CN102377523B - 时分双工无线中继蜂窝网络的网络编码方法及通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种时分双工无线中继蜂窝网络的网络编码方法，属于网络编码技术领域。本发明在时分双工无线蜂窝网络中加入中继节点来增大网络覆盖范围和提高无线链路的链接可靠性，在中继节点端考虑使用网络编码技术来提高数据吞吐量。在同一个蜂窝小区的两个相互通信的移动终端，可以借助中继节点来进行相互通信，可以使尽可能多的移动终端欲接收的数据包参与网络编码，从而可以减少中继节点发送数据包所需的时隙数，尽可能提高无线网络数据吞吐量。本发明还公开了一种时分双工无线中继蜂窝网络的通信方法。

Description

时分双工无线中继蜂窝网络的网络编码方法及通信方法

技术领域

本发明涉及一种时分双工无线蜂窝网络的通信方法，尤其涉及一种通过中继节点对数据进行网络编码，从而提高无线网络数据吞吐量的时分双工无线中继蜂窝网络的通信方法，属于网络编码技术领域。

背景技术

在蜂窝网络中加入中继节点可以增大网络的覆盖范围，提高无线链路的链接可靠性，因而被认为是未来无线蜂窝网络的发展方向之一。网络编码技术首先由Ahlsuedu等学者在“IEEE Tran.Info.Theory，2000，46(7)：1204-1216”上所发表的论文“Network information flow”中提出。依照该技术，中间节点对所接收到的数据包进行网络编码后再转发，而不是简单的路由转发，在特定的网络拓扑结构中(如该论文中的“蝶形”网络)可以相应提高网络吞吐量。因而可以考虑将网络编码技术和中继技术相结合，通过中继技术来提高网络覆盖范围和无线链路的链接可靠性，通过在中继节点对所接收的数据包进行网络编码来提高网络数据吞吐量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种时分双工无线中继蜂窝网络的网络编码方法，通过该方法，可以使尽可能多的移动终端通过网络译码获得欲接收的数据包，从而减少中继节点发送数据包所需要的时隙数，提高无线网络数据吞吐量。

本发明采用以下技术方案：

一种时分双工无线中继蜂窝网络的网络编码方法，所述时分双工无线中继蜂窝网络的每个蜂窝小区中具有至少一个具有网络编码功能的中继节点，以及具有网络译码功能的多个移动终端；所述中继节点从所接收的多个数据包中选择两个或两个以上数据包进行网络编码，形成网络编码数据包，并转发网络编码数据包；与当前发射信号的移动终端相邻的中继节点及其它移动终端可以侦听到当前发射信号的移动终端所发送的信号；所述中继节点从所接收的多个数据包中选择两个或两个以上数据包进行网络编码，形成网络编码数据包；具体按照以下方法：

如果 $Y_i\⊆X_i,$ 则                                        (*)

对于

如果

成立，则Y_i中的数据包均可以参与网络编码；

否则，跳转到(**)；

否则，跳转到(**)；

删除S_i中一个或几个移动终端，跳转到(*)；               (**)

其中，X_i表示中继节点r_i根据所接收信号在物理层进行解调、解码，网络层进行网络译码所恢复出的移动终端所发送的数据包集合；S_i表示中继节点r_i所覆盖的移动终端的集合；Y_i表示S_i中移动终端所对应的需接收的数据包集合；Z_i表示移动终端s_i根据所接收信号在物理层进行解调、解码，网络层进行网络译码所恢复出的其它移动终端所发送的数据包集合；θ_i：移动终端s_i所发送的数据包；θ_i′：移动终端s_i所欲接收的数据包。

根据本发明的发明思路，还可得到一种时分双工无线中继蜂窝网络的通信方法，所述时分双工无线中继蜂窝网络的每个蜂窝小区中具有至少一个具有网络编码功能的中继节点，以及具有网络译码功能的多个移动终端；与当前发射信号的移动终端相邻的中继节点及其它移动终端可以侦听到当前发射信号的移动终端所发送的信号；蜂窝小区中的通信过程包括两个阶段：

