CN109302266A - 基于双层网络编码的高能效协作中继网络传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出基于双层网络编码的高能效协作中继网络传输方法，该方法中，中继节点分别获取来自两个源用户群的用户信息进行两两异或运算，再进行MDNC网络编码从而实现双层网络编码；双层网络编码包括底层的GF(2)编码和上层的MDNC网络编码；各个目标终端节点收到中继群发来的信号后，执行双层网络译码恢复用户信息：包括底层的MDNC网络译码和上层的GF(2)译码。与单用户对间的双向中继方案和最大分集增益方案相比，本发明可以显著提高系统能效。

Description

基于双层网络编码的高能效协作中继网络传输方法

技术领域

本发明涉及协作中继网络通信领域，尤其是一种基于双层网络编码的高能效协作中继网络传输方法。

背景技术

面对全球能源危机和气候变化的问题，信息与通信技术领域亟需努力提升效益的同时，实施“绿色通信”行动。这就要求通信方案提高单位功率所能支持的系统吞吐量，以协助更多、更持续的数据传输，即实现高能效传输。目前，在ITU标准ITU-TL.1330-2015中，能效已经成为衡量未来通信网络性能的核心指标。在实际通信网络设计中，能效已然成为十分重要的设计指标。

相关研究成果表明：在协作中继网络中使用网络编码可以有效提高系统能效。双向中继是一种典型的GF(2)上的网络编码。该编码方式下，一对用户节点通过一个或者多个中继将两用户信息异或编码从而实现信息互换。随后，学者们提出随机线性和模拟网络编码方案。这些利用传统网络编码进行协作通信的方案，能够在一定程度上提高系统的性能。但上述编码方案有其缺点：编码系数的设计不够科学，使得在多用户协作环境中，编码后的数据包之间的线性无关性不够，很有可能导致接收方构造的解码方程组的可解性不高，系统分集增益不够高，网络编码的优势无法得到充分的发挥。

在网络编码设计中，有必要拓展网络编码系数的选择范围，优化用户的编码向量，从而提高解码方程组的可解性并实现更高的分集增益和能效。文献[1]中，为了实现一组协作用户的全分集阶数，Xiao等人提出最大分集网络编码(MDNC：Maximum DiversityNetwork Coding)的方案。该方案是一种高阶域编码方案，允许节点将多个源用户的信息整合成一个码字。在具体的整合运算中，节点依据满秩网络编码矩阵，对源信息在有界域进行加乘运算。但上述编码方案也有其缺点和不足：它仅支持多个源节定向地向单一目标节点传输信息，无法满足多组用户同时向不同目标节点群传输信息的需求，即多用户-多播的通信场景需求。

文献1：M.Xiao，J.Kliewer and M.Skoglund，“Design of Network Codes forMultiple-User Multiple-Relay Wireless Networks，”IEEE Trans.Commun.，vol.60，no.12，pp.3755-3766，Dec.2012.

发明内容

发明目的：为克服现有技术的不足，本专利提出一种基于双层网络编码的高能效协作中继网络传输方法，可以实现多用户-多播的双层网络编码方案。相较于已有网络编码技术，该方案将显著提升系统能效。

技术方案：为实现上述技术效果，本发明提出以下技术方案：

基于双层网络编码的高能效协作中继网络传输方法，所述协作中继网络包括：源用户群U、U′，目标终端群D、D′，以及协作中继群R；其中，U＝{U₁，U₂，…U_M}，U′＝{U′₁，U′₂，…，U′_M}，R＝{R₁，R₂，…，R_J}，M为源用户群U、U′中源用户节点的个数，Q₁、Q₂分别为目标终端群D、D′中的终端节点个数，J为中继节点的个数，J≥M；源用户群U仅能与目标终端群D直接通信，源用户群U′仅能与目标终端群D′直接通信，源用户群U与目标终端群D′之间以及源用户群U′与目标终端群D之间通过协作中继群R交互数据，协作传输数据的过程包括步骤：

(1)源用户群U中的各源用户节点依次向目标终端群D和协作中继群R广播消息，源用户群U′中的各源用户节点依次向目标终端群D′和协作中继群R广播消息；同一时隙，同一源用户群仅有一个源用户节点广播消息；

