无线多跳网络中物理层网络编码方案的设计与实现

论文摘要

网络编码技术通过在中继节点处对数据包进行编码来提高中继网络的吞吐量。在此基础上,物理层网络编码（Physical Layer Network Coding, PNC）将数据包的编码运算放在物理层上进行。在采用物理层网络编码进行传输的时候,源节点同时发送数据包,携带数据包的信号在空间内叠加,中继节点从叠加的信号中提取编码后的数据包。通过采用物理层网络编码,网络的吞吐量得以进一步提高。本文重点研究在无线多跳网络中物理层网络编码的实现方案,主要包括支持物理层网络编码的介质访问控制（Medium Access Control, MAC）协议设计、物理层网络编码中自适应传输速率方案的设计以及二者的结合。由于协调节点间的同时发送存在一定困难,现有的大多数关于物理层网络编码的研究均在简单的MAC协议的基础上进行。然而,这些简单的MAC协议不适用于一般的多跳网络。本文提出一种支持多跳网络中物理层网络编码的分布式MAC协议（简称PNC-MAC）。该协议基于载波监听多址接入（Carrier Sense Multiple Access, CSMA）机制,并且在IEEE802.11协议的基础上进行扩充。在支持物理层网络编码的同时,PNC-MAC也支持传统网络编码和传统（采用路由的）中继方式。仿真结果表明,PNC-MAC在多种无线应用环境中具有优势。为了在不同的信道条件下取得最佳的性能,本文分别针对放大转发和去噪转发方式的物理层网络编码,提出自适应传输速率的方案。在自适应地调整传输速率的同时,也对发射功率进行调整,以达到最优的性能。仿真结果表明,自适应传输速率方案在多种物理层网络编码适用的场景下具有优势。最后,将自适应传输速率方案与PNC-MAC相结合,使得该方案可以更好地应用在实际无线通信系统中。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 无线多跳网络概述
• 1.2 无线中继方式及网络编码概述
• 1.3 研究现状以及问题的提出
• 1.3.1 物理层网络编码背景
• 1.3.2 介质访问控制（MAC）机制
• 1.3.3 自适应速率传输
• 1.4 课题来源
• 1.5 论文主要工作和内容安排
• 1.5.1 主要工作
• 1.5.2 内容安排
• 第2章 物理层网络编码原理
• 2.1 两个数据包参与编码时的通信过程及信号分析
• 2.2 多个数据包能否同时参与编码
• 2.3 物理层网络编码方式的分类
• 2.3.1 放大转发方式
• 2.3.2 去噪转发方式
• 2.4 小结
• 第3章 支持物理层网络编码的MAC协议（PNC-MAC）
• 3.1 问题描述
• 3.1.1 数据流类型
• 3.1.2 物理层网络编码方式
• 3.1.3 所面临的挑战
• 3.2 PNC-MAC的原理
• 3.2.1 采用物理层网络编码时的包交换过程
• 3.2.2 异常处理
• 3.2.3 网络分配向量（NAV）设置
• 3.2.4 其他中继方式
• 3.3 数据包排队方案及中继方式选择
• 3.3.1 队列管理
• 3.3.2 增加物理层网络编码机会的方法
• 3.3.3 如何选择要发送的数据包及其中继方式
• 3.3.4 整体流程
• 3.4 帧定义
• 3.5 性能分析
• 3.5.1 仿真平台设计
• 3.5.2 仿真参数设定
• 3.5.3 圆形拓扑下的仿真结果及其分析
• 3.5.4 线形拓扑下的仿真结果及其分析
• 3.5.5 随机拓扑下的仿真结果及其分析
• 3.6 小结
• 第4章 放大转发方式中传输速率自适应方案
• 4.1 问题描述
• 4.1.1 功率调整的必要性
• 4.1.2 解决的主要问题
• 4.2 信道状态与传输速率之间的关系
• 4.3 功率最优化方法
• 4.3.1 优化问题描述
• 4.3.2 优化方法的推导
• 4.3.3 优化过程
• 4.4 性能分析
• 4.4.1 理论分析
• 4.4.2 仿真设置
• 4.4.3 仿真结果及其分析
• 4.5 小结
• 第5章 去噪转发方式中传输速率自适应方案
• 5.1 问题描述
• 5.1.1 调制方式
• 5.1.2 解决的主要问题
• 5.2 多进制调制时的编码及接收判决方式
• 5.2.1 可译码条件
• 5.2.2 编码方式
• 5.2.3 存在噪声时的接收判决方式
• 5.3 误码率计算
• 5.3.1 基本M-QAM的误码率
• 5.3.2 在机会监听节点处考虑干扰信号的误码率
• 5.3.3 中继节点处对叠加信号进行解调的误码率
• 5.4 传输速率自适应方法
• 5.5 性能分析
• 5.5.1 理论分析
• 5.5.2 仿真分析
• 5.6 小结
• 第6章 支持自适应传输速率的PNC-MAC
• 6.1 问题描述
• 6.2 传输速率自适应调整的实现问题
• 6.2.1 进行最优速率和功率计算的节点
• 6.2.2 信道增益的获取方法
• 6.2.3 对于频率选择性衰落信道的解决方案
• 6.3 传输速率自适应与PNC-MAC的结合
• 6.4 性能分析
• 6.4.1 控制开销对吞吐量的影响
• 6.4.2 仿真分析
• 6.5 小结
• 第7章 结束语
• 7.1 论文工作总结
• 7.2 未来工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文