CN102571305B - 一种协同通信中自动重传请求的实现方法 - Google Patents

Abstract

一种协同通信中自动重传请求的实现方法，为一种协同通信中自动重传请求的低复杂度实现方案，给定最大重传次数N，中继节点只能在源节点第K轮传输完成后进行传输。源节点向目的节点发送信息，目的节点接收成功后源可以继续传输新信息，若目的节点接收不成功，源节点重传原来的信息，此过程一直进行直到源完成第K轮传输，若目的节点仍然不能成功译码但中继节点可以译码，则中继节点开始重传；否则还是源继续重传原来信息。本发明可以解决原有协同ARQ协议中实现复杂度过高的问题，同时吞吐量损性能失不大。

Description

一种协同通信中自动重传请求的实现方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及协同通信，为协同通信中自动重传请求的一种低复杂度实现方法。

背景技术

协同通信是无线通信领域近十年来的一项重要技术成就，它通过利用分布在空间中节点的天线来形成发送或接收虚拟天线阵列，可以获得空间分集增益、提高覆盖范围并且提高通信速率。

传统的多天线技术要求在一个节点上安装多个天线单元，要实现天线间的独立传输还要求天线间距至少要超过发射信号波长的1/2，这就使得多天线技术多用在体积大功率高的节点上，例如蜂窝通信的基站上，而体积小或功率低的节点一般都无法使用多天线技术。协同通信正好可以克服节点体积小不能安装多个天线单元的不足，通过利用在不同节点上的天线联合发送数据形成虚拟(或分布式)多天线技术，可以获得多天线技术的好处，包括空间分集和传输速率的提高。协同通信也已经被接纳成为第四代移动通信的标准物理层技术并且可以广泛地应用于无线传感器网络中。

虽然协同通信可以获得空间分集提高信息传输质量，但它并不能保证信息的全部、完全正确接收，这样就需要使用上层协议的重传机制来重传错误的接收信息。自动重传请求ARQ(Automatic Repeat-reQuest)是开放式通信系统互联OSI模型中数据链路层的错误纠正协议之一，协同通信中的自动重传请求ARQ机制是传统点对点ARQ机制的扩展。与传统ARQ中源节点重传不同的是协同ARQ的重传一般利用中继节点来完成，这样就可以获得空间分集增益。

文章《Diversity-Multiplexing-Delay Tradeoff in Half-Duplex ARQ Relay Channels》(Tabet等，IEEE Transactions on Information Theory)给出了一种三节点协同ARQ传输方案，称为TDK协议：源节点和目的节点以传统的ARQ方式进行通信，中继节点实时监听来自于源节点的信息。若经过几轮ARQ传输后，中继节点积累的信息足够正确译码来自于源节点的信息，它译出源节点信息并对其重新进行编码，然后在接下来的传输中与源节点进行联合分布式空时编码向目的节点传输。TDK协议具有良好的吞吐量，满足协同通信的性能需求，然而TDK协议的实现受到以下条件的限制：(1)中继节点需要一直监听信道，直到它积累了足够多的信息能正确译出来自于源节点的信息，这样就需要中继节点有认知的能力；(2)目的节点要知道中继节点是何时参与协同传输的，这样要求目的节点能够检测出中继节点开始传输的时间，增加了接收机的复杂度；(3)在中继节点和源节点进行联合分布式空时编码时要保证严格的同步，包括时间和频率同步，尤其是频率的同步，因为源节点和中继节点的振荡器不同，要保证目的节点同时接收来自于源和中继的信息在实际中实现非常困难。这些限制使得TDK在实际中实现比较困难，尤其对于无线传感器网络这种应用场景，体积(功率)受限的节点无法克服以上不足。因此需要找到低复杂度的协同ARQ实现方案，同时又不至于性能损失太大。

发明内容

本发明要解决的问题是：现有协同ARQ协议实现复杂度高或实现条件苛刻，如在中继节点和源节点进行联合分布式空时编码时要保证严格的同步，在实际中难以实现，无法直接应用，尤其是在无线传感器网络中；需要找到低复杂度的协同ARQ实现方案，同时又不至于性能损失太大。

本发明的技术方案为：一种协同通信中自动重传请求的实现方法，协同通信系统中包括源节点、中继节点和目的节点三种节点，中继节点工作在半双工方式，源节点的最大重传次数为N，N＞1，设定中继节点在源节点第K轮传输失败后开始向目的节点转发源节点的信息，0＜K＜N，信息为码字形式，每个码字分成N个等长部分，以增量冗余的方式传输，具体为：

