CN101848060A - 一种自适应网络编码协作中继方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应网络编码协作中继方法，特征是在一个无线网络小区中，M个源端在N个中继协作下发送信息给同一个目的端，在第1时隙，各源端分别将其要发送的大小为K比特的信息包与相应的生成多项式卷积，然后通过正交信道广播给目的端；在第2时隙，依据当前具备至少能无误地译出一个源端的信息的协作转发条件的中继数目L，L个中继自适应地对其正确接收到的各源端的信息进行网络编码，然后转发给目的端，使目的端在两时隙内接收的信息构成码率为M/(L+M)的卷积码，其自由度为d_free。采用本发明方法能有效地抵抗无线链路衰落特性和变化的网络拓扑结构，降低系统的误码率，保证稳定的额外分集增益为min(LK+1，d_free)。

Description

一种自适应网络编码协作中继方法

技术领域

本发明属于无线通信中的协同通信技术领域，具体涉及自适应网络编码协作中继方法。

背景技术

在无线衰落环境中，分集技术被认为是一种有效抵抗信道衰落并提高系统稳定性的关键技术。分集是一种通过向接收端提供多条相互独立衰落支路的冗余，从而获得有效增益的方法，分为时间分集、空间分集和频率分集。近年来，受到广泛关注和研究的多输入多输出(MIMO)技术就是一种能削弱信道衰落效应，获得满分集增益的技术，MIMO技术要求发射端与接收端的多天线位置彼此之间足够远，这种多天线技术并不适合小尺寸的移动终端。因协作分集能获得同样的分集增益且不受多天线条件限制，最近协作通信获得了广泛的关注。在协作通信中，节点包括源端、中继端和目的端，源端和中继端相互协作形成虚拟MIMO系统，可以给接收端带来分集增益。这里中继的作用是协助源端向目的端转发信息。为了保证获得分集增益，中继端到目的端与源端到目的端的两条链路需相互独立。在现有协作通信中，有3种基本中继协作方法：1)放大前传(AF)，2)译码前传(DF)，3)压缩前传(CF)。

最近提出的编码协作使得分集增益性能相比传统的中继协作方法有很大提高。但现有的编码协作技术仅是在多用户协作中加入信道编码。《国际电气与电子工程师协会-车辆技术期刊》(IEEE Trans.on Veh.Tech，vol.58，no.2，pp.655-669，Feb，2009)发表的尔夫日(M.Elfituri)的“一种基于分布式卷积编码的中继协作方法(A Convolutional-BasedDistributed Coded Cooperation Scheme for Relay Channels)”一文提出了一种分布式卷积码协作，通过源端和中继端协作发送同一源的信息卷积编码的不同部分，从而在接收端获得编码协作分集增益，但由于其中继端协作的源仅限同一个源端，不太适用于实际的多源多中继网络。

《国际电气与电子工程师协会-信息论期刊》(IEEE Trans.Information Theory，vol.46，no.4，pp.1204-1216，Jul.2000)发表的阿舍得(R.Ahlswede)的“网络信息流(Networkinformation flow)”一文中首先提出的网络编码在协作分集中的应用至今还没有得到充分的研究。网络编码引入的初衷是用于增加有线无噪网络的容量，其基本思想是在中继节点上对接收到的不同源的信息先进行异或(XOR)，然后路由到其他节点，而不是简单地将接收到的信息转发到其他节点。无线媒介的广播性质使得网络编码成功地运用到无线网络中，《国际电气与电子工程师协会-2006年无线通信网络会议》(2006IEEE WirelessCommunications and Networking Conference，pp.1681-6|CD-ROM，2006)发表的晨(Y.Chen)等的“网络编码增加无线分集(Wireless diversity through network coding)”一文指出，网络编码分布式天线系统能获得与传统的分布式天线系统同样的分集增益，同时较后者有更低的误码率、更低的硬件要求和更高的宽带效率。《国际电气与电子工程师协会-无线通信期刊》(IEEE Trans.Wireless Commun.，vol.7，no.2，pp.574-583，Feb.2008)发表的肖宝(X.Bao)的“无线中继网络中的自适应网络编码协作：编码图与网络图相匹配(AdaptiveNetwork Coded Cooperation(ANCC)for Wireless Relay Networks：Matching Code-on-GraphwithNetwork-on-Graph)”一文，在多源多中继无线网络中提出了一种自适应网络编码，其基本思想是根据瞬时网络拓扑结构图，用户通过网络编码协作发送的信息在接收端形成系统低密度单奇偶校验码(LDPC)，但一个很关键的问题是在接收端形成的LDPC二分部图由于该其节点连接随信道变化而具有短环，而这将极大地降低性能增益。

