蜂窝小区内基于网络编码技术的中继协作传输机制研究

蜂窝小区内基于网络编码技术的中继协作传输机制研究 * 传 输 机 制 研 究 黄,,, 琼倪铭璟唐 伦陈前斌 ( ,400065)重庆邮电大学 移动通信技术重点实验室重庆 : ,( physical networkc oding,PNC)摘 要针对中继协作传输机制在蜂窝小区内应用的问题基于物理层网络编码 / ,—( relay-physical networkc oding,R-PNC) 。 的调制 解调方式提出一种中继物理层网络编码的中继协作传输机制 —( networ ocding-decode and ofrward,NC-DF) 、—( networkc oding-am- 通过将网络编码解码转发网络编码放大转发plify and ofrward,NC-AF) R-PNC ,及 协作传输机制分别应用到蜂窝小区内进行中继协作通信改进相应的中继传 ,,Markov ,输协议并分析不同时隙下的中继状态采用 链建立中继传输状态的转移模型推导三种协作传输机制 。,,下的上行链路归一化网络吞吐量公式仿真结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明三种协作传输机制与传统中继转发机制相比都能够提 。( R-PNC) 。高小区内的吞吐量其中基于物理层网络编码的中继协作传输机制性能最优 : ; ; —; —; ; 关键词中继协作传输协议网络编码解码转发网络编码放大转发物理层网络编码归一化吞吐量 :TP393, 03::A1001-369(5 2011) 01-0275-0 4中图分类号 文献标志码 文章编号 doi: 10, 3969 / j, issn, 1001-369,5 2011, 01, 078 Research orefl ay transmission mechanism based onne twork coding technology in cells HUANG Qiong,NI Ming-jing,TANG Lun,CHEN Qian-bin ( Key Laboratory oMfob ile Communication Technology,Chongqing University of Posts , Telecommunications,Chongqing 400065,China) Abstact: In order toso lve the problem of relay cooperation transmission mechanism which applied in cells ,this paperi m- r proved a R-PNC coo peration transmission mechanism, By taking NC-DF,NC-AF and R-PNCin to relay cooperation communi- cation of cells,improving above threekin ds of relay transmission protocols and analyzing different relay states ofdi fferent slots, adopted Markov sttoab leish transfer model of relay transmission state andde rived up-link normalized network throughputfor- mula of threek inds of cooperation transmission mechanisms, The simulation results show,comparing with traditional relay for- ward mechanism,all above oocperation transmission mechanism can enhance the throughputin c ells,and R-PNC rtansmission mechanism is the best ofll , a Key words: relay cooperative; transmission protocol; networkc oding-decode and forward; networkc oding-amplify and for- ward; physical networkc oding; normalized throughput 将网络编码分别与中继技术的两种工作机制相结合的传输机 0 引言 ,—( networkc oding-decode and ofrward, 制即网络编码解码转发 NC-DF) networkc oding-amplify and ofr- —( 和网络编码放大转发,在传统用户到基站单跳机制的无线蜂窝移动通信系统中 ward,NC-AF) 。,然而当一个中继节点同时接收多个节点发送 ,,由于信道的衰落信号的传输受到影响采用中继传输的分集 ,,的信号时可能引起信号间的干扰但实际上可以利用干扰来 ,技术是对抗衰落的有效方法且中继技术能够改善小区边缘用 ,1, 。 提升吞吐量。