CN102291203B - 去除短周期循环的分布式网络通道编码方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种去除短周期循环的分布式网络通道编码方法，本发明的中继节点的度分布是固定的，在此基础上优化源节点的度分布函数，所选的源节点是满足预定度分布的，通过选择不同的源节点与中继节点相连接，在构建编码时去除周期为4的短循环。仿真结果表明，当网络内所有短周期循环都消除时，编码的性能会得到明显的改善。

Description

去除短周期循环的分布式网络通道编码方法

技术领域

本发明涉及无线传感网，特别涉及在分布式网络编码过程中去除短周期循环的编码方法。

背景技术

X.Bao等人在【“Adaptive network coded cooperation(ANCC)for wirelessrelay networks：matching code-on-graph with network-on-graph，”IEEE Trans.Wireless Commun.，vol.7，no.2，pp.574-583，Feb.2008.】中提出了一种基于自适应网络编码协作(ANCC)机制的图形编码方案，用于将实时网络拓扑结构与低密度奇偶校验(LDPC)码(由R.Gallager在【Low-Density Parity-Check codes.Cambridge，MA：MIT Press，1963.】中提出)相匹配。LDPC码的性能取决于图形的属性，一个重要的属性是短周期循环，它由两个重要的参数来决定：短周期循环的长度和数量。一个周期循环是指一个图形码连接封闭路径。在LDPC编码中，最短周期循环的长度是4。当图形编码内有短周期循环时，迭代解码器输入在经过两个循环后相关，这会阻止解码算法的收敛。众所周知，LDPC编码的性能取决于长度为4的短周期循环。

为减少短周期循环的影响，X.Hu等人在【E.Eleftheriou and D.Arnold，“Progressive edge-growth Tanner graphs，”IEEE GLOBECOM’01，vol.2，pp.995-1001，Nov.2001.】中提出了一种渐进连接增长(PEG)算法来构造有限长度的LDPC码。该算法在变量和校验节点之间逐步建立连接，由此在一个连接接着一个连接上建立起LDPC码。通过使用这种方法构造的图形编码具有少量的短周期循环。

虽然PEG方法对构造传统的LDPC码有效，但很难在形成分布式网络编码(DNCC)过程中去除短周期循环，这是由于分布式网络编码结构的非集中特性所决定的。由于分布式网络编码的形成是来自各个不同的节点，分散的编码结构使得它很难消除短周期循环，这样就使编码的性能降低了。

发明内容

针对短周期循环对分布式网络编码性能的影响，申请人经过研究改进，提出一种去除短周期循环的分布式网络通道编码方法，可以消除网络内的短周期循环，使编码的性能得到明显的改善。

本发明的技术方案如下：

一种去除短周期循环的分布式网络通道编码方法，包括如下步骤：

1)设定网络的初始参数：其中源节点度分布为

计数变量为

组群大小为|C|，源节点个数为M，源节点和中继节点的总数为N，组群个数为C_n＝(N-M)/|C|；

2)组群索引值I_C加1

2.1)在组群

内，将第j个中继节点r_j的索引值设为1；

2.1.1)从第j个中继节点r_j的检索集F_j中选择一个合格的源节点s_i构成第一个链接

计数变量d_u(s_i)减去1；

2.1.2)图形随着链接的增加而呈树状扩张，将树从第j个中继节点r_j延伸到组群设置下的最大深度i，所有符合资格源节点的集合

不再增长，但数值小于j，或者其互补集合

但是 ${\stackrel{\‾}{N}}_{r_j}^{l+1}=\mathrm{\φ};$

2.1.3)检查源节点s_i以避免任何群内周期4循环，并保证d_u(s_i)≠0；若上述任何一个条件没满足，就从所有符合资格源节点的集合

内挑选另外的源节点s_i+1；否则，在其互补集合

中选择一个有最大可用度的符合资格的源节点s_i；

2.1.4)用步骤2.1.3)中选出的源节点组成第k个链接

当k达到预先设定的中继节点度

时，选择停止；

2.2)重复步骤2.1)直到，j＝|C|；

3)重复步骤2)，直到I_C＝C_n。

本发明的有益技术效果是：

本发明基于网络图形编码匹配的原则提出了一个分布式的去除短周期循环的算法。在本发明中，中继节点的度分布是固定的，在此基础上优化源节点的度分布函数，所选的源节点是满足预定度分布的。通过选择不同的源节点与中继节点相连接，可以在构建编码时去除周期为4的短循环。模拟结果表明当群的大小增加时，码性能得到了提高。当网络中去除了周期4短循环，本发明设计的码可以降低误码平层，与带有周期4短循环相比，编码可以获得1.5分贝的增益。

