CN107465486B - 一种适用于水声网络的协作编码通信方法 - Google Patents

一种适用于水声网络的协作编码通信方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于水声网络的协作编码通信方法，该方法包括如下步骤：采用分布式外码与内码的协作编码分集传输方法，源节点处只发射源数据经外码编码后的一部分，中继节点转发源数据经外码编码后的另一部分；在中继节点，将ACK信号和中继节点发射相结合，对多个源节点的数据进行联合编码处理；目的节点只要正确接收到源数据经外码编码后的任何一部分，便能够恢复源节点数据；在目的节点处，联合内码组成迭代解码，提高数据的正确接收概率。本发明有益的效果：利用外码的编码增益能够提升中继节点对源节点数据的接收正确性，提升系统的协作能力。

Description

一种适用于水声网络的协作编码通信方法
技术领域
本发明涉及水声网络、网络协作和编码等领域，主要是一种适用于水声网络的协作编码通信方法，利用分布式外码与内码的协作编码分集传输方法，以提高水声网络数据传输的可靠性。
背景技术
近年来，协作分集技术引起了无线通信研究者的广泛关注，该技术利用了空间分集的原理，使单天线节点之间彼此相互协作和共享资源，形成虚拟多输入多输出(MIMO)系统实现空间分集，不仅可以提高无线链路的传输速率和传输可靠性，还可以提高系统的频谱效率、吞吐率和容量，为MIMO技术实用化提供了新思路。
目前，协作分集主要有三种基本形式：放大转发、译码转发、编码转发。
放大转发是指中继节点不对接收信号进行译码，而是直接将接收到的信息进行放大处理后转发，源节点发送的信号经历了源节点到目的节点，源节点到中继节点再到目的节点多条独立路径，从而获得空间分集增益。该协议在中继节点不需要对信号进行译码，所以系统的结构比较简单，但是由于其放大信号的同时也放大了信道的噪声，所以该协议只适合于节点结构相对比较简单，而且对系统要求比较低的场景中。
译码转发是是中继节点对收到的用户信息进行判决检测，即先对接收到的信息进行译码判决，然后重新进行编码调制后发送到目的节点。该策略能够降低或消除中继处的白噪声，以防止中继节点在放大用户信息的同时也放大了噪声功率的情况出现。该传输策略需要中继节点能正确接收解码用户发来的信息后再进行相同编码转发，目的节点对两个时隙内接收到的信号进行一定方式的合并正确解码出所需信息。
编码转发使用不同的独立衰落信道发送用户信息编码后的不同部分，中继对正确解码出的用户信息重新进行编码再转发出去。基本思想是：协作通信时将要发送的信息编码成码字后分成两段，分别含有N1比特和N2比特,则原始的码长为N1+N2。其中N1比特是信息位，N2比特是校验位。需要两个时隙来分别发送N1和N2两部分信息，发送这些信息的时隙称为帧。第一帧中，每个源节点发送各自码字的第一段，即N1比特信息，同时每个源节点都试图译码对方的这部分信息。如正确译码，就在第二帧中发送其协作伙伴的第二段即N2比特信息。如译码不正确就发送本节点的第二段N2比特信息，这样每个源节点在两个发射时隙总是传送N＝N1+N2的信息块。
利用网络中专用中继节点形成空间分集，可以在一定程度提高水声链路的传输速率、传输可靠性、系统的频谱效率、吞吐率和容量。但水声信道为典型的时延和频移双扩散信道，具有严重的时延、多径、多普勒效应及时变、空变性，被认为是最复杂的无线信道之一，在水下复杂的水声信道情况下，水声网络数据传输通常存在极大的不稳定性。在中继节点采用译码转发或编码转发方式协作时，如不能够正确译码源节点的发送信息，则中继节点不参与转发源节点信息或编码信息，系统自动切换为非协作模式，大大降低系统的协作能力。同时，由于水声传播的大延时，如中继节点对每个目的节点的信息分别单独进行转发，会大大降低网络的吞吐量。
发明内容
