CN103580809A - 一种基于多源分布式网络的多跳协作传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于多源分布式网络的多跳协作传输方法。按如下步骤进行：信源节点根据所选的星座调制方式，分散重组数据帧，在各自的时隙将信号星座调制发送给中继集1中的节点；该节点收到信号后，作出判决，如果只收到单个信源节点的信号并且其星座调制方式与该节点所采用调制方式相同，则直接对信号放大后发送到中继集2中相应的节点；否则，进行星座解调、随机网络编码、数据帧分散重组、星座调制后，发送到中继集2中相应的节点；以此类推，中继集中的节点对信号以相同的方式处理；目的节点收到多条链路的信号进行联合译码。本发明根据星座调制方法不同比特位的错误概率的差异，在多跳传输中保护部分数据块，从而降低网络整体数据块的误块率。

Description

一种基于多源分布式网络的多跳协作传输方法

技术领域

本发明属于无线通信领域，具体涉及一种基于多源分布式网络的多跳协作传输方法。

背景技术

随着无线通信技术的高速发展，终端用户对系统信息的传输传输速率、可靠性、吞吐量等性能指标的要求不断提高。近年来，出现了很多无线通信技术，已有的研究表明多天线MIMO技术能够提高传输可靠性、降低误码率等诸多优点，但其在工程应用上却受到移动用户终端的自身体积、实现复杂度以及功耗等因素的限制。协作通信技术利用多个单天线的节点建立协作关系从而形成虚拟MIMO，解决MIMO技术在中小型设备的多天线限制，扩大了网络覆盖范围，节约网络资源。此外，网络编码(network coding,NC)技术不仅能有效提高系统的资源利用率、提升网络吞吐量、均衡网络流量，还能提高带宽利用率、增加系统容错性。

多源分布式网络具有构建简单灵活、中继协议灵活多变、可适用于不同无线网络环境等特点，得到了广泛的应用。无线通信利用无线电磁波进行信息的传输，信号的传输过程常会伴随有各类干扰、多径衰落、阴影效应等，从而使得信号产生失真，无线通信质量面临着巨大的考验。信道编码通过增加冗余比特进行差错控制，信道编码理论比较成熟，常利用信道编码实现数字信息的高效可靠传输。

目前，已有部分学者致力于多源分布式网络的信息传输方法的研究，其场景主要是源节点与目的节点之间存在单跳传输链路。然而，在实际工程中，由于无线通信环境的恶劣，或者信源发送终端节点的功率的限制，源节点与目的节点之间直接传输链路并不总是存在的，即必须通过中继节点对信息的转发才能实现信息传输的多源多跳分布式网络。然而在多跳无线网络中，误码的随机性使得每一跳数据块都有可能受到“污染”，要实现系统的高吞吐率、低误码率等性能指标显然将面临很大的挑战。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种基于多源分布式网络的多跳协作传输方法，能够在多跳数据传输中减小“受保护数据块”的错误概率，降低网络整体的错误概率，从而提高网络的吞吐率。

为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种基于多源分布式网络多跳协作传输方法，其实现步骤如下:

第一步，信源信息传输过程:信源节点S_i(i=1,2……,n)将待发送的二进制信号比特序列划分为固定大小的数据块，然后进行信道编码、分散重组、星座调制，将调制后的信号发送给中继集1中的节点；

第二步，中继集节点对信息处理过程：中继集1中的节点收到信号后，作出判决，如果只收到单个信源节点的信号并且其星座调制方式与该中继节点所采用的星座调制方式相同，则直接对信号放大后发送到中继集2中相应的节点；否则，进行星座解调、随机网络编码、数据帧分散重组、再次星座调制后，发送到中继集2中相应的节点；以此类推，中继集i(i≥2)中的节点对信号的处理方式与中继集1中的节点对信号处理方式相同；

第三步，目的节点联合译码过程：目的节点收到多条链路的信号进行联合译码。

进一步，在第一步和第二步中，所述的分散重组，其方法为，根据所选的星座调制的比特位错误概率的不同，把“受保护数据块”的比特位分散在星座调制错误概率的低的比特位，其余“数据块”的比特位分散于星座调制错误概率的高的比特位，实现保护部分数据块，达到网络整体的误块率降低。

