2014年度哈工大继续教育通信工程学习心得

2014年黑龙江省专业技术人员继续教育知识更新培训

通信工程专业学习心得

[摘 要] 论文首先介绍了网络编码的相关知识，包括其产生和基础理论，以及网络编码的特点，网络编码的应用，同时也介绍了物理层网络编码的基本原理及，重点介绍了物理层网络编码的关键技术。

[关键词] 网络编码 物理层 原理 关键技术

2014年我参加了专业技术人员继续教育知识更新培训。本课程具有内容详实，讲述由浅入深，简明透彻，概念清楚，重点较为突出等特点。通过本课程的学习，使我理解了网络编码和物理层网络编码的相关理论知识，掌握了其适用的应用环境，熟悉了相关的关键技术。 1 网络编码概述 网络编码的基础理论

对网络中节点进行的编码操作，称为网络编码。网络编码定义为网络节点的输入与输出之间的相互关系。具备编码条件的中间节点（入度≥2）对于接收到的数据按照某种方式进行处理，然后传输到后续的节点，后续节点如果还需要进行编码，则对接收到的信息按照同样的方式进行编码和传输，如此反复，直到所有经过编码的信息到达目的节点为止。最后，目的节点通过译码，可以得到源节点发出的原始信息。 1.2网络编码的构造方法

网络编码的基本特征就是对传输的信息进行处理，对于一个给定的多播网络，在每个节点如何进行编码并实现最大流传输是一个非常重要的问题。按照网络编码系数选择的不同，分为确定性网络编码和随机网络编码。前一种方式中节点对数据进行编码的系数是确定产生的，而后者的编码系数则是随机产生的。 1.3网络编码的特点

网络编码同时吸取了信源编码、信道编码的特点，能在多方面带来网络的性能增益，主要包括：提升网络容量，均衡网络负载，降低能量消耗，提高网络鲁棒性等等。网络编码思想的引入，可以改进下一代网络协议的设计方法，将以往依靠传统方法所不能达到的网络性能提升到一个新的高度。 1.4 网络编码的应用

网络编码在P2P文件分发中的应用。网络编码的使用，可以提高P2P文件分发的各方面性能。

分布式存储中的应用。在分布式网络存储的应用中，通常设有多个存储点，每个存储点

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的容量有限，只能存储大文件的一部分，分布式网络存储系统的设计目标是使得下载工具连接尽可能少的存储点，就能够恢复出原始文件。

多用户协作通信中的应用。在协作通信中，用户节点常采用放大转发、译码转发和编码协作这三种方式来转发协作伙伴用户的信息。

网络编码在无线网络中的巨大应用价值。通过在无线网络中引入网络编码，不仅提高了传输效率，节省了宝贵的频带和能量资源，而且为信息论和网络理论中一大批重要问题的解决开辟了新的航线，具有工程和理论的双重意义。 2 物理层网络编码的基本原理 2.1 物理层网络编码的描述

物理层网络编码的映射关系不只局限于异或映射这一种关系。更广泛的来讲，在物理层网络编码中，中继节点R的目的是将同时接收到的多个信号映射成一个网络编码函数：

SR?f(S1,S2,...)，其中S1,S2,...是多个源节点发出的消息，SR是执行网络编码操作想要映射得到的消息。在双向中级通信系统中，只有来自节点1和节点2的两个消息S1和S2，中继节点在执行映射得到SR后将SR广播给两个源节点。而关键点是节点1和节点2能够根据已知的自身消息，从接收到的SR中推导出对方的原始信息。这样，就应该存在一个网络译码函数g，来满足S2?g(f(S1,S2),S1)，这样就能保证节点1可以从接收到的SR信息中提取出节点2的信息。满足上述要求的网络编码-译码函数对（f，g）通常可以具有多种不同形式。事实上，正是这种在信息传递过程中利用以上函数对的方式，将应用网络编码的中继通信系统与传统的非网络编码中继通信系统区分开来。

网络编码函数f的取值范围可以是有限集或者无限集，据此可以将物理层网络编码分成两类，有限集物理层网络编码（finite-set PNC，PNCF）和无限集物理层网络编码（infinite-set PNC，PNCI）。

