CN103490866A - 星地传输网络中基于网络编码的harq传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种星地传输网络中基于网络编码的HARQ传输方法。在无中间节点的点对点通信中，当有多个数据包传输错误时，在重传过程中，发送端将错误数据包选择性的两个一组进行网络编码后发送，接收端将重传包和首次发送的数据包进行联合迭代解码。本发明将HARQ技术和网络编码结合，在重传过程中加入网络编码，将两个错误包进行网络编码后发送重传。传统的HARQ需要四个时隙对两个错误数据包完成一次重传，基于网络编码的HARQ只需三个时隙即可完成一次重传，减少了重传次数；减少重传次数，从而可以增大系统的吞吐量；选择性网络编码可提高联合解码正确概率，增大残余误帧率。

Description

星地传输网络中基于网络编码的HARQ传输方法

技术领域

本发明涉及HARQ技术和网络编码，是一种适用于相邻节点通信系统中的重传和联合迭代解码方法；具体地说，是指一种星地传输网络中基于网络编码的HARQ传输方法。

背景技术

在星地传输网络中，环境非常复杂。对于接收端，不但存在由于地理环境引起的衰落和阴影，而且还受到开放式信道结构带来的各种干扰和噪声的影响。这些衰落和干扰将严重影响通信质量。因此，如何保证高速传输的数据能够准确无误的到达接收端，成为如今乃至今后在卫星无线通信中需要解决的问题。

目前为了提高传输系统的有效性和可靠性，所采用的技术包括混合自动请求重传（HARQ）和网络编码。HARQ技术将前向纠错和自动请求重传技术联合，在自动请求重传的系统框架中放入一个前向纠错子系统，来纠正在无线信道传输过程中引入的错误。HARQ被广泛应用于无线信道中，来提高接收数据的可靠性。在不可靠传输的无线通信系统中，网络编码技术的应用也提高了系统的吞吐量。网络编码技术广泛应用于多播、广播和有中继节点的系统中。当多个用户的不同数据包传输错误时，将多个数据包进行网络编码后，发送给多个用户，每个用户从中解码得到各自所需数据包。

发明内容

在相邻节点通信中，本发明提出一种将网络编码和HARQ技术结合的重传方法。在无中间节点的点对点通信中，HARQ技术用于数据传输。当有多个数据包传输错误时，在重传过程中，发送端将错误数据包选择性的两个一组进行网络编码后发送，接收端将重传包和首次发送的数据包进行联合迭代解码。

本发明提供的星地传输网络中基于网络编码的HARQ传输方法，具体包括如下步骤：

第一步，初始化参数：包括当前发送数据包的序号、当前窗口内错误数据包数、传输次数。

第二步，在时隙t_i，发送端将信息向量a_i进行CRC校验码编码后，再经过Turbo码编码器，产生码率为1/3的母码b_i；经过码率匹配后得到码字c_i；编码比特经BPSK调制得到符号x_i。（i为正整数，i=1,2,3......）

第三步，将BPSK调制得到符号x_i进行传输，接收端接收到的信号向量为y_i：

y_i＝h_ix_i+n_i    （1）

其中，n_i为独立同分布的噪声向量，其均值为0，方差为

，下脚标n表示噪声；h_i为复杂的零均值圆对称高斯分布变量，方差为1。

第四步，对信号向量y_i进行解调解码。

第五步，若解码正确，进行第八步，继续发送下一个数据包；若解码错误，在下一时隙，发送当前窗口内的下一数据包，直到发送完当前窗口内所有数据。

第六步，对于一个窗口内的多个解码错误的数据包，首先统计窗口内每个解码错误的数据包解码后的错误比特数，然后将错误比特数较少的数据包两个一组进行网络编码后重传发送，将错误比特数较多的数据包，不与其他解码错误的数据包进行网络编码，而直接进行重传发送。

第七步，对重传发送的数据包进行解码，直到重传发送的数据包解码正确，或达到最大允许重传次数。

第八步，窗口向前移动。

第九步，重复上述第一步～第八步，直到发送完所有数据。

第十步，统计系统传输性能。

本发明的优点在于：

1、本发明将HARQ技术和网络编码结合，在重传过程中加入网络编码，将两个错误包进行网络编码后发送重传。传统的HARQ需要四个时隙对两个错误数据包完成一次重传，基于网络编码的HARQ只需三个时隙即可完成一次重传，减少了重传次数。

2、本发明减少了重传次数，从而可以增大系统的吞吐量。

3、当首次传输数据包解码后，错误比特数较多时，不适用于和重传包联合解码。即不能通过联合解码得到正确数据，联合解码的正确概率较低。本发明提出选择性网络编码，即根据每个数据包的错误比特数，发送端将错误数据包选择性的两个一组进行网络编码后重传，将重传数据和第一次传输数据联合解码，可提高联合解码正确概率，增大残余误帧率。

