CN114448564B - 一种物理层网络编码感知路由的二次编码设计方法 - Google Patents

一种物理层网络编码感知路由的二次编码设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种物理层网络编码感知路由的二次编码设计方法，通过以下方法或者步骤完成：步骤一：抗多流干扰步骤：判断编码感知路由节点和目的节点间的相对空间距离是否小于该节点的最大传输距离；若是，则无需添加中继节点，反之，则需要在该节点和目的节点间添加新中继节点；步骤二：系统编码步骤：将源节点信息分别使用低密度奇偶校验(LDPC)编码，通过天线发送到自由空间，中间节点和目的节点分别接收消息并解码；步骤三：性能指标设计方法：在物理层通过系统误码率定义编码感知路由的预期传输次数，本发明通过判断节点间的相对距离来优化算法，并定义了物理层上的预期传输次数(ETX)，将ETX指标的适用范围扩大，采用LDPC编码算法，降低系统的误码率，从而降低了系统预期传输次数的次数，可用于编码感知路由传输次数的改善。

Description

一种物理层网络编码感知路由的二次编码设计方法
技术领域
本发明属于数字通信技术领域，尤其涉及一种物理层网络编码感知路由的二次编码设计方法。
背景技术
网络中间节点以存储-转发的方式实现信息的多跳交付，网络编码(networkcoding)的提出，改变了传统的网络传输观念，在存储-转发的基础上，中间节点还可以对信息进行编码，并在网络中传输编码后的信息，大量的研究表明，网络编码是可以改善网络吞吐量、可靠性以及时延性能的有效途径，按照编码的形式不同，网络编码可以分为流内网络编码(intra-session network coding)和流间网络编码(intra-session networkcoding)：流内网络编码将单个数据流的多个分组编码在一起传输，以改善传输效率；流间网络编码则用于优化多个数据流并发时的网络吞吐量等性能。
1、单跳编码结构
单跳编码结构(single-hop coding structure，简称SCS)是最基本、最简单的编码结构，要求编码分组在下一跳被立即解码。单跳编码结构分为不使用机会侦听(single-hop coding structure without listening，SCS-O)和使用机会侦听(single-hop codingstructure with listening，SCS-W)两种情况。
经典的SCS-O模型，两条数据流方向相反经过3个共同节点，由于每个数据流的关于中间节点的下一跳节点同时又是另一个流的关于中间节点的上一跳节点。这种编码方式只允许两个数据流参与。ROCX，IROCX，MMR，CAMP和RCR等编码感知路由协议中都使用SCS-O构造编码机会。在SCS-O情况下，中间节点根据缓存数据包的上下游节点信息即可判断编码机会是否存在,其实现相对简单。
2、LDPC编译码
将1×L的信息码字向量u＝(u1,u2,…,uL)，其中，L为实数。将信息码字向量u与LDPC码的生成矩阵G模二乘，得到编码信息，其中G为L×2L的矩阵，G矩阵通过生成多项式g(x)生成。LDPC编译码具体见“GALLAGER R.Low-density parity-check codes[J].IRETransactions on Information Theory,1962,1(8):21-28”。
3、调制方法
源节点LDPC编码得到码字，经过幅度，频率，相位等变换，来完成调制。二进制相位键控(BPSK)调制通过以下方法实现：si＝1-2xi，i为实数，范围为1—2L，2L表示码字长度，si是xi对应BPSK调制符号，si∈{-1,1}。
针对上述技术问题，故需要进行改进。
发明内容
针对现有技术方法的缺点，本发明提供了一种物理层网络编码感知路由二次编码设计方法。相比于传统的编码感知路由算法，本发明降低了物理层上系统的误码率，减少了预期传输次数，提高了吞吐量，并在物理层重新定义预期传输次数，将此性能指标的适用范围扩大。
为了达到以上目的，本发明所采用的技术方案是：一种物理层网络编码感知路由的二次编码设计方法，按以下方法或者步骤完成：
步骤1.1，执行抗多流干扰步骤：按以下子步骤完成：
