CN102664711A - 一种基站反馈机制下的网络编码协作方法 - Google Patents

Abstract

一种基站反馈机制下的网络编码协作方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、基站与N个用户端建立网络连接；步骤二、二用户端协作组在其第一工作间隙，其中A用户发送信息X_A给所述基站和同组的B用户，B用户发送信息X_B给所述基站和同组的A用户；步骤三、二用户端协作组在其第二工作间隙。本发明达到了节省多用户网络编码协作通信系统能耗的目的，不影响系统中断概率，根据基站对协作用户的反馈信息，进行机会网络编码协作，实现了减少系统消息的发送。

Description

一种基站反馈机制下的网络编码协作方法

技术领域

本发明属于网络编码协作通信技术领域，具体涉及一种基站反馈机制下的网络编码协作方法。

背景技术

无线网络编码技术是实现系统资源利用率和网络吞吐量提高的关键技术。协作分集技术可以通过空间分集对抗无线信道中的各种衰落，获得系统鲁棒性能、能量效率的提升。网络编码协作通信系统，通过融合两种技术的优点，可以提高系统的分集增益以及能量利用率。根据接收端的反馈信息运用机会网络编码协作方法，对系统能量利用率的提升有着重要的意义，得到广泛关注。

文献Chen Yingda，Kishore S，Li Jing.Wireless diversity throughnetwork coding[C]//Wireless Communications and NetworkingConference(WCNC2006).Las Vegas：IEEE Press，2006：1681-1686、文献XiaoMing，Skoglund M.Multiple-user cooperative communications based onlinear network coding[J].IEEE Transactions onCommunications，2010，58(12)：3345-3351、文献Wang Yuexin，Hu Chunjing，Liu Hongmei.Network coding in cooperative relay networks[C]//19thInternational Symposium on Personal Indoor and Mobile RadioCommunications(PIMRC2008).Cannes：IEEE Press，2008：1-5结合网络编码和协作技术降低了系统的中断概率，但没有考虑机会网络编码协作的思想，系统能量效率较低。

Peng Cong，Zhang Qian，Zhao Ming，et al.Opportunisticnetwork-coded cooperation in wireless networks[C]//WirelessCommunications and Networking Conference(WCNC2007).Hong Kong：IEEEPress，2007：3358-3363将机会协作方法应用到网络编码协作通信系统中，降低了系统中断概率，提升了能量利用率。Hu Jingyi，Fan Pingyi，Xiong Ke，et al.Cooperation-based opportunisticnetwork coding in wirelessbutterfly networks[C]//Global Telecommunicationsconference(GLOBECOM2011).Houston：IEEE Press，2011：1-5将一种新的机会网络编码协作应用于蝶形网络中，减少了冗余消息发送，提高了系统的吞吐量。二文献只考虑到用户和中继之间的协作，没有对用户之间的协作进行分析。

现有技术均没有考虑到如何实现多用户网络编码协作通信系统能耗节省问题。

为了达到节省多用户网络编码协作通信系统能耗的目的，同时不影响系统中断概率，本文根据基站对协作用户的反馈信息，进行机会网络编码协作，实现了减少系统消息的发送。

发明内容

为了达到节省多用户网络编码协作通信系统能耗的目的，本发明提出一种基站反馈机制下的网络编码协作方法，不影响系统中断概率，根据基站对协作用户的反馈信息，进行机会网络编码协作，实现了减少系统消息的发送。

本发明的技术方案是：一种基站反馈机制下的网络编码协作方法，其关键在于，包括如下步骤：

步骤一、基站与N个用户端建立网络连接；

当N为偶数时，建立N/2个协作组，每个协作组由二用户端组成；

当信息X_A错误、信息X_B正确、信息X_C正确时，基站发送信息100给所述A用户和B用户和C用户；

当N为奇数时，建立(N-1)/2个协作组，其中一个协作组由三用户端组成，其余协作组由二用户端组成；

二用户端协作组由A用户和B用户组成，三个用户端协作组由A用户、B用户和C用户组成；

步骤二、二用户端协作组在其第一工作间隙，其中A用户发送信息X_A给所述基站和同组的B用户，B用户发送信息X_B给所述基站和同组的A用户；

基站判断信息X_A和信息X_B是否正确；

当信息X_A和信息X_B正确时，基站发送信息00给所述A用户和B用户；

当信息X_A正确、信息X_B错误时，基站发送信息01给所述A用户和B用户；

当信息X_A错误、信息X_B正确时，基站发送信息10给所述A用户和B用户；

当信息X_A和信息X_B错误时，基站发送信息11给所述A用户和B用户；

三用户端协作组在其第一工作间隙，其中A用户发送信息X_A给所述基站和同组的B用户、C用户，B用户发送信息X_B给所述基站和同组的A用户、C用户，C用户发送信息X_C给所述基站和同组的A用户、B用户；

