CN110266435B - 一种多中继场景下喷泉码协作通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多中继场景下喷泉码协作通信方法，包括步骤：步骤S1、对待发送的数据包进行编码；步骤S2、将编码后的数据包广播给中继节点和目的节点，计算各链路的丢包率；步骤S3、基于链路信道状态和节点译码情况计算权重选择向量，根据所述权重选择向量选择数据包；步骤S4、基于所述链路的丢包率计算候选中继节点集合；步骤S5、若所述候选中继节点集合为空集，则启动直接重传模式；若所述候选中继节点集合不为空集，选择最佳中继节点进行重传。本发明用于协助解决协作通信中的反馈信道占据过大资源导致频谱利用率低、及多个中继参与协作导致的空间系统资源浪费等问题，使无线广播信道实现高效可靠传输。

Description

一种多中继场景下喷泉码协作通信方法

技术领域

本发明涉及数字通信技术领域，具体涉及一种多中继场景下喷泉码协作通信方法。

背景技术

协作中继技术利用节点之间的相互协作，形成虚拟多输入多输出系统，可增加系统分集增益、有效抵抗多径衰落并提高信息传输的可靠性。常见的协作方式有三种：放大转发(Amplified Forwarding Protocol)协议、译码转发协议(Decoding and forwardingprotocol)和编码转发协议(Code Forwarding Protocol)。

放大转发(AF):中继节点对直接接收到的信号放大转发。缺点是在信道链路差时，会进一步放大噪声。译码转发(DF)：中继节点对接收到的信号译码再编码后转发。缺点是对于错误的译码会进一步传播。编码转发(CC)：中继节点接收转发信号的不同部分。

在无线通信系统中通常运用协作传输技术并采用喷泉码作为信道编码。喷泉码种类繁多，第一类喷泉码LT(Luby Transform)码是目前应用最广泛的编码方案。具体编码过程如下：把K组原始数据包在(1,k)内依照度的分布Ω，随机选取整数d_i，设为编码分组的度；再根据权重选择向量选择d_i个数据包，作为编码数据包的邻居。

采用的度的分布为：

Ω(x)＝0.008x+0.493x²+0.166x³+0.073x⁴+0.083x⁵+0.056⁸+0.037⁹+0.056¹⁹+0.025x⁶⁵+0.003⁶⁶

其中，x表示的是输入符号，x的指数表示输出符号的度，相应的系数表示选择该度的概率。

译码方式通常采用软判决译码，即LLR-BP译码，具体步骤为：

设原始输入数据序列为：S＝{s₁,s₂,...,s_k}；依次经喷泉编码及BPSK调制后，待发送信号为：X＝{x₁,x₂,...,x_n}；经信道传输，信道端接收的信号可表示为：

y_i＝h·x_i+n_i

其中，h表示信道系数；n_i表示信道噪声，服从高斯分布

且

是高斯白噪声的双边功率谱密度。

(1)初始化：计算信道信息的对数似然比L_ch；

(2)迭代：在校验节点和变量节点间，不断执行信息交换，且迭代规则为：

其中，l表示迭代次数；

表示校验节点j传给变量节点i的信息；

表示变量节点i传给校验节点j的信息；c_i表示恢复的LDPC编码；N(j)表示所有与校验节点j相连的变量节点的集合；N(i)表示所有与变量节点i相连的校验节点的集合。

(3)判决：如果q_i>0，则c_i＝0；否则c_i＝1；q_i的计算如下：

其中，q_i表示l次迭代后变量节点软信息的输出。

若信息全部正确恢复或者达到最大迭代次数则译码停止；否则重复上述步骤(2)和(3)。

喷泉码具有无码率特性，能够在信道状态未知的情况下进行数据的有效传输，适用于无线通信中复杂的环境。

最大合并比合并(MRC)：在接收端对各个分集支路先调整相位，再加权合并，即每条支路相乘适当的增益系数，在做的时候可以设定第i个支路的可变增益加权系数为该分集之路的信号幅度与噪声功率之比。此方案对信号做的是线性处理，简单易实现，被广泛使用。

然而，现有的协作传输效率低，不能有效地选择中继节点。故，针对现有技术的缺陷，如何更好地选择中继节点、提高传输效率是本领域亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供了一种多中继场景下喷泉码协作通信方法。首先，源端对数据包进行编码，然后广播到各个中继节点和目的节点；其次，各个链路根据第一次广播的数据的反馈信息，建立信道状态矩阵，并求出最佳的中继节点；有选择的二次广播原始数据包，使用选出的最佳中继进行协作传输信息；最后，在目的节点处按比例合并信息进行LLR-BP译码。选出的最佳链路充分实现了空间复用增益，大大节省了传输时间。