步骤1.1.1，判断节点和目的节点间的相对空间距离l是否小于该节点传播信息的最大传播距离d；若是，则无需添加中继节点，反之，则在该节点和目的节点间添加新的中继节点进行接收，并转到下一个步骤1.2；
其中，l是节点和目的节点间的距离，是实数，d是节点传播信息的最大传播距离，是实数；
步骤1.2，按照源节点编码步骤，执行计算：将源节点S1、S2的信息P1、P2使用LDPC编码方法，将编码信息通过BPSK调制后，然后通过发射天线，将其在自由空间广播到所有中间节点C、目的节点D3和目的节点D4，按以下子步骤完成：
步骤1.2.1，将源节点S1、S2的信息P1、P2使用LDPC编码方法编码如下：
x1＝P1*G1 (2)
x2＝P2*G2 (3)
其中：x1，x2分别是1×2n的矩阵，n＝1,2,3,…；P1、P2是源节点S1、S2的初始信号，P1、P2是1×n的矩阵，n＝1,2,3,…；G1、G2为LDPC-1，LDPC-2的生成矩阵，G1、G2是n×2n的矩阵，n＝1,2,3,…，G1、G2是由不同生成多项式生成的矩阵；
步骤1.2.2，将步骤1.2.1编码后的信息x1、x2通过BPSK调制后，通过天线发送到自由空间如下：
其中，y1,c，y2,c，y1,3，y2,4分别是源节点S1发送到中间节点C的信息、源节点S2发送到中间节点C的信息、源节点S1被目的节点D3接收到的信息、源节点S2被节点D4接收到的信息，是1×2n的矩阵，n＝1,2,3,…；p1，p2分别是源节点S1、源节点S2的发送功率，是实数；n1c，n2c，n13，n24分别是源节点S1-中间节点C、源节点S2-中间节点C、源节点S1-目的节点D3、源节点S2-目的节点D4的服从均值为0，方差为N0的复高斯随机分布的高斯信道白噪声AWGN，是1×2n的矩阵，n＝1,2,3,…；h1c、h2c、h13、h24分别是源节点S1-中间节点C、源节点S2-中间节点C、源节点S1-目的节点D3、源节点S2-目的节点D4的信道系数，是实数；
步骤1.3，将步骤1.2所得的源节点编码信息作为输入参数，按照中间节点编译码方法，执行计算：中间节点C接收源节点S1、S2编码后的信息并解码，中间节点C解码后的信息采用网络编码，编成中间节点信息并使用LDPC编码方法，将编码信息通过BPSK调制后，然后通过发射天线，将其在自由空间广播到目的节点D3和目的节点D4；
步骤1.4，将步骤1.3通过中间节点编译码所得编码信息作为输入，按照目的节点译码方法，执行计算：目的节点D3将接收到的源节点信息S1译码，目的节点D4将接收到的源节点信息S2译码；再将中间节点C发送的信息译码，最后，将译码得到的信息异或处理，得到最后的目标信息；
步骤1.5，按照性能指标设计方法，执行计算：在物理层通过系统误码率定义编码感知路由的预期传输次数，得到的物理层预期传输次数，即为本方法最后的结果。
作为本发明的一种优选方案，中间点编译码方法，采用以下步骤完成：
步骤2.1，将中间节点C的接收到的源节点S1、S2编码后的信息并解码；按以下子步骤完成：
步骤2.1.1，将中间节点C接收到的信息进行LDPC解码如下：
其中，是源节点S1、S2解码后的信息，1×n的矩阵，n＝1,2,3,…；y1c、y2c为源节点S1、源节点S2发送到中间节点C信息，是1×2n的矩阵，n＝1,2,3,…；H1、H2为LDPC-1，LDPC-2的校验矩阵，是2n×1的矩阵，n＝1,2,3,…，是由不同的校验多项式生成的校验矩阵；
步骤2.2，中间节点C解码后的信息采用网络编码，编成中间节点信息，按以下子步骤完成：
步骤2.2.1，将中间节点C解码的信息采用网络编码如下：
其中，xc，分别是中间节点C解码的信息异或的信息、源节点S1、S2解码后的信息，是1×n的矩阵，n＝1,2,3,…；/>表示为异或操作；
步骤2.3，将采用网络编码后的信息使用LDPC编码方法编码，通过无线发送到自由空间；按以下子步骤完成：
步骤2.3.1，将中间节点C编码后的信息采用LDPC-3编码如下：
yc＝xc×G3 (11)
其中，yc是中间节点C编码后的信息，是1×2n的矩阵，n＝1,2,3,…；xc是中间节点C解码的信息异或后的信息，是1×n的矩阵，n＝1,2,3,…；G3为LDPC-3编码的生成矩阵，是1×2n的矩阵，n＝1,2,3,…；
