CN102013950B - 一种结合高阶域网络编码的协作传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种结合高阶域网络编码的协作传输方法，特征是在传输的第一个阶段各个用户在直接传输自己的信息的同时监听其它用户传输的信息，在传输的第二个阶段各个用户利用编码向量将第一个阶段监听到的数据包以及自己的信息在高阶域上进行线性叠加编码后发送，接收端利用编码矩阵将正确接收到的数据包组成高阶域上的线性方程组，求解获得用户发送的原始数据。本发明方法将多用户协作传输系统中的协作传输技术与高阶域网络编码技术相结合，可以同时为多个用户的上行数据传输提供高可靠性保障，有效提高协作传输效率和系统整体性能。

Description

一种结合高阶域网络编码的协作传输方法

技术领域

本发明属于蜂窝移动通信技术中的协作通信(Cooperative Communication)技术领域，特别涉及蜂窝移动通信系统中结合高阶域网络编码的协同传输方法。

背景技术

协作通信技术利用无线信道的广播特性以及各个用户信道的独立性，通过地理上分散的单天线无线节点协助传递信息产生协作分集增益，是对抗无线信道衰落的有效手段。与常规的点对点无线通信模式相比，协作通信技术具有更高的传输可靠性。因此，协作通信技术是未来无线移动通信系统的核心技术。如何进行高效可靠的协作传输是一个越来越重要的研究课题。

《国际电子与电气工程师协会通信选题杂志》（IEEE J.on Select Areas.InformationTheory，Volume 50,No 12,2004,pp 389-400）中提到了基于放大转发(Amplify Forward)和解码转发(Decode Forward)的两种协作传输方式。但是在这两种协作传输方式中，单个协作传输节点在同一个协作传输过程中只能服务于指定的单一用户，并不能同时为多个用户服务，因此不能够获得较高的协作传输效率。

《美国电气电子工程师协会组织的通信国际会议》（IEEE Wireless CommunicationsandNetworking Conference,2006,pp1681-1686）提到一种基于二阶域网络编码的协作传输方法，只采用0、1两种编码系数，这使得在协作传输过程中编码后的数据包之间的线性无关性不够，从而导致接收方构造的解码方程组的可解性不高，没能充分发挥协作传输结合网络编码技术后的优势。

发明内容

本发明的目的是提出一种结合高阶域网络编码的协作传输方法，以实现满分集增益，有效提高传输的可靠性，而且同时服务于多个用户，提高协作传输的效率。

本发明结合高阶域网络编码的协作传输方法，各用户根据基站的调度控制来发送数据，基站根据接收到的数据通过硬件解码模块解码输出结果，其特征在于用户与基站依次执行以下步骤：

第一步：对于由N个用户组成的协作用户组中的每个用户i＝1,…,N，以x_i表示用户i需要发送的数据包；基站根据用户组成员个数N按下面所述的具体计算步骤计算出满足构造准则的N阶编码矩阵G，并将该编码矩阵G的N个行向量分别发送给N个用户作为用户的编码向量，记用户i的编码向量为(a_i，1,a_i，2…,a_i，N)，其中a_i,j代表用户i对来自第j个用户的数据包的编码系数；该编码矩阵G满足如下构造准则：在伽罗华域中，矩阵自身满秩，且其所有降维方阵满秩；通过回溯搜寻算法，即通过对一个满足构造准则的N-1阶方阵逐个添加符合要求的第N列以及第N行的元素，来获得一个满足构造准则的N阶方阵A；

所述满足构造准则的N阶编码矩阵G的具体计算步骤如下：

步骤一：初始化一个N-1阶顺序主子式满足构造准则的N阶方阵A，定义变量i,j，分别表示当前所处理的元素的行号和列号，令行号i等于1，列号j等于N；

步骤二：获取伽罗华域上的一个元素作为N阶方阵A的第i行第j列元素的值，若该域中所有元素均已尝试，则查找失败，否则进入步骤三；

步骤三：如果行号i等于N,定义矩阵K为N阶方阵A的第j到第N列，反之定义矩阵K为N阶方阵A的前i行；若矩阵K在其自身为方阵时不满秩，或者矩阵K存在不满秩的降维方阵，则回到步骤二；反之，如果行号i等于N，列号j等于1，证明寻找完毕，N阶方阵A即为所需编码矩阵；否则进入步骤四；

