CN102938684A - 多路径物理层网络编码方法 - Google Patents

Abstract

多路径物理层网络编码方法，对节点设计合适的星座图，利用物理层网络编码实现信息的交互，设无线网络路径为K，K>2，M为星座点数，M＝2^K-1，K个节点通过中继节点R来交互信息，将这一过程分为两个时隙，建立节点与中继节点R的映射关系表，进行物理层网络编码，信息交互时，各节点接收到中继节点R广播的信息，根据所述映射关系表解出其他节点的信息，完成信息的交互。本发明解决了无线网络中多个节点在同频同时下交互信息的问题，利用现有QAM或PSK调制解调技术完成信号的发送接收；同时大大缩减了信息交互的时隙，所有节点在两个时隙就可以获得所有信息，提高了信息传输的效率，为物理层网络编码走向实际应用提供了新的方法。

Description

多路径物理层网络编码方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，设计网络编码技术，为一种多路径物理层网络编码方法。

背景技术

协同通信已经成为当前通信界的重要研究领域，网络编码是其主要方向之一。网络编码理论的提出^[1]引起了通信学术界的广泛关注，它改变了传统的数据传输方式，提高了信息传输的效率，并成为当前协同通信理论研究的一个热点，网络编码被广泛应用于片上通信、网络监测、分布式交换等^[2]。当前网络编码理论的研究主要包括编码方案性能研究、网络编码复杂度的研究以及与其他技术（信道编码、调制技术等）结合的研究^[3]。

网络编码理论同时在无线通信环境中也得到了广泛的应用，特别是在典型的无线协同网络两路径三节点模型中，如图1所示，由于采用了网络编码技术，减少信息交互的时隙，大大提高了网络的吞吐量^[4]

在无线双向中继信道ABC模型中，源节点A和C同时发送的信号，在中继B接收的是一个叠加的信号，在传统的无线数据传输方式中，这种叠加信号被认为是一种信号之间的干扰，而物理层网络编码概念的提出^[5]，充分利用了无线信号的广播特性。通过物理层网络编码，可以有效地利用这种“干扰”，在中继通过合适的映射准则，使信号的叠加可以映射成数字域的相关运算（异或运算或取模运算），从而缩短了信息的交互时隙，提高了信息传输效率。然而此方法目前仅仅适用于两条路径的网络模型，在一个有中心的星型网络中，当有多个节点要通过中心站进行数据交换时，例如图2中的四路径网络模型，目前有两种方法：一是传统的数据传输方式，需要每个节点将数据发送到中心站，再通过中心站把信息广播出去，实现信息交互需要八个时隙；二是当前的物理层网络编码技术，现有物理层网络编码技术只对两个叠加信号进行处理，因此每次只能有两个节点通过中继节点交互信息，按这种照两个节点交互的方法，最少需要6个时隙实现信息的完全交互。

参考文献：

[1]R.Ahlswede,N.Cai,S.-Y.R.Li,and R.W.Yeung.Network information flow[J].IEEETrans on Information theory,vol.46,no.4,pp.1204-1216,Jul 2000.

[2]Christina Fragouli and Emina Soljanin.Network Coding Applications[M].Foundationsand TrendsR in Networking,Vol.2,No.2(2007)135-269 2007

[3]朱尧立.基于网络编码的协作通信系统研究[D].西安电子科技大学.2010

[4]Hariharan Rahul,Muriel Medard,Athina Markopoulou,Dina Katabi and ChristinaFragouli.Wireless Network Coding:Opportunities & Challenges[C].MilitaryCommunications Conference 2007.

[5]S.Zhang,S.C.Liew，and P.P.Lam.Physical-layer network coding[C].Proc.Int.Conf.onMobile Computing and Networking(MOBICOM),Los Angeles,CA,Sept.2006,pp.358-365.

[6]Hausl C,Hagenauer J.Relay communication with hierarchical modulation[J].IEEECommunication Letters,2007,11(1):64-66.

[7]J.R.Proakis.Digital Communication[M].Fourth Edition.Beijing:Publishing House ofElectronics Industry.2006.p245-246.

