CN103475444A - 一种网络编码的方法、中继装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明的实施例提供一种网络编码的方法、中继装置及系统，涉及通信领域，提高解码的正确性。该网络编码方法包括：获取网络编码向量，所述网络编码向量中所有元素均不为零；根据所述网络编码向量，对接收到的源节点信息进行编码。本发明实施例提供的网络编码的方法、中继装置及系统，用于网络编码。

Description

一种网络编码的方法、中继装置及系统

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其涉及一种网络编码的方法、中继装置及系统。

背景技术

传统的通信网络传送数据的方式是存储转发，即除了数据的信源装置和信宿装置以外的节点只负责路由，而不对数据内容做任何处理，中继节点扮演着转发器的角色。上述信源装置可用于进行数据的发送和/或编码，上述信宿装置可用于进行数据的接收和/或解码。

网络编码是一种融合了路由和编码的信息交换技术，它的核心思想是在网络中的各个节点上对各条信道上收到的信息进行线性或者非线性的处理，然后转发给下游节点，中继节点扮演着编码器或信号处理器的角色。

现有技术中，在存在TWRC(Two-Way Relay Channel，双向中继信道)的系统中，衰落信道存在的情况下，每个中继节点根据使本节点传输速率最大化的原则计算出一个整数向量作为网络编码向量，然后转发的源节点信息按照该整数向量线性组合，而不需要对每个信源的信息进行解码。最终的信宿装置将接收到所有中继节点转发来的各种网络编码信号，通过解方程组即可解出所有源节点信息。

但是，在上述网络编码方法中，源节点信息按照中继节点计算的整数向量线性组合后，可能出现信宿节点解码的正确性较低或无法正确解码的情况，因此如何提高解码正确性是一个待解决的问题。

发明内容

本发明的实施例提供一种网络编码的方法、中继装置及系统，能够提高解码的正确性。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

一方面提供一种网络编码的方法，包括：

获取网络编码向量，所述网络编码向量中所有元素均不为零；

根据所述网络编码向量，对接收到的源节点信息进行编码。

一方面，提供一种中继装置，包括：

处理器，用于获取网络编码向量，所述网络编码向量中所有元素均不为零；

编码单元，用于根据所述网络编码向量，对接收到的源节点信息进行编码。

一方面，提供一种通信系统，包括：上述任意一种中继装置。

本发明的实施例提供一种网络编码的方法、中继装置及系统，该网络编码方法包括：获取网络编码向量，所述网络编码向量中所有元素均不为零；根据所述网络编码向量，对接收到的源节点信息进行编码。这样一来，根据元素不为零的网络编码向量进行网络编码，保证了网络中中继装置对接收到的源节点信息编码的有效性，使信宿装置正确地解码，提高解码的正确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种网络编码的方法流程图；

图2为本发明实施例提供的另一种网络编码的方法流程图；

图3为现有技术中，在TWRC系统中零元素出现的概率曲线图；

图4为在TWRC系统中，本发明实施例提供的网络编码方法与其他方法的平均传输速率曲线图；

图5为本发明实施例提供的一种中继装置结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本发明实施例提供一种网络编码的方法，如图1所示，包括：

S101、获取网络编码向量，所述网络编码向量中所有元素均不为零。

S102、根据所述网络编码向量，对接收到的源节点信息进行编码。

这样一来，根据元素不为零的网络编码向量进行网络编码，保证了网络中的中继装置对接收到的源节点信息编码的有效性，使信宿装置正确地解码，提高解码的正确性。

示例性的，下面以中继装置作为执行主体作为可选方案进行描述，如图2所示。

S201、中继装置按照预设规则获取不为零的整数向量。

中继装置可以按照预设规则获取所有不为零的整数向量，用于网络编码向量的筛选。该整数向量可以通过多种方式产生，如采用公式计算获取，或采用枚举的方法获得。中继装置也可自行生成不为零的整数向量。

在本发明实施例中，中继装置可以根据费科-帕斯特(FP，Fincke-Pohst)法来获取不为零的整数向量，但本发明对上述整数向量获取方法不做限定。通过费科-帕斯特法，可以根据输入的矩阵G得到满足a^TGa≤C的所有不为零的整数向量a的集合W，及对应该整数向量a的常数F的集合S，整数向量a和常数F是一一对应的。其中，所述C为预设常数，所述F≤C，所述矩阵G满足公式