步骤2.3.2，将步骤2.3.1的编码信息通过天线发送至自由空间如下：
其中，yc,3，yc,4分别是中间节点C发送到目的节点D3、目的节点D4的信息，是1×2n的矩阵，n＝1,2,3,…；pc为中间节点C的发送功率，是实数；hc3、hc4分别是中间节点C-目的节点D3、中间节点C-目的节点D4的系数，是实数；nc是中间节点C、目的节点D3和目的节点D4信道中服从均值为0，方差为N0的高斯随机分布的高斯信道白噪声AWGN，是1×2n的矩阵，n＝1,2,3,…。
作为本发明的一种优选方案，目的节点译码方法，采用以下步骤完成：
步骤3.1，目的节点D3将接收到的源节点信息S1译码，目的节点D4将接收到的源节点信息S2译码；再将中间节点C发送的信息译码；按以下子步骤完成：
步骤3.1.1：目的节点D3、D4将接收到的信息进行LDPC译码方法译码如下：
x1,3＝y1,3×H1 T (14)
x2,4＝y2,4×H2 T (15)
其中，x1,3，x2,4是目的节点D3、目的节点D4将接收到的源节点S1、源节点S2发送的信息译码后的译码信息，是1×n的矩阵，n＝1,2,3,…；y1,3，y2,4分别是源节点S1被目的节点D3接收到的信息、源节点S2被目的节点D4接收到的信息，是1×2n的矩阵，n＝1,2,3,…；H1、H2为LDPC-1，LDPC-2的校验矩阵，是2n×n的矩阵，n＝1,2,3,…，是由不同的校验多项式生成的校验矩阵；
步骤3.1.2，目的节点D3、D4将接收到的信息进行LDPC译码方法译码如下：
xc,3＝yc,3×H3 T (16)
xc,4＝yc,4×H3 T (17)
其中，xc,3，xc,4是目的节点D3、目的节点D4将接收到中间节点C发送的信息译码后的译码信息，是1×n的矩阵，n＝1,2,3,…；yc,3，yc,4分别是中间节点C发送到目的节点D3、目的节点D4的信息，是1×2n的矩阵，n＝1,2,3,…；H3为LDPC-3的校验矩阵，是2n×1的矩阵，n＝1,2,3,…，是由不同的校验多项式生成的校验矩阵；
步骤3.2，目的节点将译码所得的信息异或得到该节点接受到的信息如下：
其中，x2,3，x1,4分别是目的节点D3、目的节点D4需要接收的到源节点S1、源节点S2发送的信息，是1×n的矩阵，n＝1,2,3,…；xc,3，xc,4是目的节点D3、目的节点D4将接收到中间节点C发送的信息译码后的译码信息，是1×n的矩阵，n＝1,2,3,…；x1,3，x2,4是目的节点D3、目的节点D4将接收到源节点S1、源节点S2发送的信息译码后的译码信息，是1×n的矩阵，n＝1,2,3,…。
作为本发明的一种优选方案，性能指标设计方法，
步骤4.1，信号采用BPSK调制需要在接收部分进行解调后信号的平均BER如下：
其中，Pb是解调后信号的平均误码率，是实数；A是信号的幅度，是实数；Tb是BPSK发送信号的时间，是实数；N0是方差为N0的高斯随机分布的高斯信道白噪声AWGN，是个实数；Eb是平均比特能量，是个实数；erfc()是互补的误差函数，其表达式为：其中，x是自变量，e为数学中一个常数，是个无限不循环小数；η为被积函数的自变量；
步骤4.2，采用LDPC编码后物理层传输信息的理论平均误码率如下：
Pe＝p0-P[Right|Error]+P[Error|Right] (21)
其中，Pe是采用LDPC编码后物理层传输信息的理论平均误码率，是实数；p0是信息接收错误的概率，是实数；P[Right|Error]是纠正错误的概率,是实数；P[Error|Right]是误判概率，是实数；
步骤4.3，物理层信息传输的误码率定义为物理层信息传输中信息交换成功的概率如下：
其中，rij是从节点i到j的信息传输的双向成功概率，是实数；Pe是采用LDPC编码后物理层传输信息的理论平均误码率，是实数；
步骤4.4，在无网络编码的物理层传输数据组的情况下的预期传输次数ETX如下：
其中，是发送节点在不使用网络编码的情况下需要在路由Ri中的第α条上传输的数据包数量为l，是实数；rij是从节点i到j的信息传输的双向成功概率，是实数；Ri是第i个路由，i＝1,2,3,…，i是实数，hop(Ri)是网络中存在节点i的路由数量，是实数，α＝0,1,2,…n；ETX是预期传输次数，是实数；
