CN112532293A - 一种适用于多个中继节点的双向无线中继传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种适用于多个中继节点的双向无线中继传输方法。本发明的方法主要是提出了一种新颖的基于解码转发(Decode‑and‑Forward，DF)和网络编码(Network Coding，NC)技术的适用于双向无线中继网络传输方案。本发明的优点是可以达到基于解码转发(Decode‑and‑Forward，DF)技术下的最大频谱效率，并且提出了一种无重传的错误控制方案以避免基于网络编码(Network Coding，NC)技术所带来的错误扩散问题，从获得优于现存方案的有效传输吞吐量。

Description

一种适用于多个中继节点的双向无线中继传输方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种适用于多个中继节点的双向无线中继传输方法。

背景技术

为了在节点发射功率有限的限制条件下实现对等的无线传输和交互彼此感兴趣的数据信息，两个距离较远或者经历了严重信道衰落的无线终端节点可以借助多个中继节点的顺序数据转发来完成双向通信。此时，两个终端节点与所有中继节点的结合就构成了一个双向无线中继传输网络。

现有的放大转发(Amplify-and-Forward，AF)和解码转发(Decode-and-Forward，DF)等中继技术均可以被应用于双向无线中继传输网络的每个中继节点。另一方面，基于模拟网络编码(Analog network coding，ANC)或者数字网络编码(Digital network coding，DNC)的双向无线中继传输技术能获得比基于传统存储-转发模式的双向中继传输机制更优的整体传输吞吐量。

由于AF方式可能会导致单次信道误码所产生的传输错误扩散到整个双向无线中继网络，而ANC技术也要求每个网络节点能够精确地执行自信息消除和准确地估计无线信道状态信息，因此基于AF和ANC的双向无线中继技术的实际传输性能很难达到理论上的最优效果。而与前者相比，基于DF和DNC的双向无线中继传输技术则具备更高的实用价值。

对于一个n中继双向无线传输网络来说，其中n可以为任意不小于3的整数，在现有技术中，“S.J.Kim,N.Devroye,and V.Tarokh,“A class of Bi-directional multi-relayprotocols,”Proc.IEEE International Symposium on Information Theory,Seoul,Korea,2009”中公开了一种能支持两个终端节点在每n+2个时隙内交互一对数据包的基于DF和DNC的双向中继传输技术。这一技术的主要缺点在于双向传输吞吐量与网络中继节点数呈反比关系，从而导致其不适用于中继节点数较大的双向无线中继网络。为弥补这一缺陷，“Q.You,Z.Chen,and Y.Li,“A Multihop Transmission Scheme With Detect-and-Forward Protocol and Network Coding in Two-Way Relay Fading Channels,”IEEETransactions on Vehicular Technology,Vol.61,No.1,pp.433-438,2012”提出为中继节点个数至少为5的双向无线中继传输网络设计了一种能支持两个终端节点在每5个时隙内交互一对数据包的基于DF和DNC的双向中继传输技术。而“Q.Huo,L.Song,Y.Li,andB.Jiao,“Novel Multihop Transmission Schemes Using Selective Network Codingand Differential Modulation for Two-Way Relay Networks,”IEEE InternationalConference on Communications,pp.5924–5928,2013”和申请号为“201910191513.8”的中国专利所提出的基于DF和DNC的双向中继传输技术则将两个终端节点交互一对数据包所需的时间间隔分别缩短到4和3个时隙。特别地，申请号为“201910191513.8”的中国专利中所提出的传输技术能实现基于DF和DNC的单中继双向无线传输技术(即“P.Popovski andH.Yomo,“Bi-directional amplification of throughput in a wireless multi-hopnetwork,”Proc.IEEE VTC Spring 2006,Melborne,Australia,pp.588-593,2006”中所公开的)的最优平均传输吞吐量，即0.667个分组/时隙。

