物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的研究王峰

1、物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的研究物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的研究 姓名： 王峰 學(xué)號(hào)： 0100349015 大綱大綱一一. . 網(wǎng)絡(luò)編碼概述網(wǎng)絡(luò)編碼概述 二二. . 物理層網(wǎng)絡(luò)編碼介紹物理層網(wǎng)絡(luò)編碼介紹 三三. . 信道編碼介紹信道編碼介紹 四四. . 四種方案的比較四種方案的比較網(wǎng)絡(luò)編碼概述網(wǎng)絡(luò)編碼概述 一一. .網(wǎng)絡(luò)編碼概述網(wǎng)絡(luò)編碼概述 如圖1-1所示，在傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)(可以是交換機(jī)或路由器)，在存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)模式下，節(jié)點(diǎn)只進(jìn)行數(shù)據(jù)分組的路由和復(fù)制。而不同與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，具有網(wǎng)絡(luò)編碼功能的節(jié)點(diǎn)則會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行編碼/解碼運(yùn)算，交換機(jī)輸出的信息流是其輸入的信息流的函數(shù)。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)模式可看作網(wǎng)絡(luò)編碼的特例

2、。網(wǎng)絡(luò)編碼概述網(wǎng)絡(luò)編碼概述網(wǎng)絡(luò)編碼應(yīng)用舉例網(wǎng)絡(luò)編碼應(yīng)用舉例 下面將以經(jīng)典的蝴蝶網(wǎng)絡(luò)為例，來(lái)說(shuō)明網(wǎng)絡(luò)編碼的使用可以使網(wǎng)絡(luò)通信達(dá)到最大流限。圖1-2是一個(gè)具有兩個(gè)目的節(jié)點(diǎn)的單位容量(每條邊的容量為1)多播網(wǎng)絡(luò)，假設(shè)各鏈路無(wú)差錯(cuò)和無(wú)時(shí)延。則（a）中的傳輸會(huì)出錯(cuò)，而（b）中應(yīng)該網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)成功傳輸。 物理層網(wǎng)絡(luò)編碼介紹物理層網(wǎng)絡(luò)編碼介紹二二. .物理層網(wǎng)絡(luò)編碼介紹物理層網(wǎng)絡(luò)編碼介紹 2 2.1.1物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的提出物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的提出 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與有限網(wǎng)絡(luò)相比，一個(gè)最大的區(qū)別就是它的廣播特性。在傳統(tǒng)的無(wú)限網(wǎng)絡(luò)中，要盡量避免同時(shí)收到多個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信號(hào)，因?yàn)檫@些信號(hào)會(huì)相互干擾，使系統(tǒng)的性能下降。 張勝利等

3、人在2006年提出了通過(guò)把同時(shí)收到的兩個(gè)信號(hào)的電磁波進(jìn)行映射可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)編碼，從而把相互干擾的信號(hào)變成有用信號(hào)，提高了系統(tǒng)的吞吐量。這種通過(guò)把物理層的疊加后的電磁波進(jìn)行映射來(lái)實(shí)現(xiàn)等效的網(wǎng)絡(luò)編碼的過(guò)程被稱(chēng)為物理層網(wǎng)絡(luò)編碼（PNC）。物理層網(wǎng)絡(luò)編碼介紹物理層網(wǎng)絡(luò)編碼介紹2 2. .2 2三種傳輸方案的比較三種傳輸方案的比較 考慮到如圖2-1所示的三節(jié)點(diǎn)的線(xiàn)性網(wǎng)絡(luò)模型。在此模型中節(jié)點(diǎn)1和 節(jié)點(diǎn)3是需要相互交換信息的節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)2是中繼。在介紹物理層網(wǎng)絡(luò)編碼傳輸方案之前，先對(duì)傳統(tǒng)的傳輸方案和一般的網(wǎng)絡(luò)編碼方案進(jìn)行介紹。 物理層網(wǎng)絡(luò)編碼介紹物理層網(wǎng)絡(luò)編碼介紹物理層網(wǎng)絡(luò)編碼介紹物理層網(wǎng)絡(luò)編碼介紹物理層網(wǎng)絡(luò)編

