CN104158622A - 一种基于lt码重要性采样的高能效感知信息传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种认知无线电宽带协作频谱感知网络中基于LT码重要性采样的高能效感知信息传输方法。采用基于LT码重要性采样的优化度分布设计来对感知信息进行信道编码，不仅使得计算复杂度低，而且系统性能更加优化，从而在保证感知信息传输可靠性条件下，有效地节约传输过程所消耗的能量。若感知节点与中心节点距离较远时，采用单跳的译码转发中继方式，进一步降低了传输能耗。度分布优化选取度值得到概率优化值后，基于鲁棒孤波分布函数得到对应的优化度分布设计，最后对设计出的优化的度分布进行归一化得到实用的度分布，MATLAB仿真实验证明了该方法相比于传统的度分布性能有所提高。

Description

一种基于LT码重要性采样的高能效感知信息传输方法

技术领域

本发明涉及一种认知无线电的宽带协作频谱感知中感知信息传输方法，尤其涉及一种基于LT码重要性采样的高能效感知信息传输方法。

背景技术

随着人们对无线高速数据传输需求的不断增长，频谱资源变得日益紧缺，有效可靠的无线频谱接入成为人们关注的焦点。近年来出现的认知无线电技术(Cognitive Radio，CR)是一种能够感知周围环境并显著提高频谱利用率的新型智能无线通信技术，能够有效地解决频谱资源紧张问题。

频谱感知是认知无线电的关键技术。通过频谱感知，次级用户可以快速、可靠地检测出未被主用户占用的频谱空穴以供次级用户接入使用。随着检测带宽的增加和多个用户协作参与频谱感知，宽带协作频谱感知用户所消耗的能量也随之增加。近年来，在提倡绿色通信的背景下，终端节能技术作为构建端到端绿色网络的重要组成部分，得到了广泛重视。因而，优化感知终端能耗设计、制定合理的感知信息传输方案成为宽带协作频谱感知除性能之外另一个需要重点考虑的问题。

在传统的感知信息传输中，为保证信息传输的可靠性，通常采用较大的功率进行发射，这会过多地消耗能量。信道编码技术在保证一定的传输可靠性的情况下，能有效降低总的传输能耗。近年来，信道编码技术的研究不断发展着。典型的应用包括基于速率兼容删除卷积码的协作编码方案，分布式Turbo码的协作方案，LDPC码在全双工和半双工中继模式下的协作编码方案等。然而，上述采用的协作编码方案的码率都是固定的，无法根据信道状态的信息进行灵活调整。

随着喷泉码编码的出现，它的优势逐步得到了广泛认识。喷泉码作为一种理想的信道编码方式可以达到高能效设计和信息可靠传输的平衡。一方面喷泉码码率不固定，可以灵活地适应变化的信道，另一方面编译码复杂度低，可以大大减少处理信息的时间，解决了大数据分发和可靠传输的问题，非常适用于宽带协作频谱感知系统进行感知信息的传输。

LT码作为一种切实可行的喷泉码编码方案在于它在编码过程中采用了优化的度分布。目前，已有相关文献对度分布优化方案进行了研究。例如，在混沌-分形理论和应用的国际研讨会中文献《Implementation of LT codes with a Revised Robust SolitionDistribution by Using Kent Chaotic Map》提出了只有一个参数的鲁棒孤波分布，优化后的LT码度分布使用肯特混沌映射和伪随机数生成器来实现。但该方法的性能在高信噪比的情况下还有待提高。ICIST中文献《Combined degree distribution：A simple method todesign the degree distribution of fountain codes》提出了一种新的方式来结合几种不同的度分布，并将其整合到一种度分布的方法，提出的度分布拥有最佳切换点，然而该方法的复杂度高，不适合用于感知节点。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种基于LT码重要性采样的高能效感知信息传输方法，该方法能够在保证感知信息传输可靠性条件下，有效地节约传输过程所消耗的能量并且计算复杂度低。

