專(zhuān)利名稱(chēng)：無(wú)線(xiàn)多跳級(jí)聯(lián)自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)編碼協(xié)作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是無(wú)線(xiàn)多跳網(wǎng)絡(luò)中的一種網(wǎng)絡(luò)編碼方法。特別是基于中繼的協(xié)作分集無(wú)線(xiàn) 通信系統(tǒng)中的多跳網(wǎng)絡(luò)編碼協(xié)作技術(shù)。
背景技術(shù)：
網(wǎng)絡(luò)編碼是一種協(xié)同技術(shù)與編碼技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，是一種強(qiáng)調(diào)節(jié)點(diǎn)之間相互合作的理 念，它從網(wǎng)絡(luò)信息論的角度出發(fā)，將這種節(jié)點(diǎn)合作編碼的概念應(yīng)用到整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)，以提高 網(wǎng)絡(luò)的整體性能。網(wǎng)絡(luò)編碼的思想是允許中繼節(jié)點(diǎn)處的簡(jiǎn)單的編碼能力，這樣可以提升網(wǎng) 絡(luò)容量。目前通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)編碼的理論研究和仿真實(shí)現(xiàn)，已經(jīng)顯示網(wǎng)絡(luò)編碼在網(wǎng)絡(luò)傳輸中的優(yōu) 勢(shì)，它不僅可以提高網(wǎng)絡(luò)流量，還在信息可靠性、安全性等方面有極大的應(yīng)用。
網(wǎng)絡(luò)編碼允許網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)將接收到的信息進(jìn)行編碼后再轉(zhuǎn)發(fā)出去，從而提高無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò) 的傳輸性能，主要應(yīng)用在組播場(chǎng)景。當(dāng)一個(gè)或幾個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向若干個(gè)其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),往 往要借助其他節(jié)點(diǎn)的傳遞，網(wǎng)絡(luò)編碼允許中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)接收到的信息進(jìn)行編碼,并將接收到的多 個(gè)數(shù)據(jù)包按照某種特定算法重新組合再發(fā)送出去。.網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)從有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)到無(wú)線(xiàn)多跳通信 網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展見(jiàn)圖1。
圖1中左圖箭頭代表有向鏈路,假設(shè)每條鏈路的容量為1，節(jié)點(diǎn)1將bl和b2兩個(gè)bit信息 分別傳送給節(jié)點(diǎn)6和7，若采用傳統(tǒng)的通信方式，將在中間節(jié)點(diǎn)4和5之間產(chǎn)生排隊(duì)時(shí)延。而 采用圖中所示的簡(jiǎn)單編碼策略會(huì)使帶寬效率更高，節(jié)點(diǎn)4將接收的兩個(gè)bit異或后轉(zhuǎn)發(fā),接收 節(jié)點(diǎn)6將接收到bl和bl④b2,解碼即可恢復(fù)出b2，同理節(jié)點(diǎn)7也可收到完整信息。
將其推廣到無(wú)線(xiàn)多跳通信領(lǐng)域中'，如圖1的右圖所示,引入傳輸半徑的概念(以節(jié)點(diǎn)為中心 的虛線(xiàn)圈表示)，通過(guò)在節(jié)點(diǎn)4進(jìn)行的編碼和兩個(gè)接收節(jié)點(diǎn)的解碼,在接收完整信息的同時(shí)，提高 了傳輸效率。
在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中，基于中繼的協(xié)作分集系統(tǒng)采，單獨(dú)的中繼天線(xiàn)對(duì)用戶(hù)數(shù)據(jù)進(jìn)行中繼，從 而獲得空間分集增益；用戶(hù)協(xié)同分集系統(tǒng)是通過(guò)用戶(hù)終端相互作為中繼，在沒(méi)有增加設(shè)備復(fù) 雜度與設(shè)備量的條件下實(shí)現(xiàn)用戶(hù)終端的分集接收從而獲得空間分集增益。研究顯示，將網(wǎng)絡(luò) 編碼應(yīng)用于基于中繼的無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)和用戶(hù)協(xié)同的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)都將會(huì)產(chǎn)生很好的分集性能。由于基 于中繼的協(xié)作分集己經(jīng)在一些無(wú)線(xiàn)通信標(biāo)準(zhǔn)中出現(xiàn)，且更容易與現(xiàn)有的通信兼容，因此更具 有應(yīng)用價(jià)值，本發(fā)明中以基于中繼的無(wú)線(xiàn)協(xié)作分集為研究對(duì)象，研究了多跳網(wǎng)絡(luò)中的一種實(shí) 用的網(wǎng)絡(luò)編碼方法。故在本發(fā)明中的無(wú)線(xiàn)多跳網(wǎng)絡(luò)模型中，每一級(jí)的傳輸模型都由源端、中
