CN105049158A - 基于机会网络编码arq的双向中继系统的信号合并策略 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于机会网络编码ARQ的双向中继系统的信号合并策略，包括以下处理步骤：步骤1：源节点T1和T2首先分别将原始数据包经过BPSK调制得到调制信息x₁和x₂，然后发送到中继；一个时隙广播一个数据包；步骤2：中继利用最大似然检测对接收到的调制信息进行译码，并且通过译码后的数据包尾部的CRC校验判断是否正确，中继的判断结果可以分为三种情况：情况1：两个用户的数据包都不正确；情况2：有一个用户的数据包是正确的；情况3：两个用户的数据包都是正确的；步骤3：中继向两个用户广播数据包。本发明相比传统自动重传请求协议以及不加合并的自动重传请求协议能够有效减小信道衰落的影响，提高系统可靠性。

Description

基于机会网络编码ARQ的双向中继系统的信号合并策略

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域的双向中继网络中的反馈重传技术，尤其涉及基于机会网络编码ARQ的双向中继系统的信号合并策略。

背景技术

双向中继网络在中继的协作下可以获得空间分集增益,各种无线标准都应用了中继网络，比如蜂窝网、adhoc、传感器网络还有超带宽体域网等。但是由于无线信道的多接入特性,双向中继网络也面临很多挑战,比如有效的信道资源分配、频谱效率、能量节约以及衰落补偿等问题。

Ahlswede和CaiN等人于2000年首次提出网络编码(NetworkCoding)的概念。该机制从信息论的角度提出通过在有线网络的中继节点处对接收信号进行处理能够提高系统性能，并严格证明了对多路接收信号进行编码操作后，在接收端进行相应的译码，可以使网络的容量达到最大，有效提高网络利用率。随着研究的不断进展，网络编码可以提高的吞吐量、降低计算复杂度和带来更高的可靠性。

为了进一步增加链路的可靠性，自动反馈重传请求协议(AutomaticRetransmissionRequest,ARQ)已经广泛应用到双向中继网络中，并且已经证明能够有效减小信道衰落的影响进而提高系统性能。

现有的基于网络编码ARQ的双向中继系统的研究以及专利成果如下：

1、2010年，Z.Chen等人提出了三种ARQ协议来增加双向中继网络的链路可靠性,同时三种协议都有吞吐量的提升。同年，Q.T.Vien等人提出了两种基于网络编码的改进的ARQ方案来增加系统吞吐量。

2、2013年，H.Liu,V.Jamali等人研究了基于DF的中继端带有缓存器的双向中继网络,中继转换不同的工作模式来最大化系统吞吐量。

3、华为技术有限公司提出的用于双向中继系统的通信方法和装置及系统，方法包括：中继节点接收第一源节点发送的第一信号和第二源节点发送的第二信号；对所述第一信号和第二信号分别进行无速率编码，再进行网络编码；将网络编码后得到的联合编码包广播给所述第一源节点和第二源节点。本发明技术方案由于采用在中继节点先进行无速率编码再进行网络编码的技术方案，可以无需获取CSI或HARQ，在非对称场景下相比于现有技术可以有效提高对信道容量的利用，提高信息传输速率。

4、清华大学提出的一种基于交织多址技术的多用户双向中继通信方法，方法包括：采用不同的交织器来区分不同的用户对，发送交织后用户对信息序列到中继节点，中继节点对接收到的信息序列进行迭代的多用户检测译码，然后将用户对译码后得到的信息序列做异或运算，得到中间值；将异或运算后得到的中间值广播给用户对，用户对中的两个用户接收到中间值后，利用自己的信息序列同中间值进行异或运算，得到与之通信的对方用户的信息序列，完成整个通信过程。应用本申请可以得到最大化的编码增益和信道容量，并可以通过迭代多用户检测算法有效地消除多接入干扰和多用户干扰，提高系统的误码率性能。