发明内容

本发明的目的是提出一种自适应网络编码协作中继方法，以抵抗无线链路衰落特性和适应变化的网络拓扑结构，通过采用分布式地卷积编码，避免传统网络编码造成接收端的LDPC码二分部图具有短环，从而有效地提高分集增益。

本发明自适应网络编码协作中继方法，设在一个无线网络小区中，有M个源端s_m、N个中继端r_n和一个目的端d，m＝1，2...M，n＝1，2...N；源端先广播信息给目的端，中继端侦听到源端发送的信息后协助源端转发侦听到的信息给目的端，目的端合并来自于源端和中继端的信息；其特征在于分以下两个时隙阶段进行：

步骤1：在第1时隙，M个源端分别将其要发送的信息

与相应的生成多项式g_m卷积，m＝1，2...M，所述生成多项式g_m为源端s_m对应的一个编码器冲击响应，可用矢量表示为g_m＝(a₀ a₁...a_l)，源端s_m对其要发送的信息卷积的结果为其中v为卷积对应的g_m的位数减去1，∑表示模2和；然后通过正交信道发送卷积后的信息比特给目的端，其中正交信道可通过时分、频分或者扩频正交码来实现；此时中继端侦听的信息为

$\begin{array}{c}{Y}_{\mathrm{sr}}\left(k\right)=H_{\mathrm{sr}}\left(k\right)\·\mathrm{Repmat}(\underset{i=0}{\overset{v}{\mathrm{\Σ}}}{x}_s(k-i)\·g\left(i\right),N,1)+W_r\left(k\right)\\ =H_{\mathrm{sr}}\left(k\right)\·\mathrm{Repmat}(x_s^{\′}\left(k\right),N,1)+W_r\left(k\right)\end{array}---\left(1\right)$

与此同时目的端接收到的信息为

$\begin{array}{c}{y}_{\mathrm{sd}}\left(k\right)=h_{\mathrm{sd}}\left(k\right)\·(\underset{i=0}{\overset{v}{\mathrm{\Σ}}}{x}_s(k-i)\·g\left(i\right))+w_d\left(k\right)\\ =h_{\mathrm{sd}}\left(k\right)\·x_s^{\′}\left(k\right)+w_d\left(k\right)\end{array}---\left(2\right)$

其中源端到中继端的链路系数矩阵

为第k时刻源端s_m到中继端r_n的链路衰落系数；源端发送的信息组合向量

x_s(k)＝0，k≤0，

为源端s_m在第k时刻发送的比特，Repmat(a，m，n)表示把向量a拓展成m行n列分块矩阵，该分块矩阵每个元素都为向量a；源端到目的端的链路系数向量 为第k时刻源端s_m到目的端d的链路衰落系数；生成多项式比特组合向量g(i)＝[g₁(i) g₂(i)...g_M(i)]，g_m(i)为源端s_m使用的生成多项式的第i比特；中继端上白噪声矩阵

为第k时刻中继端r_n上的白噪声，目的端上的白噪声向量w_d(k)＝[w_d(k) w_d(k)…w_d(k)]，w_d(k)为第k时刻目的端d上的白噪声；其中上述符号中：黑体小写加粗字母表示行向量，黑体大写加粗字母表示矩阵，·表示点乘，表示异或，∑表示模2和；