步骤4.5，使用网络编码传输数据包的预期传输次数如下：
其中，Niα(1≤α≤m)是路由Ri的编码节点，是个实数；m是编码节点的数量，是实数；ωNiα是没有网络编码的路由Ri中编码节点Niα要传输的数据包数，是实数；是编码节点Niα允许一起编码的不同数据包的数量，是实数；rij是从节点i到j的信息传输的双向成功概率，是实数；Ri是第i个路由，i＝1,2,3,…，i是实数；hop(Ri)是网络中存在节点i的路由数量，是实数，α＝0,1,2,…n；ETX是预期传输次数，是实数。
当接收到步骤1.2和步骤2.1所述的两个阶段的信息目的节点执行解调方法解码得到目的序列，最后通过物理层预期传输次数，得到新的预期传输次数，即为本方法最后的结果。
本发明的有益效果是：本发明公开了在编码感知路由中，涉及到的一种基于编码感知路由的解决多流干扰方法，并联合LDPC信道编码方法，实现了一种物理层网络编码感知路由二次编码设计方法。根据编码感知路由特性在物理层中传递的信息采用LDPC编码方法，并在最后定义了编码感知路由中预期传输次数，本方法，将极大的降低了系统的误码率，并降低了系统的预期传输次数，通过系统误码率定义了物理层中预期传输次数，扩大了该性能指标的适用范围。
附图说明
图1为本发明一种物理层网络编码感知路由二次编码设计方法流程图；
图2为本发明SCS-O五节点原理图；
图3为本发明抗多流干扰算法原理图；
图4为本发明解决多流干扰算法节点拓扑图；
图5为本发明物理层网络中编码感知路由二次编码的流程图；
图6为本发明不同信噪比下不同编码感知路由模型的误码率曲图；
图7为本发明不同信噪比下不同编码感知路由模型的预期传输次数曲线图。
具体实施方式
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。
本发明是一种物理层网络编码感知路由二次编码设计方法，先对判断系统是否存在多流干扰，然后采用增加节点的方法解决多流干扰，然后将传输的信息采用LDPC编码从而降低系统的误码率，减小预期传输次数，从而提高系统的吞吐量。
实例一
本发明实施例的物理层网络中编码感知路由二次编码的设计方法，包括以下步骤：
步骤1.1，解决多流干扰步骤：按以下子步骤完成：
步骤1.1.1，判断节点和目的节点间的相对空间距离l是否小于该节点传播信息的最大传播距离d；若是，则无需添加中继节点，反之，则在该节点和目的节点间添加新的中继节点进行接收，并转到下一个步骤1.2。
其中，l是节点和目的节点间的距离，是实数，d是节点传播信息的最大传播距离，是实数。
步骤1.2，按照源节点编码步骤，执行计算：将源节点S1、S2的信息P1、P2使用LDPC编码方法，将编码信息通过BPSK调制后，然后通过发射天线，将其在自由空间广播到所有中间节点C、目的节点D3和目的节点D4，按以下子步骤完成：
步骤1.2.1，将源节点S1、S2的信息P1、P2使用LDPC编码方法编码如下：
x1＝P1*G1 (2)
x2＝P2*G2 (3)
其中：x1，x2分别是1×2n的矩阵，n＝1,2,3,…；P1、P2是源节点S1、S2的初始信号，P1、P2是1×n的矩阵，n＝1,2,3,…；G1、G2为LDPC-1，LDPC-2的生成矩阵，G1、G2是n×2n的矩阵，n＝1,2,3,…，G1、G2是由不同生成多项式生成的矩阵。
步骤1.2.2，将步骤1.2.1编码后的信息x1、x2通过BPSK调制后，通过天线发送到自由空间如下：
其中，y1,c，y2,c，y1,3，y2,4分别是源节点S1发送到中间节点C的信息、源节点S2发送到中间节点C的信息、源节点S1被目的节点D3接收到的信息、源节点S2被节点D4接收到的信息，是1×2n的矩阵，n＝1,2,3,…；p1，p2分别是源节点S1、源节点S2的发送功率，是实数；n1c，n2c，n13，n24分别是源节点S1-中间节点C、源节点S2-中间节点C、源节点S1-目的节点D3、源节点S2-目的节点D4的服从均值为0，方差为N0的复高斯随机分布的高斯信道白噪声AWGN，是1×2n的矩阵，n＝1,2,3,…；h1c、h2c、h13、h24分别是源节点S1-中间节点C、源节点S2-中间节点C、源节点S1-目的节点D3、源节点S2-目的节点D4的系数，是实数。
