CN101388849B - 选取协作节点的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种选取协作节点的方法，该方法包括：以协作通信系统中当前源节点的个数n为列数，以协作通信系统中当前协作节点的个数m为行数构造当前所述协作通信系统的邻接矩阵H；检测并消除所述邻接矩阵H中长度为4的短环；计算所述协作通信系统中各个源节点i的中断概率P_out，i；对于每个源节点，依次判断源节点i的协作节点i_c和源节点k的协作节点k_c交换后，源节点i和源节点k的中断概率是否变小，是则交换源节点i和源节点k的协作节点。本发明能够有效降低网络的中断概率，提升网络容量，提升终端节点的译码性能。

Description

选取协作节点的方法

技术领域

本发明涉及航空通信领域，尤其涉及一种选取协作节点的方法。

背景技术

随着协议和算法的设计越来越精细，移动节点之间能够支持的交互功能越来越多，一类新的分集方法—协作通信(CooperativeCommunications)随之出现并迅速成为通信界研究的热点。大规模无线通信网络中，节点之间的通信，不再仅仅依靠确定的互联方式，而是增加了随机性，并在其它节点的协作帮助下共享彼此的天线，各个节点构成虚拟多天线系统，提供网络环境下的分集和复用，从而充分利用空间资源，有效地抵抗信号传输中的衰落，阴影和其他干扰，达到可靠通信的目的。协作通信用于航空通信服务中，很大程度上能够解决通信环境差时的容量小等问题，使航空通信在某些极端条件下仍然可用。

通过协作通信为系统带来的分集增益，称为协作分集。协作通信方式中，节点之间的协作关系不仅包括帮助其它节点发送信息，同时也要发送自己的信息。通过协作分集，无线终端可以彼此协作传输信息，在网络中形成多条路径。通过协作产生的冗余信息使接收端能够弥补由于衰落，阴影遮蔽和其他干扰对信道造成的影响。

基于网络编码的数据传输突破了一直以来数据传输的固定模式，可以有效提高无噪有线网络容量。网络编码特有的数据传输模式——在节点进行信息合并，与协作通信的编码协作策略相符，网络编码与协作通信相结合的方式能够提供更优异的通信性能。网络编码用于协作传输，以低密度奇偶校验码(Low-Density Parity Check Code，简称LDPC)编码作为设计的载体，联合源节点和中继节点所传输的信息。LDPC编码的描述方式可以利用奇偶校验矩阵或是等价的二相图描述。二相图的两侧分别为变量节点和校验节点，其中每一个变量节点对应于奇偶校验矩阵的每一列，每一个校验节点对应于奇偶校验矩阵的每一行。图1为现有技术网络编码用于协作传输协议示意图，如图1所示，其中N_S为源变量节点，N_C为协作变量节点，N_n为网络编码的变量节点；M_S为源校验节点，M_C为中继校验节点，M_n为网络编码的校验节点；在联合网络信道编码中，网络编码作为冗余信息同时为源节点和协作节点的信息提供校验。因此联合网络信道编码的校验矩阵包括，源节点LDPC码校验矩阵H_S，协作节点LDPC码校验矩阵H_C和网络编码矩阵H_n。网络编码作为校验信息为源节点和协作节点提供额外的校验信息。联合网络-信道编码的设计必须符合以下校验关系：

$H_n{[{X_{S,1}}^{N_S},{X_{C,1}}^{N_C},{X_{n,1}}^{N_n}]}^T=0;H_S{\left[{X_{S,1}}^{N_S}\right]}^T=0;H_C{\left[{X_{C,1}}^{N_C}\right]}^T=0$