其中，I为单位矩阵，P为发射信号功率，h为信源装置到中继装置的信道向量，||h||²为向量h的模的平方；a^T为向量a的转置。

需要说明的是，在通过中继装置的处理器进行TWRC中费科-帕斯特法的运算时，操作员输入信源装置到中继装置的信道向量h、发射信号功率P以及预设的常数C，便可以获得TWRC的理想网络编码参数a的输出。具体包括：

根据信源装置到中继装置的信道向量h创建矩阵

中继装置获取矩阵G的最小特征值所对应的向量b，示例的，向量b可以通过计算获取；然后将向量b中大于0的元素用+1替换，小于0的元素用-1替换，得到取整向量d，输入预设常数C，使d^TGd＝C；

对矩阵G进行乔莱斯基(Cholesky)因式分解，使

使矩阵U＝u_i，j，令g_i，j＝u_i，j ²，g₁₂＝u₁₂/u₁₁其中i和j分别为1和2；

根据下列步骤，查找满足a＝[a₁，a₂]^T的参数a _min：

a.初始化Δ_k＝0，c_k＝C，

a _min＝d，且k＝2；

b.设置上边界值UB_k和下边界LB_k如下：

${\mathrm{UB}}_k=\left[\sqrt{\frac{C_k}{g_{\mathrm{kk}}}-{\mathrm{\Δ}}_k}\right],$ ${\mathrm{LB}}_k=[-\sqrt{\frac{C_k}{g_{\mathrm{kk}}}-{\mathrm{\Δ}}_k}],$ 令a_k＝LB_k-1，然后执行

步骤c；

c.将当前的a_k加1得到新的a_k，如果新的a_k＝0，令新的a_k＝1，如果新的a_k≤UB_k，执行步骤e，否则执行步骤d；

d.如果k＝2，计算终止，输出处理结果a _min的当前值，否则将当前的k加1得到新的k，然后执行步骤c。

e.如果k＝1，执行步骤g，否则，将当前的k减1得到新的k，且Δk＝g₁₂a₂，C_k＝C-g₂₂a₂ ²，然后执行步骤b；

f.选择参数a满足||a||²≤1+P||h||²，如果

更新a_min＝a和

执行步骤c。

采用上述方法，最终输出满足a^TGa≤C的所有不为零的整数向量a的集合W，及对应该整数向量a的常数F的集合S，其中a＝a _min。

在TWRC系统中，存在两个信源装置S1和S2，一个中继装置，上述两个信源装置相对于对方为信宿装置。示例性的，设定每个信源装置的信号功率为P＝10dB，衰落信道和加性高斯信道的方差归一化为1。衰落信道向量h＝[h1，h2]^T，h1是源节点S1到中继的信道向量h2是源节点S2到中继的信道向量，假设衰落信道向量随机产生为h＝[0.5377，1.8339]^T，根据该信道向量可以计算出G矩阵为：

$G=\left[\begin{array}{cc}0.9230& -0.2628\\ -0.2628& 0.1037\end{array}\right]$

如果中继装置按照原有规则进行直接优化，得到的整数网络编码向量为a＝[0，1]^T。由于向量a中存在零元素，如果中继装置采用该网络编码向量进行源节点信息的编码，会发生一个信宿节点将无法解码得到源节点信息的情况。

S202、中继装置从不为零的整数向量中获取网络编码向量。

中继装置自身可以生成整数向量，而对应中继装置生成的每个整数向量可计算获得该中继装置在采用该整数向量进行编码时的传输速率。因此，一个整数向量对应一个传输速率。中继装置可以从步骤S201中的不为零的整数向量中选择所有元素均不为零且使传输速率最大的向量作为所述网络编码向量。示例的，可以在该不为零的整数向量中选择所有元素均不为零的向量组成向量集合，然后计算该向量集合中各个向量对应的传输速率，最后获取最大传输速率对应的向量即为网络编码向量。

特别的，一个中继装置的网络编码向量a使得该中继装置的传输速率最大，等价于使得a^TG a的值最小，其中矩阵G是一个可以通过信道参数计算出的矩阵，a^T为向量a的转置，“T”为转置符号。因此也可以执行下述步骤：