户的通信质量蜂窝系统中的中继工作机制可分为解码转 针对采用传统网络编码机制的中继节点难以处理同时到 ( decode and forwa,rDdF) amplify and ofrward, ( 发和 放 大 转 发 ,,6 :9 ,达的多用户的混合信号文献提出了一种能够直接在 AF) 。( networkc oding,NC) 两种方式网络编码 技 术 支 持 中 间 ( physical networkc oding,PNC) 。 物理层调制解调的网络编码 ,,节点在存储转发数据时对多路数据进行网络编码从而提升 ,2,3,,PNC / 与通常的 网络编码技术相比采用恰当的调制 解 调 技 。网络吞吐量 ,术将中继节点处接收到的自然叠加的电磁信号映射至数据比 ,网络编码技术可与中继技术相结合通过中继对不同时隙 ,,特流叠加的高斯域中并将此高斯域信号进行调制转发也即 ,接收到的来自不同用户的信息进行网络编码及转发同时实现 PNC ,。,充分利用用户 信 号 间 干 扰并直接通过电磁信号高斯域 基于中继分集技术及网络编码增益的系统性能提升目前一 。,,4,5,映像实现网络编码机制 些研究针对中继技术与网络编码技术的结合文献研究 2010-09-012008ZX03003-00) 5; : 2010-07-31; : : ( 收稿日期修回日期 基金项目国家科技重大专项目重庆市自然科学基金重点资助项 ( CSTC2009BA209) 0; ( KJ100514)目重庆市教委科学技术研究项目 ?276?28 卷 第 计 算 机 应 用 研 究 PNC ,,,本文提出一种基于 的中继协作传输机制即中继技 收两个用户的信息解码后再进行网络编码进而调制后上传 —( relay-physical networkc oding,R-PNC) :基站,即需要三个时隙完成上行链路传输。其传输模型如下术物理层网络编码传 。NC-DF、NC-AF、RP T时刻,用户 A 到基站的传输表达式为输机制将 三种传输机制分别应用于蜂窝 1 ( 3) y= εhPLX+ n,, 小区内的中继协作通信且改进相应的中继传输协议最后分 A_eNB A_eNB A_eNB A A_eNB A 用户 到中继的传输表达式为 。别仿真不同的传输机制下的网络吞吐量 y= hPLX+ nεA_R A_R A_R A A_R ( 4) 1 协作网络编码技术 T,B 时刻用户 到中继的传输表达式为 2y= hPLX+ nεB_R B_R B_R B B_R ( 5) ,采用网络编码的中继需对两个用户的信息进行编码上传 T,时刻中继到基站的传输表达式为 3 。即在中继处存在着用户组合的优化问题因此以一个小区模 y= hPLX+ nεR_eNB R_eNB R_eNB R R_eNB ( 6) ,。1 ,型为参考分析用户组合优化的问题如图 所示假 设 用 户 = X。: XX其中? R A B eNB 1 /3 ,从 到小区边缘服 从 参 数 为 的 指 数 分 布六 个 中 继 均 根据以上传输公式,小区中继协作传输协议如下:,,匀分布在小区的六个区域内内圈表示基站控制范围虚线圈 a) elay Buffer R,Buf-若 将 中的信息上传基站成功则清空 ,。表示中继控制范围其中交互范围为重叠区域 fer 等待 User_A上传信息的信 息 X,直至 Relay 成功接收;,根据基站和中继的不同控制范围可将用户分为三种用户 A b) Relay Buffer ,User_B X, 的 接收 中存在 的信息失败则,{ User_eNB} 、群即基站控制用户群中继控制小区边缘的用户 A i User_B 重传信息 X直至 Relay 接收成功;{ User_Relay} 、{ User_Overlap} 。群及重叠区域用户群则中继 B j k c) elay User_A User_B R,若 成功接收 和 的信息则采用网 :处的用户组合包括如下三种情况 X= X,。XPair_1 = { User_Overlap,User_Overlap} ; 络编码生成新的数据 ? 然后上传基站直至成功 k k + 1 R A B Pair_2 = { User_Overlap,User_Relay} ; a) 、b) 、c) k j 上述中继协议中的 分别代表中继的三种不同的 Pair_3 = { User_Relay,User_Relay}( 1) j j + 1 State、State、State。Markov , 状态 则 用 链表示各状态的转移1 2 3 Pair_3 ( 1) ,从式可以看出中的两个用户均为中继控制用 3 。如图 所示 ,,户由于中继控制区域用户属于基站控制范围外即是无法直 P( S) 、P( S) 、P( S) 、P( S) R 设 分别表示中继节点 所 1 2 3 4 ,。接与基站通信的剩下的两种用户组合是可行的最优组合假 Sstate、State、State、State,处的 四种不同状态可 得 到 各 个 状 1 2 3 4 ,设重叠区域的用户到基站接收信噪比阈值为 用户到中继接 η:态方程 ,:收信噪比阈值为 则用户组合函数如下 λP( S) = P( S) P+ P( S) ( 1 )P ) 1 1 User_A 3 R_eNB User_Relay User_eNB Pair_1 = { User_Overlap( k,SINR, SINR, ) , λ?η P( S ) = P( S ) ( 1 )P ) + P( S ) P kk 21User_A2 User_BUser_Reay User_eNB lUser_Overlap( k + 1,SINR, SINR, ; ) } ?