基于网络编码的无线中继网络:策略及性能分析

摘要

协作通信作为无线通信技术的一个特定区域,在过去十年里已被广泛地探讨了。协作通信(中继网络(RN))的概念是建立在通过节点互助以实现多样性空间优势的网络架构基础上的。然而由于RN的出现,也引进了新的挑战,如可靠性低、有限的吞吐量、覆盖范围、服务质量和高数据传输率。由此提出了网络编码(NC)方法,此方法对于解决以上问题十分有效。正因为如此,本文提出了解决这些问题的一个替代设计和分析解决方案。
　　本论文的贡献主要有以下几方面,首先,提出了在无线网络中加入网络编码。具体来说,就是对技术报告中的网络编码分类,对加入和不加入网络编码时特定中继模式的中继网络进行分类讨论。在中继和源节点上使用网络编码是根本的区别。此外还阐述了如何将网络编码加入到中继网络堆栈中才能获得实际的可测量的增益。
　　其次,本文研究了加入信道编码和网络编码后无线网络的信道容量和误码率(BER)。网络系统模型涉及了采用卷积编码和维特比解码算法的不同信道模型。在中间节点处这两种方案表现的各不相同。前一种方法即传统方法主要集中在做出硬\软决定和收到信息解码和重新编码。相反,后一种方法即建议方法则是将解码过程转移到最后的接收端才做出硬\软决定,同时在中间节点使用网络编码结合两个传入的消息。仿真结果表明,这两种方法在所有信道模型上获得了同样的高信号噪声比(SNR),但后一种方法在误码率方面优于前一种。
　　为了在信息传输可靠性和复杂解决方法上获得更好的归一化的吞吐量,调查和分析了在双向中继信道上网络编码(SD-NC)的软决策方法。同样为了提高系统性能,已经对Dm-NC方法进行了检测,使它直接工作在 De-map上,对收到的信号进行组合即进行网络编码,然后送至目的地。仿真分析证明了Dm-NC在AWGN信道上比模拟-NC具有性能优势。此外,还预测了模拟-NC和QDF-NC将会在网络环境中发挥重要作用。因此,为了减少中继节点的延迟和功耗,中继应可以在模拟-NC和QDF-NC机制间进行切换。得出的结果证明,QDF-NC性能优于模拟-NC。
　　最后,本文提出了各种型号密集无线网络的分析解法,即双向中继信道(TWRC)和多访问中继信道(MARC)。仿真结果表明,使用模拟-NC的TWRC情况下通过增加中继节点数量的信号错误率(SER)下降。另一方面,在 MARC的DF-NC和模拟-NC情况下,获得了SER和中断概率,通过仿真结果得到DF-NC是优于模拟-NC的。此外,为了提高系统性能,在两个源和最佳中继之间的最优功率分配已经确定为基于接近SER超过MARC。

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List of Figures

List of Tables

List of abbreviations

1. Introduction

1.1 Background

1.2 Classification of Relay Networks

1.3 Theory of Network Coding

1.4 Benefits of Joint NC with RNs

1.5 Research Motivation and Contribution

1.6 Outline of Thesis

2. Wireless Channel and Performance Metrics

2.1 Relay Models

2.2 Performance Metrics

2.3 Summary

3. Particular Relay Modes with/without NC

3.1 Fixed Relaying schemes

3.2 Dynamic \(Adaptive\) Relaying schemes

3.3 Summary

4. Joint Design of Channel and Network Coding

4.1 Background

4.2 Classification of NC

4.3 NC and channel decoding schemes

4.4 Summary

5. Regenerative and Adaptive Schemes Based on NC

5.1 Demodulate, NC, Modulate and Forward scheme

5.2 NC for TWRC using Soft Detection

5.3 Quantize Decode-and-forward scheme

5.4 Adaptive Forwarding Based on NC for Wireless Relaying

5.5 Summary

6. Best Relay Selection among N-Relay Nodes

6.1 Relay selection for TWRN with Analog-NC

6.2 Relay selection for MARC with DF-NC and analog-NC

6.3 Summary

7. Conclusion and Future Work

7.1 Conclusion

7.2 Future work

致谢

参考文献

Appendix A

CURRICULUM VITAE