本发明针对现有技术的缺点和不足，结合水声通信与水声网络的特点，提出了一种适用于水声网络的协作编码通信方法，利用分布式外码与内码的协作编码分集传输方法，利用外码的编码增益能够提升中继节点对源节点数据的接收正确性，提升系统的协作能力。其次在中继节点，结合ACK信号，采用对多个源节点的数据进行联合编码处理，提高数据的编码增益，同时减少转发次数，提升网络的吞吐量。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。这种适用于水声网络的协作编码通信方法，该方法包括如下步骤：采用分布式外码与内码的协作编码分集传输方法，源节点处只发射源数据经外码编码后的一部分，中继节点转发源数据经外码编码后的另一部分；在中继节点，将ACK信号和中继节点发射相结合，对多个源节点的数据进行联合编码处理；目的节点只要正确接收到源数据经外码编码后的任何一部分，便能够恢复源节点数据；在目的节点处，联合内码组成迭代解码，提高数据的正确接收概率。
更进一步的，在一个水下网络环境中，有n个源节点，1个中继节点，1个目的节点，主要协作过程分以下8个阶段：
(1)、在每个源节点Sj(j＝1,2,3,…n)对应的发射时隙，首先将发送含CRC编码源数据dji，j表示源节点号，i表示发送数据序列号，采用码率为R＝0.5的外码编码输出两部分{aji,bji}，aji采用交织器1交织后经内码编码，然后采用交织器2交织后调制发送出去；目的节点接收并缓存数据aji，并由aji恢复源节点Sj发射数据dji进行CRC校验，根据校验结果记录数据接收正确性，中继节点接收缓存源节点Sj发送数据aji，并由aji恢复源节点数据dji进行CRC校验，如正确则再缓存该数据dji；
(2)、待n个源节点发射完毕后，目的节点回复反馈信号ACK，用于指示接收的n个源节点数据正确性，源节点Sj接收到目的节点反馈的数据dji被正确接收的信号后，将数据dji从发射缓存清除；中继节点接收到目的节点反馈的数据dji被正确接收的信号后，将对应的缓存数据aji与dji清除；
(3)、在中继节点发射时隙，中继节点Sr(r＝1)将自身发送数据dri(含CRC编码)采用外码编码输出两部分{ari,bri}，ari采用交织器1交织后输出a'ri，对缓存的源节点数据dji，采用外码编码输出两部分{aji,bji}，bji采用交织器1交织后输出b'ji，联合数据{a'ri,{b'ji}}经不同码长、不同码率的内码编码交织后调制发送出去；
(4)、目的节点联合前面接收的源节点数据和中继节点发射数据联合译码后，回复ACK信号，用于指示接收的各个节点数据正确性；源节点Sj接收到目的节点反馈的数据dji被正确接收的信号后，将数据dji从发射缓存清除；中继节点接收到目的节点反馈的数据dri或dji被正确接收的信号后，将对应的缓存数据清除；
(5)、在上述过程中，源节点Sj如未接收到目的节点回复的数据dji被正确接收反馈信号，则在下一次发射时发射源数据dji经CRC编码后外码编码交织得到的数据b'ji，b'ji经内码编码采用交织器2交织后调制发送出去；如收到目的节点正确接收指示信号，则下一次发射时发射下一组数据dj(i+1)，dj(i+1)采用外码编码交织后得到数据a'j(i+1)，a'j(i+1)经内码编码交织器2交织后调制发送出去；目的节点接收并缓存数据bji或aj(i+1)，并由bji或aj(i+1)恢复源节点Sj发射数据dji或dj(i+1)进行CRC校验，根据校验结果记录数据接收正确性，如接收数据为bji，则联合前面接收到的aji进行外码解码，再校验记录数据接收正确性；中继节点接收缓存源节点j发送数据bji或aj(i+1)，并由bji或aj(i+1)恢复源节点数据进行CRC校验，如正确则再缓存该发射数据；如接收数据为bji，则联合前面接收到的aji进行外码解码，恢复dji；