ηP( S ) = P( S ) ( 1 )P ) + P( S ) P λ k + 1k + 132User_B3 R_eNBUser_Relay User_eNB Pair_2 = { User_Overlap( k,SINR, SINR, ) , S ) + P( S ) + P( S ) = 1 ( 7) P( λ?η 123kkUser_Relay User_eNB User_Relay( j,SINR, SINR, ) } λ?η( 2) :( 7) jj由公式可推出 ( 1 ) P ) ( 1 ) P ) 2 。图 为蜂窝小区内单中继通信 User_B R_eNB P( S) = 1 ( PP+ PP+ PP) User_A User_B User_B R_eNB User_A R_eNB 2P) 2P) 2P+ 3) R_eNB User_A User_B ( 1 ) P ) ( 1 ) P ) User_A R_eNB P( S) = 2 ) PP+ PP+ PP) User_A User_B User_B R_eNB User_A R_eNB 2P) 2P) 2P+ 3) R_eNB User_A User_B ( 1 ) P ) ( 1 ) P ) User_B User_A P( S) = ( 8) 3 ( PP+ PP+ PP) User_A User_B User_B R_eNB User_A R_eNBUser_B 2 ,,从图 中可以看出用户 处于基站控制范围以外 2P) 2P) 2P+ 3) R_eNB User_A User_B,。即它的信息是无法直传基站的需要通过中继转发中继则可 N bt T,i设传输 需要时间 则无误码率时的数据传输速率 通过接收一个重叠区域用户的信息和一个小区边缘用户的信 R = N / T。NC-DF 为 则 传输方式的传输速率为 0。,息进行网络编码后上传基站根据以上分析下面将建立传输 R 0 R= NC-DF 。模型并改进相应的中继传输协议 3 2 9( 1 ) P ) ( 1 ) P ) ( 1 ) P ) , 假设信道增益和噪 声 方 差 已 知且噪声均为方差等于 σ User_B User_A R_eNB, + ( 1 ) P ) ,( 9) User_A_eNB( PP+ PP+ PP) User_A User_B User_B R_eNB User_A R_eNB 、X,n,y 。A、B X的高斯白噪声用户 发送信号设为 噪声设为 A B 2P)2P)2P+3) R_eNB User_A User_B ,P、P。h表示接收信号基站和中继的传输功率分别为 和 s r A_eNB R 0hA、B h,h表示用户 到基站的信道衰落系数和 表示用 ( 1 ) P) A 其中 为重叠区域用户 的信息直传基站所 B_eNB A_R B_R User_A_eNB 3 A、B ,h户 到中继的信道衰落系数表示中继到基站的信道衰 B_R 。获得的速率 ,L 。,A、B 落系数表示路径损耗其中用户 到中继的误码率为 由式( 9) 可得 NC-DF传输方式下的网络吞吐量为 PP,A P,和 用户 到基站的误码率为 中继到基 User_A User_B User_A_eNB R3( 1 )P ) ( 1 )P ) ( 1 )P ) NC-DF User_B User_A R_eNB = +R( PP+ PP+ PP)P。、、。 站的误码率为 用户中继基站的发送功率均为 ε 0User_A User_B User_B R_eNB User_A R_eNB R_eNB 2P) 2P) 2P+ 3) R_eNB User_A User_B . -11 NC DF 传输机制归一化网络吞吐量 1 ( 1 )P ) ) ,( ( 10) User_A_eNB NC-DF ,3 中继处若采用 传 输 机 制则 需 在 不 同 时 隙 分 别 接 ?277?1 ,: 第 期 黄 琼等蜂窝小区内基于网络编码技术的中继协作传输机制研究 。方式与中继协作传输相结合其只需要一个时隙内同时接收 . -2 NC AF 传输机制 1 ,PNC PNC ,叠加的两个用户信息进而用 解调后上传基站即 解 NC-AF ,AF 采用 传输机制的中继处由于 不需要对用户信 ,。 调过程中进行了网络编码需要两个时隙完成上行链路传输,息进行解码只需要一个时隙内同时接收到叠加的两个用户信 :则传输模型如下 ,,。 息放大后直接上传基站即需要两个时隙完成上行链路传输 T,A 时刻用户 到基站的传输表达式为1 :其传输模型如下 y= εhPLX+ n( 18) A_eNB A_eNB A_eNB A A_eNBT,A 时刻用户 到基站的传输表达式为1 A 用户 到中继的传输表达式为 ( 11) y= εhPLX+ n A_eNB A_eNB A_eNB A A_eNBy= hPLX+ nεA_R A_R A_R A A_R ( 19) A 用户 到中继的传输表达式为 B 用户 到中继的传输表达式为 y= hPLX+ nεA_R A_R A_R A A_R ( 12) y= hPLX+ nεB_R B_R B_R B B_R T:,B ( 20) 时刻用户 到基站的传输表达式如下 2 T,时刻中继到基站的传输表达式为 y= hPLX+ nε2 B_eNB B_eNB B_eNB B B_eNB ( 13) y= hPLX+ nεR_eNB R_eNB R_eNB R R_eNB B 用户 到中继的传输表达式为 ( 21) y= hPLX+ n= PNC_Modulation( Y+ Y) 。