專利名稱:無線多跳級聯(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)明涉及的是無線多跳網(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)作分集無線 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)點合作編碼的概念應(yīng)用到整個通信網(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)點處的簡單的編碼能力,這樣可以提升網(wǎng) 絡(luò)容量。目前通過對網(wǎng)絡(luò)編碼的理論研究和仿真實現(xiàn),已經(jīng)顯示網(wǎng)絡(luò)編碼在網(wǎng)絡(luò)傳輸中的優(yōu) 勢,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,從而提高無線網(wǎng)絡(luò) 的傳輸性能,主要應(yīng)用在組播場景。當(dāng)一個或幾個節(jié)點同時向若干個其他節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時,往 往要借助其他節(jié)點的傳遞,網(wǎng)絡(luò)編碼允許中繼節(jié)點對接收到的信息進(jìn)行編碼,并將接收到的多 個數(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)從有線網(wǎng)絡(luò)到無線多跳通信 網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展見圖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1將bl和b2兩個bit信息 分別傳送給節(jié)點6和7,若采用傳統(tǒng)的通信方式,將在中間節(jié)點4和5之間產(chǎn)生排隊時延。而 采用圖中所示的簡單編碼策略會使帶寬效率更高,節(jié)點4將接收的兩個bit異或后轉(zhuǎn)發(fā),接收 節(jié)點6將接收到bl和bl④b2,解碼即可恢復(fù)出b2,同理節(jié)點7也可收到完整信息。
將其推廣到無線多跳通信領(lǐng)域中',如圖1的右圖所示,引入傳輸半徑的概念(以節(jié)點為中心 的虛線圈表示),通過在節(jié)點4進(jìn)行的編碼和兩個接收節(jié)點的解碼,在接收完整信息的同時,提高 了傳輸效率。
在無線網(wǎng)絡(luò)中,基于中繼的協(xié)作分集系統(tǒng)采,單獨的中繼天線對用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行中繼,從 而獲得空間分集增益;用戶協(xié)同分集系統(tǒng)是通過用戶終端相互作為中繼,在沒有增加設(shè)備復(fù) 雜度與設(shè)備量的條件下實現(xiàn)用戶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)用于基于中繼的無線系統(tǒng)和用戶協(xié)同的無線網(wǎng)絡(luò)都將會產(chǎn)生很好的分集性能。由于基 于中繼的協(xié)作分集己經(jīng)在一些無線通信標(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)用價值,本發(fā)明中以基于中繼的無線協(xié)作分集為研究對象,研究了多跳網(wǎng)絡(luò)中的一種實 用的網(wǎng)絡(luò)編碼方法。故在本發(fā)明中的無線多跳網(wǎng)絡(luò)模型中,每一級的傳輸模型都由源端、中
3繼天線和目的端構(gòu)成。
發(fā)明內(nèi)容
網(wǎng)絡(luò)編碼方案可分為線性和非線性兩種,其中線性方法的編碼和解碼相對簡單,因此,一 般都傾向于采用線性方法。在有向網(wǎng)絡(luò)中,如果一個網(wǎng)絡(luò)編碼問題有解,則一定有線性解。從 理論上保證了線性算法的有效性。線性組合要求網(wǎng)絡(luò)節(jié)點具有更高的計算能力,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。線性 網(wǎng)絡(luò)編碼是將節(jié)點傳送信息線性映射到一個有限域內(nèi),利用線性關(guān)系實現(xiàn)編譯碼過程。假設(shè)每 個信息數(shù)據(jù)包長為L bit,當(dāng)它與要組合的數(shù)據(jù)包長度不同時,較短的信息附加額外一串O,將
包中的每s個連續(xù)的比特組成&S域上的一個符號,則一個包中包含L/s個符號。在線性編碼下,
運用乘法和加法運算,使從節(jié)點發(fā)送出去的數(shù)據(jù)為該節(jié)點接收到信息的線性組合。
為了對網(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)理論研究編碼問題和進(jìn)行相應(yīng)的性能評估。網(wǎng)絡(luò)編碼的一般研究思路為 首先將實際研究網(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)實現(xiàn),用更深入的數(shù)學(xué)理論進(jìn)行問題求解,另一方面進(jìn)行相應(yīng)的計算機(jī)模擬 仿真,通過仿真得到的性能結(jié)果來評估無線通信網(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碼的即時匹配
