CN101999218A - 网络编码的数据通信 - Google Patents

Abstract

一种数据通信涉及在出现在通信系统(1)中的N多个源节点(10，12，14，16)中选择M多个源节点(12，16)的组(15)，以及具有目的地为目的地节点(30)的数据，其中2≤M＜N。中继节点(20)将来自所选择的M个节点(12，16)的组(15)的数据进行网络编码，以形成组合的网络编码数据。将该产生的数据向目的地节点(30)发送。与网络编码相关的源节点(10，12，14，16)的有目的的选择实质上增加了通信系统(1)的吞吐量。

Description

网络编码的数据通信

技术领域

本发明一般地涉及通信系统中的数据通信，尤其涉及网络编码数据通信。

背景技术

除了许多其他方面，无线和蜂窝通信网络和系统发展的主要驱动力量是提供增加的覆盖或对更高数据速率的支持，或两者的组合。此外，构建和维护系统的成本方面也已十分重要，并且在将来会变得更多。直到最近，无线通信系统的主要拓扑结构没有改变，包括现有的三代蜂窝网络。现有无线通信系统拓扑的特征在于，蜂窝结构具有固定的无线电基站和移动站作为典型地在通信会话中涉及的网络中的唯一传输和接收实体。

引入宏分集的一个方法是使用中继或分布式系统，例如分布式天线系统或合作系统。中继系统是以中继节点进行补充的传统无线电网络。中继节点与诸如基站、另一中继或用户终端的其它网络元件进行无线通信。合作中继系统是发送到意向目的地的信息通过各个路由传递、并在目的地组合的中继系统。每个路由可以包括利用中继节点的一跳或多跳。此外，目的地可以从源接收直接信号。

上述当前的通信网络共享相同的基本操作原则：独立地传输从一个源发送到目的地的信息或分组与从另一个源发送到相同目的地的其它信息。路由器、转发器或中继只是将数据转发至目的地。与那些通信网络相反，网络编码是网络互连和数据通信的新领域，其中在网络内处理数据以提高吞吐量、时延和鲁棒性。具体地，网络编码允许节点将几个输入分组重新组合成为一个或多个输出分组。在网络编码节点处，可以针对网络编码节点处出现的分组执行某种线性编码，并且所产生的编码分组可以针对不同的接收方同时广播，而不是分别传输每个分组。

WO2007/008123，WO2007/008162，或WO2007/008163公开了使用与采用自动重复请求(ARQ)和/或多跳调度和转发的通信系统有关的网络编码。网络编码基于接收节点监听(overhear)来自发送节点但目的地是其它接收节点的数据传输的能力。向网络编码节点发送监听的数据的信息。当选择数据分组通过网络编码组合时以及当决定这种组合数据分组应该发送到哪些接收节点时，网络编码节点使用该信息。

上述文献针对基于ARQ的和多跳网络中的数据通信提供了改进。但是仍然需要改进与网络编码有关的数据通信。

发明内容

本发明克服了现有技术设置的这些和其它缺点。

本发明的一般目的是提供基于网络编码的数据通信。

本发明的另一个目的是提供通信系统中有效的数据通信。

正如所附专利权利要求所定义的，本发明满足了这些和其它目的。

简要地，本发明涉及通信系统中的数据通信，尤其是涉及数据的网络编码的这种数据通信。本发明的通信系统包括诸如用户终端的N多个源节点，具有目的地为诸如基站或通信网络的另一个网络节点的目的地节点的数据。本发明涉及选择这些N个源节点的子集，以及在网络编码中利用仔细选择的源节点的数据。结果，在N个源节点中选择一组M多个源节点。此外，数字M等于或大于2但是小于数字N。通过通信系统的中继节点对来自所选择的M个源节点的数据进行网络编码，以形成组合的网络编码数据。然后通过中继节点将该编码后的数据向目的地节点传输，在目的地节点进行解码。

优选地，基于与N个源节点相关联的相应通信质量参数，执行本发明的有目的的源节点的选择。优选的这种通信质量参数是针对源节点和中继节点和/或目的地节点之间的通信链路的链路质量。

优选的实施方式基于成本或目标函数的优化来执行源节点选择。在这种情况下，函数输入可以是通信质量参数，并且选择优化目标函数的源节点集合。中继节点利用所选择的源节点的信息，以提供正确的数据，并将其网络编码为目的地为目的节点的组合数据。

本发明还涉及网络编码控制系统，包括标识符提供器，用于提供N多个源节点的标识符。控制系统的源选择器优选地基于至少N个通信质量参数，以及更优选地基于目标函数的优化，在N个节点中选择M个源节点的组。控制系统的标识符转发器将所选择的M个源节点的组的标识符转发至中继节点网络，所述中继节点网络使用所选择的M个标识符，将来自M个源节点的数据编码，以形成要传输至目的地节点的网络编码数据。

与网络编码和数据通信有关的本发明的源节点的有目的的选择通过更好地利用针对通信系统中不同源节点的通信质量的波动和变化，极大地提高系统的吞吐量。此外，通信系统停机(outage)的可能性变小，从而有效地导致更有效的数据通信。

