CN101478814B - 基于网络编码的组播网络中联合预编码及功率分配方法 - Google Patents

Abstract

一种无线通信领域的基于网络编码的组播网络中联合预编码及功率分配方法，本发明中，采用了一种由两源、两宿和任意中继簇组成的组播网络，两个信宿均需要获得每个信源的信息，由于发射功率有限，无法将信号进行交叉传递，因此由中继节点将负责转发每个信源的信息，通过在中继引入模拟网络编码，即直接将接收到的两个信源的混叠信号通过线性放大后再广播出去，最大限度的减少了传输时间。本发明通过引入联合预编码和功率分配，使得网络误帧性能得到改善，从而进一步提升了网络的整体吞吐量。

Description

基于网络编码的组播网络中联合预编码及功率分配方法

技术领域

本发明涉及一种无线通信技术领域的方法，具体是一种基于网络编码的组播网络中联合预编码及功率分配方法。

背景技术

在传统的无线中继网络中，由于信源发射功率的限制，中继一般用于扩大信源的传输范围。而近年来提出的无线协作网络中，中继则用于增加信源信号的分集增益，以减少信息传输的错误概率。在这些通信过程中，中继节点在接收源节点的信息后，采用存储转发的方式，不进行任何数据处理。目前，在计算机网络中出现的网络编码方法是一种可以显著提高网络容量的有效方法，它通过在网络中的中间节点所进行的数据处理来提高整个网络的数据传输速率。基于有线网络的计算机网络中的网络编码方法的研究，近年来已经成为学术界的一大热点，然而在无线网络中，由于信道的衰落、噪声以及电磁信号的相互干扰，网络编码的应用较为复杂。

经对现有技术文献的检索发现，P.Popovski and H.Yomo在IEEECommunications Letters(IEEE通信)(vol.11，no.1，pp.16-18，Jan.2007.)发表的“Wireless network coding by amplify-and-forward forbi-directional traffic flows，”(双向信息流模型下的无线网络编码)，该文中提出了一种双向信息流模型，在该模型中，两个信源通过若干中继节点进行信息交换并在节点采用了网络编码，从而增加了整个系统的吞吐量。

经检索还发现，T.Wang and G.B.Giannakis在Proc.of 41st AnnualInternational Conference on Information Sciences and Systems(CISS)(信息科学与系统第41届国际年会)，Baltimore，MD，Mar.14-16，2007，pp.253-258.发表的“High-throughput cooperative communications with complexfield network coding，”(基于复数域网络编码的高吞吐量协作通信系统)，该文中提出了一种多接入模型，在该模型中，多个信源同时向一个信宿和若干中继节点发射信号，中继节点收到信源的信号后进行网络编码，并转发给信宿节点，从而在高吞吐量下为信源提供了分集增益。

双向信息流模型和多接入模型是无线网络编码仅有的两种模型，然而在日益复杂的网络环境中，这两种模型很难得到广泛的应用。

发明内容

本发明针对上述现有技术中的不足，提出了一种基于网络编码的组播网络中联合预编码及功率分配方法，采用了一种由两源、两宿和任意中继簇组成的组播网络，两个信宿均需要获得每个信源的信息，由于发射功率有限，无法将信号进行交叉传递，因此由中继节点负责转发每个信源的信息，首先通过在中继引入模拟网络编码，即直接将接收到的两个信源的混叠信号通过线性放大后再广播出去，最大限度的减少了传输时间。本发明通过引入联合预编码和功率分配，使得网络误帧性能得到改善，从而进一步提升了网络的整体吞吐量。

本发明是通过如下技术方案实现的，本发明包括如下步骤：

步骤一，对于信源端，两个信源x₁、s₂在第2i-1(i＝1，…，N)个时隙同时向第i个中继r_i和信宿d₁、d₂广播信号，信宿d₁接收到信源s₁的信号，信宿d₂接收到信源s₂的信号，而中继r_i接收到信源s₁和信源s₂的混叠信号，为降低组播网络的系统误帧率，针对统计信道信息已知和瞬时信道s₁→r和s₂→r信息已知的情况分别作如下处理：

