淺談無線通信網絡中網絡編碼與協作分集技術

李滿平

摘要：網絡編碼技術被引入無線通信中，充分利用了無線通信網絡的廣播特性和數據信息業務的雙向特性，在中繼節點把不同信源節點發送的干擾用編碼關系進行信息融合，提升了無線通信網絡系統的吞吐量和通信效率。無線通信傳輸環境有很多不確定的因素，為了保證傳輸的可靠性，引入了分集的概念，通過傳送多個統計獨立的信號以供譯碼。無線通信環境中，分集技術是_種有效的抗衰落方法。

關鍵詞：無線通信；網絡編碼；協作分集

1網絡編碼技術概述

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

1.1網絡編碼在無線自組織（Ad.Hoc）網絡中的應用

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

1.2網絡編碼在無線傳感網絡中的應用

傳感器網絡是以數據為中心的，在通信節點能收到多個信號，這樣也利用采用網絡編碼技術。通過隨機網絡編碼技術，通信網絡的中繼節點獨立地選擇編碼系數，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網絡編碼在P2P網絡中的應用

P2P網絡主要有實時性的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絡負載分布均衡，并且網絡編碼技術能夠適應P2P通信系統的動態變化特性。

2有限域物理層網絡編碼技術

在無線通信網絡物理層中，所有發送數據都是通過電磁波信號的形式進行傳播的。無線網絡具有有線網絡所沒有的廣播特性，通信網絡中一個發送節點發射出的電磁波信號通常會被多個節點接收。當然，一個接收端也可能在同一時間收到多個節點發送來的信號。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，會嚴重減小無線網絡系統的吞吐量。為具體說明物理層網絡編碼帶來的通信增益，下面介紹下傳統的三節點網絡傳輸方案，以及傳統的網絡編碼通信方案。

2.1非網絡編碼傳輸方案

在現實的通信系統中，通信設備一般都工作在半雙工通信模式，即通信節點不同時進行信號的接收和發送。在網絡編碼技術提出之前，源節點A、B通過中繼節點R進行信息交互。在第一個時隙源節點A發送已調信號至中繼節點R。第二個時隙，基于解碼轉發協議，中繼節點對接收到的信號進行解碼和信號再生得到轉發信號，并將其轉發至源節點B。第三個時隙輪到源節點B發送已調信號至中繼節點R。類似，中繼節點進行解碼和信號再生得到轉發信號，并將其轉發至源節點A。這樣，源節點A、B實現一次信息交互，需要四個時隙。

2.2傳統網絡編碼傳輸方案

引入網絡編碼技術，源節點A、B需要交互源信息和。在第一個時隙，源節點A將已調信號發送至中繼R，中繼節點解調譯碼得到源節點A的源信息。在第二時隙，源節點B將已調信號發送至中繼，中繼節點解調譯碼得到源節點B的源信息。第三時隙，中繼節點進行網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，有限域物理層網絡編碼傳輸方式用2個時隙就實現了源節點A、B之間信息的交互，提升了很大的系統吞吐量。

3協作分集技術

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，就是在統計獨立的衰落信道上傳輸相同的數據，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。在無線通信系統中，最常用的分集技術是時間分集、頻率分集、空間分集和協作分集。

3.1時間分集

當信號發送的時間間隔大于相干時間傳輸同一信號N次，則多次發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。但在現實中，多數的小型設備沒有安裝多個天線，有時候傳播環境也不支持MIMO，這樣往往沒辦法實現滿秩分集。

協作分集中，網絡中的通信節點能夠為信息分布式傳輸和處理進行協作，扮演中繼節點的角色。協作分集網絡中，通信節點執行設計的信號處理算法，多終端能處理從其他節點偵聽到的傳輸信號，且通過彼此的中繼信息進行相互協作。在目的節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計獨立信號。合并方式多數采用線性合并，對不同衰落信號進行加權和。現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

網絡編碼中從信息比特處理的層面分析，網絡編碼融合了路由和傳統編碼，用一定代價的編解碼冗余度來獲取更大通信網絡的傳輸容量。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的傳輸可靠性。