网络编码在IMT-Advanced协作中继中的应用

赵明峰

（中国移动通信集团设计院有限公司四川分公司，成都 610041）

网络编码在IMT-Advanced协作中继中的应用

赵明峰

（中国移动通信集团设计院有限公司四川分公司，成都 610041）

在IMT-Advanced协作中继中引入网络编码技术，它可以进一步提升网络吞吐量、负载均衡、安全性和顽健性。针对多用户的上行多址接入中继信道模型，给出了基于网络编码的传输策略，在此基础上，分析了该策略下的系统可达速率及中断概率，并与传统机制进行了比较。实验结果表明，网络编码可有效提升系统性能并节约无线链路资源，从而表明了网络编码在IMT-Advanced协作中继中应用的巨大潜力和优势。

网络编码；可达速率；中断概率

1 引言

由于无线通信环境下有限的频谱资源及已有资源占用情况，下一代无线移动通信系统将采用更高的频率作为传输媒介。然而较高的频率穿透损耗较大导致覆盖范围进一步收缩，进一步地考虑到无线通信用户突发剧增带来的呼吸效应所带来的覆盖范围收缩。这两个方面的因素无疑加剧了基站覆盖范围的显著收缩，从而增加了基站部署数量和建设的成本及后期维护开销。为此，3GPP在下一代宽带蜂窝移动通信系统IMT-Advanced中一方面考虑采用传统的无线中继技术来扩展覆盖范围，同时也在考虑采用协作中继技术进一步提供额外的分集增益，从而提高覆盖范围和节约建站开销。然而，无论是传统的中继技术还是协作中继技术，这两种方式都需要为中继链路提供额外的资源。尤其未来4G将采用更大带宽（如TD-LTE采用20 MHz）进行同频组网，若采用中继技术在提升覆盖及容量的同时也会带来较低的频谱资源利用率和较大的链路开销。

为了解决引入中继技术所带来的固有缺陷，需要在现有中继技术基础上引入新的技术以改善其引入所带来的开销，并解决其固有缺陷。网络编码技术[1]的提出及在无线场景中的应用无疑为中继技术应用于IMTAdvanced成为可能。由于网络编码技术允许中间节点对接收到的不同路径的信息进行编码处理后再进行转发，且目标接收节点能够完整地恢复出这些编码后的信息，理论上达到了通信网络容量的极限，从而有效增强无线中继传输的性能。

为此，为了分析网络编码在IMT-Advanced协作中继通信中应用的可行性及性能，本文将针对多源点——单中继——单基站的上行协作传输场景，讨论引入网络编码后的系统性能，并与传统的放大转发中继机制、解码转发中继机制及直传机制进行比较。最后，仿真验证基于网络编码的协作传输机制较传统机制的巨大优势和应用潜力。

2 系统模型和网络编码机制

在讨论多源——单中继——单基站的多用户上行协作传输通信场景前，我们首先给出相应的模型定义及参数设定。假定存在n个用户的源节点S1，…， Sn在单中继节点R的协作下进行上行协作传输到基站eNode B节点D，其中D与R均处于源节点S1，…，Sn的覆盖范围内，R位于源节点S1，…，Sn与节点D之间。各个节点都采用半双工方式，路径衰减因子为4，信道系数的平方存在这样的关系：， 其中duv表示节点v与节点v之间的距离，所有无线链路的信道都是近似为瑞利平坦衰落。x1，…，xn分别表示用户源节点S1，…， Sn所承载码元的信号，对应场景如图1所示。

图1 多用户上行协作传输

在网络编码的多用户上行协作传输场景中，首先，节点D接收到n个源在n个不同时隙或n个正交信道（统称为n个资源块）发来的直传链路信号，中继节点R接收并解码源节点所发送的信号后并不急于转发给节点D，而是接收到n个源所发送的信号x1，…xn后，采用网络编码XOR编码运算[2]，将其编码合并为叠加信号再转发给节点D，也称之为直接网络编码（Direct Network Coding，DNC）。节点D利用已接收的各源节点的信号，可对叠加信号进行解码以实现叠加信号的分离，从而恢复出所有源节点经过中继节点所转发过来的信号。对节点D来说，它可获得2阶的接收分集增益，从而提高系统的可靠性。对整个系统来说，n个用户在基于网络编码的协作传输机制下完成一轮信息的传输仅需n＋1块资源，而传统的中继协作机制则需2n块资源，其对应帧结构分别等价表示为图2和图3[3]。因此，采用网络编码的协作传输机制可以显著节约时隙资源开销，提升资源利用效率，降低引入中继技术所带来的额外开销，为中继技术应用于IMT-Advanced奠定良好的理论基础。

图2 传统中继协作机制的帧结构

图3 基于网络编码协作机制的帧结构

3 性能分析

为了进行性能比较，我们分别给出传统的放大转发中继机制、解码转发中继机制及直传机制及基于网络编码机制下n个用户上行协作传输的系统可达速率（Achievable Rate）。为了便于后续的分析，可达速率以任意的某个目的源节点i(i∈{1，…，n})来展开讨论，资源块以占用时隙来表示，定义整个帧的持续时间为t秒，假定不同帧的每个时隙有相同的长度T，系统的有效带宽为W。所有信道模型均采用瑞利衰落信道（Rayleigh Faded Channel），各接收节点处的噪声服从均值为零，方差为N的高斯白噪声。

