物理层网络编码无线通信系统数据链路层的设计与实现

　　物理层网络编码（Physical-layer Network Coding，PNC）应用于无线网络，允许多路通信同时进行，可以产生比传统网络编码更高的吞吐量。PNC己发展成一个广泛的网络编码子领域，并在诸多应用场景中得到关注和研究。软件定义无线电，是以数字信号处理理论为基础，在通用的硬件平台上，将尽可能多的功能以软件的形式来实现的一种无线电技术，己广泛应用于无线通信的研究，甚至在商用无线网络中也开始逐渐地部署。

　　目前，PNC的研究主要集中在物理层方面，对于数据链路层的研究相对较少。为了实现可靠的实时PNC（Real-time PNC，RPNC）应用，必须考虑数据链路层的设计。本文首先介绍了RPNC物理层关键技术，然后以双向中继网络为模型，重点关注RPNC无线通信系统数据链路层的设计与实现。具体地，针对RPNC系统中Beacon模式和Burst模式MAC协议开销大、系统吞吐量低的缺点，提出了一种低开销XOR模式MAC协议以调度节点的传输。XOR模式MAC协议用下行链路异或分组同步节点的传输。此外，在传统端到端TO-ARQ（Terminal-Only ARQ，TO-ARQ）的基础上，为RPNC设计了中继协作TR-ARQ（Terminal-Relay ARQ，TR-ARQ），以确保可靠的分组传送。TR-ARQ在中继解码XOR分组出错时，立即发送NACK请求端节点重传相应数据分组。相比于TO-ARQ，TR-ARQ通过中继节点的协作能尽快推进发送窗口的左边界。

　　本文使用USRP/GNU Radio软件定义无线电平台搭建了双向中继网络RPNC系统。RPNC系统以OFDM PNC为原型，数据链路层实施新的设计以支持真实TCP/IP应用。文中RPNC实现了两终端节点通过中继实时传输图片文件。本文通过实验对比分析了RPNC系统在XOR、Beacon以及Burst三种不同模式MAC协议下的吞吐量，结果验证了XOR模式MAC协议具有更高系统吞吐量，更能满足实时性的要求。同时，本文通过实验对比了TR-ARQ和TO-ARQ的RPNC系统吞吐量和时延性能，结果表明RPNC采用TR-ARQ具有较低的时延，并且能明显改善系统的吞吐量。