步骤四：如果行号i等于N，令列号j等于j-1，返回步骤二；反之，令行号i等于i+1，返回步骤二；

第二步：将第一个传输阶段分为N个时隙；在第i个时隙，用户i发送数据包x_i，记为y_1,i；在非自身发送数据包的时隙，用户监听接收并缓存其它用户发送的数据包；

第三步：将第二个传输阶段分为N个时隙；在第i个时隙，用户i利用在第一步中接收到的编码向量(a_i，1，a_i,2…,a_i，N)，将数据包x_i和在第一个传输阶段中监听到的数据包在伽罗华域上进行线性编码，记编码后得到的数据包为y_2,i，有

编码完成后用户i将数据包y_2，i发送给基站；在非自身发送数据包的时隙，用户保持沉默；

第四步：在第一个传输阶段和第二个传输阶段这两个传输阶段完成后，基站接收到的数据包如下所示：

基站对接收到的数据包(y_1，1…y_1，N，y_2，1…y_2,N)^T进行循环冗余校验（Cyclic RedundancyCheck），利用其中正确接收到的部分构造出解码方程组，在伽罗华域上通过高斯消元法进行方程组求解从而获得各个用户的源数据；

第五步：返回第二步进行下一次传输。

与现有的协作传输技术相比，本发明的协作传输方案针对的是未来无线通信中具有重要意义的多用户协作系统，并且结合了高阶域网络编码技术；一方面，本发明将用户自身需要发送的源数据包与监听到的其它用户发送的数据包联合起来进行了线性网络编码，使得协作发送的单个数据包同时包含了多个用户的信息，从而避免对单个数据包的过分依赖，分散单一数据包丢失带来的风险，获得网络编码增益，进而提高协作效率，改善系统性能；另一方面，本发明将网络编码放在高阶域上进行，并给出了编码矩阵的构造准则和计算方法，高阶域上满足构造准则的编码矩阵可以保证接收端构造出的解码方程组有更高的可解性，因此可以实现更高的分集增益。综上可见，本发明提出的协作传输方法可以用较小的代价，同时对多个用户的数据传输提供高可靠性保障，有效提高协作效率和系统整体性能。

附图说明

图1为本发明结合高阶域网络编码的协作传输方法的示意图。

图2为本发明协作传输方法的编码矩阵计算模块的硬件实现系统图。

图3为本发明协作传输方法的发送端处理模块的硬件实现系统图。

图4为本发明协作传输方法的接收端处理模块的硬件实现系统图。

图5为用户数为3的情况下四种算法的系统中断概率对比图。

图6为用户数为5的情况下四种算法的系统中断概率对比图。

具体实施方式

以下结合附图举例说明本发明的具体实施方案。

实施例1：

本实施例采用上行多用户协作蜂窝网络，用户组成协作传输组按照本发明所述传输方法向基站传输数据。仿真统计10⁸次上行传输的平均结果，从系统中断概率的角度来考察本发明结合高阶域网络编码的协作传输方法的性能。具体仿真参数设置如下表1所示。