步骤1.3，将步骤1.2所得的源节点编码信息作为输入参数，按照中间节点编译码方法，执行计算：中间节点C接收源节点S1、S2编码后的信息并解码，中间节点C解码后的信息采用网络编码，编成中间节点信息并使用LDPC编码方法，将编码信息通过BPSK调制后，然后通过发射天线，将其在自由空间广播到目的节点D3和目的节点D4。
步骤1.4，将步骤1.3通过中间节点编译码所得编码信息作为输入，按照目的节点译码方法，执行计算：目的节点D3将接收到的源节点信息S1译码，目的节点D4将接收到的源节点信息S2译码；再将中间节点C发送的信息译码，最后，将译码得到的信息异或处理，得到最后的目标信息。
步骤1.5，按照性能指标设计方法计算：在物理层通过系统误码率定义编码感知路由的预期传输次数。
步骤2，将上述步骤1.3所述的中间点编译码方法，其特征在于，采用以下步骤完成：
步骤2.1，将中间节点C的接收到的源节点S1、S2编码后的信息并解码。按以下子步骤完成：
步骤2.1.1，将中间节点C接收到的信息进行LDPC解码如下：
其中，是源节点S1、S2解码后的信息，1×n的矩阵，n＝1,2,3,…；y1c、y2c为源节点S1、源节点S2发送到中间节点C信息，是1×2n的矩阵，n＝1,2,3,…；H1、H2为LDPC-1，LDPC-2的校验矩阵，是2n×1的矩阵，n＝1,2,3,…，是由不同的校验多项式生成的校验矩阵。
步骤2.2，中间节点C解码后的信息采用网络编码，编成中间节点信息，按以下子步骤完成：
步骤2.2.1，将中间节点C解码的信息采用网络编码如下：
其中，xc，分别是中间节点C解码的信息异或后的信息、源节点S1、S2解码后的信息，是1×n的矩阵，n＝1,2,3,…；/>表示为异或操作。
步骤2.3，将采用网络编码后的信息使用LDPC编码方法编码，通过无线发送到自由空间。按以下子步骤完成：
步骤2.3.1，将中间节点C编码后的信息采用LDPC-3编码如下：
yc＝xc×G3 (11)
其中，yc是中间节点C编码后的信息，是1×2n的矩阵，n＝1,2,3,…；xc是中间节点C解码的信息异或后的信息，是1×n的矩阵，n＝1,2,3,…；G3为LDPC-3编码的生成矩阵，是1×2n的矩阵，n＝1,2,3,…。
步骤2.3.2，将步骤2.3.1的编码信息通过天线发送至自由空间如下：
其中，yc,3，yc,4分别是中间节点C发送到目的节点D3、目的节点D4的信息，是1×2n的矩阵，n＝1,2,3,…；pc为中间节点C的发送功率，是实数；hc3、hc4分别是中间节点C-目的节点D3、中间节点C-目的节点D4的系数，是实数；nc是中间节点C、目的节点D3和目的节点D4信道中服从均值为0，方差为N0的高斯随机分布的高斯信道白噪声AWGN，是1×2n的矩阵，n＝1,2,3,…。
步骤3，将上述步骤1.4所述的目的节点译码方法，其特征在于，采用以下步骤完成：
步骤3.1，目的节点D3将接收到的源节点信息S1译码，目的节点D4将接收到的源节点信息S2译码；再将中间节点C发送的信息译码。按以下子步骤完成：
步骤3.1.1：目的节点D3、D4将接收到的信息进行LDPC译码方法译码如下：
x1,3＝y1,3×H1 T (14)
x2,4＝y2,4×H2 T (15)
其中，x1,3，x2,4是目的节点D3、目的节点D4将接收到的源节点S1、源节点S2发送的信息译码后的译码信息，是1×n的矩阵，n＝1,2,3,…；y1,3，y2,4分别是源节点S1被目的节点D3接收到的信息、源节点S2被目的节点D4接收到的信息，是1×2n的矩阵，n＝1,2,3,…；H1、H2为LDPC-1，LDPC-2的校验矩阵，是2n×n的矩阵，n＝1,2,3,…，是由不同的校验多项式生成的校验矩阵。
步骤3.1.2，目的节点D3、D4将接收到的信息进行LDPC译码方法译码如下：
xc,3＝yc,3×H3 T (16)
xc,4＝yc,4×H3 T (17)
其中，xc,3，xc,4是目的节点D3、目的节点D4将接收到中间节点C发送的信息译码后的译码信息，是1×n的矩阵，n＝1,2,3,…；yc,3，yc,4分别是中间节点C发送到目的节点D3、目的节点D4的信息，是1×2n的矩阵，n＝1,2,3,…；H3为LDPC-3的校验矩阵，是2n×1的矩阵，n＝1,2,3,…，是由不同的校验多项式生成的校验矩阵。