协作通信的性能不仅取决于协议本身，还取决于协作节点的选择。在航空高速移动网络中，并非所有的节点都能够承担协作的任务，有些节点的处理能力有限，有些节点在网络内部的生存周期太短，有些节点的通信条件不理想，这些因素都会造成网络中断概率的上升，通信中断。此外，有些节点到另一个节点的信息会回传给自身，并且通信路径仅为两条，若以G＝(V，E)表示为通信网络，V是发送节点、协作节点和接收节点的集合，E是有向通信链路的集合，在G中存在一个链路序列(v₀，v₁)，(v₁，v₂)，(v₂，v₀)，被称为长度为4的短环。这样长度为4的短环会引起译码过程无法收敛或者译码错误的放大，常造成网络中断概率的上升，降低网络容量。

基于网络编码的协作协议，协作节点每次通信可以帮助至少一个源节点进行通信，其通信分为两种方式。图2a、图2b分别为现有技术利他协作模式和非利他协作模式示意图，如图2a，图2b所示，在图2a利他协作模式中，协作节点C不用传输自身信息，对接收到的源节点S1和源节点S2的信息进行网络编码，然后将经过网络编码后的信息作为源节点S1和S2的冗余信息发送到目的节点D，目的节点D对接收到的冗余信息进行联合迭代译码。在图2b非利他协作模式中，协作节点C有自身的通信任务，对自身的信息和其它源节点S的信息进行网络编码后，将经过网络编码后的信息发送至目的节点D，目的节点D对接收到的信息进行联合迭代译码。

现有技术中，大多是点对点的通信，而协作通信作为发展潜力极大的技术近几年才倍受关注，但还需要研究具有实际意义的算法。网络容量由“最小割最大流”决定，但目前的通信技术很少情况能达到由此决定的网络容量上限。尤其是现有点对点技术很难保证大规模高速数据在信道条件较差的环境中的传输，链路不稳定，中断现象频频出现。

发明内容

本发明提供了一种选取协作节点的方法，有效消除协作通信系统的邻接矩阵中的长度为4的短环，并降低网络的中断概率，提升网络容量。

为了实现上述目的，本发明提供了一种选取协作节点的方法，具体步骤包括：

步骤1、以协作通信系统中当前源节点的个数n为列数，以协作通信系统中当前协作节点的个数m为行数构造邻接矩阵H，对所述邻接矩阵H中的元素h_pq，当源节点p与协作节点q之间有信息的交互时，h_pq＝1，否则h_pq＝0；

步骤3、检测并消除所述邻接矩阵H中长度为4的短环；

步骤5、根据公式 $P_{\mathrm{out},i}=\∫\underset{S}{\·\·\·}\∫{\mathrm{\λ}}_{i,d}\exp (-{\mathrm{\λ}}_{i,d}{u}_{i,d}){\mathrm{du}}_{i,d}\×\underset{\mathrm{relaynodes}}{\mathrm{\Π}}{n}_c{\mathrm{\λ}}_{c,d}\exp (-n_c{\mathrm{\λ}}_{c,d}{u}_{c,d}){\mathrm{du}}_{c,d}$ 和所述邻接矩阵H，计算所述协作通信系统中各个源节点i的中断概率P_out，i；

其中S为满足中断事件发生条件的所有节点的集合，n_c为所述协作通信系统中协作节点的个数，λ_i，d，λ_c，d分别为源节点至目的节点和协作节点至目的节点链路的信道因子的指数分布参数，P_out，i表示所述协作通信系统中节点i的中断概率，u_i，d，u_c，d为积分变量；

步骤7、依次判断每个源节点i的协作节点i_c，即满足 $h_{i_c,i}=1$ 的节点和源节点k的协作节点k_c，即满足 $h_{k_c,k}=1$ 的节点相交换后，源节点i和源节点k的中断概率是否变小，是则交换源节点i和源节点k的协作节点，得到新的邻接矩阵H；对所述新的邻接矩阵H，执行步骤3，否则结束。