基站判断信息X_A、信息X_B和信息X_C是否正确；

当信息X_A、信息X_B和信息X_C都正确时，基站发送信息000给所述A用户、B用户和C用户；

当信息X_A正确、信息X_B正确、信息X_C错误时，基站发送信息001给所述A用户和B用户和C用户；

当信息X_A正确、信息X_B错误、信息X_C正确时，基站发送信息010给所述A用户和B用户和C用户；

当信息X_A正确、信息X_B错误、信息X_C错误时，基站发送信息011给所述A用户和B用户和C用户；

当信息X_A错误、信息X_B正确、信息X_C错误时，基站发送信息101给所述A用户和B用户和C用户；

当信息X_A错误、信息X_B错误、信息X_C正确时，基站发送信息110给所述A用户和B用户和C用户；

当信息X_A、信息X_B和信息X_C都错误时，基站发送信息111给所述A用户、B用户和C用户；

步骤三、二用户端协作组在其第二工作间隙；

当收到信息00时：A用户和B用户等待下一次信息发送；

当收到信息01时：A用户和B用户都发送信息

当收到信息10时：A用户和B用户都发送信息

当收到信息11时：A用户和B用户分别发送X_A、X_B；

三用户端协作组在其第二工作间隙；

当收到信息000时：A用户、B用户和C用户都等待下一次信息发送；

当收到信息001时：A用户、B用户和C用户分别发送信息

X_C；

当收到信息010时：A用户、B用户和C用户分别发送信息X_B、

当收到信息011时：A用户、B用户和C用户分别发送信息

当收到信息100时：A用户、B用户和C用户分别发送信息X_A、

当收到信息101时：A用户、B用户和C用户分别发送信息

当收到信息110时：A用户、B用户和C用户分别发送信息

当收到信息111时：A用户、B用户和C用户分别发送信息X_A、X_B、X_C。

基站解调出第二时隙的发送数据，基站再次判断用户发送的信息是否正确，无论基站能否获得正确信息，都不再进行信息的重复发送。

在同一用户端协作组中，用户A，B在第一个时隙分别广播x_A和x_B，第二个时隙，用户A，B将对方的消息和自己的消息进行网络编码，均广播消息X_A+X_B，而在传统协作方式下，协作用户直接转发其他用户的消息。现在假设，第一个时隙中，A，B用户向目的站发送消息的错误概率为p_a，p_b。第二个时隙A，B发送消息的错误概率为

可计算出系统的中断概率如下，其中P_s1代表传统协作下的系统中断概率，P_s2代表网络编码协作下的系统中断概率。

$P_{s1}=p_a{p}_{\mathrm{Rb}}(1-p_b)(1-p_{\mathrm{Ra}})+p_b{p}_{\mathrm{Ra}}(1-p_a)(1-p_{\mathrm{Rb}})+p_a{p}_b\·p_{\mathrm{Rb}}{p}_{\mathrm{Ra}}---\left(1\right)$

$P_{s2}=(1-p_b)p_a{p}_{\mathrm{Ra}}{p}_{\mathrm{Rb}}+(1-p_a)p_b{p}_{\mathrm{Ra}}{p}_{\mathrm{Rb}}+p_a{p}_b---\left(2\right)$

假设各个时隙上行链路的错误概率均为p，且

有

$P_{s1}=p^2(2-2p+{3p}^2)~\frac{1}{{\mathrm{SNR}}^2}---\left(3\right)$

$P_{s2}=p^2(1+2p-{2p}^2)~\frac{1}{{\mathrm{SNR}}^2}---\left(4\right)$

ΔP_s＝P_s1-P_s2＝p²(1-4p+5p²)＞0，

虽然两种方法都获得了二阶的分集增益，但是P_s2＜P_s1，所以采用了网络编码的协作分集系统严格意义上具有更低的中断概率。

有限域上网络编码的2用户协作通信系统模型

此时的网络编码是在GF(4)上的，用户节点向基站发送四条消息，分别是x_A，x_B，x_A+x_B，x_A+2x_B，此时只要基站能够正确译码四条消息的任何两条，都可以使系统不发生中断。当用户A，B都无法正确译码对方消息时，基站启动最大化合并进行译码。系统的中断概率为：