步骤2：在第2时隙，设在该时隙内的网络拓扑结构中，通过循环冗余校验码(CRC)校验，正确译出P个源端的信息的中继数为L，P＞0，第1个中继能够正确译出p_l个源端的信息x′_s，p_i＜p_l，i＜l≤L，0＜p_l≤M，依据x_s(k)＝0，k≤0和生成多项式向量g，通过反卷积把源端的信息组合向量x_s恢复至其估计量中继依据当前具备转发资格的中继个数的自适应地对正确接收到的各源端的信息进行网络编码，具体为L个中继将正确接收到的各源端的信息分别对生成多项式向量

相应的多项式卷积，即第1个中继r_l将正确接收到的第m个源端s_m发送的信息

与

中的生成多项式

卷积，其中m≤p_l，然后L个中继分别对其卷积后的p_l行不同源端的信息比特进行异或，1＝1，2...L，最后转发给目的端，则目的端接收到的信息为

其中表示GF(2)域上的乘法，

为M行N列矩阵，

为第1个中继r_l接收到的信息中的第m个源端s_m发送的信息

的卷积对象，目的端在2时隙内接收到的信息构成码率为M/(M+L)，生成矩阵为

的卷积码；源端和中继端使用的生成多项式采用具有上式(4)特征的最佳卷积码的生成矩阵里的生成多项式。

由于本发明利用分布式卷积码依据源端到中继端的信道的好坏实时调整中继端采用的网络编码方法，即调整目的端接收的信息构成的卷积码的码率，从而有效、分布式地适应变化的信道状态和改变的网络拓扑结构，并且避免了使用传统网络编码导致在接收端形成的LDPC码二分部图具有短环，从而保证分集增益有效地提高；本发明适用于实际的多源多中继无线网络和多用户协作网络，避免了传统的重复编码协作随着无线网络节点数增多而带来的巨大硬件资源浪费和频谱效率的牺牲；本发明中中继端采用自适应网络编码方法，对其正确接收到的不同的源端的信息进行编码，克服了绝大部分分布式编码协作仅服务于同一源的信息的局限，能够同时服务多源端；本发明获得的分集增益上界为min(LK+1，d_free)，其中d_free为该卷积码的自由距离，K为信息包大小以及L为参与第2时隙协作的中继数。

下面给出自适应网络编码协作中继方法在多源多中继网络中获得的性能增益上界。在序列h_i建模的瑞利衰落信道中，设接收端已知与其相连的信道状态信息，则端到端的卷积码的软判决译码的成对错误概率

为

$P_{d,\mathrm{fading}}(x\→\hat{x}|h_i)=Q\left(\mathrm{sqrt}\left(2R\frac{E_b}{N_0}\underset{i=1}{\overset{d}{\mathrm{\Σ}}}{h}_i\right)\right)---\left(5\right)$

其中

R为卷积码的码率，d为序列x和

之间的汉明距离，

为比特信噪比。在M源N中继无线网络中，设有L个中继参与第2时隙的中继协作，则目的端获得的码字是码率为M/(M+L)的卷积码，由于目的端收的码字是分别来自于不同节点，设所有节点发送的比特功率都为E_b，则在本发明的中继方法中，端到端的卷积码的软判决成对错误概率为

$P_{\mathrm{fading}}\left(d\right|h_i)=Q\left(\mathrm{sqrt}\left(2\frac{E_b}{N_0}\underset{i=1}{\overset{d}{\mathrm{\Σ}}}{h}_i\right)\right)---\left(6\right)$

使用Craig的Q(x)公式

$Q\left(x\right)=\frac{1}{\mathrm{\π}}\underset{0}{\overset{\mathrm{\π}/2}{\∫}}\exp (-\frac{x^2}{2{\sin }^2\mathrm{\θ}})\mathrm{d\θ}---\left(7\right)$

式(6)重写为

$P_{\mathrm{fading}}\left(d\right|h)=\frac{1}{\mathrm{\π}}\underset{0}{\overset{\mathrm{\π}/2}{\∫}}\underset{i=1}{\overset{d}{\mathrm{\Π}}}\exp (-\frac{{{\mathrm{\γh}}^2}_i}{{\sin }^2\mathrm{\θ}})\mathrm{d\θ}---\left(8\right)$