进一步，第二步中，所述按照的随机网络编码形成数据帧，其要求每个节点在信息传输前生成相同的网络编码向量H，其任意行的第一列的数是在有限域GF(2^m)中随机选取的不包含0和1的不同数，其他列的数可以按照范德蒙行列式的规则形成传送数据帧时只需传送编码向量行索引，而不是整个编码系数。

相对于现有技术，本发明的有益效果：

该方法应用于多源分布式网络的多跳协作传输场景，在多跳环境中，利用星座调制的比特位的误比特的不同，星座调制“好的”（错误概率低）比特位放置“受保护数据块”的比特，从而有效地降低误码在所有数据块发生，保护部分数据块，提高系统吞吐率。

本发明的方法还利用编码的分散重组，信道编码能够更有效纠正随机错误。另外，本方法将网络编码应用在多跳中继协作系统中，允许中继节点对来自不同信源的数据进行网络编码以此提高网络吞吐量、改善负载均衡、减小传输延迟、节省节点能耗。

所采用的网络编码为随机网络编码，在数据帧传输中与传统网络编码不同，只需传输编码向量索引，而不是整个编码向量，从而减小额外数据传输开销。

附图说明

图1是本发明基于多源分布式网络的多跳协作传输方法的网络拓扑模型；

图2是本发明的实施例1的网络拓扑模型；

图3是本发明的实施例1的系统架构图；

图4是本发明的实施例1的数据块分散重组示意图；

图5是本发明的实施例1中传统直接传输方法和基于多源分布式网络的多跳协作传输方法误块率曲线图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合附图和具体实施例，对本发明进一步详细说明。

图1示出的是本发明的基于多源分布式网络的多跳协作传输方法的网络拓扑模型，该模型包含多个信源节点S_i(i=1,2……,n)，多个中继节点集R_j(j=1,2……,n)和一个目的节点D。本发明基于多源分布式网络多跳协作传输方法主要包括如下步骤进行：

第一步，信源信息传输过程:信源节点S_i(i=1,2……,n)将待发送的二进制信号比特序列划分为固定大小的数据块，然后进行信道编码、分散重组、星座调制，把调制后的信号发送给中继集1中的节点；

第二步，中继集节点对信息处理过程：中继集1中的节点收到信号后，作出判决，如果只收到单个信源节点的信号并且其星座调制方式与该中继节点所采用的星座调制方式相同，则直接对信号放大后发送到中继集2中相应的节点；否则，进行星座解调、随机网络编码、数据帧分散重组、再次星座调制后，发送到中继集2中相应的节点；以此类推，中继集i(i≥2)中的节点对信号的处理方式与中继集1中的节点对信号处理方式相同；

第一步和第二步中，所述的分散重组，其方法为，根据所选的星座调制的比特位错误概率的不同，把“受保护数据块”的比特位分散在星座调制错误概率的低的比特位，其余“数据块”的比特位分散于星座调制错误概率的高的比特位，实现保护部分数据块，达到网络整体的误块率降低。

第二步中，所述按照的随机网络编码形成数据帧，其要求每个节点在信息传输前生成相同的网络编码向量H，其任意行的第一列的数是在有限域GF(2^m)中随机选取的不同数（不包含0和1），其他列的数可以按照范德蒙行列式的规则形成，例如：H的第j行为 $h_j=(h_{j1},h_{j1}^2...,h_{j1}^n),\{h_{j1}\∈\mathrm{GF}\left(2^m\right),h_{j1}\≠\mathrm{0,1}\},$ 传送数据帧时只需传送编码向量行索引，而不是整个编码系数。

第三步，目的节点联合译码过程：目的节点收到多条链路的信号进行联合译码。

下面介绍一个两个信源两跳情况的具体实例，如图2所示，包括2个源节点，3个中继节点，1个目的节点；源节点S为MS(Mobile Station)，中继节点R为RS(Relay Station)，目的节点可以为BS或者RS，每个节点处于半双工模式。MS和RS采用TDM(Time Division Multiple)，时分复用)的工作方式。RS可以利用网络编码技术同时来协助多个用户进行信息传输。其中：