${P^{\′}}_{s2}={(1-P_e)}^2(C_4^3{P}_e^3(1-P_e)+P_e^4)+[1-{(1-P_e)}^2]P_1---\left(6\right)$

其中P_e和P₁的表达式如下：

$P_e=\mathrm{Pr}\{{\left|a_{i,j,k}\right|}^2<g\}=1-e^{-g}\&ap;\frac{2^{2R}-1}{\mathrm{SNR}}$

$\frac{1}{2}\log (1+({\left|a_{i,j,1}\right|}^2+{\left|a_{i,j,2}\right|}^2)\mathrm{SNR}<R)\&DoubleRightArrow;P_1=0.5g^2\&ap;\frac{{(2^{2R}-1)}^2}{2{\mathrm{SNR}}^2}$

本发明中，在2用户协作通信系统中，消息数据的发送分为两个时隙，第一个时隙各个用户节点广播自己的消息，第二个时隙各用户节点充当中继节点转发邻居节点消息。如果第一个时隙结束后，基站能够正确译码两个用户节点发来的消息，第二个时隙数据的发送对系统来说没什么意义，而且消耗用户节点的能量。还有当基站在第一个时隙结束后对两个用户发来的消息都译码错误，对比特域上的网络编码协作系统而言就算基站在第二个时隙能够正确接收节点发来的消息，也无法恢复出原始消息。

所以，针对2用户网络编码协作通信系统中可能出现的冗余消息发送，本发明利用反馈工作机制，进行机会网络编码协作。基站通过使用CRC校验来判断接收的消息是否正确，然后进行相应的反馈，反馈控制消息就只需要一个比特，假定1代表继续发送，0代表关闭发送。

本发明的显著效果是：本发明了提出一种基站反馈机制下的网络编码协作方法，针对2用户网络编码协作通信系统中可能出现的冗余消息发送，进行机会网络编码协作。达到了节省多用户网络编码协作通信系统能耗的目的，不影响系统中断概率，根据基站对协作用户的反馈信息，进行机会网络编码协作，实现了减少系统消息的发送。

附图说明

图1：比特域网络编码协作模型图

图2：有限域网络编码协作模型图

图3：网络编码2用户协作模型下的节能比例图

图4：网络编码2用户协作模型下的节能比例图

图5：多用户协作模型下的节能比例图

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

一种基站反馈机制下的网络编码协作方法，包括如下步骤：

步骤一、基站与N个用户端建立网络连接；

当N为偶数时，建立N/2个协作组，每个协作组由二用户端组成；

当N为奇数时，建立(N-1)/2个协作组，其中一个协作组由三用户端组成，其余协作组由二用户端组成；

二用户端协作组由A用户和B用户组成，三个用户端协作组由A用户、B用户和C用户组成；

步骤二、二用户端协作组在其第一工作间隙，其中A用户发送信息X_A给所述基站和同组的B用户，B用户发送信息X_B给所述基站和同组的A用户；

基站判断信息X_A和信息X_B是否正确；

当信息X_A和信息X_B正确时，基站发送信息00给所述A用户和B用户；

当信息X_A正确、信息X_B错误时，基站发送信息01给所述A用户和B用户；

当信息X_A错误、信息X_B正确时，基站发送信息10给所述A用户和B用户；

当信息X_A和信息X_B错误时，基站发送信息11给所述A用户和B用户；

三用户端协作组在其第一工作间隙，其中A用户发送信息X_A给所述基站和同组的B用户、C用户，B用户发送信息X_B给所述基站和同组的A用户、C用户，C用户发送信息X_C给所述基站和同组的A用户、B用户；