附图说明

图1是一个包括6源节点，6个中继节点的网络中的组群内和组群间的周期4循环的示意图。

图2是本发明去除周期4循环的两种策略与具有周期4的无规则码的性能比较图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本发明做进一步说明。

系统模型

本发明以一个大型的无线传感网作为研究模型，该无线传感网带有M个源节点和N-M个中继节点，总共N个源节点及中继节点与一个共同的目的地去进行通信。假设所有网络的通信信道在空间上都是独立的，并有相同的发射信噪比。并且考虑在瑞利快衰落信道，符号和符号间的通道变化是相互独立的。假设s_i代表第i个源节点，r_j代表第j个中继节点。另外将所有节点噪声信号模型为方差为N₀/2的复高斯随机变量，从s_i到r_j的发射信噪比定义为γ_i，j＝E_s/N_C，这里E_s是每个发射信号的能量。采用BPSK调制计划并且假设在接收机端可以准确的估计信道状态信息(CSI)。发射的信号为x_i＝(-1)^c∈{±1}，这里c∈{0，1}是发射的二进制符号。

在每个循环中，整体的传输是以时间分割方式，经过广播阶段和合作阶段这两个时间阶段来完成的。

在广播阶段，每个源节点s_i，i∈{1，....，M}，按照顺序将信息符号广播给目的地节点和中继节点。第j个中继节点接收到的第i个源节点的信号可以写作y_i，j＝h_i，jx_i+n_i，j，这里h_i，j和n_i，j分别为信道衰落系数和噪音。在每个中继节点r_j，j∈{1，...，N-M}，计算接收信号的对数似然比(LLR)并与一个预定的门限ψ_r做比较，如果LLR的值比ψ_r高，那么我们就认为r_j可以被正确解码。r_j将在检索集F_j里存入这些符合资格的源节点。

在合作阶段，每个中继节点从检索集F_j里选择若干源符号。每个中继节点所选的源节点是由它们预定的度分布来决定的，该度分布式是通过基于外信息转移图的编码设计而获得的(参见文献【K.Pang，Z.Lin，Y.Li and B.Vucetic，“Design of distributed networkchannel codes for wireless sensor networks，”in Proc.IEEE International Conference on Communications ICC 2011，Kyoto，Japan，Jun.2011.】第3部分)。中继节点对每个收到的来自选定的源节点的符号做硬判决。然后每个中继节点在GF(2)领域内做出二进制求和来生成一个校验符号。最后在目的地终端，获得一个不规则系统性低密度生成矩阵码(LDGM)，它是由广播阶段接收的信息符号和合作阶段的校验符号组合形成的。

分布式去除周期为4的短循环的算法

在上述分散型代码结构中，每个中继节点对源节点进行选择，以形成相应的LDGM编码图形。当前的中继节点r_j可以从以前的中继节点r_k，k∈{1，...，j-1}来获得网络拓扑知识(NTK)，比如可用度以及网络中选定源节点的位置。要处理这样的信息交流，网络中的节点可以根据中继节点分为几个小组群。这里有两种NTK：部分NTK和完整NTK。部分NTK是指中继节点r_j只知道选定源节点的可用度，但在整个集群里不提供连接的细节；因此在中继节点和源节点之间的新连接可能会得到周期为4的短循环。完整NTK包括选定的源节点的可用度以及源节点与中继节点之间连接的完整信息，这种类型的NTK在r_j选择源节点不会给整个网络带来任何周期为4的短循环。

在本发明中，分别考虑两种在组群之间信息交换的策略，策略1是在部分NTK基础上注重消除组群内的周期4短循环，而策略2是在完整NTK基础上专注于消除组群内以及组群间的周期4短循环。

