基于多包接收的物理网络编码协同通信研究-AET-电子技术应用

基于多包接收的物理网络编码协同通信研究

来源：电子技术应用2013年第7期

姜建1，陈晨2

1. 晨思电子科技有限公司，上海200135; 2. 上海贝尔股份有限公司，上海 200136

摘要： 针对一个簇内部或者簇之间的多个点对点通信的应用场景，提出了一种基于多包接收的随机物理网络编码协同通信技术。在MPR-OPNCC中采用了物理网络编码(PNC)和多包接收(MPR)机制，使得多个源节点能够在同一个时隙中进行广播，且目的节点能够从干扰的信号中检测出所要接收的数据。此外，MPR-OPNCC也是一种随机通信机制，中继节点能够根据目的节点的反馈信息判断是否需要协同传输。从分析结果看出，MPR-OPNCC与ONCC相比具有相同的系统中断概率性能，但在系统的频谱效率方面要高一倍。

关键词： 无线网络协同通信随机通信物理网络编码多包接收

中图分类号： TN911.23
文献标识码： A
文章编号： 0258-7998(2013)07-0109-05

Multi-packet reception based OPNCC in wireless networks

Jiang Jian1, Chen Chen2

1. Chensi Co. Ltd, Shanghai 200135, China; 2. Shanghai Bell-Alcatel Co. Ltd, Shanghai 200136, China

Abstract： In this paper, we propose a multi-packet reception based opportunistic physical network-coded cooperation(MPR-OPNCC) scheme suitable for multiple unicast transmissions in a single-cell or inter-cell wireless network. MPR-OPNCC adopts physical network-coding (PNC) and multi-packet reception(MPR) technology, which enable multiple source nodes to transmit at the same time slot and the destination nodes to detect their wanted data from the interfered signal. Meanwhile, MPR-OPNCC is also an opportunistic communication scheme. With the limited feedback from the destinations; the relay node can decide whether to do cooperation or not. The analytical and numerical results show that, compared with opportunistic network-coded cooperation(ONCC),MPR-OPNCC provides a similar system outage probability while doubling spectral efficiency.

Key words : cooperative communication; opportunistic; physical network coding; multi-packet reception; system outage probability; spectral efficiency

在无线网络中，通过在多个节点的分布式天线中进行协同工作，从而实现了协同通信[1-3] 以获得空间分集增益对抗信道中的慢衰落。到目前为止，研究人员已经提出了多种协同通信协议[4-9]，这些协议在中继节点处理接收到的源节点的信号方式上各有不同。其中有些协议[4-5]，中继节点每一个时隙只能帮助一个源-目的链路。中继节点对于接收到的源节点的信号或者是进行简单的放大转发，或者是对信号进行译码、重编码后再转发给相应的目的节点。在参考文献[6-8]中，作者提出了一种物理网络编码协同通信PNCC(Physical Network-Coded Cooperation)协议，通过在接收机的空中接口上对不同源节点所传输的信号进行混合来实现网络编码，从而减小广播阶段的时隙数。在参考文献[9]中，作者提出了随机网络编码协同通信ONCC(Opportunistic Network-Coded Cooperation)，其主要思想是根据目的节点的反馈信息来判断是否需要通过协同转发来帮助源节点传输信息。其主要的优点是采用了随机通信以减少传输所需要的平均时间。

   MPR技术是一种使接收机能够对其接收范围内多个节点所传输的信息进行检测的技术。GHEZ S[11-12]和参考文献[13]最先对MPR技术进行了研究，并给出了第一个多点对点通信的MPR问题模型。通过在目的节点中应用MPR技术使多个源节点在一个时隙内进行传输，可以使传输时间进一步减少。基于这一点，本文提出了MPR-OPNCC技术。
   需要指出的是本文将在多个源目的对之间通信而非简单多个源到一个共同的目的节点通信的场景中对MPR-OPNCC进行分析和讨论。MPR-OPNCC有三个主要特性：(1)MPR-OPNCC是基于MPR技术的，这使得多个源节点可以在同一个时隙内向目的节点进行传输。(2)MPR-OPNCC是随机通信的。随机通信的意思是中继节点根据目的节点的反馈信息来判断是否需要通过协同转发来帮助源节点传输信息。(3)MPR-OPNCC中采用了物理网络编码算法，这使得中继节点可以同时协助多个链路进行通信。基于上述三个特性，可以直观地推测出MPR-OPNCC与现有的其他协同通信协议相比有较多的优势:应用了MPR技术，使得系统的吞吐量提高了一倍;避免了不必要的协同转发造成的带宽资源的浪费;PNC使得中继节点可以在一个时隙内同时帮助多个传输链路对进行协同通信。

