CN101325549A

CN101325549A - 在无线中继网络中采用网络编码通信的方法

Info

Publication number: CN101325549A
Application number: CNA2008101144705A
Authority: CN
Inventors: 彭木根; 王月新; 吴湛击; 王文博
Original assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Comba Network Systems Co Ltd
Priority date: 2008-06-06
Filing date: 2008-06-06
Publication date: 2008-12-17
Anticipated expiration: 2028-06-06
Also published as: CN101325549B

Abstract

一种在无线中继网络中采用网络编码通信的方法，通过设置中继节点并用网络编码技术来提高中继上行传输效率；步骤如下：(1)在蜂窝小区里布置具有网络编码功能的中继节点，以扩展信号覆盖范围和便于采用网络编码；(2)基站自适应判决终端是否采用中继和是否在中继处对终端使用网络编码进行处理；(3)根据基站反馈信息，中继节点执行辅助的基于网络编码技术的数据流处理；(4)基站集中控制执行网络编码的切换更新处理：终端在不同服务小区间移动时，基站更新中继节点或服务小区，在新中继处重新进行网络编码处理。本发明在中继节点采用网络编码操作能够对接收的不同路径信息分别编码转发，切实提高中继传输效率和边缘用户的传输性能。

Description

在无线中继网络中采用网络编码通信的方法

技术领域

本发明涉及一种能够有效利用有限的无线资源，提高网络传输性能的无线通信的新方法，该方法不仅适用于蜂窝中继移动通信系统，也适用各种基于中继或者多跳技术的无线宽带接入系统，如无线局域网、无线城域网等。确切地说，涉及一种在无线中继网络中采用网络编码通信的方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

未来无线通信系统是带宽和功率都受限的系统，尤其是在蜂窝小区边缘，系统频谱利用率很低。如何充分利用空间资源来提高系统的吞吐量，已经成为研究的热点，目前有效的解决方案有两种：多天线技术和中继技术。其中多天线技术主要采用多输入多输出MIMO系统，或通过用户协同及其它相关技术所构成的虚拟MIMO系统，用于提高系统总吞吐量。但是MIMO系统优良性能的实现要求多根天线距离足够远，不适用小型移动终端。虚拟MIMO在终端距离基站BS较远时，速率的提高仍会受到限制，为了提高位于小区边缘处的移动终端传输性能，可以把中继技术引入到蜂窝无线通信系统中。传统的中继技术主要用来转发终端的信息，为了支持多终端，通常采用时分或频分的方式，造成资源利用率降低，同时中继成为网络的传输瓶颈。提高中继节点对多用户信息的转发能力，有效利用中继节点，有助于提高网络的整体性能。网络编码技术允许中继节点对接收到的不同路径的信息分别进行编码转发，同时保证接收节点能够进行正确解码从而恢复原始信息，从而解决多跳无线网络的中继传输瓶颈问题，大大提高网络的容量和网络鲁棒性。

目前，网络编码主要用于无线多跳通信网络中，但是还存在很多技术挑战，包括路由、调度、编码算法及网络编码技术所引起的同步、时延和安全性等问题。在现有蜂窝移动通信系统中应用网络编码来提高系统性能的技术方案还很少，考虑到下一代蜂窝移动通信系统将基于OFDM技术，为了扩展系统覆盖范围和提高信号传输质量，小区边缘的移动终端将通过中继节点进行数据转发，即在中继节点处采用网络编码技术，使得中继节点不再只做简单的数据转发，而要进行必要的信号处理，以进一步提高下一代移动通信系统的性能。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种在无线中继网络中采用网络编码通信的方法，该方法是在蜂窝中继网络中，中继节点采用网络编码技术提高中继上行传输效率，能够切实提高中继传输效率和边缘用户的传输性能。

为了达到上述目的，本发明提供了一种在无线中继网络中采用网络编码通信的方法，其特征在于：通过设置中继节点并采用网络编码技术来提高中继上行传输效率；包括下列操作步骤：

(1)在每个蜂窝小区中设置相应数量的具有网络编码功能的中继节点，以扩展信号覆盖范围、提高系统容量和便于采用网络编码技术对传输信号进行处理；

(2)基站自适应地判决终端是否需要通过中继节点进行信号转发，并对需要中继的终端判决是否需要使用网络编码操作；

(3)根据基站的反馈信息，需要执行网络编码操作的中继节点执行基于网络编码技术的数据流处理；

(4)基站集中控制执行网络编码技术的中继的切换更新：当终端从蜂窝移动通信系统中的原中继服务小区移动到另一中继服务小区时，基站对中继节点或服务小区进行更新，即选取新的中继节点，并由该新的中继节点重新根据基站确定的终端配对情况进行网络编码操作。