基站判断信息X_A、信息X_B和信息X_C是否正确；

当信息X_A、信息X_B和信息X_C都正确时，基站发送信息000给所述A用户、B用户和C用户；

当信息X_A正确、信息X_B正确、信息X_C错误时，基站发送信息001给所述A用户和B用户和C用户；

当信息X_A正确、信息X_B错误、信息X_C正确时，基站发送信息010给所述A用户和B用户和C用户；

当信息X_A正确、信息X_B错误、信息X_C错误时，基站发送信息011给所述A用户和B用户和C用户；

当信息X_A错误、信息X_B正确、信息X_C正确时，基站发送信息100给所述A用户和B用户和C用户；

当信息X_A错误、信息X_B正确、信息X_C错误时，基站发送信息101给所述A用户和B用户和C用户；

当信息X_A错误、信息X_B错误、信息X_C正确时，基站发送信息110给所述A用户和B用户和C用户；

当信息X_A、信息X_B和信息X_C都错误时，基站发送信息111给所述A用户、B用户和C用户；

步骤三、二用户端协作组在其第二工作间隙；

当收到信息00时：A用户和B用户等待下一次信息发送；

当收到信息01时：A用户和B用户都发送信息

当收到信息10时：A用户和B用户都发送信息

当收到信息11时：A用户和B用户分别发送X_A、X_B；

三用户端协作组在其第二工作间隙；

当收到信息000时：A用户、B用户和C用户都等待下一次信息发送；

当收到信息001时：A用户、B用户和C用户分别发送信息

X_C；

当收到信息010时：A用户、B用户和C用户分别发送信息

X_B、

当收到信息011时：A用户、B用户和C用户分别发送信息

当收到信息100时：A用户、B用户和C用户分别发送信息X_A、

当收到信息101时：A用户、B用户和C用户分别发送信息

当收到信息110时：A用户、B用户和C用户分别发送信息

当收到信息111时：A用户、B用户和C用户分别发送信息X_A、X_B、X_C。

基站解调出第二时隙的发送数据，基站再次判断用户发送的信息是否正确，无论基站能否获得正确信息，都不再进行信息的重复发送。

图1所示的比特域网络编码2用户协作模型，在加入反馈机制后，对系统中断概率的分析分为三种情况。假设各个时隙上行链路的错误概率均为p，且p～1/SNR。

1)第一个时隙中，两个信息正确译码一个，错误译码一个，此时的中断概率用P₁₁表示为

P₁₁＝2(1-p)·p·p·p           (7)

2)第一个时隙中，两个信息全部译码错误，此时的中断概率用P₁₂表示为

P₁₂＝p·p·(1-(1-p)²)          (8)

3)第一个时隙中，两个信息全部译码正确，此时的中断概率用P₁₃表示为

P₁₃＝(1-p)(1-p)·0            (9)

系统总的中断概率为

$P=P_{11}+P_{12}+P_{13}={2p}^3(1-p)+p^2\left({2p-p}^2\right)=p^2(4p-{4p}^2)~\frac{1}{{\mathrm{SNR}}^2}---\left(10\right)$

观察P的表达式可以发现P＜P_s2，即有反馈机制下的系统中断概率比原系统中断概率低。考虑系统能耗分析，基站不对第一、二种情况进行反馈，只对消息全对的情况进行反馈，此时用户不进行网络编码操作，终止第二个时隙的消息发送。假设协作用户向基站发送一次消息消耗能量e₁。那么相对于没有反馈的机制下，系统节省的能量为：E＝2e₁·(1-p)²。占系统总能量的比例为

$P_E=E/{4e}_1=\frac{1}{2}{(1-p)}^2---\left(11\right)$

如图2所示，针对有限域上的网络编码协作模型，对系统中断概率的分析分两种情况，第一种是协作用户之间信息的传递完全正确，第二种则是两者之间的消息传递发生错误。针对第一种情况，还是按照前面的分析方法，而第二种情况下基站采用MRC算法进行译码。经过计算，可以得出系统的中断概率为

P′＝(1-P_e)²[2P_e ³(1-P_e)+P_e ²(1-(1-P_e)²)+(1-P_e)²·0]+P₁[1-(1-P_e)²](12)

可以发现P′＝P′_s2，即有无反馈机制下的系统中断概率一致。这种模型下，只有在第一个时隙末基站正确译码时，才做出反馈，并关闭用户节点第二时隙的数据发送。其他情况不做出反馈。一样假设协作用户向基站发送一次消息消耗能量e₁。那么相对于没有反馈的机制下，系统节省的能量为：E＝2e₁·(1-P_e)⁴，占系统总能量消耗的比例为

$P_E=E/{4e}_1=\frac{1}{2}{(1-P_e)}^4---\left(13\right)$

通过以上的分析，在2用户网络编码协作通信系统中，有反馈机制下的系统中断概率和无反馈机制下的系统中断概率都是相等的，接下来通过仿真图来观察节能的效果，同时还将给出3用户、4用户协作模型下的系统中断概率及节能比例的仿真结果。