在上述技术方案中，步骤3具体包括：

步骤31、令矩阵 $A=\left(\begin{array}{cc}0& H\\ H^T& 0\end{array}\right)$ ，其中H为所述邻接矩阵；

步骤32、令矩阵 $B=A^2=\left(\begin{array}{cc}{\mathrm{HH}}^T& 0\\ 0& H^{T}H\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}{b}_{\mathrm{ij}}=\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{h}_{\mathrm{ik}}{h}_{\mathrm{jk}}& 0\\ 0& b_{\mathrm{ij}}=\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{h}_{k(i-m)}{h}_{k(j-m)}\end{array}\right),$ 其中b_ij为所述矩阵B的元素，且(m+n)≤i，j≤(m+n)，(m+n)≤k≤(m+n)；

步骤33、依次判断所述矩阵B中的每个元素b_ij是否有b_ij≥2，是则执行步骤34，否则结束；

步骤34、在矩阵A中选择满足A_ik＝A_kj＝1的元素，令C_e是满足 $\{x:A_{\mathrm{jx}}^3+A_{\mathrm{kx}}^3=0\}$ 的矩阵A中所有列的集合，令E_e是所有端点包含在集合C_e中的元素；

步骤35、当E_e不为空时，选择任意一个矩阵A中的元素e＝1，再选择e′，e′∈E_e，交换e和e′的校验节点，得到新的矩阵A；

步骤36、对新的矩阵A，执行步骤32。

其中步骤33中对所述矩阵B的元素b_ij依次进行判断具体可以为：以所述矩阵B的列为顺序依次对元素b_ij进行判断。还可以为：以所述矩阵B的行为顺序依次对元素b_ij进行判断。

本发明提供了一种选取协作节点的方法，通过根据当前系统中源节点和协作节点的个数构造邻接矩阵，用邻接矩阵来表征系统中节点之间的通信关系，通过消除邻接矩阵中长度为4的短环来提高译码的性能，并通过交换源节点的协作节点来达到降低网络中断概率，提升网络容量的目的。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为现有技术网络编码用于协作传输协议示意图；

图2a、图2b分别为现有技术利他协作模式和非利他协作模式示意图；

图3为本发明邻接矩阵示意图；

图4为本发明选取协作节点的方法流程图；

图5为本发明消除短环的流程图。

具体实施方式

图4为本发明选取协作节点的方法流程图，如图4所示，具体步骤包括：

步骤1、以协作通信系统中当前源节点的个数n为列数，以该协作通信系统中当前协作节点的个数m为行数构造邻接矩阵H，对于该邻接矩阵H中的元素h_pq，当源节点p与协作节点q之间有信息的交互时，h_pq＝1；否则h_pq＝0；

本实施例的协作通信系统，由源节点和协作节点构成。协作通信系统中的源节点和协作节点之间进行信息的互相交互。也可以称之为协作通信网络。

如图3所示，为本发明邻接矩阵示意图；基于网络编码的协作协议，将协作通信系统分为两个正交信道：源节点的广播信道和协作节点的发送信道。根据这两个正交信道，将邻接矩阵H分为两部分P和L。其中对应源节点的广播信道的P为方阵，描述在源节点的广播信道中，通信网络中的各个节点彼此之间的信息连通性。p_ij＝1表示协作节点j向源节点i发送信息；本发明令当i＝j时，p_ij＝1，因为每一个节点都知道自身的信息。对应协作节点的发送信道的L为下三角矩阵，对于L中的任一元素l_ij，当i>j时，l_ij＝1，表示节点j作为协作节点将发送信息至源节点i。并且本发明令i<j时，l_ij＝0，因为协作节点j必须在源节点i执行网络编码之前发送信息至源节点i。邻接矩阵的每一列称为一个变量节点，每一行称为一个校验节点。每一列含有“1”的个数，称为每一列的度，也称为变量节点的度。每一行含有“1”的个数，称为每一行的度，也称为校验节点的度。变量节点对应源节点，变量节点的度表示源节点的协作节点的个数。校验节点对应协作节点，校验节点的度表示协作节点辅助的源节点的个数。