(2)中继群R中的各个中继节点R_j获取来自源用户群U、U′的消息并进行解码，若R_j不能解码任意一个源用户节点的消息，则R_j不转发信号；否则，R_j对接收到的消息进行双层网络编码，编码步骤包括：

R_j首先对接收到的源用户节点消息进行GF(2)上的网络编码，得到编码序列{w₁，w₂，…，w_M}，其中，每一个码字w_i由两个来自不同源用户群的源用户节点消息异或得到，且每个源用户节点信息只参与一次异或；w_i的表达式为：

其中，为源用户节点U_i发出的消息，为源用户节点U_k′发出的消息；

再采用MDNC编码方法对{w₁，w₂，…，w_M}进行GF(2^q)上的网络编码，生成一个网络码字W_j，其中，田表示有界域加法运算符号；e_i，j是R_j对进行MDNC网络编码的编码系数，它将的q个比特转换成一个符号，这个符号为{0，1，2，...，2^q-1}中的某个值；

(3)R_j对W_j进行信道编码和调制，将其转换成一个信道码字X(W_j)；

(4)各中继节点分别占用不同时隙广播自己的信道码字，而目标终端群D和D′中中的各目标终端节点对接收到的网络码字依次进行解调、信道译码、双层网络译码后得到源用户群U和U′所发出的消息，再根据步骤(1)中直接获取的其中一个源用户群的消息去除自干扰项，得到另一个源用户群的消息。

进一的，所述目标终端节点恢复所需的消息的方法为：

首先对接收到的网络码字依次进行解调、信道译码，得到W_j；

再对W_j先进行MDNC网络译码，即在GF(2^q)域上对W_j进行MDNC网络译码，从中恢复出{w₁，w₂，…，w_M}；

最后利用步骤(1)中接收到的或对{w₁，w₂，…，w_M}进行GF(2)译码，得到相应的译码结果或其中：

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优势：

本发明通过在协作中继处采用双层网络编码，可以实现高能效多用户一多播的通信。与传统双向中继编码和MDNC编码比较，本发明可以实现多用户-多播传输，同时显著提高系统能效。

附图说明

图1为本发明协作中继网络的高能效双层网络编码方法流程图；

图2为本发明所设计的第一阶段信号传输模型示意图；

图3为本发明所设计的第二阶段信号传输模型示意图；

图4为本发明所设计的第三阶段信号传输模型示意图；

图5为本发明所设计的第三阶段信号双层编/译码示意图；

图6为本发明传输方案在α₀＝5，N＝10，Q₁＝Q₂＝1，M遍历2至10间的整数时，TNC、MDNC和TWR传输方案下的能效随着M、SNR的变化曲面；

图7为本发明传输方案在α₀＝3时，N＝10，Q₁＝Q₂＝1，M遍历2至10间的整数时，TNC、MDNC和TWR传输方案下的能效随着M、SNR的变化曲面；

图8为本发明传输方案在α₀＝5，N＝10，Q₁＝Q₂＝2，M遍历2至10间的整数时，TNC、MDNC和TWR传输方案下的能效随着M、SNR的变化曲面；

图9为本发明传输方案在α₀＝3时，N＝10，Q₁＝Q₂＝2，M遍历2至10间的整数时TNC、MDNC和TWR传输方案下的能效随着M、SNR的变化曲面。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

图1所示为本发明的整体流程图，本发明搭建的协作中继网络包括：源用户群U、U′，目标终端群D、D′，以及协作中继群R；其中，两个源用户群参与协作中继过程的源用户节点数量相等，记U＝{U₁，U₂，…U_M}，U′＝{U′₁，U′₂，…，U′_M}；目标终端群D、D′分别为协作中继群R为R＝{R₁，R₂，…，R_J}，J≥M。

以上节点中，源用户群U仅能与目标终端群D直接通信，源用户群U′仅能与目标终端群D′直接通信，源用户群U与目标终端群D′之间以及源用户群U′与目标终端群D之间通过协作中继群R交互数据。