发明内容

本发明要解决的问题是：无线网络中多个节点需要通过一个中心站进行信息交互时，特别是对于节点数大于等于3个时，传统信息交互方式无法完成，因为传统信息交互方式中，中心站同时接收多个无线信号时，会被认为是干扰^[5]。

本发明的技术方案为：多路径物理层网络编码方法，无线网络中至少有三个节点和一个中继节点R，利用物理层网络编码实现信息的交互，设无线网络中继周围有K个节点，路径为K，K>2，M为各节点所采用的调制技术中的调制阶数，同时也是星座点数，M与K之间的关系为：M＝2^K-1，K个节点通过中继节点R来交互信息，这一过程分为两个时隙：

第一时隙：节点N₁、N₂、N₃…N_K同时将信息发送至中继节点R，K个节点采用M-QAM调制方式或M-PSK调制方式，各节点只用M个星座点中的两个星座点，即各节点只采用M-QAM或M-PSK调制星座中的2个星座点，分别用于代表“0”、“1”信息，从而确定节点星座映射准则；

第二时隙：通过第一时隙对各节点的星座的选择，使得中继节点R处接收的星座点数为2M-1，通过星座映射后，2M-1个星座点映射为M个星座点，中继节点R以这M个星座点作为调制方式的星座，进行M-QAM或M-PSK调制再广播出去，各节点通过M-QAM或M-PSK解调得到该无线网络中第一时限所有节点信息；

根据上述时隙，确定节点星座映射准则和中继节点R星座映射准则，得到节点与中继节点R的映射关系表，并确定中继节点R的星座图，将节点与中继节点R的映射关系表存储在节点和中继节点R中，用所述映射关系表进行物理层网络编码，进行信息交互时，各节点接收到中继节点R广播的信息，根据所述映射关系表解出其他节点的信息，完成信息的交互。

两个时隙中，调制采用M阶及以上的QAM或PSK调制方式，对应的解调采用M阶及以上的QAM或PSK解调方式。

本发明在当前物理层网络编码技术基础上，针对具有多条（大于2）路径的网络模型，通过一种准则，用于寻找实现节点间信息交互的方法。本发明对于K路径网络模型实现物理层网络编码，各节点只采用M-QAM或M-PSK调制中M个星座点中的2个星座点，分别用于代表“0”、“1”信息，而中继节点R获得2×M-1点的星座，将其映射成M点的星座后再将信号广播出去，各节点根据中继节点R的广播信息进行解调，得到其他节点信息，实现多节点在两个时隙内完成信息交互。根据M与K的关系，只要中继节点收到了2M-1个不同的点的星座，就可以实现多个节点在两个时隙交互信息。

在这里，中继收到2×M-1个星座点是实现多节点两个时隙交互信息的充分条件。下面对此进行证明：

首先需要说明的是当中继节点接收到2M，即2^K个点的星座时候，可以实现两时隙交互，因为每个点与任何数据组合（2^K种组合）都能够形成一一映射。现在用反证法证明，假设2M-1个点的星座不能实现两个节点交互信息。

1、比如发送数据组合A₁A₂…A_K映射信号组合S_A1+S_A2+…S_AK,B₁B₂…B_K映射信号组合S_B1+S_B2+…S_BK；

2、由于A₁A₂…A_K和B₁B₂…B_K映射到同一个星座点，即S_A1+S_A2+…S_AK=S_B1+S_B2+…S_BK，而A₁A₂…A_K与B₁B₂…B_K相应比特位必有相同的，不妨设A₁=B₁=0，也就是S_A1=S_B1，因此S_A2+S_A3+…S_AK=S_B2+S_B3+…S_BK；

3、当A₁=B₁=1时，有S_A1=S_B1，所以由上面得出的S_A2+S_A3+…S_AK=S_B2+S_B3+…S_BK，有S_A1+S_A2+…S_AK=S_B1+S_B2+…Sx，也就是说当A₁=B₁=1时，A₁A₂…A_K和B₁B₂…B_K也是映射到同一个星座点；

综上所述，则中继节点收到的星座点数是2M-2个，其中有两个重复映射，与假设的2M-1个星座点矛盾。充分条件得证。

需要指出的是对于高于M阶，比如2M-QAM的调制方式也可以通过上述步骤来实现，只是高阶的调制方式部分星座点未使用，没有充分利用星座点的同时会给网络性能带来坏的影响，比如降低了中继的误码性能、提高了复杂度。

