網(wǎng)絡(luò)編碼的分布式天線系統(tǒng)性能分析

空間分集是一種對(duì)抗無線環(huán)境下衰落的有效方式，它通過多個(gè)收發(fā)天線的多徑傳輸來提高系統(tǒng)的抗衰落性能，降低傳輸誤比特率。在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，為了達(dá)到全分集，需要在終端和基站安裝足夠多的天線并保持在一定的距離范圍內(nèi)，對(duì)于小巧便捷的手機(jī)終端來說是不可能實(shí)現(xiàn)的。為了解決實(shí)際應(yīng)用中碰到的矛盾，文獻(xiàn)[1]提出一種分布式天線系統(tǒng)來解決。文獻(xiàn)[2]中提出的網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)融合編碼和路由的概念，通過允許對(duì)來自不同鏈路的信息進(jìn)行編碼組合，使得網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)既具有路由功能又具有編碼功能。文獻(xiàn)[3]提出一種在無線mesh網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)編碼的簡化文件共享模型，基于網(wǎng)絡(luò)編碼轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制顯著地降低文件傳輸系統(tǒng)的分發(fā)時(shí)間，從而提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。

本文采用文獻(xiàn)[1]的分布式天線模型，假設(shè)分布式天線系統(tǒng)的終端(輔助天線)具有簡單網(wǎng)絡(luò)編碼運(yùn)算能力，研究網(wǎng)絡(luò)編碼在分布式天線系統(tǒng)的應(yīng)用。網(wǎng)絡(luò)編碼采用線性網(wǎng)絡(luò)編碼算法，信號(hào)調(diào)制方式采用脈沖位置調(diào)制(PPM)，推導(dǎo)無輔助天線系統(tǒng)的誤碼率與中斷概率關(guān)系。通過理論分析及仿真驗(yàn)證的方法，研究基于網(wǎng)絡(luò)編碼的分布式天線系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的分集增益。首先，在分析小型無線網(wǎng)絡(luò)(2到3個(gè)節(jié)點(diǎn))基礎(chǔ)上，討論系統(tǒng)誤碼率與中斷概率的關(guān)系。中斷概率定義為，當(dāng)基站不能準(zhǔn)確接收來自任何一個(gè)用戶的數(shù)據(jù)，通信中斷或中止出現(xiàn)的概率，與系統(tǒng)的誤比特率和信噪比有關(guān)。然后，將網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步擴(kuò)大到多用戶協(xié)作網(wǎng)絡(luò)，分析討論系統(tǒng)的中斷概率，得出一般性結(jié)論。最后，計(jì)算機(jī)仿真得出系統(tǒng)誤碼率與中斷概率的關(guān)系。

1網(wǎng)絡(luò)編碼和分布式天線系統(tǒng)

與傳統(tǒng)的路由相比，網(wǎng)絡(luò)編碼能夠提高系統(tǒng)的傳輸比特率。在傳統(tǒng)路由體系中，節(jié)點(diǎn)只是簡單存儲(chǔ)復(fù)制轉(zhuǎn)發(fā)接收的數(shù)據(jù)，但中繼節(jié)點(diǎn)采用網(wǎng)絡(luò)編碼之后，中繼節(jié)點(diǎn)能夠整合(異或)來自多條鏈路上接收到的數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)編碼的核心思想是通過中繼節(jié)點(diǎn)簡單的編碼能力來達(dá)到網(wǎng)路性能的增益。在有線鏈路上通過編碼能夠獲得巨大的容量增益。目前，很多研究都是關(guān)注在有線網(wǎng)路上，也有部分在無線環(huán)境下的探索性研究[4]。盡管無噪聲的假設(shè)在無線介質(zhì)下不可能出現(xiàn)，但無線媒介提供一些更加好的性能：無需額外的成本就可廣播信息。本文通過引入網(wǎng)絡(luò)編碼算法探討無線網(wǎng)絡(luò)的分集增益和系統(tǒng)中斷概率性能。

