CN105634671A - 基于喷泉码和物理层网络编码的通信方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种基于喷泉码和物理层网络编码的通信方法。本发明旨在进一步提高无线通信系统的性能，提高通信系统的网络吞吐量，降低通信系统的误码率，避免ARQ或FEC技术在增强通信可靠性的同时所带来的降低频谱利用率、信道拥堵和降低传输效率等问题。本发明的通信方法通过在第一个时隙将源节点信号进行Raptor编码，在第二个时隙将混合信号进行Raptor译码和物理层网络编码并广播，最终使各源节点还原并获得对方节点信号以完成信息交互。

Description

基于喷泉码和物理层网络编码的通信方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及基于喷泉码和物理层网络编码的通信方法。
背景技术
传统传输模式认为中继节点只对信息进行存储和转发，并不对信息进行处理。基于充分利用无线通信中叠加电磁波的目的，Zhang于2006年提出物理层网络编码(Physicallayernetworkcoding,简称PNC)，该技术的中继节点将源节点同时发送的混合信号映射为伽罗华域(GF(2))的数据比特流，把干扰变成了编码操作的一部分。物理层网络编码与传统传输模式相比，信息交换时隙减少一半，网络吞吐量提高一倍，但是误码率有所上升。
无线网络通信系统传输数据时，由于底层的噪声、干扰和信道变化等原因，导致数据无法准确到达。为此，无线网络通信系统在物理层通过自动重传请求（AutomaticRepeatRequest,简称ARQ)或者前向纠错编码（ForwardErrorCorrection,简称FEC)等技术来实现数据的可靠传输。然而，ARQ技术不仅会降低频谱利用率，当用户数量大规模增加时，大量的反馈信号还会造成信道的拥塞；FEC技术会降低传输效率，浪费系统的带宽资源。
喷泉码技术使得发送端可以在信息传输的过程中一边编码一边传输，无固定的码率，而接收端并不关心接收到的具体内容，而是在接收到一定数量的数据包后尝试解码。LT码是一种优良的随机线性喷泉码。当数据包个数足够大时，LT码的译码性能可以无限接近香农限；此外，LT码的稀疏特性使得其编译码复杂度大大降低，提高了其编译码效率。Raptor码将弱化的LT码与一种内码级联起来，与LT码相比，译码效率更高，同时降低了LT码以及LDPC码（LowDensityParityCheckCode低密度奇偶校验码，简称LDPC）等内码在信道传输中的错误平层，提高了译码性能。
为了进一步扩展通信网络的吞吐量和提高信息传输速率，探索喷泉吗和物理层网络编码相融合的新型通信技术十分必要。
发明内容
本发明旨在进一步提高无线通信系统的性能，提高通信系统的网络吞吐量，降低通信系统的误码率，避免ARQ或FEC技术在增强通信可靠性的同时所带来的降低频谱利用率、信道拥堵和降低传输效率等问题，本发明提出了一种基于喷泉码和物理层网络编码的通信方法。
为解决以上技术问题，本发明的技术方案为：
基于喷泉码和物理层网络编码的通信方法，其特征在于其包括以下步骤：
步骤一：源节点A和源节点B在第一个时隙生成数据包b A 和b B ，数据包b A 和b B 分别经Raptor码编码器进行编码得到信号x A 和x B ；源节点A和源节点B利用各自的天线将信号x A 和x B 发射至中继节点；
步骤二：中继节点利用天线接收步骤一中发射的信号x A 和x B ，并将接收到的信号叠加得到混合信号；所述混合信号经Raptor码译码器译码和物理层网络编码后得到广播信号s R ；中继节点将所述广播信号s R 于第二个时隙发射出去；
步骤三：源节点A和源节点B分别接收所述广播信号s R ，源节点A和源节点B分别利用各自缓存中的数据包b A 和b B 还原广播信号s R 以获得对方节点发送的信息，完成一次信息交换。
具体的，步骤一中源节点A和源节点B均工作在半双工模式，源节点A和源节点B的信号发射功率相同。
具体的，步骤一中信号x A 和x B 经二元删除信道发送到中继节点。
具体的，步骤二中所述混合信号经Raptor码译码器译码后得到译码混合信号，对所述译码混合信号以概率p进行物理层网络编码后以概率1-p直接转发至源节点A和源节点B。