所述中继节点除了具备传统的解码转发或者放大转发中继功能外，还能够对其接收到的多个协同配对终端的数据分别进行网络编码编解码处理。

所述中继节点和终端之间的通信、中继节点和基站之间的通信、或终端和基站之间的直接通信，是用时分方式进行区别，或者以正交资源区分之；所述网络编码操作允许对两个终端的信息进行异或操作后，同时传输之，以获取网络编码增益。

所述步骤(2)进一步包括下列操作内容：

(21)终端与基站建立连接后，根据该终端的通信链路质量，基站自适应地判决是否需要采用中继节点进行中继传输：如果该终端直接接入基站的系统总吞吐量小于通过中继节点接入时的系统总吞吐量，且该终端直接接入基站的链路传输速率小于通过中继节点接入时的链路传输速率，则采用中继接入网络；否则，该终端直接接入基站；

(22)根据每个终端所处区域、中继节点在本小区的分布状况、以及各中继节点上转发的终端状态信息和负载信息，基站对需要中继的终端判决其是否需要使用网络编码技术。

所述步骤(3)进一步包括下列操作内容：

(31)基站对需要使用网络编码技术的目标终端采用相应的协同终端配对算法进行配对处理，选取编码配对节点，并在成功配对后，将该配对信息发送给相应中继节点，以便中继节点能够正确进行编码操作；对于配对未成功或无需采用网络编码技术的终端，则控制中继节点直接转发该终端的信息；

(32)需要进行网络编码操作的终端把业务信息发送给中继节点，中继节点对接收到的、来自配对终端的数据信息进行异或编码操作后，再把编码后的信息发送给基站；对于不采用网络编码的终端，中继节点直接将数据转发给基站；

(33)根据已知的网络编码终端的配对信息，基站对接收到的业务信息流进行解码处理后，得到各终端的原始数据信息。

所述步骤(4)进一步包括下列操作内容：

(41)当终端因移动而逐步离开主服务中继节点，并逐渐进入另一中继节点的覆盖区域时，基站判断该终端已经位于中继切换区后，则将第二个中继节点作为该移动终端的辅助服务中继节点，并通知相关中继节点和该移动终端；

(42)该移动终端继续和主服务中继节点进行通信，同时建立与辅助服务中继节点的通信，即终端通过主辅两个中继节点将其数据信息发送给基站；此时，只在主服务中继节点进行网络编码，藉由增加的、与辅助服务中继节点的通信链路，基站能够获得接收分集增益；

(43)当基站判断该移动终端通过辅助服务中继节点传输的信号强度在设定时间内持续超过其通过主服务中继节点传输的信号强度的设定门限值时，发起切换操作：将辅助服务中继变为主服务中继节点，而将原来的主服务中继转换成直接转发该移动终端及其配对节点的数据信息的辅助服务中继节点；同时新的主服务中继节点根据基站确定的新的终端配对情况进行网络编码的操作，并继续传输信息；原主服务中继则变为提供宏分集增益的辅助服务中继节点；

(44)当终端继续移动到离开中继切换区时，基站通知该终端断开和辅助服务中继节点的通信，只保留该终端与主服务中继节点的链路通信。

所述中继节点执行网络编码技术，除了对数字信号采取异或处理方式以外，还能够对模拟信号采取直接放大转发的网络编码方式，即采用模拟网络编码。

所述采用模拟网络编码的配对终端是采用相同的无线资源来发送不同的信息，再通过网络编、解码操作，分别得到各自终端的信息；此时，要求终端的信息同步，且中继节点和基站能够正确估计信道状态信息。

所述模拟信号的网络编码的操作步骤是：

在第一个时隙，第一个终端发送的信号为s_1，1，第二个终端的发送的信号为s_2，1，它们占用相同的频率资源，式中s_i，j表示第i个终端在第j个时隙发送的信息符号；此时，中继节点RS的接收信号y_RS，U为：

y_{RS, U} = h_{RS, U_{1}} s_{1,1} + h_{RS, U_{2}} s_{2,1} + n_{RS},

基站BS的接收信号y_BS，U为：

y_{BS, U} = h_{BS, U_{1}} s_{1,1} + h_{BS, U_{2}} s_{2,1} + n_{BS, 1};