通过阅读本发明实施例的以下描述，将理解本发明提供的其它优势。

附图说明

结合附图，参照以下描述将很好地理解本发明及其其它的目的和优势，其中：

图1是示出了根据本发明实施例的数据通信方法的流程图；

图2是示出了图1的数据通信方法的附加步骤的流程图；

图3是示出了图2的数据通信方法的附加步骤的流程图；

图4是更详细地示出了图1的节点组选择步骤的实施例的流程图；

图5是可以在其中实施本发明的通信系统的一部分的示意性概述；

图6A至6C示意性地示出根据本发明不同实施例的来自不同通信链路的链路质量的使用；

图7是可以在其中实施本发明的另一个通信系统的一部分的示意性概述；

图8是根据本发明实施例的网络编码控制系统的示意性框图；

图9是根据本发明实施例的中继节点的示意性框图；

图10是根据本发明另一实施例的中继节点的示意性框图；以及

图11是根据本发明实施例的目的地节点的示意性框图。

具体实施方式

在附图中，相同的参考符号将用于相应或类似的元件。

本发明一般地涉及通信系统或网络中的数据通信，尤其是涉及网络编码的这种通信。网络编码是实质上涉及将网络中不同的信息流联合编码在一起的新技术。通过网络节点处的数据组合和接下来的所产生的组合数据的传输，可以提高通信系统的吞吐量、时延和鲁棒性。传统的网络编码应用于涉及两个传输节点将数据转发至执行所接收数据的组合的网络编码节点的情况。然后通过网络节点将网络编码数据转发(例如多播或广播)至一个或多个意向接收节点。

本发明明显相反地提出与网络编码相关的对传输节点的选择性和有目的的分组(grouping)。这就意味着将传输节点动态地分组在一起以形成数据网络编码的基础。该动态分组充分利用系统的无线电条件中的波动和变化，从而以适于当前条件的最佳方式动态地更新节点分组。甚至进一步与传统的固定分组网络编码相比，这也极大地提高了系统的吞吐量和容量。

图1是示出了本发明数据通信方法的实施例的流程图。该通信方法可以在包括N多个源或传输节点的通信系统或网络中实现。这些N个节点每个具有目的地为系统中的目的地或接收节点的数据。因而，所有这些源节点包含它们需要通过通信系统传输至目的地节点的数据。

方法以可选步骤S1开始，其中来自N个节点中至少一组M多个源节点的数据将它们相应的目的地意向数据传输至通信系统的中继节点。因此，该中继节点构成将从源节点接收的数据向意向目的地转发的合作中继单元。该转发可以是在从中继节点到目的地节点的数据的直接传输，或者涉及多跳的传输，即在从中继节点到目的地节点的传输路径中，有至少另一中继节点。

根据本发明，下一个步骤S2在N个源节点中选择一组M多个源节点。在这种情况下，2≤M＜N，换言之，在步骤S2中选择N个源节点的子集，以形成至少两个源节点的M节点组。步骤S2的选择不是随机选择，而是优选基于这里进一步描述的一个或多个通信质量参数执行的有目的的和动态的选择。因此，步骤S2涉及标识所有包含要传输至同一个目的地节点的那些N个节点的子集。

在步骤S3中，中继节点网络对来自所选择的M个源节点的组的数据进行编码，以形成组合或网络编码数据。结果，步骤S2的组选择决定什么数据在基于中继的网络编码中组合。这与例如之前三个引用的国际专利申请所示出的现有技术明显相反。它们公开了要以网络编码的形式组合的数据是基于多个目的地或接收节点已经接收的数据。因此，文献使用数据监听以减少必须通过系统传输的数据量，因而可以获取吞吐量增加。本发明启示了不同于现有技术解决方案或作为现有技术解决方案补充的可选吞吐量增加技术。因此，本发明源节点子集的动态选择允许使用针对N个源节点的不同的质量参数，从而充分利用动态节点选择中的这种波动和变化。

可以根据所谓的数字网络编码或模拟网络编码执行步骤S3的数据网络编码。模拟网络编码指信号电平上的数据编码。这意味着模拟网络编码令模拟信号通过同时传输相加，即通过令两个信号互相之间有意干扰。利用在中继节点处发生的编码，即信号相加，然后基于中继类型，可以有不同的方法，例如解码和转发(中继节点在重新编码和重新传输之前对信号进行解调和解码)、或放大和转发(中继节点简单地放大和转发所接收的信号)。简言之，模拟网络编码方案可以包括两个传输时隙。在第一个时隙期间，M个传输节点在相同带上传输数据。在第二个时隙期间，中继节点将干扰信号转发至目的地节点。因此，在传输的数量和所产生的干扰之间做出折衷。

明显相反，数字网络编码分组电平上的编码，意味着网络编码节点将针对从M个源节点接收的数据分组的比特执行编码。为了这样做，网络编码节点需要拥有解码能力，因此可以利用解码和转发中继来执行数字网络编码。数字网络编码一般地尝试避免共同编码的源节点之间的干扰。因此，数字网络编码方案典型地需要比模拟网络编码更多的传输时隙来传递信息。因此，在第一时隙期间，即第一阶段，源节点之一传输其数据分组。在第二时隙，第二源节点将其分组传输至中继节点等等，直到所有M个节点发送了它们的数据分组。在下一个时间段期间，网络编码节点在时隙中转发网络编码分组。最后，与需要2M个传输的经典中继系统相反，数据网络编码仅需要M+1个传输。

根据本发明可以使用的数字网络编码优选地是线性数据组合。这种线性方法的示例包括对预定b比特的Galois字段进行求和，例如逐比特XOR运算，以及求模运算。

因为简便，XOR逐比特编码是非常适合的编码方法。也可以使用其它码，例如像Reed Solomon的纠删(erasure)码。例如，关于Reed Solomon类型的编码，如果选择缩短的RS代码(k＝2以及n＝3码字)那么与两个数据码之间的XOR运算相同的运算是可能的。重新发送非系统码字n-k＝1，而不是两个经过逐比特XOR运算的字。其它纠删码或纠删码定向编码也可以用于网络编码中。

作为针对单比特的运算的替代，b比特的段可以用于网络编码。然后可以使用2^b的Galois字段，其中加法是编码操作。利用这种记法，XOR运算只是2^l的Galois字段中的相加。

适合在网络编码中使用的编码操作的另一示例是基于求模运算。在以下考虑了每信号星座图符号编码，并且针对多个连续星座图符号可以重复该过程。在该示例中，当处理复数时，针对实部和虚部独立地进行求模运算，并利用求模运算和数学观察的定义：

