网络编码在无线中继网络中的应用研究

网络编码在无线中继网络中的应用研究

李 伟，樊平毅

(清华大学电子工程系，北京 100084)

摘 要：介绍网络编码在无线中继网络中应用的研究进展，指出其2个典型应用场景是双向对传网络和组播重传网络。阐述研究中需要解决的关键问题：(1)设计具体的实现协议；(2)在实际网络条件下，采用网络编码后的网络容量及可达该容量的传输策略；(3)针对物理层网络编码，从混合信号中分离出需要的信号。此外，展望该应用的发展趋势。 关键词：网络编码；无线中继网络；吞吐量

Applications Research of Network Coding

in Wireless Relay Networks

LI Wei, FAN Ping-yi

(Department of Electronic Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

【Abstract 】This paper introduces an overview of the applications of network coding in wireless relaying networks. Two typical scenarios of wireless network coding are two-way relay networks and multicast retransmission networks. Some key problems of network coding in wireless relaying networks are as follows: (1)Design implementations of wireless network coding; (2)Analyze the capacity of network coding and the corresponding transmission schemes in actual network environments; (3)Investigate how to separate the required signal from the mixed signal for physical layer network coding. Future work on network coding is also summarized. 【Key words 】network coding; wireless relay networks; throughput DOI: 10.3969/j.issn.1000-3428.2011.07.006

计 算 机 工 程 Computer Engineering 第37卷 第7期

V ol.37 No.7 2011年4月

April 2011

·博士论文· 文章编号：1000—3428(2011)07—0015—03文献标识码：A

中图分类号：TP393

1 概述

网络编码[1]的核心思想是突破传统网络中只允许中继节点转发数据的限制，允许中继节点对接收到的数据包进行组合、编码等智能化处理。这种处理通常以编码的方式在网络层实现，因此，被称为网络编码。网络编码的优势是能有效提高网络的吞吐量，使有线组播网络的吞吐量达到其理论上界——网络的最大流最小割容量[1]。

目前，网络编码已成为网络领域、信息论领域以及编码领域最受关注的研究课题之一，其应用范围也从有线网络向无线网络，尤其是无线中继网络扩展。无线信道具有广播特性，因此，在无线网络中的信息传输存在大量的数据冗余。使用网络编码技术能减少冗余数据并进行数据压缩，从而提高网络的总吞吐量，达到提高频率资源利用效率和提高能量利用效率的目的。此外，在无线网络中，网络编码的思想还可以应用在物理层，这种技术被称为物理层网络编码技术。利用物理层网络编码技术可以在一定条件下解决节点间相互干扰的问题，进一步提高网络吞吐量，以及无线频谱资源的利用效率。

目前国内已有大量关于网络编码的研究，如文献[2-3]等。本文以网络编码的应用为重点，综述无线网络编码技术的最新研究进展以及在研究中需要解决的关键问题。

2 网络编码的基本概念

文献[1]以“蝶形图”为例，解释了网络编码的基本原理。如图1所示，S 是源节点，R1和R2是2个目的节点。各链路的信道容量均为1。根据最大流最小割定理，S 到R1或R2的最大流为2。如果采用转发技术，传输过程如图1(a)所

示。其中，2条传输路径在链路(3, 4)交迭，节点3无法在单位时间内传送2 bit 数据a 和b ，使用转发技术无法达到网络的理论容量。如果采用网络编码技术，允许中继节点对信息进行编码处理，传输过程如图1(b)所示。节点3对数据a 和b 进行编码处理，得到a+b ，并在一个单位时间内将a+b 发送出去。于是，R1接收到a 和a+b 后，通过解码得到b 。类似的，R2可以得到比特a 和b 。于是，S 在单位时间内向2个目的节点发送了2 bit 信息，信息传输速率达到网络流量的理论上限。

图1 蝶形图

该例说明了网络编码技术能充分利用信息流的特性，有效提高有线网络的吞吐量。下文将重点介绍网络编码在无线

基金项目：东南大学移动通信国家重点实验室开放研究基金资助 项目

作者简介：李 伟(1982－)，男，博士研究生，主研方向：无线自组织网络，网络信息论；樊平毅，教授、博士生导师

收稿日期：2010-11-20 E-mail ：l_w_00@

16 计 算 机 工 程 2011年4月5日

中继网络中的应用。

3 网络层网络编码

为区别物理层网络编码，在网络层进行操作的网络编码技术称为网络层网络编码。网络层网络编码技术的一个典型应用是无线双向中继网络。图2显示了一个三节点的无线双向中继网络。节点S1和S2需要互相发送数据，节点X 为中继节点。如果采用传统的转发技术，整个过程需要4个时隙，如图2(a)所示。如果采用网络编码技术，整个过程需要3个时隙，如图2(b)所示，其关键在于，在时隙3，节点X 利用网络编码技术，对数据a 和b 进行编码操作得到数据a+b ，然后将编码后的数据广播给S1和S2。