附图说明

图1为相邻节点通信模型；

图2为由两个卷积码编码器和一个Turbo码内部交织器组成的Turbo码编码器；

图3为网络编码包和首次传输数据包联合解码；

图4为本发明提供的基于网络编码的HARQ传输流程图；

图5为本发明提供的传输方法与传统传输方法的平均传输次数比较曲线；

图6为本发明提供的传输方法与传统传输方法的归一化吞吐量的比较曲线；

图7为本发明提供的传输方法与传统传输方法的残余误帧率的比较曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

首先介绍如下概念与定义：

（1）星地传输网络：卫星通信指利用人造地球卫星作为中继站转发无线电波，在两个或多个地球站之间进行的通信。星地传输网络指卫星和地面站之间的通信系统。在地理环境的影响下，会有阴影和衰落。由于是开放式无线信道，会有干扰和噪声。

（2）HARQ：混合自动请求重传技术，将前向纠错（FEC：Forward Error control）和自动请求重传技术（ARQ：Automatic Repeat reQuest）联合，在自动请求重传的系统框架中放入一个前向纠错子系统，当接收端接收到的错误图样通过信道解码不能够正确译码时，系统启动自动请求重传机制，重新传输该信息数据包的信息。

（3）网络编码：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，中间节点扮演着编码器或信号处理器的角色。多用于广播、多播或有中继节点的通信系统中。

本发明提供的星地传输网络中基于网络编码的HARQ传输方法，在windows系统上使用Matlab7.10构建相邻节点基于网络编码的HARQ通信系统仿真平台。所述传输方法基于如下的理论假设：

（1）仿真环境为相邻节点通信系统，相邻节点通信模型如图1所示。节点A和节点B为相邻的两个节点，在时隙t_i，节点B向节点A发送数据码字c_i，在时隙t_j，节点B向节点A发送数据码字c_j。若两次发送的数据码字在接收端均未能正确解码，则在重传过程中，在时隙t_k，节点B向节点A发送数据码字c_i和码字c_j的网络编码包c_i⊕c_j。⊕表示网络编码，即码字按位进行异或。每一次节点B向节点A发送数据，若数据正确解码，节点A向节点B回复确认字符ACK，否则回复字符NACK。其中，i,j,k均为正整数，取值1,2,3......。

（2）HARQ中采用Turbo码作为信道编码，进行码率匹配前的初始码率为1/3。迭代解码过程中最大允许迭代次数为6。采用CRC校验码（即循环冗余校验码）作为停止迭代的标准，即每一次迭代后，计算硬判决值，采用CRC校验码进行校验。若满足校验准则，则停止迭代，输出解码比特；否则继续迭代，直到解码正确或达到最大允许迭代次数。

（3）采用BPSK（Binary Phase Shift Keying）调制方式。

（4）传输过程中，窗口大小设定为10。在设定传输环境的信噪比下，一个窗口内以一定概率出现多个数据包（大于或等于3个）传输错误。重传过程中，最大允许重传次数为4。

下面结合图4中的传输流程图对本发明提供的星地传输网络中基于网络编码的HARQ传输方法进行详细说明。

所述星地传输网络中基于网络编码的HARQ传输方法包括如下步骤：

第一步，初始化参数：包括当前发送数据包的序号、当前窗口内错误数据包数、传输次数。

第二步，在时隙t_i，发送端将信息向量a_i进行CRC校验码编码后，再经过Turbo码编码器，产生码率为1/3的母码b_i；经过码率匹配后得到码字c_i；编码比特经BPSK调制得到符号x_i。

所述Turbo码编码器由两个平行级联递归卷积码组成，其进行码率匹配前的码率为1/3。Turbo码编码器如图2所示。其中π表示交织器，D表示卷积码编码器中的移位寄存器，所述的Turbo码编码码器由一个交织器和两个卷积码编码器组成。

第三步，将BPSK调制得到符号x_i进行传输。信号在无线信道中传输，在衰落、阴影以及干扰噪声的影响下，接收端接收到的信号向量为y_i：

y_i＝h_ix_i+n_i    （1）

其中，n_i为独立同分布的噪声向量，其均值为0，方差为

，h_i为复杂的零均值圆对称高斯分布变量，方差为1。

第四步，对信号向量y_i进行解调解码。

在接收端，首先对接收到的信号向量y_i进行解调，然后进行Turbo码迭代解码，具体为：

（1）根据接收到的信号向量y_i，考虑与c_i=0（或c_i=1）相关的所有符号x∈X，来计算c_i=0（或c_i=1）的概率，可以计算对应码字c_i的对数似然比（LLRs）L_Dem(c_i)：