((A+B)modL-B)modL＝(A)modL

因此，实值信号B可以在实值信号A上叠加，并且允许信号A的未受干扰的恢复(只要信号A不超过量化电平L)，而振幅、因而功率限于(非线性编码)合成(网络编码)信号。

再参照图1，在步骤S1的数据传输中，来自步骤S2中选择的至少M个源节点的数据被传输至中继节点，当然在步骤S1的数据传输中还涉及来自其余N-M个节点的数据也发送到中继节点。此外，步骤S1的数据传输可以在如图中所示的步骤S2的节点选择之前执行。在可选实施例中，数据传输与步骤S2中的节点选择并行或在其后执行。通过本发明也可以预期，M个源节点中的一些可以将数据在节点组选择之前发送至中继节点，M个节点中的一些可以在选择期间传输数据，以及一些可以在步骤S2的选择之后将数据转发至中继节点。

例如基于上述讨论的任一方法，将步骤S3中产生的网络编码数据传输至步骤S4中的目的地节点，或向着(在一个或多个跳中)步骤S4中的目的地节点传输。然后，目的地节点处理(即解码)所组合的数据，以从M个源节点获取单独的数据分组和的信息。

数据检索和解码优选地基于目的地节点之前从M个源节点的子集接收的、或之后将要从M个源节点的子集接收的数据。一般地，如果复合网络编码数据包含来自M个源的数据，那么目的地节点需要访问来自M个源节点中的M-1个源节点的(单独的)数据。例如，假定M＝3，且目的地节点之前已经直接从节点或通过中继节点接收到来自第一源节点的数据分组b₁。在该示例中，中继节点执行来自三个所选源节点的数据分组b₁，b₂，b₃的数字网络编码，以获取组合的分组

(

与XOR运算相对应)。在这种情况下，目的地节点可以使用之前接收的数据分组b₁，用于对网络编码分组进行部分地解码，并且获取部分解码分组然后目的地节点必须等待剩余数据分组b₂或b₃之一，从而获取所有三个分组的解码的版本。可选地，可以通过从目的地节点直接请求来自相关源节点的剩余分组之一，来替代这种等待。

然后该方法结束。

图2是示出了本发明的数据通信方法的优选附加步骤的流程图。步骤S10涉及提供或估计优选与N个源节点中的每个相关联的相应通信质量参数。换言之，步骤S10优选地涉及估计表示与源节点相关联的相应通信质量的质量参数。总共给出至少N个质量参数，针对N个源节点中的每个，优选地执行步骤S10的估计。然而，也可以与获取针对N个源节点的子集的质量参数相关地利用本发明，其中少于N个的质量参数可用。

根据本发明，可以使用可以由通信系统的源节点、中继节点、目的地节点或另一个网络节点测量或至少进行估计的不同质量参数。这些质量参数的示例包括时延参数和数据速率参数。因而，时延参数可以表示从源节点处的传输时间直到所发送数据的中继或目的地节点处的接收时间发生的通信时延。数据速率参数反映了可在源节点和中继或目的地节点之间的通信链路上获取的诸如比特率的当前数据速率。

可选地与诸如时延和/或数据速率参数之类的其它参数相结合地、根据本发明尤其有用的优选质量参数是链路质量参数。在这种情况下，针对N个源节点，在步骤S10中估计链路质量参数。信干噪比(SINR)和信噪比(SNR)包括可以根据本发明有利地使用的链路质量参数的两个示例。

参照图6A，示意性地示出了包括N＝4个源节点10、12、14、16、中继节点20和目的地节点30的通信系统1。在本示例中，每个源节点10、12、14、16具有与目的地节点30建立的通信链路或信道40、42、44、46。这些链路40、42、44、46中的至少一些当前可以经历非常低的SINR或SNR，从而作为替代，中继节点20用于帮助从低质量经历节点16至目的地节点30的数据传输。在这种情况下，根据本发明采用的和在步骤S10中估计的链路质量参数可以是表示源节点10、12、14、16和目的地节点30之间的通信链路40、42、44、46的当前质量的相应链路参数。如附图中所示，有利地，在本发明中，还估计和使用表示中继节点20和目的地节点30之间的通信链路48的链路质量的相应质量参数。

在这种情况下，可以通过各个源节点10、12、14、16和中继节点20估计质量参数。然后，将质量参数报告给根据本发明执行源选择的网络节点，如目的地节点30(这里还要进一步描述)。可选地或附加地，可以通过具有与所有源节点10、12、14、16和中继20的链路的目的地节点30进行质量估计。

图6B示出了可选方式。与图6A明显相反，在图2的步骤S 10中估计表示源节点10、12、14、16与中继节点20之间的通信链路41、43、45、47的动态质量的质量参数。此外，中继-目的地链路质量可以与N个源-中继质量参数一起使用。

有利地，通过中继节点20执行参数估计，或者通过源节点10、12、14、16执行参数估计。然后将质量估计报告给节点选择节点，如中继节点20。

图6C基本是图6A和图6B中示出的情形的组合。该实施例提供了系统1中当前链路质量情形的更完整的画面。这意味着，针对每个源节点10、12、14、16，优选估计两个质量参数；一个表示源-目的地链路40、42、44、46的质量，以及一个表示源-中继链路41、43、45、47的质量。有利地，可以使用中继-目的地链路48的质量参数补充这些总数为2N个的链路质量。

本发明中涉及的不同通信节点传统具有用于利用可以与节点通信的那些网络节点执行规律的、间歇的、或针对请求的质量测量。为了具有尽可能动态和代表性的源选择，根据本发明，优选最新的这种质量参数估计用于每个相关通信链路。可选地，可以采用多个最新的参数估计，如以平均链路质量的形式。