步骤3、检测并消除邻接矩阵H中长度为4的短环；

邻接矩阵描述的是通信网络的节点之间的连接与通信情况，矩阵的元素值表达了彼此的协作关系。基于网络编码的协作协议，需要在目的节点对来自于协作节点和源节点的信息进行联合迭代译码，因此希望协作节点能够提供足够的额外校验信息，前提条件是网络为理想的无环网络。由于在现实网络环境中，满足绝对的无环网络很难，但可以去掉长度为4的短环。长度为4的短环意味着一个节点传送给另一个节点的信息会通过短环回传回自身，这样会引起译码过程无法收敛或者译码错误的放大，将影响译码时信息在tanner图中的传递，从而严重影响译码的性能，常造成网络中断概率的上升，影响网络容量。因此消除邻接矩阵中长度为4的短环能够降低网络中断概率，提升网络容量。

步骤5、根据公式

$P_{\mathrm{out},i}=\&Integral;\underset{S}{\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;}{\&Integral;\mathrm{\&lambda;}}_{i,d}\exp (-{\mathrm{\&lambda;}}_{i,d}{u}_{i,d}){\mathrm{du}}_{i,d}\&times;\underset{\mathrm{relaynodes}}{\mathrm{\&Pi;}}{n}_r{\mathrm{\&lambda;}}_{r,d}\exp (-n_r{\mathrm{\&lambda;}}_{c,d}{u}_{c,d}){\mathrm{du}}_{c,d}---\left(1\right)$

和当前的邻接矩阵H，计算协作通信系统中每个源节点i的中断概率P_out，i；

中断概率为当通信链路无法支持协作通信系统的瞬时传输速率R时，通信中断的概率，记为P_r[I<R]，其中P_r为中断概率符号，I为通信信道的信道容量，R为协作通信系统的传输速率。发生通信中断的事件，为中断事件。基于网络编码的协作协议，每个信号的传输要占用两个正交信道，即源节点的广播信道和协作节点的发送信道，每个源节点的平均互信息量I_nc为：

$I_{\mathrm{nc}}=\frac{1}{2}\log (1+\mathrm{SNR}{\left|{\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{sd}}\right|}^2)+\frac{1}{2}\log (1+{\mathrm{\&Sigma;}}_{\mathrm{relaynodes}}\mathrm{SNR}{\left|{\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{cd}}\right|}^2)---\left(2\right)$

下标nc表示网络编码network coding，I_nc即指实施网络编码协作协议的互信息量，|α_sd|²为源节点与目的节点之间的物理信道的指数分布，α_ij可以用0-均值，方差

的圆对称复高斯随机变量来模拟，其中|α_ij|²为指数分布，参数为 ${\mathrm{\&lambda;}}_{i,j}={\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{ij}}^{-2}$ 。根据中断事件的定义，中断概率可以用如下公式表示：

$P_{\mathrm{out}}\left(R\right)=P_r[I_{\mathrm{nc}}<R]=P_r[\frac{1}{2}\log (1+\mathrm{SNR}{\left|{\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{sd}}\right|}^2)+\frac{1}{2}\log (1+{\mathrm{\&Sigma;}}_{\mathrm{relaynodes}}\mathrm{SNR}{\left|{\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{cd}}\right|}^2)<R]---\left(3\right)$

其中，下标out代表中断(outage)；

对于任意一个在参考通信圆周内的通信节点i，其中断概率P_out，i可以表示为：

$P_{\mathrm{out},i}=\&Integral;\underset{S}{\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;}{\&Integral;\mathrm{\&lambda;}}_{i,d}\exp (-{\mathrm{\&lambda;}}_{i,d}{u}_{i,d}){\mathrm{du}}_{i,d}\&times;\underset{\mathrm{relaynodes}}{\mathrm{\&Pi;}}{n}_c{\mathrm{\&lambda;}}_{c,d}\exp (-n_c{\mathrm{\&lambda;}}_{c,d}{u}_{c,d}){\mathrm{du}}_{c,d}---\left(4\right)$