其中

则平均成对错误概率为

$P_{\mathrm{fading}}\left(d\right)=\frac{1}{\mathrm{\π}}\underset{0}{\overset{\mathrm{\π}/2}{\∫}}\underset{i=1}{\overset{d}{\mathrm{\Π}}}(\underset{0}{\overset{\∞}{\∫}}\exp (-\frac{{{\mathrm{\γh}}^2}_i}{{\sin }^2\mathrm{\θ}})p_{h_i}d{h}_i\mathrm{d\θ}---\left(9\right)$

因h服从瑞利分布，且

其中E表示期望，则h²服从卡方x²分布

$p_{h^2}\left(h^2\right)=\frac{1}{\stackrel{\‾}{h^2}}\exp (-\frac{h^2}{\stackrel{\‾}{h^2}})---\left(10\right)$

使用h²的矩公式

式(9)重写为

$P_{\mathrm{fading}}\left(d\right)=\frac{1}{\mathrm{\π}}\underset{0}{\overset{\mathrm{\π}/2}{\∫}}\underset{i=1}{\overset{d}{\mathrm{\Π}}}{(1+\frac{\mathrm{\γ}\stackrel{\‾}{{h^2}_i}}{{\sin }^2\mathrm{\θ}})}^{-1}\mathrm{d\θ}---\left(12\right)$

设则式(12)在信噪比γ比较大的情况下，可以近似为

$\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{fading}}\left(d\right)\≈\frac{1}{\mathrm{\π}}{\mathrm{\γ}}^{-d}\underset{0}{\overset{\mathrm{\π}/2}{\∫}}{\left(\sin \mathrm{\θ}\right)}^{2d}\mathrm{d\θ}\\ =\frac{1}{2}{\mathrm{\γ}}^{-d}\frac{(2d-1)!!}{\left(2d\right)!!}\end{array}---\left(13\right)$

卷积码系统的误码率性能界可以从状态转移函数导出，码率为M/(M+L)的卷积码的误比特率p_b的上界为

$P_b<\frac{1}{M}\underset{d=d_{\mathrm{free}}}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&beta;}}_d{P}_{\mathrm{fading}}\left(d\right)---\left(14\right)$

式(14)表明本发明的中继方法获得的最大分集增益阶数为d_free，其中β_d为汉明距离为d的所有路径输出的信息比特不为0的数目，可以由状态转移函数式(15)求导获得

$T(D,N)=\underset{d=d_{\mathrm{free}}}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\&PartialD;}_d{D}^d{N}^{f\left(d\right)}---\left(15\right)$

$\frac{\mathrm{dT}(D,N)}{\mathrm{dN}}{|}_{N=1}=\underset{d=d_{\mathrm{free}}}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\&PartialD;}_{d}f\left(d\right)D^d=\underset{d=d_{\mathrm{free}}}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&beta;}}_d{D}^d---\left(16\right)$

其中 ${\mathrm{\&beta;}}_d={\&PartialD;}_{d}f\left(d\right).$

而在实际环境中，每个信息包必须经历时间交织从而减少每条链路相关衰落的地影响。设接收端完好地解交织以致信息包中的每个比特经历不相关的衰落，且信息包大小都为K，因分集增益阶数等于每个信息比特经过多少条相互独立的衰落信道，所以当L个中继参与协助转发该信息包时，分集增益最多能获得LK+1阶。因此整个协作中继系统获得分集增益上界为min(LK+1，d_free)。

附图说明

图1为简单的3节点无线协作中继网络模型。

图2为实施例1中的网络模型采用本发明协作中继方法与传统的简单转发的协作中继方法和《国际电气与电子工程师协会-无线通信期刊》(IEEE Wireless Commun.Letters，vol.12，no.3，pp.194-196，Mar.2008)由韩(J.Han)发表的“无线衰落中继信道中的一种简单的增加分集增益阶数的方法(A Simple Technique to Enhance Diversity Order in WirelessFading Relay Channels)”中提出的异或(XOR)协作中继方法的误码率性能曲线比较图。