步骤3.2，目的节点将译码所得的信息异或得到该节点接受到的信息如下：
其中，x2,3，x1,4分别是目的节点D3、目的节点D4需要接收的到源节点S1、源节点S2发送的信息，是1×n的矩阵，n＝1,2,3,…；xc,3，xc,4是目的节点D3、目的节点D4将接收到中间节点C发送的信息译码后的译码信息，是1×n的矩阵，n＝1,2,3,…；x1,3，x2,4是目的节点D3、目的节点D4将接收到源节点S1、源节点S2发送的信息译码后的译码信息，是1×n的矩阵，n＝1,2,3,…。
步骤4，将上述步骤1.5所述的性能指标设计方法，其特征在于：
步骤4.1，信号采用BPSK调制需要在接收部分进行解调后信号的平均BER为：
其中，Pb是解调后信号的平均误码率，是实数；A是信号的幅度，是实数；Tb是BPSK发送信号的时间，是实数；N0是方差为N0的高斯随机分布的高斯信道白噪声AWGN，是个实数；Eb是平均比特能量，是个实数；erfc()是互补的误差函数，其表达式为：其中，x是自变量，e为数学中一个常数，是个无限不循环小数。η为被积函数的自变量。
步骤4.2，采用LDPC编码后物理层传输信息的理论平均误码率如下：
Pe＝p0-P[Right|Error]+P[Error|Right] (21)
其中，Pe是采用LDPC编码后物理层传输信息的理论平均误码率，是实数；p0是信息接收错误的概率，是实数；P[Right|Error]是纠正错误的概率,是实数；P[Error|Right]是误判概率，是实数。
步骤4.3，物理层信息传输的误码率定义为物理层信息传输中信息交换成功的概率如下：
其中，rij是从节点i到j的信息传输的双向成功概率，是实数；Pe是采用LDPC编码后物理层传输信息的理论平均误码率，是实数。
步骤4.4，在没有网络编码的物理层传输数据组的情况下的预期传输次数ETX如下：
其中，是发送节点在不使用网络编码的情况下需要在路由Ri中的第α条上传输的数据包数量为l，是实数；rij是从节点i到j的信息传输的双向成功概率，是实数；Ri是第i个路由，i＝1,2,3,…，i是实数，hop(Ri)是网络中存在节点i的路由数量，是实数，α＝0,1,2,…n；ETX是预期传输次数，是实数。
步骤4.5，使用网络编码传输数据包的预期传输次数如下：
其中，Niα(1≤α≤m)是路由Ri的编码节点，是个实数；m是编码节点的数量，是实数；是没有网络编码的路由Ri中编码节点Niα要传输的数据包数，是实数；/>是编码节点Niα允许一起编码的不同数据包的数量，是实数；rij是从节点i到j的信息传输的双向成功概率，是实数；Ri是第i个路由，i＝1,2,3,…，i是实数；hop(Ri)是网络中存在节点i的路由数量，是实数，α＝0,1,2,…n；ETX是预期传输次数，是实数。
本发明实例的一种物理层网络编码感知路由二次编码设计方法，通过判断节点间相对空间位置，自适应的分配节点，从而解决系统存在的多流干扰，并在系统中引入LDPC编码，从而改善系统的误码率，提高系统性能，并在物理层定义预期传输次数ETX，扩大了该指标的适用范围。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现；因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (3)

1.一种物理层网络编码感知路由的二次编码设计方法，其特征在于，按以下方法或者步骤完成：
步骤1.1，执行抗多流干扰步骤：按以下子步骤完成：
步骤1.1.1，判断节点和目的节点间的相对空间距离l是否小于该节点传播信息的最大传播距离d；若是，则无需添加中继节点，反之，则在该节点和目的节点间添加新的中继节点进行接收，并转到下一个步骤1.2；
其中，l是节点和目的节点间的距离，是实数，d是节点传播信息的最大传播距离，是实数；
步骤1.2，按照源节点编码步骤，执行计算：将源节点S1、S2的信息P1、P2使用LDPC编码方法，将编码信息通过BPSK调制后，然后通过发射天线，将其在自由空间广播到所有中间节点C、目的节点D3和目的节点D4，按以下子步骤完成：
步骤1.2.1，将源节点S1、S2的信息P1、P2使用LDPC编码方法编码如下：
x1＝P1*G1
x2＝P2*G2