首先通过分离式预编码矩阵对每个信源的发射信号进行处理，即将分离式预编码矩阵乘以发射符号向量，得到一个新的符号发射向量，然后根据基于最小化系统误帧率表达式的拉格朗日优化方程，获得信源和中继节点的最优功率分配；

首先通过分布式预编码矩阵对信源信号进行预处理，用一个预编码矩阵对信源s₁进行处理，用另一个预编码矩阵对信源s₂进行处理，即将分布式预编码矩阵和发射符号向量相乘；然后根据s₁→r和s₂→r信道信息对信源进行局部功率分配，进行信源和中继之间的功率分配；最后进行信源的功率在一个系统帧的周期内进行全局的功率优化；

步骤二，对于中继端，中继r_i对信源s₁和信源s₂的混叠信号进行线性的线性放大处理，而不作译码，线性放大系数由统计信道信息已知情况下的功率分配方案中分配給中继节点的能量来确定，瞬时信道s₁→r和s₂→r信息不改变中继节点的功率分配，在第2i个传输时隙，中继r_i将处理后的信号广播到两个信宿；最后，在一个系统帧传输结束时，信宿d_k对将接收到的信源s_k和中继簇r的信号进行联合最大似然译码。

所述系统帧，是指由两个信源各自的传输符号所组成的一个信息帧，系统帧的长度由中继个数N确定，且是中继个数的两倍，即一个系统帧的长度为2N，其中，系统帧的传输时间为2N个时隙，即每个信宿在2N个时隙中将接收到由两个信源传输的共2N个符号，N个符号来自信源s₁，另外N个符号来自信源s₂。

所述系统帧，其在传输过程中，组播网络在2i-1～2i(i＝1，…，N)个时隙完成第2i-1～2i个符号的传输，其中，第2i-1个符号来自信源s₁，而第2i个符号来自信源s₂。

所述系统误帧率，是指由于两个信宿均需要同时正确接收一个系统帧，因此，当任意一个信宿没有正确接收系统帧时，发生系统误帧事件，系统误帧率的表达式如下：P_sys＝P_d1(1-P_d2)+P_d2(1-P_d1)＝P_d1+P_d2-P_d1P_d2，其中，P_dk是第k个信宿的误帧率，从系统误帧率表达式的定义可知，当且仅当两个信宿同时正确接收一帧，才认为一帧被成功的传送。

所述的统计信道信息，是指信道服从概率统计分布，具有均值和方差，信源和中继均知道信道信息的情况。

所述的分离式预编码矩阵，是指两个信源采用相同的预编码矩阵Θ_s，Θ_s是在多天线通信中，用于增加系统分集增益的一种编码方式，其表达式如下：

${\mathrm{\Θ}}_s=\frac{1}{\sqrt{N}}\left(\begin{array}{cccc}1& {\mathrm{\α}}_1& \·\·\·& {\mathrm{\α}}_1^{N-1}\\ \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·\\ 1& {\mathrm{\α}}_N& \·\·\·& {\mathrm{\α}}_N^{N-1}\end{array}\right)$

其中，{α_i}_i＝1 ^N为复数，且具有单位模值，N为中继个数，假定m是任意整数，若N＝2^m，则α_i＝e^jπ(4i-1)/2N；若N＝3×2^m，则α_i＝e^jπ(6i-1)/3N。

所述的分布式预编码矩阵，是对于信源s_k，采用预编码矩阵Θ_sk进行预处理，其表达式如下：

${\mathrm{\Θ}}_{\mathrm{sk}}=\frac{1}{\sqrt{N}}\left(\begin{array}{ccccc}{\mathrm{\α}}_1^{k-1}& \·\·\·& {\mathrm{\α}}_1^{2j+k-1}& \·\·\·& {\mathrm{\α}}_1^{2N+k-3}\\ \·& & & & \\ \·& & & & \\ \·& & & & \\ {\mathrm{\α}}_N^{k-1}& \·\·\·& {\mathrm{\α}}_N^{2j+k-1}& \·\·\·& {\mathrm{\α}}_N^{2N+k-3}\end{array}\right)$