(a)传统转发模式

(b)网络编码模式

图2 无线中继网络中的2种传输模式

比较图2(a)和图2(b)可知，采用网络编码技术后传输次数减少1次，网络的平均吞吐量增加了33%。其原因在于，网络层网络编码技术充分利用了无线信道的广播特性和节点的数据处理能力。

针对网络层网络编码技术，目前的一个研究重点是考虑在实际网络条件下(如各条链路的信道容量不相等、存在信道衰落等)，采用网络编码技术后的网络容量，以及可以达到网络容量的传输策略。

文献[4]研究了在加性高斯白噪声信道下，图2所示的双向中继网络的容量域和总数据速率，得到了以下2个结论：

(1)当12,12C C R R ><<或12,12C C R R <>>时，采用网络层网络编码技术的网络吞吐量小于采用转发技术的网络吞吐量。其中，C i 代表链路(X, S i )的信道容量，Ri 代表节点S i 发送的数据流量，i =1, 2。

(2)当R 1=R 2时，即流量平衡时，网络编码策略相对于转发策略的吞吐量增益最大。

上述结论证明了网络编码的性能并不是始终优于转发策略，并给出了网络编码的最佳应用条件和不适用于网络编码的场景。这就为网络编码的实际应用指明了方向。

此外，在实际网络条件下，信道衰落会严重影响网络编码的性能。如何对抗信道衰落、提高网络编码的性能也是一个重要的问题。为解决该问题，文献[5]分析了如何根据信道状态调整编码节点的发送功率和发送速率，以补偿信道衰落、提高网络吞吐量。分别针对发送端可知信道增益以及不可知信道增益的情况，提出了恒定功率传输策略和信道反转传输策略，并分析计算了节点的最优传输功率以及最优传输数据速率。实验结果证明，这2种传输策略能有效对抗信道衰落，

增大网络吞吐量，提高网络编码的性能。

除了三节点的双向中继网络外，网络编码的另一个典型应用是组播重传的场景[6]。文献[6]以图3所示的网络为例，研究了基于网络编码的组播重传问题。如图3所示，源节点S 直接向2个目的节点D1和D2发送相同的数据。另外，存在一个中继节点R 。由于信道衰落等因素的影响，数据传输中可能会出现误码，源节点需要重传数据。

图3 网络编码在组播重传中的应用示例

在该网络中，有3种可行的重传协议：(1)协议A ：中继节点不参与重传。(2)协议B ：中继节点以转发的方式参与重传。(3)协议C ：中继节点以网络编码的方式参与重传。例如，如果D1没有成功接收数据1，D2没有成功接收数据2，R 成功接收了数据1和2。在这种情况下，R 利用网络编码将数据1和数据2编码成一个数据包，再将编码后的数据包广播给D1和D2。D1和D2收到编码后的数据包后，通过解码得到需要的数据。

对比这3种协议，协议B 和协议C 的效率更高。因为中继节点R 距离其他3个节点较近，由中继节点R 进行重传，成功率比由S 直接重传高。此外，相对于协议B ，协议C 采用了网络编码技术，可以进一步减少发送次数，提高传输效率。文献[6]从理论和仿真2个方面证明，相对于协议B 和A ，采用协议C 有明显的吞吐量增益，采用网络编码技术可以有效提高网络吞吐量。

4 物理层网络编码

网络编码的思想也可以应用在物理层，即把2个混合的模拟信号看作是经过网络编码后的信号，这种技术称为物理层网络编码。例如，在图2所示的无线中继网络中，如果S1和S2同时给中继节点X 发送信号a 和b ，那么X 接收到的是一个混合的信号。通常情况下，这2个信号互为干扰，X 无法正确解码。但如果采用物理层网络编码技术，则可将混合的信号看作是网络编码后的信号a+b 。X 可以把混合信号放大并广播出去。对于S1，它已知信号a 的波形，因此，可以从混合信号a+b 中将b 恢复。同样，S2可以从混合信号中恢复信号a 。

在三节点的双向中继网络中，物理层网络编码的传输过程如图4所示。

图4 物理层网络编码过程

比较图2和图4可知，采用物理层网络编码只需要2次传输，相对于网络层网络编码，传输次数进一步减少，从而提高了网络的吞吐量。其原因在于，物理层网络编码技术在一定程度上解决了信号冲突的问题，更有效地利用了无线频谱资源。

对于物理层网络编码技术，目前的研究重点是如何将需