(6)、待n个源节点发射完毕后，目的节点回复反馈信号，用于指示接收的各个节点数据正确性；源节点Sj接收到目的节点反馈的数据dji或dj(i+1)被正确接收的信号后，将数据dji或dj(i+1)从发射缓存清除；中继节点接收到目的节点反馈的数据dji被正确接收的信号后，将对应的缓存数据清除；
(7)、前述传送中，dri如被目的节点正确接收，则本次中继发射时隙，发射数据dr(i+1)采用外码编码交织得到的数据a'r(i+1)；dri如未被目的节点正确接收，则本次发射dri采用外码编码交织得到的数据b'ri；对源节点Sj的发送数据，分别发送与源节点发射数据外码编码对应的另一部分，如源节点发射bji，则aji参与中继节点联合转发；如源节点发射aj(i+1)，则bj(i+1)参与中继节点联合转发；
(8)、目的节点联合前面接收的源节点数据和中继节点发射数据联合译码后，回复ACK信号，用于指示接收的各个节点数据正确性；源节点和中继节点接收到反馈信号后，分别清除对应数据缓存区。
本发明的有益效果为：
(一)源节点处采用只发射源数据经外码编码后的一部分，中继节点转发源数据经外码编码后的另一部分。一方面，目的节点只要正确接收到源数据经外码编码后的任何一部分，便可恢复源节点数据；另一方面，在目的节点处，还可以联合内码组成迭代解码，提高数据的正确接收概率。
(二)采用源数据外码编码输出上、下部分两次发射，相比直接重传，可以带来分时编码增益，并提升中继节点对源数据的正确接收能力。
(三)将ACK信号和中继节点发射相结合，提高网络吞吐量。
附图说明
图1源节点数据编码处理过程示意图。
图2源节点数据反向解码恢复过程示意图。
图3中继节点联合编码过程示意图。
图4目的节点联合解码过程示意图。
图5水声节点模型示意图。
图6(2,1,7)卷积码编码器。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做详细的介绍：
本发明是提出以下技术方案实现的：设在一个水下网络环境中，有n个源节点，1个中继节点(也是源节点)，1个目的节点，以TDMA网络为例，主要协作过程分以下8个阶段：
(一)、每个源节点Sj(j＝1,2,3,…n)对应的发射时隙，首先将发送源数据(含CRC编码)dji(j表示源节点号，i表示发送数据序列号)采用码率为R＝0.5的外码编码输出两部分{aji,bji}，aji采用交织器1交织后经内码编码，然后采用交织器2交织后调制发送出去，如图1所示。目的节点接收并缓存数据aji，并由aji恢复源节点Sj发射数据dji进行CRC校验，根据校验结果记录数据接收正确性。中继节点接收缓存源节点Sj发送数据aji，并由aji恢复源节点数据dji进行CRC校验，如正确则再缓存该数据dji。
(二)、待n个源节点发射完毕后，目的节点回复反馈信号(ACK)，用于指示接收的n个源节点数据正确性。源节点Sj接收到目的节点反馈的数据dji被正确接收的信号后，将数据dji从发射缓存清除。中继节点接收到目的节点反馈的数据dji被正确接收的信号后，将对应的缓存数据aji与dji清除。
(三)、在中继节点发射时隙，中继节点Sr(r＝1)将自身发送数据dri(含CRC编码)采用外码编码输出两部分{ari,bri}，ari采用交织器1交织后输出a'ri，对缓存的源节点数据dji，采用外码编码输出两部分{aji,bji}，bji采用交织器1交织后输出b'ji，联合数据{a'ri,{b'ji}}经不同码长、不同码率的内码编码交织后调制发送出去，如图3所示。
(四)、目的节点联合前面接收的源节点数据和中继节点发射数据联合译码后，回复ACK信号，用于指示接收的各个节点数据正确性。源节点Sj接收到目的节点反馈的数据dji被正确接收的信号后，将数据dji从发射缓存清除。中继节点接收到目的节点反馈的数据dri或dji被正确接收的信号后，将对应的缓存数据清除。