在所述整数向量中获取满足a^TGa≤C的所有元素均不为零的整数向量的集合M及常数集合N，所述C为预设常数，所述矩阵G满足公式

其中，I为单位矩阵，P为发射信号功率，h为信源装置到中继装置的信道向量，||h||²为向量h的模的平方；a^T为向量a的转置。可以看出，所述整数向量的集合M中的整数向量a与所述常数集合N中的常数F按照a^TGa＝F规则一一对应，F≤C。特别的，若在开始时，中继装置是根据费科-帕斯特法来获取不为零的整数向量，根据输入的矩阵G得到满足a^TGa≤C的所有不为零的整数向量a的集合W，及对应该整数向量a的常数F的集合S，那么，在本实施例中，

集合M为满足a^TGa≤C的所有元素均不为零的整数向量的集合，集合N为集合M对应的常数的集合，集合W为满足a^TGa≤C的所有不为零的整数向量a的集合，集合S为对应该整数向量a的常数F的集合。然后，可以在所述集合M中选择对应所述集合N中最小常数的向量作为所述网络编码向量。

示例性的，设定每个信源装置的信号功率为P＝10dB，衰落信道和加性高斯信道的方差归一化为1。衰落信道向量h＝[h1，h2]^T，h1是源节点S1到中继的信道向量h2是源节点S2到中继的信道向量，假设衰落信道向量随机产生为h＝[0.5377，1.8339]^T，根据本发明实施例所述的方法，在费科-帕斯特方法搜索获取的不为零的整数向量中选择所有元素均不为零且对应最小常数的向量作为网络编码向量，得到的网络编码向量为：a＝[1，3]^T。

S203、中继装置接收信源装置发送的源节点信息。

上述信源装置可用于进行数据的发送和/或编码，在实际应用中该信源装置可以用发送机来实现。

S204、中继装置根据网络编码向量，对接收到的源节点信息进行编码。

假设两个信源分别发送源节点信息x₁、x₂，中继装置根据网络编码向量a＝[1，3]^T对源节点编码后得到1×x₁+3×x₂＝x₁+3x₂，假设信宿装置S1接收到中继装置编码后的源节点信息为O，得到方程x₁+3x₂＝O，信宿装置S1已知了自身的信息x₁，然后可以解方程组得到源节点信息x₂。假设信宿装置S1接收中继装置编码后的的源节点信息为P，得到方程x₁+3x₂＝P，信宿装置S2已知了自身的信息x₂，然后可以解方程组得到源节点信息x₁。

需要说明的是，本发明实施例提供的网络编码方法步骤的先后顺序可以进行适当调整，步骤的数量也可以根据情况进行相应增减，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化的方法，因此不再赘述。

本发明实施例提供的网络编码方法中，中继装置根据元素不为零的网络编码向量进行网络编码，保证了网络中的中继装置对接收到的源节点信息编码的有效性，使信宿装置正确地解码。中继节点单独优化得到网络编码向量中不存在零元素，不仅能够提高解码的正确性，还能够提高网络平均传输速率。

示例的，在TWRC系统中，采用现有技术进行网络编码获得的网络编码向量中零元素出现的概率如图3所示，信号功率越小，零元素出现的概率越高，在三个节点，即两个信源装置和一个信宿装置的发射信号功率均为P＝10dB时，零元素出现的概率达到百分之六十以上，因此信宿装置无法解码的概率也较高。采用本发明实施例提供的网络编码方法，可以完全避免网络编码向量中零元素的出现，从而可以使信宿装置正确地解码。

又一示例的，在TWRC系统中，本发明实施例提供的网络编码方法与其他方法的平均传输速率如图4所示。图4中，线条x表示采用费科-帕斯特法获取网络编码向量进行编码转发的平均传输速率曲线；线条y表示本发明实施例提供的网络编码方法的网络平均传输速率曲线；线条z表示理想网络平均传输速率曲线。可以看出，在功率相同的情况下，采用本发明实施例提供的网络编码方法的网络平均传输速率较大，更接近理想曲线。

本发明实施例提供一种中继装置50，如图5所示，包括：

处理器501，用于获取网络编码向量，所述网络编码向量中所有元素均不为零。

编码单元502，用于根据所述网络编码向量，对接收到的源节点信息进行编码。

这样一来，编码单元根据处理器获取的元素不为零的网络编码向量进行网络编码，保证了网络中的中继装置对接收到的源节点信息编码的有效性，使信宿装置正确地解码，提高解码的正确性。