Xε其中 B_R B_R B_R B B_R R A_R B_R ( 14) T,时刻中继到基站的传输表达式为 :3 则加入篡听机制的小区中继协作传输协议如下 y= hPLX+ nεβR_eNB R_eNB R_eNB R R_eNB ( 15) a) elay Buffer R,Buf-若 将 中的信息上传基站成功则清空 = + y) ,,4,X( y:其中 β放大系数由文献给出 R A_R B_R fer User_A User_B ;等待 和 上传信息 b) Relay Buffer ,User_B X,ε 的 中存在 接收 的信息失败则A β = 222 ε( h+ h) + σ A_R B_RUser_B eay X Rl;重传信息 直至 接收成功 槡 BNC-AF 传输机制是进行物理层网络编码并放大转发的机 c) Relay 的 Buffer中存 在 X,接收 User_A 的信息失败,则B 制,其加入篡听机制后的传输协议如下:User_A X Relay ;重传信息 直至 接收成功 Aa) elay Buffer R,Buf- 若 将 中的信息上传基站成功则清空 d) Relay User _ A User _ B ,若 成 功 接 收 和 的 信 息则 采 用 fer User_ User_B eay User_A。RlA 等待 和 上传信息同时接收 PNC / 。调制 解调后上传基站直至成功 User_B 。User_A User_B XX的信息 和 的信 息 若 和 中 任 一 A B a) b) c) d) 上述中继协议中的 分别代表中继的四种不同的,Relay 。个用户信息接收未成功则重新发送直至 接收成功 State 、State 、State 、St。ate Markov 状态 则用 链表示各状态转 1 2 3 4b) Relay User_A User_B , 若 成功接收 和 的信息分别放大5 。移如图 所示 ,X= + X) 。 ( Xβ 倍生成新的数据 β后上传基站直至成功R A B 上述中继协议中的 a) b) 分别代表中继的两种不同的状态 State、State。Markov ,4 。 则用 链表示各状态的转移如图 所示1 2 P( S) = P( S) PP+ P( S) ( 1 )P ) 1 1 User_A User_B 4 R_eNB NC-AF P,,由于 传输方式下噪声 项 始 终 存 在导 致 了 User_AP( S) = P( S) ( 1 )P ) + P( S) P 2 1 User_A 2 User_BP。 和 并不相互完全独立则定义事件 Ω和 Ω分别为中继User_B A B P( S) = P( S) ( 1 )P ) + P( S) P 3 1 User_B 3 User_A,P。正确接收两用户数 据相 反 事 件 Ω和 Ω表 示 接 收 失 败设 A B P( S) = P( S) ( 1 )P ) ( 1 )P ) + P( S) 4 1 User_A User_B 2 ( ) ,NC-AF Ω表示其发生概率则 传输方式的传输速率为( 1 )P ) … + P( S) ( 1 )P ) + P( S) P R=User_B 3 User_A 4 R_eNBNC-AF P( S) + P( S) + P( S) + P( S) = 1 ( 22) 1 2 3 4 R) ( 2 ) 2P ) 2P + 3P P ) ( 1 ) P 0 R_eNB User_A User_B User_A User_B ,+ ( 2 )P )P + 2PP)P )2 S) 、P( S) 、P( S) 、P( S) R P( 设 分别表示中继节点 所 User_A User_B User_A User_B R_eNB 1 2 3 4 ( 1 )P ) , ( 16) User_A_eNB Sstate、State、State、State,处的 四种不同状态可 得 到 各 个 状 1 2 3 4 R 0( 22) 。态方程式 User_A ,: ( 1 ) 其中由于 的信息可以直传基站需加上速率 2( 22) : 由式可推出P) 。 User_A_eNB P( S ) = 1( 16) NC-AF 由式可得出 传输机制下的网络吞吐量为( 1 )P ) ( 1 )P ) ( 1 )P ) User_AUser_BR_eNB22R NC )A F ( 1 )P ) ( P) 2P) 2P+ 2) + + P R_eNB User_A User_B User_A User_B =R 0( 1 )P ) ( 1 )P ) ( PP) 2P) 2P+ 3) User_A User_B User_A User_B User_A User_B )P ) ( 2 ) 2P ) 2P+ 3PP) ( 1 1 R_eNB User_A User_B User_A User_BP( S) = 2 , + 22 )P )P + 2PP)P User_A User_B User_A User_B R_eNB2 ( 1 )P ) ( 1 )P )User_A R_eNB ( 1 )P ) , ( 17) User_A_eNB 22 ( 1 )P ) ( P) 2P) 2P+ P + 2) + R_eNB User_A User_B User_A User_B. -13 R PNC 传输机制 ( 1 )P ) ( 1 )P ) ( PP) 2P) 2P+ 3) User_A User_B User_A User_B User_A User_B P( S) = 3 R-PNC \ 传输机制 是将物理层网络编码的特殊 调 制 解 调 ?278?28 卷 第 计 算 机 应 用 研 究 2 ( 1 )P ) ( 1 )P ) 。