假设目标终端已知信道状态信息，但源用户群未知确切的信道状态信息，所有的节点以时分多址的方式运行。则一次完整的信号传输包含三个阶段，其中，第一、第二阶段之间没有时间顺序，而第三传输阶段在第一、第二传输阶段之后完成。下面结合图2～图4具体介绍信息传输过程：

a)第一阶段传输

如图2所示，在第一传输阶段中，{U₁，U₂，…，U_M}轮流将其经过信道编码和调制后的信号广播到各个中继及其传输范围内的目的接收节点集合

分别记U_i和U′_i的源信息为和为简化分析和表达，假设各个用户信息长度相同。用户信息长度不同时，仅需对相同长度的信息部分进行本专利所述的网络编码方案，对其余部分可采用现有技术进行编码传输。经过信道编码和调制后，和分别变为和在U_i的广播阶段，收到的信号为：

其中，p_i为节点U_i的信号广播功率(单位：毫瓦)；h_ij为瑞利慢衰落信道增益，将其幅度记为|h_ij|，为信道增益的瑞利分布方差；n_ij表示加性窄带高斯白噪声功率(单位：毫瓦)。

以BPSK调制为例，在U_i的广播阶段，U_i-R_j(i＝1，2，…，M；j＝1，2，…，N)的信道容量为：

其中，n_0，ij表示加性窄带高斯白噪声功率(单位：mW)。为了便于研究，式(2)中已将信道带宽单位化处理，并以h_ij为均值为0，方差为1的复高斯变量；噪声功率为1毫瓦为例进行分析。

当固定的数据传输速率α₀大于香农容限，即C_ij＜α₀时，U_i和R_j之间的通信将会发生中断。反之，R_j将能成功恢复U_i的源信息。因而，可得U_i和R_j之间的通信发生中断的概率为：

其中，SNR_ij＝p_i/n_0，ij为U_i的发送端信噪比。

U_i和之间的通信发生中断的概率可以采用与公式(3)相同的方法获得。

b)第二阶段传输

与第一传输阶段信号传送模式类似，在第二传输阶段，{U′₁，U′₂，…，U′_M}轮流广播信号；与此同时，和所有中继接收广播信号，如图3所示。

在第一、第二阶段中，有两种广播方式，一种是在每个时刻网络中仅有一个源用户节点广播；另一种是两源用户群中可以各自同时让一个源用户节点广播，即系统中可以有两个来自不同源用户群的源用户节点同时向中继广播，在这种情况下两源用户节点采用NOMA信息传输方式；中继译码时，每个中继采用连续干扰消除(SIC：successiveinterference cancellation)方法译码出同时收到的两个用户信息。

c)第三阶段传输

第三传输阶段的模型如图4所示，如果在前两个阶段，不能成功解码任何一个节点的信息，那么该中继不会转发信息。否则，中继将会进行双层网络编码，并向所有目标节点广播新生成的码字，编码的具体步骤如下：

记能成功接收到的中继个数为K。将K个中继的编号集合记为Φ_K。如图5所示，K个中继处的双层网络编码包含底层的GF(2)上的双向中继网络编码和上层的GF(2^q)上的MDNC网络编码。

对收到的以及以两用户信息为单位进行GF(2)上的网络编码，并得到{w₁，w₂，…，w_M}，每一个码字w_i由两个来自不同源用户群的源用户节点消息异或得到，即有

应用非专利文献[1]中的MDNC编码方法对{w₁，w₂，…，w_M}进行GF(2^q)上的网络编码，生成一个网络码字W_j，即有

其中，表示有界域加法运算；e_i，j是R_j对进行网络编码的编码系数，它将的q个0-1比特转换成一个符号。这个符号为{0，1，2，...，2^q-1}中的某个值。从式(4)和(5)可以看出，网络码字W_j不仅仅融合了也融合了

继续对W_j进行信道编码和调制，将其转换成一个信道码字X(W_j)。上述K个中继(将其集合记为)，将分别占用不同的时隙向各个目标终端节点广播各自的信道码字。由于各个用户节点信息长度相同，经过相同编码码率的信道编码和相同的调制方式，各个信道码字的广播耗时相同。和利用这些信道码字分别恢复出和

