联合信道网络编码研究综述*

钟景川，祁 杰，李保申，陈奋晓，屠晨峰，张 萌*

(1.东南大学国家专用集成电路工程中心，南京210096;2.哈维马德学院，美国)

联合信道网络编码研究综述*

钟景川1，祁 杰1，李保申1，陈奋晓2，屠晨峰1，张 萌1*

(1.东南大学国家专用集成电路工程中心，南京210096;2.哈维马德学院，美国)

网络编码技术可以提高网络吞吐量和传输性能，均衡网络负载。在无线传感器网络中，应用网络编码和信道编码联合编码技术可以降低节点数据处理复杂度，大幅提升系统整体性能。基于传统网络编码模型，在节点中加入数据调制功能，可以实现网络编码和信道编码的联合编码，信道编码则采用各方面性能较好的Turbo码和LDPC码。结果表明，在10-4误码率下，联合编码方案的信噪比相比于传统编码方案有1.5 dB的节省。

无线传感器网络;联合信道网络编码;Turbo码;LDPC码;

网络编码由香港中文大学Ahlswede，R等人于2000年提出，它是一种基于信息处理转发思想的新型编码技术。网络编码通过在中间节点引入数据处理和信息加工功能，使中间节点对其接收到的信息进行线性或非线性的处理，再转发至后续节点。Ahlswede，R等人从信息论的角度，证明了通过这种方式，可以达到通信网络的最大容量［1］。

网络编码技术改变了传统通信网络中信息处理和传输的方式，提高了网络吞吐量、负载均衡、鲁棒性、信息传输效率和安全性等。研究发现，中继节点的处理不仅可以获得分集增益，还可以通过传递译码辅助信息来对抗信道衰落和噪声干扰。因此，在网络编码的大背景下，将信道编译码技术与网络编码技术相结合(联合信道网络编码)应用于各个网络模型成为当前无线网络中的一个研究热点。

本文首先概括了网络编码的基本原理及其优缺点，并总结了一些改进方案。在网络编码基础上，特别讨论了信道编码与网络编码的联合编码技术(联合信道网络编码)，并对一些具体的实现方案给予分析与评价。最后，展望了联合信道网络编码的研究发展方向。

1 网络编码概述

1.1 网络编码基本原理

在传统网络中，中间节点只进行信息的分组存储和转发。网络编码技术中，中间节点对接收到的数据进行加工处理再转发出去，如图1所示。

图1 二源单信宿数据传输网络

网络编码技术中，中间节点T对原信号x1和x2进行编码融合后形成数据f(x1，x2)，即为y。中间节点输入边和输出边之间存在映射:F2m［2］，同时，目的节点对接收到的数据进行解码，故在编码数据和原始数据之间也存在一种映射通过这种特定的运算之后，再进行数据的传输和解码。

1.2 网络编码的优缺点

网络编码是基于组播技术而提出的。组播技术中，源主机只发送一份数据，组播中的所有接收者都可接收到同样的数据拷贝，但只有组播内的主机可以接收该数据，网络中的其他主机则不能接收到。

传统组播网络中，中继节点需要分别花费2个时隙来接收和发送信息。在网络编码模型中在中继节点对两路信息进行编码则只需分别花费1个时隙即可完成，其信息传输速率达到了组播中的最大流量。

由此可以看出，利用网络编码可以显著提高网络的信息传输速率。通过改进网络编码的编码算法可以达到更加优异的性能。文献［3］提出了一种网络编码算法:将线性网络编码和扩散算法二者结合起来，再结合相应的无线传感器路由算法，实现了网络吞吐量的提升，同时通过建立控制参量与网络最大流的关系，实现了网络容量自适应调节。此外，在保证传感器网络一定节点密度的前提下，还可以运用分布式随机网络编码策略来提升网络信息流的传输速率［4］。除了基于传感网的网络编码优化算法之外，还可以通过利用优化吞吐量的路由算法使得网络层和物理层的链路带宽需求得到平衡，从而提升吞吐量［5］。另外，可以只对进入中继节点的链路进行网络编码，而对进入目的节点的链路则采用路由策略，这样在提高吞吐量的同时也降低了网络的复杂度［6］。