在通信开始后，源节点在第一轮传输中向目的节点传输码字的第一部分信息，若目的节点接收并译码成功，它向源节点反馈一个ACK信号，接收到ACK信号后源继续传输新信息；反之，若目的节点接收不成功，它反馈一个NACK信号，接收到NACK信号后，源节点在第二轮传输中重新传输该码字的第二部分，目的节点合并两轮传输接收到的信息并进行译码，若译码成功，目的节点反馈一个ACK信号，源节点接收到ACK信号后继续传递新信息，若译码不成功，目的节点反馈NACK信号，源节点收到后进入第三轮的传输，传输该码字的第三部分；如果到第K轮传输源节点还是收到目的节点的NACK信号，源节点暂时停止传输，中继节点对接收的源节点数据开始译码，若此时中继节点能够正确译码来自于源节点的信息，中继节点在剩下的N-K轮的传输时间内向目的节点重传码字剩余的部分，而源节点不再传输，若此时中继译码失败，源节点在剩下的传输时间内继续向目的节点传输码字剩余的部分；目的节点合并接收到的信息，包括前K轮源节点传输的信息和在剩下的N-K轮的传输时间内传输的信息，并译码，若译码成功则传输成功，否则传输失败通信系统中断。

源节点和中继节点工作在同一频段上，采用时分多址的方式接入，中继信道与直接传输信道相互独立，每轮传输的时间为T，每个码字的长度为N*T，分成N个等长部分，通信开始前源节点首先向目的节点发送一个RTS信号，接收到RTS信号后，目的节点反馈一个CTS信号，完成握手，开始传输信息。

中继节点向目的节点进行重传时，若中继节点译码成功，它向目的节点发送一个R-RTS信号请求帮助重传，目的节点收到该信号后反馈一个R-CTS信号，完成握手后中继开始重传，中继节点重新编码来自于源节点的信息，并在剩下的N-K轮的传输时间内发送码字的后面的部分，与此同时，中继节点向源节点反馈一个R-ACK信号，接收到R-ACK信号后，源节点保持静默不再传输；若中继节点译码失败，它向源节点反馈一个R-NACK信号，源节点接收到R-NACK信号后，在剩下的N-K轮的传输时间内传输码字的剩余部分。

本发明中，中继节点固定在第K轮传输完成后才开始重传，K值越大，则中继译码成功的概率也相应增大。因为TDK协议也总是在中继译码成功后开始重传，监听积累的信息越多，中继译码的成功率越高，所以K较大时，本发明方法的中继译码成功率提高，能获得TDK协议中中继节点总是在成功译码后开始重传的效果，其吞吐量也接近于TDK协议。

本发明所提的方法还具有以下优点：

(1)本发明方法中，中继节点不需要一直监听信道直到它可以译码，中继节点只需要在第K轮传输完成后开始译码，因此它不像TDK协议那样需要有认知的能力，这样实现比较简单；

(2)本发明方法中，通过握手信息，目的节点知道源节点是何时开始传输的，结合设置的K的值，目的节点知道接收的信息哪部分是源节点传输的，哪部分是中继节点传输的，不像TDK协议需要在目的节点专门配置检测设备来确定中继节点是何时开始传输的，这样目的节点的复杂度就降低了；

(3)本发明方法中不存在源和中继的联合分布式空时编码传输，所以不存在TDK协议中需要严格时间和频率同步的问题。

综上所述，本发明相比现有技术，实现了低复杂度的协同ARQ方案，同时又保证了通信系统的性能。

附图说明

图1为本发明的通信系统模型图。

图2为本发明方法的系统工作示意图。

图3为本发明方法的工作流程图。

图4为本发明方法与TDK协议的吞吐量比较。

具体实施方式

本发明系统包括源节点S、中继节点R和目的节点D，中继节点工作在半双工状态，即不能在同一频带上同时接收和发送。三个节点之间都有直接链路，见图1。

下面具体说明本发明的实施。

本发明方法中，源节点和中继节点工作在同一频段上，采用时分多址的方式接入。源节点的最大重传次数为N，N＞1，每轮传输的时间为T，设定中继节点在源节点第K轮传输失败后开始向目的节点转发源节点的信息，0＜K＜N，信息为码字形式，每个码字的长度为N*T，分成N个等长部分，信息以增量冗余的方式传输，信道在一个码字的传输过程中是不变的，在下一码字的传输中独立变化。中继节点在第K轮传输完成后开始协同传输，中继信道与直传信道相互独立。

通信开始前源节点首先向目的节点发送一个RTS信号，接收到RTS信号后，目的节点反馈一个CTS信号，完成这次握手之后，即源节点接收到CTS信号后，源节点开始传输信息，如图3所示：

在ARQ中，当数据包到达接收端时，对其进行检错，若接收正确，返回确认ACK信号，错误则返回不确认NACK信号。源节点在第一轮传输中传递码字的第一个长度为T的部分，中继节点和目的节点都可以接收该信息，目的节点在接收到信息后开始译码，若译码成功，目的节点向源节点反馈一个ACK信号，源节点接收到ACK信号后，在剩下的(N-1)*T的时间内传输新信息；若译码失败，目的节点反馈NACK信号，源节点接收到NACK后，开始在第二个T时间内传输码字的第二部分，进行第二轮传输；