和获取各自所需信息的过程类似，下面以通过双层网络译码恢复为例，说明介绍信息的恢复过程。

假设上述K个中继中，仅有τ个中继能成功将它们的信道码字广播到处，将这些中继的集合记为ψ_τ。收到{X(W_j)，j∈ψ_τ}后，对它们进行解调和信道译码以获取{W_j，j∈ψ_τ}。随后，对{W_j，j∈ψ_τ}进行双层网络译码并最终得到

具体地，双层网络译码包含如下两步：

1)MDNC网络译码。在GF(2^q)域上对{W_j，j∈ψ_τ}进行MDNC网络译码，从中恢复出{W_j，j∈ψ_τ}。

2)GF(2)译码。由于在第一传输阶段，能以一定概率接收到信号，则可以利用接收到的{S₁，S₂，…S_M}信号去除自干扰项，最终恢复出以为例，有

采用相同的处理方法，利用在第二传输阶段收听到的信号通过去除自干扰项，即可恢复出以为例，有

上述技术方案可以实现多用户-多播的双层网络编码，且相较于已有网络编码技术，该方案将显著提升系统能效，下面结合附图6～9详细说明本发明所述技术方案的技术效果。

本实施例以信道噪声功率、信号传输速率和功率相同的情况为例说明。由公式(3)可判断各个信道中断概率相同，记单链路中断概率为Pr_e。值得说明的是，虽然非齐次信道场景和不同发送功率场景下各个信道中断概率不同，但其系统中断概率和能效推导过程与下文类似。

(1)目的节点成功译码所有信号的概率推导

由于第一至第三传输阶段的信号传输环境和传输过程相同，则成功恢复的概率与成功恢复的概率相同。下面仅以成功恢复的概率推导为例，分析系统的传输可靠性性能。

据MDNC网络编译码原理知：仅当τ≥M时，才可以成功译码恢复出w_i(i＝1，2，…，M)。记τ≥M的概率为此外，要从w_i(i＝1，2，…，M))中最终恢复出还需要正确接收到信号，记其概率为Pr{ψ}。成功恢复出所有用户的信息，即成功恢复出的概率为：

根据定义，

Pr{ψ}＝(1-Pr_e)^M (9)

下面具体推导Pr{ψ}。由Pr{ζ_K}表示K个中继成功收到所有用户的信息，即由表示中的所有中继成功将前传到则有：

由ρ₁代表中继能成功译码出的概率，由ρ₂代表中继能成功译码出的概率，则：

ρ₁＝(1-Pr_e)^M (11)

ρ₂＝(1-Pr_e)^M (12)

Pr{ζ_K}＝(ρ₁ρ₂)^K(1-ρ₁ρ₂)^N-K (13)

可以表示为：

(2)功耗模型

功率消耗模型采用实际场景模型。节点处功耗不仅仅有数据传输功耗，还有其它功耗，如信道编/译码功耗、网络编/译码功耗、交/直流转换功耗等。

源用户节点仅完成源信息的信道编码和编码调制后信号的发送，并无网络编/译码操作。源用户节点的功耗表示为：

其中，为源用户节点的功率消耗斜率，c_s为源信息信道编码功耗。

在中继节点和网关处，除了完成信号的发送及接收外，还需要进行信号的译码再编码、网络编/译码操作。将网关和中继节点处的功率记为p_d和p_r，它们可以分别表示为

p_d＝c_d (16)

其中，为中继处的功率消耗斜率；c_d和c_r分别表示目的接收节点和中继进行信道编/译码及网络编/译码耗费的功率，它们均为常数。

由于第一、二、三传输阶段分别需要M、M和N次信号传输。传输总功耗(mW)为

p_tot＝2Mp_s+Wp_r+(M+N)(Q₁+Q₂)p_d (18)

其中，2Mp_s表示所有源用户节点耗费的总功率(单位：mW)；Np_r为所有中继处信道编/译码、双层网络编码和传输信号所需耗费的总功率(mW)；(M+N)(Q₁+Q₂)p_d表示目的节点信道译码和网络译码耗费的总功率(mW)。