第一步，信源信息传输过程：

时隙1，信源S₁对输入的比特流进行分片，每片信息继续划分为等大小的数据块大小选取n=8bit；信道纠错码采用CRC-ITU 4bits（CRC长度N₁=5），生成多项式为g(x)=x⁴+x+1的循环冗余校验码（CRC），以及编码效率为R=1/2，约束长度L=7，生成多项式[g₁,g₂]=[171,133]的卷积码；一个数据块，经过CRC以及卷积编码后其比特大小为：

len=(n+N₁)/R=24

信道编码后的数据进行分散重组，其原理如图4所示，根据星座映射比特位的错误概率的不同（16-QAM中，比特位1、3的错误概率低于比特位2、4），“受保护的数据块”的比特位分散在星座调制“好的”比特位（低错误概率），“不受保护的数据块”的比特位分散在星座调制“差的”比特位（高错误概率），然后采用带格雷映射的16-QAM调制信号X₁发送出去。

时隙2，,信源S₂对信息的处理与S₁类似，最终将星座调制信号X₂发送出去。

第二步，中继集节点对信息处理过程：

时隙3，中继集1中的中继节点R₂收到信号2路源节点发送的信号

后，判断信号的星座调制方式是否与该中继节点的星座调制方式相同，在本实施案例中星座解调方式始终采用16-QAM，则只需对信号进行星座解调、网络编码形成新的数据帧，然后进行星座映射发送信号至目的节点；中继节点R₁、R₃收到单条链路信号，直接放大转发。

例如中继节点R₂收到信号为

后，进行星座解调，得到C₁，C₂，然后从随机选取编码向量H：

中任意一行h_j（j=1,2…,l）进行网络编码，由于只有2个信源，则只需选择前两列作为编码系数：

$C_j^{\′}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{\mathrm{ji}}{C}_i=\underset{i=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{j1}^i{C}_i---\left(2\right)$

第三步，目的节点联合译码过程：目的节点收到3路信号后进行联合译码。

为了比较本发明方法的对系统性能上的改善，通过对实例进行验证，主要通过接收端译码后误块率性能来进行说明。误块率的计算是通过CRC校验码来判断目的节点译码后的每一块信息是否出现错误，并统计出错数据块的个数，除以总的数据块数量得到的。仿真对比了本实例基于多源分布式网络多跳协作传输方法与传统信息传输方法，详见图5所示。横坐标表示信噪比，纵坐标表示误块率。由于本实例中的信源是完全对称的，所以只需要统计信源S₁的误块率就可以反应系统的误块率。仿真结果反映出本发明的误块率降低，系统性能上得到了很大的提升。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进1步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于多源分布式网络的多跳协作传输方法，其特征在于按如下步骤进行：

第一步，信源信息传输过程：信源节点S_i(i=1,2……,n)将待发送的二进制信号比特序列划分为固定大小的数据块，然后进行信道编码、分散重组、星座调制，把调制后的信号发送给中继集1中的节点；

第二步，中继集节点信息处理过程：中继集1中的节点收到信号后，作出判决，如果只收到单个信源节点的信号并且其星座调制方式与该中继节点所采用的星座调制方式相同，则直接对信号放大后发送到中继集2中相应的节点；否则，进行星座解调、随机网络编码、数据帧分散重组、星座调制后，发送到中继集2中相应的节点；以此类推，中继集i(i≥2)中的节点对信号的处理方式与中继集1中的节点对信号处理方式相同；

第三步，目的节点联合译码过程：目的节点收到多条链路的信号进行联合译码。

2.如权利要求1所述的一种基于多源分布式网络的多跳协作传输方法，其特征在于：第一步和第二步中，所述的分散重组，其方法为，根据所选的星座调制的比特位错误概率的不同，把“受保护数据块”的比特位分散在星座调制错误概率的低的比特位，其余“数据块”的比特位分散于星座调制错误概率的高的比特位，实现保护部分数据块，达到网络整体的误块率降低。

3.如权利要求1所述的一种基于多源分布式网络的多跳协作传输方法，其特征在于：第二步中，所述按照的随机网络编码形成数据帧，其要求每个节点在信息传输前生成相同的网络编码向量H，其任意行的第一列的数是在有限域GF(2^m)中随机选取的不包含0和1的不同数，其他列的数可以按照范德蒙行列式的规则形成传送数据帧时只需传送编码向量行索引，而不是整个编码系数。

4.如权利要求3所述的一种基于多源分布式网络的多跳协作传输方法，其特征在于：所述范德蒙行列式的规则为：

H的第j行为 $h_j=(h_{j1},h_{j1}^2...,h_{j1}^n),\{h_{j1}\∈\mathrm{GF}\left(2^m\right),h_{j1}\≠\mathrm{0,1}\},$ 行向量h_j中数成幂次关系。

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