技术方案：一种基于LT码重要性采样的高能效感知信息传输方法，包括步骤如下：

(1)，在传输宽带协作频谱感知信息时，采用LT码对感知信息进行信道编码；

(2)，对感知用户进行分簇并确定簇头后，感知用户将感知信息传给所在簇的簇头，由簇头进行簇内的融合；

(3)，根据所述簇头距离汇聚点的距离，选择传输方式，将感知信息传输到汇聚点；

(4)，由汇聚点将多用户协作感知信息进行融合判决。

进一步的，所述步骤(1)中，基于LT码重要性采样对度分布进行优化，包括如下具体步骤：

(1a)，通过蒙特卡洛仿真分别确定度值i＝1和i＝2对应的概率优化值；

(1b)，在度值i为i≠1且i≠2的其他任意值时，基于鲁棒孤波分布函数得到对应的度分布；

(1c)，将所述度值i＝1和i＝2对应的概率优化值以及其他度值对应的度分布归一化处理，得到最终的度分布。

进一步的，所述步骤(2)包括如下具体步骤：

(2a)按照聚类方式对感知用户进行分簇，并确定汇聚点；

(2b)根据分簇的结果寻找同时满足下列A、B、C要求的簇作为簇头：

A.节点位置位于簇的中心区域；

B.节点能量充足；

C.节点处于静止或低速运动状态；

进一步的，所述步骤(3)包括如下具体步骤：

(3a)当所述簇头离汇聚点小于等于预先设定的门限值时，直接将簇头融合的感知信息传给汇聚点；

(3b)当所述簇头离汇聚点大于预先设定的门限值时，采用单跳中继译码转发协作方式传输融合的感知信息到汇聚点。

有益效果：本发明提出的一种基于LT码重要性采样的高能效感知信息传输方法，在宽带协作频谱感知中，采用喷泉码对多用户协作频谱感知信息进行信道编码，并采用基于LT码的重要性采样来优化度分布设计，在保证感知信息传输可靠性条件下，有效地节约传输过程所消耗的能量并且降低计算复杂度。其中，在度分布优化设计时，依据重要性对度值的选取进行了区分，确定度值为1的情况的概率分布，其原因在于度值为1时的度分布的波动较小，不易被破坏；确定度值为2的情况的概率分布，由于度值为2的概率要大于度值为1的概率，故保持了度分布的共性。具体通过蒙特卡洛仿真来得到度值为1和2的概率的优化值，蒙特卡洛方法可以解决将事件转化为概率模型从而求得确定解的问题，虽然它本身也是一个随机变量，但这个随机变量是由随机试验模型输出通过统计处理得到的，从而得到具体可靠的参考依据。在度值取除重要值以外的其他任意值时，基于鲁棒孤波分布函数得到对应的度分布，并将得到的优化度分布归一化，从而得到最终实用的优化度分布。

进一步的，本发明提出的一种基于LT码重要性采样的高能效感知信息传输方法融合单跳中继的译码转发传播方式：对感知用户进行分簇，确定簇头后根据簇头离汇聚点距离的远近确定传输方式；若感知节点与中心节点距离较远时，采用中继方式将簇头融合的信息传给汇聚点，进一步降低了传输能耗；中继传输方式采用单跳的译码转发协作方式兼顾了系统性能和复杂度，适用于作为感知信息传输的中继方式。

综上所述，在保证感知信息传输可靠性条件下，本发明提出的一种基于LT码重要性采样的高能效感知信息传输方法有效地节约传输过程所消耗的能量并且降低计算复杂度。

附图说明

图1为基于LT码重要性采样的高能效感知信息传输方法的流程图；

图2为基于LT码重要性采样的宽带协作频谱感知信息传输过程示意图；

图3为优化的度分布与鲁棒孤波分布的性能对比图；

图4为当编码位数变化时，优化的度分布设计的性能对比图；

图5为优化度分布设计中引入的参数值在变化时的性能对比图；

图6为感知节点分簇和信息传给汇聚点的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。

一种基于LT码重要性采样的高能效感知信息传输方法，包括步骤如下：

步骤(1)，在传输宽带协作频谱感知信息时，采用LT码对感知信息进行信道编码；包括如下具体步骤：

(1a)，通过蒙特卡洛仿真分别确定度值i＝1和i＝2对应的概率优化值。仿真时，原始信息编码数量K，采用AWGN信道并且调制方法为BPSK调制；经过蒙特卡洛仿真，得到度值为1的概率的优化值φ(1)＝0.08，度值为2的概率的优化值φ(2)＝0.49。度值为1，则度分布波动较小，不易被破坏；满足度为2的值大于度为1的值，可确保没有太多冗余度的包被发送，从而能够保证数据可以有效的传输。