目的节点接收第二轮传输的信息后，采用码字合并的方式合并两次接收的信息。若译码成功，目的节点反馈ACK信号。源接收到ACK信号后在剩下的(N-2)*T的时间内传输新信息。如译码失败，目的节点反馈NACK信号。源节点继续在第三个T时间内传输码字的第三部分。

如果目的节点一直反馈NACK信号，此过程一直继续下去直到第K轮传输。源节点在第K轮传输完成之后，若目的节点能成功译码，它反馈ACK信号，源节点接收到ACK信号后在剩下的(N-K)*T时间内传输新信息，否则，目的节点反馈NACK信号，接收到NACK信号后，源节点先暂时停止传输，中继节点此时开始对所接收到的源节点的数据译码。中继节点若译码成功，它向目的节点发送一个R-RTS信号请求帮助重传，目的节点收到该信号后反馈一个R-CTS信号，进行握手通信，完成握手后中继节点开始重传。中继节点重新编码来自于源节点的信息，并在剩下的(N-K)*T时间内发送码字的后面长度为(N-K)*T的部分，如图2所示，与此同时，中继节点向源节点反馈一个R-ACK信号，接收到R-ACK后，源节点保持静默不再传输。若中继节点译码失败，它向源节点反馈一个R-NACK信号，源节点接收到R-NACK信号后，在剩下的(N-K)*T时间内继续传输码字的剩余部分。目的节点合并接收到的信息，包括前K轮源节点传输的信息和在剩下的N-K轮的传输时间内传输的信息，并译码。若译码成功则传输成功，否则传输失败通信系统中断。

图2给出了本发明的通信系统工作示意图，它假设中继节点能够成功译码。图3给出了本发明的工作流程图。

本发明与TDK协议的吞吐量比较由图4给出。此图给出了最大重传次数N＝10时的吞吐量情况，可以看出随着设定的K值的逐渐增大，本发明所的吞吐量不断增加，并趋近于TDK协议。这是由于K较大时，中继节点几乎总是可以成功译码，这样相当于TDK协议中的中继总是在译码成功后开始重传的效果，所以它的吞吐量接近于TDK协议。本发明方法的实现复杂度比TDK协议低得多，可以保证在低复杂度实现的情况下，获得较好的吞吐量。

Claims (3)

1.一种协同通信中自动重传请求的实现方法，协同通信系统中包括源节点、中继节点和目的节点三种节点，其特征是中继节点工作在半双工方式，源节点的最大重传次数为N，N>1，设定中继节点在源节点第K轮传输失败后开始向目的节点转发源节点的信息，0<K<N，信息为码字形式，每个码字分成N个等长部分，以增量冗余的方式传输，具体为：

在通信开始后，源节点在第一轮传输中向目的节点传输码字的第一部分信息，若目的节点接收并译码成功，它向源节点反馈一个ACK信号，接收到ACK信号后源节点继续传输新信息；反之，若目的节点接收不成功，它反馈一个NACK信号，接收到NACK信号后，源节点在第二轮传输中传输该码字的第二部分，目的节点合并两轮传输接收到的信息并进行译码，若译码成功，目的节点反馈一个ACK信号，源节点接收到ACK信号后继续传递新信息，若译码不成功，目的节点反馈NACK信号，源节点收到后进入第三轮的传输，传输该码字的第三部分；如果到第K轮传输源节点还是收到目的节点的NACK信号，源节点暂时停止传输，中继节点对接收的源节点所发送的码字部分开始译码，若此时中继节点能够正确译码来自于源节点的信息，中继节点重新编码来自于源节点的信息，并在剩下的N-K轮的传输时间内向目的节点重传码字剩余的部分，而源节点不再传输，若此时中继译码失败，源节点在剩下的传输时间内继续向目的节点传输码字剩余的部分；目的节点合并接收到的信息，包括前K轮源节点传输的信息和在剩下的N-K轮的传输时间内传输的信息，并译码，若译码成功则传输成功,否则传输失败通信系统中断。

2.根据权利要求1所述的一种协同通信中自动重传请求的实现方法，其特征是源节点和中继节点工作在同一频段上，采用时分多址的方式接入，中继信道与直接传输信道相互独立，每轮传输的时间为T，每个码字的长度为N*T，分成N个等长部分，通信开始前源节点首先向目的节点发送一个RTS信号，接收到RTS信号后，目的节点反馈一个CTS信号，完成握手，开始传输信息。

3.根据权利要求1或2所述的一种协同通信中自动重传请求的实现方法，其特征是中继节点向目的节点进行重传时，若中继节点译码成功，它向目的节点发送一个R-RTS信号请求帮助重传，目的节点收到该信号后反馈一个R-CTS信号，完成握手后中继开始重传，中继节点重新编码来自于源节点的信息，并在剩下的N-K轮的传输时间内发送码字的后面的部分，与此同时，中继节点向源节点反馈一个R-ACK信号，接收到R-ACK信号后，源节点保持静默不再传输；若中继节点译码失败，它向源节点反馈一个R-NACK信号，源节点接收到R-NACK信号后，在剩下的N-K轮的传输时间内传输码字的剩余部分。