然而，“Q.Huo,L.Song,Y.Li,and B.Jiao,“Novel Multihop TransmissionSchemes Using Selective Network Coding and Differential Modulation for Two-Way Relay Networks,”IEEE International Conference on Communications,pp.5924–5928,2013”和申请号为“201910191513.8”的中国专利所提的传输技术均基于类似于自动重传请求(Automatic Repeat-reQuest，ARQ)方式来发现和纠正双向中继传输中可能出现的传输错误，以避免单个数据包的传输错误被扩散到双向中继传输网络的两个端节点，并导致这两个端节点无法正确接收和解码出后续数据包。这一纠错方式可能会导致每个发送节点反复多次的重传同一个错误数据包，并且存在错误数据包由于多次重传失败而不能被最终纠正的可能性，从而导致双向无线中继传输网络在非理想信道条件下所获得的有效传输吞吐量远低于0.667个分组/时隙，以及无法完全解决传输错误扩散问题。因此，如何设计无需数据包重传就能有效避免传输错误扩散并尽可能提升有效传输吞吐量的基于DF和DNC的双向中继传输机制就成为一个亟待解决的问题。

发明内容

针对现有基于DF和DNC的双向无线中继传输技术所采用的差错控制机制存在着多次重传降低传输性能和可能无法纠正传输错误的缺陷，本发明基于DF和DNC技术提出了一种适用于任意n个中继节点数(其中n≥2)的双向无线中继传输方法。该方法既不需要每个网络节点重传错误数据包以防止传输错误扩散的，以避免每个端节点因接收到单个错误数据包而影响其后续数据包的解码正确性。同时，该方法仍然能支持两个终端节点在每3个连续时隙内交互一对数据包，从而实现0.667个分组/时隙的最优理论传输吞吐量。

本发明的技术方案为：

对于一个如图1所示的n中继双向无线传输网络，本发明设计了如下基于DF和DNC技术的双向无线中继传输方法：

第一步：将2个终端节点分别编号为0和n+1以及将n个中继节点分别编号为1,2,3,…,n，使得，对于任意整数k∈[0,n]来说，节点k和k+1均互为双向中继传输网络的邻居节点。

第二步：为双向中继传输网络的每个节点i∈[0,n+1]配置一个分组缓存区(Packet buffer，PB)，使得每个端节点，即节点0或者n+1，会利用该缓存区暂存该节点从邻居节点成功接收到的单个数据包，而每个节点j∈[1,n]会利用该缓存区暂存它执行异或操作所生成的待发送数据包。同时，为该网络的节点0(或者n+1)配置一个发送缓存区(Transmission buffer，TB)，以负责暂存由节点0(或者n+1)所生成的所有待发送数据包。其中，在双向中继传输开始之前每个节点需要将其PB初始化为数据包

即一个具备固定长度的全0比特分组。

第三步：从时隙0开始，双向中继传输网络的每个节点需要按照如下规则对节点0和n+1所发送的数据包进行中继传输：

(3.1)每个节点i∈[0,n+1]只能在时隙(i modulo 3)，3+(i modulo 3)，6+(imodulo 3)，…，3k+(i modulo 3)，…内发送其数据包，而在其余时隙内接收邻居节点发送的数据包。其中k为任意非负整数。

(3.2)当一个节点j∈[1,n]获得传输机会时，如果在其PB中缓存的数据包是

那么它会保持沉默；否则，它将发送其PB中缓存的数据包。特别地，在节点1或节点n发送其数据包之后，它需要立即将其PB更新为数据包

(3.3)当一个节点j∈[1,n]接收到邻居节点发送的数据包时，它需要首先将该数据包与其PB中缓存的数据包进行异或，然后用该异或结果更新其PB。

(3.4)当节点0或者节点n+1获得传输机会时，它需要首先发送其TB中缓存的第一个数据包，然后将其TB中缓存的第一个数据包和其PB中缓存的数据包进行异或，之后用该异或结果更新其PB，最后将其TB中缓存的第一数据包从其TB中弹出。

(3.5)当节点0或者节点n+1接收到邻居节点发送的数据包时，它将顺序执行以下两个操作：

(3.5.1)将接收到的数据包与其PB中缓存的数据包进行异或。如果该异或结果不为

那么需要将该异或结果递交给上层协议进行进一步处理。

(3.5.2)用接收到的数据包更新其PB。

本发明的有益效果主要体现在如下两个方面：一方面，本发明的方法能够保证双向无线中继网络在非理想信道条件下出现的任意单次传输错误只会造成每个端节点接收到唯一一个错误数据包，从而有效确保了该节点对后续数据包的正确解码和接收。另一方面，对于任意n中继双向中继传输网络，其中n≥2，本发明的方法仍然能确保两个端节点能在每3个时隙内交互一对数据包，从而实现了基于DF和DNC的双向中继传输机制的最优理论传输吞吐量，即0.667个分组/时隙，并且能在非理想信道条件下获得优于现有同类型双向中继传输技术的有效传输吞吐量。