本发明的数据通信方法从图2的步骤S10持续至图1的步骤S1或S2(取决于源至中继传输发生在节点选择之前、期间还是之后)。然后在步骤S2中，基于在图2的步骤S10中估计的至少部分、优选所有质量参数，执行在N个源节点中对M个源节点的组的选择。在这种情况下，依据所估计的通信质量参数、以及优选地基于相应的源-目的地和/或源-中继链路质量参数，做出本发明的有目的的源节点组选择。

本发明的源子集的基于质量的选择可以利用和使用针对不同源节点的随时间推移所经历的通信质量、特别是链路质量的波动和变化。这意味着，在给定时间和基于那时的质量参数，将会选择第一“最佳”源节点组。然而，在另一时间，改变了针对各个源节点的通信质量，暗示作为替代，基于新估计的质量参数选择第二不同的“最佳”源节点。这向本发明的源节点组选择提供了动态性。

在本发明的特定实施例中，可以预定义和固定复数M。在这种情况下，本发明的选择和优选基于参数的选择包括选择N个节点中的哪些特定源节点应当组成一组，并在网络编码中共同被处理。因此，从S₁，S₂，K，S_N中选择M个节点，其中，S_i，i＝1KN表示源节点。该实施例的优选实施方式是具有M＝2的固定M数。这意味着在图1的步骤S2中选择源节点对。

本发明的可选实施例首先选择或确定复数M，其中M等于或大于2但小于具有目的地为相同目的地节点的源节点的总数N。数的选择优选基于所估计的质量参数，但是还或者作为替代，可以基于其它选择参数执行数的选择。例如，在三个国际专利申请中提及的先验信息(即，目的地节点已经接收到的来自源节点的数据分组的信息)可以用于M的选择。

一旦在图1的步骤S2中选择了数M，优选基于所估计的质量参数，在N个可用源节点中选择节点组中包括的M个特定节点。

在实施例中，基于优化或目标或成本函数执行根据本发明的源节点的分组。图3的流程图中示出了该实施例。该方法从图2的参数估计步骤S10继续。接下来的步骤S20公式化和优化目标或成本函数，以便选择最优源节点组。令J(p₁，p₂，K，p_K)为目标函数，它取决于一些质量参数{p_i}，i＝1KK，其中优选K≥N，但是本发明也可以利用比源节点数少的输入参数实现，即K＜N。令G为所有可能源节点组的集合。在这种情况下，本发明的组选择致力于确定满足J(G)的最佳或最优源节点组：

$G^{*}=\underset{\stackrel{\‾}{G}\∈G}{\arg \max }J\left(\stackrel{\‾}{G}\right)---\left(1\right)$

其中，G^*是满足优化准则的M个节点的源节点组。

本发明也可以结合多个不同的目标函数来使用，以便优化或实现不同的系统目标。因此，优化准则可以是通信系统中传输时延的最小化。另一示例是系统中源节点数据速率的最大化。其它示例包括停机可能性的最小化，系统容量的最大化，和干扰的避免或最小化。

以下利用使用数字网络编码和通信系统的总容量的最大化的特定实施方式，示出本发明的实现。

令T＝{S₁，S₂，K，S_N}为具有目的地为通信系统中的目的地节点的所有激活源节点的集合。在该示意性实施方式的示例中，M＝2，即，基于目标函数的优化来选择源节点对。令

为将属于集合T的两个单独的源节点分组的所有可能组合的集合。令

表示可能节点中的一对，即，G(m，n)∈G且n＞m。

令Γ_m，Γ_n和Γ_R分别是源节点S_m，S_n和中继节点R的目的地节点处的SINR。此外，假设首先具有最高SINR的源节点被解码，之后对从中继节点接收的经过XOR运算的信号进行解码。通过下式给出总容量：

C(G(m，n))＝C_m+C_n                                           (2)

C(G(m，n))＝log(1+max(Γ_m，Γ_n))+log(1+Γ_R+min(Γ_m，Γ_n))   (3)

其中，C_m和C_n分别是源节点S_m和S_n的容量。

所提出的示例优化准则是将总容量最大化，即，选择将容量最大化的源节点对G^*：

$\begin{array}{c}{G}^{*}=\arg \max C\left(G(m,n)\right)\\ G(m,n)\∈G\end{array}---\left(4\right)$

可以基于源节点的

不同的独特对中的穷举搜索，选择将通信系统的总容量最大化的最佳节点对。然而，通过提前省略被认为很不可能优化目标函数的一个或多个节点对，也可以采用非穷举方法。在以上示例中，通过首先调查针对源节点的各个SINR参数，可以执行这种省略。如果任何节点具有低于预定阈值T_SINR的相关联的SINR，那么将该节点从搜索中省略。然后这将通过忽略较不可能最佳的节点组，减少最佳算法的复杂性。

以下，呈现简单示例，从而量化通过采用本发明所获取的增益。令T＝{S₁，S₂，S₃，S₄}是通信系统中激活源节点的集合，以及G是源节点组(M＝2)的所有可能对的集合。在这种情况下，G包含

个不同的源节点对G＝{G₁，G₂，G₃，G₄，G₅，G₆}，其中G₁＝{S₁，S₂}，G₂＝{S₁，S₃}，G₃＝{S₁，S₄}，G₄＝{S₂，S₃}，G₅＝{S₂，S₄}，以及G₆＝{S₃，S₄}。令Γ₁＝-10，Γ₂＝5，Γ₃＝-5以及Γ₄＝15，其中Γ_i是第i个源节点S_i的以dB为单位的SINR。假定来自中继节点的SINR是Γ_R＝10dB，那么集合G的总容量可以通过使用以上的等式3进行简单的计算：

C(G)＝{5.53，3.87，8.50，5.56，8.85，8.53}                 (5)