4、碼介紹物理層網(wǎng)絡(luò)編碼介紹物理層網(wǎng)絡(luò)編碼介紹物理層網(wǎng)絡(luò)編碼介紹物理層網(wǎng)絡(luò)編碼介紹物理層網(wǎng)絡(luò)編碼介紹2 2. .3 3物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的映射方式物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的映射方式 假設(shè)所有的節(jié)點(diǎn)均采用QPSK（四相相移鍵控）調(diào)制，并且假設(shè)符號(hào)級(jí)和載波相位同步，并運(yùn)用功率控制，使得從 和 到達(dá) 的信號(hào)具有相同的幅度和相位。那么在一個(gè)符號(hào)周期內(nèi) 收到的帶通信號(hào)可以表示為： 21311331313( )( )( )()() ()()()()()()r ts ts ta cos wtbsin wta cos wtb sin wtaa cos wtbb sin wt物理層網(wǎng)絡(luò)編碼介紹物理層網(wǎng)絡(luò)編碼介紹 表2-1是物理層

5、網(wǎng)絡(luò)編碼映射方式的表格，此表中左半部分是N1和N3 的調(diào)制映射，右半部分是N2的解調(diào)和調(diào)制映射。 信道編碼介紹信道編碼介紹三三. .信道編碼介紹信道編碼介紹 信道編碼的實(shí)質(zhì)是通過(guò)增加信息的冗余度來(lái)?yè)Q取信息傳遞的可靠性。信道編碼的原理，就是根據(jù)要發(fā)送的信息比特增加一定數(shù)量的冗余比特（也即校驗(yàn)比特），使它們滿(mǎn)足一定的約束關(guān)系，把信息比特和校驗(yàn)比特組成碼字進(jìn)行發(fā)送，而在接收端根據(jù)碼字中的約束關(guān)系進(jìn)行檢錯(cuò)和糾錯(cuò)。 但是，校驗(yàn)比特的加入勢(shì)必造成原有信息傳輸速率的降低。如何提高信息傳輸效率是有效性問(wèn)題，而降低信息傳輸?shù)恼`碼率是可靠性問(wèn)題。一般而言，增加發(fā)送信息的冗余度可以提高通信的可靠性，但又會(huì)浪費(fèi)帶寬，

6、造成有效性的降低。因此，信道編碼研究要在信息傳輸?shù)挠行院涂煽啃灾g做出平衡，研究給定條件下最合適的技術(shù)。信道編碼介紹信道編碼介紹3.1 LDPC3.1 LDPC碼和碼和TURBOTURBO碼碼 LDPC信道編碼技術(shù)是編碼界的重要成果之一。1/2碼率的二元LDPC碼在AWGN信道下的性能距離信息論中的香農(nóng)限僅差0.0045dB。LDPC碼與高效調(diào)制相結(jié)合，能滿(mǎn)足移動(dòng)通信高速數(shù)據(jù)大容量傳輸?shù)钠惹幸蟆Ｈ欢?，LDPC碼面臨的一個(gè)主要問(wèn)題是較高的編碼復(fù)雜度，如果采用普通的編碼方式，LDPC碼有二次方的編碼復(fù)雜度，在碼長(zhǎng)較長(zhǎng)時(shí)是難以接收的。 Turbo碼是一種并行級(jí)聯(lián)卷積碼，其關(guān)鍵技術(shù)是利用交織器和迭

7、代譯碼實(shí)現(xiàn)了信道編碼定理指出的隨即編碼和最大似然譯碼，譯碼性能可以逼近香農(nóng)限。但是Turbo碼對(duì)交織器的要求很高，實(shí)現(xiàn)逼近香農(nóng)限的難度大。Turbo碼編碼簡(jiǎn)單，又具有逼近香農(nóng)限的性能，但是其譯碼實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度高，單個(gè)譯碼器很難滿(mǎn)足更高的寬帶傳輸，而且多個(gè)譯碼器的并行實(shí)現(xiàn)難度大。 信道編碼介紹信道編碼介紹3.2 3.2 漢明碼漢明碼 漢明碼是一組固定長(zhǎng)度的碼組，可表示為（n，k）。在漢明碼中，監(jiān)督位被加到信息位之后，形成新的碼。在編碼時(shí)，k個(gè)信息位被編為n位碼組長(zhǎng)度，而n-k個(gè)監(jiān)督位的作用就是實(shí)現(xiàn)檢錯(cuò)與糾錯(cuò)。下面將以（7，4）漢明碼為例，對(duì)漢明碼進(jìn)行介紹。 在一個(gè)長(zhǎng)度為n的碼組上，前面的k個(gè)位置為信