本发明解决了无线网络中多个节点在同频同时下交互信息的问题，相比当前技术具有以下特点：一是不需要采用其他的多址接入技术，比如CDMA、FDMA等，同时可以利用现有QAM或PSK调制解调技术，完成信号的发送接收；二是大大缩减了信息交互的时隙，所有节点在两个时隙就可以获得所有信息，提高了信息传输的效率，比如在传感器网络中，通过本发明的方法，可缩短信息交互的时间，缩短了传感器待机时间，节省了能源从而延长了传感器寿命；三是为物理层网络编码走向实际应用提供了新的方法。

附图说明

图1为无线网络三节点两路径的网络模型。

图2为无线网络多路径的网络模型。

图3为本发明方法中K路径网络模型信息交互过程。

图4为本发明实施例四路径网络模型中节点A、B、C、D星座图。

图5为本发明实施例四路径网络模型的中继节点R星座映射图。

图6为本发明实施例三路径网络模型。

图7为本发明实施例三路径网络模型中节点A、B、C星座图。

图8为本发明实施例三路径网络模型中继节点R星座映射图。

图9为本发明实施例三路径网络模型中继判决区域。

图10为本发明实施例三路径模型中采用BPSK调制时不同方式下的误码性能曲线。

图11为本发明实施例三路径模型中相同时隙内完成相同信息量交互不同方式的误码曲线。

具体实施方式

本发明的无线网络中至少有三个节点和一个中继节点R，对节点设计合适的星座图，利用物理层网络编码实现信息的交互，合适的星座标准是使星座在中继节点映射广播被节点接收后可以正确解调出信息，按照这一标准，本发明在各节点只采用M个星座点中的2个星座点，分别用于代表“0”、“1”信息，以此为基础得到适合M-QAM或M-PSK方式的星座点。设无线网络路径为K，K>2，M为星座点数，M＝2^K-1，K个节点通过中继节点R来交互信息，这一过程分为两个时隙，如图3：

第一时隙：节点N₁、N₂、N₃…N_K同时将信息发送至中继节点R，K个节点采用M-QAM或M-PSK调制方式，各节点只用M星座中的两个星座点，分别用于代表“0”、“1”信息，这里只选择两个星座的目的是使星座叠加后可以得到优良的映射关系，以实现信息的交互，不好的映射关系指一个星座点可能对应多个数据，此种情况在后续无法实现解调，而优良的映射关系则与此相反；

第二时隙：中继节点R将同时接收的各节点信号通过星座映射后，进行M QAM或M-PSK调制再广播出去；

根据上述时隙，确定节点星座映射准则和中继节点R星座映射准则，得到节点与中继节点R的映射关系表，并确定中继节点R的星座图，所述映射关系表即符合上述优良的映射关系。将节点与中继节点R的映射关系表存储在节点和中继节点R中，用所述映射关系表进行物理层网络编码，进行信息交互时，各节点接收到中继节点R广播的信息，根据所述映射关系表解出其他节点的信息，完成信息的交互。

下面以四路径网络模型为例，阐述发明的具体实施方案，四路径模型中：K=4，M＝2^K-1＝8，在这一模型中，节点A、节点B、节点C以及节点D通过中继节点R进行信息交互，这一过程分为两个时隙。第一时隙：节点A、节点B、节点C以及节点D同时将信息发送至中继节点R；第二时隙：中继节点R将处理后的信息广播出去，节点A、节点B、节点C、节点D接收到广播信号后通过8PSK将信息解调出，至此一次完整的信息交互完成。该模型中节点A、节点B、节点C、节点D的星座见图4，同时根据时隙可以得到如表1的映射关系，其中M_A、M_B、M_C、M_D分别为A、B、C、D需要发送的信息，S_A、S_B、S_C、S_D分别是A、B、C、D调制信号对应的星座坐标，而R_R为中继节点R接收信号对应星座上的坐标，S_R为中继节点R广播信号对应的星座坐标。表1所示的映射表在确定好无线网络模型后即可确定，预先存储在各节点以及中继节点R中。