在该示例中，基于总容量最大值化的源节点选择算法将选择节点组G₅，产生8.85b/s/Hz的总容量。因此，与“最坏”的情况(即组G₂)相比，在该示例中所选择的节点组将给出将近130％的最大增益，以及30％的平均收益。本发明所取得的增益针对包括要与相同的目的地节点(例如基于蜂窝无线电的通信系统的基站)进行通信的多于N＝4个源节点的真实通信系统将变得更加确切。

图4是示意性地总结了与目标函数的优化相关的选择步骤的操作的流程图。该方法从图2的步骤S10继续。下一个步骤S30在N个源节点中选择第一候选组或对(M＝2)。基于图2的步骤S10中估计的质量参数，下一个步骤S31针对所选择的节点组计算目标函数的输出(例如根据以上等式3的系统的总容量)。下一个步骤S32调查是否已经检测了所有的候选组。如果并没有检测所有的候选组，那么该方法返回步骤S30，其中选择新的候选节点组。结果，在穷举搜索的情况下，针对每个独特的节点组执行一次S30至S32的循环步骤。然而，如前所述，有时可以通过省略特定源节点(例如具有T_SINR以下的SINR，具有超过T_delay的所经历的时延，具有T_rate以下的数据速率等)，降低优化过程的复杂度。

该方法持续至步骤S33，其中将目标函数优化。该函数优化优选地涉及识别和选择优化函数输出(例如最大化系统容量、最小化时延、最大化数据速率等)的候选组。之后，该方法持续至步骤S3，其中在中继节点将来自所选择的源节点组的源节点的数据进行网络编码，以形成组合的网络编码数据。

本发明的数据通信方法可以在采用网络编码的任何通信系统中实现。因此，本发明可以应用于有线和无线系统，其中无线的基于无线电的系统和网络将尤其从本发明中受益。例如，本发明可以应用于具有网络中的节点之间多样连接的对等网络，包括未结构化的和结构化的对等网络。得益于本发明的其它网络类型包括多跳和自组织(ad hoc)网络。在这些类型的网络中，用户终端或节点能够操作作为针对其它终端和节点的路由器、转发器或中继节点。因此，在到达目的地之前，典型地通过多个中间节点，对从源节点发送至目的地节点的数据分组进行路由。自组织网络是典型地完全自我组织，因为路由路径不以任何方式预定。另一方面，多跳网络可以具有一些预定优选跳跃方案，暗示多跳网络不必是自组织网络。通信系统的另一个示例是中继系统，该中继系统是利用中继节点进行补充的传统无线电网络。这些中继节点与其它网络节点(例如基站、另一个中继节点或用户终端)进行无线通信。

图5是这种中继通信系统1的示例。系统1基于蜂窝方式，其中基站或固定网络节点30在相关联的通信区域或小区35内提供通信服务。因此，小区35中出现的用户终端10，12，14，16，优选地，诸如移动电话的移动用户终端、个人数字助理或具有无线通信设施的计算机，可以与基站30无线地进行通信。

该图示出了实现为用户终端的中继节点20。然而，这应该与其它通信终端和包括移动或固定网络节点的节点一样只被看做是示例性示例，根据本发明可以作为中继节点20进行操作。

图5示意性地示出对小区35中出现的可用节点10，12，14，16中的源节点12、16的组15的选择。然后，中继节点20针对这些分组节点12，16接收的数据执行网络编码，并将所产生的组合数据转发至也是该数据目的地节点的基站30。

图7示出了具有多网络节点10，12，14，16，20，30的多跳或自组织系统1的示例。在该示例中，根据本发明，将四个节点10，12，14，16都看作是源节点，因为它们具有要传输到目的地节点30的数据。源节点20针对从所选的源节点12，16的组15接收到的数据执行网络编码。然后将网络编码数据可能地一跳或多跳地转发至意向目的地节点30。

图8是根据本发明实施例的网络编码控制系统100的示意性框图。该控制系统或单元100包括设置用于与外部单元和节点进行通信的通用输入和输出(I/O)单元110。I/O单元110可以以具有连接的发射天线的发射机、以及具有连接的接收天线的接收机、或具有组合的发射/接收天线的收发机的形式实现。在这种情况下，I/O单元110可以与通信系统中的其它终端和单元进行无线通信。另一个I/O单元的实施方式是基于非天线的I/O单元的形式，该基于非天线的I/O单元能够将数据转发至设置在与控制系统100相同的网络节点中、并优选与其有线连接的其它单元，并从这些单元接收数据。

I/O单元110尤其适于接收具有目的地为目的地节点的N个源节点的信息，其中应该通过控制系统100选择M个源节点的子集。I/O单元110也设置用于将所选的M个源节点的组的信息传送给设置在相同网络节点或一些其它网络编码节点的另一个单元。

控制系统100包括设置与I/O单元110相连接的标识符提供器120。该提供器120适于提供N个源节点的信息或标识符。优选地，以检索N个标识符(每个标识符与N个源节点之一相关联)的形式，通过提供器120执行信息提供。优选地，基于I/O单元110从另一个节点实现单元或外部网络节点接收的数据，或在该数据中，执行通过标识符提供器120的标识符检索。例如，基站(目的地节点)包含与基站通信的当前激活的移动终端(源节点)的列表。然后可以将包含于其中的信息的列表或至少一些转发至I/O单元110，并由标识符提供器120用来提供N个源节点标识符。

源选择器130设置在控制系统100中，用于选择N个源节点中的M个源节点的组。正如以后所要进一步讨论的，基于质量参数，以及更优选地基于目标函数的优化，优选地设置选择器130用于执行有目的、动态的节点分组选择。