A.符号说明：

如果一个源符号s_i是从r_j中继节点的检索集F_j选出的，就认为这个链接是符合资格的选定链接。这相当于校验矩阵H中的第i行和第j列的非零项输入。校验矩阵H可以由唐纳图(Tanner graph)来表示，图形的左面由源节点组成，对应于代码信息符号；图形的右面由中继节点组成，对应于图形的奇偶校验(参见文献【K.Pang，Z.Lin，Y.Li and B.Vucetic，“Design of distributednetworkchannel codes for wireless sensor networks，”in Proc.IEEE InternationalConference on Communications ICC 2011，Kyoto，Japan，Jun.2011.】。记

为r_j的符合资格选定链接集合，并且

所有在

的源节点称作r_j的邻居。对于一个给定的中继节点r_j，唐纳图可以表示为树形结构。树的根为r_j，树枝在深度i内扩散到与它连接的源节点，即(r_j，s_i)，以及与s_i相连的以前的中继节点(s_i，r_k)(不包括中继节点r_j)。这里定义

为所有在组群里达到深度为i的符合资格源节点的集合。它的互补集合

定义为

${\stackrel{\‾}{N}}_{r_j}^l\∪N_{r_j}^l=F_j.$

B.算法描述

为更好的理解本算法，给出以下两个定义：

一个组群内周期4循环：是在网络中介于源节点和中继节点(即s_a，s_b，r_m和r_n)之间的连接序列，它开始和终止于中继节点r_m。形成的连接中，中继节点r_m和r_n是在同一组群内的。

一个组群之间的周期4循环：是在网络中介于源和中继节点(即s_a，s_b，r_m和r_n)之间的连接序列，它开始和终止于中继节点r_m。形成的链接中，中继节点r_m和r_n是分别在不同组群里边。

图1是一个组群内和组群间的周期4循环的例子。如图1所示，一个包括6个源节点，6个中继节点的网络，在目标节点形成长度为12的LDGM编码码，这里r₀，r₄，s₁和s₂形成组群间周期4循环，r₁，r₂，s₀和s₃形成组群内周期4循环。

首先解释源节点的选择，中继节点和源节点之间是根据他们的度分布连接的。对于一个具有t度的源节点s_i，记为d(s_i)＝i，中继节点不可以选择其次数大于t次。为避免s_i被过多的选择，引进了一个计数变量d_u(s_i)，用它来在选择程序中计算s_i的连接次数。在本算法中，中继节点和源节点的选择程序总是在集合

(所有符合资格源节点的互补集)中来找最大可用度的候选对象。中继节点根据源节点在网络中的位置顺序进行选择，即s₁，s₂，…，s_M。有时一些源节点在运行一定的挑选程序后没有留下任何可用度。这时候，中继节点就从

中拣选下一个可用源节点。

下面给出利用分布式算法来去除周期4循环的编码码方法。首先设定网络中的必要的参数，比如源节点度分布

网络中组群的大小|C|(假设每个组群的大小都一样)，这样网络中就有C_n＝(N-M)/|C|个组群，计数变量为

在中继节点r_j的检索集F_j中选择一个有资格的源节点s_i后，第一个连接

就建立了。然后源节点s_i的可用度d_u(s_i)减去1。基于中继节点r_j，图形随着连接的增加而增长就像树枝扩张一样，直到在达到组群设置下的最大深度i时增长停止，此时

但是

在图形创建过程中，任何源节点的选择程序必须同时满足两个条件：1)与源节点s_i的连接将不应给图形中带来任何组群内周期4循环，否则程序就将s_i丢弃并继续选择直到与s_i+1合理源节点连接上；2)任何源节点s_i的度都要在选择前进行检查，如果这个源节点没有剩余的度，那么中继节点r_j就会从中挑选另外的源节点s_i+1，这样第k个链接

