基于廣播優(yōu)勢(shì)的無線網(wǎng)絡(luò)編碼系統(tǒng)性能分析與應(yīng)用研究.pdf

1、隨著移動(dòng)通信和互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，無線多媒體業(yè)務(wù)需求的不斷增長，人們對(duì)寬帶無線接入的需求越來越迫切。人們期望，下一代(B3G/4G)移動(dòng)通信系統(tǒng)能提供更高的數(shù)據(jù)速率，更大的系統(tǒng)容量支持更多的用戶并且滿足多種業(yè)務(wù)的不同服務(wù)質(zhì)量(QoS)要求。故下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)需要應(yīng)用更多先進(jìn)的傳輸技術(shù)，以解決人們對(duì)帶寬的需求和有限的無線資源之間的矛盾。其中網(wǎng)絡(luò)編碼(network coding)技術(shù)受到廣泛關(guān)注。 網(wǎng)絡(luò)編碼理論是網(wǎng)絡(luò)通信研究領(lǐng)域中

2、的一項(xiàng)重要突破，通過允許中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)包級(jí)的編碼，而不再是簡(jiǎn)單的信號(hào)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，來有效提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率、容量和健壯性。 一種新技術(shù)的出現(xiàn)，總是避免不了從簡(jiǎn)單應(yīng)用到與其他現(xiàn)有技術(shù)相互結(jié)合設(shè)計(jì)的演進(jìn)過程以獲取更好的系統(tǒng)性能。網(wǎng)絡(luò)編碼也不例外。雖然網(wǎng)絡(luò)編碼的核心步驟在于編碼操作，但其真正的性能優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在多用戶的差異性上，相同的編碼數(shù)據(jù)包被不同的用戶接收，接收者根據(jù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)包譯出各自所需的信息，從而實(shí)現(xiàn)一次傳輸多個(gè)受益。而實(shí)現(xiàn)這一

3、性能優(yōu)勢(shì)的物理?xiàng)l件在于廣播或組播。因此論文從探討無線網(wǎng)絡(luò)編碼的廣播優(yōu)勢(shì)出發(fā)，綜合考慮系統(tǒng)的可靠性和有效性，探討了網(wǎng)絡(luò)編碼與無線通信系統(tǒng)各層關(guān)鍵技術(shù)相結(jié)合的有效方案，主要研究配置了網(wǎng)絡(luò)編碼模塊系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)算法設(shè)計(jì)及性能分析等。 論文的主要工作包括：網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)可以有效地提高或達(dá)到網(wǎng)絡(luò)中系統(tǒng)容量。為了在無線多跳系統(tǒng)中更好地獲取網(wǎng)絡(luò)編碼增益，在網(wǎng)絡(luò)層提出一種新的具有完全編碼意識(shí)的路由機(jī)制CCAR(CompleteCoding-Awa

4、re Routing)：首先修正DSR(動(dòng)態(tài)源路由Dynamic SourceRouting)協(xié)議進(jìn)行路由發(fā)現(xiàn)，獲得所有滿足最大跳數(shù)約束的候選路徑并判定網(wǎng)絡(luò)編碼機(jī)會(huì)；在路由選擇階段量化網(wǎng)絡(luò)編碼后傳輸?shù)男阅軆?yōu)勢(shì)，提出ECTX(Expected Coding-aware Transmission Count)的判據(jù)，來選擇一條最小代價(jià)的路徑，真正實(shí)現(xiàn)了具有網(wǎng)絡(luò)編碼意識(shí)的無線路由。仿真結(jié)果表明該機(jī)制在無線多跳網(wǎng)絡(luò)中，能夠有效地增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)的

