无线网络中的网络编码策略及容量研究

1、无线网络中的网络编码策略及容量研究移动数据业务的繁荣给无线通信网络带来了巨大的发展机遇 , 也对网络的传输能力 , 特别是高实时性业务的可靠传输 , 提出了更高的要求。作为应对之策 , 无线通信网络必将趋于密集和异构化 , 以实现更高的频谱复用效率。然而 , 这将不可避免的造成无线通信环境的复杂化 , 干扰成为抑制传输能力的瓶颈。 而且 , 网络规模的增大和节点移动性的增强为获取实时网络状态信息提出了挑战。 针对无线通信发展的新形势 , 研究无线网络容量 , 探索制约网络传输能力的主要因素 , 以指导网络设计 , 已经成为无线通信领域中的重要问题。无线网络容量 ,作为衡量无线通信网络传输能力的

2、重要指标 , 不仅给出了可靠传输能力的上限 , 也揭示了网络中的最佳传输方式 , 因而一直受到学者的广泛关注。同时 , 网络编码已经被证明是一种提升无线网络容量的重要手段。因此 , 为了探索干扰、非实时信道状态信息对无线网络容量的影响 , 以及制约实时性业务传输的因素 , 本文从以下两个角度研究网络编码策略以及网络容量 : 一个是在非实时信道状态信息下 , 研究干扰网络中的网络编码策略以及网络的容量区域 ; 另一个是 , 在广播分组擦除信道下 , 研究实时性业务在有序发送下的网络编码策略 , 并探索其吞吐量。本文的主要研究内容和成果具体如下 :1. 在可利用历史信息的两用户干扰网络中 , 提出

3、了一种基于非实时信道状态信息的编码策略 , 该策略几乎可以达到网络的稳态吞吐量区域。 首先 , 我们提出了一种物理层线性编码方案 , 以充分利用历史信息。编码方案的核心思想基于以下两个问题 :1) 如何利用冲突信号 ?2) 如何利用边信息 ?第一个问题指出 , 根据反馈信息和数据包的到达知识 , 两个信源如何联合决策各自需要发送的数据包。第二个问题表明 , 每个信源如何利用干扰 ( 虚拟发送 ) 和边信息来构造两个信宿同时需要的数据包。 基于队列系统 , 我们设计了一种基于反馈的传输策略 , 以最优的实现编码方案。其次 , 利用虚拟队列机制 , 我们求得传输策略的稳态区域。同时 , 提出了一种

4、基于李雅普诺夫函数的平稳策略。最后 , 通过大量仿真 , 我们对比了所得稳态区域与容量区域的外界。仿真结果表明 , 稳态区域和容量区域外界的差距小于 3%。这意味着 , 从实际应用的角度来看 , 传输策略基本可以达到网络容量区域的外界。 通过与一些基本干扰管理技术的吞吐量进行比较 , 可以看出合理利用历史信息可以获得更好的吞吐量。 2. 刻画了可利用历史信息的两用户干扰网络的容量区域。首先 , 通过证明网络的容量区域落在二进衰落干扰网络的容量区域之内 , 我们推导出容量区域的外界 , 即二进衰落干扰网络容量区域的外界就是待求外界。其次 , 我们给出了该网络在线性网络编码下的容量区域 , 称为线

5、性网络编码容量区域。 便于分析 , 我们根据线性码字的特征将其分类 , 称为编码类型。基于编码类型 , 利用一种基于线性空间的方法 , 我们把寻找线性网络编码容量区域的外界和可达编码方案融合在一个线性规划问题中。 最后 , 根据编码类型的特点 , 同时利用一些纯代数证明 , 我们推得线性网络编码容量区域与所得外界重合。也就是说, 线性网络编码容量区域就是网络的容量区域 , 且线性码是最优的。此外 , 网络容量区域的证明过程表明仅使用部分编码类型就可以达到网络的容量区域 , 这将简化码字设计。 3. 针对实时性业务的有序发送 ,在广播分组擦除信道下提出了一种编码策略并分析其吞吐量 , 结果表明网

6、络编码对于实时性业务的有序发送存在编码增益。首先 , 提出了一种线性网络编码方案。针对有序发送 , 在提出的编码方案中 ,AP 只对每个流中最老的数据包进行编码操作 , 直到数据包被成功发送到相应信宿。而且 , 编码方案利用了码字对齐的概念 , 使其具有即时可译性。接着 , 我们分析了编码方案在无时延限制下的性能。利用马尔科夫决策过程建模发送过程 , 我们将编码方案的吞吐量表达成一个线性不等式组。对于严格时延限制的情况 , 直接将队列状态当作系统状态 , 问题的规模过大无法求解。因此 , 为了简化系统状态 , 我们定义领先时间。进一步 , 根据编码方案的特征 , 我们利用马尔科夫决策过程 , 以及系统的程循环稳定性 ,