网络编码在中继协作通信中的应用研究

论文摘要

未来无线通信系统将是频带资源和功率受限的系统,因而研究热点就是如何充分利用空间资源来提高系统的吞吐量,其中多天线技术和中继技术是两种有效的解决方案。传统的中继技术主要用来转发用户的信息,降低了资源利用率,成为网络通信的主要传输瓶颈。提高中继节点对多用户信息的转发能力,可以提高网络的整体性能。而网络编码技术允许中继节点对接收到的不同路径的信息进行编码转发,同时保证接收节点正确求解原始信息,使得网络的吞吐量、稳健性、可维护性和安全性等方面都得到提升。虽然近年来已有大量关于网络编码的理论和实现的研究成果,但是其中相对较成熟的多是关于网络编码在有线网络中的应用,而在无线网络中的应用还有许多问题未成定论。无线网络编码由于可以解决多跳无线网络的中继传输瓶颈问题成为研究的热点。本文将网络编码技术应用于中继协作网络,以此来进一步地提高网络性能,包括:1)从传统的中继协作机制出发,对放大转发模式,译码转发模式和编码协作模式这三种常用的协作方案作了分析和仿真;阐述了网络编码的基本原理;进一步研究网络编码在无线网络中的应用以及在中继网络中的几种应用方案。2)为了克服在实际无线信道环境中实施物理层网络编码遇到的问题:频率选择性衰落和时间误差,设计了物理层网络编码在正交频分复用(OFDM)体系下的混合信号传输方案,方案利用OFDM系统能够对抗多径干扰和时域误差的特性,通过在节点添加/去掉一个大于信道脉冲响应时间的保护间隔(OFDM符号的循环前缀),从而可以在信号、信道条件非理想的情况下实施物理层网络编码。分析仿真结果表明,在慢衰落信道下,相比单收OFDM系统,采用物理层网络编码的两跳多中继传输方案的译码性能没有退化且具有更好的分集性能。3)通过比较传统的直接网络编码以及网络编码与信道译码的联合设计方案,提出一种速率自适应的软网络编码传输方案。该方案利用软信息的合并,实现端对端的信道编译码,一方面相比于传统的网络编码方案,该方案的中继节点不需要信道译码和重新编码,大大减少了中继节点的计算复杂度和功率消耗;另一方面,根据节点之间的信道信噪比估值,信源节点自适应调整物理层发送速率响应信道变化,进一步提升系统吞吐性能。分析仿真结果表明,速率自适应的软网络编码方案大大降低中继节点的计算复杂度和功耗,所能达到的信息速率优于固定速率下的网络编码策略,能够适合不同的传输质量需求,在保持较低的误比特性能的同时,尽可能提高信道容量,从而使性能得到优化。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文主要工作与内容安排
• 2 中继协作通信与网络编码
• 2.1 中继协作机制
• 2.1.1 三终端中继协作机制
• 2.1.2 双向中继协作机制
• 2.1.3 两跳多中继协作机制
• 2.1.4 802.16j 中的中继协作机制
• 2.2 网络编码
• 2.2.1 网络编码基本原理
• 2.2.2 网络编码在无线网络中的应用
• 2.3 中继协作网络编码
• 2.3.1 单向协作网络编码
• 2.3.2 网络编码在中继网络中的应用
• 2.4 本章小结
• 3 采用物理层网络编码的中继协作通信系统
• 3.1 引言
• 3.2 物理层网络编码原理
• 3.3 多信号定时同步误差与衰落信道的影响
• 3.3.1 多信号定时同步问题
• 3.3.2 多径衰落信道的影响
• 3.4 基于OFDM 系统的PNC 两跳多中继协作机制
• 3.4.1 系统模型
• 3.4.2 信道估计算法
• 3.4.3 基于OFDM 调制的PNC 两跳传输系统
• 3.4.4 性能仿真与分析
• 3.5 本章小结
• 4 无线双向中继信道中的网络编码
• 4.1 引言
• 4.2 传统的直接网络编码
• 4.3 网络编码与信道译码的联合设计
• 4.4 软网络编码的基本思想
• 4.5 速率自适应的软网络编码方案设计
• 4.6 性能分析与仿真
• 4.6.1 性能比较
• 4.6.2 速率自适应策略的误比特性能
• 4.7 本章小结
• 5 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录
• B 作者在攻读学位期间参加的科研项目目录