图3为2源单中继无线协作中继网络模型。

图4为实施例2中的网络模型采用本发明协作中继方法与传统网络编码的协作中继方法的系统中断率性能曲线比较图。

图5为3源2中继无线协作中继网络模型1。

图6为3源2中继无线协作中继网络模型2。

图7为实施例3中的网络模型采用本发明协作中继方法与严格自适应网络编码中继方法误码率性能曲线比较图。

具体实施方式

实施例1：

本实施例以简单的3节点无线协作中继网络模型为例，介绍本发明的具体实施方法。图1为简单的3节点无线协作中继网络模型。如图1所示，该具体网络模型为单源端s在单中继r的协助下发送信息给目的端d，其中中继端正确地接收到源端的信息，带有箭头的实线和虚线分别表示第1时隙和第2时隙的信息的成功传输，协作通信分2个时隙完成：

步骤1：第1时隙，源端s先将其发送的信息x_s预处理，即将x_s与g₁＝(100)卷积，然后广播给目的端d，设广播信号比特功率E_s＝1，此时中继端r侦听到的信息为

$\begin{array}{c}{y}_{\mathrm{sr}}\left(k\right)=h_{\mathrm{sr}}\left(k\right)\left(\underset{i=0}{\overset{v}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_s(k-i)g_1\left(i\right)\right)+w_r\left(k\right)\\ =h_{\mathrm{sr}}\left(k\right)x_s^{\&prime;}\left(k\right)+w_r\left(k\right)\\ =h_{\mathrm{sr}}\left(k\right)x_s\left(k\right)+w_r\left(k\right)\end{array}---\left(17\right)$

与此同时目的端d收到的信息为

$\begin{array}{c}{y}_{\mathrm{sd}}\left(k\right)=h_{\mathrm{sd}}\left(k\right)\left(\underset{i=0}{\overset{v}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_s(k-i)g_1\left(i\right)\right)+w_d\left(k\right)\\ =h_{\mathrm{sd}}\left(k\right)x_s^{\&prime;}\left(k\right)+w_d\left(k\right)\\ =h_{\mathrm{sd}}\left(k\right)x_s\left(k\right)+w_d\left(k\right)\end{array}---\left(18\right)$

其中k＝1，2，...，K，为一个信息包大小，h_sr～CN(0 1)，h_sd～CN(0 1)分别为源端到中继端和目的端的链路衰落系数，w_r～CN(0 1)，w_d～CN(0 1)分别为中继端和目的端上的复高斯白噪声，且相互独立，其中CN(0 σ²)表示循环对称复高斯随机变量，实部和虚部都是独立同分布的

v＝2，x_s(k)＝0，k≤0。

步骤2：第2时隙，中继端依据生成多项式

对正确接收到的源端s的信息模2和，即将正确接收的源端的信息和生成多项式卷积，然后转发给目的端，目的端收到的信息为

$\begin{array}{c}{y}_{\mathrm{rd}}\left(k\right)=h_{\mathrm{rd}}\left(k\right)\underset{i=0}{\overset{v}{\mathrm{\&Sigma;}}}\widehat{x_s}(k-i)g_1^1\left(i\right)+w_d\left(k\right)\\ =h_{\mathrm{rd}}\left(k\right)\mathrm{\&Sigma;}(\widehat{x_s}\left(k\right),\widehat{x_s}(k-1),\widehat{x_s}(k-2))+w_d\left(k\right)\end{array}---\left(19\right)$

其中h_rd～CN(0 1)为中继到目的端的链路衰落系数。因此，目的端2时隙内接收到的来自源端和中继端的信息构成了生成矩阵的卷积码，为了获得更好的性能，源端和中继端可采用最佳卷积码的生成矩阵里的生成多项式。在本实施例中，G＝[4 7]_oct。