(五)、在上述过程中，源节点Sj如未接收到目的节点回复的数据dji被正确接收反馈信号，则在下一次发射时发射源数据dji经CRC编码后外码编码交织得到的数据b'ji，b'ji经内码编码采用交织器2交织后调制发送出去。如收到目的节点正确接收指示信号，则下一次发射时发射下一组数据dj(i+1)，dj(i+1)采用外码编码交织后得到数据a'j(i+1)，a'j(i+1)经内码编码交织器2交织后调制发送出去。目的节点接收并缓存数据bji或aj(i+1)，并由bji或aj(i+1)恢复源节点Sj发射数据dji或dj(i+1)进行CRC校验，根据校验结果记录数据接收正确性，如接收数据为bji，则联合前面接收到的aji进行外码解码，再校验记录数据接收正确性。中继节点接收缓存源节点j发送数据bji或aj(i+1)，并由bji或aj(i+1)恢复源节点数据进行CRC校验，如正确则再缓存该发射数据；如接收数据为bji，则还可联合前面接收到的aji进行外码解码，恢复dji。
(六)、待n个源节点发射完毕后，目的节点回复反馈信号，用于指示接收的各个节点数据正确性。源节点Sj接收到目的节点反馈的数据dji或dj(i+1)被正确接收的信号后，将数据dji或dj(i+1)从发射缓存清除。中继节点接收到目的节点反馈的数据dji被正确接收的信号后，将对应的缓存数据清除。
(七)、前述传送中，dri如被目的节点正确接收，则本次中继发射时隙，发射数据dr(i+1)采用外码编码交织得到的数据a'r(i+1)；dri如未被目的节点正确接收，则本次发射dri采用外码编码交织得到的数据b'ri。对源节点Sj的发送数据，分别发送与源节点发射数据外码编码对应的另一部分，如源节点发射bji，则aji参与中继节点联合转发；如源节点发射aj(i+1)，则bj(i+1)参与中继节点联合转发。
(八)、目的节点联合前面接收的源节点数据和中继节点发射数据联合译码后，回复ACK信号，用于指示接收的各个节点数据正确性。源节点和中继节点接收到反馈信号后，分别清除对应数据缓存区。
目的节点和中继节点对源节点发送数据的接收解码过程如图2所示，首先对接收数据经交织器2解交织后进行内码解码，对解码得到的数据经交织器1解交织后进行外码反编码(以图6卷积码为例，其过程相当于图中的由a或b反推得到u)得到发射源数据，对源数据进行CRC校验判断数据正确性。
目的节点的联合解码过程如图4所示，目的节点在接收到中继节点发来的数据后，先将接收数据经交织器2解交织后进行内码解码，解码后分离出对应的各节点数据，对分离的各节点数据采用交织器1解交织外码反编码后得到各发射源数据，对源数据进行CRC校验，如果CRC校验失败，结合前面已接收到的源数据外码编码的另一部分，进行外码解码，解码后再进行CRC校验，如数据校验正确，则恢复中继节点参与转发的该部分编码数据，并将置信度置最高，再送入内码解码，进行迭代解码，恢复其它源节点数据。
在上述分析中，要求外码码率R＝0.5且满足编码后输出的两部分，任何一部分经反编码后都能恢复得到源数据，例如(8，4)扩展汉明码、卷积码等。内码可以为TPC码、LDPC码、RS码等。
实施例：为说明方便，假设水中布设节点4个，2个源节点，1个中继节点，1个目的节点，如图5所示。外码采用(2,1,7)卷积码，如图6所示，内码为TPC码，见表1。
其工作流程如下：
(一)、源节点Sj(j＝1,2)发送数据dji(含CRC编码)，然后采用码率为R＝0.5的(2,1,7)卷积码编码得到N1＝330比特aji，aji采用随机交织后得到a'ji，a'ji经TPC码C1编码再采用螺旋交织调制发送出去。目的节点接收并缓存数据a'ji，并由a'ji恢复源节点Sj发射数据dji进行CRC校验，根据校验结果记录数据接收正确性。中继节点接收缓存源节点Sj发送数据aji，并由aji恢复源节点数据进行CRC校验，如正确则再缓存该发射数据dji。