附图说明

图1为本发明的由2个终端节点和n个中继节点所组成的n中继双向无线传输网络的示意图；

图2为网络中利用本发明的双向中继传输方法进行传输的前11个时隙的运行示意图；

图3为一个4中继双向无线传输网络基于传统方法和本发明方法有效传输吞吐量随仿真时隙数变化的对比图；该图是在每对相邻网络节点之间的无线信道信噪比均为45dB时基于50次随机信道参数的仿真结果取平均所得到的；

图4为一个4中继双向无线传输网络基于传统方法和本发明方法有效传输吞吐量随仿真时隙数变化的对比图；该图是在每对相邻网络节点之间的无线信道信噪比均为100dB时基于50次随机信道参数的仿真结果取平均所得到的。

具体实施方式

下面结合附图和仿真示例对本发明进行详细的描述，以证明本发明的实用性。

为了方便分析，假设两个端节点(即节点0和n+1)发送的数据包长度均固定为8472bit，而任意两个相邻节点之间的无线信道传输速率固定为11Mbit/s。

图1为本发明所考虑的由2个终端节点和n个中继节点所组成的双向中继传输网络示意图。特别地，当n＝3时，图1所示的双向中继传输网络即为如图2所示的3中继双向无线传输网络。图2中，示出了3中继双向无线传输网络在前11个时隙，即时隙0,1,…,10，并给出了一种可能的单个传输错误在全网范围内扩散的过程示例。其中，每个网络节点，无论是端节点还是中继节点，均配置了一个数据缓存区(PB)，而每个终端节点，即节点0或者n+1，均配置一个发送缓存区(TB)。在每个时隙的开始，每个中继节点的PB缓存内容被显示在该节点上方的单个方框内，而每个终端节点的TB和PB缓存内容则被分别显示在该节点上方的左侧和右侧方框内。图中的每个符号0均代表一个数据包

即一个具备固定长度的全0比特分组，而每个数据包附近的符号√或者×分别代表该数据包内容是正确或者错误的。

本发明所设计的基于数字网络编码技术的双向中继传输算法包含如下步骤：

第一步：将2个终端节点分别编号为0和4以及将3个中继节点分别编号为1,2和3，使得，对于任意整数i∈[0,3]来说，节点i和i+1均互为双向中继传输网络的邻居节点。

第二步：为双向中继传输网络的每个节点i∈[0,4]配置一个分组缓存区(Packetbuffer，PB)，使得每个端节点，即节点0或者4，会利用该缓存区暂存该节点从邻居节点成功接收到的单个数据包，而每个节点j∈[1,3]会利用该缓存区暂存它执行异或操作所生成的待发送数据包。同时，为该网络的节点0(或者4)配置一个发送缓存区(Transmissionbuffer，TB)，以负责暂存由节点0(或者4)所生成的所有待发送数据包。其中，在双向中继传输开始之前每个节点需要将其PB初始化为数据包

即一个具备固定长度的全0比特分组。

第三步：从时隙0开始，3中继双向传输网络的每个节点需要按照如下规则对节点0和n+1所发送的数据包进行中继传输：

(3.1)每个节点i∈[0,4]只能在时隙(i modulo 3)，3+(i modulo 3)，6+(imodulo 3)，…，3k+(imodulo 3)，…内发送其数据包，而在其余时隙内接收邻居节点发送的数据包。其中k为任意非负整数。

例如，节点0只能在时隙0,3,6,…内分别发送其生成的数据包x₁,x₂,x₃,…，节点4只能在时隙1,4,7,…内分别发送其生成的数据包y₁,y₂,y₃,…，而节点3也只能在时隙3,6,9,…内发送其PB内缓存的数据包。