表1参数设置

在本实施例结合高阶域网络编码的协作传输方法中，用户和基站端依次执行以下具体操作步骤：

第一步：对于由N个用户组成的协作用户组中的每个用户i＝1,…,N，以x_i表示用户i需要发送的数据包；基站根据用户组成员个数N按下面所述的具体计算步骤计算出满足构造准则的N阶编码矩阵G，并将该矩阵的N个行向量分别发送给N个用户作为用户的编码向量，记用户i的编码向量为(a_i，1,a_i，2…,a_i，N)，其中a_i，j代表用户i对来自第j个用户的数据包的编码系数；编码矩阵G满足的构造准则如下：在伽罗华域中，矩阵自身满秩，且其所有降维方阵满秩；通过回溯搜寻算法来计算N阶编码矩阵G，该回溯搜寻算法通过对一个满足构造准则的N-1阶方阵逐个添加符合要求的第N列以及第N行的元素，来获得一个满足构造准则的N阶方阵，记为A；

所述基站根据用户组成员个数N计算出满足构造准则的N阶编码矩阵G的具体计算步骤如下：

步骤一：初始化一个N-1阶顺序主子式满足构造准则的N阶方阵A，定义变量i,j，分别表示当前所处理的元素的行号和列号，令行号i等于1，列号j等于N；

步骤二：获取伽罗华域上的一个元素作为N阶方阵A的第i行第j列元素的值，若该域中所有元素均已尝试，则查找失败，否则进入步骤三；

步骤三：如果行号i等于N,定义矩阵K为N阶方阵A的第j到第N列，反之定义矩阵K为N阶方阵A的前i行；若矩阵K在其自身为方阵时不满秩，或者矩阵K存在不满秩的降维方阵，则回到步骤二；反之，如果行号i等于N，列号j等于1，证明寻找完毕，N阶方阵A即为所需编码矩阵；否则进入步骤四；

步骤四：如果行号i等于N，令列号j等于j-1，返回步骤二；反之，令行号i等于i+1，返回步骤二；

按照上述计算方法计算得到N＝3、5时的编码矩阵如下：

$G_{N=3}=\left[\begin{array}{ccc}1& 1& 3\\ 2& 3& 3\\ 2& 1& 2\end{array}\right]$ $G_{N=5}=\left[\begin{array}{ccccc}11& 6& 10& 14& 7\\ 12& 8& 3& 14& 11\\ 11& 3& 13& 13& 1\\ 7& 15& 10& 4& 11\\ 9& 7& 8& 11& 8\end{array}\right]$

以上矩阵分别基于伽罗华域GF(4),GF(16)，主多项式分别为x²+x+1，x⁴+x+1；

第二步：第一个传输阶段分为N个时隙；在第i个时隙，用户i发送数据包x_i，记为y_1,i；在非自身发送数据包的时隙，用户监听接收并缓存其它用户发送的数据包；图1是N＝3时的传输示意图，图中B、C、D分别代表用户一、用户二、用户三在第一个传输阶段发送的数据包，有B=x₁、C=x₂、D=x₃；

第三步：第二个传输阶段分为N个时隙；在第i个时隙，用户i利用在第一步中接收到的编码向量(a_i，1，a_i,2…,a_i,N)，将数据包x_i和在第一个传输阶段中监听到的数据包在伽罗华域上进行线性编码，记编码后得到的数据包为y_2,i，有编码完成后用户i将数据包y_2,i发送给基站；在非自身发送数据包的时隙，用户保持沉默；

图1是设用户组成员个数N＝3时本发明结合高阶域网络编码的协作传输方法的传输示意图，图中E、F、H分别代表用户一、用户二、用户三在第二个传输阶段发送的数据包，有E=a_1,1x₁+a_1,2x₂+a_1,3x₃、F=a_2,1x₁+a_2,2x₂+a_2,3x₃、H=a_3,1x₁+a_3,2x₂+a_3,3x₃；

第四步：在第一个传输阶段和第二个传输阶段这两个传输阶段完成后，基站接收到的数据包如下所示：

基站对接收到的数据包(y_1，1…y_1，N，y_2，1…y_2,N)^T进行循环冗余校验（Cyclic RedundancyCheck），利用其中正确接收到的部分构造出解码方程组，在伽罗华域上通过高斯消元法进行方程组求解从而获得各个用户的源数据；