其中：x1，x2分别是1×2n的矩阵，n＝1,2,3,…；P1、P2是源节点S1、S2的初始信号，P1、P2是1×n的矩阵，n＝1,2,3,…；G1、G2为LDPC-1，LDPC-2的生成矩阵，G1、G2是n×2n的矩阵，n＝1,2,3,…，G1、G2是由不同生成多项式生成的矩阵；
步骤1.2.2，将步骤1.2.1编码后的信息x1、x2通过BPSK调制后，通过天线发送到自由空间如下：
其中，y1,c，y2,c，y1,3，y2,4分别是源节点S1发送到中间节点C的信息、源节点S2发送到中间节点C的信息、源节点S1被目的节点D3接收到的信息、源节点S2被节点D4接收到的信息，是1×2n的矩阵，n＝1,2,3,…；p1，p2分别是源节点S1、源节点S2的发送功率，是实数；n1c，n2c，n13，n24分别是源节点S1-中间节点C、源节点S2-中间节点C、源节点S1-目的节点D3、源节点S2-目的节点D4的服从均值为0，方差为N0的复高斯随机分布的高斯信道白噪声AWGN，是1×2n的矩阵，n＝1,2,3,…；h1c、h2c、h13、h24分别是源节点S1-中间节点C、源节点S2-中间节点C、源节点S1-目的节点D3、源节点S2-目的节点D4的信道系数，是实数；
步骤1.3，将步骤1.2所得的源节点编码信息作为输入参数，按照中间节点编译码方法，执行计算：中间节点C接收源节点S1、S2编码后的信息并解码,中间节点C解码后的信息采用网络编码，编成中间节点信息并使用LDPC编码方法，将编码信息通过BPSK调制后，然后通过发射天线，将其在自由空间广播到目的节点D3和目的节点D4；
步骤1.4，将步骤1.3通过中间节点编译码所得编码信息作为输入，按照目的节点译码方法，执行计算：目的节点D3将接收到的源节点信息S1译码；目的节点D4将接收到的源节点信息S2译码；再将中间节点C发送的信息译码，最后，将译码得到的信息异或处理，得到最后的目标信息；
步骤1.5，按照性能指标设计方法，执行计算：在物理层通过系统误码率定义编码感知路由的预期传输次数，得到的物理层预期传输次数，即为本方法最后的结果；
其中，步骤1.5的性能指标设计方法，采用以下步骤完成：
步骤4.1，信号采用BPSK调制，需要在接收部分进行解调后信号的平均误码率如下：
其中，Pb是解调后信号的平均误码率，是实数；A是信号的幅度，是实数；Tb是BPSK发送信号的时间，是实数；N0是方差为N0的高斯随机分布的高斯信道白噪声AWGN，是个实数；Eb是平均比特能量，是个实数；erfc()是互补的误差函数，其表达式为：其中，x是自变量，e为数学中一个常数，是个无限不循环小数；η为被积函数的自变量；
步骤4.2，采用LDPC编码后物理层传输信息的理论平均误码率如下：
Pe＝p0-P[Right|Error]+P[Error|Right]
其中，Pe是采用LDPC编码后物理层传输信息的理论平均误码率，是实数；p0是信息接收错误的概率，是实数；P[Right|Error]是纠正错误的概率,是实数；P[Error|Right]是误判概率，是实数；
步骤4.3，物理层信息传输的误码率定义为物理层信息传输中信息交换成功的概率如下：
其中，rij是从节点i到j的信息传输的双向成功概率，是实数；Pe是采用LDPC编码后物理层传输信息的理论平均误码率，是实数；
步骤4.4，在无网络编码的物理层传输数据组的情况下的预期传输次数ETX如下：
其中，是发送节点在不使用网络编码的情况下需要在路由Ri中的第α条上传输的数据包数量为l，是实数；rij是从节点i到j的信息传输的双向成功概率，是实数；Ri是第i个路由，i＝1,2,3,…，i是实数，hop(Ri)是网络中存在节点i的路由数量，是实数，α＝0,1,2,…n；ETX是预期传输次数，是实数；
步骤4.5，使用网络编码传输数据包的预期传输次数如下：
其中，Niα(1≤α≤m)是路由Ri的编码节点，是个实数；m是编码节点的数量，是实数；是没有网络编码的路由Ri中编码节点Niα要传输的数据包数，是实数；/>是编码节点Niα允许一起编码的不同数据包的数量，是实数；rij是从节点i到j的信息传输的双向成功概率，是实数；Ri是第i个路由，i＝1,2,3,…，i是实数；hop(Ri)是网络中存在节点i的路由数量，是实数，α＝0,1,2,…n；ETX是预期传输次数，是实数。