(二)、待2个源节点数据发射完毕后，目的节点回复反馈信号，用于指示接收的2个源节点数据正确性。源节点Sj接收到目的节点反馈的数据dji被正确接收的信号后，将数据dji从发射缓存清除。中继节点接收到目的节点反馈的数据dji被正确接收的信号后，将对应的缓存数据aji与dji清除。
(三)、在中继节点发射时隙，中继节点Sr(r＝1)将自身发送数据dri(含CRC编码)卷积编码输出ari，ari采用随机交织后输出a'ri。如果中继节点正确接收到0个源节点数据，则将a'ri采用TPC码C1编码后螺旋交织调制发送出去；如果中继节点正确接收到1个源节点数据，则联合{a'ri,b'ji}采用TPC码C2编码后螺旋交织调制发送出去；如果中继节点正确接收到2个源节点数据，则联合{a'ri,b'1i,b'2i}采用TPC码C5的缩短码编码后螺旋交织调制发送出去。
(四)、目的节点联合前面接收的源节点数据和中继节点发射数据联合译码后，回复ACK信号。源节点Sj接收到目的节点反馈的数据dji被正确接收的信号后，将数据dji从发射缓存清除。中继节点接收到目的节点反馈的数据dri或dji被正确接收的信号后，将对应的缓存数据清除。
(五)、在上述过程中，源节点Sj如未接收到目的节点回复的数据dji被正确接收指示信号，则在本次发射时发射源数据dji卷积编码随机交织经后得到的数据b'ji，b'ji经TPC码C1编码螺旋交织调制发送出去；如收到目的节点正确接收指示信号，本次发射时发射下一组数据dj(i+1)卷积编码随机交织得到数据a'j(i+1)，a'j(i+1)经TPC码C1编码螺旋交织后调制发送出去。目的节点接收并缓存数据bji或aj(i+1)，并由bji或aj(i+1)恢复源节点Sj发射数据进行CRC校验，根据校验结果记录数据接收正确性，如接收数据为bji，还可联合前面接收到的aji进行卷积码解码，再校验记录数据接收正确性。中继节点接收缓存源节点Sj发送数据bji或aj(i+1)，并由bji或aj(i+1)恢复源节点数据进行CRC校验，如正确则缓存该发射数据dji；如接收数据为bji，则联合前面接收到的aji进行卷积码解码，恢复dji。
(六)、待2个源节点发射完毕后，目的节点回复反馈信号。源节点Sj接收到目的节点反馈的数据dji或dj(i+1)被正确接收的信号后，将数据dji或dj(i+1)从发射缓存清除。中继节点接收到目的节点反馈的数据dji被正确接收的信号后，将对应的缓存数据清除。
(七)、前述传送中，dri如被目的节点正确接收，则中继在本次发射数据dr(i+1)卷积编码随机交织得到的数据a'r(i+1)；dri如未被目的节点正确接收，则本次发射dri卷积编码随机交织得到的数据b'ri。对源节点Sj数据，分别发送与源节点发射卷积编码输出数据对应另一部分，如源节点发射bji，则aji参与中继节点联合转发；如源节点发射aj(i+1)，则bj(i+1)参与中继节点联合转发。
(八)、目的节点联合前面接收的源节点数据和中继节点发射数据联合译码后，回复反馈信号，用于指示接收的各个节点数据正确性。源节点和中继节点接收到反馈信号后，分别清除对应数据缓存区。
表1常见TPC码
Figure BDA0001335125170000081
可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (1)

1.一种适用于水声网络的协作编码通信方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：采用分布式外码与内码的协作编码分集传输方法，源节点处只发射源数据经外码编码后的一部分，中继节点转发源数据经外码编码后的另一部分；在中继节点，将ACK信号和中继节点发射相结合，对多个源节点的数据进行联合编码处理；目的节点只要正确接收到源数据经外码编码后的任何一部分，便能够恢复源节点数据；在目的节点处，联合内码组成迭代解码，提高数据的正确接收概率；
在一个水下网络环境中，有n个源节点，1个中继节点，1个目的节点，主要协作过程分以下8个阶段：