其中j＝1，…，N，且{α_i}_i＝1 ^N具有和分离式预编码中相同的表达式。

所述的局部功率优化，是指在第2i-1～2i个时隙中根据瞬时信道信息优化两个信源之间的功率分配，使得每个信源和中继节点r_i之间的瞬时信道容量相同。

所述的线性放大处理，是指中继端在接收到两个信源的混叠信号后不进行译码处理，而是直接将接收信号做一个线性处理并发射出去，即乘以一个数值，使得发射信号在功率上符合中继节点的功率分配要求。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明在组播网络中引入了模拟网络编码，减少了系统的传输延迟；

(2)本发明提出了基于统计信道信息的联合分离式预编码和功率分配，显著降低了系统误帧率，提高了系统的吞吐量；

(3)本发明提出了基于瞬时s→r信道信息的联合分布式预编码和功率分配，能够降低系统误帧率20％左右。

附图说明

图1是本发明的组播网络信道图；

图2是本发明与其它传输方案情况下的系统误帧率曲线比较图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例中涉及一个两源s₁、s₂，两宿d₁、d₂，N个中继的组播网络单元，每个信宿均需要接收两个信源的信息，由于信号的传输功率和范围有限，d₁接收不到s₂的信息，同时d₂也无法接收到s₁的信息，中继节点簇r的传输范围则覆盖了两个信宿，并可以协助两个信源将信息发送到信宿。

本实施例的目的在于将物理层的模拟网络编码引入无线组播网络，以提高系统的吞吐量。对于中继节点采用循环使用的方式，其中对于第i个中继节点r_i来说，在传统的传输模式中，即第一个时隙s₁广播信号到r_i和d₁；第二个时隙r_i将信号发送到d₂；第三个时隙s₂广播信号到r_i和d₂；第四个时隙r_i将信号发送到d₁。

然而在前向放大传输协议中，利用电磁波的广播特性，可以采用模拟网络编码的方法将上述四个时隙的传输过程压缩到两个时隙，即第一个时隙：s₁和s₂同时广播自己的信息。则d₁接收到s₁的信号，d₂接收到s₂的信号，r_i接收到s₁和s₂的混叠信号。第二个时隙，r_i对接收的混叠信号进行联合最大似然译码，然后对译码后的符号进行网络编码，即将译码符号在复数域或者有限域进行叠加，并将叠加后的符号广播到两个信宿。由于d₁(d₂)在第一个时隙已经接收到s₁(s₂)的信息，因此d₁(d₂)可以从r_i传输的信号中提取出s₂(s₁)的信息。

可见，采用基于前向放大传输的模拟网络编码的方案可以将传输延迟由传统的4个时隙减少到2个时隙，付出的代价是由于中继节点的信号混叠，导致误帧率的上升和系统性能的下降。为了提高系统性能，提出了联合预编码和功率分配的方法进一步增加网络吞吐量。

本实施例中，一个系统帧为x_s＝[x_s1，1，...，x_s1，N，x_s2，1，...，x_s2，N]，其中x_sk＝[x_sk，1，...x_sk，N]为s_k发射的符号向量，假定所有符号均从2^R-QAM星座图上独立随机选取，符号的平均能量为2E。用κ_k＝[κ_k1，...κ_kN]表示第k个信源的功率分配，用τ＝[τ₁，...，τ_N]表示中继簇r的功率分配。通信信道均为均值为0，方差为1的瑞利分布。每个接收机观测到的方差均为0均值，方差为σ²的高斯分布。定义系统的信噪比为 $\mathrm{\ρ}=\frac{E}{{\mathrm{\σ}}^2}.$