3繼天線(xiàn)和目的端構(gòu)成。

發(fā)明內(nèi)容
網(wǎng)絡(luò)編碼方案可分為線(xiàn)性和非線(xiàn)性?xún)煞N，其中線(xiàn)性方法的編碼和解碼相對(duì)簡(jiǎn)單,因此，一 般都傾向于采用線(xiàn)性方法。在有向網(wǎng)絡(luò)中，如果一個(gè)網(wǎng)絡(luò)編碼問(wèn)題有解，則一定有線(xiàn)性解。從 理論上保證了線(xiàn)性算法的有效性。線(xiàn)性組合要求網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具有更高的計(jì)算能力，然而根據(jù)摩爾
定律，隨著處理成本的降低，網(wǎng)絡(luò)的瓶頸逐漸轉(zhuǎn)向業(yè)務(wù)所需的更高的帶寬支持和QoS保證。線(xiàn)性 網(wǎng)絡(luò)編碼是將節(jié)點(diǎn)傳送信息線(xiàn)性映射到一個(gè)有限域內(nèi)，利用線(xiàn)性關(guān)系實(shí)現(xiàn)編譯碼過(guò)程。假設(shè)每 個(gè)信息數(shù)據(jù)包長(zhǎng)為L(zhǎng) bit,當(dāng)它與要組合的數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度不同時(shí)，較短的信息附加額外一串O,將
包中的每s個(gè)連續(xù)的比特組成&S域上的一個(gè)符號(hào),則一個(gè)包中包含L/s個(gè)符號(hào)。在線(xiàn)性編碼下，
運(yùn)用乘法和加法運(yùn)算，使從節(jié)點(diǎn)發(fā)送出去的數(shù)據(jù)為該節(jié)點(diǎn)接收到信息的線(xiàn)性組合。
為了對(duì)網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)進(jìn)行深入的理論研究，需要將其抽象成有效模型，利用圖論、矩陣 論、信息論等基礎(chǔ)理論研究編碼問(wèn)題和進(jìn)行相應(yīng)的性能評(píng)估。網(wǎng)絡(luò)編碼的一般研究思路為 首先將實(shí)際研究網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)抽象成圖，從圖論角度得到相應(yīng)的研究結(jié)論;然后一方面將其 進(jìn)一步抽象成代數(shù)實(shí)現(xiàn),用更深入的數(shù)學(xué)理論進(jìn)行問(wèn)題求解，另一方面進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算機(jī)模擬 仿真，通過(guò)仿真得到的性能結(jié)果來(lái)評(píng)估無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)的性能。 1.基于網(wǎng)絡(luò)編碼的拓?fù)鋱D與LDPC碼的即時(shí)匹配
圖2是一個(gè)基于中繼的協(xié)作分集無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)模型，包括基站，中繼和終端三部分。這 里討論的是終端作為源端，基站作為目的端時(shí)的情況，即從終端用戶(hù)向基站發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的情 況。這種數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸時(shí)形成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D可以看成是一種稀疏圖碼，只要知道了這個(gè) 拓?fù)鋱D就可以根據(jù)基于圖的置信傳播譯碼算法在基站將用戶(hù)數(shù)據(jù)恢復(fù)。因此這種網(wǎng)絡(luò)編碼的 關(guān)鍵是建立拓?fù)鋱D與稀疏圖(或檢驗(yàn)矩陣)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