5、西安电子科技大学提出的基于网络编码的双向中继HARQ控制系统与方法，主要解决现有HARQ技术需要独立配置重传帧而引起吞吐量不高的问题。本发明包括用户端、基站端和中继端三部分。其实现步骤包括：(1)基站与用户发送数据；(2)中继节点接收用户和基站发送的数据；(3)中继节点将接收到的以及缓存的数据进行网络编码；(4)中继节点将网络编码后的数据传输出去；(5)基站接收用户和中继节点的数据；(6)基站对接收到的以及缓存的数据进行联合解调；(7)基站对解调后的数据进行最大似然译码，并对译码后的数据进行校验；(8)用户判断传输状态。本发明具有传输时延低、吞吐量高和实用性强的优点，适用于双向中继系统中的HARQ控制。

6、电子科技大学提出的基于网络编码的数据重传方法，包括步骤：统计步骤，源节点接收并统计接收节点反馈回的各数据包的接收情况；判断步骤，源节点判断是否有需要重传的数据包；编码步骤，源节点优先对接收情况最差的数据包进行网络编码；发送步骤，源节点向接收机节点广播接收的数据包。本发明优先使用当前接收情况最差的数据包进行网络编码，可增加编码增益，当编码增益越大，重传次数越少。

7、重庆邮电大学提出的一种基于网络编码的数据包重传算法，在重传中，以P_nc的概率使用网络编码发送一个编码包，这个编码包是N个丢失的数据包的编码融合，N个丢失的数据包包括发送方需要执行重传的丢失的一个数据包和其他发送方丢失的N-1个数据包，考虑到兼容性，PNCRM根据现有的IEEE802.11MAC协议设计，PNCRM的传输过程与IEEE802.11相似，也使用RTS-CTS-数据包-ACK或者NAK握手协议，传输成功时，发送一个ACK帧，传输失败时，发送一个NAK帧，执行重传。与现有的网络编码技术相比，PNCRM可以应用在没有中继节点的MSMR单跳无线网络中，选择合适的重传概率P_nc和编码度N能够有效提高系统性能。

8、哈尔滨工业大学深圳研究生院提出的基于网络编码的发射端广播重传方法及系统，通过构建重传缓冲池、初始化重传缓冲池、组合重传数据包，然后发送重传数据包，减少了传输次数，提高了重传效率，当数据量大时，减少了网络时延，提高了网络传输效率，减少了网络丢包率，增加了传输可靠性，能达到网络最大信息流。

现有的研究主要集中于ARQ协议的改进以及带来的系统性能的理论分析，带来了系统吞吐量效率低、网络带宽利用率不高以及系统可靠性提升有限的问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明所要解决的技术问题是，提供在无线网络中，能够提高系统可靠性、改善系统吞吐量并且提高频带利用率基于机会网络编码的数据重传方法。

(二)技术方案

为实现上述技术目的，本发明所采用的技术方案是：基于机会网络编码ARQ的双向中继系统的信号合并策略，其特征在于包括以下处理步骤：

步骤1：源节点广播数据包

源节点T1和T2首先分别将原始数据包经过BPSK调制得到调制信息x₁和x₂，然后将调制信息x₁和x₂发送到中继；一个时隙广播一个数据包；

步骤2：中继节点译码及存储合并

中继利用最大似然检测对接收到的调制信息进行译码，并且通过译码后的数据包尾部的CRC校验判断是否正确，中继的判断结果可以分为三种情况：

情况1：两个用户的数据包都不正确

中继向两个源节点反馈负的ACK信号，告知两个源节点在下一个时隙重传信息，中继储存重传信息，系统工作在双向传输模式，待下一个数据包传输过来时，中继对接收到的前后两个时隙数据包进行合并，重新检测后根据检测结果中继做出判断，此时的合并为双向传输合并；

情况2：有一个用户的数据包是正确的

假设中继能够正确解调出x₁，中继向T1发送正的ACK信号，向T2发送负的ACK信号；接下来的时隙，只有T2向中继重传自己的数据包，系统工作在单向传输模式，待T2下一个数据包传输过来时，中继对接收到的前后两个时隙数据包进行合并，重新检测后根据检测结果中继做出判断，此时的合并为单向传输合并；