(1b)，在度值i为i≠1且i≠2的其他任意值时，基于鲁棒孤波分布函数得到对应的度分布；

具体参数如下式：

其中，R表示编码比特分组中度为1的节点的期望值，K为编码比特分组，c为常数，c的取值范围是0＜c＜1，表示向下取整；当i取值为2＜i＜K的整数，且时的概率值为1/i(i-1)。

(1c)，将所述度值i＝1和i＝2对应的概率优化值以及其他度值对应的度分布归一化处理，得到最终的度分布μ_ODD(i)：

$\mathrm{\β}=\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\φ}\left(i\right)$

μ_ODD(i)＝φ(i)/β

其中，i＝1，2，…，K。

通过仿真结果对比我们可以看到优化后的度分布的性能：

如图3所示是LT码采用不同度分布时的优化的度分布与鲁棒孤波分布的性能对比图，其中横坐标信噪比，纵坐标是误码率。在本实施例中，鲁棒孤波分布(RSD)的两个参数c和δ分别取为0.1和0.5；优化的度分布与鲁棒孤波分布的性能对比图中可以看到当信噪比增大时，优化的度分布的误码率有明显的降低。

如图4所示，优化的度分布设计中，当编码位数N逐渐增多时，误码率越低，性能越好。

步骤(2)，对感知用户进行分簇并确定簇头后，感知用户将感知信息传给所在簇的簇头，由簇头进行簇内的融合，包括如下具体步骤：

(2a)，按照聚类方式对感知用户进行分簇，并确定汇聚点；

(2b)，根据分簇的结果寻找同时满足下列A、B、C要求的簇作为簇头：

A.节点位置位于簇的中心区域；

B.节点能量充足；

C.节点处于静止或低速运动状态。

步骤(3)，根据所述簇头距离汇聚点的距离，选择传输方式，将感知信息传输到汇聚点；

(3a)当该簇头离汇聚点小于等于预先设定的门限值时，直接将簇头融合的信息传给汇聚点。

(3b)当该簇头离汇聚点大于预先设定的门限值时，采用单跳中继译码转发协作方式传输融合信息到汇聚点。其中，门限阈值的设定根据传输感知信息具体应用而取不同值。

步骤(4)，由汇聚点将多用户协作感知信息进行融合判决。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明保护的范围之内。

本发明申请书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于LT码重要性采样的高能效感知信息传输方法，其特征在于，包括步骤如下： 

(1)，在传输宽带协作频谱感知信息时，采用LT码对感知信息进行信道编码； 

(2)，对感知用户进行分簇并确定簇头后，感知用户将感知信息传给所在簇的簇头，由簇头进行簇内的融合； 

(3)，根据所述簇头距离汇聚点的距离，选择传输方式，将感知信息传输到汇聚点； 

(4)，由汇聚点将多用户协作感知信息进行融合判决。 

2.根据权利要求1所述的一种基于LT码重要性采样的高能效感知信息传输方法，其特征在于，所述步骤(1)中，基于LT码重要性采样对度分布进行优化，包括如下具体步骤： 

(1a)，通过蒙特卡洛仿真分别确定度值i＝1和i＝2对应的概率优化值； 

(1b)，在度值i为i≠1且i≠2的其他任意值时，基于鲁棒孤波分布函数得到对应的度分布； 

(1c)，将所述度值i＝1和i＝2对应的概率优化值以及其他度值对应的度分布归一化处理，得到最终的度分布。 

3.根据权利要求1或2所述的一种基于LT码重要性采样的高能效感知信息传输方法，其特征在于，所述步骤(2)包括如下具体步骤： 

(2a)按照聚类方式对感知用户进行分簇，并确定汇聚点； 

(2b)根据分簇的结果寻找同时满足下列A、B、C要求的簇作为簇头： 

A.节点位置位于簇的中心区域； 

B.节点能量充足； 

C.节点处于静止或低速运动状态。 

4.根据权利要求1或2所述的一种基于LT码重要性采样的高能效感知信息传输方法，其特征在于，所述步骤(3)包括如下具体步骤： 

(3a)当所述簇头离汇聚点小于等于预先设定的门限值时，直接将簇头融合的感知信息传给汇聚点； 

(3b)当所述簇头离汇聚点大于预先设定的门限值时，采用单跳中继译码转发协作方式传输融合的感知信息到汇聚点。