(3)系统能效推导

用L表示所有源用户有效传输速率之和。信道的随机性决定了该参量为一随机变量。L的期望值可以表示为

继而可得系统能效为

基于上述分析，将其应用到具体实例上以说明其技术效果，具体应用如下：设定c_r＝c_g＝0.5。以上参数取值参照了非专利文献：G.Auer，V.Giannini，I.Godor，P.Skillermark，etc.How much energy is needed to run a wireless network[J].IEEE Wireless Communications，2011，18(5)：40-49。相比于中继节点和目的节点信道编/译码和网络编译/码功耗，信道编码功耗近似为0，即c_s＝0。值得说明的是，本专利所公开的网络编码方法同样适用于用户节点信道编码功耗不为零的情况。

图6-图9给出了MDNC、TWR编码、双层网络编码三种方案下的系统能效对比。从图6-图9中可以看出：相比于MDNC和TWR编码，双层网络编码可以为系统带来更高的能效。以α₀＝3和5，N＝10，Q₁＝Q₂＝1，M遍历2至10间的整数为例，当SNR取值在15dB～25dB区间时，能效增益尤为显著。

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 (2)

1.基于双层网络编码的高能效协作中继网络传输方法，其特征在于，所述协作中继网络包括：源用户群U、U′，目标终端群D、D′，以及协作中继群R；其中，U＝{U₁，U₂，…U_M}，U′＝{U′₁，U′₂，…，U′_M}，R＝{R₁，R₂，…，R_J}，M为源用户群U、U′中源用户节点的个数，Q₁、Q₂分别为目标终端群D、D′中的终端节点个数，J为中继节点的个数，J≥M；源用户群U仅能与目标终端群D直接通信，源用户群U′仅能与目标终端群D′直接通信，源用户群U与目标终端群D′之间以及源用户群U′与目标终端群D之间通过协作中继群R交互数据，协作传输数据的过程包括步骤：

(1)源用户群U中的各源用户节点依次向目标终端群D和协作中继群R广播消息，源用户群U′中的各源用户节点依次向目标终端群D′和协作中继群R广播消息；同一时隙，同一源用户群仅有一个源用户节点广播消息；

(2)中继群R中的各个中继节点R_j获取来自源用户群U、U′的消息并进行解码，若R_j不能解码任意一个源用户节点的消息，则R_j不转发信号；否则，R_j对接收到的消息进行双层网络编码，编码步骤包括：

R_j首先对接收到的源用户节点消息进行GF(2)上的网络编码，得到编码序列{w₁，w₂，…，w_M}，其中，每一个码字w_i由两个来自不同源用户群的源用户节点消息异或得到，且每个源用户节点信息只参与一次异或；w_i的表达式为：

其中，为源用户节点U_i发出的消息，为源用户节点U_k′发出的消息；

再采用MDNC编码方法对{w₁，w₂，…，w_M}进行GF(2^q)上的网络编码，生成一个网络码字W_j，其中，田表示有界域加法运算符号；e_i，j是R_j对进行MDNC网络编码的编码系数，它将的q个比特转换成一个符号，这个符号为{0，1，2，...，2^q-1}中的某个值；

(3)R_j对W_j进行信道编码和调制，将其转换成一个信道码字X(W_j)；

(4)各中继节点分别占用不同时隙广播自己的信道码字，而目标终端群D和D′中中的各目标终端节点对接收到的网络码字依次进行解调、信道译码、双层网络译码后得到源用户群U和U′所发出的消息，再根据步骤(1)中直接获取的其中一个源用户群的消息去除自干扰项，得到另一个源用户群的消息。

2.根据权利要求1所述的基于双层网络编码的高能效协作中继网络传输方法，其特征在于，所述目标终端节点恢复所需的消息的方法为：

首先对接收到的网络码字依次进行解调、信道译码，得到W_j；

再对W_j先进行MDNC网络译码，即在GF(2^q)域上对W_j进行MDNC网络译码，从中恢复出{w₁，w₂，…，w_M}；

最后利用步骤(1)中接收到的或对{w₁，w₂，…，w_M}进行GF(2)译码，得到相应的译码结果或其中：