为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

一种多中继场景下喷泉码协作通信方法，包括步骤：

步骤S1、对待发送的数据包进行编码；

步骤S2、将编码后的数据包广播给中继节点和目的节点，计算各链路的丢包率；

步骤S3、基于链路信道状态和节点译码情况计算权重选择向量，根据所述权重选择向量选择数据包；

步骤S4、基于所述链路的丢包率计算候选中继节点集合；

步骤S5、若所述候选中继节点集合为空集，则启动直接重传模式；若所述候选中继节点集合不为空集，选择最佳中继节点进行重传。

进一步地，所述步骤S1具体为：把K组原始数据包在(1,k)内依照度的分布Ω，随机选取整数d_i，设为编码分组的度；在分组中随机抽取d_i个数据包，作为编码数据包的邻居。

进一步地，所述度的分布Ω为：

Ω(x)＝0.008x+0.493x²+0.166x³+0.073x⁴+0.083x⁵+0.056⁸+0.037⁹+0.056¹⁹+0.025x⁶⁵+0.003⁶⁶

其中，x表示的是输入符号，x的指数表示输出符号的度，相应的系数表示选择该度的概率。

进一步地，所述步骤S2具体为：

源节点S向所有的中继节点R_j和目的节点D广播数据；目的节点D接收到第i个数据包，如果成功接收则反馈信号ACK，此时f_i,D＝0；反之，则反馈信号NACK，此时f_i,D＝1；中继节点R_j若成功接收数据包i则反馈信号ACK，f_i,Rj＝0；反之，如果中继节点R_j接收失败，则反馈信号NACK，f_i,Rj＝1；

建立信道状态矩阵：

基于所述信道状态矩阵计算各链路的丢包率：

其中，P_SD表示源节点S到目的节点D链路的丢包率，P_SRj表示源节点S到中继节点R_j链路的丢包率。

进一步地，所述步骤S3具体为：

(1)把K组原始数据包在(1,k)内依照度的分布Ω，随机选取整数d_i，设为编码分组的度；

(2)在分组中不再是随机抽取d_i个数据包，而是根据信道状态和节点接收情况建立权重选择向量W；每个编码包的权重选择计算公式：

再根据权重选择向量w_i选择d_i个数据包，作为编码数据包的邻居。

进一步地，所述步骤S4具体为：

比较P_SRj、P_SD，若P_SRj<P_SD,则中继节点Rj进入候选集合；候选的中继节点集合表示为：

其中，Z表示候选中继集合，P_SRj与P_SD分别表示源节点S到中继节点R_j和目的节点D的丢包率。

进一步地，所述最佳中继节点为增益最大的链路：

max函数的求解步骤：第一步分别求出j不同值时，对f_i,Rj，f_i,D从i为1到K异或求和；第二步求出和值最大时j的值。

进一步地，还包括步骤：

目的节点同时接收从源节点发送的数据包和中继节点发送的数据包，按比例相加译码。

本发明进一步提出的基于喷泉码的中继协作通信方法，通过对信道状态进行估计，利用通信系统中本身具有的反馈信道，对数据包进行有选择权重的编码，实现用较少的反馈信道资源进行有效数据传输；同时提出了一种新的中继选择方案。该方案基于反馈信息对中继节点进行初步筛选，选择出链路状态比较好的中继节点；再从中选出增益更大的中继节点。在第二时隙时，再次广播时，如果存在最佳中继节点，则用选出的最佳节点参与协作传输，若不存在，则源节点直接重传信息到目的节点。此方法可以同时获得空间复用增益和编码增益，且在多个中继节点中挑选出最佳中继节点，节省系统资源，实现了可靠高效传输。

附图说明

图1是实施例一提供的一种多中继场景下喷泉码协作通信方法流程图；

图2为本发明LT码的编码示意图；

图3为本发明实施例第一次数据广播的系统框架；

图4为本发明多中继协作通信的系统模型；

图5是本发明实施例中最佳中继节点选择的流程框架。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

本发明基于喷泉码的中继协作通信，先对信道进行估计构造信道状态矩阵建立原始数据包权重选择向量，改进喷泉编码方案并提出选择最佳中继节点方法，级联中继协作通信联合译码，实现信息的高效可靠传输。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

实施例一

如图1所示，本实施例提出了一种多中继场景下喷泉码协作通信方法，包括：

步骤S1、对待发送的数据包进行编码；

本发明采用第一类喷泉码LT码进行编码，如图2所示，具体编码步骤如下：

把K组原始数据包在(1,k)内依照度的分布Ω，随机选取整数d_i，设为编码分组的度；在分组中随机抽取d_i个数据包，作为编码数据包的邻居。

采用的度的分布如下所示：

Ω(x)＝0.008x+0.493x²+0.166x³+0.073x⁴+0.083x⁵+0.056⁸+0.037⁹+0.056¹⁹+0.025x⁶⁵+0.003⁶⁶