图2为实施例1中的网络模型采用本发明所提供的协作中继方法与传统的简单转发的协作中继方法和《国际电气与电子工程师协会-无线通信期刊》(IEEE Wireless Commun.Letters，vol.12，no.3，pp.194-196，Mar.2008)由韩(J.Han)所发表的“无线衰落中继信道中的一种简单的增加分集增益阶数的方法(A Simple Technique to Enhance Diversity Order inWireless Fading Relay Channels)”中提出的异或协作中继方法的误码率性能曲线比较图。仿真采用BPSK调制，且设信息包中的每个比特经历不相关的衰落，目的端完好地知道与其连接的信道状态信息，且采用软维特比译码方式。如图2中所示，在简单3节点中继网络，采用本发明的协作中继方法的性能曲线A1优于传统简单转发的性能曲线B和韩(J.Han)等的XOR中继方法的性能曲线C。在误比特率为10^-4时，本发明的中继方法相对于传统的简单转发中继方法有7db以上提高，相对于韩(J.Han)等的中继方法有2db以上的提高，但牺牲的是目的端的译码复杂度。并且如图4所示，在高信噪比情况下，采用本发明的协作中继方法的性能曲线A1与其理论曲线A重合，由此可见本发明的协作中继方法能够获得分集增益为min(K+1，d_free)，其中d_free为目的端构成的卷积码的自由度，并且仿真采用信息包大小K＝240比特。

实施例2：

本实施例以2源单中继无线协作中继网络模型为例，介绍本发明的具体实施方法。图3为2源单中继无线协作中继网络模型。如图3所示，该具体网络模型为源端s₁和源端s₂在中继端r的协助下发送信息给同一目的端d，其中中继端无误地接收到2源端的信息。协作通信分2个时隙完成：

步骤1：第1时隙，源端s₁和s₂分别按照生成多项式g₁＝(1 0 0)和g₂＝g₁对其要发送信息

和

模2和，然后通过正交信道广播给目的端d，假设广播信号比特功率E_s＝1，此时中继端r侦听到的信息为

$\begin{array}{c}{y}_{\mathrm{sr}}\left(k\right)=h_{\mathrm{sr}}\left(k\right)\&CenterDot;(\underset{i=0}{\overset{v}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_s(k-i)\&CenterDot;g\left(i\right))+w_r\left(k\right)\\ =h_{\mathrm{sr}}\left(k\right)\&CenterDot;x_s\left(k\right)+w_r\left(k\right)\end{array}---\left(20\right)$

与此同时目的端d收到的信息为

$\begin{array}{c}{y}_{\mathrm{sd}}\left(k\right)=h_{\mathrm{sd}}\left(k\right)\&CenterDot;(\underset{i=0}{\overset{v}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_s(k-i)\&CenterDot;g\left(i\right))+w_d\left(k\right)\\ =h_{\mathrm{sd}}\left(k\right)\&CenterDot;x_s\left(k\right)+w_d\left(k\right)\end{array}---\left(21\right)$

其中

w_r(k)＝[w_r(k) w_r(k)]，w_d(k)＝[w_d(k) w_d(k)]，

为源s_m到中继r和目的d的链路衰落系数，m＝1，2，g＝(g₁ g₂)，v＝2。

步骤2：第2时隙，中继端先采取相应的生成多项式对正确接收到的同一源端的信息模2和，接着对模2和后的不同源端的信息进行异或(传统网络编码)，具体为中继端先将正确接收到的2源端发送的信息

和

分别对

相应的多项式卷积，然后将其卷积后的2行不同源端的信息比特进行异或，最后转发给目的端，则在目的接收的信息为

$\begin{array}{c}{y}_{\mathrm{rd}}\left(k\right)=h_{\mathrm{rd}}\left(k\right)(\underset{i=0}{\overset{v}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\hat{x}}_s(k-i)\&CenterDot;g_r\left(i\right))+w_d\left(k\right)\\ =h_{\mathrm{rd}}\left(k\right)\mathrm{\&Sigma;}({\hat{x}}_{s_1}\left(k\right),{\hat{x}}_{s_1}(k-2),{\hat{x}}_{s_2}\left(k\right),{\hat{x}}_{s_2}(k-1),{\hat{x}}_{s_2}(k-2))+w_d\left(k\right)\end{array}---\left(22\right)$

