无线网络中利用中继节点进行协作通信可为移动用户提供额外的空域分集增益，在对抗多径衰落，容量增益以及覆盖面扩展等方面带来优势。近年来，网络编码机制[1,2]被用于中继协作通信，中继节点对从多条路径接收到的信息进行编码转发，接收节点进行相应解码以获得原始信息，以此显著提高了无线中继网络的吞吐量、鲁棒性和安全性等[3,4]。
    但是，由于无线网络拓扑结构的动态变化以及链路的时变性，使得无线网络中难以提供可靠的恒定速率的信息传输服务。对此，有人提出了速率适配的网络编码方案[6]，通过降低节点瞬时发送速率来增加数据包被串听(overheard)的范围，以此增加网络编码机会并进一步提高网络吞吐量。先前网络编码[3,5,7]在TWRC（双向无线中继信道）中的设计需要在中继节点对接收到的来自两个端节点的数据包进行正确的信道译码，但是由于信道衰落的时变性，不可能总是假设接收到的数据包被正确译码，而且信道译码处理会消耗过多的功率。
    针对以上问题，本文提出一种速率自适应的软网络编码传输方案，该方案的关键特征包括两个方面：相比于传统的网络编码方案，中继节点不需要信道译码和重新编码，大大减少了中继节点的计算复杂度和功率消耗；根据节点之间的信道信噪比估值，源节点自适应调整物理层发送速率响应信道变化，进一步提升系统吞吐性能。
1 软网络编码的基本思想
    传统的直接网络编码SNC(Straightforward Network Coding)在TWRC的设计如图1所示,来自两个端节点的数据包在中继节点被正确译码之后才进行网络编码合并,这就限制了其吞吐量;由于信道衰落的时变性,不能确保接收到的数据包总是被正确译码;信道译码处理(尤其是Turbo、LDPC这样高级的编码方式)会消耗过多功率,增加计算复杂度。

    软网络编码方案中,中继节点不需要进行信道译码和重新编码操作,如图2所示。信道编解码是在端对端的基础上,也就是说只在端节点进行信道编码和相应解码。

    由于Turbo码、LDPC等信道编码的线性性质，即相同长度的两个码字可以进行线性合并,而网络编码实际上也是线性映射,因此,对于码字也能够进行网络编码合并。
    为分析简单起见,假设两个端节点使用同样的编码方式和BPSK调制,以及相同的数据包长度和码字长度。本文中,定义包括信道编码和调制过程，信息数据包Ui和要发送的BPSK信号Xi之间的关系为:

    可见,SNC需要两个信道译码器和一个信道编码器;软网络编码机制中,中继节点对接收到的两路信号的软判决信息进行网络编码,而不需要任何信道译码,节省了基带信号处理的功耗,提高了无线网络中继节点的功率效率。
     上述对软网络编码的讨论是建立在假设两个终端节点使用相同的信道编码结构的基础上,但是可以看出,当两个终端节点采用不同的信道编码结构时,软网络编码设计依然适用。这就为下一步的自适应编码调制提供了必要的条件。
2 速率自适应策略
    不同的编码调制方式抗噪能力不同,所以,在满足一定误码率的前提下,可根据实际信道择优选择编码调制方案:当用户处于有利通信地点时(如靠近基站或存在视距链路)，对用户的传输数据可以采用较高阶的调制方式和较高码率的信道编码方式(即高信息率传输模式),提高系统总吞吐量;而当用户处于不利的通信地点时(如位于小区边缘或者信道处于深衰落),则选取较低阶的调制方式和较低码率的信道编码方式(即低信息率传输模式),保证系统BER需求。
    首先将不同码率的Turbo编码和不同阶数的调制方式形成N=6种不同数据率的组合Zi,具体为:信道停用,不传数据;1/2 Turbo码+BPSK;1/2Turbo码+QPSK;3/4Turbo码+QPSK;1/2 Turbo码+16QAM;1/2Turbo码+32QAM;3/4
Turbo码+16QAM。其对应吞吐量bi分别为0,0.5,1,1.5,2,2.5和3(b·s-1·Hz-1)。将信道信噪比范围划分为分别对应于N种编码调制组合方式的N个子集Di,根据系统所要求的BER大小来确定信噪比的阈值集合,使得系统吞吐性能达到最大;发送端根据反馈回来的信噪比信息确定所处的阈值区间,选择相应的调制方式进行数据传输,并将编码调制参数通过一定的方式通知接收端。
    在TWRC中,使用速率自适应的传输策略可以根据信道状态动态调整发送速率,适应信道变化,在保证通信质量的前提下,得以最大限度地传输信息,提高小区的平均吞吐量。
    参考文献[4]研究表明,即使很简单的网络拓扑,联合速率适配和网络编码的最优策略是一个NP-hard问题,作者提供了一个启发式算法找到一个次优的速率适配和编码方案,而且证明了发送速率不能随意降低,否则会导致网络性能的恶化。
3 方案设计描述
    TWRC中速率自适应的软网络编码传输方案如图3所示,两个端节点N1和N2在中继节点N3的协作下相互交换信息。假设3个节点都工作在半双工方式。由于无线网络自身的广播特性,任一节点发送的数据包能够被其他两个节点接收。时隙1,N1发送数据包给N2和N3;时隙2,N2发送数据包给N1和N3;时隙3,N3进行网络编码操作,合并前两时隙接收到的两个数据包并且将处理过的数据包转发给两个端节点。

    i、Ki、Mi(i=1,2)分别表示节点处的信道编码调制映射函数、信息数据包长度和发送数据包长度。假设不同节点i和Ki都不同,Mi相同(当两个端节点的码字长度不同,就在较短码包的末尾添0补齐)。端节点AMC模块根据信道估计结果,采用AMC算法进行编码调制方式的选取,并将编码调制参数通知给另一个端节点。
　　假设节点与节点之间是复高斯广播信道,则有：
  