其中，x表示的是输入符号，x的指数表示输出符号的度，相应的系数表示选择该度的概率。

步骤S2、将编码后的数据包广播给中继节点和目的节点，计算各链路的丢包率；

对于编码后的数据包X广播给M个中继节点R和目的节点D，每个节点独立接收数据包。当节点成功接收译码时，返回成功接收ACK信号，反之，返回失败接收NACK信号。信源节点能够获取各个中继节点和目的节点接收状态，实现信道估计，具体步骤如下：

建立一个反馈信道状态的矩阵F_K×(M+1)＝[f_i,D,…,f_i,Rj]；其中i＝1,2,3...,K；K为发送的编码包个数，M为中继节点的个数。当目的节点D返回数据包P_i的NACK信息时，f_i,D＝1，否则，f_i,D＝0；同理，当中继节点R_j返回数据包P_i的NACK消息时，f_i,Rj＝1，否则，f_i,Rj＝0；基于状态矩阵F_K×(M+1)，对各链路的丢包率估计如下；

其中，式(1)表示源节点S到目的节点D链路的丢包率，式(2)表示源节点S到中继节点R_j链路的丢包率。

整个协作传输过程分为两个时隙；在第一时隙时，源节点S向所有的中继节点R_j和目的节点D广播数据；此时，目的节点D和各中继节点R_j独立接收数据包；目的节点D接收到第i个数据包，如果成功接收则反馈信号ACK，此时f_i,D＝0；反之，如目的节点D接收失败，则反馈信号NACK，此时f_i,D＝1。同理，对于中继节点R_j若成功接收数据包i则反馈信号ACK，f_i,Rj＝0；反之，如果中继节点R_j接收失败，则反馈信号NACK，f_i,Rj＝1；

建立信道状态矩阵：

图3是信号广播第一阶段，源节点对中继节点和目的节点同时广播数据，其中多个中继节点和目的节点都存在译码失败的数据包，用阴影方块表示，按照反馈信息就可以构造信道状态矩阵F。

步骤S3、基于链路信道状态和节点译码情况计算权重选择向量，根据所述权重选择向量选择数据包；

在第一轮数据传输的基础上，源节点S已经获取了链路信道状态和节点译码情况，再次对原始数据包有权重选择的进行喷泉编码，再次广播传输信号，直至全部传输成功。内层LT码的改进具体步骤如下：

(1)把K组原始数据包在(1,k)内依照度的分布Ω，随机选取整数d_i，设为编码分组的度；

(2)在分组中不再是随机抽取d_i个数据包，而是根据信道状态和节点接收情况建立权重选择向量W；每个编码包的权重选择计算公式：

再根据权重选择向量w_i选择d_i个数据包，作为编码数据包的邻居。

对于改进后的编码方案，优势是加入了每一个数据包的权重选择向量，对于成功传输次数多的数据包，它被选择的机会减少，甚至为0；而对于传输失败次数多的数据包，它被选择的机会就会增加，此方案避免了数据的重复传输而浪费资源。跟传统的反馈重发机制对比，因不需要实时反馈，减少了对信道资源的占用，提高了系统本身的传输效率。

步骤S4、基于所述链路的丢包率计算候选中继节点集合；

无线中继协作模型如下图4所示，源节点到目的节点存在多条信道，一条广播信道是直接由源节点S到目的节点D即可表示成S-D链路；其它多址信道是先从源节点S到中继节点R_j再到目的节点D即可表示成S-R_j链路，R_j-D链路。

其中，P_S是实数，表示源节点的发射功率。

和h_SD是复数，分别是S-R_j链路，R_j-D链路信道系数。n_SD和

分别是源节点到目的节点和源节点到中继节点信道链路上的加性高斯白噪声。

其中由式(2)可得每条链路的信道状态，丢包率越大，信道状态越差。比较式(1)和式(2)的结果；若P_SRj<P_SD,则中继节点R_j进入候选集合；候选的中继节点集合表示为：

其中，Z表示候选中继集合，P_SRj与P_SD分别表示源节点S到中继节点R_j和目的节点D的丢包率。

步骤S5、若所述候选中继节点集合为空集，则启动直接重传模式；若所述候选中继节点集合不为空集，选择最佳中继节点进行重传。

若候选集合为空集，则直接启动直接重传模式(DRT)；在第二时隙时，源节点S直接对目的节点传输数据。若候选结合不为空集时，此时对于反馈信道矩阵来说，每一列都代表了一条支路的信道状态。把每条S-R链路和S-D链路比较；选出增益最大的那条链路，就是最佳中继节点，公式如下：

max函数的求解步骤：第一步分别求出j不同值时，对f_i,Rj，f_i,D从i为1到K异或求和；第二步求出和值最大时j的值。

其中，元素f_i,Rj和f_i,D分别表示第j个中继节点R_j和目的节点D，对第i个数据包的接收译码情况：如译码成功，则分别记录为f_i,Rj＝0，f_i,D＝0；反之，记录为f_i,Rj＝1，f_i,D＝1。其中，K为自然数，表示信源节点发送的原始数据包的个数；i为自然数，范围在1到K。