圖2是一個基于中繼的協(xié)作分集無線通信系統(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,基站作為目的端時的情況,即從終端用戶向基站發(fā)送數(shù)據(jù)時的情 況。這種數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸時形成的網(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 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(或檢驗矩陣)的對應(yīng)關(guān)系。
以圖2所示的協(xié)作分集無線系統(tǒng)為例,其校驗矩陣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)等于中繼點個數(shù);P的列數(shù)等于終端的個數(shù)。P 中第i行第j列如果是1則表明第i個中繼所中繼的數(shù)據(jù)包含第j個終端的數(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的個數(shù)為一個預(yù)先設(shè)定好的參數(shù)A。這種基于圖的碼
可以與即時網(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。因此基站在某一個時刻接收到的數(shù)據(jù)之間的關(guān)系可以 用一個LDPC碼來表示,經(jīng)過LDPC碼的譯碼就可以將多個用戶終端的數(shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù)。這種 方法對同步的要求較弱,可以根據(jù)拓?fù)溥B結(jié)情況實時建立碼圖并進(jìn)行譯碼,因此稱為自適應(yīng) 網(wǎng)絡(luò)編碼。2. 無線多跳系統(tǒng)模型與級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)編碼分'集
圖4給出了一個兩層架構(gòu)的多跳級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)模型。第一層由K2個簇組成,每簇中含有K,個
源端、!^個中繼以及一個目的端。第二層以第一層中的K^個目的站作為源端,并含有112個 中繼以及一個目的端。
每一簇的簇頭iV,(目的端)通過聯(lián)合所有的信息位和此簇中的中繼生成的奇偶校驗位組 建一個(《+《,《)的外碼C;。如果簇頭解碼正確,它將廣播此外碼到112個二層中繼以及節(jié) 點A^。如果至少其一簇頭解碼失敗,則相應(yīng)的外碼不會被前傳到i^并且i^處將在宣布節(jié)點 解碼失敗的報告。 一旦所有簇頭解碼正確,112個二層中繼中的每一個存儲所有從個簇頭傳來 的帶噪聲的外碼于一個(《+及^x/^的矩陣中。然后,用矩陣的每一行來生成內(nèi)碼q的校驗 位。然后,內(nèi)碼將由中繼傳到目的端A^。 A^利用q和G來解碼。這個模型可以擴(kuò)展到n級 的級聯(lián)。
這種級聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)編碼在無線多跳網(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,對網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)要求較高,對于動態(tài)的無線網(wǎng)絡(luò)實用性差。因此本發(fā)明提供 了一種自適應(yīng)的多跳無線網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)編碼方法,給出了與之匹配的LDPC碼的校驗矩陣。
3. 與無線多跳網(wǎng)絡(luò)相匹配的級聯(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碼的校驗矩陣。圖5是一個n級網(wǎng)絡(luò) 的校驗矩陣的基本結(jié)構(gòu)。其中,子矩陣1的結(jié)構(gòu)見圖6所示,其中w...mA表示信息位,
表示校驗位。子矩陣l的左邊部分的各LDPC陣是《x《的矩陣,右邊部分的對角陣是一個
(《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)序號的子部分由^x^
對角陣和零陣構(gòu)成,偶數(shù)序號的子部分由《x《的對角陣和零陣構(gòu)成。奇數(shù)序號的子部分和
偶數(shù)序號的子部分中對角陣的分布情況是一一對應(yīng)的,這是由外碼的構(gòu)造決定的。每個子部 分的對角陣的個數(shù)是一個預(yù)先設(shè)定的參數(shù)A,且各子部分的對角陣是隨機(jī)分布的。對角子陣
的每兩列(序號為奇、偶先后順序)表示第二層中繼的某個中繼的校驗位信息。
4. 級聯(lián)自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)編碼的譯碼 與級聯(lián)自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)編碼相匹配的校驗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,同時由于它可以并行實現(xiàn),因此復(fù)雜度低,是目前信號處理領(lǐng)域的研究熱點。