以圖2所示的協(xié)作分集無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)為例，其校驗(yàn)矩陣H的結(jié)構(gòu)如圖3。此矩陣由左邊的稀疏 陣P和右邊的單位陣I合并構(gòu)成。P中的行數(shù)等于中繼點(diǎn)個(gè)數(shù)；P的列數(shù)等于終端的個(gè)數(shù)。P 中第i行第j列如果是1則表明第i個(gè)中繼所中繼的數(shù)據(jù)包含第j個(gè)終端的數(shù)據(jù)內(nèi)容。P的每
行中1的分布是隨機(jī)的。并且每行的1的個(gè)數(shù)為一個(gè)預(yù)先設(shè)定好的參數(shù)A。這種基于圖的碼
可以與即時(shí)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎嗥ヅ?，由于網(wǎng)絡(luò)中的終端數(shù)目多，因此每個(gè)中繼都可以從中選擇合適 的終端數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編碼并進(jìn)行前傳。因此基站在某一個(gè)時(shí)刻接收到的數(shù)據(jù)之間的關(guān)系可以 用一個(gè)LDPC碼來(lái)表示，經(jīng)過(guò)LDPC碼的譯碼就可以將多個(gè)用戶(hù)終端的數(shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù)。這種 方法對(duì)同步的要求較弱，可以根據(jù)拓?fù)溥B結(jié)情況實(shí)時(shí)建立碼圖并進(jìn)行譯碼，因此稱(chēng)為自適應(yīng) 網(wǎng)絡(luò)編碼。2. 無(wú)線(xiàn)多跳系統(tǒng)模型與級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)編碼分'集
圖4給出了一個(gè)兩層架構(gòu)的多跳級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)模型。第一層由K2個(gè)簇組成，每簇中含有K,個(gè)
源端、！^個(gè)中繼以及一個(gè)目的端。第二層以第一層中的K^個(gè)目的站作為源端，并含有112個(gè) 中繼以及一個(gè)目的端。
每一簇的簇頭iV,(目的端)通過(guò)聯(lián)合所有的信息位和此簇中的中繼生成的奇偶校驗(yàn)位組 建一個(gè)(《+《，《)的外碼C;。如果簇頭解碼正確，它將廣播此外碼到112個(gè)二層中繼以及節(jié) 點(diǎn)A^。如果至少其一簇頭解碼失敗，則相應(yīng)的外碼不會(huì)被前傳到i^并且i^處將在宣布節(jié)點(diǎn) 解碼失敗的報(bào)告。 一旦所有簇頭解碼正確，112個(gè)二層中繼中的每一個(gè)存儲(chǔ)所有從個(gè)簇頭傳來(lái) 的帶噪聲的外碼于一個(gè)(《+及^x/^的矩陣中。然后，用矩陣的每一行來(lái)生成內(nèi)碼q的校驗(yàn) 位。然后，內(nèi)碼將由中繼傳到目的端A^。 A^利用q和G來(lái)解碼。這個(gè)模型可以擴(kuò)展到n級(jí) 的級(jí)聯(lián)。
這種級(jí)聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)編碼在無(wú)線(xiàn)多跳網(wǎng)絡(luò)中可以獲得更高的分集增益。但是當(dāng)采用固定的內(nèi) 碼和外碼時(shí)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)要求較高，對(duì)于動(dòng)態(tài)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)實(shí)用性差。因此本發(fā)明提供 了一種自適應(yīng)的多跳無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)編碼方法，給出了與之匹配的LDPC碼的校驗(yàn)矩陣。
3. 與無(wú)線(xiàn)多跳網(wǎng)絡(luò)相匹配的級(jí)聯(lián)自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)編碼分集
自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)編碼的關(guān)鍵是建立與之相匹配的yDPC碼的校驗(yàn)矩陣。圖5是一個(gè)n級(jí)網(wǎng)絡(luò) 的校驗(yàn)矩陣的基本結(jié)構(gòu)。其中，子矩陣1的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6所示，其中w...mA表示信息位，
表示校驗(yàn)位。子矩陣l的左邊部分的各LDPC陣是《x《的矩陣，右邊部分的對(duì)角陣是一個(gè)
(《xA)x(/ ,x^)的矩陣。而圖7給出了子矩陣2的結(jié)構(gòu)其中奇數(shù)序號(hào)的子部分由^x^
對(duì)角陣和零陣構(gòu)成，偶數(shù)序號(hào)的子部分由《x《的對(duì)角陣和零陣構(gòu)成。奇數(shù)序號(hào)的子部分和