其中下标sd，cd，sc分别代表源节点与目的节点、协作节点与目的节点以及源节点与协作节点之间的物理信道。S是满足中断事件发生条件的所有节点的集合，n_c为协作节点的个数，λ_i，d，λ_c，d分别为源节点至目的节点和协作节点至目的节点链路的信道因子的指数分布参数，u_i，d，u_c，d为积分变量，为计算的辅助参数，无实际的物理意义。

步骤7、对于协作通信系统中的每个源节点，依次判断源节点i的协作节点i_c，即满足 $h_{i_c,i}=1$ 的节点和源节点k的协作节点k_c，即满足 $h_{k_c,k}=1$ 的节点相交换后，源节点i和源节点k的中断概率是否变小，是则交换源节点i和源节点k的协作节点，即令 $h_{i_c,i}=0,$ $h_{k_c,k}=0,$ $h_{k_c,i}=1,$ $h_{i_c,k}=1,$ 得到新的邻接矩阵H，并对新的邻接矩阵H，执行步骤3；否则结束；

通过本步骤的计算，对源节点的协作节点进行交换，能够降低中断概率，提升网络容量。

在本实施例中，等效基带离散时间模型为：y_j＝a_ijx_i+z_ij。其中a_ij代表协作通信系统中的节点j到节点i的信道因子，包含路径损耗分量，阴影遮蔽分量和瑞利衰落分量。 $a_{\mathrm{ij}}=\sqrt{\frac{K}{d_{\mathrm{ij}}^{-\mathrm{\&alpha;}}}}{s}_{\mathrm{ij}}{h}_{\mathrm{ij}},$ 其中K是参考距离的路径损耗；d_ij为节点i和节点j之间的距离；α是路径损耗指数，α的取值范围为2～5；s_ij是对数正态阴影遮蔽的因子，它的对数形式的均值和方差分别为0和σ_s；h_ij是瑞利分布衰落因子。a_ij可以用0-均值，方差

的圆对称复高斯随机变量来模拟，其中|a_ij|²为指数分布，参数为 ${\mathrm{\&lambda;}}_{i,j}={\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{ij}}^{-2};$ z_ij代表加性高斯噪声以及系统其他噪声，利用复高斯变量，方差为来模拟。协作通信系统的另外两个参数定义如下：无衰落的系统信噪比SNR和频谱利用率η。其中 $\mathrm{SNR}=\frac{P}{{2\mathrm{\&sigma;}}_0^2},$ $\mathrm{\&eta;}=\frac{2r}{W}b/s/\mathrm{HZ},$ W是连续时间信道带宽，r是每秒传输比特，P是传输功率，设所有移动节点的传输功率相等。

图5为本发明消除短环的流程图，如图5所示，本实施例步骤3检测并消除邻接矩阵H中长度为4的短环具体包括：

步骤31、令矩阵 $A=\left(\begin{array}{cc}0& H\\ H^T& 0\end{array}\right)---\left(5\right)$

，其中H为邻接矩阵；

步骤32、令矩阵

$B=A^2=\left(\begin{array}{cc}{\mathrm{HH}}^T& 0\\ 0& H^{T}H\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}{b}_{\mathrm{ij}}=\underset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}{h}_{\mathrm{ik}}{h}_{\mathrm{jk}}& 0\\ 0& b_{\mathrm{ij}}=\underset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}{h}_{k(i-m)}{h}_{k(j-m)}\end{array}\right)---\left(6\right)$