情况3：两个用户的数据包都是正确的

这种情况下中继向两个源节点发送正的ACK信号，中继不需要存储合并接收到的数据，下一个时隙中继对数据包进行网络编码后转发给两个用户；

步骤3：中继向两个用户广播数据包

如果步骤1结束后，中继能正确解调出两个数据包或者重传次数达到了设定的最大重传次数，则中继向两个源节点广播数据包；经过k次重传后：如果中继正确解调出两个数据包，则中继直接异或两个数据包，之后发送给用户，每个源节点将自己的发送信号与接收到的信号进行异或运算就能够得到对方的信息；如果中继只能正确解调出一个数据包，则中继对该数据包与解调出错的数据包进行异或后发送给用户；如果两个数据包都是错的，则中继仍然异或后发送给用户，与此同时中继的缓存器也会清空。

进一步的，步骤(2)中所述的双向传输合并包括以下步骤：

如果经过k-1个时隙重传还没有结束，则中继缓存器储存了k-1个信号，中继对接收到的信号进行合并，对于双向传输模式，中继接收的信号表示为：

其中 表示信道向量。中继合并后的信号为：

其中为合并后的信道增益，w表示合并向量，其范数为1,由MS-SNR方法或者MM-SNR方法得到，是合并后的等效噪声；中继节点在第k个时隙使用2进行解调，根据解调结果判断下一个时隙是接收还是发送信息。

进一步的，所述双向传输合并步骤中，所述MS-SNR包括以下步骤：

中继节点最大化接收信号的合信噪比，由于合并向量w的范数为1，而且合并噪声的功率谱密度为N₀；中继节点在第k个时隙接收到信号的合功率表示为：

令H_sum是正的厄米特矩阵，上式可以转化成下式的优化问题：

subjectto:||w||＝1

最优合并向量w是矩阵H_sum最大特征值对应的特征向量；矩阵H_sum可以表示成H_sum＝UΣU^H，最优合并向量w＝U_max，其中U_max是矩阵H_sum最大特征值对应的特征向量。

进一步的，所述MM-SNR方法包括以下步骤：

对于最大化最小接收信噪比方法，中继节点最大化两个接收信号的最小信噪比，两个接收信号的功率可以表示为：P_i＝P_Tiw^HH_Tiw,i＝1,2,其中这样中继节点两个信号的信噪比为：SNR_Ti＝P_Ti/N₀w^HH_Tiw；MM-SNR方法等效成解决以下问题：

subjectto:||w||＝1.

也即：

subjectto:||w||≤1.

上式是一个非凸问题，可以采用半正定松弛(SDR)方法来解决。

进一步的，步骤(2)中所述的单向传输合并包括以下步骤：

如果中继节点正确解调出一个信号，随后系统工作在单向传输模式，只有一个用户向中继重传信息；假设中继正确解调出x₁，用户T2向中继重传信息；中继的最优合并向量w应该满足使T2的接收信噪比最大，也即：

subjectto:||w||＝1

最优合并向量w是矩阵H_T2最大特征值对应的特征向量。

(三)有益效果

本发明由中继节点反馈CRC校验结果，中继节点带有缓存器,能够存储并合并不同时隙接收到的信号，采用的合并方法分别是最大合信噪比合并(MS-SNR)和最大最小信噪比合并(MM-SNR)，包括以下步骤：1)用户向中继传输数据；2)中继进行最大似然检测；3)中继根据检测结果进行校验并发送反馈信息，选择重传节点；4)传输重传信息。本发明相比传统自动重传请求协议以及不加合并的自动重传请求协议能够有效减小信道衰落的影响，提高系统可靠性。本发明基于机会网络编码的双向中继ARQ网络中继合并策略能够提高系统的可靠性，通过中继合并策略有效提高了数据包重传效益，提高了频带利用率,能很好的应用于无线网络场景中。

附图说明

图1是本发明的双向中继网络ARQ实现流程图。

图2是本发明的双向中继网络系统模型示意图。

图3是本发明源节点和中继节点在信噪比为25dB时功率分配图。

图4是本发明源节点和中继节点在信噪比为30dB时功率分配图。

图5是本发明的中继合并方法丢包率性能比较图。

图6是本发明的中继合并方法系统有效吞吐量性能比较图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述，以下实施例用以说明本发明，但不用来限制本说明的范围。

