CN101309127A - 基于网络编码的分布式mimo传输方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于网络编码的分布式MIMO传输方法。由于有限的发射功率和频谱资源等因素，高速率无线数据传输可靠性不够。本发明方法步骤包括信源信息发送、中继节点数据接收和编码、中继节点数据发送、信宿节点分集接收及解码。本发明采用多个中继节点进行信息中继。中继节点先采用网络编码的方式，将接收到的信息进行编码，再进行分布式的空时编码。本发明方法适用于多个信源节点和多个信宿节点间的通信，中继节点和每个信宿节点之间的通信，采用分布式MIMO的机制。本发明方法将MIMO机制与网络编码相结合，使得在较少的时隙内完成信息传递，利用了MIMO机制的能够大幅提高无线网络的容量和可靠性的优势。
Description
技术领域
本发明属于无线网络传输领域，涉及一种基于网络编码的分布式MIMO的传输方法，具体是一种利用网络编码的思想，提高分布式的MIMO机制带宽利用率和传输可靠性的传输方法。
背景技术
随着Internet的迅速普及和爆炸性发展，各种各样的基于网络应用的业务不断涌现。在无线网络和移动网络出现以后，数据的传输变得更加方便、快捷。只要在网络信号的覆盖区内，就可以随时随地的进行数据传输，消除了使用有线网络引起的地域限制。随着无线通信技术的发展，无线通信在社会经济和人们的日常生活中扮演着越来越重要的角色。同时，新业务的发展，使得人们对无线通信的传输速率和质量提出了更高的要求。但是，有限的发射功率和频谱资源、无线信道的衰落效应和同信道用户之间的干扰都限制了现有系统的性能，使得可靠的高速率无线数据传输成为一个极具挑战性的课题。
研究表明，通过在无线通信系统的发射端和接收端均采用多根天线，得到的多输入多输出(MIMO：Multiple-Input Multiple-Output)信道的容量在较高信噪比区域与发射天线数和接收天线数的较小值成线性关系，揭示了MIMO系统提升数据传输速率的巨大潜力。另一方面，MIMO系统可同时提供发射分集和接收分集，从而明显提高信号在衰落信道中的检测性能。MIMO系统在信道容量和分集增益方面的卓越性能使其成为近十年无线通信学术界和工业界的一个研究热点，被认为是未来无线通信系统的发展方向。同传统的单天线系统和仅在接收端采用多天线的系统相比，MIMO系统为传输方案的设计提供了额外的空间自由度。有效地设计传输方案可以通过利用空间自由度，在不增加带宽和发射功率的前提下提高系统的传输速率及检测性能。
网络编码(Network coding)的出现彻底改变了现有的网络传输机制，中继节点不再仅仅转发所收到的信息，而是将其编码后转发。网络编码从广义上来讲，是网络中的节点将接收到的信息进行编码后再转发出去的多点传送(Multicast)技术。多点传送(也称组播)是网络中的一种重要的通信方式。当一个或几个节点同时向若干个其他节点发送数据时，往往要借助其他节点的传递。在传统的网络中，作为中继的节点只能对接收到的信号进行复制、放大和转发，这对于网络资源有时候是一种浪费。网络编码技术打破了这种限制，它允许中继节点对接收到的信息进行编码，并将接收到的多个数据包按照某种特定算法重新组合再发送出去。如果信源节点和信宿节点之间的最小割大于信源信息速率，那么通过网络编码，信宿节点就可以完全恢复出信源节点的信息。
如果把网络编码和分布式MIMO传输机制相结合，将同时发挥MIMO和网络编码的优势，以显著提高无线通信中网络带宽的利用率。
发明内容
本发明的目的是提供一种网络编码和分布式MIMO机制相结合的传输方法，该方法以提高无线网络的带宽利用率和传输可靠性为目标。该方法是一种新型的无线传输方式，它将分布式MIMO机制引入网络编码中，即无线网络中的中继节点将所收到的信源节点的信息进行编码之后，再以分布式MIMO的方式进行转发，而信宿节点则采用多个天线分集接收。
本发明主要解决无线网络中多个新源节点和多个信宿节点之间通信的问题。当信源节点和信宿节点之间无法直接通信时，采用多个中继节点进行信息中继。中继节点不是简单得进行数据转发，而是先采用网络编码的方式，将接收到的信息进行编码，再进行分布式的空时编码。中继节点和信宿节点之间的通信，采用分布式MIMO的机制。中继节点的信息发送和信源节点的信息发送可以同时进行，但要保证其它的中继节点不会因为同时接收到信源节点和中继节点的信息产生干扰。多个中继节点形成分布式的多个发送天线，而信宿节点使用多个天线接收信息，形成分集接收。采用这种方式，使得多个中继节点将进行网络编码之后的信息发送给信宿节点的过程可以在同一个时隙中进行。只要中继节点传输给信宿节点多路信息满足网络编码中能够恢复出完整的信源信息的要求，在一定的信噪比限定之下，信宿节点分集接收到的信息就可经过解码恢复出完整的原始信息。
本发明方法步骤包括信源信息发送、中继节点数据接收和编码、中继节点数据发送、信宿节点分集接收及解码。
信源信息发送的方法采用通行的无线广播的形式发送给传输范围内的中继节点。