3.1 可达速率

根据图3可知，基于网络编码的上行协作传输机制中任意一个用户源点仅需占用t/(n+1)个时隙完成一轮信息的传输。采用文献[4]的分析方法，则任一用户源Si经直传和中继R编码转发到基站节点D的可达速率RNDC(Si，R，D)可表示为

若采用传统的放大转发型中继协作传输机制（AF），则利用文献[5]的结论，任一用户源Si经直传和中继R放大转发到基站节点D的可达速率RAF(Si，R，D)可表示为

若采用传统的解码转发中继协作传输机制（DF），则利用文献[6]的结论，任一用户源Si经直传和中继R编码转发到基站节点D的可达速率RDF(Si，R，D)可表示为

若采用传统的无中继协作的直传机制（DT），则任一用户源Si经直传至节点D可达速率RDT(Si，R，D)可表示为

其中，IDNC、IAF、IDF、IDT分别表示DNC、AF、DF和DT 4类不同机制下的互信息。SNRDT、、、分别表示直传链路的有效信噪比，经中继直接网络编码转发的有效信噪比，经中继放大转发的有效信噪比和经中继解码转发的有效信噪比。PSi、PS分别表示源点Si和中继节点R的发射功率，hSiR、hSiD、hRD分别表示各链路的信道系数。

3.2 中断概率

利用文献[7]中中断概率的定义以及3.1节不同机制下的可达速率结论，基于不同机制下的所需数据速率要求，在准静态衰落信道条件下，模拟运行十万次可得任一用户源Si在不同机制下的中断概率。

4 数值仿真

根据3.1节及3.2节的分析与结论，本节将对多用户上行协作传输场景下不同机制的性能进行仿真分析，以验证网络编码在无线协作中继中的优势。为便于分析及仿真验证，现假定系统参数如下：带宽W=20 MHz，所有源节点、中继节点的发射功率为1 W，接收节点处的噪声方差为10-10W，用户源点数n=10，对应的位置关系如图4所示。

图4 多用户上行协作传输位置关系

考虑到类似性，我们以其中任一源点S3为例，则对应可达速率与协作用户数间的关系如图5所示。

图5 可达速率与用户数n间的关系

从图5可知， 针对用户源点S3，DNC机制、DT机制、AF机制和DF机制均随参与协作用户源点数增加，其对应可达速率逐渐降低。这是由于参与协作的用户源点数越多，所占用的时隙资源及噪声累积等将增加从而导致有效信噪比降低，进而导致可达速率降低，但DNC机制均优于现有的其余3类机制。

同样地，针对S3，我们可以得到4类不同机制下的可达速率如表1所示。

表1 4 种不同机制下的可达速率

从表1可知，与其余3类机制相比较，DNC机制下用户源点S3可获得明显最优的可达速率，可以显著提升速率。

进一步地，在随机准静态衰落信道条件下，运行10万次得到S3（300， 350）在该场景下所对应的中断概率随所需数据速率变化情况如图6所示。

图6 中断概率与数据速率变化关系

从图6可知，针对S3，DNC机制所获得的性能明显优于现有的3类机制。因此表明，采用网络编码机制的协作中继机制可提升系统的性能，降低中断发生的概率。

从以上仿真结果可知，网络编码技术与中继技术的结合，可有效改善传统中继技术的固有缺陷，进一步提升系统的性能，节约链路资源开销。

5 结论

网络编码技术打破了传统通信网络中中间节点只能存储转发的模式，它允许中继节点对接收到的不同路径的信号进行编码运算处理再进行转发，同时采用适当的解码机制可以确保接收节点能够正确的解码恢复出原始信号，有效解决了多跳中继通信传输瓶颈问题，可以大大提升网络的容量和吞吐量。它与中继技术相结合较好地解决了引入中继所带来的固有缺陷问题，使得中继技术应用于IMT-Advanced成为可能。进一步地，利用网络编码的编码冗余机制，可显著增强无线信号传输的生存性能力，从而增强数据传输的可靠性和安全性。

[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．

[2] Katti S， Rahul H， Hu W． XORs in the air： practical wireless network coding[J]． IEEE/ACM Transections on Networking． 2008，16(3)：497-510．

[3] 赵明峰． 基于网络编码的无线协作通信系统研究[D]． 成都：电子科技大学， 2011．

[4] Bao W， Hao Y F， Wang T． XOR in hexagram： on the performance of cooperative network coding in polling-based wireless networks[A]．Wireless Communications and Networking Conference (WCNC)[C]． 2011 IEEE， pp．874-879．

[5] Sharma S， Shi Y， Liu J， et al． Is network coding always good for cooperative communications[A]． Proceedings of the IEEE International Conference on Computer Communications[A]． San Diego， CA， 2010．1-9．

[6] Zhao M F， Zhou Y J， Yuan Q， Yang Y X． An Optimal transmit power allocation for multiple-access relay channel with analog network coding[A]． 2011 4th IEEE International Conference on Computer Science and Information Technology (ICCSIT2010)[C]． Chengdu， China， Vol． 5，2010． 546-549．

[7] 彭木根， 王文博． 无线协同通信原理与应用[M]． 北京： 机械工业出版社， 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