实施例1

本发明实施例1提供了一种基于机会网络编码ARQ的双向中继系统的信号合并策略，结合附图说明如下：

结合附图1和图2，本基于机会网络编码ARQ的双向中继系统的信号合并策略包括以下步骤：

步骤1：源节点广播数据包

源节点T1和T2首先分别将原始数据包经过BPSK调制得到调制信息x₁和x₂，然后将调制信息x₁和x₂发送到中继节点，一个时隙广播一个数据包。中继接收的信号为:

其中x₁和x₂分别是T1和T2的发送信号,h_T1k和h_T2k是第k个时隙T1、T2到中继R的信道增益,n_R是系统加性白高斯噪声；

步骤2：中继节点译码及存储合并

中继利用最大似然检测对接收到的信息进行译码，并且通过译码后的数据包尾部的CRC校验判断是否正确，中继根据译码结果判断下一个时隙是接收还是发送信息，有三种情况：

情况1：两个包都不正确

也就是中继向两个源节点反馈负的ACK信号，告知两个源节点在下一个时隙重传信息，中继储存重传信息，该过程为双向传输模式。

情况2：有一个包是正确的

比如中继能够正确解调出x₁，中继向T1发送正的ACK信号，向T2发送负的ACK信号。接下来的时隙，只有T2向中继重传自己的数据包，系统工作在单向传输模式。

情况3：两个包都是正确的

这种情况下满足中继向两个源节点发送正的ACK信号。

如果经过k-1个时隙重传还没有结束，则中继缓存器储存了k-1个信号，中继对接收到的信号进行合并，对于双向传输模式，中继接收的信号表示为：

其中 表示信道向量。中继合并后的信号为：

其中为合并后的信道增益，w表示合并向量范数为1，是合并后的等效噪声。中继节点在第k个时隙使用进行解调根据结果判断下一个时隙是接收还是发送信息。

如果系统工作在单向传输模式，假设中继在第n(n≤k-1)个时隙正确解调出x₁，在下一个时隙只有T2重传信号x₂,。与双向传输模式相似，中继节点合并接收到的信号，根据T2信号的解调结果做出判断。

设定源节点最大重传次数为N，增大重传次数N可以提高系统的可靠性，但是由于更多的时隙用来传输同一个数据包可能导致系统吞吐量的下降。如果经过N次重传中继仍没有正确解调出两个源节点的数据包，则中继在下一个时隙对解调出的包进行异或操作并广播给两个源节点，这样可以控制整个系统的时延。

步骤3：中继广播向两个用户广播数据包

如果步骤1结束后，中继能正确解调出两个数据包或者重传次数达到了设定的最大重传次数，则中继对解调数据包进行异或操作后广播给两个源节点。T1和T2接收到的信号为：

其中n_i,i＝1,2是加性白高斯噪声。每个源节点用自己的信号与接收到的信号进行异或运算就得到对方的信息。与此同时中继端的缓存器也会清空准备下一个数据包的传输。

由于接收信噪比决定了可实现的数据传输速率并且决定了数据的错误概率，因此我们从这个角度出发研究两种中继的合并方法。一个是使总的传输功率最大，另外一个是最大化接收信号的最小接收信噪比。

A.双向传输中继合并

1)MS-SNR方法

对于该方法，中继节点最大化接收信号的合信噪比，由于合并向量w的范数为1，而且合并噪声的功率谱密度为N₀。中继节点在第k个时隙接收到信号的合功率表示为：

令H_sum是正的厄米特矩阵，上式可以转换成下式的优化问题：

subjectto:||w||＝1

最优合并向量w是矩阵H_sum最大特征值对应的特征向量。矩阵H_sum可以表示成H_sum＝UΣU^H，最优合并向量w＝U_max，其中U_max是矩阵H_sum最大特征值对应的特征向量。

2)MM-SNR方法

对于最大化最小接收信噪比方法，中继节点最大化两个接收信号的最小信噪比，两个接收信号的功率可以表示为：P_i＝P_Tiw^HH_Tiw,i＝1,2,其中这样中继节点两个信号的信噪比为：SNR_Ti＝P_Ti/N₀w^HH_Tiw。MM-SNR方法等效成解决以下问题：

subjectto:||w||＝1.

也即：

subjectto:||w||≤1.

