基于復數域網絡編碼的下行傳輸方案設計

王 靜，劉向陽，李 帥，侯旭陽，王新梅

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基于復數域網絡編碼的下行傳輸方案設計

王 靜1，劉向陽2，李 帥1，侯旭陽1，王新梅3

(1. 長安大學信息工程學院 西安 710064; 2. 西安通信學院信息服務系 西安 710106; 3. 西安電子科技大學綜合業務網國家重點實驗室 西安 710071)

為進一步提高無線中繼網絡的信息傳輸速率，提出了一種基于復數域網絡編碼的有效下行傳輸方案。不同于傳統的信息傳輸方案，該方案采用時間維復數域網絡編碼，中繼節點對接收到的多個時隙的信源符號進行復數域網絡編碼并將編碼符號同時發送給用戶節點；用戶節點接收到所有中繼節點的編碼符號，采用聯合最大似然多用戶檢測恢復信源符號。性能分析和仿真結果表明，該方案的符號錯誤概率明顯低于傳統中繼傳輸方案，且能獲得更高的信息傳輸速率和網絡吞吐量。

復數域網絡編碼; 下行傳輸; 網絡吞吐量; 符號錯誤概率; 無線中繼網絡

為了滿足無線網絡在吞吐量、傳輸速率和分集增益等方面的需求，3GPP啟動的LTE-Advanced研究項目將協同多點傳輸(CoMP)和中繼技術作為其基本支撐技術[1-2]。基于中繼技術的協作通信通過減少發射機和接收機間的傳輸距離，從而抵抗多徑衰落，獲得更高的數據傳輸速率、增加無線信道容量并擴展網絡覆蓋范圍[3]，進一步改善無線網絡的通信質量。鑒于無線中繼技術可為移動通信網絡帶來上述諸多好處，目前已經成為IMT-Advanced標準的候選技術[4]。

文獻[5]提出了網絡編碼理論，允許網絡中間節點進行編碼操作，充分利用已有網絡資源進行更加有效的數據傳輸，進一步證明了基于網絡編碼的多播傳輸速率可以達到網絡流量的理論上限值。鑒于無線網絡具有廣播特性，網絡節點發送的信息可以被其傳輸范圍內的所有節點接收，目前已有很多文獻研究無線網絡中的網絡編碼技術。文獻[6]基于網絡編碼技術和物理層廣播特性，將無線網絡全向傳輸特性和網絡編碼技術相結合，提出一種無線網絡的分布式傳輸方案，可以提高無線網絡信息交換的吞吐量。在大規模網絡中，傳統中繼方式降低了頻譜的有效性，文獻[7]提出了自適應網絡編碼合作傳輸協議，將瞬時網絡圖映射為信道編碼圖。物理層網絡編碼是一種新的基于電磁波的網絡編碼方法，利用同時到達電磁波的疊加特性進行伽羅華域網絡編碼[8]，不同于數字比特流上的straightforward網絡編碼算法，中繼節點將接收到的已調電磁波在不解調的情況下，直接進行編碼(加和)操作，提高網絡吞吐量，減少信息傳輸時間。文獻[9]已將物理層網絡編碼應用到蜂窩網絡上下行傳輸的聯合設計中。為進一步提高網絡吞吐量，文獻[10-11]提出了復數域網絡編碼，與伽羅華域網絡編碼相比，復數域網絡編碼不僅能獲得更好的網絡吞吐量性能，還可獲得完全分集增益，且不受信噪比以及所采用調制方式的限制。

考慮移動終端處于無線蜂窩小區的邊界附近，由于無線信道衰落以及基站發送功率的限制，邊界附近的終端用戶無法可靠地接收基站信息，為此本文考慮在蜂窩小區內設置中繼站點，并給出一種基于復數域網絡編碼的下行傳輸方案。對本文方案的符號錯誤概率(symbol error probability，SEP)性能進行仿真發現，隨著中繼節點數目的增加其SEP相應地減少，當無線網絡具有4個中繼節點時，該方案可獲得較好的SEP性能。對本文方案進行理論分析表明，比傳統中繼傳輸方案能獲得更高的網絡吞吐量，消耗更少的傳輸時隙。

1 復數域網絡編碼方案

采用復數域網絡編碼的信息傳輸模型[10-11]，具有個用戶節點和個中繼節點的協作網絡如圖1所示，在前個時隙，個用戶節點連續地向中繼節點和基站傳輸信息，假定到中繼節點的信道衰落系數以及到基站的信道衰落系數在信息傳輸過程中保持不變，滿足～，～。定義，，前個時隙，中繼節點和基站節點接收到的符號為：

(2)

圖1 基于復數域網絡編碼的協作傳輸模型

(4)

(5)

2 基于復數域網絡編碼的下行傳輸方案

2.1 (1, 3, 2)無線中繼網絡

圖2 (1, 3, 2)無線中繼網絡示意圖

(7)

(8)

圖3 (1, 3, 2)無線中繼網絡下行信息傳輸的時隙分配圖

時隙2和時隙3的信息傳輸過程同時隙1，經過3個時隙，中繼節點共檢測到3個信源符號，進行復數域網絡編碼得到編碼符號為：

(10)

(12)

對上述(1, 3, 2)無線中繼網絡中基于復數域網絡編碼的下行信息傳輸過程進行分析，基站共通過 4個時隙向用戶節點和發送了3個符號，符號速率為符號/時隙。

2.2 (1,,)無線中繼網絡

將基于復數域網絡編碼下行傳輸方案從(1,3,2)無線中繼網絡推廣到具有個中繼節點和個用戶節點的無線中繼網絡，其時隙分配如圖4所示。前個時隙，基站向中繼節點連續發送符號，中繼節點()對接收到的符號進行檢測。具體地，在時隙()，基站向中繼節點發送信源符號，此時中繼節點收到的符號為：