本实施例包括如下具体步骤：

步骤一，对于信源端，两个信源在第2i-1(i＝1，…，N)个时隙同时向第i个中继r_i和信宿广播信号，信宿d₁接收到信源s₁的信号，信宿d₂接收到信源s₂的信号，而中继r_i接收到信源s₁和信源s₂的混叠信号，为了降低组播网络的系统误帧率，分别作如下处理：

在统计信道信息已知的情况下，首先通过分离式预编码矩阵Θ_s对每个信源的发射信号进行预处理，然后根据基于最小化系统误帧率表达式的拉格朗日优化方程，获得信源和中继节点的最优功率分配，具体如下：

在统计信道信息已知的情况下获得系统误帧率表达式，统计信道信息下的误帧率存在如下关系：

$P_{\mathrm{sys}}~\frac{{\mathrm{\ρ}}^{-(N+1)}{\ln }^N\mathrm{\ρ}}{{\mathrm{\κ\τ}}^N}$

其中，分配給每个信源中每个符号的功率分配因子向量κ_k＝[κ，...κ]，分配给每个中继的功率分配因子向量为τ＝[τ，...，τ]。在功率约束2κ+τ＝1下建立拉格朗日方程最小化P_sys，则可得功率分配方案为：

$\mathrm{\κ}=\frac{1}{2(N+1)},$ $\mathrm{\τ}=\frac{N}{N+1}.$

在信源端瞬时信道s₁→r和s₂→r信息已知时，首先通过分布式预编码矩阵Θ_sk对信源信号进行预处理，即用Θ_s1对信源s₁进行处理，用Θ_s2对信源s₂进行处理；然后根据s₁→r和s₂→r信道信息对信源进行局部功率分配，即由于只知道s₁→r和s₂→r的瞬时信息，这里信源和中继之间的功率分配仍然采用基于统计信道信息的功率优化方法；最后采用正交信道的注水原理进行信源的功率在一个系统帧的周期内进行全局的功率优化。

所述的采用正交信道的注水原理进行信源的功率在一个系统帧的周期内进行全局的功率优化，是指在时间、频率或空间正交的一组信道上，在发射端已知瞬时信道信息的情况下，通过迭代的方式在每个信道上进行功率分配，使得这组信道的信道总容量达到最大，在局部功率优化的基础上，在一帧的周期内，将第2i-1(i＝1，…，N)个时隙作为N个时间上正交的信道，因此利用注水原理对两个信源之间的功率分配进行进一步的功率优化，最大化信道容量。

局部的功率优化的作用在于，由于已知瞬时s₁→r和s₂→r信道信息，在此基础上最大化两个信道容量中的最小值，以保证最差信道的容量，据此得出信源间局部功率分配如下：

${\mathrm{\κ}}_{1,i}=\frac{{2\mathrm{\κ}}_i{\left|g_{2,i}\right|}^2}{{\left|g_{1,i}\right|}^2+{\left|g_{2,i}\right|}^2},$ ${\mathrm{\κ}}_{2,i}=\frac{{2\mathrm{\κ}}_i{\left|g_{1,i}\right|}^2}{{\left|g_{1,i}\right|}^2+{\left|g_{2,i}\right|}^2},$

$\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\κ}}_j=2\mathrm{N\κ}$

在全局功率优化中，根据注水原理获得N个正交信道的功率分配方式κ_i如下：

${\mathrm{\κ}}_i={(\frac{4\mathrm{N\κ}}{W}+\frac{\underset{j=1}{\overset{W}{\mathrm{\Σ}}}{\left|g_j\right|}^{-1}}{\mathrm{W\ρ}}-\frac{1}{{\left|g_i\right|}^2\mathrm{\ρ}})}^{+}$

其中 ${\left|g_i\right|}^2=\frac{{\left|g_{1,i}{g}_{2,i}\right|}^2}{{\left|g_{1,i}\right|}^2+{\left|g_{2,i}\right|}^2},$ W是使得κ_i为正数的一个整数。