该式是一个非凸问题，可以采用半正定松弛(SDR)方法来解决。

B.单向传输中继合并

如果中继节点正确解调出一个信号，随后系统工作在单传模式，只有一个用户向中继重传信息。假设中继正确解调出x₁，用户T2向中继重传信息。中继的最优合并向量w应该满足使T2的接收信噪比最大，也即：

subjectto:||w||＝1

与MS-SNR解决方法一样，最优合并向量w是矩阵H_T2最大特征值对应的特征向量。

仿真验证

为了验证提出的FNARQ方法在广播通信中的性能，分别仿真了数据包平均重传次数与总的反馈信息数。本部分使用matlab仿真软件对所提ARQ协议以及中继合并方法进行仿真，根据系统平均丢包率和有效吞吐量来衡量系统系能，并且与传统的没有ARQ和不加合并的ARQ方案进行性能比较。为简单起见，假设调制方法为BPSK调制方式，信息包大小为256个比特。所有信道为独立的Rayleigh平坦衰落信道，采用路径损耗模型λ＝d^-4，其中λ为路径损耗系数，d为用户到中继的距离，假设为1。系统有效吞吐量定义为单位时隙内正确接收的包的个数：

其中M和T分别是正确接收的包的个数和T1、T2交换K个包所需要的时隙。有效吞吐量的范围为0≤η≤1。

图3和图4给出了在系统信噪比为25dB和30dB条件下不加ARQ、不加合并ARQ和两种中继合并方法的功率分配曲线。从两幅图可以看出，整个曲线呈U形，在曲线的底部达到最小丢包率，此时对应的系数r为最优值，为了便于分析，我们取接近最优的0.4作为r值，也就是说系统更多的功率应该分配给两个用户。

图5给出了两种合并方法的丢包率性能，当信噪比较低时，由于中继解码的误码率较高，系统的性能比较差，丢包率接近1，因此仿真从15dB开始，并且与不加ARQ和不加合并的ARQ进行比较。对于不加合并的ARQ方法，中继会丢掉之前接收到的数据包，而仅仅储存当前接收到的数据包。从图5可以看出MS-SNR相比于不加合并的ARQ有更高的增益，而MM-SNR由于采用了半正定松弛(SDR)方法在一次重传时相比于MS-SNR有将近2dB的增益，但是计算的复杂度较高。

图6给出了系统有效吞吐量的仿真，在信噪比低于15dB时，系统的有效吞吐量由于T1和T2到中继的链路较差而接近于0。从图中可以看出，当信噪比为15dB-27dB时，MS-SNR方法相比于不加ARQ有吞吐量的提升，但是在高信噪比时，吞吐量有所下降。对于MM-SNR方法能极大提高系统吞吐量。

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的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于机会网络编码ARQ的双向中继系统的信号合并策略，其特征在于包括以下处理步骤：

步骤1：源节点广播数据包

源节点T1和T2首先分别将原始数据包经过BPSK调制得到调制信息x₁和x₂，然后将调制信息x₁和x₂发送到中继；一个时隙广播一个数据包；

步骤2：中继节点译码及存储合并

中继利用最大似然检测对接收到的调制信息进行译码，并且通过译码后的数据包尾部的CRC校验判断是否正确，中继的判断结果可以分为三种情况：

情况1：两个用户的数据包都不正确

中继向两个源节点反馈负的ACK信号，告知两个源节点在下一个时隙重传信息，中继储存重传信息，系统工作在双向传输模式，待下一个数据包传输过来时，中继对接收到的前后两个时隙数据包进行合并，重新检测后根据检测结果中继做出判断，此时的合并为双向传输合并；

情况2：有一个用户的数据包是正确的

假设中继能够正确解调出x₁，中继向T1发送正的ACK信号，向T2发送负的ACK信号；接下来的时隙，只有T2向中继重传自己的数据包，系统工作在单向传输模式，待T2下一个数据包传输过来时，中继对接收到的前后两个时隙数据包进行合并，重新检测后根据检测结果中继做出判断，此时的合并为单向传输合并；