表1：A、B、C、D、R四处的映射关系表

继而得到R处的星座图，如图5，箭头表示中继节点R将接收信号映射成发送信号的星座映射过程，点之间的具体映射关系根据表1获得。中继节点R在映射后进行8PSK调制。

本发明通过表1的映射准则来实现编码调制，一是节省了中继节点R发送功率，二是各节点能够更好的解调，因为一个星座点只对应一个数据。由表1可以看出，根据第1个时隙各节点发送的信息，各节点只要接收到第2时隙R广播的信息，便可以通过映射表解出其他三个节点的信息，最终实现多个节点同时通过中继节点R完成信息交互。该映射表是各节点包括中继节点R事先存好的。

下面再以三路径网络模型为例，说明本发明方法的实施，并对性能进行分析。

对于三路径网络模型，K=3，M=2^K-1=4，三路径物理层网络编码两个时隙交互信息的示意图如图6。

首先为A、B、C三个节点选取合适的星座，在4个星座点中选择两个星座点分别用于代表“0”、“1”信息，如图7，得到如下的映射表（表2）：

表2：A、B、C、R四处的映射关系表

同时可以得到中继节点R处的星座图，如图8，箭头表示中继节点R将接收信号映射成发送信号的星座映射过程，按照本发明方法通过该映射表实现三路径的物理层网络编码，实现三个节点同时通过中心站完成信息交互。

下面对该方法下中继节点R的误码性能进行分析：

根据表2各节点的接收值情况，由于发送信号服从均匀分布，在经过高斯信道后，仍服从该分布，得到表3：

表3：R处各星座点e接收的概率分布

（-3，3）

（-3，1）

（-1，3）

（-1，1）

（-1，-1）

（1，1）

（1，-1）

1/8

1/8

1/8

1/4

1/8

1/8

1/8

在高斯信道下，假设噪声功率谱密度为N0/2，中继误码用Pe_R表示，根据表2可以得到中继节点R各接收值的概率分布，如表3，根据概率分布，按照不等概判决门限的计算方法^[7]，可以计算出各判决门限，该门限用于将接收到的模拟信号判决为相应的星座坐标，如表4，得到相应的判决区域图9。

表4：各判决门限值

门限	d1	d2	d3
				最佳取值	-2-ln2*N0/4	-2	ln2*N0/4
门限	d4	d5	d6
				最佳取值	-ln2*N0/4	2	2+ln2*N0/4

其中，d1-d6为图9中标注的值。

从而计算得到中继节点R的误码率为：

${\mathrm{Pe}}_R=1-\frac{1}{4}{\∫}_{d1}^{d3}{f}_{x2}\mathrm{dx}\·{\∫}_{d4}^{d6}{f}_{y2}\mathrm{dy}-\frac{1}{8}\{{\∫}_{\∞}^{d1}{f}_{x1}\mathrm{dx}\·{\∫}_{d5}^{\∞}{f}_{y3}\mathrm{dy}-{\∫}_{d1}^{d2}{f}_{x1}\mathrm{dx}\·{\∫}_{d6}^{\∞}{f}_{y3}\mathrm{dy}\}-\frac{1}{8}{\∫}_{d2}^{y-2}{f}_{x2}\mathrm{dx}\·{\∫}_{d6}^{\∞}{f}_{y3}\mathrm{dy}$

$-\frac{1}{8}{\∫}_{\∞}^{d1}{f}_{x1}\mathrm{dx}\·{\∫}_{x+2}^{d5}{f}_{y2}\mathrm{dy}-\frac{1}{8}{\∫}_{y-2}^0{f}_{x2}\mathrm{dx}\·{\∫}_{\∞}^{d4}{f}_{y1}\mathrm{dy}-\frac{1}{8}{\∫}_{d3}^{\∞}{f}_{x3}\mathrm{dx}\·{\∫}_0^{x+2}{f}_{y2}\mathrm{dy}-\frac{1}{8}\{{\∫}_0^{\∞}{f}_{x3}\mathrm{dx}\·{\∫}_{\∞}^{d4}{f}_{y1}\mathrm{dy}-{\∫}_{d3}^{\∞}{f}_{x3}\mathrm{dx}\·{\∫}_{d4}^0{f}_{y1}\mathrm{dy}\}$

其中 $f_{\mathrm{xi}}=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{\πN}0}}\exp \frac{-{(x_i+1)}^2}{N0}$ （x_i为-3、-1或1）、 $f_{\mathrm{yi}}=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{\πN}0}}\exp \frac{-{(y_i+1)}^2}{N0}$ （y_i为-1、1或3），x_i是指星座点映射到横坐标的数值；y_i为星座点映射到纵坐标的数值；N0为前面提到的噪声功率谱密度；exp为指函数。