    最后,N3广播x3,m给两个端节点。
    通过上面的分析,可以看出N3的软网络编码操作实际上是利用y13,m和y23,m估计出(x1,m×x2,m),转发信号就是对接收的两个码字进行XOR操作得到的比特的软信息。
    以N2为例简述端节点的数据处理。N2在第一个时隙通过N1和N2之间的直接链路接收到信号y12,m,在第三个时隙接收到的信号为:

    这样,可以形成一个输入为(x1,m×x2,m),输出为x3,m的等效虚拟信道。则式(11)可以用图4这样一个高斯信道表示,其中hv是实的信道系数,nv为加性高斯噪声。

4.1 性能比较
    等效信道的吞吐量即为计算输入信号(x1,m×x2,m)和输出信号v3,m之间的互信息,即:

     基于MATLAB环境仿真比较SNC和软网络编码两种方案的信道容量和误比特性能如图5所示。仿真条件为:信道编码为Turbo 编码,2个分量编码器结构相同,采用由3个移位寄存器构成的递归系统卷积码,生成多项式为(15,17),码率为1/2,5次译码迭代;调制方式为BPSK;SNC方案中译码输入为两路软判决信息的合并信息。所有的链路都是噪声方差相同的AWGN信道。

    从仿真曲线可以看出,与SNC方案相比,软网络编码方案信道容量稍低,误比特性能稍差,这是因为中继节点的软合并操作使得噪声增强、错误概率相应增加,这可以通过虚拟信道看出。对应于硬信息的XOR操作,对两个软比特的网络编码操作可以表示为:

    从上式可以看出,虚拟信道输出的LLR值近似于两个输入LLR值中较小的一个,也即对应着较大的噪声方差。但是由图5可以看出,随着SNR的增加,软网络编码的性能损失将会减少。在中上水平的SNR范围内,软网络编码方案有着和SNC几乎同样的信道容量。另外,提高编码速率会减小两种方案误比特性能之间的差距。
4.2 速率自适应策略的误比特性能
    按照6种编码调制模式，对软网络编码方案进行仿真。
    图6显示了不同发送速率下系统的误比特性能。可以看出,相同信道条件下,不同发送速率的误比特性能有所差异,即不同的信道信噪比情况对应不同的最优发送速率。则可以得出:(1)源节点与中继节点之间距离越远,平均信噪比越低,源节点采用低吞吐量的编码调制参数有效利用信道容量并且可以获得很好的误比特性能;(2)两者越接近,平均信噪比越高,为了充分利用信道容量必须采用多电平调制参数,选择最合适的发送速率,在保证通信质量的前提下,得以最大限度地传输信息。

    网络编码被证明能够显著提高无线网络的性能,而无线信道具有时变和衰落特性,要想取得更大的无线信道容量,必须考虑使发送速率与随机信道特性相适应。本文针对TWRC提出了联合速率自适应和软网络编码的方案,结果显示在中上的信噪比范围内能达到与传统网络编码几乎相同的信道容量,误码性能稍有损失却可以降低中继节点的计算复杂度和功耗,而且每个移动源节点可以根据当前信道确定合适的编码调制方式,能够适合不同的传输质量需求,在保持较低的误比特性能的同时,尽可能提高信道容量,从而使性能得到优化。
参考文献
[1] AHLSWEDE R, CAI N, LI S Y R, et al. Network information flow[J]. IEEE Transactions on information Theory,2000(46):1024-1016.
[2] LI S Y R, YEUNG R W,CAI N.Linear network coding[J].IEEE Transactions on Information Theory,February, 2003,49(2):371-381.
[3] WU Yun Nan, CHOU P A, KUNG S Y. Information exchange in wireless networks with network coding and physical-layer broadcast[C]//2005 Conference on Information Sciences and Systems, The Johns Hopkins University, March 16-18, 2005.
[4] PARK M, KIM S L. A minimum mean-squared error relay for the two-way relay channel with network coding[J].IEEE Communication Letters, 2009,13(3):196-198.
[5] KIM Y, VECIANA D G. Is rate adaptation beneficial for  inter-session network coding[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications,2009,27(5):635-646.
[6] THOBABEN R.Joint network/channel coding for bandwidth-efficient multiuser ARQ[J].in Proc. IEEE Signal Processing Workshop on Signal Processing Advances in Wireless Communications(SPAWC), Perugia, Italy, June 2009.
[7] ZHANG  S, ZHU Y, LIEW S, LETAIEF K. Joint design of network coding and channel decoding for wireless networks[C]//IEEE Wireless Communications and Networking  Conference (WCNC 2007),Hong Kong, 2007.