5、處理能力，相比于不使用網(wǎng)絡(luò)編碼的系統(tǒng)，具有5％-20％的系統(tǒng)吞吐量增益。本路由機(jī)制具有很高的實(shí)用價(jià)值，可以應(yīng)用在例如應(yīng)急通信場(chǎng)景中，在不增加帶寬等資源配置的前提下，用存儲(chǔ)空間來換取系統(tǒng)吞吐率的有效提升。從而有效應(yīng)對(duì)在短時(shí)間處理極繁重?cái)?shù)據(jù)流量的業(yè)務(wù)需求。 現(xiàn)有的基于多信道的無線路由協(xié)議選擇的多條路徑是節(jié)點(diǎn)不相交(node-disjoint)或鏈路不相交(link-disjoint)，不能有效提高吞吐量，降低時(shí)延。為了提高系統(tǒng)頻譜利

6、用率，并解決多信道路由同頻信道分集的難題，本文提出一種新的具有網(wǎng)絡(luò)編碼意識(shí)的多徑多信道路由機(jī)制M-CCAR(Multi-path/channel Complete Coding-Aware Routing)：在路徑發(fā)現(xiàn)階段，使用一種新的信道不相交(channel-disjoint)的路由發(fā)現(xiàn)算法，以獲得所有滿足最大跳數(shù)約束的候選路徑并判定網(wǎng)絡(luò)編碼機(jī)會(huì)。在選路階段量化網(wǎng)絡(luò)編碼后傳輸?shù)男阅軆?yōu)勢(shì)，并綜合考慮無線信道傳輸信道差錯(cuò)及干擾的影響，提

7、出一種新的路由判據(jù)WCECTT(Weighted CumulativeCoding-aware ETT)，真正實(shí)現(xiàn)了支持多信道的具有完全編碼意識(shí)的多徑路由。仿真結(jié)果表明該機(jī)制在無線多跳網(wǎng)絡(luò)中，能夠有效地增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)的處理能力，相比于不使用網(wǎng)絡(luò)編碼的多徑路由算法，具有10％-20％的系統(tǒng)吞吐量增益。作為一種新型結(jié)合流間網(wǎng)絡(luò)編碼的多徑多信道路由，可以應(yīng)用在無線多跳網(wǎng)絡(luò)中，從而有效提高系統(tǒng)吞吐量。 無線傳輸具有很高的比特出錯(cuò)率和較大

8、的傳輸時(shí)延。因此，在無線網(wǎng)絡(luò)廣播/組播中必須采用合適的策略來提高廣播操作的可信賴性。然而在組播環(huán)境下實(shí)現(xiàn)可靠傳輸存在諸如重復(fù)恢復(fù)等難以解決的問題，使用網(wǎng)絡(luò)編碼可以在一定程度上解決這種問題。用網(wǎng)絡(luò)編碼進(jìn)行組播差錯(cuò)恢復(fù)機(jī)制一般有兩種做法：網(wǎng)絡(luò)編碼結(jié)合前向錯(cuò)誤糾正(FEC)，如噴泉碼+網(wǎng)絡(luò)編碼；或網(wǎng)絡(luò)編碼結(jié)合自動(dòng)重傳請(qǐng)求(ARQ)。但是這些方案都存在一些重要缺陷：?jiǎn)渭僃EC的差錯(cuò)恢復(fù)技術(shù)因?yàn)椴荒苓m應(yīng)分組丟失的變化，分組丟失少時(shí)嚴(yán)重地浪費(fèi)帶寬，

9、分組丟失嚴(yán)重時(shí)又不能恢復(fù)所有數(shù)據(jù)，因此很少被使用?，F(xiàn)有的各種協(xié)議多采用反饋重傳的方式保證組播的可靠性。單純的ARQ技術(shù)只能檢錯(cuò)，不能糾錯(cuò)，這樣在比較惡劣的傳輸環(huán)境中重傳效率依然很差?；谶@些缺點(diǎn)，本文提出一種新的結(jié)合HARQ與網(wǎng)絡(luò)編碼的差錯(cuò)恢復(fù)機(jī)制，使用聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)編碼與信道譯碼的軟信息合并技術(shù)，可以有效地應(yīng)用于不同的傳輸信道環(huán)境，以保證重傳效率，從而增強(qiáng)系統(tǒng)在惡劣環(huán)境下的魯棒性。使用信息截止頻率推導(dǎo)該機(jī)制的性能上界，最后給出仿真結(jié)果和分析