    根据式(1)和式(2)分别可以得到|αi,r|2和|αr,i|2的概率分布函数和均值。在实际应用中S2和D1非常接近，于是S2到D1之间的距离就要比S1到D1之间的距离短很多，即d12<<d11，同理d21与d22之间也有这样的关系。根据上面所述的信道衰落与链路距离之间的关系，可以推出两个重要的结论|α2,1|2>>|α1,1|2和|α1,2|2>>|α2,2|2。本文将系统中的信道噪声建模为一个均值为零、方差为N0的复高斯随机变量。
    为描述简单起见，假设所有节点的发射功率相同，记为P。发射的信噪比记为ρ，于是有ρ=P/N0。另外所有的源节点都以相同的符号速率R(symbol/s/Hz)向目的节点传输各自的数据。
2 MPR-OPNCC描述
    本节将对MPR-OPNCC的工作机制进行描述。如图1所示，整个协同通信过程可以分为两个阶段：广播节点和中继协同阶段。在广播阶段中，两个源节点同时以符号速率R向各自的目的节点传输数据。目的节点Di和中继节点R所接收到的信号记为yi,b(i=1,2,r)，于是接收到的信号可以表示为:

      每个目的节点广播一个简单的反馈信息来指示广播阶段中相应的数据接收成功或失败。假设反馈信息至少能够被中继节点可靠地接收。同时中继节点根据广播阶段传输的状态的不同来采取不同的处理。当两个链路的数据传输在广播阶段中都获得成功时，中继节点将不采取任何操作。否则，中继节点将向目的节点D1和D2转发物理网络编码后的数据。同时为了保证中继节点的发射能量不超过能量限制，中继节点数要对网络编码后的信号进行放大，放大器的增益为:

通过对式(24)的计算得到MPR-OPNCC的平均频谱效率曲线，如图3所示。为了方便比较，根据参考文献[9]中的式(11)和式(25)在图3中画出了IDF和ONCC的平均频谱效率曲线。

    从图3中可以看出，当信噪比增加时,MPR-OPNCC能够提供的最大频谱效率为2 symbol/s/Hz,与ONCC和IDF相比提高了一倍。
    另外，结合图3和图2可以看到,与IDF相比,MPR-OPNCC不但提供了一个较高的平均频谱效率(图3)，同时也保持了较低的系统中断概率(图2),这主要是因为MPR-OPNCC中采用了MPR和PNC技术。与ONCC相比，MPR-OPNCC将平均频谱效率提高了一倍(图3)，同时也保持了相近的系统中断概率(图2)，这主要是因为MPR-OPNCC中采用了MPR技术。
   MPR-OPNCC具有三个主要的特性。在系统总能量一定的场合中，可以使每个节点以更大的功率进行发射，从而有利于提高系统传输的可靠性。理论分析和数值计算结果表明,在系统中断概率和平均频谱效率方面MPR-OPNCC相比于ONCC和IDF具有更好的性能。
参考文献
[1] SENDONARIS A, ERKIP E,AAZHANG B. User cooperation diversity. part i. system description[J]. IEEE Transactions on Communication, 2003,51(11):1927-1938.
[2] SENDONARIS A, ERKIPE, AAZHANG B. User cooperation diversity. part ii. implementation aspects and performance analysis[J]. IEEE Transactions on Communication, 2003,51(11):1939-1948.
[3] Wei Dang Lu, Cooperative OFDM Relaying for opportunistic spectrum sharing: protocol design and resource allocation[J].Wireless Communications, IEEE Transactions on, 2012,11(6):2126-2135.
[4] BLETSAS A, KHISTI A, REED D, et al. A simple coop erative diversity method based on network path selection[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications,2006,24(3):659-672.
[5] ISLAM T, Analysis and design of cooperative BICM-OFDM systems[J]. IEEE Transactions on Communications, 2011,59(6):1742-1751.
[6] POPOVSKI P, YOMO H. Physical network coding in twoway wireless relay channels[C].in Proc. IEEE International Conference on Communication (ICC 2007), Glasgow,2007,6:707-712.
[7] ZIMMERMANN H M, Liang Yingchang. Physical layer network coding for uni-cast applications[C]. in Proc. IEEE Vehicular Technology Conference, Spring, 2008, Singapore, 2008,5:2291-2295.
[8] POPOVSKI P,YOMO I I.The anti-packets can increase the achievable throughput of a wireless multi-hop network[C]. in Proc. IEEE International Conference on Communication(ICC 2006), Istanbul, Turkey, Jun. 2006.
[9] Peng Cong, Zhang Qian, Zhao Ming.Opportunistic networkcoded cooperation in wireless networks[C]. in Proc.of IEEE Wireless Communications and Networking Conference (WC-NC) 2007, Kowloon, 2007,3:3358-3363.
[10] LANEMAN J, DAVID N C, WORNELL T G. Cooperative diversity in wireless networks:efficient protocols and outage behavior[J]. IEEE Transaction on Information Theory,2004, 50(12):3062-3080.
[11] GHEZ S. VERDU S, SCHWARTZ S. Stability properties of slotted aloha with multipacket reception capability[J].IEEE Transactions on Automatic Control,1988,33(7):640-649.
[12] Pan Chengkang, DETECTION L, Precoding for physical network coding in two-way MIMO relay channels[C]. IEEE 72th VTC Fall, 2011,2011:1-4,5-8.
[13] Kang Yanmin. Joint design of physical network coding and source coding in two-way relaying systems[C].IEEE 70th VTC 2009-Fall, 2009,2009:1-5,20-23.

原创声明：此内容为AET网站原创，未经授权禁止转载。

相关内容