(3.2)当一个节点j∈[1,3]获得传输机会时，如果在其PB中缓存的数据包是

那么它会保持沉默；否则，它将发送其PB中缓存的数据包。特别地，在节点1或节点n发送其数据包之后，它需要立即将其PB更新为数据包

例如，当节点3在时隙0内获得传输机会时，由于其PB中缓存的数据包是

因此它在该时隙保持了沉默。而当节点3在时隙3内获得传输机会时，它将其PB中缓存的数据包

进行了发送。此外，在时隙1,4,7,…内传输数据包之后，节点1立即用数据包

更新其PB。类似地，在时隙3,6,9,…内传输数据包之后，节点3立即用数据包

更新其PB。相反地，在时隙2,5,8,…内传输数据包之后，节点2的PB缓存内容保持不变。

(3.3)当一个节点j∈[1,3]接收到邻居节点发送的数据包时，它需要首先将该数据包与其PB中缓存的数据包进行异或，然后用该异或结果更新其PB。

例如，在时隙2或者4内分别接收到节点2或者4发送的数据包x₁或者y₂时，节点3需要首先将该数据包与其PB中缓存的数据包，即y₁或者

进行异或，然后用异或结果，即

或者y₂，更新其PB。

(3.4)当节点0或者节点n+1获得传输机会时，它需要首先发送其TB中缓存的第一个数据包，然后将其TB中缓存的第一个数据包和其PB中缓存的数据包进行异或，之后用该异或结果更新其PB，最后将其TB中缓存的第一数据包从其TB中弹出。

例如，在时隙0,3或者6内分别获得传输机会时，节点0会首先发送其TB中缓存的第一个数据包，即x₁,x₂或者x₃，然后将其TB中缓存的第一个数据包和其PB中缓存的数据包，即

或者

进行异或操作，之后用该异或结果，即x₁,

或者

更新其PB，最后将其TB中缓存的第一个数据包，即x₁,x₂或者x₃，从其TB中弹出，使得其TB中缓存的第一个数据包变为x₂,x₃或者x₄。

(3.5)当节点0或者节点n+1接收到邻居节点发送的数据包时，它将顺序执行以下两个操作：

(3.5.1)将接收到的数据包与其PB中缓存的数据包进行异或。如果该异或结果不为

那么需要将该异或结果递交给上层协议进行进一步处理。

例如，在时隙1,4或者7内分别从节点1接收到数据包x₁、

或者

之后，节点0会首先将接收到的数据包分别与其PB中缓存的数据包x₁、

或者

进行异或操作，并分别生成异或结果

或者y₁。在时隙1或者4结束时，由于该异或结果为

因此节点0不会将相应的异或结果递交给上层协议。与此相反，在时隙7结束时，由于该异或结果不为

因此节点0会将相应的异或结果y₁递交给上层协议。

(3.5.2)用接收到的数据包更新其PB。

例如，在时隙1,4或者7内分别从节点1接收到数据包x₁、

或者

之后，节点0会将其PB分别更新为接收到的数据包，即x₁、

或者

由图2可知，当节点2在时隙2内向节点3传输的数据包x₁出错而其余所有数据包传输均为正确时，该错误会导致节点0在时隙7接收并解码出一个错误的数据包y₁，并将节点0的PB更新为一个错误的数据包

由于数据包y₁和

的错误比特处于相同的位置，因此，对于节点0的PB在时隙10开始时缓存的数据包

来说，其错误比特所处的位置仍然与数据包y₁的错误比特相同。这就使得，在时隙10内接收到一个错误比特位置相同的数据包

之后，节点0可以基于规则(3.5.1)解码出一个正确的数据包y₂。以此类推，节点0后续在时隙13,16,…内分别接收并解码出的数据包y₃,y₄,…也都是正确的。

另一方面，当节点2在时隙2内向节点3传输的数据包x₁出错而其余所有数据包传输均为正确时，该错误也会导致节点4在时隙3接收并解码出一个错误的数据包x₁。基于类似的原因，节点4后续在时隙6,9,…内分别接收并解码出数据包x₂,x₃,…也都是正确的。

显然，随着双向中继传输时隙的增加，由于两个终端节点发送或接收的数据包越来越多，因此生成其PB所缓存数据包的异或操作就越来越复杂。然而，由于该异或操作始终会生成单个固定比特长度的数据包，因此该操作并不会使得每个终端节点的实现变得更为复杂，并且终端节点也无需识别此异或操作中涉及的任何数据包。