分布式天線系統(tǒng)(DAS)[5]的提出主要為了解決無線環(huán)境下的路徑損耗、快衰落和陰影衰落，從而改善覆蓋特性，提高系統(tǒng)容量。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可提高系統(tǒng)無線信號(hào)的覆蓋能力和系統(tǒng)容量，并且可獲得較高的系統(tǒng)功率效率。
2系統(tǒng)模型

本文主要關(guān)注系統(tǒng)的中斷概率性能。根據(jù)多輸入多輸出(MIMO)天線的設(shè)置模型，假設(shè)系統(tǒng)中有一個(gè)輔助天線單元，隨機(jī)地分布在無線網(wǎng)絡(luò)中，用來增強(qiáng)用戶和本地基站的通信穩(wěn)定性，即系統(tǒng)中每個(gè)戶安裝有一個(gè)輔助天線，可以解調(diào)出每個(gè)用戶的數(shù)據(jù)。在價(jià)格和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度上，相比用戶終端，輔助天線更具有優(yōu)勢(shì)。這種分布式輔助天線作為用戶終端和基站的中繼，用于增強(qiáng)通信鏈路的穩(wěn)定性。在最簡單的配置中，每個(gè)用戶終端安裝一個(gè)輔助天線，可以處理簡單編碼和解碼，叫做簡單DAS，如圖1所示?；境私邮战?jīng)過中繼的數(shù)據(jù)，也可接收來自用戶終端的信息。

為了節(jié)約輔助天線的硬件成本，引入網(wǎng)絡(luò)編碼數(shù)據(jù)處理方式?；诰W(wǎng)絡(luò)編碼的DAS模型如圖2所示。用戶1

和用戶2分別發(fā)送數(shù)據(jù)x1和x2到基站，由于無線網(wǎng)絡(luò)的廣播特性，輔助天線單元也將接收到信號(hào)x1和x2，

并可同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)到基站。輔助天線通過線性網(wǎng)絡(luò)編碼，不是中繼轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)x1和x2，而是通過發(fā)送x1和x2

異或后的數(shù)據(jù)?；局灰邮盏接脩?或用戶2的任意一方數(shù)據(jù)就可以解調(diào)出未接收到的數(shù)據(jù)。

可以看出，通過應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)編碼算法，節(jié)約了硬件資源，并達(dá)到提高系統(tǒng)性能的目的。

3分布式天線系統(tǒng)性能分析

3.1理論分析

首先，研究包含兩個(gè)用戶的簡單網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，討論基于網(wǎng)絡(luò)編碼的分布式天線系統(tǒng)和無網(wǎng)絡(luò)編碼的分布式天線系統(tǒng)性能?？紤]公平性，輔助天線單元假設(shè)應(yīng)用在簡單DAS和基于網(wǎng)絡(luò)編碼DAS中。分集增益通常用分集度來衡量，基于信噪比(SNR)統(tǒng)計(jì)特性的中斷概率是研究協(xié)作方案分集度最常用的方法。為了比較這兩種DAS的性能，定義中斷概率為當(dāng)基站不能同時(shí)準(zhǔn)確接收來自用戶A和用戶B的信息時(shí)所出現(xiàn)的概率，記為PS。并假設(shè)用戶A和用戶B到基站上行鏈路的誤比特率分別為pA和pB，用戶A和用戶B到輔助天線上行鏈路的誤比特率分別為p 1和p 2。簡單DAS的中斷概率可以表示為：

PSP =pAp'1'(1-pBp 2)+pBp 2(1-pAp 1)+pAp 1pBp 2 =pAp'1+pBp 2-pAp'1pBp 2 (1)

對(duì)于基于網(wǎng)絡(luò)編碼的DAS來說，假設(shè)輔助天線的誤比特率為pi，可以得到，系統(tǒng)中斷概率為：

PSN=pAp'i(1-pB)+pBpi (1-pA)+pApB (1-pi )+pAp'i pB=pAp'B +pBpi +pApi -2pAp'ipB (2)

如果假設(shè)所有的誤比特率相同，并記為p。那么，式(1)和式(2)可以簡化為：

PSP=2p2-p4～p 2 (3)

PSN=3p2-2p3～p 2 (4)

從(3)和式(4)可以得出，兩個(gè)系統(tǒng)的分集增益都為2。