式中，U表示终端用户，U₁和U₂分别表示两个终端用户，h_A，B表示A，B间的信道传输增益，n表示各信道传输噪声；

在第二个时隙，中继节点在满足功率约束条件下，把第一个时隙的接收信号进行放大后，发送到基站，则此时基站的接收信号y_BS，RS为：

y_{BS, RS} = α h_{BS, RS} (h_{RS, U_{1}} s_{1,1} + h_{RS, U_{2}} s_{2,1} + n_{RS}) + n_{BS, 2},

式中，α是放大系数；

基站BS将两个接收信号合并成为矩阵形式，表示为下述与传统MIMO系统相同的、能够采用最大似然算法得到的发送信号形式：

[\begin{matrix} y_{BS, U} \\ y_{BS, RS} \end{matrix}] = [\begin{matrix} h_{BS, U_{1}} & h_{BS, U_{2}} \\ α h_{BS, RS} h_{RS, U_{1}} & α h_{BS, RS} h_{RS, U_{2}} \end{matrix}] [\begin{matrix} s_{1,1} \\ s_{2,1} \end{matrix}] + [\begin{matrix} n_{BS, 1} \\ α h_{BS, RS} n_{RS} + n_{BS, 2} \end{matrix}] .

可见，采用模拟网络编码技术可以进一步提高频谱效率。

本发明是一种在无线中继网络中采用网络编码通信的方法，该方法的创新特点是：基于现有的蜂窝网络构架，通过布置中继节点对小区边缘用户终端的通信进行中继网络编码或直接转发，以使基站获得分集增益，从而提高蜂窝网络小区边缘终端的通信质量，同时提高中继传输效率；与传统的中继转发方式相比较，本发明能够有效提高频谱利用效率。

另外，该方法中对数字信息采取的异或方式仅涉及配对的两个终端信息，中继的编码和基站的解码过程操作简单，容易实现。本发明还设置相应的服务中继切换机制，以支持终端的移动性：整个通信的实现机制能够基于终端位置的移动而采取相应的不同传输方式，进行实时更新。再者，本发明采用的编码具有扩展功能，例如可以采用模拟网络编码的方式进一步提高资源效率。此时，中继只需放大转发接收信息，基站可以通过最大似然的方式解码。

总之，本发明方法操作步骤简单，方便，实现容易，推广应用前景看好。

附图说明

图1是在蜂窝小区中设置相应数量的中继节点以及处于不同位置的终端采用中继传输方法的示意图。

图2是本发明在无线中继网络中采用网络编码通信的方法的上行传输流程方框图。

图3是本发明方法的终端服务中继执行软切换过程的示意图。

图4是本发明方法的网络编码性能分析理论模型方框图。

图5是本发明方法的实施例试验结果的性能比较示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

参见图1，图示为采用网络编码技术的中继移动通信系统的网络结构中的一个蜂窝小区，其中设置了作为网络编码转发的六个中继节点RS；这些中继节点除了具备传统的解码转发或者放大转发中继功能外，还能够对其接收到的多个协同配对终端的数据分别进行网络编码编解码处理。基站BS会根据移动终端的不同位置选取不同的传输方式，其中中继节点和终端之间的通信、中继节点和基站之间的通信、或终端和基站之间的直接通信，都采用时分方式加以区别，或以正交资源区分之。该图1还显示了本发明中继软切换过程中终端接入不同中继的传输过程。下面结合图2具体说明之。

参见图2，详细说明本发明的一种在蜂窝中继网络中采用网络编码技术提高中继传输效率的上行传输方法的各个操作步骤：

步骤1，在每个蜂窝小区中设置相应数量的具有网络编码功能的中继节点，以扩展信号覆盖范围、提高系统容量和便于使用网络编码技术对传输信号进行处理(如图1为一个小区内设置了六个中继节点RS)。

步骤2，基站自适应地判决终端是否需要采用中继节点进行信号转发，并对需要中继的终端判决是否需要使用网络编码操作。

该步骤2进一步包括下列操作内容：

(21)终端与基站建立连接后，根据该终端的通信链路质量，基站自适应地判决是否需要采用中继节点进行中继传输：如果该终端直接接入基站的系统总吞吐量小于通过中继节点接入时的系统总吞吐量，且该终端直接接入基站的链路传输速率小于通过中继节点接入时的链路传输速率，则采用中继接入网络；否则，该终端直接接入基站；例如图1所示的终端G，因其距离基站较近，直接接入基站进行通信；而其他终端需要通过中继转发接入基站，这时无论对于系统还是对于终端来说都能获得更好的性能。