(14)

(15)

(17)

(1,,)無線中繼網絡采用基于復數域網絡編碼的下行傳輸方案，基站通過個時隙向用戶節點()發送個符號，符號速率為符號/時隙。

圖4 (1, m, n)無線中繼網絡下行信息傳輸的時隙分配圖

3 性能分析

3.1 網絡吞吐量

通過對上述方案的網絡吞吐量性能進行分析，當無線中繼網絡存在單一中繼節點時，基于復數域網絡編碼的下行信息傳輸方案獲得與傳統中繼轉發方案相同的網絡吞吐量1/2符號/時隙；當中繼節點數時，基于復數域網絡編碼的下行信息傳輸方案的網絡吞吐量為符號/時隙，大于傳統中繼轉發方案。

3.2 符號錯誤概率

采用C++語言進行仿真實驗，對不同SNR下基于復數域網絡編碼下行傳輸方案的SEP進行比較。仿真過程中采用性能最好的BPSK調制。

圖6 基于復數域網絡編碼下行傳輸方案的SEP

基于復數域網絡編碼下行傳輸方案的SEP仿真結果如圖6所示。從SEP曲線可以看出，無線中繼網絡具有個中繼節點時，隨著SNR增加SEP降低。進一步，隨著無線網絡中繼節點數目增加，編碼增益相應地增加，但其增加量不斷地減小。從圖7可以看出，具有個中繼節點的無線網絡，采用復數域網絡編碼下行傳輸方案將得到近似相等的SEP，其編碼增益也近似相等。綜合圖6和圖7得到，隨著無線網絡中繼節點數增加，SEP減少；但當中繼節點數增加到時，SEP不再減少，相應的編碼增益不再增加，此時無線中繼網絡采用基于復數域網絡編碼的下行傳輸方案已獲得較好的傳輸性能。可見，蜂窩小區中放置中繼節點幫助基站傳輸信息，并非數量越多性能越好，設置較多的中繼節點將增加傳輸功率消耗以及用戶節點的數據處理復雜度，且將引入較多的傳輸時延。

圖7 具有個中繼節點的無線網絡采用復數域網絡編碼下行傳輸方案的SEP

無線中繼網絡采用傳統中繼傳輸方案的SEP仿真結果如圖8所示。當中繼節點數增加時，SEP相應地增加，編碼增益減少。從式(18)可以得到，用戶節點()從條獨立路徑接收到信源符號的個副本無法分開，因此用戶節點無法檢測到多個獨立的信源符號的副本，無法獲得階分集增益。隨著中繼節點數的增加，中繼節點上參與復數域網絡編碼的信源符號數目也隨之增加，同時增加了中繼節點上復數域網絡編碼的復雜度和用戶節點上的檢測復雜度。同時，用戶節點的檢測可靠性降低，SEP相應地增加。對圖6和圖8進行對比分析，無線中繼網絡采用基于復數域網絡編碼的下行傳輸方案其SEP較低，編碼增益遠遠高于傳統中繼傳輸方案。

圖8 傳統中繼傳輸方案的SEP

4 結束語

由于無線信道衰落以及基站發送功率的限制，蜂窩小區邊界處的移動終端無法可靠地接收基站信息，考慮在蜂窩小區內設置中繼站點，提出一種基于復數域網絡編碼的下行傳輸方案。該方案的SEP明顯低于傳統中繼轉發方案，且該方案將獲得更高的信息傳輸速率和網絡吞吐量。需要指出，由于提出的下行傳輸方案里中繼節點需進行復數域網絡編碼，而且用戶節點需對復數域編碼符號進行最大似然檢測，相對于傳統中繼轉發方案，中繼節點和用戶節點執行的復雜度略高，消耗的時間也比傳統方案略多。

本文研究得到了西安市科技計劃項目(CXY1340(4))的支持，在此表示感謝。

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編 輯 張 俊

Design of Downlink Transmission Scheme Based on Complex Field Network Coding

WANG Jing1, LIU Xiang-yang2, LI Shuai1, HOU Xu-yang1, and WANG Xin-mei3

(1. School of Information Engineering, Chang’an University Xi’an 710064; 2. Department of Information Service, Xi’an Communication College Xi’an 710106; 3. State Key Laboratory of Integrated Service Networks, Xidian University Xi’an 710071)

To further improve information transmission rate of wireless relay networks, an efficient downlink transmission scheme based on complex field network coding is proposed in this paper. Specifically, different from traditional information transmission scheme, the proposed downlink transmission scheme employs complex field network coding of time dimension, and each relay encodes the source symbols of multiple time slots received by complex field network coding, and transmits the encoded symbols to destinations simultaneously. Based on the data received from multiple relays, joint maximum likelihood multiuser detection is adopted at destinations to achieve the source symbols. Performance analysis and simulation results show that the symbol error probability (SEP) of the downlink transmission scheme is much less than the conventional relay transmission scheme. Moreover, the scheme can obtain higher information transmission rate and network throughput.

complex field network coding; downlink transmission; network throughput; symbol error probability; wireless relay network

TN911.2

A

10.3969/j.issn.1001-0548.2015.01.005

2013-01-09；

2014-11-13

國家自然科學基金(61040005, 61001126, 61271262)；中國博士后科學基金(20110491638, 2012T50789)；陜西省自然科學基金(2014JQ8300)；國家級大學生創新創業訓練計劃(201310710034)

王靜(1982-)，女，博士，副教授，主要從事網絡編碼理論方面的研究.