进一步的，处理器501还用于：按照预设规则获取不为零的整数向量，用于所述网络编码向量的筛选。

处理器302具体用于：从所述不为零的整数向量中选择所有元素均不为零且使传输速率最大的向量作为所述网络编码向量。

处理器302具体用于：在所述整数向量中获取满足a^TGa≤C的所有元素均不为零的整数向量的集合M及常数集合N，所述C为预设常数，所述矩阵G满足公式

其中，I为单位矩阵，P为发射信号功率，h为信源装置到中继装置的信道向量，||h||²为向量h的模的平方；a^T为向量a的转置，所述整数向量的集合M中的整数向量a与所述常数集合N中的常数F按照a^TGa＝F规则一一对应，F≤C；在所述集合M中选择对应所述集合N中最小常数的向量作为所述网络编码向量。

本发明实施例提供的一种通信系统，包括：本发明实施例提供的任意一种中继装置。

当然，本发明实施例提供的通信系统还可以包括：信源装置，用于向各个中继节点发送源节点信息，以便于中继节点对源节点信息进行编码与转发。信宿装置用于接收并解析中继节点发送的编码后的源节点信息。上述信源装置和信宿装置可以分别用发送机和接收机实现，且可以集成在一个装置上。

这样一来，中继装置根据元素不为零的网络编码向量进行网络编码，保证了网络中中继装置对接收到的源节点信息编码的有效性，使信宿装置正确地解码，提高解码的正确性。

本发明实施例还提供了一种处理器，用于获取网络编码向量，所述网络编码向量中所有元素均不为零。处理器还用于：按照预设规则获取不为零的整数向量，用于所述网络编码向量的筛选。本发明实施例还提供了一种处理器，用于根据所述网络编码向量，对接收到的源节点信息进行编码。该处理器可以与存储器相连接，该存储器用于存储该处理器处理的信息。该处理器执行的动作可以参照上述实施例提供的网络编码方法中的内容，在此不再赘述。

本发明实施例还提供一种芯片，该芯片用于进行网络编码，该芯片可以包括上述的处理器。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理包括，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。

上述以软件功能单元的形式实现的集成的单元，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述软件功能单元存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，简称ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，简称RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种网络编码的方法，其特征在于，包括：

获取网络编码向量，所述网络编码向量中所有元素均不为零；

根据所述网络编码向量，对接收到的源节点信息进行编码。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述获取网络编码向量之前，所述方法还包括：

按照预设规则获取不为零的整数向量，用于所述网络编码向量的筛选。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述获取网络编码向量，所述网络编码向量中所有元素均不为零包括：

从所述不为零的整数向量中选择所有元素均不为零且使传输速率最大的向量作为所述网络编码向量。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述获取网络编码向量，所述网络编码向量中所有元素均不为零包括：

在所述整数向量中获取满足a^TGa≤C的所有元素均不为零的整数向量的集合M及常数集合N，所述C为预设常数，所述矩阵G满足公式

其中，I为单位矩阵，P为发射信号功率，h为信源装置到中继装置的信道向量，||h||²为向量h的模的平方；a^T为向量a的转置，所述整数向量的集合M中的整数向量a与所述常数集合N中的常数F按照a^TGa＝F规则一一对应，F≤C；

在所述集合M中选择对应所述集合N中最小常数的向量作为所述网络编码向量。

5.一种中继装置，其特征在于，包括：

处理器，用于获取网络编码向量，所述网络编码向量中所有元素均不为零；

编码单元，用于根据所述网络编码向量，对接收到的源节点信息进行编码。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述处理器还用于：

按照预设规则获取不为零的整数向量，用于所述网络编码向量的筛选。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述处理器具体用于：

从所述不为零的整数向量中选择所有元素均不为零且使传输速率最大的向量作为所述网络编码向量。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述处理器具体用于：

在所述整数向量中获取满足a^TGa≤C的所有元素均不为零的整数向量的集合M及常数集合N，所述C为预设常数，所述矩阵G满足公式其中，I为单位矩阵，P为发射信号功率，h为信源装置到中继装置的信道向量，||h||²为向量h的模的平方；a^T为向量a的转置，所述整数向量的集合M中的整数向量a与所述常数集合N中的常数F按照a^TGa＝F规则一一对应，F≤C；

在所述集合M中选择对应所述集合N中最小常数的向量作为所述网络编码向量。

9.一种通信系统，其特征在于，包括：权利要求5或8所述的中继装置。

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