第五步：返回第二步进行下一次传输。

图2为本发明结合高阶域网络编码的协作传输方法的编码矩阵计算模块的硬件实现系统图。该实现系统包括MSC-51单片机L、外设接口RS-232C、可擦除可编程只读存储器EPROM和随机存取存储器RAM。将可擦除可编程只读存储器EPROM和随机存取存储器RAM连接到单片机L上，单片机L与外设接口RS-232C相互连接用于生成、存储编码矩阵。实现系统的输入参数J为用户协作组中的用户数目N。实现系统的输出P为所需符合构造准则的编码矩阵。将系统参数J通过外设接口RS-232C输入到单片机L，经过运算处理得到输出结果P，由单片机L通过外设接口RS-232C输出。

图3为本发明结合高阶域网络编码的协作传输方法的发送端处理模块的硬件实现系统图，该实现包括数字信号处理器DSP、现场可编程门阵列FPGA、缓冲寄存器BUFFER和外设接口RS-232C。将数字信号处理器DSP、现场可编程门阵列FPGA、缓冲寄存器BUFFER连接到外设接口RS-232C上，数字信号处理器DSP与现场可编程门阵列FPGA、现场可编程门阵列FPGA与缓冲寄存器BUFFER相互连接。实现系统的输入Q为所需处理的数据，输入参数R为编码向量。实现系统的输出S为进行相应处理后的待发送数据。将系统输入Q通过外设接口RS-232C输入到缓冲寄存器BUFFER，现场可编程门阵列FPGA进行逻辑判断处理，判断数据是否需要进行网络编码，不需要则将数据传给外设接口RS-232C输出，反之，数字信号处理器DSP利用输入的系统参数R对数据进行编码处理后通过外设接口RS-232C输出。

图4为本发明结合高阶域网络编码的协作传输方法的接收端处理模块的硬件实现系统图。该实现系统包括数字信号处理器DSP、现场可编程门阵列FPGA、缓冲寄存器BUFFER和外设接口RS-232C。将数字信号处理器DSP、缓冲寄存器BUFFER连接到外设接口RS-232C上，数字信号处理器DSP与现场可编程门阵列FPGA、现场可编程门阵列FPGA与缓冲寄存器BUFFER相互连接。实现系统的输入U为所需处理的数据，输入参数V为编码矩阵。实现系统的输出Y为进行相应处理后的待发送数据。将系统输入U通过外设接口RS-232C输入到缓冲寄存器BUFFER，现场可编程门阵列FPGA进行逻辑判断处理，判断数据已经接收完毕可以构造解码方程组后将数据转交给数字信号处理器DSP，数字信号处理器DSP利用输入的系统参数V对数据进行解码处理后通过外设接口RS-232C输出。

将本发明的协作传输方法的性能与另外三种传输方法进行比较。对比方法一为非协作直接传输，即用户直接向基站发送数据。对比方法二为固定重传协作传输，用户除了直接向基站发送自身数据外还为另外一个确定的用户转发数据。对比方法三为结合二阶域网络编码的协作传输，用户在转发阶段将数据在二阶域上进行线性编码后发送。

下面从系统中断概率的角度来考察方法的性能。

图5给出了设用户组成员个数N＝3时各方法的系统中断概率曲线。曲线a、b、c分别为采用对比方法一、二、三得到的性能曲线，曲线d为采用本发明所述方法得到的性能曲线。从图中可以看出，采用本发明的协作传输方法得到的系统中断概率低于其它所有对比方法，而且曲线有更大的下降斜率，说明本发明的协作传输方法实现了更高的分集增益。这是因为在采用网络编码的协作传输中，只要由正确接收的数据包构成的解码方程组可解，就可获得所有用户的源数据，避免了对单个数据包的过分依赖，因而产生了网络编码增益，提高了可靠性。另一方面，协作传输中采用高阶域网络编码，提高了接收端解码方程组的可解性，从而进一步提升了性能。

