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1、第47卷第6期复旦学报(自然科学版)Vol.47No.62008年12月JournalofFudanUniversity(NaturalScience)Dec.2008文章编号:042727104(2008)0620797206研究简报网络编码在合作中继网络中的应用吴馨华,包晓晶,方朝曦,刘召伟,王宗欣(复旦大学通信科学与工程系,上海200433)摘要:将网络编码与合作中继传输中的解码转发或放大转发相结合,提出了2种新的数据传输方式;推导了这2种传输方式下数据速率的表达式;理论推导和仿真结果表明,与通常的存储转发及单独的网络编码传输方式相比较,所提出的这2种传输方式可以较
2、大地提高网络的数据传输速率.关键词:存储转发;网络编码;合作中继;放大转发;解码转发中图分类号:TN911.23文献标识码:A通常,计算机通信网络中的数据传输都采用了存储转发(store2and2forward)的机制.信息由源节点经过中间节点,传送到目的节点.除了数据复制以外,一般来说,在网络的中间节点并不需要进行任何数据处理.随着当今网络的发展,大容量文件传输和多媒体的应用越来越广泛;降低网络能源消耗、增加网络吞吐[124]量成为现代网络研究的重点,网络编码(networkcoding,NC)理论也由此产生.在无线移动通信中,由于信道的衰落,信号的传输受到影响,采用分
3、集技术是对抗衰落的有效方法.合作中继传输把多个中继节点的单天线看作发送用户的虚拟多天线,利用空间分集来提高网络的整体性能.文献[5]中讨论了解码转发(decode2and2forward,DF)和放大转发(amplify2and2forward,AF)2种合作中继[6]方式的传输性能.已经证明,在2种情况下,采用中继传输都可以提高无线网络整体的吞吐量,以及分集[729]增益.本文将网络编码应用于合作中继传输,提出了网络编码与DF相结合(NC2DF)、网络编码与AF相结合(NC2AF)2种新的数据传输方式,推导了这2种传输模式的数据速率表达式.理论推导表明这2种传输模式都可
4、以较大的提高网络中的数据传输速率.对3种传输方式:传统的存储转发、网络编码、NC2DF/NC2AF,在不同信噪比下的传输速率的仿真结果证明了理论推导的正确性.1网络编码概念在现有的计算机通信网络中,信息传输都是由源节点经过中间节点,以存储转发的方式传送到目的节点的.除了数据复制以外,一般来说,在网络的中间节点并不需要做任何数据处理.网络编码理论的中心思想是在多播环境中,允许中间节点在转发数据之前,先对信息进行处理.假设一个网络有3个节点,源节点S和目的节点D通过中间节点R进行信息交换,见图1(a).为了完成S和D之间的信息交换,传统的存储转发机制需要4个时隙:T1内,S→
5、R;T2内,R→D;T3内,D→R;T4内,R→S.如图1(b)所示.网络编码允许中间节点进行数据处理.因此,为了完成上述信息交换,网络编码方式需要3个时隙:T1内,S→R;T2内,D→R;然后,R将接收到的来自S和D的信息进行异或,在T3内同时传送给S和D.S和D将自己原来的数据与接收到的数据进行异或,即可恢复出原本要接收到的信息,如图1(c)所示.由以上分析可知,应用网络编码进行信息传输,可以节省一个时隙,因此能够提高网络吞吐量.文献收稿日期:2008203218作者简介:吴馨华(1986—),女,硕士研究生;包晓晶(1984—),男,硕士研究生;通讯联系人王宗欣,男
6、,教授.798复旦学报(自然科学版)第47卷[4]中指出,在物理层,如果S和D所发送的数据的复基带相互正交,则上述数据传输只需2个时隙:T1内,S→R,D→R;T2内,R→D,R→S,如图1(d)所示.图1网路编号与存储转发Fig.1Networkcodingandstore2and2forward2合作中继传输在一个包含多个节点的无线网络中,通过中继节点进行合作传输可以提高网络的整体性能.当源节点和目的节点之间的一个或多个中继实际位置确定后,中继节点可以首先解码,然后转发给目的节点.这种策略被称为解码转发(DF).相对的,中继节点也可以采取一种所谓的放大转发(AF)的策
7、略,即对接收到的信号进行直接放大后转发.如图2中的网络,DF和AF用两个时隙进行合作中继传输,此外还有S到D的直接链路.在T1内,两种中继策略的S发送,R和D接收.两者的不同在于R:在AF方式下,R在T1内对接收到的信图2合作中继传输号进行放大,并在T2内发送给D;在DF方式下,R对接收到的信号Fig.2Cooperativerelaytransmission进行解码,如果解码成功,则R在T2内将它解码所得的信号再次进行编码并发送给D,否则不发送.3网络编码应用于合作中继传输本节将网络编码的理论应用于图2所示的合作中继传输方案