根据此公式与两路径方式下的物理层网络编码，以及传统数据传输方式的误码率进行比较，如图10，显示了采用BPSK调制时不同方式下的误码性能曲线，三条曲线由上至下分别为本发明三路径的误码率、传统编码方法的误码率和BPSK调制理论的误码率，这里第一个比较的前提条件是：节点一次发送星座代表的数据量相同；第二个比较的前提条件是：节点完成信息交互（需要多次发送）的总数据量相同；均是比较误码率。虽然由图10来看本发明方法性能要差于其他传统数据传输方式，但是信息交互能力却获得了极大提升，在信息交互的情况下，信息交互由4个时隙减少至两个时隙。但是在完成相同信息交互的情况下，本发明方法所获得的性能要优于传统物理层网络编码方法。如图11，三条曲线由上至下分别为现有网络编码方法的误码率（采用QPSK调制）、本发明三路径的误码率（采用两个星座点）和QPSK调制的误码率，这里提到QPSK调制，是因为基本任何数据的传输都要借助调制来完成，现有的物理层网络编码是在物理层对信号进行处理，处理完后再采用QPSK调制方法进行调制，因此这里采用QPSK调制理论的误码率来做比较；QPSK调制一个星座代表两比特信息，本方法一个星座代表一比特信息，因此在不考虑开销的情况下，现有的网络物理层编码方法一次信息交互等于本方法两次信息交互的信息量。

因为传统物理层网络编码选取的是高阶调制方式（QPSK），一个星座点代表2比特。图10和图11从两个不同角度比较了三路径下本发明方法与传统物理层网络编码方法的误码性能：

图10比较前提是：两种方式都是BPSK调制；比较结果是：本发明方法吞吐量是传统物理层网络编码方法的两倍，但是误码性能略差。也就是在提升吞吐量的情况下可靠性会受一点影响。图11比较的前提是:相同时间内完成同等数据量的交互，即吞吐量相同；比较结果是：本方法误码性能要优于传统物理层网络编码方法。图11说明本发明方法不提高吞吐量的情况下传输更可靠。

图10与图11充分说明了通信的有效性和可靠性的矛盾性，在同样采用物理层网络编码技术的情况下，本发明在这两者之间取得了较好的平衡。特别是在现有无线通信模型数据吞吐量不变的情况下，本发明相比传统物理层网络编码方法，不但精简了数据传输时隙，还提高了传输的可靠性。

Claims (2)

1.多路径物理层网络编码方法，其特征是无线网络中至少有三个节点和一个中继节点R，利用物理层网络编码实现信息的交互，设无线网络中继周围有K个节点，路径为K，K>2，M为各节点所采用的调制技术中的调制阶数，同时也是星座点数，M与K之间的关系为：M＝2^K-1，K个节点通过中继节点R来交互信息，这一过程分为两个时隙：

第一时隙：节点N₁、N₂、N₃…N_K同时将信息发送至中继节点R，K个节点采用M-QAM调制方式或M-PSK调制方式，各节点只用M个星座点中的两个星座点，即各节点只采用M-QAM或M-PSK调制星座中的2个星座点，分别用于代表“0”、“1”信息，从而确定节点星座映射准则；

第二时隙：通过第一时隙对各节点的星座的选择，使得中继节点R处接收的星座点数为2M-1，通过星座映射后，2M-1个星座点映射为M个星座点，中继节点R以这M个星座点作为调制方式的星座，进行M-QAM或M-PSK调制再广播出去，各节点通过M-QAM或M-PSK解调得到该无线网络中第一时限所有节点信息；

根据上述时隙，确定节点星座映射准则和中继节点R星座映射准则，得到节点与中继节点R的映射关系表，并确定中继节点R的星座图，将节点与中继节点R的映射关系表存储在节点和中继节点R中，用所述映射关系表进行物理层网络编码，进行信息交互时，各节点接收到中继节点R广播的信息，根据所述映射关系表解出其他节点的信息，完成信息的交互。

2.根据权利要求1所述的多路径物理层网络编码方法，其特征是两个时隙中，调制采用M阶及以上的QAM或PSK调制方式，对应的解调采用M阶及以上的QAM或PSK解调方式。

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