然后，I/O单元110用作标识符转发器，并转发源选择器130选择的M个源节点的组的信息或M个标识符。将这些M个标识符从控制系统100转发至中继节点，该中继节点对来自源节点的数据进行实际网络编码。然后，该中继节点利用M个标识符来标识哪些数据组合形成要传输至目的地节点的网络编码数据。

如果控制系统100实际上在中继节点中实现，那么I/O单元110仅将M个标识符转发至网络编码器或从数据或接收机缓冲器中识别相关数据的数据检索单元。如果作为替代，控制系统100在另一个网络节点中实现，而不是在中继节点中实现，那么I/O单元110优选地包括或与具有天线设备的发射机/收发机连接，用于将M个标识符发射至中继站点。

网络编码控制系统100优选地包括参数提供器140，设置用于提供与N多个源节点相关联的相应通信质量参数。参数提供器140可以设置用于由I/O单元110从外部单元或节点接收的信息中检索这种参数数据。在这种情况下，用户终端和基站的传统使用的通信质量测量和估计功能可以执行实际的参数估计。然后，将所估计的参数的信息转发至I/O单元110，允许所连接的参数提供器140从所接收的信息中检索参数。在可选的方法中，参数提供器140本身包括基于连接的质量测量单元执行的测量确定质量参数的参数估计功能。

如前所述，参数提供器140优选地提供链路质量参数作为质量参数。链路质量参数优选地表示图6A，6B和6C中所示的通信链路的质量。

然后，源选择器130设置用于基于所提供的(链路)质量参数选择M个源节点的组。在优选的实施方式中，源选择器130使用链路质量参数作为具有相关系统质量参数作为输出数据(例如系统总容量)的目标函数的输入数据。在这种情况下，选择器130通过优化包括输入质量参数的目标函数来选择源节点组。在典型的实施方式中，源选择器130调查N个可用节点中的M个源节点的每个候选组或对。通过连接的计算器150针对每个候选组计算相应的质量参数输出。之后，选择器130选择优化目标函数(即，根据采用的特定质量参数优选地产生最大或最小函数输出)的候选组。

网络编码控制系统100的单元110至150可以以硬件、软件或硬件和软件的组合实现。根据本发明，控制系统100有利地在中继节点和/或目的节点中实现。一种可选方式是将控制系统100设置在通信系统的源节点中、或固定或移动网络站点中。利用设置在通信系统中的不同节点中的网络编码控制系统100的单元110至150中的一些分布式实施方式也是可能的。

图9是根据本发明的中继节点20的实施例的示意性框图。节点20包括具有连接的天线(系统)的发射机/接收机或收发机22，用于与外部节点进行通信。接收机22尤其设置用于接收来自源节点的数据，该数据要被带至目的地节点。中继节点20的发射机22传输基于接收机22获取的节点发出的数据所产生的网络编码数据。

接收机22也直接从通信系统中的节点、意向目的地节点、或一些其它(控制)网络节点接收N个源节点的信息或标识符。将这些标识符反馈至之前描述的并在本实施例的中继节点20中实现的网络编码控制系统100中。控制系统100执行本发明的节点组选择，并输出所选择的M个源节点的组的标识符。将这些标识符转发至中继节点20中提供的网络编码器24，用于对来自所选择的M个源节点的数据进行网络编码。数据编码可以以之前描述的数字网络编码或模拟网络编码的形式进行。

在优选的实施例中，中继节点20包括数据或临时存储从包括源节点的其它单元接收的数据的接收机缓冲器26。在这种情况下，网络编码器24可以对这里所存储的数据进行操作，并对其进行(重新)编码。

将产生的网络编码数据通过发射机22直接地或以利用通信系统中其它中继节点的多跳的形式传输至目的地节点。

可以以硬件、软件或硬件和软件的组合来实现中继节点20的单元22，24和100。

图10是根据本发明的另一中继节点20的示意性框图的示例。在这种情况下，本发明的网络编码控制系统在另一个外部节点中实现。因此，将该控制系统选择的源节点的M个标识符转发至中继节点20，并由接收机22接收。将标识符反馈至使用用于标识哪些数据通过网络编码组合的标识符的网络编码器24。该网络编码器24的操作类似于图9中公开的实施例，并在此不再描述。中继节点20优选地包括如前所讨论的数据缓冲器26，用于临时存储从源节点接收到的、并要通过编码器24进行网络编码的数据。

然后，如前所讨论的，将最终(数字或模拟)的网络编码数据通过发射机22传输至目的地节点。

可以以硬件、软件或硬件和软件的组合实现中继节点20的单元22和24。

有利地，如果在无线的、基于无线电的通信系统中操作，本发明的由图9和10的实施例示出的中继节点可以是移动无线通信终端。因此，中继节点可以在多跳或自组织系统中操作。然而根据本发明，固定网络节点可以操作为中继节点，然后与包括目的地节点的其它网络节点进行无线或有线通信。

图11是根据本发明的目的地节点30的框图的示意性示例。目的地节点包括用于与包括中继节点和源节点的外部单元进行通信的发射机/接收机或收发机32。

目的地节点30包括根据本发明的网络编码控制系统100，用于选择具有目的地为目的地节点30的数据的源节点组。控制系统100从接收机32或从目的地节点30的一些数据存储器中接收这些N个资源节点的标识符。

在前面的情况中，目的地节点30可以例如包含在相关联的通信区域(小区)内出现的激活的源节点的列表。可选地，目的地节点30可以存储在通信距离内出现的那些源节点的信息，并且那些源节点先前已经将数据发送或试图发送至目的地节点30。在这种情况下，如本领域所公知的，通过返回肯定应答(ACK)或否定应答(NACK)消息，目的地节点30可以进行响应。因此，目的地节点30可以在先前定义的时间段内存储已经将ACK/NACK消息发送所至的那些源节点的信息。