第一阶段：蜂窝小区中的所有移动终端分别占用一个时隙轮流广播发送数据包；与当前时隙发射信号的移动终端相邻的中继节点和其它移动终端侦听当前时隙发射信号的移动终端所发送的数据包，并将该数据包存入各自缓存区；

第二阶段：蜂窝小区中的各中继节点从自己的缓存区选取部分或全部数据包，进行网络编码后，分别占用一个时隙发送出去；与当前时隙发送数据的中继节点相邻的移动终端和其它中继节点侦听并恢复出当前时隙发送数据的中继节点所发送的网络编码后的数据包，在网络层尝试通过网络译码来恢复出各移动终端在第一阶段所发送的数据包，并将恢复出的数据包存入各自缓存区；如果移动终端不能获得自己所需要接收的数据包，并且自己缓存区中的数据包已发生改变，则该移动终端通过控制信道，将自己欲接收的数据包标识信息和已接收到的其它移动终端发送的数据包标识信息通过控制信道发送给相邻的中继节点；

第二阶段中对于任一当前发送数据的中继节点r_i，其数据处理按照以下步骤：

步骤1、中继节点r_i对所接收到的信号在物理层进行解调、解码，并在网络层进行网络译码，尽可能恢复出其它移动终端所发送的数据包，然后将数据包存入缓存区；

步骤2、中继节点r_i按照以下方法选取缓存区中的部分或全部数据包进行网络编码：

如果 $Y_i\⊆X_i,$ 则                                       (*)

对于

如果

成立，则Y_i中的数据包均可以参与网络编码；

否则，跳转到(**)；

否则，跳转到(**)；

删除S_i中一个或几个移动终端，跳转到(*)；                 (**)

步骤3、如

中继节点r_i将网络编码后的数据包

广播发送出去；

其中，X_i表示中继节点r_i根据所接收信号在物理层进行解调、解码，网络层进行网络译码所恢复出的移动终端所发送的数据包集合；S_i表示中继节点r_i所覆盖的移动终端的集合；Y_i表示S_i中移动终端所对应的需接收的数据包集合；Z_i表示移动终端s_i根据所接收信号在物理层进行解调、解码，网络层进行网络译码所恢复出的其它移动终端所发送的数据包集合；θ_i：移动终端s_i所发送的数据包；θ_i′：移动终端s_i所欲接收的数据包。

所述在网络层尝试通过网络译码来恢复出各移动终端在第一阶段所发送的数据包，具体为：假定移动终端或中继节点s_i从中继节点所获得的数据包为

而数据包

已在s_i的缓存区中(即

)，则s_i通过以下运算来获得数据包θ_i′：

$({\mathrm{\θ}}_{i^{\′}}\⊕{\mathrm{\θ}}_{i_1}\⊕{\mathrm{\θ}}_{i_2}L\⊕{\mathrm{\θ}}_{i_x})\⊕{\mathrm{\θ}}_{i_1}\⊕{\mathrm{\θ}}_{i_2}L\⊕{\mathrm{\θ}}_{i_x}={\mathrm{\θ}}_{i^{\′}}.$

采用本发明方法，在同一个蜂窝小区的两个相互通信的移动终端，可以借助中继节点来进行相互通信，可以使尽可能多的移动终端欲接收的数据包参与网络编码，从而可以减少中继节点发送数据包所需的时隙数，尽可能提高无线网络数据吞吐量。

附图说明

图1为具体实施方式中所述时分双工无线中继蜂窝网络的结构示意图；

图2为一个中继节点进行网络编码的工作示例；

图3为中继节点进行网络编码的工作流程图，图中各字母含义如下，

χ_i：中继节点r_i根据接收信号在物理层进行解调、解码，网络层进行网络译码所恢复出的其它移动终端所发送的数据包集合；

S_i：中继节点r_i所覆盖的移动终端集合；

Y_i：S_i中移动终端对应的需接收的数据包集合；

Z_i：移动终端s_i根据接收信号在物理层进行解调、解码，网络层进行网络译码所恢复出的其它移动终端所发送的数据包集合；

θ_i：移动终端s_i所发送的数据包；

θ_i′：移动终端s_i所欲接收的数据包。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

本发明所涉及的时分双工无线中继蜂窝网络的结构如图1所示，该时分双工无线中继蜂窝网络的每个蜂窝小区中具有至少一个具有网络编码功能的中继节点，以及具有网络译码功能的多个移动终端；与当前发射信号的移动终端相邻的中继节点及其它移动终端可以侦听到当前发射信号的移动终端所发送的信号。