具体的，基于喷泉码和物理层网络编码的通信方法用于由无人机组网通信系统提取出来的双向中继系统传输模型。
本发明的有益效果：本发明将PNC应用到中继系统中，由于吞吐量的增大，各个节点需要传输的数据量大幅增加，各个端节点与中继节点之间的信道状态不同。若采用ARQ和FRC技术，大量重传的数据包给信道状态较好的端节点造成了信道资源的浪费，降低了整个通信系统的传输效率。本发明将Raptor码应用到中继系统中，端节点不需要大量反馈丢包信息，只需要累积接收数据包，直到尝试解码成功后向中继节点反馈成功解码信息即可，从而减小反馈信道压力，提高信道传输效率。本发明采用机会式物理层网络编码，目的是保证Raptor码中内码部分存在度数为1的LT码码字，以实现Raptor码和物理层网络编码的融合。本发明将Raptor码和物理层网络编码联合设计，解决了物理层网络编码在二元删除信道中传输时的“反馈风暴”问题，降低了系统中译码过程存在的错误平层，提高了信道的传输效率。本发明将Raptor码和PNC联合设计，集合了Raptor码和PNC的技术优点，不仅提高了通信系统的网络吞吐量，降低通信系统的误码率，而且避免了应用ARQ或FEC技术在增强通信可靠性的同时所带来的降低频谱利用率、信道拥堵和降低传输效率等问题。
附图说明
图1为本发明的通信模型示意图。
图2为Raptor码编码的流程示意图。
图3为PNC-Raptor、PNC-LDPC和PNC的误帧性能曲线图。
图4为不同删除概率下PNC-Raptor和PNC的错误平层图。
图5为PNC-Raptor的数据恢复性能曲线图。
图3中，横坐标表示信噪比，其范围为[0,10]dB；纵坐标表示误帧率，其范围为[10-6,100]；实心点实线为仅采用PNC技术的误帧性能曲线图；倒三角实线为采用PNC-LDPC技术的误帧性能曲线图；空心点实线为采用PNC-Raptor技术的误帧性能曲线图。图4中，横坐标表示二元删除信道的删除概率，其范围为[0.42,0.3]；纵坐标表示误帧率，其范围为[10-10,10-4]；加号实线为采用PNC-LDPC技术的错误平层曲线；空心点实线为采用PNC-Raptor技术的错误平层曲线。图5中，横坐标表示编码数据包数n与需要恢复的数据包数k之比，其范围为[0,2]；纵坐标表示数据恢复比例，其范围为[0,1]；实心点实线为概率p=0.1的PNC-Raptor数据恢复性能曲线图；叉号实线为概率p=0.4的PNC-Raptor数据恢复性能曲线图；空心点实线为概率p=0.8的PNC-Raptor数据恢复性能曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
参照图1，实施例的通信模型用以说明基于Raptor码的物理层网络编码技术的原理，实施例通信方法的具体步骤如下：
步骤一：源节点A和源节点B在第一个时隙（即多址接入阶段）生成数据包b A 和b B ，数据包b A 和b B 分别经Raptor码编码器进行编码得到信号x A 和x B ；源节点A和源节点B利用各自的天线将信号x A 和x B 发射至中继节点，具体的，信号x A 和x B 经二元删除信道发送到中继节点。
步骤一中，Raptor码的编码过程如图2所示，源节点A和源节点B生成数据包b A 和b B 首先经过LDPC编码生成信号c A 和c B ；其次对信号c A 和c B 进行LT码编码，即根据度分布函数随机选取度数d，将任意d个c A 和c B 中的数据分组模二和，生成一个编码分组，以此类推，最后输出信号x A 和x B 。
步骤二：中继节点利用天线接收步骤一中发射的信号x A 和x B ，并将接收到的信号叠加得到混合信号；所述混合信号经Raptor码译码器译码和物理层网络编码后得到广播信号S R ；中继节点将所述广播信号S R 于第二个时隙发射出去。
步骤二中，对于Raptor译码后的信号，中继节点首先以概率p（0<p<1）执行网络编码，即从接收到的信号的数据包中随机选择2个进行异或运算；其次以概率1-p（0<p<1）直接转发，即从接收到的信号的数据包中随机选择一个直接转发到端节点，其余未被选中的数据包则直接丢弃。
步骤三：源节点A和源节点B分别接收所述广播信号S R ，源节点A和源节点B分别利用各自缓存中的数据包b A 和b B ，采用异或运算还原广播信号S R 以获得对方节点发送的信息，完成一次信息交换。
