چکیده
در این مقاله، کدگذاری شبکه میدانی پیچیده (CFNC) در کانال رله چند کاربر با ارتباطات غیرقائم مورد مطالعه قرار گرفته است. با هدف تقویت عملکرد کانال رله کدگذاری شده CFNC، ما به بهینه‌سازی CFNC براساس مشخصه‌های نرخ خطای- نمونه (SER) در شبکه پرداختیم. برای دستیابی به چنین سطحی بهینگی، ما ابتدا یک محدوده را برای SER کانال رله کدگذاری شده بدست می‌آوریم که از الگوی ردیابی حداکثر- احتمال هم در رله و هم در گره مقصد استفاده می‌کند. سپس، بهینه‌سازی CFNC به عنوان یک برنامه محدب انجام می‌گیرد که سعی در به حداقل رساندن محدوده SER دارد در حالی که محدودیت کل توان انتقال و شکل هندسی شبکه را مدنظر دارد. سپس ما شرایط Korush- Kuhn- Tucker (KKT) پارامترهای CFNC بهینه را بدست می‌آوریم. به دلیل وجود یک الگوی غیرخطی در شرایط KKT ساده شده، یک راه‌حل شکل بسته برای پارامترهای بهینه امکان‌پذیر نمی‌باشد. برای غلبه بر این مشکل، ما یک راه‌حل تقریب‌گیری را برای CFNC بهینه مطرح می‌کنم که از یک نتیجه نظری اطلاعاتی بهره می‌گیرد. پس از تعیین پارامترهای CFNC شده SER ، ما به بررسی متوسط نرخ خطای بیت (BER) شبکه برای پارامترهای مختلف می‌پردازیم. بررسی‌های متعدد انجام شده نشان می‌دهند که CFNC بهینه شده SER می‌توانند BER را تا 29% در شرایط عادی CFNC برای یک کانال رله دو کاربری، تقویت‌کنند.
کلیدواژه‌ها: کانال رله، کدگذاری شبکه، کدگذاری شبکه میدانی پیچیده، کدگذاری شبکه بهینه شده
1- مقدمه
تقاضا برای ارتباطات سیار افزایش چشمگیری به دلیل افزایش حجم ترافیک داده‌های چندرسانه‌ای در نتیجه بکارگیری ابزارهای اندروید و آیفون، استفاده از ریدرهای ای‌بوک مثل آی‌پاد و کینول و استفاده از شبکه‌سازی اجتماعی و سایت‌های به اشتراک‌گذاری ویدئو مثل فیسبوک و یوتیوب داشته است. روش‌های مختلف بهینه‌سازی منبع که مبتنی بر برآورد حجم ترافیک و مدیریت چنین شبکه‌های سیار هستند در [4-2] مطرح شده‌اند. با هدف پاسخگویی به افزایش سطح تقاضا برای رسانه‌های انتقال و دسترسی به اینترنت در لینک‌های بی‌سیم پرسرعت، روش‌های مختلفی می‌توانند برای کاهش تأثیرات مخرب کانال‌های فعلی (مثل ارتباطات چندکاربری الگوی چندمسیری و سایه‌سازی) بکار گرفته شوند که در آنها به دریافت‌کننده چندین نسخه از سیگنال انتقال‌یافته در کانال‌های مختلف داده می‌شود که در صورت عملکرد مستقل، کاربرد خود را از دست می‌دهند. اخیراً، کانال‌های رله، توجه زیادی را به عنوان ابزاری برای دستیابی به تنوع مشارکتی جلب کرده‌اند [1، 5، 6] که در آن، کاربران ابتدا اطلاعات خود را از طریق رسانه‌های بی‌سیم ارسال کرده و سپس گره رله و گره مقصد هر دو اطلاعات حاوی سیگنال‌های کاربران را به دلیل ماهیت فرستندگی کانال بی‌سیم دریافت می‌کنند. پس از آن، گره‌های رله، اطلاعات مفیدی در مورد پیام‌های کاربر را از سیگنال‌های دریافتی، برمی‌دارند. در نهایت، آنها اطلاعات ارجاع داده شده به گره مقصد را با بکارگیری یک پروتوکل رله مثل "تقویت - و- ارسال" (AF) "کدگشایی- و- ارسال" (DF) و "برآورد- و- ارسال" (EF) و ... ارسال می‌کنند. در نتیجه، گره‌های رله با کاربران همکاری می‌کنند تا به گره مقصد کمک کنند که با موفقیت، پیام‌های کاربر را کدگشایی کنند.