就由这个选择的源节点形成。当k达到指定的中继节点度时，选择就结束了。最新的NTK将被更新，程序继续在所有源节点和组群内相应的中继节点间选择下一个符合资格链接。

这样的分布式选择操作只是增加了搜索的复杂性，尤其是在组群内的最后几个中继节点。这是因为NTK是按次序得到的。在开始，中继节点r₀可以在它的检索集内选择任何的源节点，然后中继节点r₁需要检查r₀的NTK。然后依次r_j需要检查前一个节点r_k的NTK，k∈1，…，j-1。组群越小，复杂度越少。

分布式去除周期为4的短循环算法小结：

1，设定网络的初始参数

${\left\{d_s\left(i\right)\right\}}_{i=2}^M,$ $d_u\left(s_i\right)={\left\{d_s\left(i\right)\right\}}_{i=2}^M,$ C_n＝(N-M)/|C|。

2，组群索引值I_C加1

2.1在组群

内，将r_j的索引值设为1。

2.1.1从r_j的F_j中选择一个合格的s_i来构成第一个链接d_u(s_i)减去1。

2.1.2在组群设置内将树从r_j延伸到深度i，基数

不再增长，但数值小于j，或者

但是

2.1.3检查s_i来避免任何群内周期4循环和保证d_u(s_i)≠0。如果其中任何一个条件没满足，就从

内挑选另外的s_i+1。否则，在中选择一个有最大可用度的合资格的s_i。

2.1.4用2.1.3中选出的源节点组成第k个链接

当k达到预先设定的中继节点度

选择就停止了。

2.2重复步骤2.1直到，j＝|C|。

3，重复步骤2，直到I_C＝C_n。

仿真结果

本仿真中的无线传感网是由1000个源节点和1000个中继节点组成的。编码率是1/2，目标节点形成的码字长度为2000。在分布式无规则LDGM码中运用同一中继节点度的约束条件，对其具有和没有周期4短循环的情况进行仿真来比较他们的性能表现。

图2给出了利用分布式去除周期4循环算法中的两种不同策略的系统性能表现，并将该两种策略与具有周期4的无规则码的性能进行比较。图2表明两种策略下，部分和完整网络拓扑交换的性能区别。从图2可知，与此前设计的分布式无规则具有周期4循环的LDGM码相比，两个去除周期4循环的策略的性能都得到了提高。两个策略都可以降低误码平层区域。对于策略2，在5dB的时候，错码平层将会由3×10^-5降到7×10^-6。这个显著结果应该受到重视而不被低估。当BER＝10^-5，与不规则具有周期4循环的LDGM码的误码平层区域相比，采用策略2的算法可获得1.5分贝的增益。另外，策略1(即群内周期4循环去除)依赖于组群的大小。组群越大，群内周期4循环越可以被清除，编码性能越好。群的大小为500时性能表现最好。策略2(即群内和群间4周期去除)，由于在网络中可以共享所有的网络拓扑结构，所以全部周期4循环都可以删除掉，因此性能是最好的。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的基本构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种去除短周期循环的分布式网络通道编码方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）设定网络的初始参数：其中源节点度分布为

计数变量为

组群大小为|C|,源节点个数为M，源节点和中继节点的总数为N，组群个数为C_n=(N-M)/|C|；

2）组群索引值I_C加1

2.1）在组群

内，将第j个中继节点r_j的索引值设为1；

2.1.1）从第j个中继节点r_j的检索集F_j中选择一个合格的源节点s_i构成第一个链接

计数变量d_u(s_i)减去1；

2.1.2）图形随着链接的增加而呈树状扩张，将树从第j个中继节点r_j延伸到组群设置下的最大深度i，所有符合资格源节点的集合

不再增长，但数值小于j，或者其互补集合

但是

2.1.3）检查源节点s_i以避免任何群内周期4循环，并保证d_u(s_i)≠0；若上述任何一个条件没满足，就从所有符合资格源节点的集合内挑选另外的源节点s_i+1否则，在其互补集合中选择一个有最大可用度的符合资格的源节点s_i；

2.1.4）用步骤2.1.3）中选出的源节点组成第k个链接

当k达到预先设定的中继节点度

时，选择停止；

2.2）重复步骤2.1）直到，j=|C|;步骤2.1）包括步骤2.1.1）至步骤2.1.4）；

3）重复步骤2），直到I_C=C_n；步骤2）包括步骤2.1）至步骤2.2）。

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