网络编码可以有效的利用网络中的传输链路，从而使数据可以更广泛地分布于网络中，这样可以减少拥塞问题，使得网络负载得到了有效的均衡，同时也降低了网络整体的能耗。文献［7-8］提出了一种针对简单圆形拓扑和矩形拓扑的网络编码算法及其改进方案，该方案可以提高广播数据的传递效率，然而在丢包情况下的节点重新广播率较高。此外，网络编码和分布式流优化结合可以大大提高传输效率［9-10］，但是其针对的网络节点数目比较有限。

从网络编码的原理可知，信宿节点依靠接收到的信息解码出原信息，因此整个网络对信息传输链路选择的依赖程度大大降低，这样就可以有效的应对节点的动态加入和链路失效等问题，网络的鲁棒性得到了有效的提高。文献［11］提出了一种使得编码纠错能力与分组丢失率相匹配的自适应纠错机制，在提高传输速率和鲁棒性的同时。此种机制还可以节约通信开销，从而降低了网络整体的能耗。文献［12］提出一种网络编码和分布式源编码的优化算法。在静态的传感器网络模型中，该算法在保证系统鲁棒性的前提下，使得网络的容错性和可靠性得到了提高。文献［13］中建立了一种联合编码节点数和链路数的优化函数，为解决编码复杂度提出了一种量化方法。

2 联合信道网络编码

在无线信道传输中，信道编码方案必不可少，中继系统也不例外。一般情况下，信道编码与网络编码均独立进行操作，通过信道编码方案引入一定的冗余信息来提高系统传输的可靠性，通过网络编码方案来提高系统的吞吐量和分集增益。一些简单的联合解决方案只是降低中继节点的处理复杂度，并没有带来系统性能的明显提升，如传统的异或网络编码［14］。

Turbo码和LDPC码具有优异的性能，因此这两种信道编译码方案与网络编码的联合得到了较多的关注和研究［15-18］。文献［19］则采用了卷积码与网络编码联合。本文提到的联合信道网络编码方案在中继节点处只传送编码信息的校验比特，即冗余信息。

这种基于联合网络编码与信道编码的系统方案，即使限定了传输次数，也可以获得较高的分集增益并且提高吞吐量［15］。中继系统还可以通过其特殊的传输结构获得更多的冗余信息，一些探索性的研究［20-22］中提到了通过中继节点的处理以传送冗余信息，在接收端处进行联合译码，可以提高数据传输的可靠性。

2.1 联合Turbo码与网络编码

基于采用二元单信宿网络模型实现网络编码，两个源节点通过中继节点来交换信息，Ui表示第i个源节点发送的数据包，其中i=1，2。在两个源节点处都使用了相同的Turbo编码器，将两个节点向中继节点传送的信息进行译码后先进行异或编码操作，再进行重新的Turbo编码，将得到的冗余信息发送到基站即接收节点，并在基站实现信息的译码，如图2所示。由于两个源节点传送的信息可能存在相关性，在中继节点进行异或操作后得到的信息可能会出现很多连续相同的码字，这样显然不利于信道传输以及最后的译码。因此，在第二个源节点的信息进行Turbo编码前将原来的信息先进行交织。这样，中继节点编码所需的两组信息中，一组为直接的Turbo编码，一组为交织后的Turbo编码。最后译码操作时再对其进行解交织操作。