2.2 物理层网络编码的发展历史

物理层网络编码的思想来源于网络编码。2000年，Ahlswede R等正式提出了网络编码的概念。网络编码被称为是一项具有革命性的技术，是由于其改变了传统路由器不进行信息处理只进行存储转发的现状。在允许路由器对经过的信息进行处理的前提下，采用网络编码可以显著地提高整个网络的吞吐量，从而逼近甚至达到最大流最小割定理所规定的网络容量上限。网络编码的初衷是提高有线网络的网络容量，其工作于七层网络架构的网络层。由于其

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能较大地提高网络容量，所以受到学者的广泛关注，基于网络编码的研究成果层出不穷。

随着研究的深入，学者发现网络编码技术更加适合应用于无线通信系统。这是由于信号在无线信道中以电磁波的形式进行传输，电磁波具有广播特性，这种广播特性更加有利于网络编码与解码。网络编码首先应用于双向中继通信系统中，由于比传统路由方案减少了1个通信时隙，系统的吞吐量理论上可以提升三分之一。 3 物理层网络编码的关键技术 3.1 PNC的抗噪声性能分析与仿真

所有通信系统都不可避免的会出现噪声，分析系统的抗噪声性能以及仿真实验，是设计实际通信系统中一个必不可少的步骤。 3.2 PNC中的ARQ与吞吐量分析

在一个可靠的通信系统中，每一条的传输可以采用自动重传请求（Automatic Repeat reQuest，ARQ）技术进行差错控制，这就需要对每一个数据帧插入循环冗余校验码（Cyclic Redundancy Check Bits，CRC）。当检错到错误时，信源会请求重新发送该数据帧。考虑采用ARQ技术时传统方案，NC方案以及PNC方案的系统吞吐量。表明PNC和NC相对于传统方案吞吐量分别只提升了33%和14%。如果采用信道编码来代替ARQ来消除中继节点转发错误，PNC相对传统方案仍然可以得到100%的吞吐量性能提升。 3.3 PNC映射与信道编码的联合设计。

PNC中的信道编码分为链路到链路形式和端到端形式。对于前者，中继节点不仅进行PNC映射，也进行信道解码和重新编码；而对于后者，中继节点只进行PNC映射，只有源节点进行信道编码，目的节点进行信道解码。 3.4 PNC中的同步问题

两源节点发送的数据帧以及符号边界是对齐的（时间同步），并且两路信号的载波是没有相位漂移的（相位同步）。时间同步可以分为两个方面。第一，帧边界对齐。帧边界对齐属于长时间尺度的对齐，帧边界对齐技术是MAC层的一项关键技术，可以通过引入MAC层的对齐方法保证节点1和节点2的帧同步。第二，符号边界对齐。即使保证了两个数据帧同时到达中继节点，对于每个符号也很有可能边界不是对齐的，这就会导致来自一个节点的一个符号会与来自另外一个节点的两个符号重叠。 3.5 PNC在衰落信道中的信道估计技术

一般情况下，节点之间的信道会受距离、障碍物等因素影响导致信道条件非对称，并且信号在传递过程中会产生衰落，通过信道估计和预编码可以提高系统性能。研究PNC中继节点的信道估计是PNC研究的一项关键技术。

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3.6 PNC的网络容量分析

对于采用PNC的双向中继通信系统，采用网络信息论分析其网络容量，就是分析节点1到节点2的可达速率R12和节点2到节点1的可达速率R21。在TWRC中，双向可达速率R12和

R21可能取决于上行信道，也可能受到下行信道的限制，在一定条件下是由二者共同决定。分析采用PNC的双向中继通信系统的网络容量是研究PNC性能一个不可或缺的方面。

通信技术的飞速发展和各类无线通信网络的迅速普及，尤其是近些年来移动化联网的深入发展，在改善了人们生活方式的同时，人们对通信质量的要求也越来越高，传输数据量也越来越大，这使无线频谱资源显得越来越紧缺。如何能充分利用有限的带宽和能量，尽可能地提高无线网络的传输速率和通信可靠性，成为信息领域的关键问题。网络编码以及物理层网络编码这些新的理论，给人们提供了解决上述问题的新思路，为通信技术的飞速发展开辟了新的方向。

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