偶數(shù)序號(hào)的子部分中對(duì)角陣的分布情況是一一對(duì)應(yīng)的，這是由外碼的構(gòu)造決定的。每個(gè)子部 分的對(duì)角陣的個(gè)數(shù)是一個(gè)預(yù)先設(shè)定的參數(shù)A，且各子部分的對(duì)角陣是隨機(jī)分布的。對(duì)角子陣
的每?jī)闪?序號(hào)為奇、偶先后順序)表示第二層中繼的某個(gè)中繼的校驗(yàn)位信息。
4. 級(jí)聯(lián)自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)編碼的譯碼 與級(jí)聯(lián)自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)編碼相匹配的校驗(yàn)矩陣是一種低碼率的LDPC碼。因此在基站可以采用
LDPC的常用譯碼方法——置信傳播譯碼。該方法是一種近似的最大似然譯碼，可以獲得很
5高的編碼增益，同時(shí)由于它可以并行實(shí)現(xiàn)，因此復(fù)雜度低，是目前信號(hào)處理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。


圖1是網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)從有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)到無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展。 圖2是帶網(wǎng)絡(luò)編碼的分布式無(wú)線(xiàn)中繼系統(tǒng)。 圖3是分布式無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)的校驗(yàn)矩陣的一般表示。 圖4是一個(gè)兩層中繼架構(gòu)的多跳級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)模型。 圖5是圖4所示系統(tǒng)的校驗(yàn)矩陣的結(jié)構(gòu)分塊。
圖0是圖4所示系統(tǒng)的第一層中繼系統(tǒng)的校驗(yàn)矩陣即子矩陣1的結(jié)構(gòu)。 圖7是子矩陣2的結(jié)構(gòu)圖。
圖8是在《=4，^ =2，《2 =4，i 2 =2，A =D2 =2的情況時(shí)，子矩陣1的一個(gè)示例。
圖9是在《=4,& = 2，《2 = 4,及2 = 2, A = ￡>2 = 2的情況時(shí)，子矩陣2的一個(gè)示例。
圖10是在尺,-4,i ,-2，K^4，及2-2，A-A-2的情況時(shí)，系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的校驗(yàn)矩陣的一個(gè)示例。
具體實(shí)施例方式
在《-4，A-2，A-4，i 2-2，D,Z)2-2的情況時(shí)，我們來(lái)實(shí)現(xiàn)校驗(yàn)矩陣。我們按照
信號(hào)從源端到目的端這樣的時(shí)間順序來(lái)進(jìn)行。首先，我們生成子矩陣l，它的左半部分是 由4個(gè)2x4的LDPC矩陣(每行中1的個(gè)數(shù)為2)按對(duì)角線(xiàn)排列，并在其他位置補(bǔ)零所構(gòu) 成的8xl6的矩陣；它的右半部分是一個(gè)8x8的對(duì)角陣。(見(jiàn)圖8)接著，我們來(lái)生成子矩 陣2，序號(hào)為奇數(shù)的子部分由2個(gè)4x4的對(duì)角陣和2個(gè)零陣構(gòu)成，它們是隨機(jī)排列的；序 號(hào)為偶數(shù)的子部分由2個(gè)2x2的對(duì)角陣和2個(gè)零陣構(gòu)成，且它們有著與序號(hào)為奇數(shù)的子 部分的子陣相對(duì)應(yīng)的隨機(jī)排列。再把剩下的部分補(bǔ)零就得到了矩陣2的左邊部分，然后 右邊合并一個(gè)12xl2的對(duì)角陣就得到矩陣2。(見(jiàn)圖9)最后按照?qǐng)D6所示的結(jié)構(gòu)將生成的
幾塊組合，就得到了最終的2()><36的校驗(yàn)矩陣。(見(jiàn)圖IO)
權(quán)利要求
1.本發(fā)明應(yīng)用于無(wú)線(xiàn)多跳級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，是一種自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)編碼協(xié)作方法，包括以下步驟步驟一分析網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)模型給出網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D；步驟二根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D得出網(wǎng)絡(luò)校驗(yàn)矩陣；步驟三在終端根據(jù)校驗(yàn)矩陣和收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼。