考虑一个时分双工无线蜂窝小区，该小区包含有L个移动终端s₁，s₂，L，s_L和M个中继节点r₁，r₂，L，r_M。该时分通信过程包括两个阶段：

第一阶段：由L个移动终端在L个时隙内轮流广播发送数据包。与当前时隙发射信号的移动终端相邻的中继节点和其它移动终端可以利用所接收的信号，恢复出当前时隙发射信号的移动终端所发送的数据包，并将该数据包存入各自缓存区。

第二阶段由M个中继节点在各自所给定的M个时隙内轮流发送数据包。当前时隙发送数据的中继节点，从自己的缓存区选取部分或全部数据包，进行网络编码后发送出去。与当前时隙发送数据的中继节点相邻的移动终端和其它中继节点利用所接收的信号，恢复出当前时隙发送数据的中继节点所发送的网络编码后的数据包，并在网络层尝试通过网络译码来恢复出各移动终端在第一阶段所发送的数据包，并将恢复出的数据包存入各自缓存区。如果移动终端不能获得自己所需要接收的数据包，并且自己缓存区中的数据包已发生改变，则该移动终端可通过控制信道，将自己欲接收的数据包标识信息和已接收到的其它移动终端发送的数据包标识信息通过控制信道发送给相邻的中继节点。

图2给出了一个中继节点进行网络编码的工作示例。

在该示例中，中继节点r_i所能正确接收的数据包集合为X_i＝{θ_G，θ_K，θ_A′，θ_B′，θ_C′，θ_D′，θ_A，θ_B，θ_C，θ_D}，r_i所能覆盖的移动终端集合为S_i＝{s_A，s_B，s_C，s_D}，S_i中移动终端分别所对应的欲接收的数据包的集合为Y_i＝{θ_A′，θ_B′，θ_C′，θ_D′}，移动终端s_A所能正确接收的数据包集合为Z_A＝{θ_E，θ_F，θ_B′，θ_C′}，移动终端s_B所能正确接收的数据包集合为Z_B＝{θ_G，θ_H，θ_I，θ_A′，θ_C′}，移动终端s_C所能正确接收的数据包集合为Z_C＝{θ_J，θ_K，θ_R，θ_A′，θ_B′}，移动终端s_D所能正确接收的数据包集合为Z_D＝{θ_S，θ_T，θ_U，θ_A′}。

图3为所给出了中继节点进行网络编码的工作流程图。

根据图3所示的中继节点进行网络编码的工作流程图，图2中的中继节点r_i进行网络编码过程如下：

但

故不能将Y_i中的数据包编码成

可考虑将移动终端s_D从集合S_i删除，此时S_i＝{s_A，s_B，s_C}，Y_i＝{θ_A′，θ_B′，θ_C′}，则有 $Y_i\⊆Z_{A}U\{{\mathrm{\θ}}_A,{\mathrm{\θ}}_{A^{\′}}\},$ $Y_i\⊆Z_{B}U\{{\mathrm{\θ}}_B,{\mathrm{\θ}}_{B^{\′}}\},$ $Y_i\⊆Z_{C}U\{{\mathrm{\θ}}_C,{\mathrm{\θ}}_{C^{\′}}\},$ 故可将此时Y_i中的数据包网络编码成

后广播发送出去。

移动终端s_A接收到数据包后，可以利用

获得欲接收的数据包θ_A′。

移动终端s_B接收到数据包

后，可以利用

获得欲接收的数据包θ_B′。

移动终端s_C接收到数据包

后，可以利用

获得欲接收的数据包θ_C′。

如果不通过网络编码，则中继节点需利用三个时隙分别向移动终端s_A发送数据包θ_A′，移动终端s_B发送数据包θ_B′，移动终端s_C发送数据包θ_C′。而通过网络编码，中继节点只需利用一个时隙发送网络编码数据包

