之間必須設置頻率間隔，該間隔要大于或者等于信道的相干帶寬。

3.4協(xié)作分集

MIMO技術要求移動終端具有多個天線裝置，且天線要處于獨立衰落信道中。但在現(xiàn)實中，多數(shù)的小型設備沒有安裝多個天線，有時候傳播環(huán)境也不支持MIMO，這樣往往沒辦法實現(xiàn)滿秩分集。

協(xié)作分集中，網(wǎng)絡中的通信節(jié)點能夠為信息分布式傳輸和處理進行協(xié)作，扮演中繼節(jié)點的角色。協(xié)作分集網(wǎng)絡中，通信節(jié)點執(zhí)行設計的信號處理算法，多終端能處理從其他節(jié)點偵聽到的傳輸信號，且通過彼此的中繼信息進行相互協(xié)作。在目的節(jié)點對中繼信息進行組合就能產生空間分集。在接收端，必須采取相應的合并技術合并接收到的多個統(tǒng)計獨立信號。合并方式多數(shù)采用線性合并，對不同衰落信號進行加權和。現(xiàn)在比較常用的合并方式有，選擇合并技術、等增益合并技術以及最大比合并技術。

4結語

網(wǎng)絡編碼中從信息比特處理的層面分析，網(wǎng)絡編碼融合了路由和傳統(tǒng)編碼，用一定代價的編解碼冗余度來獲取更大通信網(wǎng)絡的傳輸容量。然后在分集技術中，介紹了比較常見的分集技術。分集技術能提供多個統(tǒng)計獨立信號副本，這樣可以避免所有獨立路徑都同時陷入深衰落中。由此可得，分集技術對抵抗多徑衰落具有良好的作用，增加了無線通信系統(tǒng)的傳輸可靠性。