可选地，接收机32向控制系统100提供N个标识符，其中接收机32已经从通信系统中的源节点自身、中继节点或控制网络节点接收到这些标识符。

控制系统100输出所选源节点的M个标识符。通过发射机32将这些标识符发送至中继节点，用于对数据进行网络编码。

接收机32还从中继节点32接收所产生的网络编码数据，但是可能通过多个中间中继节点。所组合的数据临时存储在数据缓冲器36中，直至目的地节点30具有足够的数据来对网络编码数据进行正确地解码。可选地，数据缓冲器36已经包含先前从所选M个源节点的子集接收的数据。在这种情况下，解码器34能够使用该先前接收到的数据用于对组合的数据进行解码。根据中继节点组合多少单独的数据(分组)、以及目的地节点30已经接收和将要接收多少单独的数据(分组)，可以在一个或多个步骤中执行该数据解码。一般地，将M个单独的源的组合数据进行解码需要使用M-1个源中的M-1个数据(分组)。通过接收机32从源节点可能在多跳场景下和可能地以网络编码方式接收M-1个数据。

例如，假定目的地节点先前已经直接从第一源节点接收到数据分组b₁。中继节点先前也使用本发明的网络编码系统的输出，对来自第二和第三源节点的数据进行了网络编码。也已经通过目的地节点接收所产生的组合数据

之后，通过基于来自第一和第三源节点的数据分组，通过中继节点产生新的网络编码分组。将该组合数据发送至目的地节点30。然后，解码器34使用之前接收的第一数据分组，对上一网络编码数据进行解码，以获得来自第三源节点的数据：

之后，解码器34使用解码的第三数据分组b₃，来对先前接收的组合数据

进行解码，以最终获得来自第二源节点的数据b₂。

可以以硬件、软件或硬件和软件的组合实现目的地节点30的单元32，34和100。

目的地节点可以有利地是通信系统的网络节点，例如无线的基于无线电的通信系统的固定基站。然而，在可选实施方式中，目的地节点是可移动的，并且可以是包括用户终端的可移动无线通信终端。

通过本发明可预期图9至11的中继节点和目的的节点典型地还包括与这些节点的操作相关的单元和功能。例如，节点可以包括针对在通信系统中的节点和其它节点之间当前激活的数据链路和通信服务的所估计的包括链路质量参数的通信质量参数的质量测量单元。然而，这些其它单元和功能对本领域技术人员是已知的，并没有在图中示出。

可以理解，本领域技术人员可以在不偏离所附权利需要所限定的本发明的精神和范围内做出修改和变化。

Claims (26)

1.一种通信系统(1)中的数据通信方法，所述通信系统(1)包括N多个源节点(10，12，14，16)，每个源节点具有目的地为目的地节点(30)的数据，所述方法包括以下步骤：

-在所述N多个源节点(10，12，14，16)中选择M多个源节点(12，16)的组(15)，其中2≤M＜N；

-在所述通信系统(1)的中继节点(20)处，对来自所述M多个源节点(12，16)的组(15)的数据进行网络编码，以形成网络编码数据；以及

-将来自所述中继节点(20)的所述网络编码数据传输至所述目的地节点(30)。

2.如权利要求1所述的方法，还包括将来自所述M多个源节点(12，16)的组(15)的所述数据传输至所述中继节点(20)。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中所述选择步骤包括：基于与所述N多个源节点(10，12，14，16)相关联的相应通信质量参数，选择所述M多个源节点(12，16)的组(15)。

4.如权利要求3所述的方法，还包括：针对所述N多个源节点(10，12，14，16)中的每个源节点(10，12，14，16)，估计与所述源节点(10，12，14，16)相关联的相应链路质量参数，其中所述选择步骤包括：基于所述相应链路质量参数，选择所述M多个源节点(12，16)的组(15)。

5.如权利要求4所述的方法，其中所述估计步骤包括：针对所述N多个源节点(10，12，14，16)中的每个源节点(10，12，14，16)，估计表示所述源节点(10，12，14，16)和所述目的地节点(30)之间的通信链路(40，42，44，46)的链路质量的链路质量参数。

6.如权利要求4或5所述的方法，其中所述估计步骤包括以下步骤：

-针对所述N多个源节点(10，12，14，16)中的每个源节点(10，12，14，16)，估计表示所述源节点(10，12，14，16)和所述中继节点(20)之间的通信链路(41，43，45，47)的链路质量的链路质量参数；

-估计表示所述中继节点(20)和所述目的地节点(30)之间的通信链路(48)的链路质量的链路质量参数。

7.如权利要求3至6中任一所述的方法，其中基于包括所述相应链路质量参数的目标函数的优化来执行所述选择步骤。

8.如权利要求7所述的方法，其中基于所述通信系统(1)的总容量的最大化来执行所述选择步骤。

9.如权利要求1至8中任一所述的方法，其中所述选择步骤包括在所述N多个源节点(10，12，14，16)中选择两个源节点(12，16)的组(15)。

10.如权利要求9所述的方法，其中所述选择步骤包括以下步骤：

-针对所述N多个源节点(10，12，14，16)中的每个源节点对S(m，n)，通过以下定义来计算所述通信系统(1)的总容量C(S(m，n))：

C(S(m，n))＝log(1+max(Γ_m，Γ_n))+log(1+Γ_R+min(Γ_m，Γ_n))，

其中Г_m是与所述源节点对中的第一源节点相关联的通信质量参数，Г_n是与所述源节点对中的第二源节点相关联的通信质量参数，以及Г_R是与所述中继节点(20)相关联的通信质量参数；以及