步骤二，对于中继端，中继r_i对信源s₁和信源s₂的混叠信号进行线性的线性放大处理，而不作译码，线性放大系数由统计信道信息已知情况下的功率分配方案中分配給中继节点的能量来确定，瞬时信道s₁→r和s₂→r信息不改变中继节点的功率分配，在第2i个传输时隙，中继r_i将处理后的信号广播到两个信宿；最后，在一个系统帧传输结束时，信宿d_k对将接收到的信源s_k和中继簇r的信号进行联合最大似然译码。

本实施例分别比较了五种传输方案下的系统误帧率，分别是：1.统计信道信息的节点等功率分配下没有预编码的方案(Statistical CSI Based AveragePower Allocation Scheme(SAPAS)without Precoder(NP))；2.统计信道信息的最优功率分配下没有预编码的方案(Statistical CSI Based Optimal PowerAllocation Scheme(SOPAS)without Precoder(NP))；3.基于s→r瞬时信道信息的最优信源功率分配下分离式预编码方案(Instaneous s→r CSI BasedOptimal Power Allocation Scheme(IOPAS)with Isolated Precoder(IP))；4.SOPAS下的IP方案；5.IOPAS下的分布式预编码(Distributed Precoder，DP)方案(即本发明中基于分布式预编码的方案)。

如图2所示，是上述五种情况下的系统误帧率曲线图，其中的横坐标是系统的信噪比ρ，纵坐标是系统的误帧率。由图可见，在没有预编码时，系统只能达到一阶的分集增益，虽然SOPAS比SAPAS性能更好，但是两者误帧率曲线斜率相同，说明基于信道统计信息的最优的功率分配方案没有获得更多的分集增益。IOPAS下的IP，即在信源根据瞬时信道信息分配功率时采用分离式预编码方案虽然增加可以分集增益，但是无法达到系统的满分集，其性能甚至劣于SOPAS下的IP。因此，本实施例提出了基于瞬时信道信息反馈下的分布式预编码方案，达到瞬时信道信息功率分配下的满分集增益，并获得了最优的系统性能。

Claims (8)

1.一种基于网络编码的组播网络中联合预编码及功率分配方法，其特征是，包括如下步骤：

步骤一，对于信源端，两个信源s₁、s₂在第2i-1(i＝1，…，N)个时隙同时向第i个中继r_i和信宿d₁、d₂广播信号，信宿d₁接收到信源s₁的信号，信宿d₂接收到信源s₂的信号，而中继r_i接收到信源s₁和信源s₂的混叠信号，为降低组播网络的系统误帧率，针对统计信道信息已知且瞬时信道s₁→r和s₂→r信息已知的情况作如下处理：

①首先通过分离式预编码矩阵对每个信源的发射信号进行处理，即将分离式预编码矩阵乘以发射符号向量，得到一个新的符号发射向量，然后根据基于最小化系统误帧率表达式的拉格朗日优化方程，获得信源和中继节点的最优功率分配；

②首先通过分布式预编码矩阵对信源信号进行预处理，用一个预编码矩阵对信源s₁进行处理，用另一个预编码矩阵对信源s₂进行处理，即将分布式预编码矩阵和发射符号向量相乘，然后根据s₁→r和s₂→r信道信息对信源进行局部功率分配，再进行信源和中继之间的功率分配，最后进行信源的功率在一个系统帧的周期内进行全局的功率优化；

步骤二，对于中继端，中继r_i对信源s₁和信源s₂的混叠信号进行线性的线性放大处理，线性放大系数由统计信道信息已知情况下的功率分配方案中分配给中继节点的能量来确定，瞬时信道s₁→r和s₂→r信息不改变中继节点的功率分配，在第2i个传输时隙，中继r_i将处理后的信号广播到两个信宿，最后，在一个系统帧传输结束时，第k个信宿d_k对接收到的第k个信源s_k的信号和中继簇r的信号进行联合最大似然译码。