图3展示了，在无线信道质量较差(信噪比＝45dB)时，一个4中继双向无线传输网络基于“Q.You,Z.Chen,and Y.Li,“A Multihop Transmission Scheme With Detect-and-Forward Protocol and Network Coding in Two-Way Relay Fading Channels,”IEEETransactions on Vehicular Technology,Vol.61,No.1,pp.433-438,2012”(简称M-DF-NC)、“Q.Huo,L.Song,Y.Li,and B.Jiao,“Novel Multihop Transmission Schemes UsingSelective Network Coding and Differential Modulation for Two-Way RelayNetworks,”IEEE International Conference on Communications,pp.5924–5928,2013”(简称SNC-DM)、申请号为“201910191513.8”的中国专利(简称DF-NC-ARQ)和本发明所提的双向中继传输方法的网络有效传输吞吐量随仿真时隙数变化的对比图。很明显，随着双向中继传输时隙数的不断增长，上述四种方案的网络有效传输吞吐量都逐渐趋于稳定，且本发明所提方法的网络有效传输吞吐量也明显高于其余三种双向中继传输方法。这说明本发明所提的双向中继传输方法能在非理想信道条件下有效控制双向中继传输网络中可能出现的传输错误扩散问题，从而获得优于现有同类型双向中继传输方法的正确数据包传输性能。

图4则展示了，在无线信道质量较好(信噪比＝100dB)时，一个4中继双向无线传输网络基于M-DF-NC、SNC-DM、DF-NC-ARQ和本发明所提的双向中继传输方法的网络有效传输吞吐量随仿真时隙数变化的对比图。很明显，随着双向中继传输时隙数的不断增长，上述四种方案的网络有效传输吞吐量都逐渐趋于稳定，且本发明和DF-NC-ARQ所提方法均能实现逼近最优网络传输吞吐量(即0.667个分组/时隙)，而其余两种双向中继传输方法的有效传输吞吐量则离最优吞吐量相差较大。

Claims (1)

1.一种适用于多个中继节点的双向无线中继传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将2个终端节点分别编号为0和n+1，将其他n个中继节点分别编号为1,2,3,…,n，对于任意整数k∈[0,n]来说，节点k和k+1均互为双向中继传输网络的邻居节点；

S2、为双向中继传输网络的每个节点i∈[0,n+1]配置一个缓存区，对于终端节点，利用缓存区暂存该节点从邻居节点成功接收到的单个数据包；对于非终端节点，利用缓存区暂存执行异或操作所生成的待发送数据包；

为终端节点配置发送缓存区，用于暂存终端节点所生成的所有待发送数据包；

S3、从时隙0开始，双向中继传输网络的每个节点按照如下规则对节点0和节点n+1所发送的数据包进行中继传输：

1)每个节点i∈[0,n+1]只能在时隙(i modulo 3)，3+(i modulo 3)，6+(i modulo3)，…，3k+(i modulo 3)，…内发送数据包，而在其余时隙内接收邻居节点发送的数据包，其中k为任意非负整数；

2)当一个节点j∈[1,n]获得传输机会时，如果在节点j的缓存区中缓存的数据包是

那么节点j保持沉默；否则，节点j将发送其缓存区中缓存的数据包；终端节点在发送数据包之后，将缓存区中缓存的数据包更新为数据包

数据包

是指一个具备固定长度的全0比特分组；

3)当一个节点j∈[1,n]接收到邻居节点发送的数据包时，节点j将接收到的数据包与自身缓存区中缓存的数据包进行异或，然后根据异或结果更新缓存区；

4)当终端节点获得传输机会时，先发送发送缓存区中缓存的第一个数据包，然后将发送缓存区中缓存的第一个数据包和缓存区中缓存的数据包进行异或，根据异或结果更新缓存区，再将发送缓存区中缓存的第一个数据包弹出；

5)当终端节点接收到邻居节点发送的数据包时，将顺序执行：

5.1)将接收到的数据包与缓存区中缓存的数据包进行异或，如果异或结果不为

将异或结果递交给上层协议进行进一步处理；

5.2)用接收到的数据包更新缓存区。

Images