8、息位的位置，后面的r（r=n-k）個(gè)位置為監(jiān)督位的位置。這r個(gè)監(jiān)督位有2r種組合方式，如果用其中的一種組合表示無(wú)錯(cuò)，則其余的2r-1種組合就可以表示1位錯(cuò)碼的2r-1種可能位置。如果希望用r個(gè)監(jiān)督位構(gòu)造監(jiān)督關(guān)系式來(lái)指示一位錯(cuò)碼的位置，則要求 式（3-1)稱(chēng)為漢明不等式。 信道編碼介紹信道編碼介紹 圖3-1為（7，4）漢明碼的16個(gè)許用碼組。（7，4）漢明碼的最小碼距為3，所以它能糾正出一個(gè)錯(cuò)碼或者檢出兩個(gè)錯(cuò)碼。漢明碼的碼率如式（3-2）所示： 當(dāng)n增大時(shí)，隨著增大，即可通過(guò)增加碼長(zhǎng)提高編碼效率，故漢明碼是一類(lèi)高效碼。但是由于式（3-2）是糾正一位錯(cuò)誤的漢明碼的碼率，當(dāng)碼長(zhǎng)增加時(shí)，兩個(gè)碼位或兩個(gè)

9、以上碼位同時(shí)出錯(cuò)的概率會(huì)增加，這時(shí)無(wú)法糾正錯(cuò)誤。也就是說(shuō)碼長(zhǎng)增加時(shí)誤碼率會(huì)變大，所以在選擇漢明碼時(shí)要從碼長(zhǎng)和誤碼率這兩方面折衷考慮。 1knrrnnn 信道編碼介紹信道編碼介紹圖圖3-1 （7，4）漢明碼的）漢明碼的16個(gè)許用碼組個(gè)許用碼組四種方案的比較四種方案的比較四四. .四種方案的比較四種方案的比較 在本章中將對(duì)四種傳輸方案進(jìn)行分析比較。前兩個(gè)方案是已有的方案，后兩種方案是在自己提出的。下面將從誤幀率和吞吐量這兩個(gè)方面對(duì)這四個(gè)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)。我的主要工作在于提出后兩種方案以及對(duì)四種方案的誤幀率進(jìn)行公式推導(dǎo)和仿真。方案一方案一 傳統(tǒng)的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼方案?jìng)鹘y(tǒng)的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼方案 四種方案的比較

10、四種方案的比較四種方案的比較四種方案的比較方案一誤幀率公式推導(dǎo)方案一誤幀率公式推導(dǎo)四種方案的比較四種方案的比較方案二方案二 網(wǎng)絡(luò)編碼與信道編碼方案相結(jié)合的DF方案 四種方案的比較四種方案的比較方案二誤幀率公式推導(dǎo)方案二誤幀率公式推導(dǎo)四種方案的比較四種方案的比較方案三方案三 物理層網(wǎng)絡(luò)編碼與信道編碼相結(jié)合的方案 四種方案的比較四種方案的比較方案三誤幀率公式推導(dǎo)方案三誤幀率公式推導(dǎo)四種方案的比較四種方案的比較對(duì)方案三的改進(jìn)對(duì)方案三的改進(jìn) 由于兩個(gè)（7，4）漢明碼的許用碼組進(jìn)行異或之后仍然是一個(gè)許用碼組，而物理層網(wǎng)絡(luò)編碼也是進(jìn)行異或，因此可以在物理層網(wǎng)絡(luò)編碼之后進(jìn)行一次漢明碼的解碼，從而降低誤幀率。四種方案的比較四種方案的比較方案四方案四 改進(jìn)后的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼與信道編碼相結(jié)合的方案四種方案的比較四種方案的比較方案四誤幀率公式推導(dǎo)方案四誤幀率公式推導(dǎo)四種方案的比較四種方案的比較四種傳輸方案的誤幀率與歸一化信噪比關(guān)系曲線(xiàn)四種傳輸方案的誤幀率與歸一化信噪比關(guān)系曲線(xiàn)四種方案的比較四種方案的比較四種傳輸方案的誤幀率與歸一化信噪比的對(duì)應(yīng)表四種方案的比較四種方案的比較仿真結(jié)果仿真結(jié)果四種方案的比較四種方案的比較仿真得到的誤幀率與歸一化信噪比的對(duì)應(yīng)表四種方案的比較四種方案的比較對(duì)四種方案的評(píng)價(jià)誤幀率 在歸一化信噪比相同的條件下，方案一的誤幀率最高，方案三的誤幀率次之，而方案二與方案四的誤幀率非常接