(22)根据每个终端所处区域、中继节点在本小区的分布状况、以及各中继节点上转发的终端状态信息和负载信息，基站对需要中继的终端判决其是否需要使用网络编码技术。例如图中终端A、B、D、E都将采用网络编码操作，而终端C的数据信息则由中继直接转发给基站。

步骤3、根据基站的反馈信息，需要执行网络编码操作的中继节点执行基于网络编码技术的数据流处理。

该步骤3进一步包括下列操作内容：

(31)基站对需要使用网络编码技术的目标终端采用相应的协同终端配对算法进行配对处理，选取编码配对节点，并在成功配对后，将该配对信息发送给相应中继节点，以便中继节点能够正确进行编码操作；对于配对未成功或无需采用网络编码技术的终端，则控制中继节点直接转发该终端的信息；例如图1中终端A和终端B作为两配对终端。

(32)需要进行网络编码操作的终端把业务信息发送给中继节点，中继节点对接收到的、来自配对终端的数据信息进行异或编码操作后，再把编码后的信息发送给基站；对于不采用网络编码的终端，中继节点直接将数据转发给基站；例如图1中继节点RS将终端A、B数据信息通过编码后转发给BS，不采用网络编码的终端(如终端C)直接将数据发送给基站。

步骤4、基站集中控制执行网络编码的中继的切换更新：当终端从蜂窝移动通信系统中的原中继服务小区移动到另一中继服务小区时，基站对中继节点或服务小区进行更新，即选取新的服务中继节点，并由该新的服务中继节点重新根据基站确定的终端配对情况进行网络编码操作。

所述步骤(4)进一步包括下列操作内容(再参见图3所示)：

(42)该移动终端继续和主服务中继节点进行通信，同时建立与辅助服务中继节点的通信，即终端通过主辅两个中继节点将其数据信息发送给基站；此时，只在主服务中继节点进行网络编码，藉由增加的、与辅助服务中继节点的通信链路，基站能够获得接收分集增益；(如图1中的终端E和终端F分别表示原服务中继节点网络编码转发和直接转发信息时，同时通过辅助服务节点接入基站的情况)。

(43)当基站判断该移动终端通过辅助服务中继节点传输的信号强度在设定时间内持续超过其通过主服务中继节点传输的信号强度的设定门限值时，发起切换操作：将辅助服务中继变为主服务中继节点，而将原来的主服务中继转换成直接转发该移动终端及其配对节点的数据信息的辅助服务中继节点；同时新的主服务中继节点根据基站确定的新的终端配对情况进行网络编码的操作，并继续传输信息；原主服务中继则变为提供宏分集增益的辅助服务中继节点；(如图1中终端E的原配对终端D的主服务节点将对其重新选取配对节点并继续传输信息)。

需要说明的是：本发明的中继节点执行网络编码技术时，除了对数字信号采取异或处理方式以外，还能够对模拟信号采取直接放大转发的网络编码方式，即采用模拟网络编码。

采用模拟网络编码的基本思想是：

在第一个时隙，第一个终端发送的信号为s_1，i，第二个终端的发送的信号为s_2，i，它们占用相同的频率资源(其中s_i，j表示第i个终端在第j个时隙发送的信息符号)；此时，

中继节点RS的接收信号y_RS，U为：

y_{RS, U} = h_{RS, U_{1}} s_{1,1} + h_{RS, U_{2}} s_{2,1} + n_{RS}, - - - (1)

基站BS的接收信号y_BS，U为：

y_{BS, U} = h_{BS, U_{1}} s_{1,1} + h_{BS, U_{2}} s_{2,1} + n_{BS, 1}, - - - (2)

上述两式中，U表示终端用户，U₁和U₂分别表示两个终端；h_A，B表示A，B间的信道传输增益，n表示各信道传输噪声。

y_{BS, RS} = α h_{BS, RS} (h_{RS, U_{1}} s_{1,1} + h_{RS, U_{2}} s_{2,1} + n_{RS}) + n_{BS, 2},

(3)；式中，α是放大系数；其它字符的含义与上面两式相同。

基站BS将两个接收信号(2)和(3)合并成为下述矩阵形式：

[\begin{matrix} y_{BS, U} \\ y_{BS, RS} \end{matrix}] = [\begin{matrix} h_{BS, U_{1}} & h_{BS, U_{2}} \\ α h_{BS, RS} h_{RS, U_{1}} & α h_{BS, RS} h_{RS, U_{2}} \end{matrix}] [\begin{matrix} s_{1,1} \\ s_{2,1} \end{matrix}] + [\begin{matrix} n_{BS, 1} \\ α h_{BS, RS} n_{RS} + n_{BS, 2} \end{matrix}] - - - (4) .