传输机制的网络吞吐量提升最为明显 User_B R_eNB 22 ( 1 )P ) ( P) 2P) 2P+ 2) + + P R_eNB User_A User_B User_A User_B7 ,SNR = 5 dB ,如图 所示在 时分别在不同的传输机制下 ( 1 )P ) ( 1 )P ) ( PP) 2P) 2P+ 3) User_A User_B User_A User_B User_A User_B 0, 8 :1 , 1 km 。从小区边缘 处的网络吞吐量的性能仿真从图 P( S) = 4 ,, 中可以看出每一种传输机制受到路径损耗的影响并不明显 ( 1 ) P ) ( 1 ) P ) ( P P ) 2 P ) 2 P + 3 ) User_A User_B User_A User_B User_A User_B R-PNC 0, 8 : 1, 1 km 例如 传输机制从 处的网络吞吐量降低仅 22 ) 2P) 2P+ 2) + ( 1 )P ) ( P+ P R_eNB User_A User_B User_A User_B0, 025 。为 左右 ( 1 )P ) ( 1 )P ) ( PP) 2P) 2P+ 3) User_A User_B User_A User_B User_A User_B ( 23) T,N bit 设传输 需要时间 则无误码率时的数据传输速率 R= N / T。( 23) NC-DF 为 由式可得 传输方式下的小区内中继 0 协作传输的数据速率为 R= PNC 8 ) 5 P ) 5 P + 2 P P User_A User_B User_A User_B R,+ 022 ) ( P ) 2P) 2P+ P( 1 )P + 2) + R_eNB User_A User_B User_A User_B ( 1 )P ) ( 1 )P ) ( PP) 2P) 2P+ 3) User_A User_B User_A User_B User_A User_B 1 ( 1 )P ) , ( 24) User_A_eNB3 结束语 2 R 0R-PNC ,NC-DF、NC-本文提出了 协作传输机制并将它与 User_ A ,,其中由 于 的信息可以直传基 站需 加 上 速 率 2AF , 协作传输机制分别应用到蜂窝小区内进行中继协作 通 信( 1 )P ) 。 User_A_eNB ,; 进而基于不同的传输模型改进相应的中继传输协议然后根 ( 24) 由式推出其网络吞吐量为,Markov 据三种协作传输机制下不同时隙的中继状态采 用 链 R PNC =,,建立中继传输状态的转移模型基于状态转移概率推导出在 R 0。 三种协作传输机制下的上行链路的归一化网络吞吐量表达式 8 ) 5P) 5P+ 2PP User_A User_B User_A User_B +22 最后通过仿真证明了三种中继协作传输机制均能够提升蜂窝 ( 1 )P ) ( P + P ) 2P) 2P+ 2) + R_eNB User_A User_B User_A User_B ( 1 )P ) ( 1 )P ) ( PP) 2P) 2P+ 3) ,SNR ,,小区内的网络吞吐量越 高则提升的性能越佳而 路 径 User_A User_B User_A User_B User_A User_B 1 ,R-PNC 。损耗影响比较小其中 传输机制的性能最佳 ( 1 )P ) ( 25) User_A_eNB 2:参考文献 2 性能仿真 ,1, NG T C Y,YU Wei, Joint optimization of relay strategies and re- source allocation in cooperative cellular networks,J,, IEEE Journal ε :( 6) NC-DFSNR = ,( 3)推 出 假设发送节点的 则 由 式 on Selected Areas in Communications,2007,25( 2) : 328-339, 2 σ,2, WU Yun-nan,CHOU P A,KUNG S Y, Information exchange in NC-DF =: A B 传输机制下用户 和 到中继的接收信噪比分别为 γ A_Rwireless networkswith networkc oding and physical-layer broadcast ε ε 2NC-DF2 ,C,/ / Proc of 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channels,C,/ / Proc oIfEEE Global Telecommunications Conference, ,。R-PNC 比网络吞吐量都有相当明显的提升其中本文提出的 ,S, l, ,: IEEE Press,2009: 1-6,