2.根据权利要求1所述一种物理层网络编码感知路由的二次编码设计方法，其特征在于，其中，步骤1.3的中间节点编译码方法，采用以下步骤完成：
步骤2.1，中间节点C接收源节点S1、S2编码后的信息并解码；按以下子步骤完成：
步骤2.1.1，将中间节点C接收到的信息进行LDPC解码如下：
其中，是源节点S1、S2解码后的信息，是1×n的矩阵，n＝1,2,3,…；y1c、y2c为源节点S1、源节点S2发送到中间节点C信息，是1×2n的矩阵，n＝1,2,3,…；H1、H2为LDPC-1，LDPC-2的校验矩阵，是2n×1的矩阵，n＝1,2,3,…，是由不同的校验多项式生成的校验矩阵；
步骤2.2，中间节点C解码后的信息采用网络编码，编成中间节点信息，按以下子步骤完成：
步骤2.2.1，将中间节点C解码的信息采用网络编码如下：
其中，xc，分别是中间节点C解码的信息异或的信息、源节点S1、S2解码后的信息，是1×n的矩阵，n＝1,2,3,…；/>表示为异或操作；
步骤2.3，将采用网络编码后的信息使用LDPC编码方法编码，通过无线发送到自由空间；按以下子步骤完成：
步骤2.3.1，将中间节点C编码后的信息采用LDPC-3编码如下：
yc＝xc×G3
其中，yc是中间节点C编码后的信息，是1×2n的矩阵，n＝1,2,3,…；xc是中间节点C解码的信息异或后的信息，是1×n的矩阵，n＝1,2,3,…；G3为LDPC-3编码的生成矩阵，是1×2n的矩阵，n＝1,2,3,…；
步骤2.3.2，将步骤2.3.1的编码信息通过天线发送至自由空间如下：
其中，yc,3，yc,4分别是中间节点C发送到目的节点D3、目的节点D4的信息，是1×2n的矩阵，n＝1,2,3,…；pc为中间节点C的发送功率，是实数；hc3、hc4分别是中间节点C-目的节点D3、中间节点C-目的节点D4的系数，是实数；nc是中间节点C、目的节点D3和目的节点D4信道中服从均值为0，方差为N0的高斯随机分布的高斯信道白噪声AWGN，是1×2n的矩阵，n＝1,2,3,…。
3.根据权利要求1所述的一种物理层网络编码感知路由的二次编码设计方法，其特征在于，步骤1.4的目的节点译码方法，采用以下步骤完成：
步骤3.1，目的节点D3将接收到的源节点信息S1译码，目的节点D4将接收到的源节点信息S2译码；再将中间节点C发送的信息译码；按以下子步骤完成：
步骤3.1.1：目的节点D3、D4将接收到的信息进行LDPC译码方法译码如下：
x1,3＝y1,3×H1 T
x2,4＝y2,4×H2 T
其中，x1,3，x2,4是目的节点D3、目的节点D4将接收到的源节点S1、源节点S2发送的信息译码后的译码信息，是1×n的矩阵，n＝1,2,3,…；y1,3，y2,4分别是源节点S1被目的节点D3接收到的信息、源节点S2被目的节点D4接收到的信息，是1×2n的矩阵，n＝1,2,3,…；H1、H2为LDPC-1，LDPC-2的校验矩阵，是2n×n的矩阵，n＝1,2,3,…，是由不同的校验多项式生成的校验矩阵；
步骤3.1.2，目的节点D3、D4将接收到的信息进行LDPC译码方法译码如下：
xc,3＝yc,3×H3 T
xc,4＝yc,4×H3 T
其中，xc,3，xc,4是目的节点D3、目的节点D4将接收到中间节点C发送的信息译码后的译码信息，是1×n的矩阵，n＝1,2,3,…；yc,3，yc,4分别是中间节点C发送到目的节点D3、目的节点D4的信息，是1×2n的矩阵，n＝1,2,3,…；H3为LDPC-3的校验矩阵，是2n×1的矩阵，n＝1,2,3,…，是由不同的校验多项式生成的校验矩阵；
步骤3.2，目的节点将译码所得的信息异或得到该节点接受到的信息如下：
其中，x2,3，x1,4分别是目的节点D3、目的节点D4需要接收的到源节点S1、源节点S2发送的信息，是1×n的矩阵，n＝1,2,3,...；xc,3，xc,4是目的节点D3、目的节点D4将接收到中间节点C发送的信息译码后的译码信息，是1×n的矩阵，n＝1,2,3,…；x1,3，x2,4是目的节点D3、目的节点D4将接收到源节点S1、源节点S2发送的信息译码后的译码信息，是1×n的矩阵，n＝1,2,3,…。
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