因此目的端2时隙内接收的信息可以构成生成矩阵为

$G={\left[\begin{array}{ccc}{g}_1& 0& g_1^1\\ 0& g_2& g_2^1\end{array}\right]}_{\mathrm{oct}}={\left[\begin{array}{ccc}4& 0& 5\\ 0& 4& 7\end{array}\right]}_{\mathrm{oct}}---\left(23\right)$

的卷积码。在本实施例中选择2个约束长度不同的生成矩阵G，

G＝[4 0 5；0 4 7]_oct或G＝[10 0 15；0 10 13]_oct。

图4为实施例2中的网络模型采用本发明协作中继方法与传统网络编码的协作中继方法的系统中断率性能曲线比较图。系统中断率定义为在接收端接收到的各用户信息不同时正确的概率。如图4所示，在两源单中继网络中，采用本发明协作中继方法的性能曲线A2和A3在高信噪比条件下优于传统的网络编码中继方法的性能曲线D，在系统中断率为10^-4时，本发明中继方法相对于的传统的网络编码中继方法有4.5db以上的性能提高。同时注意到在低于4db的低信噪比条件下，采用本发明协作中继方法性能比传统的差，其原因为接收端接收的信息构成的卷积码码率过大，冗余码字减少，以致在低的误码率条件下，性能不太理想。然而卷积码的性能正比于自由距离d_free，反比于最近邻数前者起主导作用，如图4中所示，本发明协作中继方法在目的端构成生成矩阵G＝[4 0 5；0 4 7]_oct的卷积码的性能曲线A2比在目的端构成生成矩阵G＝[10 0 15；0 10 13]_oct的卷积码的性能曲线A3差，是因为后者的自由距离比前者小，但由于约束长度增加，译码复杂度也随着增加。

实施例3：

本实施例以3源2中继无线协作中继网络模型为例，介绍本发明的具体实施方法。图5为3源2中继无线协作中继网络模型1。图6为3源2中继无线协作中继网络模型2。如图5中所示，该具体网络模型为源端s₁、s₂和s₃在中继端r₁和r₂的协助下发送信息给同一目的端d，设其中中继r₁接收的信息只有来自于s₁和s₂通过循环冗余校验码校验，即接收的信息是无误的，而中继r₂无误接收到来自于s₁、s₂和s₃的信息，该设定同样适用于图6。若改变自适应网络编码中继方法其中一个条件，即参与第2时隙协作的中继端需正确译出全部源端的信息，简称此方法为严格自适应网络编码中继方法，如图6中所示，其3源2中继无线协作中继网络模型具体为源端s₁、s₂和s₃只能在中继端r₂的协助下发送信息给同一目的端d。

采用严格自适应网络编码中继方法，目的端接收的信息只能构成码率为3/4的卷积码，而采用本发明提出的中继方法，中继r₁也参与第2时隙的协作，则目的端接收的信息可以构成码率为3/5的卷积码，相比前者可以获得更好的性能。

图7为实施例3中的网络模型采用本发明协作中继方法与严格自适应网络编码中继方法误码率性能曲线比较图。仿真模型如图5和图6中所示。由于参与中继转发时隙的中继个数不同，为了保证比较具备公平性，设图5中参与中继转发的每个中继的信号发射比特功率为E，而图6参与中继转发的中继的信号发射比特功率为2E。仿真中采用严格自适应网络编码中继方法，目的端接收到的信息构成的卷积码的生成矩阵为

而采用本发明的中继方法，生成矩阵

图7表明，本发明自适应网络编码协作中继方法的性能曲线A4具有更好的分集增益性能，在误码率为10^-4的条件下，本发明方法相对于严格自适应网络编码中继方法的性能曲线E有1db以上的性能提高。

上述实施例证明：采用本发明自适应网络编码协作中继方法能有效地抵抗无线链路衰落特性和变化的网络拓扑结构，降低系统的误码率，可保证稳定的额外分集增益为min(LK+1，d_free)。

Claims (1)