$L_{\mathrm{Dem}}\left(c_i\right)=\ln \frac{{\mathrm{\Σ}}_{x\∈X,c_i=0}\exp (-\frac{{|y_i-h_{i}x|}^2}{{\mathrm{\σ}}_n^2})}{{\mathrm{\Σ}}_{x\∈X,c_i=1}\exp (-\frac{{|y_i-h_{i}x|}^2}{{\mathrm{\σ}}_n^2})}---\left(2\right)$

X表示所有调制符号的集合。

（2）经过解速率匹配，得到母码b_i的对数似然比L_Dem(b_i)，然后Turbo码译码器估计信息向量a_i的对数似然比。迭代解码过程中，采用CRC校验码作为停止迭代的标准，即每一次迭代后，计算信息向量a_i的硬判决值，采用CRC校验码进行校验。若满足校验准则，则停止迭代，输出信息向量a_i的解码比特，否则继续迭代，直到解码正确或达到最大允许迭代次数。

第五步，若解码正确，进行第八步，继续发送下一个数据包；若解码错误，在下一时隙，发送当前窗口内的下一数据包，直到发送完当前窗口内所有数据。

第六步，对于一个窗口内的多个解码错误的数据包，首先统计窗口内每个解码错误的数据包解码后的错误比特数，然后将错误比特数较少的数据包两个一组进行网络编码后重传发送，将错误比特数较多的数据包，不与其他解码错误的数据包进行网络编码，而直接进行重传发送。一般对于较少和较多的定义或者解释可根据自身仿真环境进行设置，如信噪比、信道编码类型、调制方式等。在本发明所设置的仿真环境下是指，当错误比特数超过或等于信息向量长度的15%时，判为较多，否则，判为较少。

所述网络编码是指将Turbo码编码后的向量按位进行异或。

第七步，对重传发送的数据包进行解码，直到重传发送的数据包解码正确，或达到最大允许重传次数。

对于网络编码的数据包的解码，如图3所示，假设首次传输的数据包c_i，c_j，接收到的信号向量为y_i，y_j。根据接收信号向量可计算对应码字c_i和c_j的对数似然比L_Dem(c_i)、L_Dem(c_j)。通过解速率匹配，得到母码的对数似然比L_Dem(b_i)、L_Dem(b_j)。Turbo码译码器估计信息向量的对数似然比，得到信息向量的对数似然比L_Dec(b_i)、L_Dec(b_j)。网络编码的数据包为c_k=c_i⊕c_j，根据接收到的信号向量y_k，同样可得到信息向量的对数似然比L_Dec(b_k)。L_Dec(b_k)包含母码b_i、b_j的额外信息。通过软异或运算，计算得到母码b_i、b_j的额外信息。所述额外信息的计算方法如公式（3）和（4）所示：

将额外信息和原解码信息向量的和L_Dec(b_i)+L_NC(b_i)、L_Dec(b_j)+L_NC(b_j)分别作为Turbo码译码器的输入继续迭代解码，更新Turbo码译码器的输出信息向量L’_Dec(b_i)、L’_Dec(b_j)。若某个数据包仍未能正确解码（采用CRC校验码进行校验），则将数据包c_i，c_j和它们的网络编码的数据包c_k循环重传，直到解码正确或达到最大允许重传次数。

对于两个LLR值（对数似然值）L₁、L₂，他们的软异或计算可表示为：

其中，

表示软异或，tanh表示双曲正切函数，atanh表示逆双曲正切函数。在实际应用中，为了减少计算复杂度，可选择近似计算。

第八步，窗口向前移动。

第九步，重复上述第一步～第八步，直到发送完所有数据。

第十步，统计系统传输性能。

在相邻节点通信中，为了验证本发明提供的基于网络编码的HARQ的传输性能，统计参数包括：平均传输次数，归一化吞吐量，残余误帧率。

（1）平均传输次数；

平均传输次数：每一个数据包的平均传输次数。

如图1所示，本发明提供的基于选择性网络编码的HARQ的传输性能更优，即和传统HARQ相比，本发明提出的方案，即重传时，根据每个数据包的错误比特数，发送端将错误数据包选择性的两个一组进行网络编码后重传，将重传数据和第一次传输数据联合解码，可以减少传输次数。

（2）归一化吞吐量；

归一化吞吐量可表示为：

$T_{\mathrm{normalized}}=\frac{N_{\mathrm{correct}}}{N_{\mathrm{tatal}}}---\left(6\right)$

其中，N_correct指正确传输的数据包数；N_total代表总传输数据包数。

两种传输方案下的归一化吞吐量如图2所示。从图中可以看出基于选择性网络编码的HARQ的性能更优，即和传统HARQ相比，本发明提出的方案，即重传时，根据每个数据包的错误比特数，发送端将错误数据包选择性的两个一组进行网络编码后重传，将重传数据和第一次传输数据联合解码，可以增大归一化吞吐量。