本实施例中，步骤一源节点A和源节点B均工作在半双工模式，源节点A和源节点B的信号发射功率相同。本实施例的通信方法适用于由无人机组网通信系统提取出来的双向中继系统传输模型。
为了检验发明的效果，在以下条件下进行仿真实验：a)系统中所有节点工作在时分半双工通信模式下，系统完全同步，信号发射功率相等；b)信道为二元删除信道；c)Raptor码内码采用LDPC码；d)LT码编码器不存在码元长度或者说码元长度趋于无穷，其编译码度数为3；e)编码器输入信息长度为1000bits，统计次数为104-107次。
图3中的三条曲线是在设定的仿真条件下误帧率随信噪比的变化曲线。从图3中可以得知，在PNC系统中引入LDPC可以明显提高其误帧性能。对比PNC与PNC-Raptor两条曲线可以看出，两条曲线在低信噪比时基本重合；在高信噪比时，PNC-Raptor机制相比PNC-LDPC机制，误帧性能略有提高。
图4中的两条曲线是在设定的仿真条件下PNC-Raptor和PNC的错误平层图。从图4中可以得知，PNC的错误平层在10-6附近，PNC-Raptor的错误平层在10-8附近。图4表明，采用喷泉码技术能够明显降低系统的错误平层，提高了译码性能。
图5中的三条曲线是在设定的仿真条件下不同概率p值的PNC-Raptor数据恢复性能曲线图。从图5中可以得知，执行网络编码的概率p越小，数据恢复的速率越快。这是因为，在中继节点上执行网络编码的概率越小，中继节点执行异或操作的概率也就越小，那么接收端接收到的低度数包尤其是度数为1的数据包的概率越大，于是数据恢复的速率就越快。从图中还可以看出，当p的值超过一定的值后，中继节点将以很高的概率将数据包进行异或操作，这会造成系统中间性能很差，同时译码开销也会急剧增大。
需要说明的是，LDPC编码、LT编码、Raptor译码以及物理层网络编码为本领域的公知常识，即使本发明未进行详细说明，本领域技术人员也应当清楚以上步骤。
以上所述实施方式仅为本发明的优选实施例，而并非本发明可行实施的穷举。对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理和精神的前提下对其所作出的任何显而易见的改动，都应当被认为包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.基于喷泉码和物理层网络编码的通信方法，其特征在于其包括以下步骤：
步骤一：源节点A和源节点B在第一个时隙生成数据包b A 和b B ，数据包b A 和b B 分别经Raptor码编码器进行编码得到信号x A 和x B ；源节点A和源节点B利用各自的天线将信号x A 和x B 发射至中继节点；
步骤二：中继节点利用天线接收步骤一中发射的信号x A 和x B ，并将接收到的信号叠加得到混合信号；所述混合信号经Raptor码译码器译码和物理层网络编码后得到广播信号s R ；中继节点将所述广播信号s R 于第二个时隙发射出去；
步骤三：源节点A和源节点B分别接收所述广播信号s R ，源节点A和源节点B分别利用各自缓存中的数据包b A 和b B 还原广播信号s R 以获得对方节点发送的信息，完成一次信息交换。
2.根据权利要求1所述的基于喷泉码和物理层网络编码的通信方法，其特征在于步骤一中源节点A和源节点B均工作在半双工模式，源节点A和源节点B的信号发射功率相同。
3.根据权利要求2所述的基于喷泉码和物理层网络编码的通信方法，其特征在于步骤一中信号x A 和x B 经二元删除信道发送到中继节点。
4.根据权利要求3所述的基于喷泉码和物理层网络编码的通信方法，其特征在于步骤二中所述混合信号经Raptor码译码器译码后得到译码混合信号，对所述译码混合信号以概率p进行物理层网络编码后以概率1-p直接转发至源节点A和源节点B。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的基于喷泉码和物理层网络编码的通信方法，其特征在于所述通信方法用于由无人机组网通信系统提取出来的双向中继系统传输模型。
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