圖1是網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)從有線網(wǎng)絡(luò)到無線網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展。 圖2是帶網(wǎng)絡(luò)編碼的分布式無線中繼系統(tǒng)。 圖3是分布式無線系統(tǒng)的校驗矩陣的一般表示。 圖4是一個兩層中繼架構(gòu)的多跳級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)模型。 圖5是圖4所示系統(tǒng)的校驗矩陣的結(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,子矩陣1的一個示例。
圖9是在《=4,& = 2,《2 = 4,及2 = 2, A = £>2 = 2的情況時,子矩陣2的一個示例。
圖10是在尺,-4,i ,-2,K^4,及2-2,A-A-2的情況時,系統(tǒng)對應(yīng)的校驗矩陣的一個示例。
具體實施例方式
在《-4,A-2,A-4,i 2-2,D,Z)2-2的情況時,我們來實現(xiàn)校驗矩陣。我們按照
信號從源端到目的端這樣的時間順序來進(jìn)行。首先,我們生成子矩陣l,它的左半部分是 由4個2x4的LDPC矩陣(每行中1的個數(shù)為2)按對角線排列,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8x8的對角陣。(見圖8)接著,我們來生成子矩 陣2,序號為奇數(shù)的子部分由2個4x4的對角陣和2個零陣構(gòu)成,它們是隨機(jī)排列的;序 號為偶數(shù)的子部分由2個2x2的對角陣和2個零陣構(gòu)成,且它們有著與序號為奇數(shù)的子 部分的子陣相對應(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12xl2的對角陣就得到矩陣2。(見圖9)最后按照圖6所示的結(jié)構(gòu)將生成的
幾塊組合,就得到了最終的2()><36的校驗矩陣。(見圖IO)
權(quán)利要求
1.本發(fā)明應(yīng)用于無線多跳級聯(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)校驗矩陣;步驟三在終端根據(jù)校驗矩陣和收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼。
2. 如權(quán)利要求1所述的無線多跳級聯(lián)網(wǎng)絡(luò),是由基于中繼協(xié)作的無線通信系統(tǒng)構(gòu)成的, 基于中繼協(xié)作的無線通信系統(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所述的針對基于中繼協(xié)作的無線網(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)作的無線網(wǎng)絡(luò)匹配的碼圖的校驗矩陣是一種特殊的表達(dá)形式,其采用 LDPC碼的設(shè)計思想,由左邊的稀疏矩陣和右邊的對角陣合并而成,左邊稀疏矩陣的列對應(yīng) 著每個源端的信息,行對應(yīng)著網(wǎng)絡(luò)中的各個中繼節(jié)點。
5. 在無線多跳系統(tǒng)中,第二級中繼處,中繼節(jié)點收到的信號為上一層的簇頭傳來的信息和校驗信息組成的外碼,然后線性編碼成內(nèi)碼傳送到目的端。
6. 如權(quán)利要求l所述本發(fā)明的針對無線多跳級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)所給出的校驗矩陣的結(jié)構(gòu)新穎,直 觀,譯碼簡單,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(LDPC)碼子陣按對角 線排列形成,右邊部分是一個對角陣。
8. 如權(quán)利要求6所述的子矩陣2左邊由奇數(shù),號的子部分和偶數(shù)序號的子部分構(gòu)成,右 邊是對角陣,其中左邊的各子部分由對:i陣和零陣構(gòu)成,奇數(shù)序號的子部分和偶數(shù)序號的子 部分中對角陣的分布情況是一一對應(yīng)的,這是由外碼的構(gòu)造決定的,每個子部分的對角陣的 個數(shù)是一個預(yù)先設(shè)定的參數(shù)A,且各子部分的對角陣是隨機(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,它可以并行實現(xiàn),復(fù)雜度低,是目前 信號處理領(lǐng)域的研究熱點。
全文摘要
本發(fā)明涉及的是無線多跳網(wǎng)絡(luò)中的一種網(wǎng)絡(luò)編碼方法。特別是與瞬時拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相匹配的自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)編碼方法,該方法通過拓?fù)鋱D與即時LDPC碼的校驗矩陣相匹配,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。本說明書首先介紹了網(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)的無線中繼網(wǎng)絡(luò)的分析方法以及編碼校驗矩陣的生成方法,再然后給出了無線多跳級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的模型,并給出了針對此模型的一種編碼校驗矩陣生成方法,最后給出了一個具體實例。
文檔編號H04L1/00GK101635606SQ200810045620
公開日2010年1月27日 申請日期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 申請人:電子科技大學(xué)