در یک بسته رله سنتی، هر کاربر و گره‌های رله در حال همکاری، اطلاعات خود را از طریق کانال‌های قائم ارسال می‌کنند تا مانع تداخل الگوی دسترسی چندگانه شوند که موجب کاهش ورودی سیستم شده و همچنین به ناکارایی پهنای باند به ویژه برای شبکه‌های الگوی دسترسی بزرگ می‌شود. برای غلبه بر این مشکل ناکارایی، روش‌های کدگذاری- شبکه مختلفی مطرح شده‌اند [16-7]. مثل روش XOR، کدگذاری شبکه لایه فیزیکی (PNC) (کدگذاری شبکه آنالوگ a-ka) و غیره، کدگذاری شبکه میدانی پیچیده (CFNC) [7]. CFNC بالاترین ورودی (2/1 سمبل برای هر کاربر برای هر استفاده از شبکه) در مقایسه با روش‌های XOR و PNC برای ارتباطات در کانال‌های غیرقائم فراهم می‌آورد زیرا امکان کدگشایی پیام‌های کاربر را در شرایط تداخل تحت دسترسی چندگانه فراهم می‌آورد. با توجه به این ویژگی‌ها، ما CFNC را با ارتباطات رله غیرقائم مورد بررسی قرار می‌دهیم. در این روش، به هر کاربر یک عدد خاص از پیش تعیین شده داده می‌شود که امضاء نامیده می‌شود. و امضاء برای وزن‌گیری سیگنال یک کاربر خاص قبل از ارسال داده‌ها بکار می‌رود که موجب شکل‌گیری مانعی در برابر تداخل چند کاربر می‌گردد. برای شبکه‌ای با چندین کاربر، Wang و سایرین [12] امضاءها را به شکل اعداد نمایی انتخاب می‌کنند که برای سیستم‌های چندخروجی – چند ورودی (MIMO) انتخاب شده و برای به حداقل رساندن خطاهای تصمیم شبکه رله بهینه نشده‌اند. برای تقویت سطح عملکرد براساس کانال رله کدگذاری شده CFNC، ما امضاءها را به شکل اعدادی پیچیده در نظر گرفته و سپس یک محدودیت حداکثر احتمال (ML) را برای نرخ خطای- نشانه (سمبل) سیستم بکار می‌بریم. سپس، یک رابطه غیرخطی میان بزرگی امضاءها شکل می‌گیرد در حالی که امضاءهای کاربران از طریق به حداقل رساندن مرز- SER با توجه به محدودیت کل توان انتقال و شکل هندسی شبکه بهینه می‌شوند که نمی‌تواند با بکارگیری الگوی تحلیلی حل شود. پس از آن، ما یک راه‌حل تقریبی را براساس تحلیل نظری اطلاعات مطرح می‌کنیم. و سرانجام به بررسی عملکرد CFNC بهینه شده SER مطرح شده پرداخته و آن را با CFNC بهینه نشده برای پارامترهای مختلف سیستم مقایسه می‌کنیم.
شایان ذکر است که رویکرد ما می‌تواند به عنوان یک الگوی مشترک بهینه‌سازی سیگنال و توان به حساب آورده شود زمانی که PNC برای کانال رله دسترسی چندگانه بکار گرفته می‌شود. در شرایط بهینه‌سازی گروهی، Akino و سایرین [17] روش را برای کانال رله دوطرفه مطرح کردند که در آن، کاربران از یک الگوی QPSK استفاده می‌کنند و مدل‌سازیگروهی و کدگذاری شبکه در شرایط ارسال رله در رله مبتنی بر اطلاعات حالت شبکه (CSI) کاربران بهینه می‌شوند. Zaidi و سایرین [18] از یک افزودن قائم استفاده کردند در حالی که رله دسترسی چندگانه (AWGN) از PNC استفاده می‌کرد و سپس PNC با کنترل توان هر کاربر بهینه شده تا حاصل نهایی با توجه به متوسط محدودیت توان گره رله به حداکثر برسد که این مسئله با بکارگیری یک روش تکرار نقطه ثابت حل شد. اخیراً، Wang و سایرین [19] از یک سناریو ارتباطی ویژه استفاده کردند که در آن، هر گره مقصد، تنها اطلاعات یک کاربر را در شیار زمانی اول دریافت می‌کند در حالی که PNC سیگنال بدست آمده از گره رله را کدگذاری می‌کند که این روند برای همه گره‌های مقصد در شیار زمانی دوم دیده می‌شود. آنها یک طرح کنترل توان را ارائه کردند تا مرز کارکرد هر کاربر را با توجه به حداکثر محدودیت توان با این فرض به حداکثر برسانند که CSI گره‌های ارتباطی برای همه گره‌ها شناخته شده است (یعنی CSI منتقل‌کننده و CSI دریافت‌کننده وجود دارند). در مقایسه با مطالعات قبلاً نام برده شده، کار ما کاملاً از بسیاری جهات متفاوت است. اول اینکه، گره‌های دریافت‌کننده (یعنی گره رله یا گره مقصد) تنها CSI را در کار ما می‌شناسند در حالی که گره‌های منتقل‌کننده، دانش زیادی ندارند. دوم اینکه، ما به صورت مشترک به بهینه‌سازی گروه سیگنال و توان مبتنی بر محدوده متوسط احتمال خطای- سمبل پرداختیم و این بهینه‌سازی شکل‌گیری به گروه‌ها مختلفی برای هر کاربر منتهی گردید. سرانجام، در مدل کانال بررسی شده، هر دو گره رله و مقصد شاهد سیگنال‌هایی در هر دو شیار زمانی هستند و بنابراین، کاملاً متفاوت با مشخصه‌های سیگنال و خطای سمبل در مقایسه با [19-17] می‌باشد.
در این مقاله، ما مدل سیستم را برای کانال رله کدگذاری شده CFNC اولیه در بخش 2 ارائه می‌کنیم. سپس CFNC بهینه‌سازی شده SER در بخش 3 مطرح شده است. سپس، راه‌حل نسبی برای CFNC بهینه شده، SER در بخش 4 ارائه شده است. بخش 5 به معرفی نتایج متوسط شبیه‌سازی BER، CFNC بهینه شده می‌پردازد و سرانجام، نتیجه‌گیری‌های عمده در بخش 6 گنجانده شده‌اند.