图2 联合Turbo码—网络编码机制

优缺点分析:将联合信道网络编码、网络编码和直传方案进行比较可以发现，联合信道网络编码方案可以获得更好的误码率性能。由于在中继节点向基站转发信息只需花费一个时隙，系统可以获得更高的吞吐量。并且中继节点向基站发送不同的信息，可以获得充分的分集增益。将Turbo编码与网络编码结合可以获得很高的误码率性能，在10-4误码率下，此种方案的信噪比比传统异或编码方案有1.5 dB的节省，比直传链路有5.3 dB的节省。而且联合信道网络编码技术中，中继节点只发送比特编码的冗余信息，而传统异或网络编码方案需要传送异或后完整的信息。因此相比于传统的网络编码，联合信道Turbo编码网络编码无论从误码率、吞吐量还是能耗开销方面都是一种比较优越的方案。

但是此种网络编码方案也有一定的缺点:(1)在中继节点处采用网络编码和信道编码技术，需要额外的编译码设备，增加了中继节点处理的复杂度。(2)信道条件会存在衰落和路径损耗的问题，在信道衰落条件有变化的情况下，通过中继节点传递的冗余信息对译码的帮助很小。所以在特定的信道系统下，联合信道网络编码有其局限性。

文献［23］提出了一种分布式Turbo码其网络模型。首先信源节点直接向中继节点和终端广播一个递归卷积码。中继节点在译码后、交织、重新编码，然后发送给终端。由于终端收到了两个并行码字，这就构成了一个Turbo码，终端利用两个码字进行迭代译码。结果证明，即使利用简单的分量码也可获得可观的编码增益和分集增益。在此基础上，文献［24］中提出了软中继的分布式Turbo码，中继在译码之后不做判决，可以在高信噪比时获得良好的效果。在文献［25］提出了一种分布式Turbo编码方法，将N长的码C分成两部分C1与C2码长分别为N1和N2，信源通过广播形式发送C1信息到中继节点与终端，中继节点在接收到C1码字后通过译码可以得到码字C2，再通过信道编码对C2进行编码后向终端传送C2信息。因此终端将会收到经过不同信道的两组信息，一个来自信源，一个来自中继。终端将两组合并，然后进行最后的译码。

2.2 联合LDPC码网络编码

联合LDPC码网络编码与联合Turbo码网络编码类似，两个信源节点分别向中继节点与基站传送信息。中继节点对接收到的信息进行网络编码后再进行重新的LDPC编码，并将编码后的信息传送到基站进行译码。具体结构如图3所示。

优缺点分析:由于网络编码在中继节点处需要额外的一套或者两套译码器，这就会增加中继节点的复杂度。LDPC码可以采用部分并行译码，从而在译码复杂度和吞吐量上取得一个折中，并且其误码率性能与Turbo码相近。联合LDPC信道网络编码相比直传或者直接异或网络编码方案取得更好的误码率性能以及更高的吞吐量，同时可以减少中继节点的译码复杂度，提高网络编码性能。

图3 联合LDPC码网络编码结构

在文献［26］中提出一种LDPC乘积码。该方案中，两个信源节点用LDPC乘积码的方式向基站和中继节点传送数据包，需要注意的是这种乘积码的方式仅仅只做了行向量的编码。中继节点在接收到两个信源节点的数据包后进行译码操作，并把译码后的信息分为上下两个矩阵排列起来。然后合并为一个矩阵，并对这个矩阵做列向量的编码。最后把在中继节点获得的编码冗余信息传送给基站。基站再把从两个信源节点和中继节点得到的三个数据包组合起来再通过译码即可得到两个信源的信息。

该方案中，中继节点接收到两个信源的信息并解码，再将两个信源信息进行LDPC乘积码编码。因此该方案亦可看作是双层LDPC编码方案。在中继节点进行编码后，仅仅只向基站传送编码得到的冗余信息，基站得到两个信源节点与基站传来的冗余信息后再进行译码。

优缺点分析:LDPC乘积码方案不再使用传统的异或网络编码思想，取而代之的是乘积码网络编码。相比而言，异或网络编码存在一定的局限性，它不能应用于多源单中继单基站的网络模型中。乘积码的网络编码不仅可以保证网络编码增益还可以防止信道的突发错误，因为在行向量连续出现错误的情况下可以通过列向量的译码实现恢复。即使中继节点只传冗余信息数据包，系统的吞吐量仍不会降低。因此，乘积码在双源节点或者三源节点的情况下实用性较强。然而在多源节点系统中，乘积码方案使得中继节点需要更多的译码设备，从而使其复杂度更高，所以在源节点较多的情况下乘积码不具备实用性。