图6给出了设用户组成员个数N为5时各方法的系统中断概率曲线。曲线e、f、g分别为采用对比方法一、二、三得到的性能曲线，曲线h为采用本发明结合高阶域网络编码的协作传输方法得到的性能曲线。结合图5可以看到，随着用户数目增多，增加了要保证正确传输的用户数，对比方法一、对比方法二的系统中断概率相比于用户数为3时有所增加，性能下降。而对比方法三以及本发明的协作传输方法，系统中断概率反而下降，性能有了提升。这是因为高阶域网络编码使得转发阶段的每个数据包包含了所有用户的源数据，同时，符合构造准则的编码矩阵保证了基站只要正确收到基本数量的任意数据包，就可以构造可解的方程组解出源数据，而随着用户数和发送数据包数的增加，更容易接收到足够数量的数据包，性能也因此得到改善。

Claims (1)

1.一种结合高阶域网络编码的协作传输方法，各用户根据基站的调度控制来发送数据，基站根据接收到的数据通过硬件解码模块解码输出结果，其特征在于用户与基站依次执行以下步骤：

第一步：对于由N个用户组成的协作用户组中的每个用户i＝1,…,N，以x_i表示用户i需要发送的数据包；基站根据用户组成员个数N按下面所述的具体计算步骤计算出满足构造准则的N阶编码矩阵G，并将该编码矩阵G的N个行向量分别发送给N个用户作为用户的编码向量，记用户i的编码向量为(a_i，1，a_i,2…,a_i,N)，其中a_i，j代表用户i对来自第j个用户的数据包的编码系数；该编码矩阵G满足如下构造准则：在伽罗华域中，矩阵自身满秩，且其所有降维方阵满秩；通过回溯搜寻算法，即通过对一个满足构造准则的N-1阶方阵逐个添加符合要求的第N列以及第N行的元素，来获得一个满足构造准则的N阶方阵A；

所述满足构造准则的N阶编码矩阵G的具体计算步骤如下：

步骤一：初始化一个N-1阶顺序主子式满足构造准则的N阶方阵A，定义变量i,j，分别表示当前所处理的元素的行号和列号，令行号i等于1，列号j等于N；

步骤二：获取伽罗华域上的一个元素作为N阶方阵A的第i行第j列元素的值，若该域中所有元素均已尝试，则查找失败，否则进入步骤三；

步骤三：如果行号i等于N,定义矩阵K为N阶方阵A的第j到第N列，反之定义矩阵K为N阶方阵A的前i行；若矩阵K在其自身为方阵时不满秩，或者矩阵K存在不满秩的降维方阵，则回到步骤二；反之，如果行号i等于N，列号j等于1，证明寻找完毕，N阶方阵A即为所需编码矩阵；否则进入步骤四；

步骤四：如果行号i等于N，令列号j等于j-1，返回步骤二；反之，令行号i等于i+1，返回步骤二；

第二步：将第一个传输阶段分为N个时隙；在第i个时隙，用户i发送数据包x_i，记为y_1,i；在非自身发送数据包的时隙，用户监听接收并缓存其它用户发送的数据包；

第三步：将第二个传输阶段分为N个时隙；在第i个时隙，用户i利用在第一步中接收到的编码向量(a_i，1,a_i，2…,a_i，N)，将数据包x_i和在第一个传输阶段中监听到的数据包在伽罗华域上进行线性编码，记编码后得到的数据包为y_2,i，有 

编码完成后用户i将数据包y_2,i发送给基站；在非自身发送数据包的时隙，用户保持沉默； 

第四步：在第一个传输阶段和第二个传输阶段这两个传输阶段完成后，基站接收到的数据包如下所示：

基站对接收到的数据包(y_1，1…y_1，N，y_2，1…y_2，N)^T进行循环冗余校验，利用其中正确接收到的部分构造出解码方程组，在伽罗华域上通过高斯消元法进行方程组求解从而获得各个用户的源数据；

第五步：返回第二步进行下一次传输。 

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