（3）残余误帧率；

残余误帧率：指一次重传后统计的误帧率，该性能用于判断网络编码包的解码正确性，即网络编码包和首次传输的数据包联合迭代解码的正确性。

基于网络编码的HARQ：重传过程中，将错误数据包按其序号顺序的两个一组，将重传数据和第一次传输数据联合解码。

基于选择性网络编码的HARQ：本发明提出的方案，即重传时，根据每个数据包的错误比特数，发送端将错误数据包选择性的两个一组进行网络编码后重传，将重传数据和第一次传输数据联合解码。

两种方案下的残余误帧率结果如图3所示，从图中可以看出基于选择性网络编码的HARQ性能更优，即可提高联合解码正确概率，增大残余误帧率。

Claims (2)

1.星地传输网络中基于网络编码的HARQ传输方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步，初始化参数：包括当前发送数据包的序号、当前窗口内错误数据包数、传输次数；

第二步，在时隙t_i，发送端将信息向量a_i进行CRC校验码编码后，再经过Turbo码编码器，产生码率为1/3的母码b_i；经过码率匹配后得到码字c_i；编码比特经BPSK调制得到符号x_i；其中，i为正整数，i=1,2,3.....；

第三步，将BPSK调制得到符号x_i进行传输，接收端接收到的信号向量为y_i：

y_i=h_ix_i+n_i    (1)

其中，n_i为独立同分布的噪声向量，其均值为0，方差为，n表示噪声；h_i为复杂的零均值圆对称高斯分布变量，方差为1；

第四步，对信号向量y_i进行解调解码；

第五步，若解码正确，进行第八步，继续发送下一个数据包；若解码错误，在下一时隙，发送当前窗口内的下一数据包，直到发送完当前窗口内所有数据；

第六步，对于一个窗口内的多个解码错误的数据包，首先统计窗口内每个解码错误的数据包解码后的错误比特数，然后将错误比特数较少的数据包两个一组进行网络编码后重传发送，将错误比特数较多的数据包，不与其他解码错误的数据包进行网络编码，而直接进行重传发送；

第七步，对重传发送的数据包进行解码，直到重传发送的数据包解码正确，或达到最大允许重传次数；

第八步，窗口向前移动；

第九步，重复上述第一步～第八步，直到发送完所有数据；

第十步，统计系统传输性能。

2.根据权利要求1所述的星地传输网络中基于网络编码的HARQ传输方法，其特征在于：第四步中所述的解调解码具体为：

（1）根据接收到的信号向量y_i，考虑与c_i=0或c_i=1相关的所有符号x∈X，来计算c_i=0或c_i=1的概率，计算对应码字c_i的对数似然比L_Dem(c_i)：

$L_{\mathrm{Dem}}\left(c_i\right)=\ln \frac{{\mathrm{\Σ}}_{x\∈X,c_i=0}\exp (-\frac{{|y_i-h_{i}x|}^2}{{\mathrm{\σ}}_n^2})}{{\mathrm{\Σ}}_{x\∈X,c_i=1}\exp (-\frac{{|y_i-h_{i}x|}^2}{{\mathrm{\σ}}_n^2})}---\left(2\right)$

X表示所有调制符号的集合。

（2）经过解速率匹配，得到母码b_i的对数似然比L_Dem(b_i)，然后Turbo码译码器估计信息向量a_i对数似然比；迭代解码过程中，采用CRC校验码作为停止迭代的标准，即每一次迭代后，计算信息向量a_i的硬判决值，采用CRC校验码进行校验；若满足校验准则，则停止迭代，输出信息向量a_i的解码比特，否则继续迭代，直到解码正确或达到最大允许迭代次数。3、根据权利要求1所述的星地传输网络中基于网络编码的HARQ传输方法，其特征在于：第六步中，当错误比特数超过或等于信息向量长度的15%时，判为较多，否则，判为较少。4、根据权利要求1所述的星地传输网络中基于网络编码的HARQ传输方法，其特征在于：仿真环境为相邻节点通信系统；采用Turbo码作为信道编码，进行码率匹配前的初始码率为1/3；迭代解码过程中最大允许迭代次数为6；采用CRC校验码作为停止迭代的标准，即每一次迭代后，计算硬判决值，采用CRC校验码进行校验；若满足校验准则，则停止迭代，输出解码比特；否则继续迭代，直到解码正确或达到最大允许迭代次数；采用BPSK调制方式；信号传输过程中，窗口大小设定为10，在设定传输环境的信噪比下，一个窗口内以一定概率出现大于或等于3个数据包传输错误，重传过程中，最大允许重传次数为4。

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