3 联合信道码网络编码发展方向

联合信道网络编码已经表现出其相比于单独使用网络编码的优越性，它不仅可以提高编码增益和吞吐量，还可以改善系统的误码率性能。在软判决译码的情况下，比传统网络编码少用一套译码器，降低了中继节点的复杂度。本文认为联合信道网络编码的研究发展方向主要为:

(1)应用于更多的网络模型。前面所介绍的联合信道网络编码方案都是在特定的网络模型下提出的，无法灵活地转换到其他网络模型。实际的网络信息广播路径复杂，只应用于特定的网络模型显然不能够满足当今无线网络的发展。

(2)联合信道网络编码中网络编码算法和方案的研究。当前大多数应用的异或网络编码虽有其优越性，但是局限性也非常大，例如对于多源的多址接入网络，异或网络编码显然是不适用的。而文献［27］提出的乘积码网络编码不失为一个新研究方向，更有效的网络编码算法可以增加联合信道网络编码在实际工程应用的灵活性。

(3)联合信道网络编码中信道编码方案的选择与优化。不同的信道编码方案有着不同的误码率和译码复杂度。如何根据性能指标选择合适的信道编码方案，以及在不损失系统系能情况下，如何有效地改进编译码算法复杂度都是值得进一步研究的问题。现有的信道编码方案都是基于传统网络数据传输与处理思想而提出与改进的。因此，在联合网络编码背景下，信道编码的算法优化问题值得进一步研究。当前，LDPC码与Turbo码都是性能接近香农极限的好码。RA码是一种基于Turbo码的简单编码结构和LDPC码迭代译码算法的一种信道编码。本文认为，将RA码应用于联合信道网络编码中，可使中继节点的编译码复杂度相比于文中提到的几种方案都有改善，也可使中继节点复杂度更低。

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钟景川(1989- )重庆市人，汉族，东南大学电子科学与工程学院在读硕士，研究方向基带数字通信技术，zhong_ ayy@163.com;

李保申(1989- )山东菏泽人，汉族，东南大学电子科学与工程学院在读硕士，研究方向基带数字通信技术，libaoshen888@163.com;

张 萌(1964- )，男，研究员，主要从事数字信号处理，基带通信技术，无线传感器网络技术等，zmeng@seu. edu.cn。

Review of Joint Coding of Channel Coding and Network Coding*

ZHONG Jingchuan1，QI Jie1，LI Baoshen1，CHEN Fenxiao2，TU Chenfeng1，ZHANG Meng1*
(1.National ASIC System Engineering Research Center，Southeast University，Nanjing 210096，China;2.Harvey Mudd College，USA)

Network coding technology can not only improve the throughput and transmission efficiency of the network system，but also make the load more balanced.By employing the joint coding of network coding and channel coding in the Wireless Sensor Network，it can reduce the complexity of data processing in the node and hugely promote the performance of the whole system.Based on the traditional netwok coding model，joint coding can be realized by employing the modulation in the node.Turbo codes and LDPC codes are among those best performing codes and they have some unique advantages so are preferred in the system.The result shows that under the same circumstance of bit error rate 10-4，the signal to noise ratio can be saved by 1.5 dB.

wireless sensor network;joint coding of channel coding and network coding;Turbo codes;LDPC codes

10.3969/j.issn.1005－9490.2014.02.038

TP393

A

1005－9490(2014)02－0345－05

项目来源:国家自然科学基金项目(61176031);国家重大专项项目(2010ZX03006-003-02);省自然科学重点基金项目(BK2011018)

2013-03-04修改日期:2014-01-08

EEACC:6150P