，其中b_ij为矩阵B的元素，且(m+n)≤i，j≤(m+n)，(m+n)≤k≤(m+n)；

步骤33、对矩阵B中的每个元素b_ij，依次判断是否b_ij≥2，是则执行步骤34，否则结束；

本实施例中，可以矩阵B的行为顺序依次对元素b_ij进行检测，判断，也可以矩阵B的列为顺序依次对元素b_ij进行检测并判断。

本实施例中当b_ij≥2时，表示矩阵H中存在长度为4的短环。在矩阵中若两个不同的变量节点拥有至少两个相同的校验节点，就会出现长度为4的短环。比如矩阵

中，变量节点v_k，和v_h与校验节点v_i和v_j都有信息互通，即变量节点v_k，和v_h都拥有校验节点v_i和v_j，d₂₅＝d₂₇＝d₄₅＝d₄₇＝1，则d₂₅、d₂₇、d₄₅和d₄₇组成一个长度为4的短环。当然，如果不同的变量节点拥有多于两个相同的校验节点，则长度为4的短环也可以解释为，一个变量节点到另一个变量节点的路径大于等于两条。而根据对矩阵B的定义和计算可知，当矩阵中存在长度为4的短环时，b_ij≥2。

步骤34、在矩阵A中选择满足A_ik＝A_kj＝1                (7)

的元素，令C_e是满足 $\{x:A_{\mathrm{jx}}^3+A_{\mathrm{kx}}^3=0\}---\left(8\right)$

的矩阵A中所有列的集合，令E_e是所有端点包含在集合C_e中的元素；

步骤35、当E_e不为空时，选择任意一个矩阵A中的元素e＝1，再选择e′，e′∈E_e，交换e和e′的校验节点，得到新的矩阵A；

步骤36、对于得到的新的矩阵A，执行步骤32。

本发明既可以应用于利他协作模式中也可以应用在非利他协作模式中。

本发明能够有效消除长度为4的短环，降低网络中断概率，提升网络容量。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.一种选取协作节点的方法，其特征在于，具体步骤包括：

步骤1、以协作通信系统中当前源节点的个数n为列数，以协作通信系统中当前协作节点的个数m为行数构造邻接矩阵H，对所述邻接矩阵H中的元素h_pq，当源节点p与协作节点q之间有信息的交互时，h_pq＝1，否则h_pq＝0；

步骤3、检测并消除所述邻接矩阵H中长度为4的短环；

步骤5、根据公式

和所述邻接矩阵H，计算所述协作通信系统中各个源节点i的中断概率P_out，i；

其中S为满足中断事件发生条件的所有节点的集合，n_c为所述协作通信系统中协作节点的个数，λ_i，d，λ_c，d分别为源节点至目的节点和协作节点至目的节点链路的信道因子的指数分布参数，P_out，i表示所述协作通信系统中节点i的中断概率，u_i，d，u_c，d为积分变量；

步骤7、依次判断每个源节点i的协作节点i_c，即满足

的节点和源节点k的协作节点k_c，即满足的节点相交换后，源节点i和源节点k的中断概率是否变小，是则交换源节点i和源节点k的协作节点，得到新的邻接矩阵H；对所述新的邻接矩阵H，执行步骤3，否则结束；

对于其中的步骤3具体为：

步骤31、令矩阵其中H为所述邻接矩阵；

步骤32、令矩阵其中b_ij为所述矩阵B的元素，且1≤i≤(m+n)，1≤j≤(m+n)，1≤k≤(m+n)；

步骤33、依次判断所述矩阵B中的每个元素b_ij是否有b_ij≥2，是则执行步骤34，否则结束；

步骤34、在所述矩阵A中选择满足A_ik＝A_kj＝1的元素，令C_e是满足

的所述矩阵A中所有列的集合，令E_e是所有端点包含在集合C_e中的元素；

步骤35、当E_e不为空时，选择任意一个所述矩阵A中的元素e＝1，再选择e′，e′∈E_e，交换e和e′的校验节点，得到新的矩阵A；

步骤36、对所述新的矩阵A，执行步骤32。

2.根据权利要求1所述的选取协作节点的方法，其特征在于，所述步骤33中对所述矩阵B的元素b_ij依次进行判断具体为：以所述矩阵B的行为顺序依次对元素b_ij进行判断。

3.根据权利要求1所述的选取协作节点的方法，其特征在于，所述步骤33中对所述矩阵B的元素b_ij依次进行判断具体为：以所述矩阵B的列为顺序依次对元素b_ij进行判断。

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