可以看到，该式(4)与传统MIMO系统的矩阵表示形式相同，能够采用最大似然算法得到发送信号。

下面参见图4，对本发明中继网络编码的技术性能进行分析：

图4所示为两个终端A和B分别发送各自数据给基站的场景模型，其各链路的传输误比特率如图所示。基站BS共接收来自终端A、B和中继RS的三组信息，只要基站BS接收到其中任意两组信息，就能够解码获取两终端原始信息。例如，如果基站无法正确接收终端A的信息，则可以通过接收终端B信息和中继RS信息，再应用

X_{B} &CirclePlus; (X_{A} &CirclePlus; X_{B})

求解得到终端A的信息X_A。

设两个终端A和B到基站的传输误比特率分别为p_A和p_B，通过中继编码到基站的两跳路径的总误比特率为P_R′，则基站无法同时正确接收该两终端A和B信息的概率(系统中断概率)为：

P＝p_Ap_R′(1-p_B)+p_Bp_R′(1-p_A)+p_Ap_B(1-p_R′)+p_Ap_Bp_R′

＝p_Ap_B+p_R′(p_A+p_B)-2p_Ap_Bp_R′

其中p_R′＝p_A′+p_B′-p_A′p_B′+(1-p_A′)(1-p_B′)p_R，此时系统分集度为2。

本发明已经进行了仿真实验，实验结果表明基本成功达到了发明目的。下面参见图5，采用本发明网络编码中继传送信号的技术(用直线表示之)与没有分集方式(用虚线表示之)在总发送功率E_T相同时的系统中断概率对比结果示意图，前者的性能明显优于后者。实施例中，假设对终端及中继的功率分配为：E_A＝E_B＝E_R＝(1/3)E_T，并且p_A′＝p_B′＝0，各传输信道增益服从复高斯分布h～CN(0，1)，并采用BPSK调制方式，根据信道误码公式：

p_{e} = E [Q (\sqrt{2 {| h |}^{2} SNR})] = \frac{1}{2} (1 - \sqrt{\frac{SNR}{1 + SNR}})

实施例的试验结果表明：本发明网络编码中继通信技术可以获取分集增益，并提高中继传输效率。

Claims

1、一种在无线中继网络中采用网络编码通信的方法，其特征在于：通过设置中继节点并采用网络编码技术来提高中继上行传输效率；包括下列操作步骤：

(1)在每个蜂窝小区中设置相应数量的具有网络编码功能的中继节点，以扩展信号覆盖范围、提高系统容量和便于采用网络编码技术对传输信号进行相应处理；

(2)基站自适应地判决终端是否需要采用中继节点进行信号转发，并对需要中继的终端判决是否需要在中继处进行网络编码操作；

2、根据权利要求1所述的采用网络编码通信的方法，其特征在于：所述中继节点除了具备传统的解码转发或放大转发的中继功能外，还能够对其接收到的多个协同配对终端的数据分别进行网络编码的编解码处理。

3、根据权利要求1或2所述的采用网络编码通信的方法，其特征在于：所述中继节点和终端之间的通信、中继节点和基站之间的通信、或终端和基站之间的直接通信，是用时分方式进行区别，或者以正交资源区分之；所述网络编码操作允许对两个终端的信息进行异或操作后，同时传输之，以获取网络编码增益。

4、根据权利要求1所述的采用网络编码通信的方法，其特征在于：所述步骤(2)进一步包括下列操作内容：

5、根据权利要求1所述的采用网络编码通信的方法，其特征在于：所述步骤(3)进一步包括下列操作内容：

6、根据权利要求1所述的采用网络编码通信的方法，其特征在于：所述步骤(4)进一步包括下列操作内容：

7、根据权利要求1所述的采用网络编码通信的方法，其特征在于：所述中继节点执行网络编码技术，除了对数字信号采取异或处理方式以外，还能够对模拟信号采取直接放大转发的网络编码方式，即采用模拟网络编码。