所述的中继节点数据接收和编码是中继节点将接收到的信源信息存储下来，并进行网络编码和分布式的空时编码。具体步骤如下：
(1)每个中继节点在每个时隙内依次接收信源信息并进行存储；
(2)中继节点将所收到的信源信息进行编码，编码采用分布式的随机网络编码或基于全局信息的集中式网络编码的方法；
(3)中继节点将接收到的信源信息以及编码后得到的数据进行分布式的空时编码。
所述的中继节点数据发送采用分布式的MIMO机制，中继节点选择合适的时隙，保证其它的中继节点不会因为同时接收到信源节点和中继节点的信息产生干扰情况下，将编码后的数据发送给信宿节点。
由于采用MIMO机制，中继节点在选择时隙时不必考虑在它和其他的中继节点的传输范围之内是否存在共同的信宿节点。
所述的信宿节点分集接收及解码的方法为每个信宿节点都采用多天线分集接收信息，将接收到的信息解码以恢复出完整的原始信息。具体分两步进行：
(1)根据中继节点所采取空时编码的方式，对天线阵列所收到的多路信息进行解码，解码的结果即为中继节点进行网络编码之后所得到的信息。其中解码的方法是根据不同的环境采用不同的解码方法，均为成熟的现有技术。
(2)接收到足够的信息之后，根据中继节点进行网络编码时采用的编码函数，解码以恢复出原始信息。根据网络编码的思想，只要传输到该信宿节点的若干路信息符合网络编码解码的要求，就能够在一定信噪比的限定下，利用步骤(1)中解码的结果，恢复出完整的信源信息。
本发明所提供的无线网络传输方式，在采用网络编码的方法的同时，运用分布式MIMO的机制，信宿节点采用多天线分集接收的方式在更少的时隙内接收所需的信息以恢复原始信息。由于采用的分布式MIMO的机制，相比较传统的无线网络编码传输方式，提高了网络带宽的利用率和数据传输的可靠性。本发明方法适用于多个信源节点和多个信宿节点间的通信，中继节点和每个信宿节点之间的通信，采用分布式MIMO的机制。本发明方法将MIMO机制与网络编码相结合，使得在较少的时隙内完成信息传递，利用了MIMO机制的能够大幅提高无线网络的容量和可靠性的优势。
附图说明
图1为本发明中信息传输过程的示意图。
具体实施方式
本发明适用于无线环境下，多个信源节点和多个信宿节点通信的场景。例如信源节点A和B要分别发送信息a、b到信宿节点C和D。C、D不在A、B的传输范围内，需要中继节点M1、M2、M3进行信息中继。M1、M2在A的传输范围之内，M2、M3在节点B的传输范围之内，C在M1和M2的传输范围之内，D在M2和M3的传输范围之内。M2在M1和M3的传输范围之内，但是M1和M3相互不在对方的传输范围之内。C和D均使用至少两个天线接收信息。
如图1，基于网络编码的分布式MIMO传输方法的具体步骤为：
(1)信源信息发送
信源节点A使用时隙1将信息a发送至中继节点M1和M2，信源节点B使用时隙2将信息发送至中继节点M2和M3。
(2)中继节点数据接收和编码
中继节点M1在时隙1接收并存储信息a，中继节点M3在时隙2接收并存储信息b，M2分别在时隙1和时隙2接收并存储信息a和b。M2将收到的信息a、b异或得到x。在本实施例中分布式空时编码采用最简单策略即不对a、b、x进行编码，在第(3)步中直接进行发送。
(3)中继节点数据发送
中继节点选择合适的时隙进行数据发送。由于M2在M1和M3的传输范围内，所以尽管M1在时隙2不接收任何信息，它也不进行数据发送。在时隙3中，M1发送a，M2发送x，M3发送b。
(4)接收节点分集接收及解码
信宿节点C和D使用至少两个天线分集接收信息，C接收到M1和M2发送的信息，D接收到M2和M3发送的信息。C解码得到a和x，D解码得到b和x。通过异或运算，C和D分别解码得到b和a。
Claims (1)
1、基于网络编码的分布式MIMO传输方法，其特征在于该方法的步骤包括信源信息发送、中继节点数据接收和编码、中继节点数据发送、信宿节点分集接收及解码；
所述的中继节点数据接收和编码是中继节点将接收到的信源信息存储下来，并进行网络编码和分布式的空时编码，具体步骤是：
a.每个中继节点在每个时隙内依次接收信源信息并进行存储；
b.中继节点将所收到的信源信息进行编码，编码采用分布式的随机网络编码或基于全局信息的集中式网络编码的方法；
c.中继节点将接收到的信源信息以及编码后得到的数据进行分布式的空时编码；
所述的中继节点数据发送采用分布式的MIMO机制，在保证其它的中继节点不会因为同时接收到信源节点和中继节点的信息产生干扰的情况下，将编码后的数据发送给信宿节点；
所述的信宿节点分集接收及解码是每个信宿节点采用多天线分集接收信息，将分集接收到的信息解码恢复出完整的原始信息，具体步骤是：
d.信宿节点根据中继节点所采取空时编码的方式，对天线阵列所收到的多路信息进行解码，解码的结果即为中继节点进行网络编码之后所得到的信息；
e.在传输到该信宿节点的多路信息符合网络编码解码的要求之后，信宿节点根据中继节点进行网络编码时采用的编码函数，通过解码恢复出原始信息。
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