-选择将所述总容量最大化的源节点对S^*：

$S^{*}=\underset{S(m,n)\∈S}{\arg \max }C\left(S(m,n)\right),$

其中S是所述N多个源节点(10，12，14，16)中的所有可能源节点对的集合。

11.一种网络编码控制系统(100)，包括：

-标识符提供器(120)，用于提供N多个源节点(10，12，14，16)的N个标识符，每个源节点具有目的地为通信系统(1)中的目的地节点(30)的数据；

-源选择器(130)，用于在所述N多个源节点(10，12，14，16)中选择M多个源节点(12，16)的组(15)，其中2≤M＜N；以及

-标识符转发器(110)，用于将所述M多个源节点(12，16)的组(15)的M个标识符转发至中继节点(20)，所述中继节点使用所选的M个标识符，对来自所述M多个源节点(12，16)的组(15)的数据进行网络编码，以形成要传输到所述目的地节点(30)的网络编码数据。

12.如权利要求11所述的系统，还包括参数提供器(140)，用于提供与所述N多个源节点(10，12，14，16)相关联的相应通信质量参数，其中所述源选择器(130)设置用于基于所述相应通信质量参数，选择所述M多个源节点(12，16)的组(15)。

13.如权利要求12所述的系统，其中所述参数提供器(140)设置用于提供与所述N多个源节点(10，12，14，16)相关联的相应链路质量参数，其中所述源选择器(130)设置用于基于所述相应通信质量参数，选择所述M多个源节点(12，16)的组(15)。

14.如权利要求13所述的系统，其中所述参数提供器(140)设置用于针对所述N多个源节点(10，12，14，16)中的每个源节点(10，12，14，16)，提供表示所述源节点(10，12，14，16)和所述目的地节点(30)之间的通信链路(40，42，44，46)的链路质量的链路质量参数。

15.如权利要求13或14所述的系统，其中所述参数提供器(140)设置用于：i)针对所述N多个源节点(10，12，14，16)中的每个源节点(10，12，14，16)，提供表示所述源节点(10，12，14，16)和所述中继节点(20)之间的通信链路(41，43，45，47)的链路质量的链路质量参数；以及ii)提供表示所述中继节点(20)和所述目的地节点(30)之间的通信链路(48)的链路质量的链路质量参数。

16.如权利要求12至15中任一所述的系统，其中所述源选择器(130)设置用于选择优化包括所述相应链路质量参数的目标函数的所述M多个源节点(12，16)的组(15)。

17.如权利要求16所述的系统，其中所述源选择器(130)设置用于选择将所述通信系统(1)的总容量最大化的所述M多个源节点(12，16)的组(15)。

18.如权利要求11至17中任一所述的系统，其中所述源选择器(130)设置用于在所述N多个源节点(10，12，14，16)中选择两个源节点(12，16)的组(15)。

19.如权利要求18所述的系统，还包括计算器(150)，用于针对所述N多个源节点(10，12，14，16)中的每个源节点对S(m，n)，通过以下定义来计算所述通信系统(1)的总容量C(S(m，n))：

C(S(m，n))＝log(1+max(Γ_m，Γ_n))+log(1+Γ_R+min(Γ_m，Г_n))

其中Γ_m是与所述源节点对的第一源节点相关联的通信质量参数，Γ_n是与所述源节点对的第二源节点相关联的通信质量参数，以及Γ_R是与所述中继节点(20)相关联的通信质量参数；其中所述源选择器(130)设置用于选择将所述总容量最大化的源节点对S^*：

$S^{*}=\underset{S(m,n)\∈S}{\arg \max }C\left(S(m,n)\right)$

其中S是所述N多个源节点(10，12，14，16)中的所有可能源节点对的集合。

20.一种通信系统(1)的中继节点(20)，所述中继节点(20)包括：

-根据权利要求11至19中任一所述的网络编码控制系统(100)，用于提供M多个源节点(12，16)的组(15)的M个标识符；

-接收机(22)，用于接收来自所述M多个源节点(12，16)的组(15)的数据；

-网络编码器(24)，用于使用所述M个标识符，对来自所述M多个源节点(12，16)的组(15)的所述数据进行网络编码，以形成网络编码数据；以及

-发射机(22)，用于将所述网络编码数据传输至目的地节点(30)。

21.一种通信系统(1)的中继节点(20)，所述中继节点(20)包括：

-接收机(22)，用于：i)从根据权利要求11至19中任一所述的网络编码控制系统(100)接收N多个源节点(10，12，14，16)中的M多个源节点(12，16)的组(15)的M个标识符；以及ii)接收来自所述M多个源节点(12，16)的组(15)的数据，其中2≤M＜N；

-网络编码器(24)，用于使用所述M个标识符，对来自所述M多个源节点(12，16)的组(15)的所述数据进行网络编码，以形成网络编码数据；以及

-发射机(22)，用于将所述网络编码数据传输至目的地节点(30)。

22.如权利要求20或21所述的中继节点，其中所述中继节点(20)是无线的基于无线电的通信系统(1)的移动无线通信终端(20)。

23.一种通信系统(1)的目的地节点(30)，所述目的地节点(30)包括：

-根据权利要求11至19中任一所述的网络编码控制系统(100)，用于提供M多个源节点(12，16)的组(15)的M个标识符；

-发射机(32)，用于将所述M个标识符传输至中继节点(20)；

-接收机(32)，用于从所述中继节点(20)接收由中继节点(20)基于来自所述M多个源节点(12，16)的组(15)的数据产生的网络编码数据。

24.如权利要求23所述的目的地节点，其中所述接收机(32)设置用于从所述M多个源节点(12，16)的组(15)中的M-1个源节点(12)中接收由所述中继节点(20)用于产生所述网络编码数据的数据。

25.如权利要求24所述的目的地节点，还包括解码器(34)，用于基于从所述M-1个源节点(12)接收到的所述数据，对所述网络编码数据进行解码，以形成来自所述M多个源节点(12，16)的组(15)的解码数据。

26.如权利要求23至25中任一所述的目的地节点，其中所述目的地节点(30)是无线的基于无线电的通信系统(1)的基站(30)。

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