2.根据权利要求1所述的基于网络编码的组播网络中联合预编码及功率分配方法，其特征是，所述系统帧，是指由两个信源各自的传输符号所组成的一个信息帧，系统帧的长度由中继个数N确定，且是中继个数的两倍，即一个系统帧的长度为2N，其中，系统帧的传输时间为2N个时隙，即每个信宿在2N个时隙中将接收到由两个信源传输的共2N个符号，N个符号来自信源s₁，另外N个符号来自信源s₂。

3.根据权利要求1或2所述的基于网络编码的组播网络中联合预编码及功率分配方法，其特征是，所述系统帧，其在传输过程中，组播网络在2i-1～2i个时隙完成第2i-1～2i个符号的传输，其中，第2i-1个符号来自信源s₁，而第2i个符号来自信源s₂。

4.根据权利要求1所述的基于网络编码的组播网络中联合预编码及功率分配方法，其特征是，所述系统误帧率，是指由于两个信宿均需要同时正确接收一个系统帧，当任意一个信宿没有正确接收系统帧时，发生系统误帧事件，系统误帧率的表达式如下：P_sys＝P_d1(1-P_d2)+P_d2(1-P_d1)＝P_d1+P_d2-P_d1P_d2，其中，P_dk是第k个信宿的误帧率，从系统误帧率表达式的定义可知，当且仅当两个信宿同时正确接收一帧，才认为一帧被成功的传送。

5.根据权利要求1所述的基于网络编码的组播网络中联合预编码及功率分配方法，其特征是，所述的统计信道信息，是指信道服从概率统计分布，具有均值和方差，信源和中继均知道信道信息的情况。

6.根据权利要求1所述的基于网络编码的组播网络中联合预编码及功率分配方法，其特征是，所述的分离式预编码矩阵，是指两个信源采用相同的预编码矩阵Θ_s，Θ_s是在多天线通信中，用于增加系统分集增益的一种编码方式，其表达式如下：

${\mathrm{\Θ}}_s=\frac{1}{\sqrt{N}}\left(\begin{array}{cccc}1& {\mathrm{\α}}_1& ...& {\mathrm{\α}}_1^{N-1}\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ 1& {\mathrm{\α}}_N& ...& {\mathrm{\α}}_N^{N-1}\end{array}\right)$

其中，{α_i}_i＝1 ^N为复数，且具有单位模值，N为中继个数，假定m是任意整数，若N＝2^m，则α_i＝e^jπ(4i-1)/2N；若N＝3×2^m，则α_i＝e^jπ(6i-1)/3N。

7.根据权利要求1所述的基于网络编码的组播网络中联合预编码及功率分配方法，其特征是，所述的分布式预编码矩阵，是对于第k个信源s_k，采用预编码矩阵Θ_sk进行预处理，其表达式如下：

${\mathrm{\Θ}}_{\mathrm{sk}}=\frac{1}{\sqrt{N}}\left(\begin{array}{ccccc}{\mathrm{\α}}_1^{k-1}& ...& {\mathrm{\α}}_1^{2j+k-1}& ...& {\mathrm{\α}}_1^{2N+k-3}\\ .& & & & \\ .& & & & \\ .& & & & \\ {\mathrm{\α}}_N^{k-1}& ...& {\mathrm{\α}}_N^{2j+k-1}& ...& {\mathrm{\α}}_N^{2N+k-3}\end{array}\right)$

其中j＝1，…，N，且{α_i}_i＝1 ^N具有和分离式预编码中相同的表达式。

8.根据权利要求1所述的基于网络编码的组播网络中联合预编码及功率分配方法，其特征是，所述的线性放大处理，是指中继端在接收到两个信源的混叠信号后不进行译码处理，而是直接将接收信号做一个线性处理并发射出去，即乘以一个数值，使得发射信号在功率上符合中继节点的功率分配要求。

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