1.一种自适应网络编码协作中继方法，设在一个无线网络小区中，有M个源端s_m、N个中继端r_n和一个目的端d，m＝1，2...M，n＝1，2...N；源端先广播信息给目的端，中继端侦听到源端发送的信息后协助源端转发侦听到的信息给目的端，目的端合并来自于源端和中继端的信息；其特征在于分以下两个时隙阶段进行：

步骤1：在第1时隙，M个源端分别将其要发送的信息

与生成多项式g_m卷积，m＝1，2...M，所述生成多项式g_m为源端s_m对应的一个编码器冲击响应，用矢量表示为g_m＝(a₀ a₁...a_l)，源端s_m对其要发送的信息

卷积的结果为

其中v为卷积对应的g_m的位数减去1，∑表示模2和；然后通过正交信道发送卷积后的信息比特给目的端，其中正交信道通过时分、频分或者扩频正交码来实现；此时中继端侦听的信息为

$Y_{\mathrm{sr}}\left(k\right)=H_{\mathrm{sr}}\left(k\right)\&CenterDot;\mathrm{Repmat}(\underset{i=0}{\overset{v}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_s(k-i)\&CenterDot;g\left(i\right),N,1)+W_r\left(k\right)$

$=H_{\mathrm{sr}}\left(k\right)\&CenterDot;\mathrm{Repmat}(x_s^{\&prime;}\left(k\right),N,1)+W_r\left(k\right)$

与此同时目的端接收到的信息为

$y_{\mathrm{sd}}\left(k\right)=h_{\mathrm{sd}}\left(k\right)\&CenterDot;(\underset{i=0}{\overset{v}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_s(k-i)\&CenterDot;g\left(i\right))+w_d\left(k\right)$

$=h_{\mathrm{sd}}\left(k\right)\&CenterDot;x_s^{\&prime;}\left(k\right)+w_d\left(k\right)$

其中源端到中继端的链路系数矩阵

为第k时刻源端s_m到中继端r_n的链路衰落系数；源端发送的信息组合向量x_s(k)＝0，k≤0，

为源端s_m在第k时刻发送的比特，Repmat(a，m，n)表示把向量a拓展成m行n列分块矩阵，该分块矩阵每个元素都为向量a；源端到目的端的链路系数向量

为第k时刻源端s_m到目的端d的链路衰落系数；生成多项式比特组合向量g(i)＝[g₁(i) g₂(i)...g_M(i)]，g_m(i)为源端s_m使用的生成多项式的第i比特；中继端上白噪声矩阵

为第k时刻中继端r_n上的白噪声，目的端上的白噪声向量w_d(k)＝[w_d(k)w_d(k)…w_d(k)]，w_d(k)为第k时刻目的端d上的白噪声；其中上述符号中：黑体小写加粗字母表示行向量，黑体大写加粗字母表示矩阵，·表示点乘，表示异或，∑表示模2和；

步骤2：在第2时隙，设在该时隙内的网络拓扑结构中，通过循环冗余校验码校验，正确译出P个源端的信息的中继数为L，P＞0，第1个中继能够正确译出p_l个源端的信息x′_s，p_i＜p_l，i＜l≤L，0＜p_l≤M，依据x_s(k)＝0，k≤0和生成多项式向量g，通过反卷积把源端的信息组合向量x_s恢复至其估计量中继依据当前具备转发资格的中继个数的自适应地对正确接收到的各源端的信息进行网络编码，具体为L个中继将正确接收到的各源端的信息分别对生成多项式向量

相应的多项式卷积，即第1个中继r_l将正确接收到的第m个源端s_m发送的信息

与

中的生成多项式

卷积，其中m≤p_l，然后L个中继分别对其卷积后的p_l行不同源端的信息比特进行异或，l＝1，2...L，最后转发给目的端，则目的端接收到的信息为

其中

表示GF(2)域上的乘法，为M行N列矩阵，为第1个中继r_l接收到的信息中的第m个源端s_m发送的信息的卷积对象，目的端在2时隙内接收到的信息构成码率为M/(M+L)，生成矩阵为

的卷积码；源端和中继端使用的生成多项式采用具有上式特征的最佳卷积码的生成矩阵里的生成多项式。

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