2. 如權(quán)利要求1所述的無(wú)線(xiàn)多跳級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，是由基于中繼協(xié)作的無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)構(gòu)成的， 基于中繼協(xié)作的無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)是由若干源端、若干中繼、若干目的端組成的，這種技術(shù)方案 在實(shí)際通信系統(tǒng)中具很好的應(yīng)用前景。
3. 如權(quán)利要求l所述的針對(duì)基于中繼協(xié)作的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分析中，采用了依據(jù)網(wǎng)圖映射得到 碼圖映射的分析方法，即將網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D映射到幾何圖形，然后依據(jù)此圖形得到編碼碼字。
4. 與基于中繼協(xié)作的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)匹配的碼圖的校驗(yàn)矩陣是一種特殊的表達(dá)形式，其采用 LDPC碼的設(shè)計(jì)思想，由左邊的稀疏矩陣和右邊的對(duì)角陣合并而成，左邊稀疏矩陣的列對(duì)應(yīng) 著每個(gè)源端的信息，行對(duì)應(yīng)著網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)。
5. 在無(wú)線(xiàn)多跳系統(tǒng)中，第二級(jí)中繼處，中繼節(jié)點(diǎn)收到的信號(hào)為上一層的簇頭傳來(lái)的信息和校驗(yàn)信息組成的外碼，然后線(xiàn)性編碼成內(nèi)碼傳送到目的端。
6. 如權(quán)利要求l所述本發(fā)明的針對(duì)無(wú)線(xiàn)多跳級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)所給出的校驗(yàn)矩陣的結(jié)構(gòu)新穎，直 觀，譯碼簡(jiǎn)單，分集增益大，它由子矩陣l、子矩陣2和全零部分構(gòu)成。
7. 如權(quán)利要求6所述的子矩陣1的左邊部分由低密度奇偶校驗(yàn)(LDPC)碼子陣按對(duì)角 線(xiàn)排列形成，右邊部分是一個(gè)對(duì)角陣。
8. 如權(quán)利要求6所述的子矩陣2左邊由奇數(shù)，號(hào)的子部分和偶數(shù)序號(hào)的子部分構(gòu)成，右 邊是對(duì)角陣，其中左邊的各子部分由對(duì):i陣和零陣構(gòu)成，奇數(shù)序號(hào)的子部分和偶數(shù)序號(hào)的子 部分中對(duì)角陣的分布情況是一一對(duì)應(yīng)的，這是由外碼的構(gòu)造決定的，每個(gè)子部分的對(duì)角陣的 個(gè)數(shù)是一個(gè)預(yù)先設(shè)定的參數(shù)A，且各子部分的對(duì)角陣是隨機(jī)分布的。
9. 如權(quán)利要求1所述的譯碼方法是LDPC的常用譯碼方法——置信傳播譯碼，該方法是 一種近似的最大似然譯碼，可以獲得很高的編碼增益，它可以并行實(shí)現(xiàn)，復(fù)雜度低，是目前 信號(hào)處理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
全文摘要
本發(fā)明涉及的是無(wú)線(xiàn)多跳網(wǎng)絡(luò)中的一種網(wǎng)絡(luò)編碼方法。特別是與瞬時(shí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相匹配的自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)編碼方法，該方法通過(guò)拓?fù)鋱D與即時(shí)LDPC碼的校驗(yàn)矩陣相匹配，利用置信傳播譯碼方法解碼，可以獲得較高的編碼增益和分集增益。本說(shuō)明書(shū)首先介紹了網(wǎng)絡(luò)編碼的概念及其作用，然后給出了帶網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)的無(wú)線(xiàn)中繼網(wǎng)絡(luò)的分析方法以及編碼校驗(yàn)矩陣的生成方法，再然后給出了無(wú)線(xiàn)多跳級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的模型，并給出了針對(duì)此模型的一種編碼校驗(yàn)矩陣生成方法，最后給出了一個(gè)具體實(shí)例。
文檔編號(hào)H04L1/00GK101635606SQ200810045620
公開(kāi)日2010年1月27日 申請(qǐng)日期2008年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月23日
發(fā)明者史治平, 亮 周, 張忠培, 兵 燕 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)