在进行仿真时，假设采用BPSK调制的方式，得出的链路误码率表达式：

在高信噪比的情况下

如图3所示，用户协作模型1表示比特域上的网络编码协作通信系统模型，模型2表示有限域上的网络编码协作通信系统。从仿真曲线可以看出，随着信噪比的增加，节能效果显著，当信噪比较高时均接近50％。

图4中FB表示加入了反馈机制的协作通信系统，从仿真结果可以看出，随着协作用户数的增加，反馈机制会对系统中断概率的影响越来越大，而且节能比例下降。

针对用户数较多的情况，首先在第一个时隙各个用户之间信息的完全正确传递将变得很难，同时也会消耗巨大的能量。其次随着用户数的增多，反馈机制不再适用。所以可以将用户分成多组，每一组中包含2用户，多用户模型就变成了多个2用户协作模型，如果是奇数用户，则存在一个三用户模型。如图5所示。这样处理比较简单，而且在2用户协作模型下节能效果好且不影响系统中断概率。

Claims (2)

1.一种基站反馈机制下的网络编码协作方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、基站与N个用户端建立网络连接；

当N为偶数时，建立N/2个协作组，每个协作组由二用户端组成；

当N为奇数时，建立(N-1)/2个协作组，其中一个协作组由三用户端组成，其余协作组由二用户端组成；

二用户端协作组由A用户和B用户组成，三个用户端协作组由A用户、B用户和C用户组成；

步骤二、二用户端协作组在其第一工作间隙，其中A用户发送信息X_A给所述基站和同组的B用户，B用户发送信息X_B给所述基站和同组的A用户；

基站判断信息X_A和信息X_B是否正确；

当信息X_A和信息X_B正确时，基站发送信息00给所述A用户和B用户；

当信息X_A正确、信息X_B错误时，基站发送信息01给所述A用户和B用户；

当信息X_A错误、信息X_B正确时，基站发送信息10给所述A用户和B用户；

当信息X_A和信息X_B错误时，基站发送信息11给所述A用户和B用户；

三用户端协作组在其第一工作间隙，其中A用户发送信息X_A给所述基站和同组的B用户、C用户，B用户发送信息X_B给所述基站和同组的A用户、C用户，C用户发送信息X_C给所述基站和同组的A用户、B用户；

基站判断信息X_A、信息X_B和信息X_C是否正确；

当信息X_A、信息X_B和信息X_C都正确时，基站发送信息000给所述A用户、B用户和C用户；

当信息X_A正确、信息X_B正确、信息X_C错误时，基站发送信息001给所述A用户和B用户和C用户；

当信息X_A正确、信息X_B错误、信息X_C正确时，基站发送信息010给所述A用户和B用户和C用户；

当信息X_A正确、信息X_B错误、信息X_C错误时，基站发送信息011给所述A用户和B用户和C用户；

当信息X_A错误、信息X_B正确、信息X_C正确时，基站发送信息100给所述A用户和B用户和C用户；

当信息X_A错误、信息X_B正确、信息X_C错误时，基站发送信息101给所述A用户和B用户和C用户；

当信息X_A错误、信息X_B错误、信息X_C正确时，基站发送信息110给所述A用户和B用户和C用户；

当信息X_A、信息X_B和信息X_C都错误时，基站发送信息111给所述A用户、B用户和C用户；

步骤三、二用户端协作组在其第二工作间隙；

当收到信息00时：A用户和B用户等待下一次信息发送；

当收到信息01时：A用户和B用户都发送信息

当收到信息10时：A用户和B用户都发送信息

当收到信息11时：A用户和B用户分别发送X_A和X_B；

三用户端协作组在其第二工作间隙；

当收到信息000时：A用户、B用户和C用户都等待下一次信息发送；

当收到信息001时：A用户、B用户和C用户分别发送信息

和X_C；

当收到信息010时：A用户、B用户和C用户分别发送信息

X_B、

当收到信息011时：A用户、B用户和C用户分别发送信息

当收到信息100时：A用户、B用户和C用户分别发送信息X_A、

当收到信息101时：A用户、B用户和C用户分别发送信息

当收到信息110时：A用户、B用户和C用户分别发送信息

当收到信息111时：A用户、B用户和C用户分别发送信息X_A、X_B、X_C。

2.根据权利要求1所述的一种基站反馈机制下的网络编码协作方法，其特征在于：基站解调出第二时隙的发送数据，基站再次判断用户发送的信息是否正确，无论基站能否获得正确信息，都不再进行信息的重复发送。

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