情况3：两个用户的数据包都是正确的

这种情况下中继向两个源节点发送正的ACK信号，中继不需要存储合并接收到的数据，下一个时隙中继对数据包进行网络编码后转发给两个用户；

步骤3：中继向两个用户广播数据包

如果步骤1结束后，中继能正确解调出两个数据包或者重传次数达到了设定的最大重传次数，则中继向两个源节点广播数据包；经过k次重传后：如果中继正确解调出两个数据包，则中继直接异或两个数据包，之后发送给用户，每个源节点将自己的发送信号与接收到的信号进行异或运算就能够得到对方的信息；如果中继只能正确解调出一个数据包，则中继对该数据包与解调出错的数据包进行异或后发送给用户；如果两个数据包都是错的，则中继仍然异或后发送给用户，与此同时中继的缓存器也会清空。

2.根据权利要求1的基于机会网络编码ARQ的双向中继系统的信号合并策略，其特征是步骤(2)中所述的双向传输合并包括以下步骤：

如果经过k-1个时隙重传还没有结束，则中继缓存器储存了k-1个信号，中继对接收到的信号进行合并，对于双向传输模式，中继接收的信号表示为：

$y=\sqrt{P_{T1}}{h}_{T1k-1}{x}_1+\sqrt{P_{T2}}{h}_{T2k-2}{x}_2+n_R$

其中表示信道向量。中继合并后的信号为：

$y*=w^{H}y=\sqrt{P_{T1}}{h}_{T1k-1}^{com}{x}_1+\sqrt{P_{T2}}{h}_{T2k-1}^{com}{x}_2+{\tilde{n}}_R$

其中i＝1,2为合并后的信道增益，w表示合并向量，其范数为1,由MS-SNR方法或者MM-SNR方法得到，是合并后的等效噪声；中继节点在第k个时隙使用i＝1,2进行解调，根据解调结果判断下一个时隙是接收还是发送信息。

3.根据权利要求2的基于机会网络编码ARQ的双向中继系统的信号合并策略，其特征是:所述双向传输合并步骤中，所述MS-SNR包括以下步骤：

中继节点最大化接收信号的合信噪比，由于合并向量w的范数为1，而且合并噪声的功率谱密度为N₀；中继节点在第k个时隙接收到信号的合功率表示为：

$P_{sum}=P_R{w}^H(h_{T1k}{h}_{T1k}^H+h_{T2k}{h}_{T2k}^H)w$

令H_sum是正的厄米特矩阵，上式可以转化成下式的优化问题：

$\underset{w}{max}{w}^H{H}_{sum}w$

subjectto:||w||＝1

最优合并向量w是矩阵H_sum最大特征值对应的特征向量；矩阵H_sum可以表示成H_sum＝UΣU^H，最优合并向量w＝U_max，其中U_max是矩阵H_sum最大特征值对应的特征向量。

4.根据权利要求2的基于机会网络编码ARQ的双向中继系统的信号合并策略，其特征是所述MM-SNR方法包括以下步骤：

对于最大化最小接收信噪比方法，中继节点最大化两个接收信号的最小信噪比，两个接收信号的功率可以表示为：P_i＝P_Tiw^HH_Tiw,i＝1,2,其中这样中继节点两个信号的信噪比为：SNR_Ti＝P_Ti/N₀w^HH_Tiw；MM-SNR方法等效成解决以下问题：

$\underset{w}{max}\underset{i}{min}\left\{{\left|w^H{h}_{Tik}\right|}^2\right\}i=1,2$

subjectto:||w||＝1.

也即：

$\underset{w}{max}\underset{i}{min}\left\{{\left|w^H{h}_{Tik}\right|}^2\right\}i=1,2$

subjectto:||w||≤1.

上式是一个非凸问题，可以采用半正定松弛(SDR)方法来解决。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的基于机会网络编码ARQ的双向中继系统的信号合并策略，其特征是步骤(2)中所述的单向传输合并包括以下步骤：

如果中继节点正确解调出一个信号，随后系统工作在单向传输模式，只有一个用户向中继重传信息；假设中继正确解调出x₁，用户T2向中继重传信息；中继的最优合并向量w应该满足使T2的接收信噪比最大，也即：

$\underset{w}{max}{w}^H{H}_{T2}w$

subjectto:||w||＝1

最优合并向量w是矩阵H_T2最大特征值对应的特征向量。