(1)、在每个源节点Sj(j＝1,2,3,…n)对应的发射时隙，首先将发送含CRC编码源数据dji，j表示源节点号，i表示发送数据序列号，采用码率为R＝0.5的外码编码输出两部分{aji,bji}，aji采用交织器1交织后经内码编码，然后采用交织器2交织后调制发送出去；目的节点接收并缓存数据aji，并由aji恢复源节点Sj发射数据dji进行CRC校验，根据校验结果记录数据接收正确性，中继节点接收缓存源节点Sj发送数据aji，并由aji恢复源节点数据dji进行CRC校验，如正确则再缓存该数据dji；
(2)、待n个源节点发射完毕后，目的节点回复反馈信号ACK，用于指示接收的n个源节点数据正确性，源节点Sj接收到目的节点反馈的数据dji被正确接收的信号后，将数据dji从发射缓存清除；中继节点接收到目的节点反馈的数据dji被正确接收的信号后，将对应的缓存数据aji与dji清除；
(3)、在中继节点发射时隙，中继节点Sr(r＝1)将自身发送数据dri采用外码编码输出两部分{ari,bri}，其中dri含CRC编码，ari采用交织器1交织后输出a'ri，对缓存的源节点数据dji，采用外码编码输出两部分{aji,bji}，bji采用交织器1交织后输出b'ji，联合数据{a'ri,{b'ji}}经不同码长、不同码率的内码编码交织后调制发送出去；
(4)、目的节点联合前面接收的源节点数据和中继节点发射数据联合译码后，回复ACK信号，用于指示接收的各个节点数据正确性；源节点Sj接收到目的节点反馈的数据dji被正确接收的信号后，将数据dji从发射缓存清除；中继节点接收到目的节点反馈的数据dri或dji被正确接收的信号后，将对应的缓存数据清除；
(5)、在上述过程中，源节点Sj如未接收到目的节点回复的数据dji被正确接收反馈信号，则在下一次发射时发射源数据dji经CRC编码后外码编码交织得到的数据b'ji，b'ji经内码编码采用交织器2交织后调制发送出去；如收到目的节点正确接收指示信号，则下一次发射时发射下一组数据dj(i+1)，dj(i+1)采用外码编码交织后得到数据a'j(i+1)，a'j(i+1)经内码编码交织器2交织后调制发送出去；目的节点接收并缓存数据bji或aj(i+1)，并由bji或aj(i+1)恢复源节点Sj发射数据dji或dj(i+1)进行CRC校验，根据校验结果记录数据接收正确性，如接收数据为bji，则联合前面接收到的aji进行外码解码，再校验记录数据接收正确性；中继节点接收缓存源节点j发送数据bji或aj(i+1)，并由bji或aj(i+1)恢复源节点数据进行CRC校验，如正确则再缓存该发射数据；如接收数据为bji，则联合前面接收到的aji进行外码解码，恢复dji；
(6)、待n个源节点发射完毕后，目的节点回复反馈信号，用于指示接收的各个节点数据正确性；源节点Sj接收到目的节点反馈的数据dji或dj(i+1)被正确接收的信号后，将数据dji或dj(i+1)从发射缓存清除；中继节点接收到目的节点反馈的数据dji被正确接收的信号后，将对应的缓存数据清除；
(7)、前述传送中，dri如被目的节点正确接收，则本次中继发射时隙，发射数据dr(i+1)采用外码编码交织得到的数据a'r(i+1)；dri如未被目的节点正确接收，则本次发射dri采用外码编码交织得到的数据b'ri；对源节点Sj的发送数据，分别发送与源节点发射数据外码编码对应的另一部分，如源节点发射bji，则aji参与中继节点联合转发；如源节点发射aj(i+1)，则bj(i+1)参与中继节点联合转发；
(8)、目的节点联合前面接收的源节点数据和中继节点发射数据联合译码后，回复ACK信号，用于指示接收的各个节点数据正确性；源节点和中继节点接收到反馈信号后，分别清除对应数据缓存区。
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