基于廣播優(yōu)勢的無線網絡編碼系統(tǒng)性能分析與應用研究.pdf

1、隨著移動通信和互聯(lián)網的高速發(fā)展，無線多媒體業(yè)務需求的不斷增長，人們對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)務的不同服務質量(QoS)要求。故下一代移動通信系統(tǒng)需要應用更多先進的傳輸技術，以解決人們對帶寬的需求和有限的無線資源之間的矛盾。其中網絡編碼(network coding)技術受到廣泛關注。 網絡編碼理論是網絡通信研究領域中

2、的一項重要突破，通過允許中繼節(jié)點進行數(shù)據(jù)包級的編碼，而不再是簡單的信號存儲轉發(fā)，來有效提高整個網絡的傳輸效率、容量和健壯性。 一種新技術的出現(xiàn)，總是避免不了從簡單應用到與其他現(xiàn)有技術相互結合設計的演進過程以獲取更好的系統(tǒng)性能。網絡編碼也不例外。雖然網絡編碼的核心步驟在于編碼操作，但其真正的性能優(yōu)勢體現(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)存儲數(shù)據(jù)包譯出各自所需的信息，從而實現(xiàn)一次傳輸多個受益。而實現(xiàn)這一

3、性能優(yōu)勢的物理條件在于廣播或組播。因此論文從探討無線網絡編碼的廣播優(yōu)勢出發(fā)，綜合考慮系統(tǒng)的可靠性和有效性，探討了網絡編碼與無線通信系統(tǒng)各層關鍵技術相結合的有效方案，主要研究配置了網絡編碼模塊系統(tǒng)的關鍵技術算法設計及性能分析等。 論文的主要工作包括：網絡編碼技術可以有效地提高或達到網絡中系統(tǒng)容量。為了在無線多跳系統(tǒng)中更好地獲取網絡編碼增益，在網絡層提出一種新的具有完全編碼意識的路由機制CCAR(CompleteCoding-Awa

4、re Routing)：首先修正DSR(動態(tài)源路由Dynamic SourceRouting)協(xié)議進行路由發(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絡編碼機會；在路由選擇階段量化網絡編碼后傳輸?shù)男阅軆?yōu)勢，提出ECTX(Expected Coding-aware Transmission Count)的判據(jù)，來選擇一條最小代價的路徑，真正實現(xiàn)了具有網絡編碼意識的無線路由。仿真結果表明該機制在無線多跳網絡中，能夠有效地增強節(jié)點對數(shù)據(jù)的

5、處理能力，相比于不使用網絡編碼的系統(tǒng)，具有5％-20％的系統(tǒng)吞吐量增益。本路由機制具有很高的實用價值，可以應用在例如應急通信場景中，在不增加帶寬等資源配置的前提下，用存儲空間來換取系統(tǒng)吞吐率的有效提升。從而有效應對在短時間處理極繁重數(shù)據(jù)流量的業(yè)務需求。 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絡編碼意識的多徑多信道路由機制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絡編碼機會。在選路階段量化網絡編碼后傳輸?shù)男阅軆?yōu)勢，并綜合考慮無線信道傳輸信道差錯及干擾的影響，提

7、出一種新的路由判據(jù)WCECTT(Weighted CumulativeCoding-aware ETT)，真正實現(xiàn)了支持多信道的具有完全編碼意識的多徑路由。仿真結果表明該機制在無線多跳網絡中，能夠有效地增強節(jié)點對數(shù)據(jù)的處理能力，相比于不使用網絡編碼的多徑路由算法，具有10％-20％的系統(tǒng)吞吐量增益。作為一種新型結合流間網絡編碼的多徑多信道路由，可以應用在無線多跳網絡中，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率和較大

8、的傳輸時延。因此，在無線網絡廣播/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)境下實現(xiàn)可靠傳輸存在諸如重復恢復等難以解決的問題，使用網絡編碼可以在一定程度上解決這種問題。用網絡編碼進行組播差錯恢復機制一般有兩種做法：網絡編碼結合前向錯誤糾正(FEC)，如噴泉碼+網絡編碼；或網絡編碼結合自動重傳請求(ARQ)。但是這些方案都存在一些重要缺陷：單純FEC的差錯恢復技術因為不能適應分組丟失的變化，分組丟失少時嚴重地浪費帶寬，

9、分組丟失嚴重時又不能恢復所有數(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技術只能檢錯，不能糾錯，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，本文提出一種新的結合HARQ與網絡編碼的差錯恢復機制，使用聯(lián)合網絡編碼與信道譯碼的軟信息合并技術，可以有效地應用于不同的傳輸信道環(huán)境，以保證重傳效率，從而增強系統(tǒng)在惡劣環(huán)境下的魯棒性。使用信息截止頻率推導該機制的性能上界，最后給出仿真結果和分析