移动终端s_A，s_B，s_C可分别通过网络译码获得欲接收的数据包θ_A′，θ_B′和θ_C′，故可相应减少中继节点发送数据所需时隙数，提高无线网络的数据吞吐量。

Claims (2)

1.一种时分双工无线中继蜂窝网络的通信方法，所述时分双工无线中继蜂窝网络的每个蜂窝小区中具有至少一个具有网络编码功能的中继节点，以及具有网络译码功能的多个移动终端；其特征在于，与当前发射信号的移动终端相邻的中继节点及其它移动终端可以侦听到当前发射信号的移动终端所发送的信号；蜂窝小区中的通信过程包括两个阶段：

第一阶段：蜂窝小区中的所有移动终端分别占用一个时隙轮流广播发送数据包；与当前时隙发射信号的移动终端相邻的中继节点和其它移动终端侦听当前时隙发射信号的移动终端所发送的数据包，并将该数据包存入各自缓存区；

第二阶段：蜂窝小区中的各中继节点从自己的缓存区选取部分或全部数据包，进行网络编码后，分别占用一个时隙发送出去；与当前时隙发送数据的中继节点相邻的移动终端和其它中继节点侦听并恢复出当前时隙发送数据的中继节点所发送的网络编码后的数据包，在网络层尝试通过网络译码来恢复出各移动终端在第一阶段所发送的数据包，并将恢复出的数据包存入各自缓存区；如果移动终端不能获得自己所需要接收的数据包，并且自己缓存区中的数据包已发生改变，则该移动终端通过控制信道，将自己欲接收的数据包标识信息和已接收到的其它移动终端发送的数据包标识信息发送给相邻的中继节点；

第二阶段中对于任一当前发送数据的中继节点r_i，其数据处理按照以下步骤：

步骤1、中继节点r_i对所接收到的信号在物理层进行解调、解码，并在网络层进行网络译码，尽可能恢复出其它移动终端所发送的数据包，然后将数据包存入缓存区；

步骤2、中继节点r_i按照以下方法选取缓存区中的部分或全部数据包进行网络编码：

如果

则    (*)

对于

如果

成立，则中的数据包均可以参与网络编码；

否则，跳转到(**)；

否则，跳转到(**)；

删除

中一个或几个移动终端，跳转到(*)；    (**)

步骤3、如中继节点r_i将网络编码后的数据包

广播发送出去；

其中，

表示中继节点r_i根据所接收信号在物理层进行解调、解码，网络层进行网络译码所恢复出的移动终端所发送的数据包集合；

表示中继节点r_i所覆盖的移动终端的集合；

表示

中移动终端所对应的需接收的数据包集合；

表示移动终端

根据所接收信号在物理层进行解调、解码，网络层进行网络译码所恢复出的其它移动终端所发送的数据包集合；

移动终端

所发送的数据包；

移动终端

所欲接收的数据包。

2.如权利要求1所述时分双工无线中继蜂窝网络的通信方法，其特征在于，所述在网络层尝试通过网络译码来恢复出各移动终端在第一阶段所发送的数据包，具体为：假定移动终端s_i或中继节点r_i从当前时隙发送数据的中继节点所获得的数据包为 ${\mathrm{\θ}}_{i^{\′}}\⊕{\mathrm{\θ}}_{i_1}\⊕{\mathrm{\θ}}_{i_2}...\⊕{\mathrm{\θ}}_{i_x},$ 而数据包 ${\mathrm{\θ}}_{i_1},{\mathrm{\θ}}_{i_2},...{,\mathrm{\θ}}_{i_x}$ 已在s_i或r_i的缓存区中，即 表示s_i或r_i根据所接收信号在物理层进行解调、解码，网络层进行网络译码所恢复出的其它移动终端所发送的数据包集合，则s_i或r_i通过以下运算来获得数据包θ_i'：

$({\mathrm{\θ}}_{i^{\′}}\⊕{\mathrm{\θ}}_{i_1}\⊕{\mathrm{\θ}}_{i_2}...\⊕{\mathrm{\θ}}_{i_x})\⊕{\mathrm{\θ}}_{i_1}\⊕{\mathrm{\θ}}_{i_2}...\⊕{\mathrm{\θ}}_{i_x}={\mathrm{\θ}}_{i^{\′}}.$

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