图5是最佳中继节点选择的流程步骤。在第一阶段，信源节点S初次对数据广播后，接收到了各条链路的信道状态的反馈，第一步把直传链路的丢包率作为标准，把优于直传链路的中继节点选择出来，放入中继候选集合。第二阶段，在候选中继集合中挑选接收到的信息与目的节点接收到的信息差异最大的中继作为最佳中继，进行中继协作转发。

目的节点同时接收从源节点发送的数据包和中继节点发送的数据包，按比例相加译码。在接收端对各个分集支路先调整相位，再加权合并，即每条支路相乘适当的增益系数，在做的时候可以设定第i个支路的可变增益加权系数为该分集之路的信号幅度与噪声功率之比。

由此可知，本发明所述方法通过建立反馈信道状态矩阵F_K×(M+1)，选择出信道质量较高且分集增益大的中继，可节省传输资源；同时，通过节点译码反馈信息设置数据包的权重选择向量W，可合理选择参加第二时隙传输的数据包，对第一时隙接收译码成功的数据包权重减小，甚至为0；此外，对于第一时隙接收译码失败的数据包权重增加，可避免系统大量传输重复数据，提高了频谱利用率并进一步降低系统BER。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (4)

1.一种多中继场景下喷泉码协作通信方法，其特征在于，包括步骤：

步骤S1、对待发送的数据包进行编码；

步骤S2、将编码后的数据包广播给中继节点和目的节点，计算各链路的丢包率；

步骤S3、基于链路信道状态和节点译码情况计算权重选择向量，根据所述权重选择向量选择数据包；

步骤S4、基于所述链路的丢包率计算候选中继节点集合；

步骤S5、若所述候选中继节点集合为空集，则启动直接重传模式；若所述候选中继节点集合不为空集，选择最佳中继节点进行重传；

所述步骤S2具体为：

源节点S向所有的中继节点R_j和目的节点D广播数据；目的节点D接收到第i个数据包，如果成功接收则反馈信号ACK，此时f_i,D＝0；反之，则反馈信号NACK，此时f_i,D＝1；中继节点R_j若成功接收数据包i则反馈信号ACK，f_i,Rj＝0；反之，如果中继节点R_j接收失败，则反馈信号NACK，f_i,Rj＝1；

建立信道状态矩阵：

基于所述信道状态矩阵计算各链路的丢包率：

其中，P_SD表示源节点S到目的节点D链路的丢包率，P_SRj表示源节点S到中继节点R_j链路的丢包率；

所述步骤S3具体为：

(1)把K组原始数据包在(1,k)内依照度的分布Ω，随机选取整数d_i，设为编码分组的度；

(2)在分组中不再是随机抽取d_i个数据包，而是根据信道状态和节点接收情况建立权重选择向量W；每个编码包的权重选择计算公式：

再根据权重选择向量w_i选择d_i个数据包，作为编码数据包的邻居；

所述步骤S4具体为：

比较P_SRj、P_SD，若P_SRj<P_SD,则中继节点Rj进入候选集合；候选的中继节点集合表示为：

其中，Z表示候选中继集合，P_SRj与P_SD分别表示源节点S到中继节点R_j和目的节点D的丢包率；

所述最佳中继节点为增益最大的链路：

max函数的求解步骤：第一步分别求出j不同值时，对f_i,Rj，f_i,D从i为1到K异或求和；第二步求出和值最大时j的值。

2.根据权利要求1所述的协作通信方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：把K组原始数据包在(1,k)内依照度的分布Ω，随机选取整数d_i，设为编码分组的度；在分组中随机抽取d_i个数据包，作为编码数据包的邻居。

3.根据权利要求2所述的协作通信方法，其特征在于，所述度的分布Ω为：

Ω(x)＝0.008x+0.493x²+0.166x³+0.073x⁴+0.083x⁵+0.056⁸+0.037⁹+0.056¹⁹+0.025x⁶⁵+0.003⁶⁶

其中，x表示的是输入符号，x的指数表示输出符号的度，相应的系数表示选择该度的概率。

4.根据权利要求1所述的协作通信方法，其特征在于，还包括步骤：

目的节点同时接收从源节点发送的数据包和中继节点发送的数据包，按比例相加译码。

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